Диссертация (Методы ускоренных испытаний сверхбольших интегральных микросхем на надежность)

1МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТРАДИОТЕХНИКИ, ЭЛЕКТРОНИКИ И АВТОМАТИКИ(МГТУ МИРЭА)На правах рукописиЭкз.№Дорошевич Павел ВикторовичМетоды ускоренных испытаний сверхбольших интегральных микросхем нанадежностьСпециальность - 05.02.23 – Стандартизация и управление качествомпродукцииДиссертация на соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководитель: д.т.н., профессорМарин В.П.МОСКВА 20152СОДЕРЖАНИЕСтр.1СОДЕРЖАНИЕ……………………………………………………..2ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………….5АНАЛИЗ И ОБОБЩЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИСПЫТАНИЙСВЕРХБОЛЬШИХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ……………………. 101.1Анализ и обобщение результатов испытаний сверхбольшихинтегральных схем на безотказность, наработку до отказа иэлектротермотренировку…………………………………………… 101.2Возможные методы ускоренных испытаний сверхбольшихинтегральных схем ……………………………………...…………..

171.2.1Методы расчетно-экспериментального прогнозированиянадежности на этапе разработки…………………………..1.2.2Оценканадежностимикросхемметодом20физико-технической экспертизы…………………………………….. 211.2.3Оценка надежности по моделям механизмов отказов…….. 221.2.4Оценка интенсивности отказов по результатам испытаний. 241.2.5Методы контроля качества и надежности микросхемпутеманализаэлементногосоставахарактеристикматериалов и микросхем……………………………………1.2.627Прогнозирование показателей надежности на основеускоренных испытаний тестовых структур………………... 311.2.7Прогнозирование интенсивности отказов сверхбольшихинтегральныхсхемпорезультатамэлектротермотренировки…………………………………….. 37ВЫВОДЫ……………..……………………………………………… 4032ВИДЫИПРИЧИНЫИНТЕГРАЛЬНЫХСХЕМ.ОТКАЗОВСВЕРХБОЛЬШИХМЕТОДЫПРОВЕДЕНИЯИСПЫТАНИЙ ..……………………………………………….…....412.1Виды и причины отказов сверхбольших интегральных схем …… 412.2Методы проведения испытаний для определения энергииактивации……………………………………………………………..

512.2.1 Определение значения энергии активации по накопленнымданным…………………………………………………………. 522.2.2 Определение значения энергии активации по результатамиспытанийсослучайновозрастающейнагрузкой………..……………………………………………532.2.3 Определение значения энергии активации по результатамэлектротермотренировки…………………………………….552.2.4 Определение значения энергии активации на основепараллельных выборок в различных режимах……………… 57ВЫВОДЫ……………………………………………………………3ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕИССЛЕДОВАНИЯПООПРЕДЕЛЕНИЮ ЭНЕРГИИ АКТИВАЦИИ …………………….3.13.26162Методики проведения форсированных ступенчатых испытанийсверхбольших интегральных схем……………………………..….62Результаты испытаний сверхбольших интегральных схем……..653.2.1 Анализдеградациисверхбольшихэлектрическихинтегральныхсхемпараметроввпроцессеиспытаний……………………………………………………… 653.2.2 Определение энергий активации механизмов отказовсверхбольших интегральных схем …………………………ВЫВОДЫ……………………………………………………………737944МЕТОД УСКОРЕННЫХ ИСПЫТАНИЙ НА БЕЗОТКАЗНОСТЬИ НАРАБОТКУ ДО ОТКАЗА ……………………………………...

804.1Определение коэффициента ускорения отказов сверхбольшихинтегральных схем ………………………………………………….. 804.2Определение границ области допустимого форсирования ……..... 844.3Определение констант ускорения n и α в моделях коэффициентаускорения от тока и напряжения ………………...………………… 864.4Определениеэнергииактивациинаосновепараллельныхиспытаний выборок в различных режимах ………………………… 884.5Примеры ускоренных испытаний на наработку до отказа ………. 92ВЫВОДЫ.……………………………………………………………. 96ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………… 98СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..………………………………………….

1005ВВЕДЕНИЕАктуальность темыОбеспечение качества и надежности сверхбольших интегральных микросхем (СБИС) имеет особую значимость, так как характеристики этих изделий во многом определяют тактико-технические характеристик систем вооружения.Темпы развития микроэлектроники существенно усложняют задачу прогнозирования и оценки качества микросхем.К микросхемам предъявляются высокие требования по надежности(наработки до отказа).В настоящее время имеется увеличенная потребность наработки до отказа в 1,5 – 2 раза. Подтверждение таких требований натурными испытаниямитребует больших временных и материальных затрат.Существующие методы ускоренных испытаний на безотказность инаработку до отказа разработаны применительно к микросхемам с проектными нормами 2, 3 мкм и более.

Они изложены в РД 11 0755 «Микросхемыинтегральные. Методы ускоренных испытаний на безотказность и долговечность».За последние годы ведущими отечественными предприятиями разрабатываются микросхемы с размерами элементов (0,6÷0,13 мкм и менее). Проводятся работы по разработке технологических процессов для производствауказанных микросхем.С уменьшением проектных норм ужесточаются требования к основнымматериалам для изготовления микросхем. При этом изменяется и конструктивно-технологическое исполнение микросхем. Уменьшение топологическихнорм делает необходимым уменьшение напряжений, толщин слоев окисла иметалла, а также диффузионных глубин и возрастаний легирования. Все этовлияет на физико-технические процессы, на энергию активации.6Отказы микросхем обусловлены изменением материалов и структур врезультате протекания в них деградационных процессов различной природы:химических, электрических, радиационных, термических, механических.Каждый из приведенных типов деградационных процессов может быть ответственен за возникновение различных видов отказов.Характер протекания и проявления этих отказов в значительной мере зависит от номинальных режимов работы схемы, технологии и условий применения.

Поэтому для различных технологий и классов микросхем доминирующими могут оказаться разные процессы.Это делает необходимым проведение анализа особенностей их протекания в характерных для используемой технологии элементах с целью учета иминимизации их влияния. Такой анализ целесообразно начать с оценки чувствительности параметров основных элементов микросхем к различным воздействиям.Необходимо проведение исследований по определению энергии активации, механизмов отказов для микросхем текущего производства и разработать метод ускоренных испытаний на безотказность и наработку до отказа.Цель диссертационной работыПровести экспериментальные испытания, определить энергию активации, разработать метод ускоренных испытаний на безотказность и наработкудо отказа сверхбольших интегральных схем (СБИС) с проектными нормами0,6 – 0,13 и менее.Научная новизна работыНаучная новизна работы включает в себя следующие результаты:1.

Изучены и определены возможные виды и причины отказов СБИС спроектными нормами 0,6–0,13 мкм и менее.2. Проведено уточнение возможных ускоренных методов испытанийприменительно к СБИС.73. Рассмотрены возможные методы испытаний. Уточнен и определенметод проведения экспериментальных испытаний.4. Проведены испытания СБИС.5. Определена энергия активации для СБИС с проектными нормами 0,6–0,13 мкм и менее.6. Разработан метод ускоренных испытаний СБИС на безотказность инаработку до отказа.Основные положения, выносимые на защиту1. Результаты анализа и обобщения испытаний СБИС с проектныминормами 0,6–0,13 мкм и менее на безотказность, наработку до отказа и электротермотренировку позволяющие определить виды и причины отказов, изменения (деградацию) параметров в процессе испытаний.2.

Уточненные методы ускоренных и экспериментальных испытанийприменительно к СБИС в части режимов и планов контроля.3. Результаты экспериментальных исследований по определению энергии активации для СБИС с проектными нормами 0,6–0,13 мкм и менее.

Значение энергии активации составляет на 0,1-0,15 эВ больше, чем значениеэнергии активации для микросхем с проектными нормами 2,3 мкм и более.4. Метод ускоренных испытаний СБИС на безотказность и наработку доотказа, позволяющий сократить время и затраты на испытания порядка 30 %.Практическая ценностьРазработанный метод ускоренных испытаний для СБИС с проектныминормами 0,6 – 0,13 мкм и менее позволяет сократить длительность испытаний порядка 30 %.Полученные коэффициент ускорения отказов СБИС, границы областидопустимого форсирования, константы ускорения n и α в моделях коэффициента ускорения от тока и напряжения, энергия активации на основе параллельных испытаний выборок могут быть использованы при разработке мето-8дов ускоренных испытаний и для других классов электронной компонентнойбазы.Разработанный метод предложен для включения в стандарт «Микросхемы интегральные. Методы ускоренных испытаний на безотказность и долговечность» (РД 11 0755-90).Метод ускоренных испытаний можно использовать: взамен нормальных 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 интегральныхсхем с целью оценки эффективности конструктивно-технологическихрешений, направленных на обеспечение надежности.Порядок использования ускоренных испытаний на безотказность и нанаработку до отказа устанавливают в нормативных документах (НД) на поставку.Структура диссертационной работыРабота состоит из четырех глав.В первой главе проведен анализ и рассмотрены результаты испытанийСБИС на безотказность, наработку до отказа и электротермотренировку.