Введение к работе
Актуальность проблемы. Прогресс в микроэлектронике органично связан с неуклонным ростом сложности интегральных схем (ИС). Современная микроэлектроника развивается в направлении более высокой интеграции и функциональной комплексности ИС, возрастания количества элементов в кристалле и уменьшения размеров элементов. На сегодняшний день количество элементов в кристалле ИС достигает нескольких десятков тысяч с характеристическими размерами элементов, измеряемыми в долях микрон. С увеличением сложности, контроль ИС становится все более и более трудоемким и в значительной степени определяет ее стоимость. Улучшение классических методов тестирования достигло своего теоретического предела, а достаточно быстро развивающиеся новые тестовые стратегии нацелены лишь на сохранение на приемлемом уровне затрат времени на разработку ИС.
В этих условиях растровая электронная микроскопия обеспечивает чрезвычайно широкие возможности получения информации о параметрах БИС, а электронно-лучевой контроль возник как наиболее эффективный метод для выполнения этой задачи^ До недавнего времени такое техническое средство в большей степени представляло собой набор изолированных приборов, а не объединенную аналитическую станцию. Поэтому обычный метод системных процедур для электронно-зондового тестирования стад затруднительный & основной из-за недостаточной автоматизации.
Сочетание растрового электронного микроскопа (РЭМ) и ЭВМ открывает новые возможности в области исследований функциональной пригодности микроэлектронных изделий. Возможности таких средств контроля определяются как качественными показателями, так и методами обработки получаемой информации. Существующие классические методы цифровой обработки, наиболее полно охватывающие характеристики РЭМ изображений, в основном ориентированы на мощные вычислительные средства и поглощают основную часть машинного времени. Поэтому актуальной является задача синтеза наиболее простых и надежных алгоритмов автоматического контроля как топологии ИС, так и их электрических параметров, особенно при ограниченных ресурсах применяемых вычислительных средств.
Цель работы. Целью диссертационной работы является исследова-
ниє классических методов обработки изображений пригодных для электронной микроскопии, анализ существующих способов контроля ИС при помощи РЭМ и разработка на основании этого более простых в вычислительном отношении и соответствующих заданному уровню точности алгоритмов тестирования микроэлектронных приборов, основанных на использовании информации, получаемой из видеосигнала РЭМ и ориентированных на микроэвм.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решались следующие задачи:
-
Проведение сравнительного анализа автоматизированных систем контроля микроэлектронных приборов на базе РЭМ и определение основных принципов построения таких систем, а такае, перспективных направлений их дальнейшего развития.
-
Исследование существующих методов визуального и параметрического контроля кристаллов ИС и определение основных требований, предъявляемых к данному классу алгоритмов и путей их построения.
-
Проведение теоретического обоснования более простого и быстрого в вычислительном отношении алгоритма поиска дефектов топологии кристаллов ИС по статистическому признаку, пригодного для проведения оперативного автоматического контроля.
-
Разработка относительно несложной методики параметрической идентификации ИС, основанной на принципе векторного сканирования и количественного измерения потенциалов по контрольным точкам.
-
Исследование механизма формирования изображения в РЭМ на основе системной передаточной функции для электронного зонда.
-
Осуществление программной реализации разработанных методик и алгоритмов комплексного контроля кристаллов ИС и экспериментальное подтверждение их работоспособности на серийных микроэлектронных приборах.
-
Разработка аппаратных и программных средств организации системного взаимодействия и информационного обмена между контроллером РЭМ и микроЭВМ.
-
Разработка вспомогательного пакета программ, реализующего контроль параметров электронного зонда и подготовку изображений
топологии ИС к анализу.
Методы исследования. Основные результаты работы получены на основании использования теории цепей и сигналов, статистической теории информации, численных методов, методов структурного и системного программирования и аппарата математической логики. Достоверность полученных результатов подтверждается использованием современных методов количественного анализа, корректностью применения математического аппарата, а также, полученными экспериментальными данными.
Научная новизна.
1. Предложена математическая модель и логическая структура
алгоритма поиска дефектов топологии кристаллов ИС, отличающегося
от известных:
выбором в качестве критерия сравнения фрагментов изображений топологии ИС коэффициента корреляции;
упрощенной процедурой анализа, заключающейся в квантовании исследуемого изображения в два уровня, принадлежащих "объекту" и "фону" и разбиении поля изображения на равные анализируемые области;
ускоренным расчетом коэффициента корреляции в виде отношения площадей, принадлежащих "объекту" или "фону" для каждой области.
-
Предложена методика параметрической идентификации ИС, основанная на составлении таблицы логических состояний и отличающаяся использованием в качестве логических состояний количественных значений потенциалов, измеренных в контрольных точках ИС.
-
Рассмотрен процесс формирования изображения в РЭМ на уровне передаточной функции системы и получены основные соотношения, описывающие изображение объектов простой формы.
-
Предложены методика и алгоритм автоматического измерения диаметра зонда, отличающиеся от известных косвенных методов, введением в процедуру измерения энергоанализатора ВЭ.
-
Исследовано влияние выбора критерия величины диаметра электронного зонда и вида аппроксимирующей функции распределения на точность определения пространственного разрешения в РЭМ.
-
Проанализировано влияние типа фильтра, используемого для
предварительной обработки изображения, на улучшение отношения сигнал/шум.
7. Предложен боле* "простой и точный метод выделения границ объектов на исследуейом изображении, отличающийся от известных:
раздельный Дифференцированием изображения по двум направлениям, определяющим строковые функции;
пороговым ограничением и максимизацией строковых функций;
суммированием и наложением результатов обработки по двум направлениям.
Практическую ценность работы составляют:
-
Програшная реализация алгоритма обнаружения дефектов топологии кристаллов ИС и методика проведения процедуры топологического контроля.
-
Программная реализация алгоритмов измерений относительных значений потенциалов по уровню яркости изображения ИС в потенциальном контрасте и по линейному сдвигу кривых задержки, а также, рекомендации по проведению процедуры параметрического контроля ИС.
-
Научно обоснованная методика, позволяющая определить величину диаметра электронного зонда и ее программная реализация.
-
Соотношения, пригодные для инженерных расчетов при определении пространственного разрешения в РЭМ.
-
Программная реализация метода выделения границ объектов на полутоновом электронно-микроскопическом изображении.
-
Аппаратная реализация интерфейса для обмена изображениями между контроллером РЭМ и микроэвм и пакет прикладных программ, поддерживающий такой обмен,
-
Общая структура конструкции экспериментального электронно-лучевого тестера и рекомендации по разработке тестовых воздействий для контролируемых ИС.
На защиту выносятся следующие научные положения.
1. Использование статистического подхода, а именно, упрощенное вычисление коэффициента корреляции в решении задачи контроля топологии кристаллов ИС (либо фотошаблонов) позволяет избавиться от влияния негативных факторов, связанных с относительным пространственным сдвигом изображений я различием в их яркостных харак-
теристиках.
-
Согласованное использование процедуры составления таблицы логических состояний ИС по ее изображению в потенциальном контрасте и процедуры количественного измерения потенциалов з контрольных точках позволяет применить методы параметрической идентификации для обнаружения дефектов в кристалле и соединительных проводниках.
-
Экспериментальные, исследования подтвердили возможность представления электронного зонда в качестве низкочастотного фильтра с гауссовской передаточной функцией, что позволяет применить математический аппарат теории систем для.описания процесса формирования изображения в РЭМ.
-
Использование анализатора энергии БЭ в процедуре автоматического определения диаметра зонда" позволяет снизить погрешность измерений для косвенных методов до 10Х.
Апробация работы. Основныэ результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались на:
I Всесоюзной конференции "Автоматизация, интенсификация, интеграция процессов технологии микроэлектроники", Ленинград, 1989;
XIV Всесоюзной конференции по электронной микроскопии, Суздаль, І990;
II Европейской конференции по электронно-лучевым и оптическим методам контроля интегральных схем, Дуйсбург, ФРГ, 1989;
II Дальневосточной научно-практической конференции "Совершенствование электрооборудования и средств автоматизации технологических процессов промышленных предприятий", Комсомольск-на-Амуре, 1989;
Научно-технических конференциях ЛЭ1И им. В.И. Ульянова (Ленина), Ленинград, 1937-1989гг.
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 6 печатных работ, в том числе 1 авторское свидетельство на изобретение.
Реализация и внедрение результатов. Теоретические и практические результаты, полученные в диссертационной работе, использовались при разработка програшягого обеспечения для электронио-лучэ-
.-8-
вого тестера в рамках хоздоговорной работы с ОКБ Выборгского приборостроительного завода "Разработка конструкции и исследование энергоанализаторов вторичных электронов для электронно-лучевого тестера и разработка алгоритмов измерений потенциалов" (тема ЭИВТ - 125).
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы, содержащего 121 источник и 6 приложений. Содержание работы изложено на 150 страницах печатного текста, иллюстрируется 55 рисунками и 2 таблицами.