К вопросу изменчивости параметров приборов и процессов

К вопросу изменчивости параметров приборов и процессов

Выпуск 6(6680) от 21 марта 2019 г.
РУБРИКА: ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ БАЗА

Новые источники излучения установок литографии, критические с точки зрения безопасности применения, и более жесткие допуски создают новые вызовы для специалистов как на заводах по обработке пластин, так и вне их. Один из главных вопросов – ​изменчивость параметров приборов и процессов. По мере того как конструкции микросхем становятся все более разнородными, а область их применения расширяется, допустимость отклонений в рамках технологического процесса резко падает. Все это вызывает серьезную озабоченность отраслевых специалистов по поводу того, как решить эти проблемы и каким будет полное воздействие возможных изменений параметров процесса.

В прошлом разброс параметров полупроводниковых процессов и приборов считался проблемой заводов по обработке пластин (причем, как правило, на уровне технологий с минимальными на данный момент топологическими нормами), поэтому в значительной степени игнорировался большинством фирм-заказчиков. Новые технологические процессы с меньшими топологиями осваивались в производстве в среднем каждые два года, и кремниевые заводы должны были решать вопрос соотнесения производимой продукции с исходными спецификациями, что и осуществлялось на основе платформы контроля соблюдения проектных норм. Но по мере того, как все большее число ИС стало производиться со значительным отклонением от общей маршрутной карты изготовления полупроводниковых приборов – ​для таких рынков, как автомобильная электроника или изделия и системы с использованием искусственного интеллекта (ИИ), – ​проблема изменчивости параметров приборов и производственного процесса перестала касаться только производителей ИС.

В настоящее время ИС выходят на все большее число рынков конечных систем, поэтому количество источников вариаций производственного процесса растет. Отклонения параметров могут быть обусловлены собственно процессами, производственными инструментальными средствами, аналоговой схемотехникой и даже (в некоторых случаях) условиями окружающей среды. Более того, все эти факторы наслаиваются друг на друга. Действительно, один конкретный тип отклонений параметров процесса может и не повлиять на функциональность ИС, однако различные отклонения, накапливаясь по всем этапам процесса изготовления, вариантам использования или группам совместно работающих кристаллов ИС, способны оказать неприемлемое воздействие на функционирование конечной системы в целом. В случае автомобильных, промышленных или медицинских устройств последствия могут быть опасны для жизни человека.

До сих пор разработчики в основном понимали, что существует изменчивость параметров, присущая и проектированию, и производству во всех их аспектах. Ситуация осложнилась с повышением уровня интеграции. На этом этапе в основном предпринимались попытки понять возникновение вариаций на глубинном уровне и разработать технологию и правила проектирования, которые охватывали бы весь возможный разброс параметров, а также попытки уменьшить вариабельность при помощи технологических инструментов и менее чувствительных к изменчивости параметров схем интеграции. Однако окончательно решить проблему так и не удалось, а по мере дальнейшего масштабирования ИС подобные подходы потеряли эффективность из-за возросшей жесткости правил и норм проектирования. Проектировщикам просто не хватает свободы маневра.


ПРОЦЕСС

Помимо всего перечисленного растет число источников изменчивости параметров. С учетом ужесточения допусков и уменьшения пространства для формирования защитной полосы изменчивость параметров становится все более критическим элементом на всем технологическом маршруте – ​от проектирования до производства ИС. В настоящее время отраслевые специалисты выделяют восемь основных типов изменчивости параметров (см. таблицу).

При разработке и изготовлении приборов с меньшими топологическими размерами элементов ИС возникает необходимость контролировать все типы вариаций вследствие ужесточения допусков. В области конструкций, реализованных по передовым (минимальным) топологическим нормам, существуют две основные тенденции измерения и снижения разброса параметров. Один подход уделяет больше внимания ошибке установки угла кристалла в заданное положение (edge placement error, EPE), а не критическим размерам, совмещению и неравномерности краев линий (line edge roughness, LER) отдельных компонентов. EPE можно рассматривать как сумму всех ошибок при измерении расстояния между двумя топологическими элементами. Производители ИС все чаще и чаще говорят с точки зрения предельно допустимого значения EPE, а не о предельно допустимых ошибках в критических размерах LER и собственно процессе вместе взятых. Соответственно, они хотят в первую очередь измерять и контролировать EPE. Вторая тенденция состоит в измерении заглубленных топологических элементов, которые стали критической частью процесса производства ИС при переходе к 3D-приборам, включая FinFET и 3D-флэш-память NAND-типа. Важность измерения и контроля заглубленных топологических элементов будет сохраняться по мере появления структур сооптимизации технологии проектирования (design technology co-optimization, DTCO) для расширения возможностей масштабирования логики и перспективных архитектур логических приборов, таких как поперечные (вертикальные) нанопластины, комплементарные полевые транзисторы (complementary FETs, CFETs) и, в конечном счете, полностью 3D-логика.

Изменчивость параметров распространяется на все части процесса производства. Сейчас она проявляется на уровне 28-нм и 22-нм технологических процессов. По мере дальнейшего масштабирования проблема будет обостряться, так как минимальные размеры топологических элементов выйдут за пределы возможностей существующего оборудования заводов по обработке пластин. В течение большей части текущего десятилетия существенной проблемой оставалась возможность с приемлемой скоростью формировать достаточно тонкие топологические элементы. В настоящее время проблема отчасти решена благодаря использованию EUV-литографии корпорациями Samsung и TSMC, при этом использование других типов оборудования связано со все бЧльшими затруднениями в таких областях, как контроль, метрология и тестирование. Таким образом, искать вариации в увеличивающемся числе потенциальных проблемных точек становится все сложнее.

Одной из наиболее проблематичных областей остается ЕРЕ – ​в тех случаях, когда необходимо крайне точно совместить шаблоны для формирования чрезвычайно малых топологических элементов.

Поставщики шаблонов изготавливают их согласно спецификациям, включающим в себя суммарную погрешность («бюджет ошибок»), допустимую при формировании шаблонов. В свою очередь, заводы по обработке пластин производят кристаллы ИС по спецификациям, в которых учитываются суммарные погрешности и шаблонов, и процесса обработки пластин (формирования кристаллов ИС). Стандартные элементы, межсоединения, межслойные переходы и контакты проектируются в соответствии с нормами, которые, в свою очередь, определяются после тщательного изучения образцов продукции, которая гарантированно может быть изготовлена в соответствии со спецификациями шаблонов и обработки пластин. Если измененные параметры процесса обработки пластины включают допуск 0,1 нм вместо 2 нм, это отразится на значениях быстродействия и потребляемой мощности стандартных ячеек (или любой схемы) – ​они будут обладать меньшей вариативностью, что, в свою очередь, повлияет на проектирование уровня регистровых передач (RTL), синтез, размещение компонентов и трассировку проводников и соединений для проектирования кристалла ИС, функционирующего с заданным быстродействием.

Все это требует сложной координации деятельности различных участников цепочки информационно-технологического обмена – ​в частности, в том, что касается спецификаций, допустимых погрешностей и бюджетов ошибок. Раньше некоторые из этих аспектов контролировались ныне не существующей «Международной маршрутной картой развития полупроводниковых приборов» (International Technology Roadmap for Semiconductors, ITRS) – ​она служила центральным координирующим документом, определяющим бюджеты ошибок и допуски для следующих поколений полупроводниковых приборов. Одной из задач было формирование целевых показателей для изготовителей оборудования, что обеспечивало соответствие новых поколений оборудования различных типов требованиям перспективных полупроводниковых приборов по мере их масштабирования.

В данный момент, по оценкам специалистов, отрасль находится на таком этапе развития, когда снижение изменчивости параметров процессов абсолютно необходимо. Понимание этого имеет решающее значение для сокращения вариабельности. Современные нормы проектирования просто не могут выдержать тот объем изменчивости параметров, с которым «уживались» предшествующие поколения. Сейчас проектировщики еще могут контролировать изменчивость параметров процесса и компенсировать ее как на уровне оборудования, так и на уровне схем интеграции. Дальнейшие пути масштабирования очевидны. Однако производственные технологии по-прежнему отличаются большим числом вариаций, которые необходимо преодолеть.

Главная технологическая проблема процесса обрезки линий – ​EPЕ, сумма изменчивости параметров, включающая в себя ошибку размещения защитного маскирующего слоя и сдвиг параметров процесса. Расчет ЕРЕ процесса обрезки линий включает учет трех элементов: изменение параметров четырехкратного формирования рисунка с самосовмещением (self-aligned quadruple pattering, SAQP), изменение параметров защитного маскирующего слоя и другие вариации, такие как локальная воспроизводимость критических размеров, разброс параметров изделий от партии к партии и т. д. Вариации SAQP рассчитываются методом среднеквадратического значения воспроизводимости критических размеров, распределения отклонений шага линий и характеристик шероховатости линий. Изменение параметров защитной маски рассчитывается методом среднеквадратического значения воспроизводимости критических размеров, характеристик шероховатости линий и сдвига совмещения литографических изображений. На выходе трехкратное среднеквадратическое отклонение принятых в расчет вариаций даст ЕРЕ более 7,9 нм.


НОВЫЕ ИСТОЧНИК ИЗМЕНЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА

Новые источники изменчивости параметров процесса начинают появляться даже без масштабирования – ​например, при использовании подхода, копирующего работу мозга, т. е. нейроморфного подхода. Допустим, значение вариации меньше, чем тактовая частота. Транзисторы «А» и «В» могут иметь разную скорость переключения, но пока не закончился тактовый период, подобные отклонения незаметны. При цифровых подходах подобное, как правило, невозможно. В случае аналогового подхода можно обеспечить бЧльшую энергоэффективность, но для этого необходимо либо устранить изменчивость параметров, либо минимизировать ее. При этом решение проблемы вариаций в одной области может привести к неожиданным результатам по изменчивости параметров в другой.

С точки зрения производительности наибольшей проблемой могут стать перекрестные изменения параметров, приводящие к переходу прибора на критический путь, т. е. наиболее длинный путь прохождения сигналов через электронную схему, что обычно вызывает их наибольшие задержки. Для минимизации задержек подключаемость транзисторов можно менять, но при этом нужно обеспечивать необходимые допуски. Нейроморфные приборы часто представлены интегральными схемами искусственного интеллекта, и здесь перекрестная изменчивость параметров может стать одной из основных проблем, особенно с учетом больших размеров подобных ИС – ​около 600–700 мм2. На уровне 7-нм топологий межсоединения обычно серьезно перегружены, поэтому разработчики часто вводят промежуточный слой металлизации, позволяющий облегчить перегрузку между затвором и контактом стока. Сейчас в основном используются контакты стока стержневого типа, что позволяет снизить и сопротивление контакта, и изменчивость параметров. В результате между затвором и стоком увеличивается емкость. Но при использовании металлического стержня необходимо добавить контакт на исток и на сток. Для этого нужен дополнительный слой металлизации, что повышает изменчивость параметров. Требования к совмещению достаточно жесткие, и при изменении совмещения меняется и сопротивление. Иными словами, появляется совершенно новый источник вариабельности – ​т. е. решение одной проблемы создало другую.


ВОЗДЕЙСТВИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Проблема изменчивости параметров не ограничивается только производством, она существует по всей цепочке поставок – ​от проектирования, материалов, оборудования и производства до окончательного тестирования.

Многие из проблем, с которыми сталкиваются специалисты полупроводниковой промышленности, отнюдь не новы – ​просто в условиях новых технологий с меньшими топологическими нормами они воспроизводятся на меньшей площади, оставляя меньше места для маневра. Впервые явление изменчивости параметров было обнаружено в 1977 г., и тогда же появились первые рекомендации – ​использовать стандартные инструментальные средства для лучшего контроля дозы экспонирования (время воздействия источника излучения установки литографии на обрабатываемую пластину) и фокусировки установок пошаговой литографии (степперов). В настоящее время бюджеты ошибок существенно сократились, требования к изменчивости параметров ужесточились. Отраслевые специалисты начинают рассматривать такие аспекты, как невозможность в полной мере защитить уровень выхода годных от влияния изменчивости параметров, а также степень приемлемости вариаций. Внутри кристалла может насчитываться более 40 млрд межслойных переходов, присутствовать большое число вариантов установки угла кристалла в заданное положение, соответственно, проектировщикам следует искать способы достижения показателя 7s. С учетом большого количества разнообразных структур и рисунков, даже если проигнорировать случайные на данный момент воздействия, разработчикам необходимо обращать внимание на границы распределения и быть более информированными, чем в прошлом.

Все это воздействует на каждый этап и участок проектирования – ​от разработки общей топологии кристалла до моделей проектирования под производство (DFM) и оснащения технологическими установками и инструментальными средствами.

Поскольку топологические планы меняются, проектировщикам приходится оценивать воздействие этого процесса на поуровневое планирование некоторых быстродействующих интерфейсов. Если разработчик должен создать очень широкую шину, но ограничен требованиями по высоте, ему приходится осуществлять высокоскоростную трассировку сквозь кристалл ИС, а не поверх него. В ходе реализации процесса нужно так откалибровать сопротивление пластины, чтобы в идеале получить такое же значение, как при зондировании сквозь кристалл. Разработчики хотят добиться того, чтобы значение сопротивления везде было одинаковым, но обычно из-за изменений параметров процесса значение сопротивления в различных точках кристалла будет разным. Это – ​градиент процесса. Соответственно, проектирование должно происходить с учетом данного фактора и с использованием методик компенсации смещения.

Использование для контроля токов утечки FinFET на топологиях 16/14 нм добавляет в конструкцию большое число правильных форм, что ограничивает свободу проектировщиков и обуславливает некоторые изменения параметров. Следует отметить, что внедрение FinFET не облегчило ситуацию с изменчивостью – ​теперь разные области кристалла имеют большее влияние друг на друга, в частности из-за значительных размеров затворов, большей близости транзисторов и сложной трассировки. Теперь для разрешения возникающих проблем необходимо использовать сочетание инструментальных средств и различных методологий. В частности, нужно иметь возможность выявления ошибок по мере их возникновения, а не в конце технологического процесса, т. е. речь идет о более слаженной работе членов группы проектировщиков и осуществления одновременных проверок по значительно большему числу аспектов проекта.

Подобный подход, как предполагается, следует распространить и на производство. Если существует возможность одновременно измерять параметры и проводить операции осаждения, то появляется шанс снизить изменчивость параметров процесса. При этом скорость работы технологической камеры значения не имеет.

Решат ли подобные подходы проблему увеличения отклонений параметров процессов в полупроводниковой промышленности – ​еще предстоит выяснить. Однако данная тематика становится одной из центральных на отраслевых конференциях.

Использование одномерных слоев металлизации заставило разработчиков быстро переносить межслойные переходы на более высокие уровни, где и реализуется основная часть потребляемой мощности. При этом сопротивление межслойных переходов становится основной причиной задержки сигналов. Изменение параметров этих межслойных переходов и управление ими становится критическим фактором. Обычно в этих целях используется методология, сходная с извлечением параметров топологического чертежа – ​управление паразитной емкостью и ошибками. Для этого берутся тысячи межсоединений и вычисляется число возможных ошибок – ​от 5 до 10% в худшем случае. Для производительности на уровне продукта худшие показатели имеют значение, так как по ним определяются окончательные спецификации – ​даже если номинально большая часть кристаллов демонстрирует лучшие параметры. То есть речь идет о повышении предсказуемости, что обеспечивает возможность дальнейшего масштабирования.

Отмечается, что одной из целей разработчиков является смещение непредсказуемых ошибок в завершающие этапы процесса обработки пластин и формирования кристаллов. На начальных этапах обработки хорошо себя проявляют программы моделирования с ориентацией на ИС (SPICE) и TCAD, но снижение изменчивости параметров должно достигаться за счет лучшей предсказуемости, что вполне реально. Любая ошибка прогнозирования воздействует на изменчивость параметров. Но часть из них может быть исправлена, а непредсказуемые ошибки остаются с конкретной технологией в течение всего ее жизненного цикла. Поэтому уменьшение ошибочности прогнозирования очень ценно.


ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Более жесткие допуски, новые области применения и варианты использования увеличивают изменчивость параметров по всей цепочке поставок. То, что раньше было почти исключительно производственной проблемой, становится проблемой проектирования как ИС, так и конечных электронных систем, а также изготовления этих систем. Однако это не только вызов, но и возможность. В настоящее время все заинтересованные стороны ведут активные работы с целью достижения максимально возможного понимания проблемы изменчивости параметров и нахождения путей ее решения, но осуществить предстоит еще очень многое.

 

Sperling Ed. Variation Issues Grow Wider And Deeper. Semiconductor Engineering, January 24, 2019: https://semiengineering.com/variation-issues-grow-wider-and-deeper/


МНЕНИЕ ЭКСПЕРТА

Алексей Коршак

Надежность электронных устройств и систем является важной проблемой не только для автомобильной промышленности и транспорта, но и для медицины, авионики, энергетики и промышленной автоматизации. Высокий уровень надежности определяется уровнем технологий, качеством микросхем и других электронных компонентов.

Дополнительные требования по надежности интегральных схем для автоэлектроники и других элементов критической инфраструктуры ограничивают выбор поставщиков по следующим причинам. Во-первых, поставщик интегральных схем должен пройти специальный аудит на соответствие стандартам качества (для автоэлектроники – ​IATF 16949:2016). Во-вторых, для достижения высокого уровня надежности своей продукции компании проводят специальные работы – ​технологические (совершенствование технологий) и конструкторские (оптимизация топологии интегральных схем). Эти работы требуют высокой квалификации и дополнительных инвестиций, чего нет у большинства производителей микросхем на мировом рынке.

Узкоспециализированные и высоконадеж-ные интегральные схемы, требующие соответствия специальным стандартам, являются профессиональной нишей для российских компаний.


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ

Выпуск 24/25 (6748/6749) от 23 декабря 2021 г. г.
Выпуск 23(6747) от 25 ноября 2021 г. г.