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Metrología un desafió en la industria del semiconductor a la frontera del micro et nano mundo Dr. Carlos Beitia, Ingeniero de aplicaciones, División de capas finas y superficies (FAST), KLA-Tencor Corp. 38240 Meylan, FRANCE Hoy en día la densidad de componentes electrónicos en los circuitos integrados (CI) ha progresado enormemente. Por ejemplo, los últimos procesadores de AMD a doble núcleo “Opteron” contiene en un CI de 199 mm2 unos 233 millones de transistores o sea aproximadamente un millón de transistores en un mm2. ¡ La dimensión típica de estos transistores es del orden de 90 nm ! [1-2]. Es bajo este contexto que se toma real medida de las dificultades, desafíos y necesidades de la metrología necesaria para caracterizar, integrar y producir estos dispositivos electrónicos así como los materiales necesarios para su desarrollo. El aspecto predominante de la problemática es la escala del objeto de mesura. El hecho de tener que medir características físicas de objetos submicroscópicos o nanoscópicos juega un papel importante en la diferencia de metodología utilizada. La variabilidad global de la medida puede depender del modelo pero también puede depender de la interacción entre la sonda y el objeto de medida [3]. Para entender el contexto en que evoluciona la metrología en la industria del semiconductor se debe primero recordar a grandes rasgo las diferentes etapas de desarrollo, integración y producción de un CI. Se ilustrara con ejemplos las diferentes necesidades dependiendo de la etapa de producción. A continuación trataremos de ilustrar aplicaciones de metrología con dos casos tipos de medidas en diferentes módulos de producción y etapas de desarrollo en fabricación de dispositivos microelectrónicos. Las técnicas presentadas serán: La ellipsometría que esta basada en el cambio de polarización de la luz durante la reflexión en una superficie [4]. Esta técnica óptica tienes las ventajas de ser rápida y presentar la posibilidad de estudios in-situ y en tiempo real. Sin embargo presenta límites al nivel de la modelisación y la sensibilidad en el caso de capas muy finas como las puertas lógicas. En este caso los contaminantes orgánicos puede ser un real problema. La caracterización sin contacto de Corona Oxido-Semiconductor (COS) [5] es una técnica alternativa menos conocida y relativamente nueva en la industria. Esta se basa en una medida de capacitancia al depositar cargas (Corona) sobre capas dieléctricas depositadas en un semiconductor. La COS presenta la ventaja de medir directamente el “espesor eléctrico” de las capas aislantes y permite el estudio de la estructura electrónica de la interfaces. Su desaventaja radica en la complejidad para obtener información útil para el proceso. Otro problema fundamental son las corrientes de fuga debido a efecto túnel al nivel de la interfase En resumen la metrología en el medio de los semiconductores presenta una problemática dinámica conducida por el proceso de miniaturización e integración de los dispositivos electrónicos en un CI. Es una área de trabajo en constante evolución y plena de desafió para los físico de la industria. [1] 90nm & 65nm CMOS Technology Workshop, Arun Chatterjee, Junio 2005 France KLA-Tencor Corporation. [2] Multicore-The next evolution in computing, AMD-website [3] Metrology for Emerging Research Material and Devices, Garner et al, 2007 International Conference on Frontiers of Characterization and Metrology for Nanoelectronics, March 27-29, 2007 NIST Gaithersburg,MD [4] Spectroscopy Ellipsometry and Reflectometry: A user Guide, Harland. G. Tompkins and William A. McGahan, 1999, Wyley & Sons [5] Contacless Surface Charge Semiconductor Characterisation, D.K. Schroeder, Material Science and Engineering, B91-92, 2002, 196-210. II Congreso Nacional de Física 30 de julio al 3 de agosto de 2007 Universidad de Panamá La Física para el desarrollo científico y tecnológico de la Sociedad panameña Metrologia en la industria del Semiconductor a la frontera del micro y nano mundo Carlos Beitia Agenda ¾ Tendencia en el mercado de CI: Exigencias en metrologia para el control de proceso en los nodos tecnológicos actuales (90-65 nm) y futuros (45, 32 nm e inferiores). ITRS (International Technology Roadmap for semiconductor) ¾ Metrologia en el contexto industrial del semiconductor ¾ Cambio de paradigma en la metrologia industrial inducida por la escala del objeto de medida y la necesidad de alto rendimiento y volumen ¾ ¾ Metrologia de Control de Calidad Metrologia de Caracterización y análisis ¾ Ellipsometría una técnica bien conocida desde el inicio de la industria de semiconductores, sus limites y sus posibilidades en el contexto actual ¾ Caracterización sin contacto por Corona Oxide Semiconductor, una técnica relativamente nueva sus limites y sus posibilidades ¾ Conclusión Tendencia en el mercado de CI Tendencia en el mercado de la industria del semiconductor cuales son los factores conductores y en que dirección ? Diversificación-multifuncionalidad Miniaturización La economía de la industria del semiconductor conlleva una diversificación de clientes y con ella de productos o La aumentación de productos conlleva a una diversificación de tecnologías utilizada y reglas de diseños o Industria de competitividad y actividad muy Dinámica. Ciclos tecnológicos cortos o Fuente reporte del ITRS 2005-2006 La economía de la Industria del Semiconductor : Factor conductor de la metrologia ? El desarrollo del mercado nos lleva a mas funciones, mas integración, mas miniaturización z z z Sistemas e paquetes Sistemas en CI Diversas reglas de diseños y arquitectura de CI Al final se resume en : [ Valor Dispositivo ($) – Costo Dispositivo ($) ] Unidad de Área de Si Unidad de Área de Si Valor del dispositivo/cm2 Æ Rendimiento y funcionalidades (Metrologia de Investigación y Desarrollo) Costo del Dispositivo/cm2 Æ Control y conocimiento del rendimiento de fabricación (Metrologia de Control) La economía de la Industria del Semiconductor : Factor conductor de la metrologia ? [ Valor Dispositivo ($) – Costo Dispositivo ($) ] Unidad de Área de Si El rendimiento de dispositivos cargados de funcionalidades (SIP y SOC) por “Wafer” fabricado es la clave del éxito en la industria del semiconductor 90nm&65nm CMOS Technology Workshop, Arun Chatterjee, KLA-Tencor Corp. El rendimiento El desarrollo e integración de nuevas funcionalidades La rapidez de aprendizaje Metrologia en el contexto industrial del semiconductor Metrologia en el contexto industrial del Semiconductor Miniaturización de los dispositivos Micro Æ nano Nodos tecnológicos < 90 nm Motores del Desarrollo Problemas Performance y funcionalidades Por área Problemas de potencia disipada y Problemas de performance Reducción del costo Del CI Alta contribución en el Rendimiento de problemas de ejecución Costo elevado de FAB y de produccion, Costo elevado de FAB de Desarrollo Miniaturización tradicional no es mas valida ! Miniaturización equivalente !! Posibles soluciones Nuevos materiales Nuevos diseños de CI Nuevos Dispositivos Nuevas magnitudes físicas Nuevo paradigma ? Mejore equipos de detección de defectos ? Conversión a 300 mm ? FAB alianzas Relocalizacion a países a bajo costo (Asia) La economía de la Industria del Semiconductor : Factor conductor de la metrologia ? Metrologia un utensilio indispensable para el control rendimiento y desarrollo de la producción de dispositivos mas complejos Los actores industriales son concientes : Crecimiento en la inversión de herramientas para aprendizaje del rendimiento RENDIMIENTO Projected Market Size 2004 (B $) 2009 (B $) Dispositivos Semiconductores Equipo Semiconductor (% Dispositivos Semiconductores) Proces Control Equipment (% de Equipos Semiconductor) 175 30 17,1% 5 16,7% 250 50 20,0% 9 18,0% Fuente: VLIS Research, Aug, 2004 Fabricación de Wafer with CI = Wafers Out / # Wafers In Rendimiento de CI en Wafer =# CI funcionando OK / # CI en el Wafers Rendimiento de empaquetado de CI =# CI empaquetado OK / # CI al inicio del empaquetamiento METROLOGIA Mejorar el rendimiento Acelerar el aprendizaje del rendimiento 90nm&65nm CMOS Technology Workshop, Arun Chatterjee, KLA-Tencor Corp. Cambio de paradigma: Metrologia de Control de proceso Industria del semiconductor: Que metrologia ? Investigación y Desarrollo Producción Piloto Producción de alto volumen Concepción y Diseño de el CI Deposición de capas de materiales Fabricación y prueba de prototipo Impresión de fotomascara Definición del proceso Industrial Corte y empaque Corte de CI y empacado Dopaje y tratamientos térmicos Metalización Metrologia de Caracterización y análisis (Investigación y Desarrollo) Excelente o buena Exactitud Rapidez no es necesaria Versátil y flexible Metrologia de Control (Desarrollo o transferencia de tecnología y Producción) Aceptable Exactitud Rapidez Integrada ?? Excelente “matching” En ciertos casos una mezcla resultado de un compromiso de requisitos La Industria del Semiconductor : Metrologia de control Fuentes de variabilidad en la metrologia: Exactitud: Que tan lejos estamos de la valor “REAL” Precisión: Variabilidad del instrumento y de la interacción instrumento-muestra Medidas sobre una muestra (diferentes personas, diferente horas) Estabilidad: Variabilidad de la fabrica (proceso, equipos, materiales, ambiente) a largo plazo Medidas sobre una muestra en un mismo punto Repetabilidad: Variabilidad del proceso de medida y/o del factores del ambiente local Comparación con patrones calibrados Medidas de una muestra en un periodo de tiempo largo (semana-meses) o medida de diferentes muestras producidas en un periodo de tiempo largo (semana-meses) Matching: Variabilidad entre equipos de medidas, técnicas de medidas Medida de una misma muestra en dos equipos diferentes usando la misma técnica, medida de una muestra en diferentes fabricas … Oded Tal, Improving process yield by utilizing smart SPC rules 2003 International conference on compound Semiconductor manufacturing La economía de la Industria del Semiconductor : Metrologia de control Estrategia global de metrologia de PRODUCCION para controlar un proceso Equipo Medida Equipo Proceso A Medida OK ? Medida Proceso A Equipo Proceso OK ? Equipo de medida (Óptico, TEM – SEM …) Mapa de medida (5 pt, 49 pts ..) Tamaño de la muestra (1-2 o todos lo Wafer) Control Equipo de Medida SPC COSTO (Tiempo !!) Control Equipo Proceso A Intervención sobre Equipo de medida COSTO (tiempo) !! Wafer recuperable ? Perdida Wafer (COSTO) !! Proceso no conforme !! Equipo OK ? Intervención sobre Equipo de medida COSTO (tiempo) !! Equipo Proceso B La economía de la Industria del Semiconductor : Metrologia de control CAMBIO !!! Motivado por la reducción de costo y mayor rendimiento : Estrategia global de metrologia de PRODUCCION para controlar un proceso Control Equipos Proceso y medida. FDC (Fault Detection and Classification) Tiempo Real ! $$$$ Equipo Medida Equipo Proceso A Medida OK ? Medida Proceso A Equipo Proceso OK ? Equipo de medida (Óptico, TEM – SEM …) Mapa de medida (5 pt, 49 pts ..) Tamaño de la muestra (1-2 o todos lo Wafer) Control Equipo de Medida SPC Muestreo Dinámico !!! Gana Tiempo – # Equipo $$$$ Control Equipo Proceso A Wafer recuperable ? Perdida Wafer (COSTO) !! $$ Proceso no conforme !! Equipo OK ? Intervención sobre Equipo de medida COSTO (tiempo) !!$$ Equipo Proceso B La economía de la Industria del Semiconductor : Metrologia de control CAMBIO !!! Motivado por la reducción de costo y mayor rendimiento : Nuevo Paradigma !! Posible ?? Fuente : Virtual Metrology and Your Technology Watch List: Ten Things You Should Know About This Emerging Technology (1/9/2007) Future Fab Intl. Volume 22 By Alan Weber, Alan Weber and Associates