Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ и обобщение результатов испытаний сверхбольших интегральных схем 10
1.1 Анализ и обобщение результатов испытаний сверхбольших интегральных схем на безотказность, наработку до отказа и электротермотренировку 10
1.2 Возможные методы ускоренных испытаний сверхбольших интегральных схем
1.2.1 Методы расчетно-экспериментального прогнозирования надежности на этапе разработки 20
1.2.2 Оценка надежности микросхем методом физико-технической экспертизы 21
1.2.3 Оценка надежности по моделям механизмов отказов 22
1.2.4 Оценка интенсивности отказов по результатам испытаний. 24
1.2.5 Методы контроля качества и надежности микросхем путем анализа элементного состава характеристик материалов и микросхем 27
1.2.6 Прогнозирование показателей надежности на основе ускоренных испытаний тестовых структур 31
1.2.7 Прогнозирование интенсивности отказов сверхбольших интегральных схем по результатам электротермотренировки 37
Выводы
2 Виды и причины отказов сверхбольших интегральных схем. методы проведения испытаний 41
2.1 Виды и причины отказов сверхбольших интегральных схем 41
2.2 Методы проведения испытаний для определения энергии активации
2.2.1 Определение значения энергии активации по накопленным данным 52
2.2.2 Определение значения энергии активации по результатам испытаний со случайно возрастающей нагрузкой 53
2.2.3 Определение значения энергии активации по результатам электротермотренировки 55
2.2.4 Определение значения энергии активации на основе параллельных выборок в различных режимах 57
Выводы 61
3 Экспериментальные исследования по определению энергии активации 62
3.1 Методики проведения форсированных ступенчатых испытаний сверхбольших интегральных схем 62
3.2 Результаты испытаний сверхбольших интегральных схем
3.2.1 Анализ деградации электрических параметров сверхбольших интегральных схем в процессе испытаний 65
3.2.2 Определение энергий активации механизмов отказов сверхбольших интегральных схем 73
Выводы 79
4 Метод ускоренных испытаний на безотказность и наработку до отказа 80
4.1 Определение коэффициента ускорения отказов сверхбольших интегральных схем 80
4.2 Определение границ области допустимого форсирования 84
4.3 Определение констант ускорения пи аъ моделях коэффициента ускорения от тока и напряжения 86
4.4 Определение энергии активации на основе параллельных испытаний выборок в различных режимах 88
4.5 Примеры ускоренных испытаний на наработку до отказа 92
Выводы 96
Заключение 98
Список литературы
- Оценка надежности микросхем методом физико-технической экспертизы
- Определение значения энергии активации по накопленным данным
- Анализ деградации электрических параметров сверхбольших интегральных схем в процессе испытаний
- Определение констант ускорения пи аъ моделях коэффициента ускорения от тока и напряжения
Оценка надежности микросхем методом физико-технической экспертизы
Контроль качества на этапе разработки и производства, особенно сложных микросхем целесообразно проводить по характеристикам структур, элементов. Для контроля разрабатывается соответствующие методики и структуры, т.е. разрабатываются структуры контроля качества микросхем и соответствующие методики [18, 20, 21]: - методика термополевых испытаний диэлектрических слоев для оценки миграции быстро диффундирующих ионов;
Вопрос можно поставить по-другому. На этапе производства определить соответствующие структуры, параметры, установив их зависимость с уровнем радиационной стойкости, по которым можно оценивать радиационную стойкость, т.е. установить корреляцию между значениями параметров в процессе изготовления и уровнем радиационной стойкости микросхем по результатам квалификационных испытаний. Контролируя данные параметры при изготовлении, можно ожидать радиационную стойкость микросхем не хуже определенных значений.
Такими параметрами могут быть пороги, термополевая стабильность, обратные сопротивления - сопротивления в цепи обратных связей, токи потребления. Т.е. определив критичные параметры их карты, обеспечивающие уровни спецстойкости не ниже соответствующих значений, которые были установлены в процессе испытаний. При поддержании стабильности технологического процесса можно оценивать уровень спецстойкости.
Для каждого фактора, влияющего на радиационную стойкость, должны выявляться соответствующие параметры, установлены нормы. Параметром, дающим возможность контроля устойчивости к единичным сбоям, может быть сопротивление резисторов обратной связи и величина тока.
Параметром, дающим возможность контроля устойчивости и воздействию накопленной дозы, может быть сдвиг порогового напряжения [35, 36, 37].
Аттестация производственной линии изготовителя с точки зрения надежности и радиационной стойкости обеспечивает качество продукции, которое гарантируется соответствующим контролем всей последовательности производственного процесса, от разработки конструкции до сборки. Аттестация изготовителя состоит из трех этапов: аттестация технологической линии, аттестация изготавливаемой продукции и мероприятия по поддержанию уровня качества.
После установления соответствующих соотношений, достаточно контролировать величину сопротивления обратной связи по установленным нормам так, чтобы они постоянно находились в определенных пределах. Предпочтительнее измерять сопротивление обратной связи на пластине после формирования резисторов обратной связи. Это обеспечивает ранний и наиболее экономичный контроль технологического процесса. Если измерения «контрольной» пластины выходят за пределы, установленные методами статистического контроля, вся партия бракуется и предпринимаются соответствующие корректировочные мероприятия для устранения отклонений. Целесообразно устанавливать еще соотношение сопротивления обратной связи, измеренное в ходе технологического процесса и после его завершения. Так как после формирования резисторов обратной связи проводится ряд технологических операций (термоциклирование, осаждение слоев металла, плазменная обработка, отжиг). Эти технологические операции вызывают изменение структуры зерен поликремния, внедрение в структуру атомов водорода. Это влечет изменение величины сопротивления обратной связи.
Для КМОП технологий основным механизмом отказов является постепенное изменение, вызванное образованием центров захвата носителей на границе кремний-окисел под воздействием радиации.
Для того, чтобы обеспечить требования к устойчивости к воздействию накопленной дозы, нужно контролировать величину сдвига порогового напряжения, поддерживая ее в заданных пределах. Хотя основным параметром, от которого зависит устойчивость воздействию накопленной дозы, является сдвиг порогового напряжения, обусловленный захватом зарядов в окисле, нужно контролировать и токи утечки, стремясь к их уменьшению.
Важным элементом обеспечения радиационной стойкости является организация статистического контроля технологического процесса. Применение методов статистического контроля радиационной стойкости следует рассматривать как применение статистических методов контроля технологических параметров, влияющих на уровень радиационной стойкости (толщина и режим выращивания окисла, высокотемпературный отжиг). Соответствующий контроль этих операций может быть успешно использован для обеспечения радиационной стойкости.
Чтобы обеспечить соответствие требованиям к гарантированному уровню стабильности процесса, надежности и радиационной стойкости, необходимо определить коэффициенты стабильности технологии Ср и Срк [38, 39, 40, 41, 42], так как они дают возможность соотнести контроль технологического процесса с заданными значениями надежности, радиационной стойкости и с предельными значениями параметров, установленных в ТУ.
Преимущество аттестации изготовителей может быть реализовано за счет применения тестовых структур, методик и средств контроля в процессе производства. Применение тестовых структур и средств контроля в процессе производства предоставляет возможность раннего предупреждения об отклонениях в ходе технологического процесса и своего рода вид отбраковки, что дает возможность корректировать технологический процесс, обеспечивая выпуск надежных и радиационно-стойких микросхем.
Определение значения энергии активации по накопленным данным
Существующие методы испытаний на безотказность и наработку до отказа разработаны применительно к микросхемам с проектными нормами 2, 3 и более мкм. За последние годы в разработке и производстве находятся микросхемы с размерами элементов 0,6-0,13 мкм и менее. С уменьшением проектных норм ужесточены требования к основным материалам для изготовления микросхем.
При этом изменяется и конструктивно-технологическое исполнение микросхем. Переход к проектным нормам 0,6-0,13 мкм и менее сопровождается уменьшением напряжений, толщин слоев окисла и легирования, а также диффузионной глубины и возрастаний легирования. Все это влияет на физико-химические процессы, характеристики микросхем, механизмы отказов и, в конечном счете, на энергию активации. Необходимо проведение исследований по определению энергии активации, механизмов отказов микросхем при различных температурах, являющейся основной характеристикой при проведении ускоренных испытаний.
Работа должна базироваться на широком экспериментальном исследовании для определения энергии активации, механизмов отказов, изучения физики и характера отказов. При этом возможны варианты: - определение значения энергии активации по накопленным данным; - определение значения энергии активации на основе параллельных испытаний выборок в различных условиях; - определение значения энергии активации по результатам испытаний со ступенчато возрастающей нагрузкой; - определение значения энергии активации по результатам ЭТТ при случайно возрастающей нагрузке.
Кроме того, возможно проведение исследований по: - определению коэффициента ускорения отказов микросхем с учетом нескольких механизмов отказов; - определение констант ускорения п и а в моделях коэффициента ускорения от тока и напряжения.
Период обобщения результатов испытаний в пределах 5 последних лет.
Для расчета энергии активации используют результаты испытаний в режиме испытаний на безотказность и в более жестких режимах. Испытанные выборки учитываемые при расчете испытаний должны быть изготовлены за один и тот же период времени.
Испытания должны быть проведены при 125С - температура испытаний на безотказность, 150С - допустимая температура для кристалла. Остальные значения выбирают между этими температурами. Продолжительность каждого испытания должна быть не менее 240 ч. Допускается опреде 53 ление Еа по накопленным результатам испытаний в двух различных режимах (температурах), например, по результатам испытаний на безотказность и наработку до отказа. В этом случае продолжительность испытаний на безотказность рекомендуется увеличивать в 3 раза.
В соответствии с требованиями [1] испытания на наработку до отказа проводят при температуре окружающей среды (65+5С).
По согласованию с институтом Заказчика испытания на наработку до отказа могут проводиться на одном типе от серии одинакового конструктивно технологического исполнения микросхем или принципиально новых конструкций и технологий на данном предприятии по перечню согласованному с НИИ Заказчика.
В настоящее время, отсутствуют накопленные данные, в пределах 5 последних лет, по результатам испытаний на безотказность, наработку до отказа для микросхем с проектными нормами 0,6-0,13 мкм и менее.
Для определения значения энергии активации проводят испытания на одной или нескольких выборок при постоянной электрической нагрузке со случайно изменяющейся температурой окружающей среды.
Объем выборки должен быть в соответствии с [1].
Испытания проводят при ступенчато-изменяющейся температуре окружающей среды, начиная с повышенной рабочей температуры среды по ТУ или на 5- 10 С выше. Величину ступени рекомендуется выбирать 10 -15 С. Максимальная температура кристалла не должна превышать 150С. Электрический режим для испытаний устанавливается равным предельно-допустимому режиму, установленному в ТУ для испытаний на безотказность.
Допускается для ступенчатого повышения температуры перехода ужесточать электрический режим на второй и последующих ступенях, если ужесточение режима приведет к увеличению рассеиваемой мощности и увеличению температуры перехода и не приведет к развитию механизмов отказов существенно ускоряемых напряжением и током.
Однако, учитывая то, что при переходе на проектные нормы 0,6-Ю, 13 мкм и менее значительно уменьшаются напряжения и токи, то увеличение рассеиваемой мощности и температуры практически не большое. Длительность испытаний на каждой ступени участка должна быть не менее 24 ч. На начальных ступенях рекомендуется устанавливать длительность испытаний 96 -168 ч. После каждой ступени измеряют параметры. Возможно измерение дополнительных параметров не указанных в ТУ и проведение оценки результатов испытаний по условным нормам. При наличии на любой ступени двух и более отказов приращение температуры окружающей среды (или перехода) для следующей ступени должно быть уменьшено в 1,5-К2 раза. Испытания продолжают до достижения не менее 50% отказов. Учитывая то, что микросхемы прошедшие ЭТТ обеспечивают высокую безотказность, то достижение 50% отказов потребует весьма длительных испытаний. Если при заданных режимах это возможно.
Анализ деградации электрических параметров сверхбольших интегральных схем в процессе испытаний
Значение энергии активации (Еа) определяют путем проведения параллельных испытаний выборок в различных режимах с последующей математической обработкой результатов испытаний.
Испытаниям подвергают не менее трех выборок объемом в соответствии с [1]. Рекомендуется объем выборки при испытаниях в режиме, близком к предельно допустимому по ТУ, увеличить в Ку раз, где Ку - ориентировочное значение коэффициента ускорения по сравнению с максимальным выбранным режимом.
Испытания проводят не менее чем при трех значениях Тпер. Минимальное значение берут 125С - температура испытаний на безотказность, максимальное значение Тпер. берут 150С - допустимая температура для кристалла. Остальные значения выбирают между этими температурами.
Продолжительность испытаний должна быть такой, чтобы накопленная доля отказов в каждой выборке достигала 20-40 %. Для этого рекомендуется устанавливать условные нормы на ПКГ более жёсткие, чем нормы в ТУ для испытаний на безотказность, и условные нормы на дополнительные параметры. Для СБИС рекомендуется дополнительно в качестве критерия отказа устанавливать потерю функциональности СБИС на границе области наихудших режимов функционирования. Эту область определяют на основе оценки наихудшего сочетания значений питающих напряжений, амплитуды и частоты входных сигналов, нагрузки и температуры, при которых СБИС еще функционируют, а за пределами - перестают функционировать. При этом не возникает необратимой потери работоспособности, т.е. в номинальных режимах по ТУ СБИС полностью восстанавливают свою работоспособность.
Контроль параметров и функционирования СБИС проводят перед началом и в процессе испытаний. Рекомендуется в процессе испытаний контролировать параметры и (или) функционирование СБИС без изъятия СБИС из испытательного стенда.
При выявлении в процессе испытаний нескольких механизмов отказов расчёты проводят отдельно по каждому механизму отказа, при этом объем испытаний должен быть достаточным для наличия не менее четырех отказов, обусловленных каждым из механизмов отказов. В этом случае определяют энергию активации (Еа) по каждому механизму отказа и в дальнейшем расчеты общего коэффициента ускорения проводят с учётом доли отказов по отдельным механизмам в общем потоке отказов в соответствии с рекомендациями, изложенными в разделе 1.2. Метод может быть использован для определения энергии активации для отдельных механизмов отказов (Еа) на основе испытаний тестовых структур, соответствующих элементам СБИС, в которых развиваются исследуемые механизмы отказов.
Так как в [1] предусмотрено ограничение значения температуры 150С, то испытания проводятся при температурах не выше 150С. выводы Рассмотрены возможные виды и причины отказов СБИС по кристаллу, фотолитографическим процессам, диффузии, ионной имплантации, металлизации и контактам, пассивации, соединению кристалл-вывод, креплению кристалла к корпусу, герметизации, примесным эффектам и перенапряжению.
Уточнены методы проведения ускоренных и экспериментальных испытаний в части планов контроля и режимов испытаний для микросхем с проектными нормами 0,6-0,13 мкм и менее.
Требования к статистическому обеспечению испытаний - планы контроля в соответствии с требованиями общих технических условий. Требования к режимам теплового форсирования испытаний - граничная температура не должна превышать 150 С. Требования к продолжительности испытаний и числу ступеней - общее время испытаний каждой выборки СБИС - не менее 2000 час; продолжительность испытаний по ступеням теплового форсирования выбирается из ряда: 500 - 1000 - 2000 час. Требования к тестированию в процессе испытаний - контрольное тестирование с подготовкой распечаток результатов и определением параметров функций распределений значений электрических параметров. Для проведения испытаний были отобраны СБИС, выполненные по разным технологиям, перечень СБИС, технологии изготовления и функциональное назначение приведены в таблице 3.1.
Проведение испытаний на выборках 10-30 шт. в режимах 100С/12278ч; 105С/10373ч; 126С/4306ч; 130С/704ч; 135С/496ч; 150С/303ч не выявило отказов при их фиксировании по нормам технических условий. Для получения отказов необходимо ужесточить как режимы наработки, так и нормы фиксации отказов. Для испытаний отобраны по 60 шт. СБИС каждого из 6 типов. Для определения энергии активации на основе параллельных испытаний выборок в различных режимах сформированы по 3 выборки каждого типо-номинала по 20 штук СБИС. I группа выборок после их индексации и фиксации результатов измерений параметров каждой СБИС в нормальных условиях по программе контроля в соответствии с ТУ ставится на испытания в предельно-допустимом режиме (максимально-допустимые напряжение питания и токи нагрузки по схеме включения в соответствии с ТУ) при ТіИСп=130С. II группа выборок-при Т2исп=140С. III группа выборок - Тзисп.=150оС . Значения температуры окружающей среды при испытаниях различных типономиналов и выборок СБИС представлены в таблице 3.2.
Определение констант ускорения пи аъ моделях коэффициента ускорения от тока и напряжения
Приведены результаты экспериментальных исследований СБИС. По результатам испытаний рассчитаны значения энергии активации для СБИС с проектными нормами 0,6-0,09 мкм.
Результаты проведенных испытаний СБИС свидетельствуют о том, что среднее значение для энергии активации на 0,1-0,15 эВ больше, чем значение энергии активации для микросхем с проектными нормами 2,3 мкм и более.
Полученная энергия активации для микросхем с проектными нормами 0,6-0,13 мкм и менее позволяет сократить время проведения ускоренных испытаний на безотказность и наработку до отказа. Определение коэффициента ускорения отказов сверхбольших интегральных схем
Отказы СБИС могут быть обусловлены различными механизмами, поэтому для более достоверной оценки общего коэффициента ускорения отказа в форсированном режиме по сравнению с нормальным необходимо учитывать все доминирующие механизмы отказов.
Для расчета коэффициента ускорения с учетом нескольких механизмов отказов необходимо определить модель коэффициента ускорения для каждого из механизмов Kt (Т, U, J) отказов и относительную долю вероятности отказа (qt). Относительную долю вероятности отказа СБИС из-за отказа /-го элемента вследствие развитияу-го механизма отказа определяют по формуле 4.1 или 4.2.
Практически к отказам отдельных базовых элементов СБИС при одном ускоряющем факторе (например, температуре), как правило, приводит один доминирующий механизм отказа, и поэтому при оценке коэффициента ускорения используют относительную долю отказа ИС вследствие отказа /-го элемента (формула 4.3, 4.4).
Общий коэффициент ускорения К0 для выбранного форсированного режима (Т\ U , J ) по сравнению с нормальным режимом (Т, /, J0) рассчитывают в зависимости от имеющихся данных об относительном распределении механизмов отказов в общем потоке отказов. Если известны модели ускорения всех доминирующих видов и механизмов отказов, а также относительные доли вероятности их проявления в нормальных условиях (д), то общий коэффициент ускорения рассчитывают по формуле 4.5. где g - относительная доля вероятности отказа ИС из-за отказа /-го элемента (допускается / = 1) вследствие развития у-го механизма отказа в нормальных условиях; К - коэффициент ускорения у-го механизма отказа в /-м элементе СБИС при воздействии р-то фактора. При одном ускоряющем факторе коэффициент ускорения рассчитывают по формуле 4.6. =2 X\ (4.6) где q. - относительная доля отказа СБИС из-за отказа /-го элемента. Если известны модели ускорения всех доминирующих видов и механизмов отказов (К р), а также относительные доли их проявления в форсированном режиме (q -), то общий коэффициент ускорения рассчитывают по формуле 4.7.
Если известны модели ускорения только для одного из элементов СБИС и определены относительные доли отказа СБИС из-за отказа этого элемента, как в нормальном (#), так и в форсированном режиме ( / ), то общий коэффициент ускорения рассчитывают по формуле 4.9.
Если для исследуемой СБИС по результатам испытаний не определены относительные доли вероятности отказа СБИС из-за отдельных механизмов отказов, то возможно использование имеющихся данных по базовой СБИС аналогичного конструктивно-технологического исполнения с исследуемой СБИС. В этом случае относительную долю вероятности отказов исследуемой СБИС из-за отдельных механизмов отказов (q) рассчитывают по формуле 4.12.
Режимы форсирования испытаний не должны выходить за границы области допустимого форсирования. Эти границы определяются условием соблюдения автомодельности испытаний в нормальных и форсированных режимах, т.е. форсированный режим не должен приводить к возникновению новых видов и механизмов отказов, не характерных для нормальных режимов (в пределах, допускаемых ТУ на изделия) [78, 79, 80].
В пределах области допустимого форсирования должны соблюдаться следующие основные требования: температура перехода не должна превышать 150С; напряжения на элементах СБИС не должны приводить к возникновению электрических пробоев; сочетание температуры, тока и напряжения не должно вызывать явление теплового пробоя и предшествующего ему теплового шнурования - образования горячих пятен; плотность тока в пленках металлизации для приборов с алюминиевой металлизацией не должна превышать 2-Ю6 А/см2; температура корпуса не должна превышать предельно допустимых температур используемых материалов (припой, клей и др.); при наличии соединений алюминий-золото на кристалле СБИС температура в области этих соединений не должна превышать 150 С; СБИС должны сохранять способность функционировать (полностью или частично), их электрические параметры в форсированном режиме могут выходить за пределы норм ТУ, при этом не должно происходить необратимой потери функ 85 ционирования и ухода параметров за нормы ТУ, т.е. при возвращении к нормальному режиму микросхемы должны восстанавливать работоспособность по ТУ.