6. Механизмы деградации элементов структуры бис и сис. Факто­ры, влияющие на выход годных кристаллов

6.1. Модели деградации элементов структуры БИС                            

Роль точечных дефектов в выхо­де годных. Модели процессов деградации элементов структуры БИС, приводящих к снижению выхода годных. Отказы тонкопленочной металлизации. Технические средства анализа качества твердотельных структур. Увеличение выхода годных кристаллов БИС с резервной компоновкой. Технологические проблемы повы­шения выхода годных и основные пути их решения.

Среди причин снижения процента выхода годных выделяются три группы факторов:

– Факторы проектирования,

– Технологические,

– Случайные (точечные и линейные дефекты на пластине).

Наличие факторов проектирования объясняется  тем, что на этапе проектирования сложно предусмотреть влияние конструктивно- технологических погрешностей на целом блоке операций. Поэтому одинаковые отклонения, например, протяжённости областей или толщины различных диффузионных или ионно-легированных слоёв приводят к различному влиянию на статические и динамические характеристики микросхемы. В частности, отклонения размеров приконтактных слоёв меньше влияют на характеристики ИМС, чем отклонения длины затворов МОП БИС.

Технологические факторы в значительной степени связаны с распределением макронапряжений в многослойной структуре подложка-плёнка. Они возникают вследствие изменения удельного объёма плёнки SiO₂ по отношению к исходному Si. Поэтому при проведении операций окисления размер пластины может изменяться до 0,002%, что для пластины диаметром 150 мм означает изменение её размера на 3 мм. Тогда возникают погрешности совмещения, которые, как правило, выше на периферийной части. 

Другой пример технологических факторов связан с недостаточным качеством операций очистки. Остающиеся на поверхности химические реактивы могут вызывать повышение токов утечки и приводить к отбраковке кристаллов.

Рекомендуемые материалы

К случайным причинам относится попадание пыли (частичка пыли размером 3 мкм может привести к обрыву проводника шириной 2мкм). Твёрдые частицы могут присутствовать в растворах фоторезистов, а также попадать на поверхность в виде отколовшихся кусочков при манипулировании с пластинами на стадии их загрузки-выгрузки, контроля и др.

Выход годных ИМС можно представить в следующей форме:

g = g₀ × g₁ × (D₀, S, a_i),

где g - отношение числа годных кристаллов к общему числу кристаллов на пластине,

       (1 - g₀) – доля дефектных кристаллов, обусловленная технологическими факторами или чувствительностью схемы к технологии,

       g₁ – выход годных кристаллов из оставшейся части кристаллов,

       D₀ – плотность точечных дефектов на единицу площади,

       S – площадь кристалла,

       a_i – параметры выбранной модели выхода годных кристаллов.

Величина процента выхода годных по мере совершенствования технологии постоянно повышается.

Операции сухого травления вносят меньше дефектов, чем жидкостного, проекционная литография – меньше, чем контактная, ионное легирование – меньше, чем диффузия и т.д.

Классический пример распределения точечных дефектов по пластине – распределение Пуассона:

P_k = e ^{- m} m^k / k!,

где P_k – вероятность того, что данный кристалл содержит k дефектов,

       m = n / N (n – число дефектов на пластине, N – число кристаллов на пластине).

Оно использовалось при оценке процента выхода годных на ранних этапах развития технологии микроэлектроники. Однако для БИС оно даёт заниженные результаты из-за неточного представления величины D.

В настоящее время используется гамма-распределение плотности точечных дефектов D:

f(D) = 1 / [Г(a) × b^a] × D^a-1 × e^-D/b,

где a и b - параметры распределения,

      Г(a) – гамма-функция.

В предельном случае гамма-распределение сводится к дельта-функции, т.е.

f(D) = d (D – D₀).

Для БИС с резервными компонентами, которые включают для замены дефектных компонентов при помощи плавких перемычек, выход годных определяется как:

g₁ = P₀ + h×P₁,

где P₀ – вероятность отсутствия дефектов в кристалле,

      P₁ – вероятность того, что кристалл содержит один дефект,

      h - вероятность того, что кристалл, содержащий один дефект, может быть восстановлен при использовании резервной копии.

Имеются также поправочные функции, учитывающие радиальное изменение плотности дефектов D, когда D изменяется по закону:

D( r ) = D₀ + D_R×e ^(r-R) / L,

где D₀ – плотность дефектов в центре пластины,

      r – радиальная координата,

      R – радиус пластины,

      L – характеристическая длина, зависящая от дефектности краевых областей.

Для СБИС характерной чертой технологии стала индивидуальная обработка пластин. Кроме того, полное число операций процесса их изготовления достигает 400-500. С целью исключения в этой связи случайных погрешностей со стороны технологов и операторов требуется внедрять автоматизированную систему контроля качеством.

При этом следует учесть, что для эффективной работы такой системы необходимо обеспечить сбор и обработку огромного количества результатов измерений и другой информации. Она должна быть точной, своевременной и допускать быструю обработку.

АСУ КК и УТП может включать в себя следующие элементы:

– маршрут движения данных в процессе их набора и построения модели;

– маршрут их сбора и автоматизированного управления ТП;

– комплект программ по обработке результатов контроля, паспортизация партий пластин, операций и др.;

– массив данных контроля пластин и режимов оборудования;

– комплекс программ по отслеживанию условий работы оборудования;

– математическая модель технологического процесса;

– состояние ТП на конкретной партии пластин;

– сигнальные сообщения о сбоях в работе оборудования;   

– ввод данных о проценте выхода годных;

– управляющие директивы ЭВМ о режимах ТП по конкретным партиям;

– автоматизация по месту контроля;

– неавтоматизированные места контроля (данные измерений заносятся в сопроводительный лист, а затем с него вводятся в память ЭВМ);

– данные о технологическом оборудовании;

– данные контроля конструктивных параметров и электрических характеристик пластин;

– данные о режимах технологических операций;

– данные о надёжности оборудования.

Функционирование АСКК и УТП. Её работа основана на использовании статистических методов регулирования и управления. Построена на основе математической модели выхода годных ИМС. Входными данными являются результаты контроля параметров и режимов операций технологического процесса.

Использование этой системы позволяет обеспечить системный подход к технологии, что означает следующее:

– качественно оценивать состояние технологического процесса;

– в кратчайшие сроки выбирать требуемые мероприятия по управлению производством;

– существенную помощь в анализе брака и его причин (на какой операции);

– получение ИМС с заданными выходными параметрами.

Вследствие различия степени автоматизации технологических операций и по мере её улучшения система создавалась в течение некоторого периода, в котором можно выделить следующие этапы:

– организационное обеспечение системного контроля технологического процесса, т.е. контроль режимов на всех операциях, геометрических размеров формируемых элементов и фрагментов твёрдотельных структур, учёт особенностей оборудования, влияния персонала и т.д.;

– паспортизация технологического процесса производства конкретного вида ИМС, т.е. получение паспортов партий с указанием участков, смен и других характеристик по результатам контроля;

– разработка и внедрение контрольных карт, характеристик воспроизводимости технологического процесса, определение технологических запасов, контроль временных тенденций ухода выходных параметров;

– разработка программ корреляционного анализа (связь контрольных параметров с выходом годных);

– разработка программ построения графических зависимостей, программ выявляющих тенденции в использовании оборудования и программ, сигнализирующих об аварийном состоянии оборудования;

– разработка программ создания массивов данных, приводящих в соответствие контрольные параметры пластин с режимами технологических операций;

– построение математических моделей оптимального технологического процесса, т.е. определение сочетаний контролируемых параметров, технологических режимов, обеспечивающих планируемый выход годных кристаллов и ИМС в целом;

– разработка программ, описывающих партии по маршруту, сравнение результатов текущего контроля с оптимальной моделью и выдача рекомендаций о режимах последующих операций технологического процесса.

Использовать АСКК и УТП можно также на этапе проектирования новых изделий, опираясь на ранее созданные аналоги. При этом можно обеспечить минимальный дрейф выходных параметров изделия за счёт выбора рабочей зоны входных параметров. Кроме того, можно оптимизировать технологические параметры по отношению сигнал / шум. Система может служить основой для создания комплексного автоматизированного производства ИЭТ.

Комплексно-автоматизированной (механизированной) производственной системой называют комплекс, имеющий общую производственную программу и представляющий собой совокупность как минимум двух автоматических (комплексно-механизированных) линий, связанных материально-транспортными потоками и объединённых общей автоматизированной системой управления (технологией и производством в целом).

         Поточной линией называют совокупность основного и вспомогательного технологического оборудования и технологических приспособлений, в которой операции переработки или сборки выполняемые с участием оператора, закреплены за определённым оборудованием или рабочими местами. При этом последовательность расположения оборудования или рабочих мест соответствует последовательности операций технологического процесса. 

Комплексно-механизированной называют поточную линию, в которой все основные операции выполняются механизмами с взаимно  увязанной производительностью. Транспортные операции механизированы.

Автоматической называют поточную линию, в которой операции выполняются без постоянного участия оператора. Он может лишь участвовать в управлении технологическим оборудованием. Действуют только наладчики.

Основой для построения комплексно-автоматизированной (механизированной) производственной системы является технологический процесс. Он представляется рядом последовательных операций j = 1, 2, 3 … n, между которыми располагаются контрольные операции i = 1, 2, 3 … m.

Контрольная операция выявляет брак на группе технологических операций, при этом определяется процент выхода годных:

a_j =  N _{вых j} / N _{вх j.}

Общий процент выхода годных изделий определяется по формуле:

b  = a₁ * a₂ * … * a_j.

Если известна годовая программа выпуска изделий, то зная существующие проценты выхода годных, можно определить количество приборов, которые должны поступить на каждую операцию, и – в целом объём запуска.

При выборе рациональной структуры данной системы главенствующими являются общие параметры технологического процесса, в частности следующие: изменение объекта обработки, например, переход от пластины к кристаллу.

При этом скачкообразно изменяется групповой коэффициент обработки и величина рабочего цикла; технологические особенности процесса, в том числе наличие технологического единства, общих методов обработки, позволяющие связать оборудование  в единый комплекс или линию с единой конечной целью, завершающейся созданием объекта, поддающегося контролю параметров и хранению.

6.2. Выявление и отбраковка БИС и СИС со скрытыми дефектами    

Параметрический контроль БИС и СИС. Коэффициенты чувствительности выходных параметров БИС и СИС к внутренним дефектам. Определение границ области функционирования БИС и СИС. Показатели безотказности БИС и СИС. Влияние внутрисхемных утечек на характеристики базового вентиля цифровых БИС и СИС.

Известные методы отбраковки БИС при пониженном напряжении питания обычно не обеспечивает высокой вероятности отбраковки БИС, имеющих встроенные каналы токовых утечек.

При снижении напряжения питания (U_CC) нелинейность сопротивления утечки резко возрастает, начиная с некоторого значения напряжения питания, и его влияние на выходные параметры усиливается. Для каждой БИС существует индивидуальное значение U_CC, при котором начинается экспоненциальное увеличение сопротивления утечки. В этой ситуации исходят из тех соображений, что наиболее информативным параметром исследуемой выходной характеристики является напряжение, соответствующее точке экстремума (максимальной кривизны) зависимости.

При практической реализации так называемого метода второй производной напряжение питания должно изменяться во времени по линейному закону:

U_CC = U_CCH – λ¹ t,

где   U_CCH - номинальное напряжение питания, В;

t - время, с;

λ¹ - скорость изменения напряжения питания, U_CC,В/сек.

Для избежания влияния переходных процессов в цепях БИС на результат измерений, на практике достаточно установить λ¹ = 1 B/c, что соответствует возможностям стандартного измерительного оборудования.

Поскольку напряжение логического нуля является функцией напряжения питания:

U_0L = F(U_CC),

то можно выполнить следующие преобразования:

dU_0L/dt = (dU_0L/dU_CC)∙dU_CC/dt = – λ¹dU_0L/dU_CC.

Отсюда получим выражение для второй производной в виде:

U_0L / t² = λ²∙U_0L / U_CC.

Следовательно, вторая производная от напряжения логического нуля по напряжению питания связана со второй производной по времени линейной зависимостью. Положение экстремума второй производной, определенное по напряжению питания и по времени, связаны соотношением:

U^мах_СС = U_CCH – λ¹t_м,

где   t_м - момент времени, соответствующий максимуму функции

U_0L / t² = F(U_CC).

На рисунке 6.1 представлен алгоритм методики.

Рисунок 6.1 – Алгоритм методики контроля методом второй производной параметра U_0L

Последовательность реализации этого алгоритма:

1. Измерение на контролируемых выводах значений параметра U_0L при номинальном напряжении питания U^ном_СС = 5 В.

2. Определение скорости (l¹) и шага  снижения U_CC (для БИС серии К1533 оптимальная величина ΔU_CC = 0,01B).

3. Набор результатов измерений U_0L1, U_0L2, … U_0LM при каждом шаге снижения напряжения питания.

4. Вычисление величины  dU_0L /dU_CC,  d²U_0L / dU²_CC по формулам:

        dU_0L / dU_CC = (U_LМ – U_LМ-1) / ΔU_CC,

         d²U_0L / dU²_CC = U_LМ-2U_LМ-1 + U_LМ-2.

5. Определение напряжения питания U^мах_CC, соответствующего экстремуму зависимости

d²U_0L / dU²_CC = F(U_CC).

6. Разбраковка партии БИС по величине критерия U^мах_СС.

Численные значения критерии разбраковки U^мах_СС определяются для каждого типа БИС следующим образом. Формируется выборка, включающая БИС различных технологических партий, в количестве не менее 500 шт. для каждого типономинала БИС. Каждой БИС осуществляются замеры величин U^мах_CC. Проводятся термоциклирование всей выборки БИС. Через каждые 5 циклов на каждой БИС измерялось значение величины U^мах_СС. Годными считались БИС, у которых математическое ожидание контролируемого параметра после 20 термоциклов оставалось неизменным.

Для оценки достоверности разработанной методики на практике был проведен ряд экспериментальных исследований серийных ТТЛШ БИС типа К1533.

Прежде всего, проведено исследование влияния термоциклов (-60°С … + 125°С) на величину выбранного информативного параметра U^мах_СС для БИС К1533ИЕ7 (выборка n = 750 шт.).

В результате  проведения анализа  влияния  температуры  на величину   U^мах_СС были обнаружены факты как обратимых, так и необратимых изменений значений U^мах_СС. Установлено, что стабильность критических напряжений питания связана с наличием конкретных скрытых дефектов. Возрастание величины U_CCМ для последних связано с увеличением внутрисхемных утечек по дефектам в процессе испытаний. БИС, у которых U_CCМ < 2,9 В характеризуются повышенной надежностью. В результате подтвердилось, что отбраковка по методу второй производной выходной характеристики U_0L = F(U_CC) обладает высокой корреляцией с температурными испытаниями.

Более масштабные экспериментальные исследования разработанной методики, представленной в виде алгоритма на рис.3., были реализованы с использованием ряда БИС серии 1533, для чего были выбраны различные типы БИС средней и большой степени интеграции – счетчики, делители, сдвиговые регистры:

К1533ИЕ6 – двоично-десятичный реверсивный счетчик;

К1533ИЕ7 – четырехразрядный двоичный реверсивный счетчик;

К1533ИЕ8 – делитель частоты с переменным коэффициентом деления;       

К1533ИР1 – сдвиговый регистр.

Была принята следующая последовательность эксперимента:

1. На входном контроле отбирались БИС, отбракованные при контроле статических параметров при крайних значениях рабочих температур с фиксацией температуры отказа.

2. Проводилось повторное измерение отобранных схем методом второй производной при той температуре, при которой они были забракованы, с выводом значений контролируемых параметров на печатающее устройство.

Лекция "22 Понятие и виды преступлений против здоровья населения" также может быть Вам полезна.

3. Отбирались БИС, забракованные по параметрам U_0L,U_0H, и на них в нормальных условиях проводились измерения статических параметров с целью отбраковки тех из них, которые показали отказы  при  комнатной температуре. Иначе говоря, для эксперимента отбирались БИС, не удовлетворяющие техническим условиям на границах температурного диапазона, но годные в нормальных условиях.

4. После этого осуществлялся контроль выходных напряжений U_0L,U_0H, а также контроль функционирования отобранных схем по специальной диагностической измерительной программе в нормальных условиях при варьировании величины напряжения питания.

5. По распечаткам контролируемых параметров определялась та область допустимого изменения U_CC, в которой дефектная БИС еще является «годной». При этом за критерий отбора принималось условие U_CCМ < 2,9В.

Одновременно проводилось измерение по той динамической программе БИС контрольной группы того же типа, но полностью годных по всем критериям выходного контроля.

Количество БИС исследуемой группы (дефектные БИС), отказавших в нормальных условиях, увеличивается при уменьшении напряжения питания. Отбраковка БИС контрольной группы (определение годных БИС) начинается с напряжения около 3,0 В и приобретает катастрофический характер при U_CC = 2,9 B. Таким образом, варьируя критерием отбраковки можно ужесточить или смягчить контроль в определённых пределах.

Таким образом, данная методика обладает высокой точностью контроля, так как предполагает отбраковку БИС не при фиксированном пониженном U_CC, а при напряжении питания, соответствующем максимальной доле внутрисхемной утечки. Кроме того, изложенный  в методике подход позволяет определять критерии отбраковки без применения статистической обработки результатов эксперимента, за счет чего снижаются ошибки первого и второго рода.