吳翻造工藝技術(shù)DoI:10.3969/isn.1003-353x2011.07.006GaAs工藝監(jiān)測研究于信明,崔玉興(中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所,石家莊050051)摘要:介紹了 GaAs MMIC( GaAs microwave monolithic integrated circuit)工藝運用監(jiān)測技術(shù)控制工藝過程,實時掌握工藝狀況,保證產(chǎn)品的一致性、可重復(fù)性和可靠性。針對薄層電阻和接觸電阻的阻值以及器件的柵阻和柵長等工藝過程中關(guān)鍵的參數(shù),分別用范德堡結(jié)構(gòu)、開爾文結(jié)構(gòu)和十字橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測。采用范德堡結(jié)構(gòu)測得薄層電阻R,=(w/n2)V/l2,開爾文結(jié)構(gòu)得到接觸電阻R。=V3/l,十字橋結(jié)構(gòu)可以了解柵阻和柵長。然后通過運用統(tǒng)計過程控制技術(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,可以有效改進(jìn)工藝,提高產(chǎn)品質(zhì)量關(guān)鍵詞: GaAs MMIC;工藝監(jiān)測;薄層電阻;十宇橋;統(tǒng)計過程控制中圖分類號:TN407文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1003-353X(2011)07-0520-04Research on GaAs Process monitorYu Xinming, Cui YuxingThe 13 Research Institute, CETC, Shijiazhuang 050051, China)Abstract: Process monitor structures applied to control process and master process status realtimelywas introduced in the process of GaAs MMIC for ensuring consistency, repeatability and reliability of theproducts. Some important parameters in the process such as the resistance of sheet resistance and contactresistance gate dimension and gate resistance of device were monitored by van der Pauw, Kelvin and cross-bridge structures respectively. The result is as follow: sheet resistance R, =(T/In 2) Vu/l2, by varPauw and contact resistance R.=Vu/24 by Kelvin, gate dimension and gate resistance were got bybridge. It is effective to improve process abnormities and product quality analyzing data with SPCKey words: GaAs microwave monolithic integrated circuit GaAs MMIC )i process monitorPM); sheet resistance; cross-bridge; statistical process control (SPC)EEACC: 0170L0引官試驗方法樣本數(shù)量多、試驗周期長,導(dǎo)致反饋信息嚴(yán)重滯后,對產(chǎn)品的改進(jìn)非常不利。為滿足客戶對GaAs MMIC目前的發(fā)展速度非常迅猛,被廣 GaAs mMIC一致性、可重復(fù)性和高可靠性的要求,泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信、無線局域網(wǎng)、自主巡航控制、 GaAs mmic生產(chǎn)線學(xué)習(xí)硅工藝生產(chǎn)線,大力研究雷達(dá)、電子對抗等多個領(lǐng)域。 GaAs MMIC具有體開發(fā)工藝控制監(jiān)測、統(tǒng)計工藝控制和可靠性評價監(jiān)積小、重量輕、集成度高、低功耗、可靠性高、成測等各種保障手段來提升產(chǎn)品質(zhì)量性能。本低的優(yōu)點,在通信的各個領(lǐng)域中起到了巨大作用中國煤化工由于市場的緊迫需求,為了滿足客戶的要求CNMHG產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠GaAs MMIC生產(chǎn)研發(fā)的周期通常比較短。傳統(tǒng)的性,因此只有保證工藝處于穩(wěn)定受控的狀態(tài),才能520半導(dǎo)體技術(shù)第36卷第7期011年7月于信明等:GaA工藝監(jiān)測研究生產(chǎn)出質(zhì)量好、可靠性高的產(chǎn)品,滿足客戶的需求。表2PM結(jié)構(gòu)(中國)通常工藝上采用工藝表征工具(TCV)技術(shù)(可靠性Tab 1 PM structure( China)評估監(jiān)測技術(shù))、標(biāo)準(zhǔn)評估電路(SEC)技術(shù)、參數(shù)監(jiān)通用標(biāo)準(zhǔn)測(PMs)技術(shù)、工藝控制監(jiān)測(PcM)技術(shù)、PPM測量品體管參數(shù)的n溝晶體管控制技術(shù)、工藝的60設(shè)計技術(shù)(CPK評價技術(shù)和6測量品體管參數(shù)的p溝品體管設(shè)計技術(shù))和統(tǒng)計工藝控制(SPC)技術(shù)等,運用控制監(jiān)測技術(shù)使各工藝穩(wěn)定可控,保證產(chǎn)品的一致性和方塊電阻可重復(fù)性,提高產(chǎn)品質(zhì)量增強型晶體管GaAs工藝控制主要采用PCM技術(shù),通過科學(xué)耗盡型晶體管的方法采集工藝數(shù)據(jù),運用SPC技術(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行隔離分析,及時發(fā)現(xiàn)并預(yù)防工藝問題,保障工藝穩(wěn)定控接觸電阻(通孔、歐姆接觸制,提高產(chǎn)品的一致性、重復(fù)性和可靠性工藝控制監(jiān)測采用PM結(jié)構(gòu)對生產(chǎn)中每個工序中臺階覆蓋的參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控,了解工藝質(zhì)量參數(shù)的分布及工藝國對準(zhǔn)標(biāo)記過程中“隨機擾動”的情況,然后運用SPC技術(shù)線處理數(shù)據(jù),判斷工藝受控狀態(tài),預(yù)測并解決工藝潛二極管在問題,提高產(chǎn)品成品率。PM結(jié)構(gòu)主要包括有源背柵區(qū)隔離、體電阻、歐姆接觸、MIM電容、電感、薄膜電阻、接觸過孔、套刻對準(zhǔn)、肖特基二極管和擒雜剖面結(jié)構(gòu)各種單管器件結(jié)構(gòu)等,反映了各工藝過程對最終產(chǎn)FATFET品的影響。美國半導(dǎo)體通用標(biāo)準(zhǔn)對GaAs工藝參數(shù)薄膜電阻器提出了測試要求,見表1。我國半導(dǎo)體通用標(biāo)準(zhǔn)同電容樣有類似的測試要求,具體內(nèi)容見表2。表1PM結(jié)構(gòu)(美國)2PM結(jié)構(gòu)Tab 1 Process monitor structure (USA)通用標(biāo)準(zhǔn)GaAs工藝中各種電阻(包括薄膜電阻、歐姆接觸電阻和過孔電阻等)的偏差直接影響電路設(shè)每一摻雜層的方塊電阻。計結(jié)果,需要嚴(yán)格監(jiān)控。 GaAs MmiC的核心在于MIM電容:測量直流和射頻電容、漏電和擊穿單管器件,而單管器件的柵是性能好壞的決定性因大柵長場效率晶體管( FATFET):測量日特基勢壘高素之一。為了能夠清楚了解工藝的狀況,分別用度和理想因子、載流子濃度和遷移率、溝道深度的FETPM結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測。21薄層電阻的PM結(jié)構(gòu)(21測量襯底隔離擊穿的結(jié)構(gòu)有源區(qū)體電阻和薄膜(通常為NCr)電阻等薄歐姆接觸電阻層電阻采用范德堡( van der pauw)結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測國 GaAs FET參數(shù):適于射頻探針測量下述參數(shù)范德堡方法可用來測量任意形狀的厚度均勻的薄膜(a)la:零柵偏壓下的飽和漏電流樣品,其基本原理是在一個任意形狀、厚度為d的(b)gn;飽和和50%下的跨導(dǎo)薄層樣品邊緣制作4個觸點A,B,C和D,使AB⊥(c)夾斷電壓;CD。中國煤化工A和C)加上電流(d)柵-漏漏電流和擊穿電壓;(e)柵-源擊穿電壓CNMH得電位差V3,得(f)源和漏電阻;到R1=Va/I4c;然后再給A和D加上電流l,測(g)在工藝覆藍(lán)頻率范圍內(nèi)FET的S參數(shù)。得B和C間電位差Vc,得到R2=Vg/lAD最終樣Semiconductor Technology VoL 36 No. 7 521于信明等:GaAs工藝監(jiān)測研究品的電阻率為孔為正方形,圖形大小為3μm×3μm。在觸點1mdR1+R2。,R1In 2(1)和3上加電流l1,通過觸點2和4測得電壓2則得到接觸電阻R。=V2/l13?；蛘咴谟|點2和4上R式中f()為范德堡修正函數(shù)。則薄層電阻的方加電流l4,通過觸點1和3測得電壓V13,則得到R2接觸電阻R。=V1/l2。接觸電阻率為p=R·A塊電阻為其中A。為過孔的接觸面積。R1+R2(2)2.3柵的PM結(jié)構(gòu)In 2 2柵是 GaAs mmic至關(guān)重要的環(huán)節(jié),它的好壞實際工藝中采用十字型結(jié)構(gòu),如圖1所示,在決定了產(chǎn)品的最終性能。在工藝制造過程中用掃描觸點2和3加電流l2,觸點1和4測得電壓V1電鏡來觀測柵的形貌比較困難,一般通過直流測試由于測試圖形采用完全對稱結(jié)構(gòu),薄層電阻的方塊對柵的質(zhì)量狀況進(jìn)行監(jiān)控。柵阻和柵長是直接反映電阻公式簡化為柵的質(zhì)量狀況的參數(shù),柵阻可以反映柵金屬狀況及R.=(m/ln2)v4/l2(3)柵斷條情況,柵長反映了柵光刻工藝的能力。十字橋結(jié)構(gòu)能夠很好地反映柵阻和柵長的情況,測試結(jié)構(gòu)見圖3。設(shè)計W與器件柵長相同,L遠(yuǎn)大于W圖1范德堡結(jié)構(gòu)g I van der Pauw structure2.2接觸電阻的PM結(jié)構(gòu)圖3十字橋結(jié)構(gòu)Fig. 3 Cross-bridge structur半導(dǎo)體工藝中有很多金屬和金屬接觸、金屬和通過圖3可發(fā)現(xiàn)測試柵的十字橋結(jié)構(gòu)的左半部介質(zhì)接觸等結(jié)構(gòu),這些結(jié)構(gòu)的電阻反映了工藝的好份(觸點1,2,3,4部分)為范德堡結(jié)構(gòu),通過壞,影響著產(chǎn)品的性能。為了監(jiān)測這些接觸電阻的這部分可以測得柵的方塊電阻R.=(m/n2)v情況,采用開爾文十字橋( cross-bridge Kelvin I。然后在觸點1和6上加電流l,再通過觸點4resistor,CBKR)結(jié)構(gòu)來測量接觸電阻R的阻值見圖2。工藝層1和工藝層2通過過孔相連接,過和5測得電壓V5。同樣可以得到方塊電阻為R,=(V4/l16)/(LW)(4)式中L/W為長條部分所含的方塊數(shù)。對于L和W,工藝中較容易控制L的值,而W不易控制。根據(jù)式(4),則工藝層2式中W為實際柵長,相對于掩膜版柵長W可以過孔清楚地了解到柵長的偏差△W=Wn-W。3監(jiān)測及控制中國煤化工特別是柵長的狀態(tài)需CNMHGPM結(jié)構(gòu)中的范德圖2開爾文十字橋結(jié)構(gòu)堡結(jié)構(gòu)進(jìn)行測試,可以得到柵金屬的方塊電阻為Fig. 2 Cross-bridge Kelvin resistor structure0.048』/口。設(shè)計掩膜版柵長W。=0.5μm,柵522半導(dǎo)體技術(shù)第36卷第7期2011年7月于信明等:CaAs工藝監(jiān)測研究PM結(jié)構(gòu)中L=150μm(由于L的變化相對于W的0.530柵長均值UCL=0.522Hm變化非常微小,可視為不變),在觸點1和6上加電流l6=1mA,測得電壓V4。采集數(shù)據(jù),代人式CL=0.516μm(5),得到實際柵長W,見表3。然后對所得出的樣本序號數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,計算出柵長的均值x和標(biāo)準(zhǔn)差S,(a)柵長均值控制圖得到表40010表3實際柵長數(shù)據(jù)UCL=0.00854μm0.005Tab. 3 Data of the actual gate lengthCCL-o516 um0.000測試點樣本序號次柵長/Vs/柵長/V/柵長/V3/柵長/V5/柵長/V(b)柵長標(biāo)準(zhǔn)差控制圖圖4柵長均值-標(biāo)準(zhǔn)差控制圖um mv um mVμ mm Hm mv um mvFig, 4 Control charts of mean-standard deviation for gate lengthla51l14.10.51414.00.511141051813.90.51414.0對工藝狀態(tài)進(jìn)行分析,可以發(fā)現(xiàn)掩膜版柵長20514140052213.8051813.90.522138051141W為0.5μm,實際工藝制作的柵長要比W大30511141051414.00.5111410.51813.90.52213.8些。但是由于進(jìn)行了嚴(yán)格的工藝控制,柵長的值40.51813.90514140051813.90.52213.80514140被控制在某一數(shù)值附近,存在微小的波動。通過分505213.8051813.905213.805141400.51114.析控制圖可以發(fā)現(xiàn)柵工藝的控制狀態(tài)相當(dāng)好,柵長60.51114.10.51414.00.5213.80518l3.9052213.8在0.516μm左右波動,并且趨勢沒有偏大或偏小。70.518139051414005213.80514140052213.8通過運用SPC技術(shù),對工藝進(jìn)行連續(xù)監(jiān)控,分析80.51414005111410.5141400.51813.9051813.9控制圖,及時發(fā)現(xiàn)問題和趨勢,改進(jìn)工藝條件,才能夠確保產(chǎn)品的質(zhì)量。90.518139052213.80.5181390.514140051114.10as8noas40osu10s8 13.9 0.522 13.84結(jié)語表4柵長均值和標(biāo)準(zhǔn)差GaAs工藝每一步都需進(jìn)行嚴(yán)格控制監(jiān)測來確保Tab 4 Mean and standard deviation of gate length產(chǎn)品的質(zhì)量,對于薄層電阻、接觸電阻和柵的PM結(jié)測試點構(gòu)的研究只是整個工藝控制研究的一部分。GaAs工藝發(fā)展中,新技術(shù)引入新工藝,同樣需要新工藝控制均值彩標(biāo)準(zhǔn)差S/技術(shù)來進(jìn)行監(jiān)控。為了滿足各行業(yè)不斷提高的質(zhì)量要柵長/柵長/柵長/柵長/柵長求,GaAs工藝監(jiān)測技術(shù)也在不斷發(fā)展提高。10.5110.5140.5110.5180.51405140.00311參考文獻(xiàn):20.5140.52205180.5220.5110.5170.00484[1]黃云.GaAs微波單片集成電路(MMlC)的可靠性30.5110.5140.5110.5180.5220.5150.00482研究[冂].微電子技術(shù),2003,31(1):50-53[2]劉新福,孫以材,劉東升.四探針技術(shù)測量薄層電阻的40.5180.5140.5180.5220.5140.5170.00313原理及應(yīng)用[J].半導(dǎo)體技術(shù),2004,29(7):49-5350.5220.5180.5220.5140.5110.5170.00484[3]賈新章,李京苑.統(tǒng)計過程控制與評價——C、SP60.5110.5140.5220.5180.5220.5170.00484和PPM技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,200470.5180.5140.5220.5140.5220.5180.00373收稿日期:2011-03-11)80.5140.5110.5140.5180.5180.5150.00308作者簡介:90.5180.5220.5180.5140.5110.5170.00425于惱明(1977-),男,山東沂水人,工工藝和設(shè)計的平臺建設(shè)100.5180.5140.5110.5180.5220.5170.00425中國煤化工千究工作。運用SPC技術(shù)處理數(shù)據(jù),計算出中心值CL、CNMHG控制上限UCL和控制下限LCL,繪制均值x控制圖和標(biāo)準(zhǔn)差S控制圖,見圖4,L為柵長。地方數(shù)據(jù)Semiconductor 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