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Cambio de paradigma: Metrologia
de Caracterización
La economía de la Industria del Semiconductor :
Metrologia de caracterización y análisis
CAMBIO !!! Motivado por el cambio de miniaturización. Nuevos materiales, nuevas
propiedades nuevas exigencias
no
a
N
Voltage Tunnel & Delta Vt
Trampas de interface Dit
Corriente de Fuga Jlk
% O en Puerta
% N en Puerta
% Ge en SiGe
Structura de Defectos
Revision de Defectos
Puerta SiON valor de k
Parametros Stress-Si
Parametros SOI
ILD k
Espesor de los materiales
Talla de dispositivo
Talla y tipo de Defecto
ro
Mic
Revision de Defectos
Constante Dielectrica k ILD
Espesor de los materiales
Talla de dispositivo
Talla y tipo de Defecto
Miniaturización tradicional
EOT (Puerta)
Trampas de interface Dit
Corriente de Fuga Jlk
% O en Puerta
% N en Puerta
% Ge en SiGe
Forma del dispositivo
Structura de Defectos
Revision de Defectos
Stress local
Puerta SiON valor de k
Parametros Stress-Si
Parametros SOI
ILD k
Espesor de los materiales
Talla de dispositivo
Talla y tipo de Defecto
Miniaturización Equivalente
EOT (Puerta)
Trampas de interface Dit
Corriente de Fuga Jlk
% Hf en Puerta
% O en Puerta
% N en Puerta
% Ge, B e C en SiGe
Forma del dispositivo
Structura de Defectos
Revision de Defectos
FUSI (NiSi) contactos
Stress local
Puerta SiON valor de k
Parametros Stress-Si
Parametros SOI
ILD k
Espesor de los materiales
Talla de dispositivo
Talla y tipo de Defecto
Voltage Tunnel & Delta Vt
EOT (Puerta)
Trampas de interface Dit
Corriente de Fuga Jlk
% Metal en Puerta
% Hf en Puerta
% O en Puerta
% N en Puerta
% Ge, B e C en SiGe
Forma del dispositivo
Structura de Defectos
Revision de Defectos
Estructura del FINFET
Inspeccion FINFET
FUSI (NiSi) contactos
Stress local
Puerta SiON valor de k
Parametros Stress-Si
Parametros SOI
ILD k
Espesor de los materiales
Talla de dispositivo
Talla y tipo de Defecto
Mas allá del CMOS - nano
Tendencias y necesidades de la industria del
semiconductor
El contexto económico impone bajo costos y mas funcionalidades
Miniaturización e integración mas complicadas
Mas parámetros de control de procesos y un control mas estricto
Parámetro de proceso
- Materiales « simples »
-- # Parámetros de control
reducidos
-- Metrologia Clásica
-- Análisis de Rendimiento
Clásicos
Electricos
Eléctrico
Electricos
Elementales
Elemental
Electricos
Elementales
Electricos
Elementales
Elementales
Estructurales
Estructural
Estructurales
Estructurales
Fisico
Estructurales
Fisico
Fisico
Fisico
Estructurales
Fisicos
Regla de Diseño >= 130 nm
-- Materiales «complejosexóticos»
-- # Parámetros de control en
constante aumentación
- Metrologia Innovarte
- Análisis de rendimiento
innovarte
Regla de Diseño <= 130 nm
Talla característica del dispositivo
Físico
La economía de la Industria del Semiconductor :
Metrologia de caracterización y análisis
Rugosidad de las
paredes de la puerta
lógica
Fluctuación del dopaje
Densidad y perfil 3D del
dopaje
Stress mecánico del
canal de conducción 3D
(~ 90 – 32 nm)
Estructura y talla critica de la
puerta lógica (~ 90 – 32 nm)
Corriente de fuga
Análisis elemental de la interfase
Espesor (~ 2 nm)
Nuevos materiales
Resistividad Fuente
Drenador
Defectos cristalográfico
del Canal de conducción
CAMBIO !!! Motivado por el cambio de miniaturización. 0,130 micrón debajo de 0,09
micrón (90 nm y mas)
‰
Metrologia (propiedades locales sobre objetos nanométricos)
‰
‰
‰
Estructurales y morfológicos
Estequiometría y análisis elemental de capas finas
Interfaces
La Elipsometría
La economía de la Industria del Semiconductor :
Metrologia de caracterización y análisis
Elipsometría Æ principio
Monocromador
p
x
Polarizador
girando
s
P’
x
S’
Analizador
Rp
Rs
=
Rp
e
i∆
= tanΨ e
Rs
BUENO
Sin contacto, “no destructiva”
Rápida ‘tiempo real’
Posibilidades “in situ”
MALO
Talla de la sonda (~ 50 micrón en equipos de producción)
Necesita modelisación
La complejidad del modelo se acentúa con la disminución del
espesor (y la preponderancia de superficie e interfaces)
i∆
La economía de la Industria del Semiconductor :
Metrologia de caracterización y análisis
Elipsometría Æ principio de modelisación y ajuste para la obtención de la medida
Resultados de la Medida :
Tan Ψ(λ)
Cos ∆(λ)
Algoritmo de Ajuste :
Modelo óptico Calculo :
Tan teórico Ψ(λ)
Tan Ψ(λ)
Cos teórico ∆(λ)
Cos ∆(λ)
Estructura de las capa finas (bicapa,
rugosa, gradiente ... ?
Modelo nk
Tan teórico Ψ(λ) = f (n, k – structura)
Cos teórico ∆(λ) = f (n, k – structura)
Resultado de la medida :
n, k – porosidad u otro parámetro del
modelo …
La economía de la Industria del Semiconductor :
Metrologia de caracterización y análisis
Elipsometría Æ Problemas debido a la miniaturización !! Oxido aislante de la puerta lógica
2-3 nm !!
Señal es tan débil que la señal proveniente de especies moleculares depositadas o absorbidas
en la superficie influencia la medida
Thickness
24.5
24
23.5
23
22.5
∂θ
= (1 − θ )ka N − kdθ
∂t
Theory
22
T = Tox + A*[1-B/Exp(C*time)]
21.5
21
20.5
25
50
75
100
125
150
175
Where the parameters
B = ka/(ka +A,
kd)B and C are:
C= ka + kd
A=<r> apparent equilibrium thickness
tim e
200
Oxido de Puerta Logica
W ID
Wo ID
5m
a
1 0 r s-m 03
a
15 r s-m 03
a
20 r s-m 03
a
25 r s-m 03
a
30 r s-m 03
ar
s4- 03
av
r9- 03
av
r
14 - 03
-a
v
19 r- 03
-a
vr
24 - 03
-a
v
29 r- 03
-a
vr
-0
3
Espesor (A)
AM C growth
25,5
25
24,5
24
23,5
23
22,5
22
21,5
21
Dia y tiempo
Tiempo
Solución KLA-TencorTM
Desorbcion por Calentamiento local AccuFilmTM
La economía de la Industria del Semiconductor :
Metrologia de caracterización y análisis
Elipsometría Æ Problemas debido a la miniaturización !!
Nuevo materiales Æ Nuevas posibilidades
Carbón Amorfo :H
HfO2
Estructura de absorción por debajo del Gap Óptico !!
Indican defectos en la banda prohibida !
ε = ε 1 + i ε2
ε = n2 - k2 – 2 i nk
z
and ε2 α f (E, Eo, Eg,)
Gap Óptico !! Cambia !!
SP2/SP3 cambia
Posibilidad de utilizar de manera
indirecta SE para caracterización
eléctrica ?
Mas y mas modelisación !
Transición grafítica ?
Metal - Conductor
Smith, J. App. Phys. Vol.55No2, Feb 1994
La economía de la Industria del Semiconductor :
Metrologia de caracterización y análisis
CAMBIO !!! Motivado por el cambio de miniaturización. 0,130 micrón debajo de 0,09 micrón (90 nm y mas)
‰ Metrologia alcanza sus limites ejemplo : Reducción de la capa de SOI en los transistores
Influencia en la
función dieléctrica
Red shift Æ Stress
Blue Shift Æ %Ge
Intensidad Æ % P
Cristalinidad Æ Sin efecto
-
Necesita controlar mejor Concentración %Ge, % P; « Estrés » local
Mejor caracterización y calculo de Dispersión dieléctrica a la escala « nano »
Cambio !!! MULTIPLES TECNICAS Y MODELISACION !!!
Metrology for nanoelectronic, Alain C. Diebold, Frontiers of Characterization and Metrology for Nanoelectronics ,
NIST conference, Gaithesburg Maryland, March 2007
Caracterización sin Contacto
Corona Oxido Semiconductor
La economía de la Industria del Semiconductor :
Metrologia de caracterización y análisis
Caracterización
Corona Oxido Semiconductor
Corona Bias,
Q
Kelvin Probe,
Vsurf
+8kV
LIGHT
Mechanical
Oscillator
Corona
Source,
CO3-, H3O+
Æ Principio
Surface Photovoltage,
SPV
Transient
Detection
Kelvin Probe
Electronics
SPV
Vsurf
OXIDE
+
-+
P SILICON
1.
Apply Qcorona Bias
Measure each ∆Q
2.
Measure Vs (=Vox+ψ)
Probe vibration drives
AC current:
3.
Stop vibration, flash light,
and measure SPV:
⎛
⎞ dC
I = ⎜V - V ⎟
⎝ s kp ⎠ dt
I≈C
dψ
dt
4. Repeat
BUENO
Sin contacto, “no destructiva”
Eléctrica !!
Versátil (Carga, SPV, Contaminación, Corriente de fuga etc.)
MALO
Un poco lenta !
No es posible en wafer con impresos (con CI)
Eliminación de la carga !
QuantoxTM es la solucion COS de KLA-TENCORTM
La economía de la Industria del Semiconductor :
Metrologia de caracterización y análisis
Caracterización Corona Oxido Semiconductor Æ Principio
Al cargar la superficie y medir Vs y SPV sondeamos la banda prohibida del material
Accumulation
Flatband
-
-Vsi = SPV
≈ +0.1V
+
Qsurface
+
+
+
+
+
+
+
+
+
++
++
++
++
+
+
Depletion
-
+
≈ -0.5V
-
Inversion
Vsi=ψ
La economía de la Industria del Semiconductor :
Metrologia de caracterización y análisis
Caracterización Corona Oxido Semiconductor Æ Principio
Vfb: Surface Voltage @ flatband
V fb = V s
SPV = 0
3.0
0.2
SPV-Q
Surface Voltage, Vsurf (V)
Tox: Q-V slope
in accumulation:
dVox
Tox = ε oxide
dQbias
0
-0.2
Surface PhotoVoltage, SPV (V)
1.0
-1.0
Dit: Q-V ‘stretch-out’
in depletion:
-3.0
-0.4
⎡
⎤
D = q1 ⎢ dQ ( meas. ) − dQ ( theory ) ⎥
dΨ
it
⎢⎣ d Ψ
⎥⎦
V-Q
-5.0
-2.0E-07
-0.6
2.0E-07
0.0E+00
2
Applied Q Bias (C/cm )
Qtot: Total oxide charge @ flatband:
Qtot = −
SPV = 0
∑Q
bias
Initial SPV
Ultra-thin Gate thickness In-Line monitoring: Correlation of thickness value extracted from
Quantox COS and MOS capacitor characteristics, Kwame N. Eason et al, Semiconductor international, 3/1/2003
QuantoxTM es la solucion COS de KLA-TENCORTM
La economía de la Industria del Semiconductor :
Metrologia de caracterización y análisis
Caracterización Corona Oxido Semiconductor Æ Oxido de puerta lógica
48
Menos dependiente de contaminación
Orgánica ambiental AMC !!
Tox (Å)
46
44
Tox (Optical)
42
Tox
Medido
con Corona
Tox
(Quantox)
40
38
0
4 nm !!
500
1000
1500
Time (min)
Wafers removed from furnace at t=0
2000
Menos dependiente de contaminación Orgánica ambiental AMC !!
Mide EOT !! Para los nuevos materiales
Combinada con óptica Æ Valor de k
Caracterización de nuevos materiales interconectores SiOCH y materiales porosos !
Ultra-thin Gate thickness In-Line monitoring: Correlation of thickness value extracted from
Quantox COS and MOS capacitor characteristics, Kwame N. Eason et al, Semiconductor international, 3/1/2003
La economía de la Industria del Semiconductor :
Metrologia de caracterización y análisis
CaracterizaciónQuantox
sin contacto
Corona capacitance
Oxido Semiconductor COS
measures
Optical
SE
measures
film
thickness
Æ Corrientes de fuga
SE
Quantox
− − −
−
K = 3 .9
C Quantox
Τ optical
Toptical
EOT
Sensibilidad y posibilidad de medir corrientes de fuga !!
Puerta lógicas
Efecto Túnel directo
Disminución de la barrera (FN)
SILK
Capas dieléctricas Interconectares e ínter niveles
Que mecanismo de conducción en los materiales a bajo k para los interconectores e interniveles ?
Modelisación – experimentos
Mecanismo Poole Frenckel o una combinación con SILK (stress induced leakage)
Hysteresis Loop
0,1
-2,50E-06
-1,50E-06
-1,00E-06
-5,00E-07
0
0,00E+00
-0,1
-0,2
SPV (V)
Material a baja constante
dielectrica
-2,00E-06
-0,3
-0,4
SPV1-UV cured
materiales,
Distintos
SPV1-e-Beam
Distinta trampas
!
-0,5
SPV1-SiN
-0,6
Distinta hysteresis !!
-0,7
Charges Deposited (Coul/cm 2)
5,00E-07
1,00E-06
Conclusiones
La tendencia económica del mercado en funcionalidades, ejecución y producción
de alto volumen exigen un cambio en la miniaturización de CI, Nuevos materiales
nuevos diseños y nuevas propiedades
La metrologia es Necesaria para poder cumplir con estos nuevos requisitos !!
La metrologia de control cambiara de modelo !
La metrologia de caracterización presenta limites y retos debido a las nuevas
propiedades (stress, corrientes de fuga, composición elemental) que entran en
juego en los nuevos materiales introducidos (high k, low k, strained) !
La elipsometría es una técnica que aun tiene futuro pero se basara mas y mas en
la modelisación y calculo
Caracterización Corona Oxido Semiconductor es una técnica con futuro y potencial
de desarrollo pero el contexto económico decidirá su forma y nivel de adopción en
el futuro