Автореферат (Методы ускоренных испытаний сверхбольших интегральных микросхем на надежность), страница 2

Проведено уточнение ускоренных иэкспериментальных методов применительно к СБИС.Во второй главе рассмотрены возможные виды и причины отказов СБИСпокристаллу,фотолитографическимпроцессам,диффузии,ионнойимплантации, металлизации и контактам, пассивации, соединению кристаллвывод, креплению кристалла к корпусу, герметизации, примесным эффектам иперенапряжению.Ускоряющим фактором для большинства механизмов отказов СБИСявляется повышенная температура.Режим не должен выходить за границы области допустимого форсирования.Эта область характеризует предельно - допустимый режим, при котором не9возникает новых механизмов отказов и дефектов, не происходит необратимойпотери работоспособности.Для установления того, что при форсировании режима не возникает новыхмеханизмов отказов целесообразно воспользоваться данными анализа иобобщения результатов испытаний на безотказность и наработку до отказа.Следуетотметить,чтоуменьшениепроектныхнорм,увеличениефункциональной сложности микросхем существенно влияет на распределениетипов отказов микросхем.

Уменьшение геометрических размеров делаетнеобходимым уменьшение напряжений, толщин слоя окисла и металлическогослоя, глубины имплантации и увеличение легирования. Это способствуетвозникновению различных отказов: кристаллографические дефекты, пробойокислазатвора,электропереносметаллизации,«программныеошибки»динамических запоминающих микросхем с произвольным доступом, вызванныеальфа-частицами.Требования по надежности СБИС постоянно возрастают. Отказы СБИСмогут возникать во время отбраковки, электрического тестирования испытаний,транспортировки, хранении, а также при применении.Чтобы получить достоверную информацию о надежности СБИС, особоевнимание должно быть уделено физике отказов.Типы отказов можно разделить на отказы: связанные с кристаллом; в выводах и соединениях; связанные с герметизацией; вызываемые внешними условиями и перенапряжениями.Все отказы прежде всего связаны с материалами, технологическимиусловиями и операциями.Необходимо проведение экспериментальных испытаний по определениюэнергииактивации,механизмовотказовмикросхемприразличных10температурах,являющейсяосновнойхарактеристикойприпроведенииускоренных испытаний.Рассмотрены и уточнены методики определения значения энергииактивации: по накопленным данным; на основе параллельных испытаний выборок в различных условиях; по результатам испытаний со ступенчато возрастающей нагрузкой; по результатам ЭТТ при случайно возрастающей нагрузке.Значение энергии активации целесообразно определить путем проведенияпараллельных испытаний выборок в различных режимах с последующейобработкой результатов испытаний.В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследованийСБИС.Дляпроведениявыполненныепоиспытанийразнымбылитехнологиям,отобраныпереченьследующиеСБИСиСБИС,технологииизготовления приведены в таблице 1.Таблица 1 – СБИС отечественного производстваТипономинал (обозначение технологии)1645РУ2Т(XI10)1886ВЕ1У(XC06)5559ИН14У(XT06)1645РУ1У(XH035)1636РР1У(EF250G)5559ИН19У(XC018)ТехнологияизготовленияКМОП-КНИКМОПКМОП-КНИКМОПКМОПКМОППроектные нормы,мкм1,00,60,60,350,250,18Для испытаний отобраны по 60 шт.

СБИС каждого из 6 типов.Результаты испытаний сверхбольших интегральных схемДля определения энергии активации на основе параллельных испытанийвыборок в различных режимах сформированы по 3 выборки каждоготипономинала по 20 штук СБИС:11– 1 группа выборок – при температуре 130 ̊С;– 2 группа выборок – при температуре 140 ̊С;– 3 группа выборок – при температуре 150 ̊С.Продолжительность времени испытаний составила около 9 тысяч часов.В процессе испытаний контролировались задаваемые электрический итемпературный режимы.Каждые 500 часов проводились измерения и фиксация результатовизмерений параметров каждой СБИС в нормальных условиях.После каждых измерений анализировались результаты и фиксировалисьотказы СБИС по «ужесточенным» нормам: по параметрам напряжения верхнегоуровня Uoh, напряжения низкого уровня Uol, токам утечек верхнего уровня Iih инизкого уровня Iil.Припроведениииспытанийимеломестоизменение(деградация)параметров.Определениеэнергийактивациимеханизмовотказовсверхбольших интегральных схемДля определения энергии активации на основании отказов СБИСиспользована формула 1.Ea  8,62  102 1 ,где1(1)- коэффициент регрессии, характеризующий наклон линиирегрессии, определяющийся по формуле 2.1S S  z x z    z   x z S  z 1   z 1 z 1S1 1S x   x z S  z 1 z 1S2.(2)2zгде Z – номер режима испытаний;S – общее количество режимов испытаний;Tпер.z и Qпер.z – температура перехода соответственно в градусах Цельсияи Кельвина (Qпер.z= Tпер.z+273);12dz – количество отказов, шт.;tiz – время наработки до отказа i-й ИС в Z-режиме, ч;yiz=lntiz – зависимая переменная (функция времени);xZ 103Qпер.

z- независимая переменная (функция режима);dzyi 1dziz- математическое ожидание логарифма времени наработки доотказа.По результатам испытаний рассчитаны значения энергии активации дляСБИС с проектными нормами 0,6-0,09 мкм.Результаты проведенных испытаний СБИС свидетельствуют о том, чтосреднее значение для энергии активации на 0,1–0,15 эВ больше, чем значениеэнергии активации для микросхем с проектными нормами 2,3 мкм и более.В четвертой главеразработан методускоренных испытанийнабезотказность и наработку до отказа СБИС для проектных норм 0,6-0,13 мкм именее.Метод включает:–определениекоэффициентаускоренияотказовсверхбольшихинтегральных схем;– определение границ области допустимого форсирования;– определение констант ускорения n и α в моделях коэффициента ускоренияот тока и напряжения;–определение энергии активации на основе параллельных испытанийвыборок в различных режимах.Определениекоэффициентаускоренияотказовсверхбольшихинтегральных схемПриведены соотношения для расчета коэффициента ускорения с учетомнескольких механизмов отказов.

Необходимо определить модель коэффициента13ускорения для каждого из механизмов K i (T, U, J) отказов и относительнуюдолю вероятности отказа ( qi ).Общий коэффициент ускорения K y0* для выбранного форсированногорежима ( T * , U * , J * ) по сравнению с нормальным режимом ( T 0 , U 0 , J 0 )рассчитывают в зависимости от имеющихся данных об относительномраспределении механизмов отказов в общем потоке отказов.Если известны модели ускорения всех доминирующих видов и механизмовотказов, а также относительные доли вероятности их проявления в нормальныхусловиях ( qij0 ), то общий коэффициент ускорения рассчитывают по формуле 3.klim0*,K y0*   qij0  K ijpi 1 j 1(3)p 1где qij0 - относительная доля вероятности отказа СБИС из-за отказа i-гоэлемента (допускается i = 1) вследствие развития j-го механизма отказа внормальных условиях;0*K ijp- коэффициент ускорения j-го механизма отказа в i-м элементеСБИС при воздействии p-го фактора.При одном ускоряющем факторе коэффициент ускорения рассчитывают поформуле 4.kK y0*   qi0 K i0* ,(4)i 1где qi0 - относительная доля отказа СБИС из-за отказа i-го элемента.Аналогичные соотношения приводятся и для форсированного режима.Определение границ области допустимого форсированияРежимы форсирования испытаний не должны выходить за границы областидопустимого форсирования.В пределах области допустимого форсирования должны соблюдатьсятребования к температуре, напряжению питания и току потребления.14Испытания заканчивают при достижении температуры, при которойпрекращается функционирование.Определение констант ускорения n и α в моделях коэффициентаускорения от тока и напряженияЗначения констант ускорения n и α определяют путем проведенияиспытаний и последующей математической обработки результатов испытаний.1.

Испытаниям подвергают не менее трех выборок по каждому извоздействующих факторов. Объем каждой выборки – по планам контроля ОСТВ 11 0998 «Микросхемы интегральные. Общие технические условия».2. Испытания проводят не менее чем при трех значениях тока (J) илинапряжения (U), минимальные значения которых выбирают равной температурепри испытаниях не превышающих 125˚С, при температуре кристалла не выше150˚С.3.

Продолжительность испытаний должна быть такой, чтобы в каждойвыборке были отказы.Определение энергии активации на основе параллельных испытанийвыборок в различных режимахЗначениеэнергииактивации( Eа )определяютпутемпроведенияпараллельных испытаний выборок в различных режимах с последующейматематической обработкой результатов испытаний.1.Испытаниям подвергают не менее трех выборок по планам испытанийна безотказность по ОТУ.2. Испытания проводят не менее чем при трех значенияхTПЕР .Минимальное значение TПЕР берут температуру для испытаний на безотказность125˚С, максимальное значение TПЕР берут не выше 150˚С для кристалла.Остальные значения выбирают между этими температурами.3.отказы.Продолжительность испытаний должна быть такой, чтобы были154.Контроль параметров и функционирования СБИС проводят передначалом и в процессе испытаний.5.Значение Eа определяют по формулам 1 и 2.Разработанный метод предложен и принят для включения в проектстандарта «Микросхемы интегральные.

Методы ускоренных испытаний набезотказность и наработку до отказа».Метод ускоренных испытаний можно использовать: для подтверждения испытаний на безотказность; для сокращения длительности испытаний на наработку до отказа; при сравнительной оценке надежности при совместных испытаниях сизделием-аналогом;− для прогнозирования надежности на этапе разработки интегральных схемс целью оценки эффективности конструктивно-технологических решений,направленных на обеспечение надежности.3 ЗАКЛЮЧЕНИЕ1.

Поставленная в работе задача разработки метода ускоренных испытанийна наработку до отказа сверхбольших интегральных схем для проектных норм0,6-0,13 мкм и менее решалась на основе теоретических и экспериментальныхисследований, включающих:– анализ материалов испытаний на безотказность, наработку до отказа иэлектротермотренировку СБИС с проектными нормами 0,6 – 0,13 мкм и менее;– определение возможных видов и причины отказов СБИС;– проведение анализа возможных методов ускоренных испытаний;– проведение экспериментальных исследований физических процессов,вызывающих отказы СБИС с проектными нормами 0,6–0,13 мкм и менее;– определение значения энергии активации.16Теоретическиеифизическиеисследованиябазируютсянаэкспе-риментальных исследованиях причинно-следственных связей дефектов иотказов микросхем с конструктивно-технологическими характеристиками,технологическимиоперациями,качествомматериалов(статистическихобобщений проведения анализа отказов микросхем).2.