DE10151394A1

DE10151394A1 - Wafer und Verfahren zum Überwachen eines Halbleiterproduktionsprozesses

Info

Publication number: DE10151394A1
Application number: DE2001151394
Authority: DE
Inventors: Torsten Obier; Bernhard Poschenrieder
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2001-10-18
Filing date: 2001-10-18
Publication date: 2003-05-08
Anticipated expiration: 2021-10-19
Also published as: DE10151394B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wafer und ein Verfahren zum Überwachen eines Halbleiterproduktionsprozesses. Der Wafer weist eine Mehrzahl von elektronischen Teststrukturen, die zu überwachende Parameter aufweisen, eine mit den elektronischen Teststrukturen gekoppelte Schalt-Einheit und einen mit der Schalt-Einheit gekoppelten Funktions-Schaltkreis auf. Der Funktions-Schaltkreis ist derart eingerichtet, dass er mit einer externen Prüf-Einheit koppelbar ist und von dieser mittels eines Steuer-Programms steuerbar ist, unter Verwendung des Steuer-Programms mittels der Schalt-Einheit eine der elektronischen Teststrukturen anwählen kann und die zu überwachenden Parameter der angewählten elektronischen Teststruktur empfangen, diese vorverarbeiteten und die vorverarbeiteten Parameter der externen Prüf-Einheit bereitstellen kann.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wafer und ein Verfahren zum Überwachen eines Halbleiterproduktionsprozesses unter Verwendung von Analysestrukturen mittels einer integrierten digitalen Messung und Auswertung.
Die herkömmliche Siliziumelektronik wird bei weiter voranschreitender Verkleinerung auf eine Reihe von Problemen treffen. Insbesondere die Entwicklung zunehmend kleinerer und dichter angeordneter Transistoren von mittlerweile mehreren hunderten Millionen Transistoren pro Chip wird in den nächsten zehn Jahren prinzipiellen physikalischen Problemen ausgesetzt sein. Wenn Strukturabmessungen von 50 nm unterschritten werden, werden die Bauelemente durch Quanteneffekte störend beeinflusst und unterhalb von Dimensionen von etwa 20 nm dominiert. Auch führt die zunehmende Integrationsdichte der Bauelemente auf einem Chip zu einem dramatischen Anstieg der Abwärme und zu stark ansteigenden Anforderungen an die Technologie der Herstellungsverfahren.
Mit zunehmend kleineren Strukturen von integrierten Bauelementen, insbesondere Transistoren, steigt die Fehleranfälligkeit der zum Ausbilden dieser Strukturen verwendeten Technologien. Daher ist es essentiell, die zugrundeliegenden halbleitertechnologischen Verfahren zu optimieren und etwaig auftretende Fehler durch eine Überwachung der Herstellungsverfahren frühzeitig erkennen und beheben zu können.
Das standardmäßige Überwachen von technologischen Prozessen zur Herstellung integrierter Schaltkreise beziehungsweise zur Prozessierung von Wafern erfolgt mittels Ausmessens von elektronischen Teststrukturen wie Transistoren, Widerstandsnetzwerken, Metallbahnen und anderen, auf spezielle Prozess-Schritte sensitiven Elementen. Die Kenntnis eines ausreichend großen Parametersatzes solcher Kontrollstrukturen ermöglicht eine Bewertung des Herstellungsprozesses und von eventuellen Abweichungen von idealen Prozessbedingungen.
Im Anschluss an das Herstellungsverfahren eines integrierten Schaltkreises wird also häufig ein Funktionstest von Bauelementen auf der Wafer-Ebene durchgeführt. Dieser gibt Aufschluss über die Funktionsfähigkeit der Schaltkreis- Elemente. Die Messungen werden jedoch üblicherweise nicht an den integrierten Schaltkreisen selbst durchgeführt, sondern an speziellen elektronischen Teststrukturen, die sich gemeinsam mit dem eigentlichen Funktions-Schaltkreis auf jedem einzelnen Chip oder platzsparend zwischen den Chips im Ritzrahmen befinden.
Der Ritzrahmen (auch Kerf oder Sägerahmen genannt) ist ein Bereich auf der Oberfläche eines Wafers mit einer Breite von ungefähr 50 µm bis 100 µm zwischen den einzelnen Chips des Wafers. Der Ritzrahmen wird beispielsweise unter Verwendung einer Diamantspitze mittels Einbringens von Nuten in die Oberfläche des Wafers definiert und ermöglicht es, entlang der Nuten den Wafer in einzelne Chips zu vereinzeln.
Innerhalb des Ritzrahmens befinden sich also keine Elemente des integrierten Funktions-Schaltkreises, da der Ritzrahmen- Bereich beim Vereinzeln der Wafer zerstört wird. Da der Ritzrahmen-Bereich als Fläche zum Ausbilden des integrierten Funktions-Schaltkreise nicht verwendbar ist, befinden sich im Ritzrahmen häufig die elektronischen Teststrukturen, deren Parameter erfasst werden, um den Herstellungsprozess zu bewerten.
Die üblicherweise in dem Ritzrahmen-Bereich angeordneten elektronischen Teststrukturen dienen zum Funktionstest und zum Bestimmen von Parametern wie Schwellenspannungen, Leitwerten, Leckströmen, Kurzkanaleffekten bei Transistoren, Schichtwiderständen und Kontaktlochketten an Metall- Halbleiter-Übergängen, der Festigkeit und der Dicke des Kapazitäts-Dielektrikums von Kondensatoren, der Belastbarkeit von Gateoxid-Schichten von Transistoren, etc.
Die Messungen zur Bestimmung der Parameter werden gemäß dem Stand der Technik mit einem automatischen Erfassungssystem durchgeführt. Eine Nadelkarte dient zum simultanen Kontaktieren der Anschlussflecken (Pads) der elektronischen Teststrukturen, wobei die Kopplung zwischen elektrischen Spannungsquellen, Messgeräten und den Nadeln mittels einer rechnergesteuerten Schalt-Matrix erfolgt. Mit Hilfe dieser automatischen Parameter-Erfassungssysteme werden die Daten sämtlicher elektronischer Teststrukturen eines Wafers gemessen und ausgewertet, so dass konkrete Angaben über die Absolutwerte und die Standardabweichungen von Bauelement- Parametern auf dem Wafer erhalten werden. Des Weiteren lassen sich durch den Vergleich dieser Parameter über mehrere Chargen beziehungsweise einen längeren Zeitraum hinweg Rückschlüsse auf die aktuell zu beurteilenden Wafer ziehen, wobei die zeitliche Entwicklung der Parameter der Bauelemente Aussagen über die Stabilität des Prozesses zum Integrieren des Schaltkreises ermöglicht. Einen Überblick über technologische Grundlagen des Überwachens von halbleitertechnologischen Verfahren mittels Ausmessens elektronischer Teststrukturen gibt beispielsweise [1].
In Fig. 1 ist eine Test-Anordnung 100 zum Erfassen von Parametern eines Herstellungsprozesses gezeigt, wie er gemäß dem Stand der Technik häufig verwendet wird.
Ein Silizium-Wafer 101 ist in einen Ritzrahmen-Bereich 102 und in eine Mehrzahl von Chip-Bereichen 103 aufgeteilt. Auf den Chip-Bereichen 103 sind Funktions-Schaltkreise 104 ausgebildet, welche die integrierten Schaltkreise mit der angestrebten Funktionalität darstellen (z. B. ein Speicher- Element oder ein Mikroprozessor). Die Funktions-Schaltkreise 104 weisen also die eigentliche Funktionalität der in einem weiteren Verfahrungsschritt vereinzelten Chips auf.
Ferner sind in dem Ritzrahmen-Bereich 102 drei elektronische Teststrukturen 105 angeordnet, deren Parameter den Herstellungsprozess des Ausbildens der Funktions-Schaltkreise 104 auf den Chips 103 des Wafers 100 charakterisieren. Hierfür sind großflächige Anschlussflecken 106 erforderlich, mittels derer die elektronischen Teststrukturen 105 mit den Nadeln einer externen Prüf-Einheit 107 gekoppelt werden können. Mit Anschlussflecken sind Anschlusskontakte ("Pads") zum elektrischen Kontaktieren bezeichnet.
Die in Fig. 1 gezeigte Test-Anordnung 100 gemäß dem Stand der Technik ist passiv ausgelegt, dass heißt zum Ausmessen der Parameter der elektronischen Teststrukturen 105 ist ein eigenes wafer-externes Mess-Equipment erforderlich. Zum elektrischen Koppeln der elektronischen Teststrukturen 105 mit der externen Prüf-Einheit 107 sind separat vorgesehene Anschlussflecken 107 (Padstrukturen) mit einem großen Flächenbedarf erforderlich.
Sind die mittels der Test-Anordnung 100 erfassten Parameter der elektronischen Teststrukturen 105 im Rahmen einer vorgegebenen Toleranz, erfolgt ein vollständiger Funktionstest der integrieren Funktions-Schaltkreise 104 mittels einer weiteren Nadelkarte und mittels einer weiteren externen Prüf-Einheit (nicht gezeigt in Fig. 1). Erst bei positiver Bewertung der Parameter des Herstellungsverfahrens einerseits und der Funktionalität des Funktions-Schaltkreises 104 andererseits erfolgt die Montagetechnik zur Kapselung des Bauelements. Das Testen der Funktionalität des Funktions- Schaltkreises 104 erfolgt wiederum mittels Aufsetzens von Messspitzen (Nadeln) auf die weiteren Anschlussflecken 108 des Funktions-Schaltkreises 104 zum Koppeln der zum Prüfen der Funktionalität des Funktions-Schaltkreises 104 erforderlichen weiteren externen Prüf-Einheit mit dem Funktions-Schaltkreis 104.
Das Ausmessen der Parameter zum Überwachen des Herstellungsverfahrens und die Funktionsprüfung des integrierten Funktions-Schaltkreises auf den Chips erfolgt gemäß dem Stand der Technik in zwei separat durchzuführenden Testschritten. Diese Tests sind sehr aufwändig und erfordern bis zu 40% des gesamten Herstellungsaufwandes der fertigen Chips. Daher ist für die beiden separat durchgeführten Messschritte sowohl ein hoher Zeit- als auch ein hoher Aufwand an Equipment erforderlich, und es sind spezielle und teure Prüf-Einheiten, Nadelkarten und weiteres Equipment erforderlich. Darüber hinaus ist nachteilhaft, dass nicht nur der Funktions-Schaltkreis 104 weitere Anschlussflecken 108 zum elektrischen Koppeln mit der weiteren externen Prüf- Einheit (nicht gezeigt in Fig. 1) aufweist, sondern zusätzlich auch die elektronischen Teststrukturen 105 flächenintensive und in einem eigenen Herstellungsschritt auszubildende Anschlussflecken 106 zum Koppeln mit der externen Prüf- Einheit 107 aufweisen. Dadurch geht ein wesentlicher Bereich der Oberfläche des Silizium-Wafers 101 für das Ausbilden der Anschlussflecken 106, 108 verloren. Diese Fläche kann nicht für das Ausbilden der Funktions-Schaltkreise 104 verwendet werden. Dadurch erhöhen sich die Herstellungskosten für einen Funktions-Schaltkreis aufweisende Chips.
Zusammenfassend ist festzuhalten, dass das aus dem Stand der Technik bekannte Überprüfen von Prozessparametern und das Prüfen der Funktion von Funktions-Schaltkreisen auf Chips eines Silizium-Wafers sowohl Zeit- als auch kostenaufwändig ist, und dass dadurch ein erheblicher Teil der Oberfläche des teuren Wafers verloren geht und daher zum Ausbilden eines Funktions-Schaltkreises nicht verwendet werden kann.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, das Überwachen des Herstellungsverfahrens und den Funktionstest von integrierten Schaltkreisen zu vereinfachen und daher weniger aufwändig zu gestalten.
Das Problem wird durch einen Wafer und durch ein Verfahren zum Überwachen eines Halbleiterproduktionsprozesses mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst.
Erfindungsgemäß ist ein Wafer mit einer Mehrzahl von elektronischen Teststrukturen, die zu überwachende Parameter aufweisen, mit einer mit den elektronischen Teststrukturen gekoppelten Schalt-Einheit und mit einem mit der Schalt- Einheit gekoppelten Funktions-Schaltkreis geschaffen. Der Funktions-Schaltkreis ist derart eingerichtet, dass er mit einer externen Prüf-Einheit koppelbar ist und von dieser mittels eines Steuer-Programms steuerbar ist, dass er unter Verwendung des Steuer-Programms mittels der Schalt-Einheit eine der elektronischen Teststrukturen anwählen kann und dass er die zu überwachenden Parameter der angewählten elektronischen Teststruktur empfangen, diese vorverarbeiten und die vorverarbeiteten Parameter der externen Prüf-Einheit bereitstellen kann.
Ferner ist erfindungsgemäß ein Verfahren zum Überwachen eines Halbleiterproduktionsprozesses mit einem unter Verwendung eines Halbleiterproduktionsprozesses prozessierten Wafer geschaffen. Der Wafer weist als Folge des zuvor durchgeführten Halbleiterproduktionsprozesses die Merkmale des oben beschriebenen erfindungsgemäßen Wafers auf.
Verfahrensgemäß wird der Funktions-Schaltkreis des Wafers mit der externen Prüf-Einheit gekoppelt und von dieser mittels des Steuer-Programms gesteuert. Ferner wählt gemäß dem Verfahren der Funktions-Schaltkreis unter Verwendung des Steuer-Programms mittels der Schalt-Einheit eine der elektronischen Teststrukturen an. Der Funktions-Schaltkreis empfängt die zu überwachenden Parameter der angewählten elektronischen Teststruktur, vorverarbeitet diese und stellt die vorverarbeiteten Parameter der externen Prüf-Einheit zur Überwachung des Halbleiterproduktionsprozesses bereit.
Anschaulich erfolgt das Messen und Auslesen der durch den Herstellungsprozess in die elektronischen Teststrukturen eingeprägten physikalischen Eigenschaften (wie Schichtwiderstände, Kontaktwiderstände, Einsatzspannungen, Sättigungsströme und anderes) unter Verwendung der Funktionalität des eigentlichen Produktes, nämlich des Funktions-Schaltkreises. Der Funktions-Schaltkreis kann ein Controller-Baustein mit Speicher-Elementen wie einem RAM, einem EEPROM, einem ROM, einem SRAM oder anderem sein. Eine solche Funktionalität des Funktions-Schaltkreises kann daher zum Steuern, Rechnen, Schalten, Speichern von Daten und zur I/O-Prozessierung in Zusammenhang mit dem Ausmessen der Parameter der elektronischen Teststrukturen erfindungsgemäß verwendet werden. Dadurch dient der Funktions-Schaltkreis nicht nur als eigentliches Produkt auf dem Chip, sondern dessen Funktionalität wird darüber hinaus auch für das Überprüfen der Parameter der elektronischen Teststrukturen mitgenutzt. Ferner können die von dem Funktions-Schaltkreis vorverarbeiteten Signale, welche die Parameter der elektronischen Teststrukturen enthalten, an die externe Prüf- Einheit in einem solchen Format übermittelt werden, dass diese Parameter in einer Datenbank abgelegt und gegebenenfalls weiterverarbeitet werden können. Dadurch ist die externe Prüf-Einheit vereinfacht ausbildbar, da der Funktions-Schaltkreis die Parameter bereits vorverarbeitet (zum Beispiel in ein geeignetes Datenbankformat umwandelt), wodurch diese Funktionalität von der Prüf-Einheit nicht mehr erfüllt werden muss.
Ferner ist erfindungsgemäß eine Analog-Digital-Wandlung "On- Chip" realisiert. Ein analoges Signal, das einen Parameter einer elektronischen Teststruktur kodiert, kann in dem Funktions-Schaltkreis und daher noch auf dem Chip in ein fehlerrobustes digitales Signal umgewandelt werden. Dadurch ist die Weglänge, entlang der das fehleranfällige analoge Signal transportiert wird, gering gehalten. Störungen wie Rauscheffekte oder Dämpfeffekte, die üblicherweise auf ein analoges Signal einwirken, sind dadurch weitgehend vermieden, und das bzgl. Störeinflüssen weitgehend robuste digitale Signal kann ohne Verlust oder negativer Beeinflussung vom Chip weggeleitet werden.
Ferner sind die separaten, großflächigen Anschlussflecken (Anschluss-Pads) für die elektronischen Teststrukturen eingespart. Diese sind gemäß dem Stand der Technik erforderlich, um Nadeln der externen Prüf-Einheit mit den elektronischen Teststrukturen zu koppeln. Indem erfindungsgemäß die elektronischen Teststrukturen durch einfach ausbildbare Leiterbahnen mit dem Funktions- Schaltkreis gekoppelt sind, sind eigene Pads zum Ankoppeln der elektronischen Teststrukturen an die externe Prüf-Einheit eingespart. Insgesamt werden nur die Anschlussflecken für die Kopplung des Funktions-Schaltkreises mit der externen Prüf- Einheit benötigt. Dadurch ist die Fläche der Anschlussflecken der elektronischen Teststrukturen eingespart und kann für den Funktions-Schaltkreis verwendet werden. Die Flächeneinsparung verringert den Kostenaufwand für die Herstellung des erfindungsgemäßen Wafers. Ferner unterstützt diese Flächeneinsparung die angestrebte Miniaturisierung des integrierten Schaltkreises und führt zu einer erhöhten Dichte integrierter Bau-Elemente auf dem Chip. Fast die gesamte Fläche des Wafers kann als aktive Fläche für den eigentlichen integrierten Schaltkreis, das heißt den Funktions- Schaltkreis, verwendet werden.
Vorteilhafterweise ist der Zusatzaufwand zum Ausbilden der Schalt-Einheit gering, was Kostenvorteile bewirkt.
Die Parameter der elektronischen Teststrukturen können bereits in dem Funktions-Schaltkreis vorverarbeitet werden und in geeignetem Format an die Prüf-Einheit übermittelt werden. Dadurch können die Rohdaten (z. B. der Wert eines elektrischen Widerstands) bereits in die eigentlich relevanten Parameter (beispielsweise eine Schichtdicke eines Gateoxid) umgerechnet werden, wodurch Speicherplatz in der externen Prüf-Einheit und Übertragungszeit zum Übermitteln der Parameter an die externe Prüf-Einheit einspart sind.
Im Weiteren werden vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Wafers beschrieben. Ausgestaltungen des Wafers gelten auch für das Verfahren zum Überwachen eines Halbleiterproduktionsprozesses mit einem unter Verwendung eines Halbleiterproduktionsprozesses prozessierten Wafer.
Die elektronischen Teststrukturen weisen vorzugsweise Transistoren, Dioden, Kapazitäten, Induktivitäten, pn- Übergänge, Kontaktlochketten, Widerstände und/oder Leiterbahnen auf.
Die Parameter der elektronischen Teststrukturen sind vorzugsweise derart eingerichtet, dass sie das Herstellungsverfahren des Funktions-Schaltkreises charakterisieren.
Die Parameter der elektronischen Teststrukturen können beispielsweise eine elektrische Leitfähigkeit, eine elektrische Spannung, eine elektrische Stromstärke und/oder eine Frequenz aufweisen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Wafers weist der Funktions-Schaltkreis eine Mess-Einheit auf, die derart eingerichtet ist, dass sie die zu überwachenden Parameter der elektronischen Teststrukturen erfasst. Vorzugsweise weist die Mess-Einheit einen Bewerter-Latch auf.
Eine solche Mess-Einheit kann vorteilhaft sein, wenn die zu überwachenden Parameter der elektronischen Teststrukturen zunächst erfasst werden sollen, und erst dann an den Funktions-Schaltkreis übermittelt werden sollen (etwa weil der Funktions-Schaltkreis eine solche Funktionalität selbst nicht aufweist). Beispielsweise kann der Wert einer elektrischen Stromstärke als Beispiel für einen zu überwachenden Parameter mittels eines Bewerter-Latches bewertet werden. Ein Bewerter-Latch (auch Sense-Amplifier oder Leseverstärker genannt) ist ein integrierter Schaltkreis, mittels dem kleine Spannungsunterschiede an Lastkapazitäten erkannt werden können. Dadurch ist ein Erfassen der elektronischen Parameter realisierbar.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Wafers weist das Schalt-Element einen Multiplexer auf.
Ein Multiplexer (MUX) ist eine elektronische Schaltung beziehungsweise Baugruppe, die aus einer Anzahl anliegender Eingangssignale jeweils eines auswählt und an den Ausgang schaltet. Die Auswahl erfolgt dabei aufgrund eines Steuersignals. Erfindungsgemäß wird dem Funktions-Schaltkreis von der externen Prüf-Einheit ein Steuersignal bereitgestellt, das der Funktions-Schaltkreis an das Schalt- Element übermittelt, wodurch dem Schalt-Element, welches mit den elektronischen Teststrukturen gekoppelt ist, die Information bereitgestellt ist, welche der elektronischen Teststrukturen gemäß dem aktuellen Betriebszustand angewählt werden soll. Unter Verwendung eines Multiplexers als Schalt- Einheit ist ausreichend sicher und mit geringem Aufwand ein sequentielles Ansteuern von jeweils einer elektronischen Teststruktur, deren Parameter erfasst werden sollen, ermöglicht.
Vorzugsweise weist der Funktions-Schaltkreis einen Prozessor auf. Indem der Funktions-Schaltkreis vorzugsweise ein Prozessor ist, beziehungsweise indem das Verfahren zum Überwachen des Herstellungsverfahrens eines Funktions- Schaltkreises mit verringertem Aufwand auf einen Prozessor als Funktions-Schaltkreis anwendbar ist, sind die Herstellungskosten zum Herstellen von Prozessoren erfindungsgemäß reduziert. Dies ist wirtschaftlich sehr interessant, da Prozessoren einen Massenmarkt darstellen.
Insbesondere kann der Funktions-Schaltkreis einen Chipkartencontroller (beispielsweise einen SLE66CX320P) aufweisen.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weist der Funktions- Schaltkreis ein Speicher-Element auf, beispielsweise ein RAM, ein EEPROM, ein ROM, ein DRAM und/oder ein SRAM. Das Speicher-Element kann auch eine Kombination von mindestens zwei der genannten Speichertypen aufweisen.
Der Funktions-Schaltkreis kann mit einer weiteren externen Prüf-Einheit koppelbar sein, die derart eingerichtet ist, dass sie mittels eines weiteren Steuer-Programms die Funktionsfähigkeit des Funktions-Schaltkreises überprüft. Insbesondere kann der Funktions-Schaltkreis einen mit der externen Prüf-Einheit gekoppelten ersten Anschluss und einen mit der weiteren externen Prüf-Einheit gekoppelten zweiten Anschluss aufweisen, mittels welcher Anschlüsse ein voneinander unabhängiges Ansteuern des Funktions- Schaltkreises durch die Prüf-Einheit beziehungsweise durch die weitere Prüf-Einheit ermöglicht ist.
Mit anderen Worten ist es erfindungsgemäß ermöglicht, das Überwachen des Herstellungsverfahrens unter Verwendung der externen Prüf-Einheit einerseits und den Funktionstest des Funktions-Schaltkreises unter Verwendung der weiteren externen Prüf-Einheit andererseits simultan, das heißt zeitlich parallel, durchzuführen. Dadurch ist ein separater Test-Schritt eingespart, und somit der Zeitaufwand und der Aufwand an menschlicher Arbeitsleistung zum Durchführen der beschriebenen Prüfschritte verringert. Mit anderen Worten erfolgt das Messen beziehungsweise Auslesen der in die elektronischen Teststrukturen eingeprägten Eigenschaften während der standardmäßig anfallenden massivparallelen Funktionalmessung des Produkts.
Der Wafer kann in eine Mehrzahl von Chip-Bereichen und in einen Ritzrahmen-Bereich aufgeteilt sein, so dass der Funktions-Schaltkreis auf oder in einem der Chip-Bereiche und so dass das Schalt-Element und die mindestens eine elektronische Teststruktur auf oder in dem Ritzrahmen-Bereich angeordnet sind. Es ist zu betonen, dass in einem Szenario, in dem der Funktions-Schaltkreis eine Mess-Einheit aufweist, die Mess-Einheit wahlweise auf einem der Chip-Bereiche oder in dem Ritzrahmen-Bereich angeordnet sein kann.
Gemäß dieser Ausgestaltung ist ein sinnvolles Verwenden der ansonsten für den Funktions-Schaltkreis verlorengehenden Ritzrahmen-Bereiche ermöglicht. Die gesamte aktive Fläche der Chip-Bereiche steht dadurch dem Ausbilden des Funktions- Schaltkreises zur Verfügung. Dadurch sind die Bereiche auf den Chips frei von Elementen, die für das Testen erforderlich sind und bei der späteren Funktionalität des Produkts nicht mehr verwendet werden können.
Alternativ zu der beschriebenen Ausgestaltung kann der Wafer in eine Mehrzahl von Chip-Bereichen und in einen Ritzrahmen- Bereich aufgeteilt sein, und der Funktions-Schaltkreis, das Schalt-Element und die mindestens eine elektronische Teststruktur auf oder in einem der Chip-Bereiche angeordnet sein.
Insbesondere kann der Wafer als Wafer mit einer Mehrzahl von für den Einbau in eine Chip-Karte vorgesehenen Chips eingerichtet sein.
Die Funktionalität des erfindungsgemäß geschaffenen Wafers beziehungsweise des erfindungsgemäß geschaffenen Verfahrens zum Überwachen eines Halbleiterproduktionsprozesses mit einem unter Verwendung eines Halbleiterproduktionsprozesses prozessierten Wafer kann wie folgt zusammengefasst werden:
Bereitgestellt ist eine Anordnung beziehungsweise eine Verschaltung von Halbleiterstrukturen mit solchen schaltungstechnischen Eigenschaften, dass ein Test zum Überwachen von halbleitertechnologischen Herstellungsprozessen mittels Ausmessens mitprozessierter elektronischer Teststrukturen "On-Chip" bei Anlegen einer Versorgungsspannung ermöglicht ist. Dazu werden geeignete Funktionsblöcke zusammengeschaltet und eine Selbsttestsoftware abgearbeitet.
Bei Funktions-Schaltkreisen mit einer Funktionalität, die dazu geeignet ist, die Überwachung des Herstellungsverfahrens funktionell zu unterstützen, kann diese Funktionalität (beispielsweise eines Prozessors mit Speicher-Elementen) in Zusammenhang mit dem Ausmessen der elektronischen Teststrukturen mitverwendet werden. Gegebenenfalls darüber hinaus erforderliche Funktionsblöcke wie Mess-Einheiten (beispielsweise Sense-Amplifier zur Strombewertung) oder Schalt-Elemente (beispielsweise Ausführung als kombinierter MUX/Adressdecoder) zum Zu- beziehungsweise Abschalten einzelner elektronischer Teststrukturen können auf dem Ritzrahmen-Bereich oder auf dem Chip-Bereich des Wafers ausgebildet sein. Die Roh-Messwerte der elektronischen Teststrukturen können bereits im Funktions-Schaltkreis vorverarbeitet werden und in geeigneter Form (beispielsweise in einem datenbanktauglichen Format) an die externe Prüf- Einheit übermittelt werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Weiteren näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Test-Anordnung gemäß dem Stand der Technik,
Fig. 2 einen Wafer gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 3 einen Wafer gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
In Fig. 2 ist ein Wafer gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt.
Der Wafer 200 weist einen Transistor 201a, einen elektrischen Widerstand 201b und einen Kondensator 201c als elektronische Teststrukturen, die zu überwachende Parameter aufweisen, eine mit den elektronischen Teststrukturen 201a, 201b, 201c gekoppelte Schalt-Einheit 202 und einen mit der Schalt- Einheit 202 gekoppelten Funktions-Schaltkreis 203 auf. Der Funktions-Schaltkreis 203 ist mit einer externen Prüf-Einheit 204 gekoppelt und ist von dieser mittels eines Steuer- Programms steuerbar. Ferner ist der Funktions-Schaltkreis 203 derart eingerichtet, dass er unter Verwendung des Steuer- Programms mittels der Schalt-Einheit 202 eine der elektronischen Teststrukturen 201a, 201b, 201c anwählt und die zu überwachenden Parameter der angewählten elektronischen Teststruktur 201a beziehungsweise 201b beziehungsweise 201c empfängt, diese vorverarbeitet und die vorverarbeiteten Parameter der externen Prüf-Einheit 204 bereitstellt.
Es ist zu betonen, dass in der Praxis in der Regel wesentlich mehr als nur drei elektronische Teststrukturen verwendet werden. Zum Zwecke einer vereinfachten Beschreibung ist hier jedoch das einfache Beispiel von drei elektronischen Teststrukturen beschrieben, eines Transistors 201a, eines elektrischen Widerstands 201b und eines Kondensators 201c.
Die Parameter der elektronischen Teststrukturen 201a, 201b, 201c sind derart eingerichtet, dass sie das Herstellungsverfahren des Funktions-Schaltkreises 203 charakterisieren. Gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist der Parameter des als MOS-Transistor ausgebildeten Transistors 201a die Dicke seiner Gateoxid-Schicht. Der Parameter des elektrischen Widerstandes 201b ist der Wert seines elektrischen Widerstandes und der Parameter des Kondensators 201c ist die Dicke des Kondensator- Dielektrikums.
Das Schalt-Element 202 ist als Multiplexer ausgebildet, der derart eingerichtet ist, dass er jeweils eine der Teststrukturen 201a, 201b, 201c anwählt, wobei die jeweils angewählte elektronische Teststruktur 201a oder 201b oder 201c mit dem Funktions-Schaltkreis 203 gekoppelt ist.
Der Funktions-Schaltkreis 203 weist einen Prozessor mit einem EEPROM auf.
Das Überprüfen des Herstellungsverfahrens des Ausbildens der integrierten Bauelemente auf dem Wafer 200 erfolgt wie im Weiteren beschrieben.
Die externe Prüf-Einheit 204 übermittelt dem Funktions- Schaltkreis 203 über ein erstes elektrisches Kopplungsmittel 205 ein Steuersignal entsprechend eines Steuer-Programms. Der Funktions-Schaltkreis 203 übermittelt dieses Steuersignal der Schalt-Einheit 202, die infolge dieses Steuersignals eine der elektronischen Teststrukturen, beispielsweise den Transistor 201a, anwählt. Der MOS-Transistor 201a weist in Abhängigkeit der Dicke der Gateoxid-Schicht einen dafür charakteristisches Stromfluss zwischen seinen ersten und zweiten Source-/Drain- Bereich auf, welcher elektrische Stromfluss über die Schalt- Einheit 202 an den Funktions-Schaltkreis 203 übermittelt wird. Der Wert der elektrischen Stromstärke zwischen den beiden Source-/Drain-Bereichen des Transistors 201a wird in dem Funktions-Schaltkreis 203 in eine Gateoxid-Schichtdicke umgerechnet. Die umgerechnete Schichtdicke des Gateoxids des Transistors 201a wird in einem datenbanktauglichen Format über ein zweites elektrisches Kopplungsmittel 206 der externen Prüf-Einheit 204 zur Weiterverarbeitung übermittelt.
Die beschriebene Funktionalität ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Überwachen eines Halbleiterproduktionsprozesses mit einem unter Verwendung eines Halbleiterproduktionsprozesses prozessierten Wafer. Der Wafer weist als Folge des zuvor durchgeführten Halbleiterproduktionsprozesses die Merkmale des oben beschriebenen erfindungsgemäßen Wafers auf. Das Verfahren kann wie folgt zusammengefasst werden:
Der Funktions-Schaltkreis 203 wird mit der externen Prüf- Einheit 204 gekoppelt und von dieser mittels des Steuer- Programms gesteuert. Der Funktions-Schaltkreis 203 wählt unter Verwendung des Steuer-Programms mittels der Schalt- Einheit 202 eine der elektronischen Teststrukturen, beispielsweise den Transistor 201a, an. Der zu überwachende Parameter, der elektrische Stromfluss zwischen den beiden Source-/Drain-Bereichen des MOS-Transistors 201a wird von dem Funktions-Schaltkreis 203 empfangen, vorverarbeitet (das heißt in ein Signal in einem datenbanktauglichen Format, welches Signal die Dicke der Gateoxid-Schicht des MOS- Transistors 201a enthält, umgewandelt), und der vorverarbeitete Parameter der externen Prüf-Einheit 204 bereitgestellt.
Im Weiteren wird bezugnehmend auf Fig. 3 ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Wafers beschrieben.
Der in Fig. 3 gezeigte Wafer 300 weist eine erste als Transistor ausgebildete elektronische Teststruktur 301a, eine zweite als elektrischen Widerstand ausgebildete zweite elektronische Teststruktur 301b und eine dritte als Kondensator ausgebildete dritte Teststruktur 301c, eine mit den elektronischen Teststrukturen 301a, 301b, 301c gekoppelte Schalt-Einheit 302 und einen mit der Schalt-Einheit 302 gekoppelten Funktions-Schaltkreis 303 auf. Der Funktions- Schaltkreis 303 ist mit einer externen Prüf-Einheit 304 gekoppelt und wird von dieser mittels eines Steuer-Programms gesteuert. Der Funktions-Schaltkreis 303 wählt unter Verwendung des Steuer-Programms mittels der Schalt-Einheit 302 eine der elektronischen Teststrukturen 301a oder 301b oder 301c an. Darüber hinaus ist der Funktions-Schaltkreis 303 derart eingerichtet, dass er die zu überwachenden Parameter der angewählten elektronischen Teststruktur 301a, 301b oder 301c empfängt, diese vorverarbeitet und die vorverarbeiteten Parameter der externen Prüf-Einheit 304 bereitstellt.
Die elektrische Kopplung zwischen dem Funktions-Schaltkreis 303 und der externen Prüf-Einheit 304 erfolgt über ein erstes elektrisches Kopplungsmittel 305, gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel eine Abtast-Nadel, und mittels eines zweiten elektrischen Kopplungsmittels 306, gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ebenfalls eine Abtast- Nadel. Die elektrisch leitfähigen Abtast-Nadeln 305, 306 werden auf einen ersten Anschlussflecken 303a beziehungsweise einen zweiten Anschlussflecken 303b des Funktions- Schaltkreises 303 aufgesetzt, das heißt mit diesen elektrisch gekoppelt. Mittels des ersten elektrischen Kopplungsmittels 305 beziehungsweise mittels des ersten Anschlussfleckens 303a übermittelt die externe Prüf-Einheit 304 dem Funktions- Schaltkreis 303 Steuersignale des Steuer-Programms, wohingegen über das zweite elektrische Kopplungsmittel 306 und den zweiten Anschlussflecken 303b die von dem Funktions- Schaltkreis 303 vorverarbeiteten Parameter der externen Prüf- Einheit 304 übermittelt werden.
Ferner weist der Funktions-Schaltkreis 303 eine Mess-Einheit 307 auf, die derart eingerichtet ist, dass sie die zu überwachenden Parameter der elektronischen Teststrukturen 301a, 301b, 301c erfasst. Die Mess-Einheit 307 ist mit der Schalt-Einheit 302 gekoppelt, ist als Bewerter-Latch ausgestaltet und dient dazu, elektrische Stromsignale des Transistors 301a, des elektrischen Widerstands 301b beziehungsweise des Kondensators 301c zu bewerten.
Das Schalt-Element 302 ist als Multiplexer ausgestaltet, mittels dem jeweils eine der elektronischen Teststrukturen 301a, 301b, 301c angewählt werden kann.
Der Funktions-Schaltkreis 303 weist einen Prozessor auf, der einen RAM-Speicher aufweist.
Wie ferner in Fig. 3 gezeigt, ist der Funktions-Schaltkreis 303 über einen dritten Anschlussflecken 301c und ein drittes elektrisches Kopplungsmittel 308a mit einer weiteren Prüf- Einheit 308 koppelbar, die derart eingerichtet ist, dass die weitere Prüf-Einheit 308 mittels eines weiteren Steuer- Programms die Funktionsfähigkeit des Funktions-Schaltkreises 303 überprüft.
Bei dem Wafer 300 weist der Funktions-Schaltkreis 303 einen mit der externen Prüf-Einheit 304 gekoppelten ersten Anschluss, der in den ersten und den zweiten Anschlussflecken 303a, 303b, aufgeteilt ist, und einen mit der weiteren externen Prüf-Einheit 308 gekoppelten zweiten Anschluss auf, der als dritter Anschlussflecken 303c ausgebildet ist, mittels welcher Anschlüsse 303a, 303b, 303c ein voneinander unabhängiges Ansteuern des Funktions-Schaltkreises 303 durch die Prüf-Einheit 304 beziehungsweise durch die weitere Prüf- Einheit 308 ermöglicht ist.
Der Wafer 300 ist in eine Mehrzahl von Chip-Bereichen 309 und in einen Ritzrahmen-Bereich 310 aufgeteilt, wobei der Funktions-Schaltkreis 303 in dem Chip-Bereich 309a, und wobei das Schalt-Element 302 und die elektronischen Teststrukturen 301a, 301b, 301c in dem Ritzrahmen-Bereich 310 angeordnet sind.
Gemäß dem Verfahren zum Überwachen eines Halbleiterproduktionsprozesses mit einem unter Verwendung eines Halbleiterproduktionsprozesses prozessierten Wafer 300 wird der Funktions-Schaltkreis 303 über die ersten und zweiten Anschlussflecken 303a, 303b beziehungsweise über das erste elektrische Kopplungsmittel 305 und das zweite elektrische Kopplungsmittel 306 mit der externen Prüf-Einheit 304 elektrisch gekoppelt und von dieser mittels des Steuer- Programms gesteuert. Unter Verwendung des Steuer-Programms wählt der Funktions-Schaltkreis 303 mittels der Schalt- Einheit 302 eine der elektronischen Teststrukturen, beispielsweise den Kondensator 301c, an. Der Funktions- Schaltkreis 303 empfängt die an dem Kondensator 303c anliegende elektrische Spannung, vorverarbeitet diese (indem sie die elektrische Spannung in die Dicke des Kondensator- Dielektrikums umwandelt) und stellt ein die Dicke des Kondensator-Dielektrikums des Kondensators 301c enthaltendes Signal der externen Prüf-Einheit 304 zur Überwachung des Halbleiterproduktionsprozesses bereit.
Das Erfassen der elektrischen Spannung des Kondensators 301c erfolgt unter Verwendung der Mess-Einheit 307.
Über den zweiten Anschlussflecken 303b beziehungsweise das zweite elektrische Kopplungsmittel 306 wird ein elektrisches Signal, in dem die Dicke des Kondensator-Dielektrikums des Kondensators 301c enthalten ist, der ersten Prüf-Einheit 304 in einem datenbanktauglichen Format bereitgestellt.
Zeitlich parallel zu der beschriebenen Funktionalität werden von der weiteren Prüf-Einheit 308 über den dritten Anschlussflecken 303c beziehungsweise das dritte elektrische Kopplungsmittel 308a dem Funktions-Schaltkreis 303 Steuersignale gemäß dem weiteren Steuer-Programm bereitgestellt, wodurch die Funktionsfähigkeit des Funktions- Schaltkreises 303 als Prozessor von der externen Prüf-Einheit 308 überprüft wird.
Mit anderen Worten erfolgt das Überwachen der Parameter des Herstellungsverfahrens mittels Erfassens von Parametern der auf dem Wafer 300 ausgebildeten elektronischen Teststrukturen einerseits und das Testen der Funktionalität des Funktions- Schaltkreises 303 simultan, das heißt zeitlich parallel.
In diesem Dokument ist folgende Veröffentlichung zitiert:
[1] Hilleringmann, U (1999) "Silizium-Halbleitertechnologie", Kapitel 10.3, Teubner Studienbücher Elektrotechnik, Stuttgart, Leipzig, ISBN 3-519-10149-1 Bezugszeichenliste 100 Test-Anordnung
101 Silizium-Wafer
102 Ritzrahmen-Bereich
103 Chip-Bereich
104 Funktions-Schaltkreis
105 elektronische Teststrukturen
106 Anschlussflecken
107 externe Prüf-Einheit
108 weitere Anschlussflecken
200 Wafer
201a Transistor
201b elektrischer Widerstand
201c Kondensator
202 Schalt-Einheit
203 Funktions-Schaltkreis
204 externe Prüf-Einheit
205 erstes elektrisches Kopplungsmittel
206 zweites elektrisches Kopplungsmittel
300 Wafer
301a Transistor
301b elektrischer Widerstand
301c Kondensator
302 Schalt-Einheit
303 Funktions-Schaltkreis
303a erster Anschlussflecken
303b zweiter Anschlussflecken
303c dritter Anschlussflecken
304 externe Prüf-Einheit
305 erstes elektrisches Kopplungsmittel
306 zweites elektrisches Kopplungsmittel
307 Mess-Einheit
308 weitere externe Prüf-Einheit
308a drittes elektrisches Kopplungsmittel
309 Chip-Bereiche
309a Chip-Bereich
310 Ritzrahmen-Bereich

Claims

1. Wafer
mit einer Mehrzahl von elektronischen Teststrukturen, die zu überwachende Parameter aufweisen;
mit einer mit den elektronischen Teststrukturen gekoppelten Schalt-Einheit;
mit einem mit der Schalt-Einheit gekoppelten Funktions- Schaltkreis, der derart eingerichtet ist, dass er mit einer externen Prüf-Einheit koppelbar ist und von dieser mittels eines Steuer-Programms steuerbar ist;
unter Verwendung des Steuer-Programms mittels der Schalt-Einheit eine der elektronischen Teststrukturen anwählen kann;
die zu überwachenden Parameter der angewählten elektronischen Teststruktur empfangen, diese vorverarbeiten und die vorverarbeiteten Parameter der externen Prüf-Einheit bereitstellen kann.

2. Wafer nach Anspruch 1, bei dem die elektronischen Teststrukturen
Transistoren
Dioden
Kapazitäten
Induktivitäten
pn-Übergänge
Kontaktlochketten
Widerstände und/oder
Leiterbahnen
aufweisen.

3. Wafer nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Parameter der elektronischen Teststrukturen derart eingerichtet sind, dass sie das Herstellungsverfahren des Funktions-Schaltkreises charakterisieren.

4. Wafer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Parameter der elektronischen Teststrukturen
eine elektrische Leitfähigkeit
eine Frequenz
eine elektrische Spannung und/oder
eine elektrische Stromstärke
aufweisen.

5. Wafer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der Funktions-Schaltkreis eine Mess-Einheit aufweist, die derart eingerichtet ist, dass sie die zu überwachenden Parameter der elektronischen Teststrukturen erfasst.

6. Wafer nach Anspruch 5, bei dem die Mess-Einheit einen Bewerter-Latch aufweist.

7. Wafer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das Schalt-Element einen Multiplexer aufweist.

8. Wafer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der Funktions-Schaltkreis einen Prozessor aufweist.

9. Wafer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem der Funktions-Schaltkreis ein Speicher-Element aufweist.

10. Wafer nach Anspruch 9, bei dem das Speicher-Element
ein RAM
ein EEPROM
ein DRAM
ein ROM und/oder
ein SRAM
oder eine Kombination von mindestens zwei der genannten Speichertypen aufweist.

11. Wafer nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem der Funktions-Schaltkreis mit einer weiteren externen Prüf-Einheit koppelbar ist, die derart eingerichtet ist, dass sie mittels eines weiteren Steuer-Programms die Funktionsfähigkeit des Funktions-Schaltkreises überprüft.

12. Wafer nach Anspruch 11, bei welcher der Funktions-Schaltkreis einen mit der externen Prüf-Einheit gekoppelten ersten Anschluss und einen mit der weiteren externen Prüf-Einheit gekoppelten zweiten Anschluss aufweist, mittels welcher Anschlüsse ein voneinander unabhängiges Ansteuern des Funktions-Schaltkreises durch die Prüf-Einheit bzw. durch die weitere Prüf-Einheit ermöglicht ist.

13. Wafer nach einem der Ansprüche 1 bis 12, der in eine Mehrzahl von Chip-Bereichen und in einen Ritzrahmen-Bereich aufgeteilt ist und bei welcher der Funktions-Schaltkreis auf oder in einem der Chip-Bereiche und bei welcher das Schalt-Element und die mindestens eine elektronische Teststruktur auf oder in dem Ritzrahmen-Bereich angeordnet sind.

14. Wafer nach einem der Ansprüche 1 bis 12, der in eine Mehrzahl von Chip-Bereichen und in einen Ritzrahmen-Bereich aufgeteilt ist und bei welcher der Funktions-Schaltkreis, das Schalt-Element und die mindestens eine elektronische Teststruktur auf oder in einem der Chip- Bereiche angeordnet sind.

15. Wafer nach einem der Ansprüche 1 bis 14, eingerichtet als Wafer mit einer Mehrzahl von für den Einbau in eine Chip-Karte vorgesehenen Chips.

16. Verfahren zum Überwachen eines Halbleiterproduktionsprozesses
mit einem unter Verwendung eines Halbleiterproduktionsprozesses prozessierten Wafer
mit einer Mehrzahl von elektronischen Teststrukturen, die zu überwachende Parameter des Halbleiterproduktionsprozesses aufweisen;
mit einer mit den elektronischen Teststrukturen gekoppelten Schalt-Einheit;
mit einem mit der Schalt-Einheit gekoppelten Funktions-Schaltkreis, der derart eingerichtet ist, dass er
mit einer externen Prüf-Einheit koppelbar ist und von dieser mittels eines Steuer-Programms steuerbar ist;
unter Verwendung des Steuer-Programms mittels der Schalt-Einheit eine der elektronischen Teststrukturen anwählen kann;
die zu überwachenden Parameter der angewählten elektronischen Teststruktur empfangen, diese vorverarbeiten und die vorverarbeiteten Parameter der externen Prüf-Einheit bereitstellen kann;
wobei gemäß dem Verfahren der Funktions-Schaltkreis mit der externen Prüf-Einheit gekoppelt wird und von dieser mittels des Steuer-Programms gesteuert wird;
unter Verwendung des Steuer-Programms mittels der Schalt-Einheit eine der elektronischen Teststrukturen anwählt;
die zu überwachenden Parameter der angewählten elektronischen Teststruktur empfängt, diese vorverarbeitet und die vorverarbeiteten Parameter der externen Prüf-Einheit zur Überwachung des Halbleiterproduktionsprozesses bereitstellt.