Введение к работе
Актуальность проблемы. Развитие микроэлектроники и повышение требований к качеству и надежности полупроводниковых изделий (ППИ) (полупроводниковых приборов: диодов, транзисторов и интегральных схем (ИС)) потребовало создания диагностических методов отбраковки потенциально ненадежных изделий в дополнение к существующим технологическим отбраковочным испытаниям.
Особенно это стало востребованным после выпуска отраслевого документа „Интегральные схемы. Методы неразрушающего контроля диагностических параметров" РД 11 0682-89, что позволяет предприятиям потребителям ППИ применять эти методы на входном контроле, а производителям изделий даже заменять ряд трудоемких технологических отбраковочных испытаний, например электротермотренировку, на диагностический контроль.
Среди диагностических методов (контроль параметров ИС при пониженном напряжении питания, контроль электрических параметров ИС в микротоковых режимах; контроль качества ИС по критической величине дополнительного сопротивления в цепи питания; выявление потенциально ненадежных ИС анализом формы динамического тока потребления в цепи питания; контроль качества поверхности полупроводниковых структур при помощи наведенного заряда; отбраковка потенциально ненадежных ИС на биполярных структурах с помощью вольтамперной характеристики (ВАХ)) за последнее время получили широкое распространение методы на основе измерения параметров низкочастотного шума (НЧТТТ) особенно с использованием при этом внешних воздействий (электростатических разрядов (ЭСР), температуры, радиационного воздействия и др.).
В ряде работ отечественных авторов (А.С. Врачев, A.M. Гуляев, Г.П. Жигальский, Н.Б. Лукьянчикова и др.) показано, что с помощью параметров низкочастотного шума возможно проводить оценку уровня дефектности структуры изделий.
Несмотря на значительный объем экспериментальных и теоретических работ, опубликованных к настоящему времени по исследованиям параметров НЧ шума в различных полупроводниковых структурах, недостаточно разработаны способы
диагностики качества и надежности ППИ по параметрам НЧ шума, поэтому тема диссертации в настоящее время является актуальной.
Работа выполнялась по теме ГБ2004-34 "Исследование
полупроводниковых материалов, приборов и технологии их
изготовления" и по теме ГБ 2010.34 „Физические основы
технологии и проектирования полупроводниковой
микроэлектроники" раздела „Исследование надежности полупроводниковых изделий".
Цели и задачи исследования. Целью диссертации является
разработка на основе экспериментальных и теоретических
исследований параметров НЧ шума новых диагностических
способов отбраковки потенциально ненадежных
полупроводниковых изделий по параметрам НЧ шума при различных внешних воздействиях, способных заменять дорогостоящие и длительные отбраковочные испытания как при производстве изделий, так и на входном контроле предприятий - изготовителей радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), а также выделять из партии группу более высоконадежных изделий. Для достижения этой цели в работе поставлены следующие задачи:
-
Спроектировать и изготовить установки для измерения параметров НЧ шумов ППИ и для воздействия ЭСР со счетчиком количества воздействий ЭСР.
-
Экспериментально исследовать зависимость параметров НЧ шума от тока и напряжения смещения, подаваемых на различные выводы интегральных схем. Разработать новые способы диагностирования потенциально ненадежных ППИ, основанные на измерении параметров НЧ шума при двух различных значениях тока и напряжения смещения.
-
Разработать способы диагностирования потенциально ненадежных ППИ и выделения из партии групп повышенной надежности с использованием измерения параметров НЧ шумов до и после внешних воздействий: температуры, термоциклирования, ЭСР, рентгеновского облучения.
-
Предложить модель прогнозирования среднеквадратичных значений напряжения НЧ шума с помощью разложения в ряд Ньютона функции изменения НЧ шума от частоты на основе эмпирических данных.
5. Сравнить на примере партии ИС типа КР142ЕН5А достоверность разработанных диагностических способов с результатами испытаний на надежность.
Научная новизна работы
-
Показано, что по измерению среднеквадратичного значения напряжения НЧ шума изделия при заданном токе смещения в одной точке вольт-шумовой характеристики нельзя с необходимой достоверностью диагностировать потенциально ненадежные НИИ.
-
Экспериментально обоснована разработка новых эффективных диагностических методов на основе измерений среднеквадратичных значений напряжения или тока НЧ шума в окрестности различных частот в двух и более точках ампер-шумовой характеристики при различных внешних воздействий (температуры, ЭСР, термоциклирования, рентгеновского излучения).
-
Для биполярных и МДП ИС различной степени интеграции разработаны новые способы разделения ИС по надежности:
а) с использованием напряжения НЧ шума, измеренного в
цепи „вход - общая точка" при двух значениях тока между этими
выводами;
б) с использованием одного рабочего тока и разных
температур;
в) на основе измерения шума в цепи „питание - общая точка"
при двух напряжениях питания при нормальной температуре.
4. Разработаны два новых способа разделения ИС по
надежности на основе измерений показателя формы спектра
низкочастотного шума у:
а) по выводам „питание - общая точка" на двух частотах при
нормальной температуре;
б) по выводам „питание - общая точка" на двух частотах при
трех температурах (О С, 25 С и 100 С).
5. Разработаны новые способы разделения НИИ по
надежности с использованием дополнительных воздействий:
термоциклирования, ЭСР с последующим отжигом и рентгеновского
облучения:
а) путем контроля среднеквадратичного значения напряжения НЧ шума на выводах „питание - общая точка" до и после десяти термоциклов в диапазоне температур 0 -^ 100 С;
б) на основе измерения среднеквадратичного значения
напряжения НЧ шума на выводах „питание - общая точка" до и
после воздействия ЭСР на вход ИС и последующего отжига;
в) по измерению среднеквадратичного значения напряжения
НЧ шума на выводах „питание - общая точка" до и после
воздействия ЭСР на выводы „питание - общая точка" и
последующего отжига;
г) с помощью измерения среднеквадратичного значения
напряжения НЧ шума на выводах „вход - общая точка" до и после
воздействия ЭСР на выводы „вход - общая точка" и последующего
отжига;
д) путем контроля основных параметров по ТУ и параметра у
НЧ шума до и после рентгеновского облучения.
6. Предложена модель прогнозирования среднеквадратичного
уровня низкочастотного шума на основе эмпирических данных с
помощью разложения в ряд Ньютона функции изменения НЧ шума
от частоты.
7. Экспериментально показано на партии ИС типа
КР142ЕН5А, что разработанные способы диагностирования имеют
высокую достоверность и могут быть использованы для замены
электротермотренировки.
Практическая значимость работы
-
Разработаны устройства по измерению ампер-шумовых характеристик ППИ и измерения показателя формы спектра НЧ шума у.
-
Разработанные новые способы диагностики ППИ по надежности могут быть использованы для замены электротермотренировки изделий при их изготовлении и на входном контроле предприятий-потребителей изделий, а также для сравнительных испытаний по оценке потенциальной надежности двух и более партий изделий.
-
Ряд новых разработанных способов используется предприятиями, например Ульяновским филиалом института радиоэлектроники и электроники, ОАО „Воронежский завод полупроводниковых приборов - сборка", Минским научно-техническим объединением „Интеграл". Акты внедрения приложены к диссертации.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту
-
Экспериментальное обоснование разработки новых диагностических методов на основе измерения параметров НЧ шума в двух и более точках ампер-шумовой характеристики при различных внешних воздействиях.
-
Способы разделения ИС по надежности с использованием среднеквадратичного значения напряжения НЧ шума, измеренного:
а) в цепи „вход - общая точка" при двух значениях тока между
этими выводами;
б) в цепи „вход - общая точка" с использованием одного тока
и разных температур;
в) в цепи „питание - общая точка" при двух напряжениях
питания при нормальной температуре.
3. Два новых способа разделения ИС по надежности на основе
измерений показателя формы спектра низкочастотного шума у:
а) на выводах „питание - общая точка" на двух частотах;
б) на выводах „питание - общая точка" на двух частотах при
трех температурах (О С, 25 С и 100 С).
4. Способы разделения НИИ по надежности с использованием
внешних воздействий: термоциклирования, ЭСР с последующим
отжигом и рентгеновского облучения:
а) путем контроля среднеквадратичного напряжения НЧ шума
по выводам „питание - общая точка" до и после десяти термоциклов
диапазоне 0 -^ 100 С;
б) на основе измерения среднеквадратичного напряжения НЧ
шума по выводам „питание - общая точка" до и после воздействия
ЭСР на вход ИС и последующего отжига;
в) по измерению среднеквадратичного напряжения НЧ шума
по выводам „питание - общая точка" до и после воздействия ЭСР на
выводы „питание - общая точка" и последующего отжига;
г) с помощью измерения среднеквадратичного напряжения НЧ
шума по выводам „вход - общая точка" до и после воздействия ЭСР
на выводы „вход - общая точка" и последующего отжига;
д) путем контроля основных параметров НИИ по ТУ и
параметра НЧ шума у до и после рентгеновского облучения.
5. Модель прогнозирования уровня низкочастотного шума с
помощью разложения в ряд Ньютона функции изменения НЧ шума
от частоты на основе эмпирических данных.
6. Сравнение достоверности разработанных способов диагностирования на примере партии ИС типа КР142ЕН5А с результатами испытаний на надежность.
Апробация работы. Основные результаты диссертации
докладывались и обсуждались на следующих конференциях и
семинарах: международных научно-технических семинарах
"Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых
приборах " (Москва, 2002, 2003, 2005, 2009, 2011г.); X, XV, XVI и
XVII международной научно - технической конференции
„Радиолокация, навигация, связь" (Воронеж, 2004, 2009, 2010, 2011);
X международной научно-технической конференции студентов и
аспирантов „Радиоэлектроника, электротехника и энергетика"
(Москва, 2004); XIII всероссийской межвузовской научно-
технической конференции „Микроэлектроника и информатика -
2006" (Зеленоград, 2006); XVII международной научно-
практической конференции студентов и молодых ученых
"Современные техника и технологии" (Томск, 2011); научных
конференциях профессорско-преподавательского состава, научных
работников, аспирантов и студентов Воронежского
государственного технического университета (Воронеж, 2003 -2011);
Публикации. По материалам диссертации опубликованы 54 научные работы, в том числе 15 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 2 монографии и 16 патентов РФ.
В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [1 - 15] -постановка задачи, определение направлений исследований, анализ и изложение основных результатов и выводов, написание статей; [16, 17] - критический обзор литературы, теоретическое и экспериментальное обоснование применимости альтернативных способов разделения полупроводниковых изделий по надежности; [18 - 38] - определение направлений исследований, анализ и изложение основных результатов и выводов, написание статей; [39 -54] - поиск известных способов разделения полупроводниковых приборов по надежности, выявление их недостатков, разработка новых эффективных способов разделения полупроводниковых приборов по надежности.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и списка литературы из 202 наименований. Основная часть работы изложена на 203 страницах, включает 51 рисунок, 51 таблицу.
