CC BY
36
УДК 621.382.2 DOI: https://doi.org/10.34680/2076-8052.2019.4(116).25-29
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КРИТИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОПЕРАЦИЙ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ СВЧ МИС НА GaAs
Н.И.Марченко, А.Н.Стукалов
DETERMINATION OF CRITICAL TECHNOLOGICAL OPERATIONS IN THE MANUFACTURE OF MMIC GaAs
N.I.Marchenko, A.N.Stukalov
АО «ОКБ-Планета», Великий Новгород, [email protected]
Рассматривается метод определения критических технологических процессов для изготовления СВЧ монолитных интегральных схем (МИС) на GaAs. Представлена технологическая схема изготовления СВЧ МИС на основе гетероэпитаксиальной структуры, сформированной на арсенид-галлиевой подложке. Проведен анализ технологических операций по частоте их использования и построена гистограмма абсолютной значимости технологических процессов. Предложен способ определения рисков методом FMEA и выбора альтернативных технологических процессов. Была определена связь между изменением линейного размера затвора транзистора с его СВЧ характеристиками, такими, как граничная частота и коэффициент шума. Приведена оценка рисков при изготовлении СВЧ МИС на GaAs в зависимости от трех типов литографии: контактной, проекционной и электронно-лучевой. Предложен пример топологии тестовой ячейки для контроля процессов литографии.
Ключевые слова: тестовые ячейки, арсенид-галлиевые микросхемы, монолитная интегральная схема, критические технологические процессы
The method of determining critical technological processes for the manufacture of MMIC on GaAs is considered. The technological scheme of MMIC manufacturing based on heteroepitaxial structure formed on gallium arsenide substrate and histogram of technological processes significance are presented. The method of risk determination by FMEA method and choice of alternative technological processes is offered. An example of a test monitors for control of lithography processes is proposed. Keywords: test monitors, gallium arsenide chips, monolithic integrated circuit, critical technological processes
Введение
Технологический маршрут изготовления СВЧ МИС (монолитных интегральных схем) может достигать до 150 производственных операций, которые нуждаются в достоверном и технологичном контроле качества проведения данных операций. Большинство технологических операций относятся к категории специальных процессов. Специальный процесс (операция) — технологический процесс (операция), результаты которого в имеющихся условиях не могут быть верифицированы в полной степени, т.е. проверены последующим мониторингом или измерениями [1]. Из-за этого процент выхода годных полупроводниковых приборов является непредсказуемым и нестабильным. Для контроля качества и стабильности производственных процессов необходимо использовать тестовые элементы (ячейки).
В данной работе рассмотрен метод определения критических (особо важных) технологических процессов для изготовления СВЧ МИС на основе ге-тероэпитаксиальной структуры, сформированной на арсенид-галлиевой подложке, а также действия для повышения их стабильности.
Методика основана на ранжировании производственных процессов не только по частоте их использования, но и по важности вклада, вносимого в электрические параметры изготавливаемого прибора. Одним из результатов использования метода является перечень критических технологических операций,
который в дальнейшем оценивается при помощи методики FMEA (Failure Mode and Effects Analysis) [2]. FMEA — методология проведения анализа и выявления наиболее критических шагов производственных процессов с целью управления качеством продукции [3].
Полученные данные о наиболее критичных операциях технологического маршрута позволяют использовать целевые тестовые структуры для повышения контроля операций или применять альтернативные более стабильные технологические процессы. Структура метода включает в себя четыре этапа.
Анализ операций
На первом этапе для определения критических операций при изготовлении СВЧ МИС все технологические операции были сгруппированы по их функциональному воздействию. На рис.1 представлена технологическая схема изготовления СВЧ МИС на основе гетероэпитаксиальной структуры, сформированной на арсенид-галлиевой подложке. Гетероэпи-токсиальные структуры выращивались методом мо-лекулярно-лучевой эпитаксии на трех дюймовых полуизолирующих арсенид-галлиевых подложках.
Далее была взята выборка из 20 производственных маршрутов для изготовления СВЧ МИС на основе гетероэпитаксиальных структур и составлена таблица, отражающая частоту применения технологических операций. Результаты предоставлены в табл.1.
Формирование системы гетероэпитаксиальных слоёв (молекулярно-лучевая эпитаксия)
Формирование областей межэлементной изоляции (ионное легирование)
Формирование омических контактов (напыление металлов)
Формирование подзатворной канавки (травление)
Формирование затворов транзисторов (Lg = 0,25 мкм):
— электронно-лучевая литография;
— электронно-лучевое напыление системы металлов
Формирование 1 -го уровня межсоединений элементов СВЧ МИС:
— электронно-лучевое напыление системы металлов
Нанесение диэлектрической пленки:
— плазмохимическое осаждение SiNx;
— плазмохимическое травление SiNx
Формирование 2-го уровня межсоединений элементов СВЧ МИС
Формирование сквозных отверстий
— сошлифовка пластины до толщины 100 мкм;
— плазмохимическое травление;
— электронно-лучевое напыление системы металлов на обратную сторону пластины
Рис.1. Технологическая схема изготовления СВЧ МИС на GaAs
Таблица 1
Технологические операции по функциональному воздействию
№ Наименование операции Средняя частота использования, %
P1 Травление 43,1
P2 Литография 15,7
P3 Химическая обработка 11,8
P4 Напыление металлов 9,8
P5 Контроль ВАХ 7,8
P6 Осаждение диэлектриков 5,9
P7 Ионное легирование 2
P8 Шлифовка 2
P9 Резка 2
Из табл.1 сложно определить, насколько значимый вклад вносит каждая из операций, т.к. видна только частота их применения. Также невозможно определить сложность операции и ее влияние на выход годных приборов.
На втором этапе были определены наиболее значимые технологические операции. Для этого использовалось ранжирование при помощи матрицы «М2» [4]. Матрица «К2» имеет размерность в соответствии с количеством анализируемых процессов. В итоге была получена матрица значимости операций в числовом виде, представленная в табл.2.
Таблица 2 Матрица оценки значимости функций в числовом виде
Процесс P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 I
P1 2 2 3 2 3 2 2 3 3 22
P2 2 2 3 2 3 3 3 3 3 24
P3 1 1 2 1 2 1 1 2 2 13
P4 2 2 3 2 3 2 2 3 3 22
P5 1 1 2 1 2 1 1 2 2 13
P6 2 1 3 2 3 2 2 3 3 21
P7 2 1 3 2 3 2 2 3 3 21
P8 1 1 2 1 2 1 1 2 1 12
P9 1 1 2 1 2 1 1 3 2 14
Используя данные табл.2, был рассчитан абсолютный приоритет технологических процессов как произведение каждой строки в таблице на вектор-столбец суммы с помощью формулы (1).
АРх=Т1рТ ) (1)
где х — номер рассчитываемого процесса; РхЛ — элементы строки рассчитываемого процесса.
Используя полученные данные, была построена гистограмма абсолютных приоритетов технологических процессов, представленная на рис.2.
На основе гистограммы был построен перечень критических технологических операций. Наибольшим приоритетом обладают следующие операции: Р1 — травление, Р2 — литография, Р4 — напыление металлов, Р6 — осаждение диэлектриков, Р7 — ионное легирование. Полученные значимости технологических операций хорошо соотносятся с практическими данными при производстве.
На третьем этапе были проанализированы технологические операции из полученного перечня, их риски, связанные с каждой из операций, а также возможные альтернативы.
Риски были численно оценены методом FMEA на примере наиболее значимой технологической операции — литографии. Литография один из важнейших технологических процессов для производства полупроводниковых приборов, на который накладываются жесткие требования по высокой стабильности процесса.
Наибольшее распространение получили три основных метода литографии: оптическая контактная фотолитография, оптическая проекционная фотолитография и электронно-лучевая литография.
Одним из основных элементов СВЧ МИС, определяющих граничную частоту работы микросхемы, является СВЧ транзистор. Наиболее важным элементом такого транзистора является линейный размер и геометрическая форма затвора. Данные параметры напрямую зависят от процесса литографии. Искажение или изменение линейного размера затвора существенно влияет на работоспособность всей СВЧ МИС.
I Ill lllll
PI Р2 РЗ Р4 Р5 Рб Р7 PS Р9
P1 — травление; P2 — литография; P3 — химическая обработка; P4 — напыление металлов; P5 — контроль ВАХ; P6 — осаждение диэлектриков; P7 — ионное легирование; P8 — шлифовка; P9 — резка
Рис.2. Абсолютная значимость технологических процессов
Приоритет рисков X Приоритет рисков с учетом действий по смягчению
Рис.3. Абсолютная величина рисков литографий
В работе были проанализированы риски, связанные с изменением длины затвора, которые напрямую влияют на граничную частоту и коэффициент шума транзистора. Как видно из формулы (2), граничная частота транзистора прямо пропорциональна максимальной дрейфовой скорости носителей заряда и обратно пропорциональна длине затвора.
А =
2л| ^ + С
К ^
Я + Rd)
(2)
где Я* и — сопротивления истока и стока, Ом; С^ — емкость затвор—исток, Фуе — дрейфовая скорость электронов м2/Вс; — длина затвора транзистора, м.
Для транзистора на GaAs с длиной затвора 250 нм отклонение длины затвора от заданной на 5% приводит к изменению граничной частоты транзистора более чем на 5%.
Следует заметить, что расчет граничной частоты по формуле (2) приводит к завышенному результату. Это связано с тем, что не учитывается влияние паразитных элементов конструкции полевого транзистора, которые существенно ухудшают его частотные свойства.
Для оценочных расчетов минимального коэффициента шума транзистора на базе эпитакси-альных структур GaAs использовалась формула (3) [5].
Кш.тт = 10^1 +(3)
где /— частота (ГГц); So=So'/(1 - S0,ЯU); S0' — крутизна.
Далее были оценены величины рисков, связанных с отклонением длины затвора транзистора, а также смягчающие действия для каждого вида литографии. Для этого были определены критерии оцен-
ки индексов рисков: вероятности появления, значимости последствия и вероятности обнаружения. Шкала для каждого индекса составляется индивидуально на основе экспертных мнений научно-технического персонала, а также набора статистических данных для каждого вида технологической операции. Были определены три индекса для каждого потенциального риска, а также индексы с учетом действий по смягчению рисков. Общая величина рисков является произведением трех индексов: вероятности, значимости и обнаружения. Были заполнены таблицы рисков для трех типов литографии. Из полученных значений величин рисков и рисков с учетом смягчающих действий была построена суммарная диаграмма (рис.3).
Из диаграммы следует, что контактная литография обладает наименьшей стабильностью и ее необходимо исключить из производственного маршрута СВЧ МИС на GaAs. Для высокой стабильности технологического процесса следует использовать альтернативные виды литографии: проекционную и электронно-лучевую.
На четвертом этапе на основе перечня критических операций и анализа методом FMEA рисков, связанных с технологическими процессами, были разработаны целевые тестовые структуры под каждый риск для литографии. Тестовые структуры — это элементы, предназначенные для измерения параметров, которые позволяют инструментально оценить технологию и проверить качество процесса изготовления [6]. Для процесса литографии были созданы тестовые элементы, направленные на контроль основных рисков, таких как: отклонение линейного размера, рассовмещение топологии (между слоями), недопроявление (перепроявление). Все три измеряемых параметра были объединены в один тестовый элемент. На рис.4 предоставлены микрофотографии разработанного тестового элемента для контроля литографии.
Тестовый элемент состоит из метки совмещения в форме креста и двух нониусных шкал, повернутых относительно друг друга на 90 градусов. Нониус-ные шкалы позволяют контролировать точность совмещения слоев топологии по осям X и У до 10 нм. Количество тестовых структур в модуле определяется количеством необходимых слоев топологии для изготовления прибора.
Заключение
Предложена методика анализа рисков методом FMEA, а также разработана тестовая ячейка для контроля литографических процессов. Показана перспективность ранжирования технологических процессов и проведена оценка их рисков. Это позволяет проектировать целевые тестовые ячейки, предназначенные для контроля и анализа критических процессов, связанных с производством СВЧ МИС на GaAs. Данный подход позволяет минимизировать количество тестовых элементов и рационально использовать полезную площадь на полупроводниковой пластине.
1. ГОСТ Р 54293-2010. Анализ состояния производства при подтверждении соответствия.
2. McDermott R.E., Mikulak R.J., Beauregard M.R. The Basics of FMEA. Productivity Press, 1996. 76 с.
3. Годлевский В.Е.; Дмитриев А.Я., Юнак Г.Л. Применение метода анализа видов, причин и последствий потенциальных несоответствий (FMEA) на различных этапах жизненного цикла автомобильной продукции / Под ред. В.Я.Кокотова. Самара: Перспектива, 2002. 160 с.
4. Бородкин А.А. Системный инжиниринг-введение: Курс лекций. М.: МФТИ, 2013. 95 с.
5. Данилин В.Н., Кушниренко А.И., Петров Г.В. Аналоговые полупроводниковые интегральные схемы СВЧ. М.: Радио и связь, 1985. 188 с.
6. GaAs MMIC Reliability Assurance Guideline for Space Applications. [Эл. ресурс]. URL: https://parts.jpl.nasa.gov/ mmic/contents.htm (дата обращения 1.04.2019).
References
1. GOST R 54293-2010. Analiz sostoyaniya proizvodstva pri podtverzhdenii sootvetstviya [State Standard 54293 - 2010. Production audit for conformity assessment procedures].
2. McDermott, Robin E.; Mikulak, Raymond J.; Beauregard Michael R. The Basics of FMEA. Productivity Press, 1996, 76 p.
3. Godlevskij V.E.; Dmitriev A.Ya., Yunak G.L. Primenenie metoda analiza vidov, prichin i posledstvij potencial'nyh nesoot-vetstvij (FMEA) na razlichnyh etapah zhiznennogo cikla avto-mobil'noj produkcii [Failure modes and effects analysis (FMEA) at various stages of automotive products life cycle] / ed. by V.Ya. Kokotov. Samara, Perspektiva Publ., 2002, 160 p.
4. Borodkin A.A. Sistemnyj inzhiniring-vvedenie [System Engineering Introduction. Lectures]. Moscow, MFTI Publ., 2013, 95 p.
5. Danilin V.N., Kushnirenko A.I., Petrov G.V. Analogovye po-luprovodnikovye integral'nye skhemy SVCH [Microwave analogue semiconductor integrated circuits]. Moscow, Radio i svyaz Publ., 1985. 188 p.
6. GaAs MMIC Reliability Assurance Guideline for Space Applications. Available at: https://parts.jpl.nasa.gov/mmic/contents.htm (data obrashcheniya (assessed 01.04.2019).
