Обеспечение и ускоренная оценка качества микросхем по результатам физико-технической экспертизы

Размещено на http: //www. allbest. ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Специальность - 05.02.23 - Стандартизация и управление качеством продукции

Обеспечение и ускоренная оценка качества микросхем по результатам физико-технической экспертизы

Дорошевич Виктор Казимирович

Москва 2010

Диссертационная работа выполнена в открытом акционерном обществе «Центральное конструкторское бюро «Дейтон»

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор, Горнев Евгений Сергеевич

- доктор технических наук, профессор, Николаев Василий Николаевич

- доктор технических наук, профессор, Шульгин Евгений Иванович

Ведущая организация - Открытое акционерное общество «Ангстрем»

Защита состоится 21 октября 2010 г. в ___ часов на заседании диссертационного совета Д 212.131.04 в Московском Государственном институте радиотехники, электроники и автоматики (техническом университете) по адресу 119454, Москва, пр-т Вернадского, 78, ауд. В-223.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского Государственного института радиотехники, электроники и автоматики (технического университета)

Автореферат разослан «_____» ____________ 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент С.Н. Замуруев

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Обеспечение качества и надежности микросхем имеют особую значимость, так как характеристики этих изделий во многом определяют тактико-технические характеристики радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) созданной на их основе.

Динамичность и жесткость требований к качеству микросхем (ИС) обусловливают высокую остроту (как с технической, так и экономической позиций) проблемы оценки качества для вновь создаваемых ИС с целью выполнения заданных требований и обеспечения дальнейшего их роста. Главная цель состоит в том, чтобы разработать и поставить ИС быстрее, дешевле и лучшего качества.

Для получения достоверной информации о качестве ИС и предупреждения отказов, внимание должно быть уделено исследованиям физических причин отказов. В связи с этим возникает необходимость в разработке оперативных методов оценки качества ИС, позволяющих в короткий срок определить истинное значение показателей качества, уровень технологического процесса производства, и создании на их основе эффективной системы обеспечения требуемого уровня качества. То есть актуальна проблема получения оценок качества ИС, их устойчивости к внешним воздействующим факторам за короткое время не путем непосредственных натурных или даже ускоренных испытаний, а посредством проведения физико-технической экспертизы элементов ИС (химического состава среды в подкорпусном объеме, металлизации, активных элементов, слоев диэлектрика и т.д.) и микросхем в целом.

Большое значение приобретает разработка и применение физико-технических методов определения и контроля качества ИС для различных этапов производства и диагностики.

Эта задача может быть решена посредством физико-технической экспертизы (ФТЭ) путем проведения исследований по установлению элементов конструкции и кристалла, параметров и критериев, алгоритма и порядка проведения физико-технической экспертизы. Для экспертизы могут быть использованы тестовые структуры, проектные нормы, методики интегральной оценки качества ИС (контроль температурного поля, распределения потенциалов, метод наведенного заряда); методики контроля геометрических параметров элементов ИС (линейные размеры, конфигурация, рельеф,), анализа качества материалов (заряд в диэлектрике, время жизни носителей заряда, пористость диэлектрических и проводящих слоев); анализа качества конструкции (корпуса, состава среды подкорпусного объема, коррозионная стойкость). По результатам анализа делается оценка устойчивости ИС к внешним воздействующим факторам.

Однако опыт проведенных испытаний и исследований отказавших ИС показывает необходимость доработки этих и разработки других методик, которые дополняются оценками соответствующих показателей качества и критериальных параметров. Например, наряду с оценкой стойкости ИС к разрядам статического электричества, необходимо оценивать их стойкость к электроперегрузкам. При оценке коррозионной стойкости ИС существующий метод оценки может быть дополнен методикой контроля газового состава подкорпусного объема и т.д.

Необходимым условием при определении параметров и отработке соответствующих критериев оценки качества элементов конструкции ИС, а также для подтверждения возможности использования методик физико-технической экспертизы, должны проводиться натурные, в том числе ускоренные испытания, подтверждающие приемлемость методик и достоверность критериев оценки.

Исходя из изложенного, настоящая работа посвящена решению актуальной проблемы - обоснованию технических и технологических решений, связанных с разработкой методов обеспечения и ускоренной оценки качества ИС.

Решение данной задачи включает выполнение исследований по ряду важнейших ее составляющих.

Во-первых, определить требования к процессам разработки и производства и прежде всего технологическому процессу.

Во-вторых, необходимо установить элементы конструкции и кристалла, параметры и критерии для контроля и оценки качества ИС, на основе полученных причинно-следственных связей между дефектами, отказами, технологическими операциями.

В-третьих, следует разработать маршрут (порядок проведения) физико-технической экспертизы.

В-четвертых, необходимо выбрать, уточнить и разработать методики оценки качества ИС на основе использования физико-технического метода. При этом в качестве одной из важных составляющих задач исследования выделена разработка математических моделей оценки точности визуального контроля, не зависящей от свойств контролируемой партии и надежностных характеристик функционально сложных сверхбольших интегральных микросхем на основе суперкристаллов.

Рассмотреть особенности применения статистических методов для оценки качества технологических процессов. Предложить метод статистического контроля технологических процессов изготовления микросхем для партий малого объема при прерывистом производстве.

Основой для проведения исследований служит сбор и обработка данных о причинах отказов ИС в процессе производства и эксплуатации, влияния конструктивно-технических решений, технологических операций, материалов на качество интегральных микросхем.

Вопросам предотвращения отказов ИС и повышения их качества уделяется большое внимание также и за рубежом. Анализ отказов превращается в анализ способов совершенствования конструкции, ИС и процесса производства, то есть в анализ способов предотвращения отказов. Выход годных функционально сложных интегральных микросхем в большинстве производств не высок, что существенно снижает эффективность производства, причем чем сложнее ИС и чем больше площадь кристалла, а значит чем дороже ИС, - тем меньше процент выхода годных. Именно поэтому обеспечение качества на этапах разработки и производства, диагностика в процессе производства, исследование способов предотвращения отказов должны в значительной степени занять место контрольных испытаний в конце производства. Эти методы являются существенным фактором повышения выхода годных ИС, применение их позволяет минимизировать реальную стоимость ИС. Причем высокая стоимость современных ИС делает экономически эффективными затраты на совершенствование процесса производства и внедрение оптимальных методов повышения выхода годных ИС, ориентированных на предотвращение отказов.

Основные задачи диссертационной работы, решались в НИР "Экспертиза", выполненной в 1991-1992 гг., «Осень-1» ч «Осень-3», «Осень-5» ч «Осень-7» «Технология-22», «Кластер-М-22» и др., выполненных в 1993-2009 гг., заместителем научного руководителя и ответственным исполнителем которых являлся соискатель. Вопросы, решаемые в диссертации, предусматривают не только предотвращение отказов, повышение качества ИС на этапах разработки и производства, но и разработку методик проведения ускоренных испытаний ИС по результатам физико-технической экспертизы.

Цель диссертационной работы.

Разработка методов обеспечения качества и надежности микросхем на основе определения требований к процессам проектирования и производства; дополнение и обоснование системы отбраковочных испытаний, статистического контроля технологических процессов, ускоренной оценки работоспособности ИС по результатам физико-технической экспертизы элементов конструкции и кристалла, математических моделей оценки точности визуального контроля и надежностных характеристик микросхем на основе суперкристаллов.

Методы исследований.

В работе использованы методы системного анализа, теории вероятностей, математического моделирования, функционально-стоимостного анализа, математической статистики.

Научная новизна работы.

Научная новизна работы включает в себя следующие результаты:

1. Разработаны требования к информационному обеспечению, тестовым структурам, контроля параметров пластин, технологии, оценочных микросхем, библиотеке элементов.

2. Разработаны методики оценки качества микросхем по результатам физико-технической экспертизы.

Методики предусматривают:

· контроль качества корпуса и сборочных операций;

· контроль качества кристалла.

Приведена интегральная оценка качества физических структур.

3. Определены требования к процессам производства микросхем, включающие требования к комплектующим элементам, технологическому процессу, технологическому и контрольно-измерительному оборудованию.

4. Предложено дополнение и обоснование отбраковочных испытаний и возможность уменьшения планов контроля для функционально-сложных микросхем.

5. Разработан метод ускоренной оценки качества интегральных микросхем, основанный на результатах физико-технической экспертизы. Разработан рациональный алгоритм - маршрут проведения физико-технической экспертизы микросхем, предусматривающий диагностику по внешним выводам, контроль качества корпуса и сборочных операций, контроль качества кристалла.

6. На основе обобщения результатов исследований и анализа отказов микросхем установлены причинно-следственные связи между видами дефектов и механизмами их отказов, используемые при установлении параметров и критериев оценки качества микросхем. Установлены элементы конструкции, параметры и критерии оценки качества микросхем методом физико-технической экспертизы.

7. Разработана математическая модель определения эргономических характеристик оператора при визуальном контроле, не зависящая от свойств контролируемой партии.

8. Разработаны две математические модели расчета надежностных характеристик СБИС на основе суперкристаллов, вероятности выхода годных на этапе производства и вероятности безотказной работы на этапе эксплуатации. экспертиза качество микросхема

9. Дана оценка возможности и особенностей применения методов статистического контроля и регулирования технологических процессов.

10. Предложен метод статистического контроля и регулирования технологических процессов, основанный на использовании толерантных пределов, позволяющий осуществлять статистический контроль при поставке микросхем малыми партиями и прерывистом производстве.

Практическая значимость

Требования к информационному обеспечению позволяют осуществлять разработку стандартов предприятий по основным процессам разработки микросхем различной функциональной сложности и проектных норм.

Требования к процессам производства позволяют создать стандарты предприятия по основным процессам производства микросхем, в том числе по регламентации требований к технологическому процессу, комплектующим элементам, материалам, технологическому, испытательному и измерительному оборудованию.

Диагностический контроль в системе отбраковочных испытаний партий пластин используется в производстве для выявления потенциально ненадежных микросхем.

Метод оценки качества микросхем по результатам физико-технической экспертизы, алгоритм-маршрут проведения физико-технической экспертизы микросхем позволяет оценивать качество микросхем на всех этапах их жизненного цикла.

Методики физико-технической экспертизы позволяют оценивать качество элементов конструкции, технологии, структур, определить количественные значения параметров.

Причинно-следственные связи между видами дефектов и механизмами отказов используются при установлении системы параметров и критериев оценки качества микросхем, технологических операций, причин возникновения отказов.

Математическая модель определения эргономических характеристик оператора при визуальном контроле позволяет учитывать особенности (субъективные) оператора.

Математическая модель расчета вероятности выхода годных на этапе производства и вероятности безотказной работы на этапе эксплуатации позволяют проводить количественную оценку показателей надежности характеристик СБИС на основе суперкристаллов.

Оценка возможности и особенности применения методов статистического контроля и регулирования технологических процессов и качества микросхем позволяют использовать наиболее рациональные методы в реальных условиях производства.

Разработанный метод статистического контроля и регулирования, основанный на использовании толерантных пределов, позволяет осуществлять контроль и регулирование технологических процессов и качества микросхем в условиях прерывистого производства и малых объемов выпуска.

Теоретические и практические результаты работы использованы при создании отраслевых стандартов и руководящих документов ОСТ В 11 0998, ОСТ 11 0999, ОСТ 11 20.9926, ОСТ В 11 1009, ОСТ В 11 1010, ОСТ 11 14.1011, ОСТ 11 14.1012, ОСТ 11 1000, РД 22.12.174-94.

Достоверность результатов. Достоверность теоретических и экспериментальных результатов, разработанных моделей, подтверждается проверками на адекватность по экспериментальным данным, метрологической поверкой, сравнениями с зарубежными литературными данными, выступлениями и обсуждениями на конференциях и семинарах, ссылками и отзывами в отечественной печати.

Экспериментальные исследования проводились на современном отечественном и зарубежном оборудовании, специально разработанных стендах. Достоверность разработанных методик технологических процессов и установок подтверждается положительными технологическими испытаниями, экспериментальными образцами.

Внедрение результатов работы.

Основные результаты включены в 14 нормативных документов (включая 8 отраслевых стандартов), регламентирующих оценку качества микросхем (ОСТ В 11 0998, ОСТ 11 0999, ОСТ 11 20.9926, ОСТ В 11 1009, ОСТ В 11 1010, ОСТ 11 14.1011, ОСТ 11 14.1012, ОСТ 11 1000, РД 22.12.174-94 и др.) обсуждены на международной научно-технической конференции по информатике «Микроэлектроника и информатика» (Москва, Зеленоград, 1993 г.) и научно-практической конференции «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения» (Москва, 2004 г., 2005 г.).

Требования разработанных стандартов реализованы в стандартах предприятий разработчиков-изготовителей микросхем (ОАО «Ангстрем, ОАО «НИИМЭ и Микрон», г. Зеленоград, ФГУП «НПП «Восток», г. Новосибирск, ФГУП «НИИЭТ», г. Воронеж и других предприятий разрабатывающих и изготавливающих микросхемы.).

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Требования к процессам разработки, информационному обеспечению, тестовым структурам контроля параметров пластин, технологии, оценочным микросхемам, библиотеке стандартных элементов.

Требования к процессам производства и технологическому процессу.

2. Причинно-следственные связи между видами дефектов и механизмами их отказов, используемые при установлении параметров и критериев оценки качества микросхем, элементы конструкции, параметры и критерии оценки качества микросхем методом физико-технической экспертизы.

3. Дополнение системы отбраковочных испытаний пластин и микросхем в процессе производства.

Возможность уменьшения планов контроля при испытаниях микросхем повышенной функциональной сложности.

4. Модель определения эргономических характеристик оператора при визуальном контроле, не зависящая от свойств контролируемой партии.

Математические модели расчета надежностных характеристик СБИС на основе суперкристаллов, вероятности выхода годных на этапе производства и вероятности безотказной работы на этапе эксплуатации.

5. Метод статистического контроля и регулирования технологических процессов, основанный на использовании толерантных пределов, позволяющий осуществить статистический контроль при поставке микросхем малыми партиями и прерывистом производстве.

6. Метод и методики ускоренной оценки качества интегральных микросхем, основанный на результатах физико-технической экспертизы. Рациональный алгоритм-маршрут проведения физико-технической экспертизы микросхем, предусматривающий диагностику по внешним выводам, контроль качества корпуса и сборочных операций, контроль качества кристалла.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались на международных научно-технических конференциях "Микроэлектроника и информатика" и «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения».

Публикации.

Материалы исследований опубликованы в 48 трудах, в числе которых 28 печатных и 20 рукописных: изложены в 20 научно-технических отчетах по НИР и 13 статьях.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы. Объем диссертации 242 страницы машинописного текста. Работа содержит 21 рисунок и 5 таблиц. Список литературы включает 122 наименования.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, определена научная новизна, сформулированы защищаемые положения и отмечена практическая значимость работы.

В первой главе рассмотрена проблема ускоренной оценки качества микросхем. Приведены основные показатели качества (электрические параметры, процент выхода годных ИС, надежность и др.), которые могут быть использованы как параметры критерии качества. Отмечается, что данные показатели определяются совокупностью схемо-технологических, конструктивных и технологических решений. Требования к ним в большинстве случаев противоречивы, и количественная оценка качества микросхем затруднена. Предлагается проводить комплексную оценку качества ИС, для этих целей можно применять количественное значение физических параметров микросхем.

Указывается, что на всех этапах развития микроэлектроники основным методом оценки качества и одного из основных его показателей надежности являлись натурные испытания готовых ИС. При этом оценка качества состоит в проведении испытаний и последующей статистической обработке результатов испытаний.

Проведенный анализ показал, что по мере совершенствования ИС, расширения их функциональных возможностей натурные и известные ускоренные испытания на надежность становятся недостаточно эффективными и нецелесообразными. Возникают трудности экономического и технического характера.

Показано, что наиболее достоверную оценку качества ИС можно получить по результатам физико-технической экспертизы. Сущность экспертизы ИС состоит в выявлении физического состояния ИС, скрытых дефектов и предпосылок к отказам.

Объектом экспертизы являются технологические операции, тестовые структуры, элементы конструкции ИС: корпус, подкорпусной объем, кристалл и его стуктурно-топологическое исполнение, выводы и микросхема в целом.

Разработан алгоритм проведения физико-технической экспертизы, который приведён на рис. 1.

На основе анализа состояния проблемы оценки качества ИС определены важнейшие составляющие ускоренной оценки качества ИС, сформулированы основные задачи исследований в рамках настоящей диссертационной работы.

1. Установить взаимосвязь конструктивно-технологических требований с качеством ИС.

2. Исследовать влияние качества выполнения технологических операций и условий производства на качество микросхем.

3. Установить взаимосвязь дефектов и механизмов отказов микросхем с технологическими операциями. Осуществить выбор контролируемых параметров.

4. Разработать математическую модель определения эргономических характеристик оператора при визуальном контроле, не зависящую от свойств контролируемой партии.

5. Разработать требования к процессам разработки и производства микросхем.

6. Дополнить и обосновать систему отбраковочных испытаний партий пластин и микросхем.

7. Определить номенклатуру конструктивно-технологических характеристик ИС, элементов конструкции и кристалла и метода их физико-технического анализа.

8. Определить нормы оценки качества по конструктивно-технологическим характеристикам микросхем и элементам конструкции и кристалла.

Рис. 1 Алгоритм физико-технической экспертизы

9. Разработать методики физико-технической экспертизы.

10. На основе физико-технического анализа разработать новый подход к проведению ускоренных испытаний на влагостойкость.

11. Дать оценку возможности использования статистических методов контроля технологических процессов и рекомендации по их использованию.

12. Предложить метод статистического контроля технологических процессов изготовления микросхем для партий малого объема при прерывистом производстве.

13. Разработать две математические модели расчета надежностных характеристик СБИС на основе суперкристаллов, вероятности выхода годных на этапе производства и вероятности безотказной работы на этапе эксплуатации.

Вторая глава

Во второй главе содержатся требования к процедурам проектирования.

Главной задачей системы проектирования является обеспечение перевода требований технического задания в требования к материалам, элементам конструкции микросхем, технологии изготовления и производства партий микросхем, требования к полноте контроля, изготовления и испытаний микросхем.

При проектировании должно проводиться моделирование работы микросхем в условиях воздействия факторов, установленных в техническом задании для наихудшего сочетания факторов. Модели должны быть: обоснованы, апробированы, аттестованы, обеспечивать требуемую точность и реализовывать связь параметров моделей с режимами и условиями техпроцесса.

Проектирование технологии должно предусматривать моделирование и оптимизацию технологического процесса с целью снижения его чувствительности к изменению условий.

Процедуры проектирования должны предусматривать разработку необходимых тестовых структур находящихся в модулях рабочих или тестовых кристаллов для оперативной и достоверной оценки в процессе изготовления микросхем.

На этапе разработки должны быть разработаны, а на этапе производства проводится контроль тестовых структур, характеризующих возможные дефекты вызванные:

- деградацией под влиянием горячих носителей;

- электромиграцией;

- времязависимым пробоем диэлектрика;

- деградацией металлизированных дорожек и омических контактов.

Для оценки качества технологического процесса могут использоваться оценочные и демонстрационные схемы [17].

Типовые оценочные схемы должны соответствовать требованиям, установленным проектными нормами. Требования к электрическим нагрузкам и параметрам транзисторов и всех межсоединений должны устанавливаться по наиболее жесткому варианту нагрузки.

Разработчик обязан продемонстрировать возможность и стабильность всех операций, применяемых при контроле конструктивных, электрических и проектных норм.

Определены требования к техническим и программным средствам, информационному обеспечению. Разработчик должен иметь банки (базы) данных и знаний, позволяющих структурировать, накапливать и использовать информацию, необходимую для выполнения проектирования конструкции и технологии изготовления.

Приведены требования к информационному обеспечению разработчика.

Базы данных и знаний должны содержать:

- универсальные библиотеки, инвариантные к технологии производства:

- поведенческих моделей;

- фунционально-логических моделей;

- схемных и приборных моделей;

- топологических моделей;

- условных графических обозначений;

- библиотеку конструктивно-технологических функциональных элементов;

- стандартные приемы разбиения микросхемы на структурно-функциональные части;

- модели стандартных внешних факторов, воздействующих на микросхемы;

- методы преобразования внешних факторов, действующих на микросхему, в наборы нагрузок, действующих на конструктивно-технологический функциональный элемент (КТФЭ);

- стандартные значения нагрузок, действующих на КТФЭ и не влияющих на их работоспособность;

- перечень предельных значений нагрузок, приводящих к нарушению функций КТФЭ или микросхемы в целом;

- правила ранжирования нагрузок по значимости их влияния на функциональные запасы КТФЭ;

- библиотеку моделей, связывающих характеристики нагрузок со значениями конструктивно - технологических параметров КТФЭ;

- библиотеку стандартных механизмов отказов, включающую описание дефекта, условия возникновения дефекта, причины возникновения дефекта, условия и вероятность развития дефекта в отказ;

- методы обнаружения (контроля) дефектов;

- библиотеку стандартных конструктивно-технологических решений.

Определены требования к процессам производства:

· организации и управлению производством;

· обеспечению производства персоналом необходимой квалификации;

· обеспечению и управлению технической документацией;

· обеспечению производства технологическим, контрольно-измерительным, испытательным оборудованием и метрологическое обеспечение;

· обеспечению условий производства;

· обеспечению сырьем, материалами и комплектующими изделиями;

· обеспечению качества и управлению технологическим процессом изготовления микросхем;

· обеспечению идентификации и прослеживаемости изделий;

· организации проведения корректирующих воздействий;

· организации внутренних проверок системы качества;

· организации учета и анализу затрат на качество;

· системе статистического контроля и регулирования производства;

· программе обеспечения качества;

· организации обращения с готовой продукцией;

· организации обращения с продукцией не соответствующей требованиям нормативной документации;

· организации сбора, регистрации, обработки и хранения данных о качестве;

· организации технической помощи в применении микросхем;

· маркетинговая деятельность.

Важнейшим процессом производства, определяющим качество и надежность микросхем, является требование к обеспечению качества и управлению технологическим процессом изготовления микросхем.

Требования к технологическому процессу должны включать в себя, главным образом, требования к режимам проведения технологических операций, межоперационным параметрам и допускам на них.

Обобщение данных маршрутных карт, а также данных по причинно-следственным связям позволило определить нормы и допуска на параметры технологического процесса.

Определены основные технологические операции (формирование диэлектрических слоев, литография и травление, формирование переходов, получение металлических слоев и др.), требования к ним, методы контроля технологических процессов.

Требования к процессу производства и технологическому процессу включены в [20].

Результаты исследований надежности и анализа отказов микросхем подтверждают необходимость проведения отбраковочных испытаний.

Исследования эффективности различных видов испытаний показывают, что в состав отбраковочных испытаний необходимо включать: термовыдержку, визуальный контроль, контроль герметичности, механические и климатические воздействия, электротермотренировку, функциональный контроль и контроль параметров в диапазоне температур.

Дополнена и обоснована система отбраковочных испытаний.

Сто процентные отбраковочные испытания позволяют выявлять потенциально ненадежные микросхемы. Для подтверждения необходимости и достаточности состава отбраковочных испытаний проводится контроль функционирования, измерение электрических параметров в диапазоне температур, испытания на воздействие изменения температуры среды, электротермотренировка и др.

Для партии микросхем объема N, определено n видов дефектов, число отбраковочных микросхем будет а1, а2, а3 … аn, общая совокупность дефектных микросхем равна

, (2.1)

Показатели уровня качества на этапе проведения отбраковки равны

, (2.2)

Уровень выходного качества, может быть определен после проведения на N/ микросхемах следующих испытаний. Он определяется отношением:

, (2.3)

В качестве численного критерия оценки эффективности отдельных видов отбраковочных испытаний целесообразно взять улучшение выходного качества по сравнению с уровнем качества на момент отбраковочных испытаний.

Коэффициент эффективности можно выразить:

, (2.4)

где g1 - уровень качества на момент проведения отбраковки;

g2 - уровень качества после операции отбраковки.

Соответсвующие виды отбраковочных испытаний целесообразны, если доля отбраковываемых микросхем на последующих испытаниях уменьшается. Коэффициент эффективности более нагляно выражается зависимостью

, (2.5)

Повышение эффективности отбраковочных испытаний может проводиться за счет выбора жесткости воздействующих факторов, увеличения длительности воздействий или использования дополнительных критериев отбраковки.

Определена возможность уменьшения планов контроля качества для функционально сложных микросхем.

Любая микросхема, независимо от степени интеграции, содержит одни и те же конструктивно-технологические элементы, количество которых изменяется в зависимости от степени сложности микросхемы. Микросхема может быть представлена физико-статистической моделью нормирования сложности. Такая модель считается справедливой только для обоснования объемов выборок при испытаниях микросхем. Количество эквивалентных элементов строго связывается с количеством конструктивно-технологических элементов в микросхеме, а следовательно, и со степенью интеграции. Такая связь может быть достигнута для целей оценки качества микросхем, если предопределить, что один элемент модели заменяет собой совокупность единичных конструктивно-технологических элементов согласно равенству:

nэх = g1+g2+ … + gm+1= 1, (2.6)

где nэх =1 - эквивалентный элемент;

g1,g2 …gm - удельные веса отказов или частота отказов конструктивно-технологических элементов

Тогда общее число niх эквивалентных однотипных элементов, нормированных по числу отказов, для i- микросхемы любой сложности будет определяться формулой

niх= g1Ni1+ g2Ni2+ …+ gmNim, (2.7)

,

где Nj(N1,N2…Nm) - количество конструктивно-технологических элементов в j-ом направлении;

-

общее число конструктивно-технологических элементов в микросхеме

Для микросхем с большей степенью интеграции должен подтверждаться не меньший уровень надежности, чем для исходной микросхемы. Это может быть обеспечено испытанием выборки с общим количеством эквивалентных элементов не менее nох nо.

Таким образом для одних и тех же условий и режимов испытаний можно записать

niх ni= nох nо ,

что позволяет определить объем выборки для i - микросхемы по формуле

 (2.8)

, (2.9)

Например, для проведения кратковременных испытаний на безотказность микросхем первой и второй степени интеграции объем выборки составляет 80 штук, а для микросхем восьмой степени интеграции - десять.

Третья глава посвящена исследованиям по определению элементов конструкции и кристалла, параметров и критериев ускоренной оценки качества микросхем.

Важнейшее значение в обеспечении надежности ИС имеет задание и реализация конструктивно-технологических требований. Рассмотрено влияние на надежность ИС конструкции, элементов микросхем, подложки, качества термокомпрессионных соединений, фоторезиста, пассивации окисла, металлизации, корпуса и др. Не соблюдение требований к конструктивно-технологическим решениям приводит к возникновению различных видов дефектов. Так, например, наличие кислородных выделяющихся фаз в кристалле может привести к чрезмерным токам утечки. Недостаточная толщина фоторезиста приводит к трещинам под действием напряжения. Смещение масок может привести к разрывам в цепях. Чрезмерное напряжение в процессе термокомпрессии может привести к появлению трещин в контактных площадках. Проколы в фоторезисте приводят к коротким замыканиям. Расширение областей диффузии вызывает более низкое пробивное напряжение р-n переходов.

Исследована взаимосвязь видов дефектов и механизмов отказов микросхем с технологическими операциями: термокомпрессией, фотолитографией, диффузией имплантацией, окислением, металлизацией.

Исследовано влияние качества материалов на надежность микросхем. Наибольшее влияние на надежность микросхем оказывают полупроводниковые материалы, фотошаблоны, корпуса.

Приведены аналитические соотношения по предельному отклонению значений удельного сопротивления по торцу слитка и площади пластины. В качестве критериев эффективности проектирования, а также качества выполнения технологических операций, обработки исходных материалов предложены: однородность распределения удельного сопротивления по площади пластины; однородность распределения времени жизни неосновных носителей заряда в слитках и пластинах монокристаллического кремния; удельное сопротивление и толщины эпитаксиальных слоев в кремниевых однослойных эпитаксиальных структурах; время жизни неосновных носителей заряда в эпитаксиальных слоях. Стабильность параметров ИС во многом определяется содержанием кислорода в кремнии, попадание которого возможно вследствие взаимодействия расплава с тиглем.

На основании обобщения материалов влияния реализации конструктивно-технологических требований, взаимосвязи видов дефектов и механизмов отказов микросхем с технологическими операциями, качества материалов на качество ИС, а также анализа отказов микросхем, установлены причинно-следственные связи между видами, дефектами, характером их проявления, механизмами и причинами отказов ИС, которые целесообразно использовать при установлении параметров, критериев оценки качества микросхем при их физико-технической экспертизе.

Переход к БИС существенно влияет на распределение отказов, т. к. происходит уменьшение топологических размеров элементов. Уменьшение геометрических размеров элементов делает необходимым уменьшение электрических напряжений, толщины слоя окисла и металлического слоя, глубины диффузии и увеличение легирования. Это способствует возникновению различных типов отказов: кристаллографические дефекты, пробой окисла, электропережоги металлизации; коррозии металлизации.

Для достижения высокого качества, снижения стоимости и сокращения времени разработки должен быть изменен подход к организации создания БИС, заключающийся в том, чтобы перейти от решения проблем к предупреждению их возникновения, от нормирования количественных показателей надежности к снижению количества отказов и других проявлений ненадежной работы, от автоматизации отбраковки дефектных изделий к исключению возможности появления дефектов за счет использования методов физико-технической экспертизы микросхем.

Для количественного сертифицирования оператора при визуальном контроле целесообразно использовать математическое ожидание Дc и "порога" принятия решения оператором. В основе определения этих метрологических характеристик лежит процедура разбраковки им некоторой контрольной партии изделий по двум производственным нормам Yп1 и Yп2.

В этом случае величины ?С и определяются по формулам, полученным на основании выражений для рисков поставщика и заказчика (12, 21):

, (3.1)

,

exp (-) = 2 Z F (Z),

где Z - решение уравнения: а 12 (ХП1), 21 (ХП2), W (ХП1), W (ХП2) - апостериори известные значения рисков и коэффициента выхода годных изделий при разбраковке оператором контрольной партии.

Достоинство метрологических характеристик ?С и - возможность оценки точности операторов визуального контроля при работе с произвольными партиями изделий и, как следствие этого, возможность сравнения и профессионального отбора операторов, оценка эффективности их работы в течение смены и от смены к смене, прогноз последствий работы операторов.

Четвертая глава посвящена исследованиям по определению номенклатуры конструктивно-технологических характеристик микросхем, тестовых структур и метода их физико-технического анализа, разработке математических моделей расчета надежностных характеристик СБИС на основе суперкристаллов.

Параметры, предусмотренные техническими условиями (ТУ) для контроля качества ИС не в полной мере определяют их физическое состояние характеризующее надежность.

ИС со скрытыми дефектами, возможно, выявить при контроле дополнительных параметров путем сравнения с их усредненными значениями.

По характерным признакам и параметрам состояния, а также по показателям развития деградационных процессов, ряд методов позволяет определить виды и причины возникновения дефектов, приводящих к отказам ИС.

В ИС возможны дефекты элементов конструкции и кристалла, которые не выявляются при контроле параметров по ТУ и дополнительных. Для выявления ИС с такими дефектами предложено проводить оценку качества методом физико-технической экспертизы.

Комплексная физико-техническая экспертиза ИС заключается в системной оценке качества их проектирования и изготовления физико-техническим методом.

Цель экспертизы состоит в выявлении физического состояния ИС, скрытых дефектов и предпосылок к отказам.

Микросхемы характеризуются большим числом элементов конструкции и кристалла, параметров и критериев. Контроль качества по всем параметрам достаточно трудоемкий, длительный и дорогой. Необходимо найти определяющие параметры-критерии годности, по которым и следует проводить оценку качества ИС.

Выявление критичных и определяющих параметров предложено осуществлять на основе использования причинно-следственных связей между видами дефектов, характером их проявления и причинами отказов ИС.

Важным вопросом является правильное установление норм на параметры.

Основываясь на экспериментальных исследованиях по установлению причинно-следственных связей, определены элементы конструкции и кристалла, параметры и критерии, нормы на них для оценки качества ИС.

Физико-техническая экспертиза при контроле корпуса и сборочных операций включает контроль:

герметичности, состава среды, содержания паров воды и проводимости, коррозионной стойкости металлизации;

качества сварных соединений, покрытия, тестовых характеристик, качества металлизации.

При контроле качества кристалла осуществляется: проверка совмещения слоев;

контроль термостабильности диэлектрика;

оценка состава и дефектности диэлектрика;

контроль элементного состава, стабильность металлизации и электромиграции, времени жизни неосновных носителей заряда, распределения потенциалов.

При анализе результатов физико-технической экспертизы можно использовать метод статистического выборочного контроля, как наиболее точного при контроле по количественному признаку, Существуют выражения для расчета необходимого объёма выборки (z) по заданным рискам поставщика и заказчика, допустимым и недопустимым долям дефектных изделий в принятой партии.

Одним из главных факторов, определяющих эффективность ФТЭ, является разработка рационального маршрута проведения экспертизы.

Для выбора рационального маршрута Мопт предлагается использовать критерии:

, (4.1)

где z - число ИС, используемых для проведения ФТЭ;

F(Mi) - функция эффективности i-го маршрута ФТЭ;

Pд, i - статистическая вероятность обнаружения скрытых дефектов при реализации i-го маршрута ФТЭ;

Е - множество методов, которые могут быть применены для ФТЭ

заданного типа СБИС:

Мi Е - вектор, характеризующий i-ый маршрут ФТЭ.

, (4.2)

где nд,j - среднестатистическое нормированное число обнаруженных скрытых дефектов при использовании на данном предприятии j-го метода ФТЭ (отношение числа обнаруженных дефектов к общему числу СБИС, прошедших ФТЭ).

Применение критерия (4.1) возможно при наличии достаточного количества статистических данных по применению метода ФТЭ. Реализация указанного критерия предполагает выполнение последовательно трех принципов формирования маршрута ФТЭ:

1. Включение в маршрут методов, наиболее информативных для данного типа ИС.

2. Приоритетность активных методов исследований над пассивными с целью выявления наибольшего количества скрытых дефектов.

3. Приоритетность неразрушающих методов испытаний над разрушающими с целью минимизации числа ИС, требуемых для проведения ФТЭ.

Разработанный маршрут проведения физико-технической экспертизы, предусматривает диагностику по внешним выводам, контроль качества корпуса и сборочных операций, контроль качества кристалла.

Сокращённый маршрут физико-технической экспертизы приведён в таблице 1. Полная схема маршрута приведена в диссертации.

Предложена методика комплексной физико-технической экспертизы микросхем, заключающаяся в системной оценке качества их проектирования и изготовления методом физико-технической экспертизы, оперативном определении физического состояния ИС на всех стадиях их жизненного цикла, включая этапы приемки НИОКР.

Предложен порядок проведения физико-технической экспертизы. Приведена процедура контроля статических, динамических и дополнительных параметров, диагностики по элементам и структурам, контроля качества кристалла.

При оценке качества СБИС методом физико-технической экспертизы, целесообразно определить такие показатели конструктивно-технологического уровня микросхем, как выход годных на этапе производства и вероятность безотказной работы на этапе эксплуатации.

В работе предложено для оценки этих характеристик СБИС на основе суперкристалла, представить микросхему в виде системы резервирования различного типа (с горячим и скользящим холодным резервом). В результате получены математические модели оценки вероятности выхода годных суперкристаллов с архитектурой «Однородная вычислительная среда» (ОВС) этапе производства:

 (4.3)

где - плотность дефектов на поверхности суперкристаллов;

nT - количество транзисторов в одном процессорном элементе;

Sn - площадь одного транзистора;

Nc - число строк в суперкристалле;

Mc - число основных процессорных элементов (ПЭ) в строке;

m - число резервных ПЭ в строке.

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Рис. 2

Аналогично получена модель расчета вероятности безотказной работы суперкристалла на этапе эксплуатации:

 (4.4)

m" - число резервных ПЭ в строке, оставшихся незадействованными на этапе производства;

P1 - вероятность безотказной работы одного ПЭ;

Pпр - вероятность подключения резервного ПЭ;

С - число сочетаний.

В результате исследований показано, что введение резервных процессорных элементов позволяет существенно увеличить его выход годных. При этом предложенный вариант группового резервирования с этой точки зрения является наиболее эффективным. Определено, что при такой системе резервирования возможно получение вероятности безотказной работы суперкристалла превышающей величину вероятности безотказной работы процессорных элементов, входящих в его состав.

Пятая глава посвящена систематизации и разработке методик физико-технической экспертизы и использование ранее разработанных методик для оценки качества и надежности микросхем.

1. Методики диагностики микросхем по внешним параметрам.

Оценка стойкости микросхем к электрическим перегрузкам, анализ причин снижения электрической прочности микросхем и возникновения отказов, связанных с пробоями и утечками.

2. Методики контроля качества корпуса и сборочных операций:

- контроль газового состава подкорпусного объема микросхем с использованием масс-спектрометра;

- методика контроля элементного состава тонких диэлектрических и металлических слоев микросхем и качества золотого покрытия элементов корпуса;

- контроль теплового сопротивления микросхем;

- методика оценки стойкости алюминиевой металлизации микросхем к коррозии;

- методика контроля поверхностных и подповерхностных дефектов с помощью акустического микроскопа.

3. Методики контроля качества кристалла:

- методика оценки качества физической структуры микросхем с помощью параметрического тестового контроля;

- методика контроля толщины полупроводниковых и диэлектрических слоев с помощью микроспетрофотометра-толщинометра;

- методика контроля пористости защитного диэлектрика на микросхеме;

- методика контроля распределения потенциалов;

- методика контроля термостабильности подзатворного диэлектрика в металл-диэлектрик-полупроводник (МДП) структурах;

- методика контроля линейных размеров топологических элементов;

- методика измерения времени жизни неравновесных носителей заряда в кристаллах высокоомного монокристаллического кремния.

Шестая глава посвящена рассмотрению методов статистического контроля с учетом особенностей производства, возможности использования метода физико-технической экспертизы для ускоренной оценки влагостойкости микросхем и других воздействующих факторов и разработке методики экономической эффективности физико-технической экспертизы микросхем.

Проведен анализ методов статистического контроля. Даны рекомендации о возможности применения статистического контроля и регулирования технологического процесса с учетом особенностей производства.

Показана возможность использования коэффициента смещения для достижения технического или экономического результатов.

Приведен метод статистического контроля технологических процессов изготовления интегральных микросхем для партий малого объема при прерывистом производстве.

В отличие от других методов статистического контроля, данный метод позволяет осуществлять управление технологическим процессом (ТП) при достаточно ограниченном объеме статистических данных и может быть применен, если объем выборки составляет не менее 5 контролируемых точек (n 5).

При нормальном распределении значений контролируемого параметра верхняя Xв и нижняя Xн толерантные (допустимые) границы определяются по формуле:

, (6.1)

где и Sj - среднее арифметическое и среднее квадратическое отклонение по результатам испытаний выборки:

K = Kn (, P)-

коэффициент, зависящий от уровня доверительной вероятности (достоверности) , при доле Р значений параметра, попадающих в определяемые границы при объеме выборки nj.

Таким образом, из формулы 6.1 видно что, при двухстороннем ограничении на параметр ширина толерантных границ прямо пропорциональна выборочному значению среднего квадратического отклонения и тем меньше, чем больше объем выборки.

После проведения расчета толерантных границ для каждой партии осуществляется сравнение полученных значений и результатов измерений с нормами на параметр.

Разработанные методики ФТЭ могут быть использованы для ускоренной оценки влагостойкости интегральных микросхем в герметичных металлокерамических, керамических, металлостеклянных и стеклокерамических корпусах, имеющих свободный внутренний объем.

Вместо известного способа проведения длительных испытаний на влагостойкость в течение 56 суток была проведена оценка влагостойкости в течение 10 часов, по величине количества водяных паров в подкорпусном объеме (не более 5000 ppm) и оценке коррозионной устойчивости металлизации (по величине (локальной) коррозии).

Рассмотрена возможность использования методов физико-технической экспертизы для других внешних воздействующих факторов, в том числе длительных испытаний на долговечность в электрическом режиме при повышенной температуре, а также используемых в настоящее время ускоренных испытаний в форсированных режимах. При этом физико-техническими методами проводится оценка старения "горячих" носителей, электромиграции, зависимости пробоя диэлектрика от времени.

Показано, что методами физико-технической экспертизы возможно проводить оценку правильности разработки по величине тепловых полей и электрических потенциалов. Если указанные характеристики не превышают установленных критериев, то микросхема спроектирована правильно и ее конструкция будет обеспечивать требуемые условия эксплуатации.

Показано, что проведя физико-техническую экспертизу элементов конструкции микросхемы и микросхемы в целом можно определить ее устойчивость к внешним воздействующим факторам, оценить качество.

При подтверждении результатов физико-технической экспертизы результатами натурных испытаний можно в дальнейшем процессе производства микросхем отказаться от проведения натурных, длительных дорогостоящих испытаний.

Предложена методика экономической эффективности физико-технической экспертизы микросхем путем сопоставления затрат на проведение физико-технической экспертизы с затратами, связанными с испытаниями по выявлению качества ИС традиционными натурными методами. Приведены соответствующие аналитические выражения.

В приложении приведены акты внедрения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Поставленная в работе задача по ускоренной оценке качества микросхем методами физико-технической экспертизы решалась на основе теоретических и экспериментальных исследований, включающих:

- исследования влияния взаимосвязи и реализации конструктивно-технологических решений на качество микросхем;

- исследование и выявление взаимосвязи видов дефектов и механизмов отказов микросхем с качеством технологических операций и применяемых материалов;

- разработку требований к процедурам проектирования, информационному обеспечению, тестовым структурам контроля параметров пластин, технологии, оценочных, демонстрационных и рабочих микросхем, библиотеке элементов и проектным нормам;

- разработку требований к процессам производства, технологическому процессу изготовления микросхем;

- разработку математической модели оценки точности визуального контроля при физико-технической экспертизе микросхем;

- дополнение и обоснование оптимальной системы отбраковочных испытаний;

- определение возможности уменьшения планов контроля при испытаниях микросхем повышенной функциональной сложности

- определение номенклатуры конструктивно-технологических характеристик микросхем, элементов, тестовых структур и метода их физико-технического анализа;

- разработку надежностных характеристик СБИС на основе суперкристаллов;

- установление параметров, критериев и норм оценки качества микросхем по конструктивно-технологическим характеристикам и тестовым структурам;

- разработку порядка и маршрута физико-технической экспертизы микросхем;

- разработку и использование ранее разработанных методик для физико-технической экспертизы микросхем;

- проведение комплексной физико-технической экспертизы микросхем;

- проведение ускоренной оценки качества микросхем;

- рассмотрения возможности использования предлагаемой методики ускоренной оценки качества микросхем для других внешних воздействующих факторов и в целом оценки качества микросхем;

Теоретические и физические исследования базируются на экспериментальных исследованиях причинно-следственных связей дефектов и отказов микросхем с конструктивно-технологическими характеристиками, технологическими операциями, качеством материалов (статистических обобщений за многие годы проведения анализа отказов микросхем).

2. В результате экспериментальных исследований установлены:

- метод статистического контроля технологических процессов изготовления микросхем для партий малого объема при прерывистом производстве;

- влияние конструктивно-технологических решений, технологических операции, качества материалов на качество ИС. Наибольшее влияние на качество микросхем оказывают: технологические операции термокомпрессия и фотолитография, полупроводниковые материалы, фотошаблоны, корпуса.