CAPITOLO 3 Obiettivi proposti e basi di partenza del lavoro

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CAPITOLO 3

Obiettivi proposti e basi di partenza del

lavoro

3.1

Introduzione

Una volta chiarito il funzionamento di questa nuova tecnica di misura per elettroluminescenza ed esaminate le varie possibili strutture e funzionalità del sistema, obiettivo di questa tesi è stato quello di andare a progettare particolari circuiti di test su cui compiere vari tipi di misure. Il sistema utilizzato è simile a quelli descritti in precedenza. Il lavoro è stato, quindi, svolto in collaborazione tra la Facoltà di Ingegneria di Pisa, dove sono state progettate e disegnate al CAD le varie strutture, e la Facoltà di Ingegneria del Politecnico di Milano, dove è stato realizzato il sistema di misura.

L’intenzione di partenza è stata quella di andare a caratterizzare completamente una tecnologia, ovvero modellizzare inizialmente il comportamento ottico dei singoli transistor, legandolo allo stato elettrico, e poi di andare a vedere come questi si comportano quando inseriti in circuiti più complessi. I risultati ottenuti a Milano verranno poi confrontati con le misure effettuate tramite EBT, disponibile nella Facoltà di Pisa, al fine di valutare pregi e difetti di tale tecnica.

I circuiti di test sono stati realizzati alcuni interamente full custom, mentre altri sono costituiti da una parte standard cell; il processo tecnologico a disposizione è

il CSD a 0.35 µm della fonderia AMS, che consente di utilizzare tre livelli di metal e due livelli di polisilicio. Il software utilizzato per le parti fullcustom è stato il layout editor VIRTUOSO di CADENCE, mentre per la realizzazione del chip complessivo, comprendente i blocchi standard cell, è stato usato il tool CELL ENSEMBLE.

3.2 Strumenti di misura utilizzati

3.2.1 Tester a elettroluminescenza

Il tester a elettroluminescenza realizzato a Milano è stato già in parte descritto nel capitolo 2. In figura 3.1 è riportata la struttura completa: i sensori impiegati sono lo SPAD ed una camera CCD. Il primo serve per effettuare misure temporali, quali ritardi, frequenze, durata dell’emissione (FWHM), clock skew; la seconda, invece, viene impiegata per compiere misure quantitative dell’emissione e, qualora malauguratamente ce ne fossero, serve ad individuare eventuali difetti nei circuiti, come latch-up. La CCD è una camera della Hamamatsu da 512 x 512 pixel ed il suo campo visivo può andare da 100 µm a pochi millimetri, lo SPAD, invece, può essere focalizzato su di un singolo pixel.

Lo spostamento del DUT viene eseguito mediante un sistema di controllo a microtraslazione ed i fotoni emessi vengono inviati allo SPAD o alla CCD per mezzo di un opportuno specchio posto dopo la lente del microscopio ottico. Una recente modifica della parte elettronica di acquisizione dei dati, consiste nella sostituzione del blocco time-to-amplitude-converter, seguito da ADC e multi-channel-analyzer, con una semplice scheda software, che consente di controllare e visualizzare i risultati delle misure direttamente su PC. La parte ottica ed il DUT vengono montati su un banco di misura isolato da terra mediante cuscinetti ad aria, per evitare che eventuali vibrazioni perturbino le misurazioni.

Con questo sistema sono state effettuate rivelazioni di fotoni sia frontside che backside. Per eseguire le seconde è stato necessario assottigliare in fonderia il chip dal retro, portandolo ad uno spessore di circa 70 µm e incollandolo successivamente su un vetrino trasparente, come mostrato in figura 3.2. Il tutto è stato poi assemblato e connesso tramite bonding su di un supporto ceramico dual-in-line. Per posizionarsi correttamente sulla regione del DUT da osservare, dall’alto viene usato un semplice microscopio ottico, mentre dal retro, non avendo a disposizione un microscopio a scansione laser, viene usata la CCD. Con questa, infatti, si provvede velocemente alla localizzazione dei transistor che emettono, per puntare successivamente lo SPAD su di essi.

In figura 3.3 sono raffigurate due rappresentazioni possibili dell’emissione di un nMOS che si ottengono da tale sistema di misurazione, utilizzando la CCD; mentre in figura 3.4 possiamo osservare l’emissione di un ring oscillator, vista sempre da CCD, sovrapposta al suo layout. Si noti che, dal retro, i fotoni rivelati sono in numero molto maggiore in quanto non ci sono le metal a fare da schermo, inoltre la regione con un’emissione anomala è indice di un guasto.

Figura 3.3: emissione di un

nMOS con L=0.5 µm e W=10 µm.

Figura 3.4: guasto rivelato in

un ring oscillator dall’osservazione alla camera CCD.

3.2.2 EBT

L’electron-beam-tester a disposizione della Facoltà di Ingegneria di Pisa è l’IDS 3000, prodotto dalla Schlumberger. Tale strumento è in grado di focalizzare un fascio di elettroni sulle strutture metalliche dei circuiti integrati, ad esempio le piste di collegamento, inducendo un’emissione di elettroni secondari di intensità proporzionale al potenziale elettrico della metal colpita. Il valore di questa

intensità ci consente, quindi, di leggere la tensione su un certo nodo in maniera non invasiva, cioè senza alterare lo stato elettrico del nodo stesso.

3.3 Caratteristiche fondamentali dei circuiti

Prima di entrare nei dettagli delle varie strutture progettate, vengono esaminati quali sono gli aspetti basilari e le varie specifiche che devono avere le stesse, al fine di adattarle al meglio a prestazioni e caratteristiche del sistema di misura. Uno degli aspetti cruciali, da tenere sempre in considerazione, è stato quello di cercare di non coprire i canali dei mos di cui dovrà essere osservata l’emissione. Quest’ultima, infatti, avviene in prossimità del drain, di conseguenza le varie metal di connessione delle parti full custom sono state fatte passare negli spazi liberi, e, dove era inevitabile, sono stati attraversati trasversalmente i gate dei pmos, poiché questi ultimi hanno dimensioni maggiori. Realizzando tutto con le dimensioni minime consentite dalla tecnologia, la regione del mos da cui usciranno i fotoni risulta lunga 0.3 µm e larga quanto il canale. Si era pensato anche di favorire l’emissione andando a disegnare particolari forme per le metal di drain, ad esempio a pettine, ma si è preferito optare per geometrie standard, in modo da confrontare i risultati che si otterranno dalle misure, con quelli ricavati da altre tecnologie.

E’ stata posta particolare attenzione anche alle dimensioni dei singoli transistor e alle spaziature tra questi, in modo da ottenere emissioni facilmente visibili e ben separate spazialmente nel caso si usi la CCD.

Si analizza adesso più in dettaglio il sistema ottico, di cui si osserva uno schema semplificato in figura 3.5. Il microscopio ha lenti di ingrandimento che vanno da 5x a 100x e, con ingrandimento massimo, la CCD arriva ad una risoluzione di 0.24 µm per pixel. Da questi dati sono state fissate le dimensioni minime degli oggetti a 5 µm, così come le spaziature tra gli stessi, tale valore corrisponde infatti a circa 20 pixel. Nel caso che si usi uno SPAD, c’è bisogno di ulteriori lenti per la focalizzazione del fascio, perché tali rivelatori hanno diametri che vanno da 8 a 50

µm. Nell’esempio di figura, se l’obiettivo consente di osservare un’area di circa 100-200 µm, lo SPAD vedrà soltanto una regione con diametro pari a

20

8 3.2

50

m m

µ ⋅ = µ . Questo significa che, se i mos hanno dimensioni di 5-10 µm e sono spaziati in eguale misura, lo SPAD potrà rivelare i fotoni di un solo transistor. Spec c hio 3.2 micron area osservata SPAD 8 micron

CCD

blocchi semplificato della parte ottica del sistema di misura.

I tempi di misura di questa tecnica vanno da qualche minuto a varie decine di minuti e dipendono dalla quantità di emissione fotonica. Quest’ultima dipende, oltre che dalla copertura dei canali e dalle dimensioni dei dispositivi, anche dalla frequenza di sollecitazione delle varie porte. Generalmente si usa ciclicizzare i segnali inviati alle strutture di test, in modo da ripetere più volte la stessa misura. A questo scopo sono stati disegnati dei ring oscillator, cioè degli oscillatori ad anello a frequenze diverse, tenendo presente il vincolo che la frequenza massima del segnale di riferimento non deve superare i 200 MHz, essendo questa la massima frequenza della scheda di acquisizione.

Nelle strutture su cui si effettueranno misure con lo SPAD, si è cercato di rendere i tempi di commutazione più brevi possibile, in modo da ridurre la larghezza degli “impulsi ottici” (FWHM), il cui valore minimo raggiungibile è di circa 30 ps.

Ovviamente i risultati ottenuti sono derivati dal compromesso tra i limiti della tecnologia utilizzata e le dimensioni dei transistor, come sarà chiarito più avanti. Infine, dovendo compiere un confronto tra le misure per elettroluminescenza e quelle con EBT, sono stati introdotti dei probe pad, cioè delle piazzole in metal3 connesse alle piste delle quali si vuole misurare la tensione. L’ossido di passivazione verrà rimosso in corrispondenza di questi pad, in modo che il fascio elettronico dell’electron beam tester possa raggiungerli direttamente.