Cтепаненко - Основы микроэлектроники (Основы Микроэлектроники (книга)), страница 85

Предотвращение такого соединения требует соблюдения строгого температурного режима при термокомпрессии. В-третьих, имеет место элекл«ромиграция — перемещение атомов металла (алюминия) в прилегающие области под действием электрического поля и повышенной температуры. В результате толщина металлической дорожки уменьшается и обрыв получается как следствие локального перегрева и «перегорания«дорожки. Теперь рассмотрим процессы, лежащие в основе постепенных (условных) отказов„т.

е. в сущности — временнбго дрейфа 10.11. Надежность вхтогральхмх схем параметров ИС. Конечно, между процессами, вызывающими полные и условные отказы, нет четкой границы. Можно сказать, что полный отказ есть результат лавинообразного накопления тех изменений, которые до этого проявлялись в виде дрейфа параметров. Главную роль в появлении условных отказов играют процессы на границе кремния с защитным окислом. Это — образование инверсионыых и обогащенных слоев — каналов — под действием иоыов, расположенных в окисле (см.

раздел 3.4). Такие каналы оказывают непосредственное влияние на обратные токи р — и-переходов и величину пробивного напряжения. Нестабильность обоих этих параметров обусловлена миграцией ионов в окисле. В свою очередь, миграция ионов обусловлена их диффузией (особеыно при повышенной температуре) и дрейфом в электрических полях. Электрические поля в окисле неизбежны, поскольку он граничит с полупроводниковыми слоями я металлическими дорожками, которые находятся иод разными потенциалами. И толщина окисла я ширина р — и-переходов (т. е. расстояния между яейтральнымя р- и и-слоями) составляют доли микрона; поэтому напряженность поля даже прн разности потенциалов 0,5-1 В достигает 10 В(см и более. Направление поля может быть как продольным (параллельным поверхности раздела), так и поперечным (перпендикулярным поверхности).

Следовательно, миграция ионов в окисле происходит в обоих направлениях, так что меняется не только электропроводность, но и протяженность каналов. Приповерхыостные явления оказывают также влияние на величину коэффициентов усиления В и (). Действительно, согласно (5.26) коэффициент В зависит от величин Ь и Ь,. В свою очередь, эти величины зависят от эффективных времен жизни носителей в слоях базы и эмиттера. Эффективное время жизни складывается из объемной и поверхностной составляющих.

Поскольку миграция ионов в окисле меняет структуру приповерхностного слоя, а значит, и скорость поверхностной рекомбинации, то коэффициенты усиления базового тока подвержены времеыному дрейфу Методы оценки надежности. До последнего времеыи основыым методом оценки надежности ИС был статистический метод, в основе которого лежат испытания партий приборов на срок службы. Если в партии из )ч' шт. за время 1 произошло и Глава 16. Интегральные схемы 476 отказов, то вероятность отказа в единицу времени оценивают как (10.

29) Х (1/ч) = и/(т~1). Величину Х называют средней частотой или интенсивностью отказов. Зная величину Х, можно оценить вероятность безотказной работы ИС в течение заданного времени эксплуатации: Р=е -м (10. 30) Из выражения (10.30) следует: какой бы малой ни была величина Х, с течением времени вероятность безотказной работы приближается к нулю. Средним временем безотказной работы или средним сроком службы прибора принято считать величину, получаемую из условия 11 = 1: (10.31) Например, если Х = 10» 1~ч, то 1, = 10» ч (т. е. около 10 лет).

Вообще говоря, величина Х вЂ” не постоянная: она меняется с течением времени (рис. 10.34). На кривой з(1) различают три характерных участка: участок 1, на котором выявляются грубые ошибки при сборке, загрязнения поверхности и т. п.; участок Н, на котором Х = сопз$, т. е.

отказы обусловлены случай1ч з ными, неконтролируемы- ми причинами; участок Ш, 1О-' на котором Х снова возрас- 16 з 1 l тает в результате неизбеж- 16-' П Ъ ного старения прибора, т. е. проявления тех хими- 16' 1О4 16' 1О' Ьч ЧЕСКИХ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕРнс. 10.34. Зависимость интенсивности СКИХ ПрацЕССОв, От КОТО- отказов от времени рых не избавлена ни одна реальная структура и которые связаны с принципом действия прибора.

В случае ИС такими принципиальными факторами являются взаимная диффузия разнородных материалов, радиационные дефекты, обусловленные космическим излучением, и т. п. 10.11. Над«жи»сть хате«раэьэмх схем Средний срок службы (10.31) соответствует границе между участками П и П1. Участок 1 обычно устраняется путем тренировки приборов у производителя до «выпуска в свет»„т.

е. до поставки потребителю. Тренировка состоит в том, что после узаконенных испытаний — механических, электрических и климатических (на температуру, влажность и т. п.) — приборы работают в течение нескольких десятков илн сотен часов в нормальных эксплуатационных условиях, и отказавшие за это время приборы устраняютея. В настоящее время интенсивность отказов ИС и БИС лежит в пределах 10 з — 10 э 1/ч. Для достоверной оценки величины Х нужно при испытаниях «дождаться» хотя бы 2 — 3 отказов.

Тогда из выражения (10.29) при и = 2-3 следует, что время испытаний для партии Ф = 10з шт. составит десятки лет. Ставить же на испытания партии ИС в количестве 10« — 10 шт. экономически невыгодно. В таких случаях используется метод ускоренных испытаний, основанных на законе Аррениуса. Этот закон гласит, что скорость химических и физико-химических процессов связана с температурой зкспоненциальной зависимостью: -»е,мт о-е где»у« — энергия активации процесса. Отсюда следует, что средний срок службы при повышенной температуре будет существенно меньше, чем при нормальной: 1„= 1, ехр[-(И;//«)(҄— Т, )], (10.

32) где индексы «н» и «у» относятся к нормальной и повышенной абсолютным температурам. Проводя ускоренные испытания при повышенной температуре, форсируют отказы прибора, добиваясь их появления за разумное время. Полученное значение Х„пересчитывают к нормальной температуре е помощью соотношений (10.31) и (10.32). Используя, например, для испытаний ИС температуру +230 'С, можно ускорить оценку величины Х в сотни раз.

Однако прн значениях Х < 10 э 1/ч и такое ускорение оказывается недостаточным. Отсюда следует, что на этапе современной микроэлектроники обычные статистические методы оценки надежности оказываются неприемлемыми. Глава 10. Интегральные схемы Поэтому за последние 5-10 лет большое внимание уделялось разработке физических методов оценки и прогнозирования надежности.

Под такими методами понимаются индивидуальные исследования структуры готовых ИС с целью выявления дефектов, чреватых отказом, а также исследования отказавших ИС с целью выяснения причин отказа и внесения соответствующих усовершенствований в технологию их производства. В отличие от статистических методов, которые относятся к категории разрушающих (поскольку в их основе лежит отказ прибора), физические методы являются яеразрушающими, а часто и бесконтакными. К их числу относятся тепловидение (обследование в инфракрасных лучах), рентгеноскопия, электронная микроскопия, а также измерение избыточных шумов, которые характеризуют качество контактов.

Все эти методы связаны с использованием сложного, дорогостоящего оборудования. Поэтому их еще нельзя считать установившимися. Однако учитывая неприемлемость статистических методов, они, по-видимому, займут со временем ведущее место при оценке надежности БИС. Интенсивность отказов снижа- ется с повышением степени интеграции, поскольку производству БИС свойствен более высокий технологический уровень. Одновременно меняется роль различных факторов отказов (рис. 10.35)з дев) з) фекты металлизации и погрешно- сти диффузии, которые у простых Рис. 1О.ЗЗ.

Соотношение коли- ИС занимали незначительное место, чества отказов, вызванных разными причинами, в простых у БИС выступают на первый план. ИС (а) и Зольших ИС (З); НаОбОрОт, ОШИбКИ, СВяэаННЫЕ С НЕ- 1 — деФекты металлизацин; ПраВИЛЬНЫМ ПРИМЕНЕНИЕМ, В СЛУЧаЕ 3 — погрешности кнФФУзнн; БИС отступают на второй план (по- скольку резко уменьшается количеокисла; 4 — неправильное применение; З вЂ” прочие причины ство внешних соединений). Говоря о статистическом методе оценки надежности, мы подразумевали, что результаты испытаний конкретной партии приборов в виде формулы (10.29) действительны и для других аналогичных партий.

Это справедливо только в том случае, когда другие партии изготавливают- 10.«иь в«ключ«вне ся по той же технологии, что и испытанная партия. Отсюда следует важный вывод: высокая надежность ИС обеспечивается в первую очередь стабильностью технологического цикла. Любое (даже прогрессивное) изменение технологического цикла может вызвать (хотя бы временное) снижение надежности ИС. В заключение подчеркнем условность понятия «постепенный» отказ. В зависимости от типа аппаратуры изменение 6 на 40% может быть либо неприемлемым, либо приемлемым, т. е.