在100nm以下的工藝技術(shù)盛行的今天,代工廠經(jīng)常發(fā)現(xiàn)參數(shù)和系統(tǒng)良率問題開始蔓延至批量生產(chǎn)階段。我們認為由系統(tǒng)和參數(shù)錯誤引起的較低良率不再僅是代工廠的問題。經(jīng)常發(fā)生這些的原因是設(shè)計師創(chuàng)建的復(fù)雜拓撲在工藝開發(fā)過程中沒有得到重視或充分的表征。

代工廠正在試圖通過更復(fù)雜的設(shè)計規(guī)則和設(shè)計指南來解決這種良率下降,這些更復(fù)雜的設(shè)計規(guī)則和設(shè)計指南有望捕捉到設(shè)計師可能做出的各種聰明的版圖選擇。這些規(guī)則和指南的有效應(yīng)用需要更復(fù)雜的分析工具,但目前市場上還沒有相關(guān)的工具。由于缺少這種工具,代工廠只能對設(shè)計師的選擇做出更多的限制(如只允許一個多晶柵極方向,或禁止某種通孔群集),以降低新的良率限制機制帶來的影響。這些限制將犧牲一定的面積性能,從而部分地抵消新工藝技術(shù)帶來的好處。

為了解決這些新的工藝-設(shè)計交互問題,急需能夠促成制造商和設(shè)計師合作的框架。這種框架必須首先提供表征方案以獲取工藝與設(shè)計良率改善所必需的數(shù)據(jù)。本文將討論應(yīng)對這一挑戰(zhàn)的解決之道。

實用有效的參數(shù)表征

在100nm以下領(lǐng)域取得實用且有效的工藝參數(shù)表征將面臨諸多挑戰(zhàn),至少但有以下幾個方面:

1. 在測試掩膜上急需更大密度的測試結(jié)構(gòu)以支持精細的模擬測量分辨率。

2. 對裸片內(nèi)器件參數(shù)可變性的測量(不僅包括裸片到裸片、晶圓到晶圓,還包括批次到批次)。

3. 根據(jù)更多器件和拓撲結(jié)構(gòu)測量器件參數(shù)可變性的。

4. 減少每個測試結(jié)構(gòu)的測試時間。

5. 可擴展至整個工藝壽命期的表征方案。

采用離散測試結(jié)構(gòu)和存儲器陣列的傳統(tǒng)工藝表征(晶圓探測)方法無法完全滿足這些要求(后文將詳細說明原因),本文介紹的創(chuàng)新方法將是對離散結(jié)構(gòu)和密集位元(bitcell)陣列的有效補充,可以滿足上述挑戰(zhàn)。

參數(shù)有源矩陣方法

術(shù)語參數(shù)有源矩陣(PAM)指的是一種電路,有點類似于采用可尋址單元結(jié)構(gòu)的存儲器陣列,但不同的是它可以實現(xiàn)存儲器陣列無法實現(xiàn)的高分辨率模擬測量。每個PAM單元包含各種測試結(jié)構(gòu)類型和尺寸(圖2)。在傳統(tǒng)測試芯片中使用的許多相同離散型測試結(jié)構(gòu)可以被集成進PAM平臺。因此這種架構(gòu)既有蜂窩陣列的高密度優(yōu)勢,又能獲得離散測試結(jié)構(gòu)的高測量分辨率。

圖1:業(yè)界通常將工藝開發(fā)和良率改善劃分為三個階段。    

圖2:參數(shù)有源矩陣方法可以實現(xiàn)高分辨率的模擬測量。    

采用PAM后,可以很方便地設(shè)計和組建測試器件環(huán)境,并達成各種學習目標,如設(shè)計規(guī)則優(yōu)化、器件IV表征、器件失配表征、OPC模型驗證等。傳統(tǒng)測試結(jié)構(gòu)單元(有時指測試單元組或TEG)要求超大的硅片面積才能實現(xiàn)相同的實驗環(huán)境。下面介紹參數(shù)有ActiveMatrix(源矩陣)方法如何滿足上述挑戰(zhàn),并實現(xiàn)有效的參數(shù)工藝表征。

更高的參數(shù)測試結(jié)構(gòu)密度

離散型測試結(jié)構(gòu)需要占用大量的硅片面積,主要是由于需要單獨探測這些結(jié)構(gòu)的焊盤比較大(圖3)。隨著每一代技術(shù)的演進,設(shè)計規(guī)則的數(shù)量呈幾何增長,因此所需的測試點數(shù)量也幾何增加,從而使得繼續(xù)這種傳統(tǒng)方法變得成本高昂。另外,當這種工藝投入生產(chǎn)時還必須監(jiān)測大量參數(shù)。

圖3:傳統(tǒng)和參數(shù)有源矩陣方法對焊盤的要求有很大的差異。    

這樣就產(chǎn)生了一個很困難的問題,即隨著每代技術(shù)的演進,可利用的刻線(scribeline)空域非但沒有增加,而且還隨著刻線寬度從100um縮小到80um乃至如今的50um在逐步減小。故在技術(shù)開發(fā)和生產(chǎn)劃線中,PAM平臺極大地降低了測試結(jié)構(gòu)面積要求,因此PAM是一種急需的解決方案。

就130um間距、70um寬的方形焊盤而言,1,000個參數(shù)測試結(jié)構(gòu)在采用傳統(tǒng)方法時將占用約35平方毫米的面積。在采用PAM平臺后,由約20個焊盤組成的單個焊盤框可以容納1,000多個器件用于完整的模擬測試,占用面積僅為4.3平方毫米左右。通常較小的單元尺寸可以進一步縮小面積。

PAM支持對單元內(nèi)測試器件的每個端點進行完整的開爾文(強迫/檢測)測量。這樣,模擬測試分辨率就能與最精確的離散測試結(jié)構(gòu)的分辨率保持一致。事實上,離散結(jié)構(gòu)能支持而PAM不支持的唯一測試類型是那些要求大電流,或高電壓過應(yīng)力或施加電壓低于晶圓地的測試。

需要采用謹慎的設(shè)計技術(shù)以確保PAM平臺有較低的漏電水平,并且電路能夠適應(yīng)工藝開發(fā)早期階段經(jīng)常遇到的工藝參數(shù)漂移。可能影響測量精度的陣列電路寄生效應(yīng)也必須得到正確處理。

圖4對離散型測試結(jié)構(gòu)、SRAM/ROM以及有源矩陣平臺技術(shù)的面積效率和測量分辨率進行了總結(jié)比較。SRAM和ROM類型的存儲器陣列具有每個測試器件最小的面積。雖然這些電路通常只提供一個通過或失敗(也就是二元)標記,但代工廠可以使用它們將由于隨機和系統(tǒng)性缺陷導(dǎo)致的功能性故障概率量化到百萬分之幾的水平。因此,PAM能夠滿足獲取裸片內(nèi)模擬數(shù)量統(tǒng)計數(shù)據(jù)的需求。

圖4:參數(shù)分辨率和密度的比較圖。    

裸片內(nèi)參數(shù)可變性的表征

在同一電路內(nèi)的兩個相同器件會由于尺寸(例如由于蝕刻偏離不同或邊緣粗糙)和混合(例如由于摻雜變化)的隨機變化而表現(xiàn)相異的行為,這是從集成電路設(shè)計開始模擬設(shè)計師所無法避免的事實。今天,這種固有的可變性已經(jīng)成為所有電路設(shè)計師最關(guān)心的事。在100nm以下尺寸時,裸片內(nèi)可變性正在成為數(shù)字設(shè)計良率下降的主要原因,更不用說模擬設(shè)計了。這種純粹的物理效應(yīng)是無法消除的。裸片之間、晶圓之間以及批量之間的晶體管屬性變化表明了與晶圓、批量或時間一致性相關(guān)的處理偏差。‘快速’和‘慢速’邊界模型的出現(xiàn)意味著設(shè)計師不能再忽略這些變化。對于100nm以下的工藝技術(shù),閾值電壓、驅(qū)動電流、關(guān)閉狀態(tài)電流(還有許多參數(shù))的變化對整個裸片本身來說越來越重要。設(shè)計流程需要集成真正的統(tǒng)計方法來解決這些問題。如果工藝良率提升和設(shè)計工藝準備精確地解決這個問題,裸片內(nèi)參數(shù)變化必須精確地得到測量。

參數(shù)有源矩陣平臺可以用來收集必要的數(shù)據(jù),以創(chuàng)建參數(shù)可變性的統(tǒng)計學模型。相同的面積節(jié)省值得更多的設(shè)計規(guī)則試驗,器件拓撲變化也允許對數(shù)以百計甚至上千個相同器件樣本進行真正的硅片內(nèi)統(tǒng)計數(shù)據(jù)測試。對具有生產(chǎn)價值的工藝中固有變化進行表征和建模的需求將進一步加強,將提出用于提高65nm以下工藝技術(shù)良率的新規(guī)則。

縮短測試時間

隨著用于工藝開發(fā)和參數(shù)良率提升的測試器件數(shù)量的顯著增加,測試時間在顯著延長。目前的PAM平臺方法沒有解決整體測試時間增加的問題,不過它通過減少每個器件的測試時間而減輕了這個問題。通過一次探頭接觸測試上千個器件,探頭的移動被減少了約100倍,因此與探頭移動相關(guān)的測試時間被極大地縮短了。然而,仍需要并行測試和其它進一步創(chuàng)新的技術(shù)來防止測試時間成為統(tǒng)計工藝表征的嚴重瓶頸。

平臺靈活性和工藝壽命期

為了成為真正的平臺,架構(gòu)必須能夠根據(jù)代工廠探測測試裝置用的標準焊盤框(pad frame)靈活改變。焊盤框外形一般是固定的,因此能夠使用單個探測卡(probecard)。PAM平臺允許陣列適合普通焊盤框尺寸很重要。例如,如果焊盤框由總共20個在X軸呈單排或雙排排列的焊盤組成,那么PAM在X軸上必須有固定的尺寸,但在Y方向可以任意伸展。這種可擴展性是適應(yīng)不同數(shù)量和尺寸的測試單元的關(guān)鍵。

PAM方法在架構(gòu)內(nèi)可以提供靈活的單元尺寸。這點很重要,因為PAM平臺需要適應(yīng)各種器件和拓撲。一些器件可能很小,一些可能很大或很復(fù)雜。例如,在表征閥值電壓可變性時,被測器件要同時包含隔離式和高密晶體管。隔離式晶體管的外形必須遠小于高密晶體管陣列的外形。

PAM方法允許在工藝壽命期的所有階段使用相同的平臺架構(gòu),開發(fā)階段的表征和生產(chǎn)中的導(dǎo)入階段最好是使用相同的平臺架構(gòu)。PAM平臺的劃線通道(scribe lane)提供了與完整劃線中相同的高密度測試結(jié)構(gòu)(雖然劃線陣列尺寸顯然要小得多)。更高的密度允許生產(chǎn)工程師在生產(chǎn)過程中比傳統(tǒng)劃線模塊有效地監(jiān)視更多的器件和參數(shù)。由于每個PAM外形尺寸中使用共同的電路,從一個開發(fā)階段轉(zhuǎn)向另一個開發(fā)階段所觀察到的測試結(jié)構(gòu)特征的差異反映了測試結(jié)構(gòu)設(shè)計或測試協(xié)議中的真實工藝變化。

參數(shù)工藝表征方法

代工廠已經(jīng)對良率提升和工藝表征基礎(chǔ)架構(gòu)進行了大量投資。任何新的表征技術(shù)必須允許代工廠充分利用這種已有的投資。PAM平臺方法可以使用代工廠現(xiàn)有的參數(shù)測試硬件和參數(shù)測試探測卡,不需要任何類型的硬件修改。

從整個方法的角度看,代工廠可以在測試刻線(test reticle)上的其它測試結(jié)構(gòu)旁包含PAM電路(或在劃線中包含PAM電路),制造測試刻線,對其進行探測,使用現(xiàn)有參數(shù)測試儀測量電氣參數(shù),并將測量數(shù)據(jù)饋入現(xiàn)有的良率管理系統(tǒng)(圖5)。可以根據(jù)良率學習/提升目標建立相應(yīng)的分析方法。

圖5:參數(shù)有源矩陣的使用說明圖。  

這種方法可以與代工廠目前的方法完美配合,同時實現(xiàn)先進的參數(shù)可變性表征。

高效的參數(shù)良率提升規(guī)則

參數(shù)變化一直存在于IC制造工藝中。然而,我們將無法忽略它對良率越來越大的影響,它對IC制造業(yè)的健康運行會帶來長期損害。制造商和設(shè)計師必須加強合作以減少和管理參數(shù)變化帶來的影響。

采用經(jīng)實際硅片驗證的參數(shù)有源矩陣平臺方法可以向制造商提供以下諸多方面的好處:

. 利用可尋址陣列架構(gòu)減少硅片面積消耗和整體掩膜成本。測試結(jié)構(gòu)密度呈數(shù)量級的提高可以減少整個工藝開發(fā)周期內(nèi)的測試掩膜裝置數(shù)量。

. 裸片內(nèi)參數(shù)變化的統(tǒng)計數(shù)據(jù)的實用收集方法。

. 測試與良率提升有關(guān)的許多器件拓撲的經(jīng)濟方法。

設(shè)計和產(chǎn)品工程師也將從中受益。在劃線內(nèi)使用相同的經(jīng)硅片驗證過的PAM平臺技術(shù)允許他們:

. 訪問更多的參數(shù)以幫助診斷產(chǎn)品良率。

. 包含代表了產(chǎn)品特性的設(shè)計拓撲測試。

. 獲得與產(chǎn)品良率相關(guān)的參數(shù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

PAM平臺方法可以在設(shè)計與制造之間建立起合作的環(huán)境,這是獲得更高的參數(shù)良率的關(guān)鍵條件。

作者: Jim Bordelon

Prashant Mania

Stratosphere Solutions公司