GaAs工艺监测研究

吳翻造工艺技术DoI:10.3969/isn.1003-353x2011.07.006GaAs工艺监测研究于信明,崔玉兴(中国电子科技集团公司第十三研究所,石家庄050051)摘要:介绍了 GaAs MMIC( GaAs microwave monolithic integrated circuit)工艺运用监测技术控制工艺过程,实时掌握工艺状况,保证产品的一致性、可重复性和可靠性。针对薄层电阻和接触电阻的阻值以及器件的栅阻和栅长等工艺过程中关键的参数,分别用范德堡结构、开尔文结构和十字桥结构进行监测。采用范德堡结构测得薄层电阻R,=(w/n2)V/l2,开尔文结构得到接触电阻R。=V3/l,十字桥结构可以了解栅阻和栅长。然后通过运用统计过程控制技术对数据进行分析,可以有效改进工艺,提高产品质量关键词: GaAs MMIC;工艺监测;薄层电阻;十宇桥;统计过程控制中图分类号:TN407文献标识码:A文章编号: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引官试验方法样本数量多、试验周期长,导致反馈信息严重滞后,对产品的改进非常不利。为满足客户对GaAs MMIC目前的发展速度非常迅猛,被广 GaAs mMIC一致性、可重复性和高可靠性的要求,泛应用于卫星通信、无线局域网、自主巡航控制、 GaAs mmic生产线学习硅工艺生产线,大力研究雷达、电子对抗等多个领域。 GaAs MMIC具有体开发工艺控制监测、统计工艺控制和可靠性评价监积小、重量轻、集成度高、低功耗、可靠性高、成测等各种保障手段来提升产品质量性能。本低的优点,在通信的各个领域中起到了巨大作用中国煤化工由于市场的紧迫需求,为了满足客户的要求CNMHG产品的质量和可靠GaAs MMIC生产研发的周期通常比较短。传统的性,因此只有保证工艺处于稳定受控的状态,才能520半导体技术第36卷第7期011年7月于信明等:GaA工艺监测研究生产出质量好、可靠性高的产品,满足客户的需求。表2PM结构(中国)通常工艺上采用工艺表征工具(TCV)技术(可靠性Tab 1 PM structure( China)评估监测技术)、标准评估电路(SEC)技术、参数监通用标准测(PMs)技术、工艺控制监测(PcM)技术、PPM测量品体管参数的n沟晶体管控制技术、工艺的60设计技术(CPK评价技术和6测量品体管参数的p沟品体管设计技术)和统计工艺控制(SPC)技术等,运用控制监测技术使各工艺稳定可控,保证产品的一致性和方块电阻可重复性,提高产品质量增强型晶体管GaAs工艺控制主要采用PCM技术,通过科学耗尽型晶体管的方法采集工艺数据,运用SPC技术对数据进行隔离分析,及时发现并预防工艺问题,保障工艺稳定控接触电阻(通孔、欧姆接触制,提高产品的一致性、重复性和可靠性工艺控制监测采用PM结构对生产中每个工序中台阶覆盖的参数进行监控,了解工艺质量参数的分布及工艺国对准标记过程中“随机扰动”的情况,然后运用SPC技术线处理数据,判断工艺受控状态,预测并解决工艺潜二极管在问题,提高产品成品率。PM结构主要包括有源背栅区隔离、体电阻、欧姆接触、MIM电容、电感、薄膜电阻、接触过孔、套刻对准、肖特基二极管和擒杂剖面结构各种单管器件结构等,反映了各工艺过程对最终产FATFET品的影响。美国半导体通用标准对GaAs工艺参数薄膜电阻器提出了测试要求,见表1。我国半导体通用标准同电容样有类似的测试要求,具体内容见表2。表1PM结构(美国)2PM结构Tab 1 Process monitor structure (USA)通用标准GaAs工艺中各种电阻(包括薄膜电阻、欧姆接触电阻和过孔电阻等)的偏差直接影响电路设每一掺杂层的方块电阻。计结果,需要严格监控。 GaAs MmiC的核心在于MIM电容:测量直流和射频电容、漏电和击穿单管器件,而单管器件的栅是性能好坏的决定性因大栅长场效率晶体管( FATFET):测量日特基势垒高素之一。为了能够清楚了解工艺的状况,分别用度和理想因子、载流子浓度和迁移率、沟道深度的FETPM结构进行监测。21薄层电阻的PM结构(21测量衬底隔离击穿的结构有源区体电阻和薄膜(通常为NCr)电阻等薄欧姆接触电阻层电阻采用范德堡( van der pauw)结构进行监测国 GaAs FET参数:适于射频探针测量下述参数范德堡方法可用来测量任意形状的厚度均匀的薄膜(a)la:零栅偏压下的饱和漏电流样品,其基本原理是在一个任意形状、厚度为d的(b)gn;饱和和50%下的跨导薄层样品边缘制作4个触点A,B,C和D,使AB⊥(c)夹断电压;CD。中国煤化工A和C)加上电流(d)栅-漏漏电流和击穿电压;(e)栅-源击穿电压CNMH得电位差V3,得(f)源和漏电阻;到R1=Va/I4c;然后再给A和D加上电流l,测(g)在工艺覆蓝频率范围内FET的S参数。得B和C间电位差Vc,得到R2=Vg/lAD最终样Semiconductor Technology VoL 36 No. 7 521于信明等:GaAs工艺监测研究品的电阻率为孔为正方形,图形大小为3μm×3μm。在触点1mdR1+R2。,R1In 2(1)和3上加电流l1,通过触点2和4测得电压2则得到接触电阻R。=V2/l13。或者在触点2和4上R式中f()为范德堡修正函数。则薄层电阻的方加电流l4,通过触点1和3测得电压V13,则得到R2接触电阻R。=V1/l2。接触电阻率为p=R·A块电阻为其中A。为过孔的接触面积。R1+R2(2)2.3栅的PM结构In 2 2栅是 GaAs mmic至关重要的环节,它的好坏实际工艺中采用十字型结构,如图1所示,在决定了产品的最终性能。在工艺制造过程中用扫描触点2和3加电流l2,触点1和4测得电压V1电镜来观测栅的形貌比较困难,一般通过直流测试由于测试图形采用完全对称结构,薄层电阻的方块对栅的质量状况进行监控。栅阻和栅长是直接反映电阻公式简化为栅的质量状况的参数,栅阻可以反映栅金属状况及R.=(m/ln2)v4/l2(3)栅断条情况,栅长反映了栅光刻工艺的能力。十字桥结构能够很好地反映栅阻和栅长的情况,测试结构见图3。设计W与器件栅长相同,L远大于W图1范德堡结构g I van der Pauw structure2.2接触电阻的PM结构图3十字桥结构Fig. 3 Cross-bridge structur半导体工艺中有很多金属和金属接触、金属和通过图3可发现测试栅的十字桥结构的左半部介质接触等结构,这些结构的电阻反映了工艺的好份(触点1,2,3,4部分)为范德堡结构,通过坏,影响着产品的性能。为了监测这些接触电阻的这部分可以测得栅的方块电阻R.=(m/n2)v情况,采用开尔文十字桥( cross-bridge Kelvin I。然后在触点1和6上加电流l,再通过触点4resistor,CBKR)结构来测量接触电阻R的阻值见图2。工艺层1和工艺层2通过过孔相连接,过和5测得电压V5。同样可以得到方块电阻为R,=(V4/l16)/(LW)(4)式中L/W为长条部分所含的方块数。对于L和W,工艺中较容易控制L的值,而W不易控制。根据式(4),则工艺层2式中W为实际栅长,相对于掩膜版栅长W可以过孔清楚地了解到栅长的偏差△W=Wn-W。3监测及控制中国煤化工特别是栅长的状态需CNMHGPM结构中的范德图2开尔文十字桥结构堡结构进行测试,可以得到栅金属的方块电阻为Fig. 2 Cross-bridge Kelvin resistor structure0.048』/口。设计掩膜版栅长W。=0.5μm,栅522半导体技术第36卷第7期2011年7月于信明等:CaAs工艺监测研究PM结构中L=150μm(由于L的变化相对于W的0.530栅长均值UCL=0.522Hm变化非常微小,可视为不变),在触点1和6上加电流l6=1mA,测得电压V4。采集数据,代人式CL=0.516μm(5),得到实际栅长W,见表3。然后对所得出的样本序号数据进行整理,计算出栅长的均值x和标准差S,(a)栅长均值控制图得到表40010表3实际栅长数据UCL=0.00854μm0.005Tab. 3 Data of the actual gate lengthCCL-o516 um0.000测试点样本序号次栅长/Vs/栅长/V/栅长/V3/栅长/V5/栅长/V(b)栅长标准差控制图图4栅长均值-标准差控制图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对工艺状态进行分析,可以发现掩膜版栅长20514140052213.8051813.90.522138051141W为0.5μm,实际工艺制作的栅长要比W大30511141051414.00.5111410.51813.90.52213.8些。但是由于进行了严格的工艺控制,栅长的值40.51813.90514140051813.90.52213.80514140被控制在某一数值附近,存在微小的波动。通过分505213.8051813.905213.805141400.51114.析控制图可以发现栅工艺的控制状态相当好,栅长60.51114.10.51414.00.5213.80518l3.9052213.8在0.516μm左右波动,并且趋势没有偏大或偏小。70.518139051414005213.80514140052213.8通过运用SPC技术,对工艺进行连续监控,分析80.51414005111410.5141400.51813.9051813.9控制图,及时发现问题和趋势,改进工艺条件,才能够确保产品的质量。90.518139052213.80.5181390.514140051114.10as8noas40osu10s8 13.9 0.522 13.84结语表4栅长均值和标准差GaAs工艺每一步都需进行严格控制监测来确保Tab 4 Mean and standard deviation of gate length产品的质量,对于薄层电阻、接触电阻和栅的PM结测试点构的研究只是整个工艺控制研究的一部分。GaAs工艺发展中,新技术引入新工艺,同样需要新工艺控制均值彩标准差S/技术来进行监控。为了满足各行业不断提高的质量要栅长/栅长/栅长/栅长/栅长求,GaAs工艺监测技术也在不断发展提高。10.5110.5140.5110.5180.51405140.00311参考文献:20.5140.52205180.5220.5110.5170.00484[1]黄云.GaAs微波单片集成电路(MMlC)的可靠性30.5110.5140.5110.5180.5220.5150.00482研究[冂].微电子技术,2003,31(1):50-53[2]刘新福,孙以材,刘东升.四探针技术测量薄层电阻的40.5180.5140.5180.5220.5140.5170.00313原理及应用[J].半导体技术,2004,29(7):49-5350.5220.5180.5220.5140.5110.5170.00484[3]贾新章,李京苑.统计过程控制与评价——C、SP60.5110.5140.5220.5180.5220.5170.00484和PPM技术[M].北京:电子工业出版社,200470.5180.5140.5220.5140.5220.5180.00373收稿日期:2011-03-11)80.5140.5110.5140.5180.5180.5150.00308作者简介:90.5180.5220.5180.5140.5110.5170.00425于恼明(1977-),男,山东沂水人,工工艺和设计的平台建设100.5180.5140.5110.5180.5220.5170.00425中国煤化工千究工作。运用SPC技术处理数据,计算出中心值CL、CNMHG控制上限UCL和控制下限LCL,绘制均值x控制图和标准差S控制图,见图4,L为栅长。地方数据Semiconductor Technology VoL 36 Na. 7 523