доклад 25.06.2015 Дорошевич П.В. (Методы ускоренных испытаний сверхбольших интегральных микросхем на надежность)

Докладк защите диссертационной работы Дорошевича П.В.25 июня 2015 г.Уважаемый председатель! Уважаемые члены диссертационного совета!(Слайд 1-титульный лист)На ваше рассмотрение представлена диссертационная работа на тему «Методыускоренных испытаний сверхбольших интегральных микросхем на надежность».Обеспечение качества и надежности сверхбольших интегральных микросхем (СБИС)имеет особую значимость, так как характеристики этих изделий во многом определяюттактико-технические характеристик систем вооружения.Темпы развития микроэлектроники существенно усложняют задачу прогнозирования иоценки качества микросхем.К микросхемам предъявляются высокие требования по надежности (наработки до отказа).В настоящее время предъявляются повышенные требования к наработке до отказа.Подтверждение таких требований натурными испытаниями требует больших временных иматериальных затрат.Существующие методы ускоренных испытаний на безотказность и наработку до отказаразработаны применительно к микросхемам с проектными нормами 2, 3 мкм и более.За последние годы ведущими отечественными предприятиями разрабатываютсямикросхемы с размерами элементов (0,6^-0,13 мкм и менее).

Проводятся работы по разработкетехнологических процессов для производства указанных микросхем.Уменьшение топологических норм делает необходимым уменьшение напряжений,толщин слоев окисла и металла, а также диффузионных глубин и возрастаний легирования. Всеэто влияет на физико-технические процессы, на энергию активации.Поэтому необходимо проведение исследований по определению энергии активации,механизмов отказов для микросхем текущего производства и разработка метода ускоренныхиспытаний на безотказность и наработку до отказа.Цель диссертационной работы - Провести экспериментальные испытания, определитьэнергию активации, разработать метод ускоренных испытаний на безотказность и наработку доотказа сверхбольших интегральных схем (СБИС) с проектными нормами 0,6 — 0,13 мкм именее.(Слайд 2 Основные положения, выносимые на защиту)Основные положения, выносимые на защиту представлены на слайде № 2, а именно:1. Провести анализ и обобщение испытаний СБИС с проектными нормами 0,6-0,13мкм и менее на безотказность, наработку до отказа и электротермотренировку, определитьвиды и причины отказов, изменения (деградацию) параметров в процессе испытаний.2.

Уточнить методы ускоренных и экспериментальных испытаний применительно кСБИС в части режимов и планов контроля.3. Определить энергию активации для СБИС с проектными нормами 0,6-0,13 мкм именее.4. Разработать метод ускоренных испытаний СБИС на безотказность и наработку доотказа.(Слайд 3 научная новизна работы)Научная новизна работы представлена на слайде № 31 Изучены и определены возможные виды и причины отказов СБИС.2 Проведено уточнение возможных ускоренных методов испытаний применительно кСБИС.3 Рассмотрены возможные методы испытаний.

Уточнен и определен метод проведенияэкспериментальных испытаний.4 Определена энергия активации для СБИС с проектными нормами 0,6-0,13 мкм.5 Разработан метод ускоренных испытаний СБИС на безотказность и наработку доотказа.(слайд 4 Анализ и обобщение результатов испытаний сверхбольших интегральных схем)Было проведено обобщение и анализ результатов ускоренных испытаний набезотказность и наработку до отказа СБИС с проектными нормами 0,6-0,09 мкм,изготавливаемых предприятиями промышленности.

Результаты обобщения и анализапредставлены на слайде № 4. Представлены тип СБИС, проектные нормы, температура идлительность испытаний, значения основных электрических параметров до и после испытаний.Анализ и обобщение результатов испытаний показывает, что при испытаниях набезотказность (3000 ч.), ускоренных испытаний на наработку до отказа при повышеннойтемпературе у СБИС после Э ТТ отказы отсутствуют. При проведении ЭТТ процент брака непревышает значения установленного в ОТУ.Материалы испытаний на безотказность, наработку до отказа и электротермотренировкуСБИС, выпускаемых ведущими предприятиями свидетельствует о том, что после проведенияускоренных испытаний имеет место изменение параметров (деградация).(слайд 5 Возможные методы ускоренных испытаний сверхбольших интегральных схем)Рассмотрены возможные методы ускоренных испытаний.

Методы представлены наслайде № 5, а именно: 1) Методы расчетно-экспериментального прогнозирования надежностина этапе разработки; 2) Оценка надежности микросхем методом физико-техническойэкспертизы; 3) Оценка надежности по моделям механизмов отказов; 4) Оценка интенсивностиотказов по результатам испытаний; 5) Методы контроля качества и надежности микросхемпутем анализа элементного состава характеристик материалов и микросхем; 6)Прогнозирование показателей надежности на основе ускоренных испытаний тестовыхструктур; 7) Прогнозирование интенсивности отказов сверхбольших интегральных схем порезультатам электротермотренировки.Возможности этих методов и их применение приведено в диссертации.

Наиболееприемлемым методомускоренных испытаний на безотказность и наработку до отказацелесообразно принять «Оценку надежности методом испытаний при повышеннойтемпературе», входящего в метод оценки интенсивности отказов по результатам испытаний.(Слайд 6 Связь основных видов и причин отказов интегральных микросхем с технологическимии контрольными операциями)Установлена связь основных видов и причин отказов интегральных микросхем стехнологическими и контрольными операциями, что представлено на слайде № 6. На немпредставлены: вид дефекта; причина и механизм отказа; технологические операции, на которыхвозможно возникновение дефекта; контрольные операции, позволяющие оценить дефект илиснизить вероятность его возникновения; рекомендации для повышения качества. Все этоопределено для основных технологических операций: 1-качество исходных материалов; 2 химическая обработка; 3 - формирование диэлектрических слоев; 4 - литография и травление;5-формирование переходов; 6-получение металлических слоев; 7-разделение пластин накристаллы; 8-монтаж кристалла, присоединение выводов; 9-герметизация.(Слайд 7 Методы проведения испытаний для определения энергии активации)Для проведения экспериментальных исследований были рассмотрены методы проведенияиспытаний для определения энергии активации:- определение значения энергии активации по накопленным данным;- определение значения энергии активации по результатам испытаний со случайновозрастающей нагрузкой;- определение значения энергии активации по результатам ЭТТ;- определение значения энергии активации на основе параллельных выборок в различныхреж им ах.Наиболее приемлемым является определение значения энергии активации на основепараллельных испытаний выборок в различных условиях (что представлено в диссертационнойработе), при котором проводятся:1.

Испытания - не менее трех выборок по планам контроля ОТУ.2. Испытания - не менее чем при трех значениях температур (130, 140, 150 °С).По результатам этих испытаний определяется энергии активации.(Слайд 8 результаты испытаний сверхбольших интегральных схем)Результаты испытаний сверхбольших интегральных схем представлены на слайде № 8.Представлены типономинал, технологии изготовления, планы контроля и температура прикоторых проводились испытанияИспытания СБИС с проектными нормами 0,18-0,6 мкм проводились при трех значенияхтемператур 130, 140, 150 °С.Время испытаний составило до 9 тыс. часов.По результатам испытаний СБИС можно сделать следующие выводы:При проведении ЭТТ имели место отказы в пределах норм ТУ.При проведении испытаний на безотказность и наработку до отказа после ЭТТ - отказовне было.Имело место изменение (деградация) параметров.(Слайд 9 Определение энергии активации)По результатам испытаний была определена энергия активации.

Расчет и значенияэнергии активации представлены на слайде № 9.Расчет энергии активации на основании деградации электрических параметров СБИСпредставлен в формуле 1.Расчет энергии активации на основании отказов СБИС представлен в формуле 2. Длярасчета энергии активации на основании отказов СБИС используют коэффициент деградации,его расчет представлен в формуле 3.Результаты проведенных испытаний СБИС свидетельствуют о том, что среднее значениедля энергии активации на 0,1-0,15 эВ больше , чем значение энергии активации для микросхемс проектными нормами 2, 3 мкм и более.(Слайд 10 Расчетное значение энергии активации)Результаты проведенных испытаний СБИС свидетельствуют о том, что среднее значениедля энергии активации 0,75эВ.Полученная энергия активации для СБИС позволяет сократить время проведенияускоренных испытаний на безотказность и наработку до отказа на 30 %.(Слайд 11 Метод ускоренных испытаний сверхбольших интегральных схем на безотказность инаработку до отказа)В процессе выполнения работы разработан метод ускоренных испытаний СБИС набезотказность и наработку до отказа.

Блок-схема метода представлена на слайде № 1 1 , которыйвключает: расчет коэффициента ускорения для ускоренных испытаний на безотказность инаработку до отказа СБИС, определение констант моделей ускорения, определение границобласти допустимого форсирования; определение значения энергии активации на основепараллельных выборок в различных режимах; оценка результатов испытаний.(Слайд 12 Расчет коэффициента ускорения для ускоренных испытаний на безотказность инаработку до отказа СБИС)Расчет коэффициента ускорения для ускоренных испытаний на безотказность инаработку до отказа СБИС представлен на слайде № 12.Для расчета коэффициента ускорения с учетом нескольких механизмов отказовнеобходим о определить м одель коэф ф ициента ускорения для каж дого из м еханизм ов отказов(по температуре, напряжению, току) и относительную долю вероятности отказа.Коэффициент ускорения рассчитывают по формуле 4.Относительную долю вероятности отказа СБИС из-за отказа /-го элемента вследствиеразвития /-го механизма отказа определяют по формуле 5 или 6.(Слайд 13 Определение констант моделей ускорения)Определение констант моделей ускорения представлено на слайде № 13.Значения констант моделей ускорения определяют по формулам 7, 8.(слайд 14 Определение значения энергии активации на основе параллельных выборок вразличных режимах)Определение значения энергии активации на основе параллельных выбороквразличных режимах представлено на слайде № 14.1.

Испытаниям подвергают не менее трех выборок по планам испытаний набезотказность.2. Испытания проводят не менее чем при трех значениях температур. Минимальноезначение необходимо брать температуру для испытаний на безотказность 125°С, максимальноезначение - не выше 150 °С для кристалла. Остальные значения необходимо выбирать междуэтими температурами.Продолжительность испытаний должна быть такой, чтобы были отказы. Контрольпараметров и функционирования СБИС проводят перед началом и в процессе испытаний.Результаты испытаний заносят в таблицу представленную на слайде.(Слайд 15 Практические результаты)1. Поставленная в работе задача разработки метода ускоренных испытаний набезотказность и наработку до отказа сверхбольших интегральных схем для проектных норм 0,60,13 мкм и менее решалась на основе теоретических и экспериментальных исследований,включающих:- анализ материалов испытаний на безотказность, наработку до отказа иэлектротермотренировку СБИС;- определение возможных видов и причины отказов СБИС;- проведение анализа возможных методов ускоренных испытаний;- проведение экспериментальных исследований физических процессов, вызывающихотказы микросхем с субмикронными размерами элементов, для СБИС;- определение значения энергии активации.2.