Design und Layout. Schaltungssimulation. Prozesssimulation Systemsimulation

Transkript

1 Design und Layout Schaltungsdesign Schaltungssimulation Layout Prozess Prozesssimulation Systemsimulation Layout (4:30-5:48) Fertigung Maskenfertigung Prof. Dr. H. Baumgärtner B4-1 Bevor ein neuer Chip entsteht, muss als erstes auf der Basis der Produktspezifikationen eine Schaltung entworfen werden. Da diese aus Millionen von Transistoren bestehen kann, kann die die Funktion der Schaltung nur noch mit Hilfe aufwändiger Software am Computer simuliert werden. Parallel dazu müssen auch die dafür nötigen Fertigungsprozesse entwickelt werden, die ebenfalls erst einmal auf der Basis von physikalischen Modellen am Computer simuliert werden. Beises zusammen erlaubt dann die Umsetzung der Schaltung in ein Layout, das bereits die Grenzen der Fertigung mit berücksichtigt. Mit dem Layout wird auch der gesamte Prozessablauf festgelegt und simuliert. Erst wenn die elektrischen Ergebnisse der Systemsimulation wie gewünscht ausfallen, werden die Masken gefertigt und die Fertigung kann beginnen. B4-1

2 Fertigungsprinzip Flash Tech-Prinzip: 7:27 11: Maskenschritte Prof. Dr. H. Baumgärtner B4-2 Die Herstellung von Halbleiterbauelementen ist im Prinzip ein sich wiederholender Kreislauf (Anzahle der Maskenschritte) von Strukturierung, Abscheidung und Reinigung. Benötigte Materialien sind Isolatoren, im wesentlichen SiO 2 (Siliziumdioxid) und Si 3 N 4 (Siliziumnitrid), p- und n-dotiertes Silizium und Metalle bzw. Metallverbindungen. Die Anzahl der Maskenschritte variiert je nach Komplexität der Schaltung zwischen 5 und 30. Der gesamte Fertigungsprozess besteht aus zirka Einzelschritten und dauert ungefähr 4-8 Wochen. B4-2

3 Kosten Kosten Jahr Einkünfte Fab. Kosten : : :1 Problem: Gewinn Lösung: Produktivität Allianzen Prof. Dr. H. Baumgärtner B4-3 Die Produktions- und F&E Kosten sind in den Jahren von 1970 bis 2000 deutlich angestiegen. So lässt das Verhältnis von Einkünften zu Fab.-Kosten Rückschlüsse auf die Kosten der einzelnen Technologien zu. Das Verhältnis gibt direkte Information zum Gewinn eines Hersteller wieder. Von 1970 bis 2000 hat sich dieser scheinbar auf 5% vom Ausgangwert reduziert. Um das Problem des sinkenden Gewinns zu lösen, musste die Produktivität gesteigert und Allianzen zwischen einzelnen Herstellern geschlossen werden. Bei einer Extrapolation der Entwicklung würde sich ein zu geringer Verhältnis zwischen Einkünften und Fab.-Kosten ergeben. Auch dies erzwingt die unbedingte Steigerung der Produktivität. B4-3

4 Produktivität DRAM: Ziel: ca. 30% / Year Parameter: Feature Size: 20% critical dimension Wafer Size: 5% 300 mm Yield: 1% Ist > 90% geringer Einfluss Manufacturing Effectivness 10-15% Ablaufoptimierung Ramp-up time: Yield 0% auf 90%: 0,5 Year Rentabilitätsgrenze: > 100 Chip / Wafer Prof. Dr. H. Baumgärtner B4-4 Die Produktivität sollte jedes Jahr um 30% gesteigert werden. Dies kann durch mehrere Maßnahmen erreicht werden. Neben der fortschreitenden Miniaturisierung spielt die Ablaufoptimierung eine wichtige Rolle. Wie kann durch Optimieren der Abarbeitung der unterschiedlichen Lose an den verschiedenen Anlagen die gesamte Prozesszeit minimiert werden, ohne zusätzliche Kosten durch weitere Anlagen zu verursachen? B4-4

5 Ausbeute 2 Formen von yield-verlusten: line yield ganzer Wafer beschädigt die yield Chip beschädigt Defekte z. B. durch: Partikel Metallisierungsfehler Isolator- Schwachstellen step coverage Chipgröße! Prozessfehler z. B. edge loss Prof. Dr. H. Baumgärtner B4-5 Um Vorehrsagen über die Qualität eines Prozesses treffen zu können, spielt das Kriterium der Ausbeute eine große Rolle. Hierzu wird das Bose-Einstein-Kriterium zur statistischen Bewertung herangezogen. Am Beispiel für TFT-Displays wird der Zusammenhang zwischen Ausbeute und Produktionskosten verdeutlicht. B4-5

6 Ausbeute (die yield) Hängt ab von Defektdichte pro Maskenschritt Anzahl der Maskenschritte Chipgröße Prof. Dr. H. Baumgärtner B4-6 Die Prozessausbeute bestimmt ganz wesentlich die Gewinnmarge eines Prozesses. Sie wird beeinflusst durch die Defektdichte, d.h. die pro Maskenschritt erzeugten Defekte, die Anzahl der Maskenschritte und die Chipgröße. Ziel ist es daher möglichst wenig Defekte zu erzeugen, durch eine intelligente Prozessführung die Anzahl der Maskenschritte möglichst gering zu halten und die Miniaturisierung voranzutreiben, um die Chipfläche bei steigender Integration möglichst klein halten zu können. Typische Ausbeuten: Logik: 50% 90% je nach Komplexität DRAM: vor Reparatur (Redundanz) wenige Prozent (niedriger als Logik, da höhere Flächen-dichte der aktiven Bauelemente), nach Reparatur 80% 90%. B4-6

7 Ausbeute (die-yield) Bose - Einstein Gleichung Y = 1 ( 1+ A D ) n 0 D 0 n A Defektdichte / Maske Maskenschritte Chipfläche unter der Annahme, dass alle "die-yield" Verluste auf Defekte zurückzuführen sind Beispiel: A = 10 x 10 mm n = 10 soll Y > 80% 1 1 D0 Y n = 1 = 0, 02 A 1 cm 2 oder max. 1 Defekt auf 50 Chips (ca. 100 / Wafer) Typ. Werte: Logik: > 30% DRAM: > 90% mit Redundanz (ohne: einige %) Prof. Dr. H. Baumgärtner B4-7 Um Vorehrsagen über die Qualität eines Prozesses treffen zu können, spielt das Kriterium der Ausbeute eine große Rolle. Hierzu wird das Bose-Einstein-Kriterium zur statistischen Bewertung herangezogen. Am Beispiel für TFT-Displays wird der Zusammenhang zwischen Ausbeute und Produktionskosten verdeutlicht. B4-7

8 Prozessfehlerquellen Quelle Chemische Verunreinigung Partikel mechanische Materialfehler Strukturfehler Prozesse Beispiel Umgebung (Reinraum) Anlagen (Maschinen) Materialien (Gase) Mensch (Kleidung) Thermische Belastung Design, Justieren, Layout Strahlenschäden, Kristallfehler Prof. Dr. H. Baumgärtner B4-8 Fehlerquellen, die die Ausbeute reduzieren, sind sowohl in der Fertigungsumgebung zu suchen, als auch durch die Prozesse selbst verursacht. B4-8

9 Reinraumklasse FED STD 209E: bezogen auf 0,5 µm Partikel pro ft 3 (ca. 30 x 30 x 30 cm) bezogen auf 0,1 µm Partikel: Klasse 1: 1000/m 3 ISO-Standard : bezogen auf 0,1 µm Partikel = Exponent FED-Standard Beispiel: FED: Klasse 1: 10 3 ISO 3 FED: Klasse 1000: 10 6 ISO 6 Quelle:R.Simon, CONCEPT Symposium, Frankfurt/M. (1985). Prof. Dr. H. Baumgärtner B4-9 Zur Reduktion der durch Staubpartikel verursachten Prozessfehler wird in Reinräumen gefertigt. Die Abbildung zeigt die Partikeldichte als Funktion der Partikelgröße. Für die ungefilterte Außenluft ergibt sich eine kontinuierliche Zunahme der Partikeldichte mit kleiner werdender Partikelgröße. Die Qualität des Reinraums wird in Klassen gemessen, d.h. wieviel Teilchen der Größe 0,5 µm und größer sich in einem ft 3 befinden. Mit abnehmender Strukturgröße muss auch die Reinraumklasse reduziert werden. Für einen Reinraum Klasse 1 darf von ca Partikel/ft 3 nur noch 1 Partikel übrig bleiben. Die neue Klassifizierung bezieht sich auf die Partikeldichte von 0,1 µm bezogen auf 1 m 3. B4-9

10 Reinraum Beispiel: Infineon Dresden Quelle: Infineon Prof. Dr. H. Baumgärtner B4-11 In Reinräumen wird durch aufwendige Lüftungstechnik mit hochwirksamen Luftfiltern noch der kleinste Partikel aus der Reinraumluft gefiltert. Die Abluft führt die Partikel aus dem Reinraum ab und wird zum Teil erneut über die Filterdecke zugeführt. Dieser Kreislauf ist erforderlich um nach und nach den Reinraum partikelarm zu bekommen. Durch die laminare Luftströmung (0,45 m/s) bei einer vorherrschenden relativen Luftfeuchtigkeit von 42% ± 3% und einer Temperatur von 23 ± 0,5 C werden die Verunreinugnen auf der Siliziumscheibe weitgehend reduziert. B4-11

11 Ball Room Concept 5000 m 2 pro Halle Klasse 0,1µm 5.6 Mio m 3 /hr > 1000 Anlagen Quelle: Infineon Dresden Prof. Dr. H. Baumgärtner B4-12 Beim Ball Room Concept wird gefilterte Luft von oben in den Reinraum gedrückt, die nach unten durch Bodengitter in den Sub-Fab abfließt. Es soll eine laminare Strömung erzeugt werden, welche alle Partikel zu Boden drückt. Spezielle Reinraumbekleidung ist erforderlich. B4-12

12 Reinraumkonzepte Problem: für 0,5 µm Technologie: Klasse 1 / 0,5 µm:reduzierung 10 6 für 0,1 µm Technologie: Klasse 1 / 0,1 µm: Reduzierung 10 8 Klasse 1: maschinenspezifische geschlossene Transportbehälter Umhorden an der Anlage Probleme: hoher technischer Aufwand, Umhorden (z.b. Regensburg) Klasse 1 : offene Transportbehälter kein Umhorden an der Anlage, Probleme: hoher technischer Aufwand (z.b. Dresden) Prof. Dr. H. Baumgärtner B4-13 Für eine 0,1µm Technologie und der entsprechenden Reinraumklasse 1 (bezogen auf 0,1µm Teilchen) müssten Filter gebaut werden, die die Partikeldichte der Außenluft um den Faktor 10 8 filtern. Um so kleine Teilchen jedoch filtern zu können, müssten entsprechend dichte Filter gebaut werden, die jedoch den Luftstrom drastisch reduzieren würden bzw. eine wesentlich höhere Pumpleistung erfordern würden. B4-13

13 Reinraumkonzepte Lösung: neue Konzepte Klasse : Standard Mechanical Interface (SMIF) einheitliche Transportbox (Öffnen nach unten) Maschinen verkapseln Probleme: Partikel Verschleppen Cross Contamination (z.b. North Tyne Side England) Klasse : Front Opening Unified Pod (FOUP) Standardisierte Kassette mit Frontbeladung Maschinen verkapseln Probleme: Partikel Verschleppen Cross Contamination (z.b. SC300 Infineon Dresden) Prof. Dr. H. Baumgärtner B4-14 Da sich die Defektquellen überwiegend in den Anlagenbereichen befinden, ist es sinnvoll, speziell diese mit einem extrem sauberen Mini-Reinraum (Cluster) zu versehen und die Wafer in speziellen Boxen zwischen diesen Bereichen zu transportieren. Dadurch kann die Reinraumklasse auf abgesenkt werden. Entscheidend ist dabei, dass alle Anlagen ein identisches Interface zum Handler aufweisen. Die Konzepte lauten: SMIF: Standard Mechanical Interface (für 200 mm Wafer) FOUP: Front Opening Unified Pod (für 300 mm Wafer) B4-14

14 FOUP - Konzept Quelle: Infineon Prof. Dr. H. Baumgärtner B4-15 Aktueller Stand der Technik ist das so genannte FOUP (Front Opening Unified Pod) Konzept. Die Verwendung von vereinheitlichten Luftschleusen ist unumgänglich. Ein Problem ist die cross contamination, d.h. das Verschleppen von Prozessgasen einer Anlage in eine andere. Um dies zu vermeiden wird die Prozessabfolge besonders beachtet und evtl. der Wafer zwischendurch gereinigt. B4-15

15 Cluster Ziele: kurze Wege keine Unterbrechung der Vakuumbedingungen Zentraler Handler Prozesskammern Schleusen Prof. Dr. H. Baumgärtner B4-16 Ein weiteres Konzept ist das Verbinden aller Anlagen, die für den Prozessablauf eines Teilgebietes (z.b. Interconnect zwischen zwei Metallebenen) benötigt werden zu einem so genannten Cluster. Das Problem ist, dass bei Ausfall einer Anlage das gesamte Cluster still steht. B4-16

16 Reinraumkonzepte Quelle: A. Koike: Proc. VLSI Technol. Workshop 1996 Vorteil: Innen (Anlage): Class 1 Außen (Reinraum): Class 1000 Prof. Dr. H. Baumgärtner B4-17 Der Vorteil liegt hierbei in den unterschiedlichen Reinraumklassen. Der Innenraum der Anlagen hat eine Reinraumklasse 1, wobei der Außenraum Klasse 1000 sein kann. Das Konzept wurde aber nicht in dieser Form realisiert. Das Problem ist die Störanfälligkeit. Fällt eine Kammer aus, steht das gesamte Cluster. B4-17

17 Restgasverunreinigung Abschätzung: Restgasdruck: p Restgas = 10-5 mbar Flächenstoßrate: Z A = /(cm 2 s) Oberflächenatome Si: N /cm 2 Abscheiderate Restgas: 1 ML/s (für Haftkoeff. s = 1) Problem: Abhilfe: für kleine Prozessabscheideraten hohe Verunreinigungen HV bis UHV Z A p Restgas für 10-9 mbar: Z A = /(cm 2 s) Problem: hoher Aufwand für UHV Prof. Dr. H. Baumgärtner B4-18 Ein weiteres Problem sind die Restgasverunreinigungen. Die Abschätzung zeigt, das ein Restgasdruck von 10-5 mbar noch immer eine Bedeckung der Oberfläche mit ca. 1 Monolage Restgas pro Sekunde bedeutet unter der Annahme eines Haftkoeffizienten von s=1. Um ein UHV zu erzeugen, muss jedoch ein sehr hoher Aufwand betrieben werden. Ein Druck von ist erreichbar. B4-18