автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Диагностический контроль качества и надежности кремниевых биполярных интегральных схем

\ ц 0 **

На правах рукописи

БОРДЮЖА ОЛЕГ ЛЕОНИДОВИЧ

ДИАГНОСТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА И НАДЕЖНОСТИ КРЕМНИЕВЫХ БИПОЛЯРНЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ

Специальность 05.27.01 - Твердотельная электроника, микроэлектроника и наноэлектроника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ВОРОНЕЖ - 1998

Работа выполнена в Воронежском государственном техническом университете

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Горлов М.И.

доктор технических наук, профессор Петров Б.К.

кандидат технических наук Удовик А.П.

Ведущая организация:

АООТ "Воронежский завод полупроводниковых приборов"

Защита состоится 29 декабря 1998 года в 14 часов на заседании диссерта ционного совета Д 063.81.01 при Воронежском государственном техническо! университете (394026, Воронеж, Московский пр., 14, конференц-зал).

С диссертацией можно г.зчакомиться в библиотеке Воронежского государ ственного технического университета.

Автореферат разослан « » ноября 1998 года

Ученый секретарь диссертационного совета

Горлов М.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Среди множества проблем современной полупроводниковой электроники особое место занимает проблема качества и надежности выпускаемой продукции. Страны с развитой электронной промышленностью (США, Япония и др.) ежегодно затрачивают огромные средства на повышение качества и надежности своей продукции.

Одной из особенностей производства изделий электронной техники (ИЭТ) является то, что в каждой выпускаемой партии изделий, полностью соответствующей по качеству требованиям технических условий (ТУ), имеются изделия, различающиеся по надежности на два и более порядка, то есть присутствуют изделия со скрытыми дефектами, которые могут отказать как в период приработки, так и в период нормальной работы, и изделия, которые обладают повышенной по сравнению с основной массой изделий надежностью. Для устранения из партии потенциально-ненадежных ИЭТ проводятся сплошные отбраковочные испытания, включающие испытания при повышенных и пониженных температурах, термоциклирование, электротермотрени-ровку (ЭТТ) и т.п.

Мечтой производственников является нахождение такого метода отбраковки ИЭТ (в том числе интегральных схем (ИС)) в процессе их производства, который позволял бы, во-первых, отбраковать потенциально-ненадежные изделия; во-вторых, заменить длительные и дорогостоящие отбраковочные испытания, например ЭТТ, на диагностические методы, которые были бы не менее эффективными, но более дешевыми.

В настоящее время известно множество диагностических методов отбраковки потенциально-ненадежных ИС (использование т-характеристик, тепловых характеристик, шумовых критериев и др.), но достоверность этих методов недостаточна для того, чтобы внедрить один из них в технологический процесс изготовления ИС вместо дорогостоящих отбраковочных испытаний. Поэтому главной задачей в разработке новых и модификации известных методов диагностирования И С является повышение их достоверности до уровня не менее 90-95%, что требуют национальные стандарты стран с развитой электронной промышленностью.

Наиболее перспективным методом диагностирования ИС из-за простоты его реализации, на наш взгляд, является метод критического напряжения питания (КНП). Но достоверность этого метода составляет порядка 50%, а его известные модификации позволяют повысить достоверность данного метода только до 70-80%.

Зачастую на производстве возникает необходимость не только отбраковки потенциально-ненадежных ИС, но и выделения из партии группы схем с повышенным уровнем надежности. Методы выделения схем с повышенной надежностью в технической литературе не описаны.

Поэтому считаем, что поиск модернизаций метода КНП с целью повышения достоверности отбраковки потенциально-ненадежных ИС до уровня не менее 90-95%, что позволило бы внедрить его в производство вместо ЭТТ, с одновременной возможностью диагностического выделения из партии ИС группы схем, имеющей повышенный уровень надежности, является в настоящее время весьма актуальным.

Работа выполнялась по теме ГБ 96-34 "Исследование и моделирование физических процессов в полупроводниковых материалах и приборах".

Цели и задачи работы.

Целью настоящей диссертации является разработка новых диагностических методов отбраковки потенциально-ненадежных ИС на основе метода КНП с достоверностью не ниже 90-95%, способных заменить дорогостоящие и длительные отбраковочные испытания как при производстве ИС, так и на входном контроле предприятий-изготовителей радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), а также позволяющих выделить из партии ИС группу высоконадежных схем. Для достижения этой цели в работе были поставлены следующие задачи:

1. Разработать новые методы диагностирования потенциально-ненадежных кремниевых биполярных ИС серии 142, основанные на методе КНП, определить критерии оценки и проверить достоверность получаемых по ним результатов.

2. Определить возможность применения разработанных методов для выделения группы ИС серии 142 повышенной надежности.

3. Обосновать и экспериментально подтвердить возможность диагностики качества и надежности ИС серии 142 методами, основанными на оценке характеристик нелинейности энергопотребления.

4. Провести анализ взаимозависимости новых методов диагностики ИС, сравнение их по однородности и по достоверности, получаемых по ним результатов, используя различные статистические методы.

Научная новизна работы.

В работе получены следующие новые научные и технические результаты: 1. На основе метода непосредственного измерения критического напряжения питания разработаны новые методы, суть которых в следующем:

• по сравнению температурных зависимостей КНП исследуемой ИС с эталонной зависимостью для данного типа схем и сравнению температурных зависимостей исследуемой ИС до и после проведения термоциклирования отбраковываются потенциально-ненадежные ИС с достоверностью не ниже 95% (метод "термо-КНП").

• по зависимости величины КНП от величины подаваемого на ИС тока проводится оценка качества напайки кристалла на кристаллодержатель с достоверностью не ниже 90% (метод "ток-КНП");

2. Показана возможность выделения из партии ИС группы схем с повышенной надежностью методом "термо-КНП".

3. Применен к ИС серии 142 метод электрофизического индивидуального диагностирования, основанный на компьютерном моделировании аналоговых сигнатур нелинейности вольт-амперных характеристик.

4. Разработана методика сравнительной оценки новых диагностических методов.

5. Разработана универсальная программа расчета плошади петли гистерезиса, являющаяся необходимой составной частью методов диагностики ИС: "термо-КНП", "ток-КНП" и написанная в среде программирования "Ое1рЫ-З.Ои.

Реализация результатов работы, практическая ценность.

1. Разработан диагностический метод отбраковки потенциально-ненадежных ИС серии 142, получивший название "термо-КНП", обладающий высокой достоверностью (не ниже 95%), что позволяет внедрить его в технологический процесс изготовления схем вместо ЭТТ или на входном контроле при изготовлении РЭА. Определены критерии, по которым по методу "термо-КНП" можно выделить группу ИС (не менее 10%), обладающих повышенной надежностью. На метод "термо-КНП" подана заявка на изобретение.

2. Разработанный метод "ток-КНП" позволяет с достоверностью не ниже 90% отбраковывать ИС с дефектами напайки кристаллов на основание корпуса с производительностью в несколько раз большей, чем по прямому измерению теплового сопротивления кристалл-корпус. .

3. Метод электрофизического индивидуального диагностирования ИС серии 142 по характеристикам нелинейности энергопотребления (метод "XI1Э") позволяет сделать не только общий вывод о состоянии с качеством и надежностью исследуемой схемы, но и указать область нахождения скрытых дефектов схемы.

4. Проведенный сравнительный анализ диагностических методов с натурными испытаниями ИС серии 142 на безотказность показал высокую достоверность методов "термо-КНП" (не ниже 95%) и "ток-КНП" (не ниже 90%). Разработанная методика сравнительной оценки диагностических методов, основанная на использовании различных статистических методов, может применяться специалистами, занимающимися проблемой надежности, при всестороннем анализе разрабатываемых методов диагностики или их сравнении с известными диагностическими методами.

5. Разработанная универсальная программа расчета площади петли гистерезиса, написанная в среде программирования "0е1р1н-3.0", зарегистрирована в государственном фонде алгоритмов и программ Российской Федерации.

Результаты работы использованы на предприятиях ГП "ВНИИС" и АООТ

"РИФ" при организации входного контроля ПС серий 142, 533, 765, что дало суммарный условный экономический эффект 75 тыс. руб. (в ценах 1998 г.).

Основные положения и результаты, выносимые на защиту.

1. Метод диагностического контроля ИС серии 142, позволяющий сравнением температурных зависимостей КНП исследуемой схемы с эталонной зависимостью в сочетании со сравнением температурных зависимостей КНП исследуемой ИС до и после проведения термоциклирования отбраковать с достоверностью не ниже 95% потенциально-ненадежные ИС, а также выделить из партии группу схем, имеющих повышенную надежность (метод "термо-КНП").

2. Метод диагностического контроля напайки кристаллов ИС на кристаллодержатель или основание корпуса (метод "ток-КНП").

3. Метод электрофизического индивидуального диагностирования ИС серии 142, позволяющий не только определять потенциально-ненадежные схемы, но и указать область нахождения дефектов в ИС (метод "ХНЭ").

4. Методика сравнительной оценки различных диагностических методов по взаимозависимости, по однородности и достоверности результатов.

Апробация работы и публикации.

Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на международных научно-технических семинарах "Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах" (Москва, 1995-1997 гг.), межвузовских научно-технических конференциях "Микроэлектроника и информатика" (Москва, 1996-1997 гг.), VIII международной крымской микроволновой конференции "КрыМиКо-98" (Севастополь, 1998 г.), 1Х-Х отраслевых научно-технических конференциях "Состояние и пути повышения надежности видеомагнитофонов" (Воронеж, 1995-1996 гг.), ХХХУ-ХХХУШ научных конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников, аспирантов и студентов ВГТУ (Воронеж, 1995-1998 гг.).

Основные результаты работы изложены в 14 публикациях, в том числе в монографии "Обеспечение и повышение надежности полупроводниковых приборов и интегральных схем в процессе серийного производства" и программном средстве, зарегистрированном в государственном фонде алгоритмов и программ Российской Федерации. Подана заявка на изобретение.

В совместных работах автору принадлежит поиск и разработка принципов новых методов, проведение экспериментов, анализ и обобщение результатов.

Объем и структура Оиссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и трех приложений. Работа содержит 163 страницы текста, включая 57 рисунков, 35 таблиц и библиографию из 106 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются цель и основные задачи исследования, определяются научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе проведен анализ наиболее распространенных из существующих методов диагностического контроля ИС на основе отечественных и зарубежных литературных данных за последние 20 лет.

Показано, что в настоящее время разработано множество методов диагностического контроля ИС как распространенных с ПП, так и применяемых только для ИС, как простых с точки зрения реализации по оборудованию (т-фактор, контроль микротоков, тепловых характеристик, ВАХ и др.), так и сложных по оборудованию (контроль шумов, радиационные методы и т.п.).

Главной особенностью всех известных методов диагностического контроля ИС является то, что их фактическая достоверность значительно ниже величины 90%, что не позволяет внедрить их в серийное производство вместо трудоемких и дорогостоящих технологических отбраковочных испытаний таких как ЭТТ. Практически известные диагностические методы используются для дополнительной оценки ИС, чаще всего сравнительной, после внесения изменений в конструкцию и/или технологию.

В последнее время наибольшее распространение для ИС, изготовленных в большей степени по МДП-технологии, получил метод контроля критического напряжения питания (КНП).

Суть метода КНП состоит в том, что, последовательно снижая напряжение питания с номинального значения для исследуемых ИС до некоторых критических величин, когда значения параметров ИС выходят за пределы норм ТУ, выявляют схемы, имеющие меньший запас по напряжению питания и считают их менее качественными. Сегодня известны и различные модификации метода КНП, но их достоверность также менее 90%. Поэтому, взяв за основу метод КНП, нахождение метода диагностирования качества и надежности биполярных ИС с достоверностью не ниже 90-95% является современной и важной задачей.

Кроме того, анализ известных диагностических методов показал, что ни один из них не позволяет выявлять область нахождения дефекта ИС, а также выделять из партии группу схем с повышенным уровнем надежности.

Во второй главе представлены разработанные автором более достоверные методы диагностики ИС, основанные на измерении КНП. Среди них: измерение КНП с использованием максимально допустимой для типа исследуемой ИС нагрузки (метод "нагрузка-КНП"); искусственное ограничение диапазона изменения выходного контролируемого параметра по сравнению с диапазоном, оговоренным в ТУ на исследуемую ИС (метод "диапазон-КНП"); сравнение температурных зависимостей КНП

исследуемой ИС с эталонной зависимостью исследуемой схемы, а также сравнение температурных зависимостей исследуемой ИС до и после проведения термоцикпиро-вания (метод "термо-КНП"); метод, отличающийся от "термо-КНП" тем, что вместо температурного воздействия на ИС применяется воздействие электрическим током и не проводится термоциклирование (метод "ток-КНП").

Данные методы опробованы на партиях кремниевых аналоговых биполярных ИС серии 142 разных лет выпуска, представляющих собой регулируемые стабилизаторы напряжения. Как показано ниже достоверность методов "нагрузка-КНП" и "диапазон-КНП" составляет 70-80%, а достоверность методов "термо-КНП" (более 95%) и "ток-КНП" (90%) отвечает требуемым значениям, что позволяет заменить данными методами дорогостоящие отбраковочные испытания, например, ЭТТ и прямое измерение теплового сопротивления ИС. Остановимся на этих методах более подробно.

В литературе описан метод отбраковки потенциально-ненадежных ИС, основанный на явлении гистерезиса температурной зависимости КНП. Опробование данного метода на ИС серии 142 показало, что гистерезис температурной зависимости для данных ИС не наблюдается, однако КНП существенно меняется при изменении температуры (рис.1), причем температурная зависимость КНП является очень чувствительной к самым незначительным флуктуациям внутренних параметров ИС.

Температура, "С

Рис.1. Температурная зависимость КНП для трех ИС разных уровней надежности (ИС № 33 имеет наименьшую из партии надежность, ИС № 17 принята как эталон, а ИС № 15 имеет повышенный уровень надежности)

Была предпринята попытка на основе разности значений КНП при 0 и 100 °С найти потенциально-ненадежные ИС. Предположение о том, что для схем различной надежности разность значений КНП при высоких и низких температурах среды также различна, не подтвердилось. Тем не менее, это послужило толчком для создания ме-

тода "термо-КНП", позволяющего отбраковать потенциально ненадежные ИС и выделить группу схем с повышенной надежностью в два этапа.

На первом этапе снимается температурная зависимость КНП для каждой из исследуемых ИС, с помощью разработанной автором программы расчета площади петли гистерезиса "РППГ" (расчет производится с использованием интерполяционного численного метода Ньютона) рассчитываются площади 5, под каждой экспериментальной температурной кривой. Далее необходимо рассчитать среднее значение 5 по формуле:

N

5 = -^!—, (1)

N 7

где N - количество ИС в выборке.

Интегральную схему, площадь под температурной кривой которой будет ближе всех к значению Я, примем за эталон для данной партии ИС. При этом будем считать, что эталон имеет среднюю для исследуемой партии надежность. В качестве критерия разбраковки ИС будем использовать величины расхождения температурных зависимостей параметров исследуемой ИС и эталонной, то есть разницу площадей эталонной и исследуемой ИС: А5 = 5ЭТ - 5ИССЛ. Величина расхождения этих двух кривых выражается соотношением:

1тах ^шах

ДБ= | адах- ^(х^х, (2)

где ^(х) - функция, выражающая зависимость КНП от температуры эталона для данного типа ИС; Г2(х) - функция, выражающая зависимость КНП от температуры для исследуемой ИС; 1чин, 1тах - границы температурного диапазона.

По формуле (2) программа РППГ автоматически вычисляет значение Д5, по величине и знаку полученного критерия делается вывод об уровне потенциальной надежности ИС. При значении ДБ ~ О ИС имеет надежность, равную надежности эталона, то есть ТУ. Если значение ДБ » 0, т.е. зависимость КНП от температуры исследуемой ИС лежит ниже эталонной кривой, то ИС имеет повышенную потенциальную надежность; если ДБ « 0, т.е. кривая лежит выше эталонной и потенциальная надежность ИС - пониженная. Критерий определения потенциальной надежности ДБ устанавливается экспериментальным путем на основе следующих закономерностей.

Эксперименты, проведенные на различных партиях ИС типов КР142ЕН12 и КР142ЕН18,

показали, что приблизительно 75% ИС, площади под температурными зависимостями КНП (Б,) которых лежат в середине диапазона изменения величины 5 для рассматриваемой партии, имеют среднюю для партии надежность, тогда 10-13% ИС из партии, которых больше (меньше) 5„алиш более чем на 35-37%, имеют пони-

женную (повышенную) для партии надежность. Исходя из этого, с помощью интегрального распределения ИС в исследуемой партии по величине ДБ был рассчитан критерий определения потенциальной надежности для ИС серии 142 на первом этапе ДБ=±7 (средняя надежность: Д5=[-7-г7]; повышенная надежность: ЛБ>7; пониженная надежность: Д5<-7). Первый этап позволяет сделать предварительный вывод об уровне надежности ИС.

На втором этапе исследуемые схемы подвергаются термоциклированию в максимально широком (согласно норм ТУ) диапазоне температур, снова снимается температурная зависимость КНП и рассчитывается ДБ, как разность между 5ИССЛ до тер-моциклирования и 5ИССЛ после проведения термоциклирования. Режим термоциклиро-вания для каждой серии ИС выбирается индивидуально. Например, для ИС серии 142 был выбран следующий режим термоциклирования: 5 термоциклов в диапазоне температур от 0 до 100 °С, время выдержки при высокой и низкой температурах 30 мин., переноса - 30 сек.

Очевидно, что чем сильнее изменилась температурная зависимость КНП исследуемой ИС после термоциклирования, тем больше деградационных изменений в ней произошло и, следовательно, тем ниже ее потенциальная надежность. С помощью диаграммы Парето рассчитываются дополнительные критерии для отбраковки потенциально-ненадежных ИС. Так из диаграммы Парето, построенной для партии ИС серии 142, видно, что рассчитанная на 2 этапе разбраковки величина ДБ основной массы (80%) ИС (то есть исключая 10% схем с низкими значениями и 10% - с высокими значениями), лежит в пределах [0,1-2,0] от. ед., то есть \У|=2, Ш2=0,1. Следовательно, схемы, ДБ которых меньше или больше указанного диапазона значений имеют соответственно повышенную или пониженную для данной партии надежность.

На основании полученных по двум этапам разбраковки данных делается обобщенный вывод о потенциальной надежности ИС. Если результаты по обоим этапам совпадают, то их. считают окончательными по данной ИС, если нет, то предпочтение следует отдавать выводам, сделанным по второму этапу, но достоверность полученных результатов будет ниже.

По данным завода-изготовителя известно, что на безотказную работу мощных ИС типов КР142ЕН12 и КР142ЕН18 оказывает значительное влияние качество напайки кристаллов. Ряд дефектов, таких как пустоты и поры в паяном шве, неполное смачивание поверхности кристалла, не всегда представляется возможным отбраковать при проведении визуального контроля качества ИС перед герметизацией и отбраковочными испытаниями. С определенной достоверностью эту проблему удалось решить с помощью метода выявления ИС с дефектами по напайке кристаллов ("ток-КНП").

Отличие данного метода от метода "термо-КНП" состоит в том, что вместо температурного воздействия на ИС применяется воздействие электрическим током, а разбраковка осуществляется в один этап (не проводится термоциклирование). Другими словами, вместо температурной зависимости КНП снимается токовая зависимость КНП, а в остальном алгоритм разбраковки тот же, что и в "термо-КНП". Для выявления схем серии 142 с некачественной напайкой кристалла использовался прежний критерий Д5=±7.

В третьей главе к ИС серии 142 применен метод электрофизического диагностирования ИС, основанный на регистрации и использовании характеристик нелинейности энергопотребления (ХНЭ), позволяющий выявлять область нахождения скрытых дефектов в исследуемой ИС. Для краткости в дальнейшем будем называть его методом "ХНЭ". Метод основывается на том, что вследствие сложности процессов, протекающих в ИС в результате внешнего воздействия (температура, электричество и т.п.), ее реакция на это воздействие нелинейно зависит от уровня энергетической активации состояния ИС. Кроме того особенности физического состояния любого полупроводникового прибора (в частности, ИС) обязательно отображаются в особенностях функций отклика на внешнее воздействие, зарегистрированных экспериментально. На практике функция отклика представляет собой вторую производную ВАХ входных цепей ИС по напряжению с использованием метода разностной частоты. Такая функция (назовем ее аналоговой сигнатурой нелинейности (АСН)) позволяет выделить в фиксируемых "портретах" ИС достаточно большое число информативных признаков (рис.2).

Р.е[1сЪ1 А* 10"- Е 3

Рис.2. Экспериментальная АСН ВАХ входной цепи ИС типа КР142ЕН18 №22, принятой за эталон

Для реализации метода "ХНЭ" применительно к конкретному типу ИС необходимо на основе детальной информации о схемотехнических и технологических характеристиках исследуемой ИС построить так называемую аналитическую диагностическую модель, которая содержит наиболее полную информацию о процессах в физиче-

ской среде ИС. Основой для построения аналитической модели является адекватная параметрическая модель ИС и соответствующие средства математического моделирования. Параметрическая и аналитическая модели ИС типа КР142ЕН18 приведены в приложениях 1, 2 диссертации. Для возможности практической реализации метода "ХНЭ" в производственных условиях сотрудниками Национального технического университета Украины "КПИ" разработан программно-аппаратный комплекс для снятия аналоговых сигнатур нелинейности под названием "АККОРД" стоимостью порядка семи тысяч долларов. Затем необходимо смоделировать расчетную аналоговую сигнатуру нелинейности (ACH). Расчетная ACH В АХ для ИС типа КР142ЕН18 представлена на рис.3.

1.8U+

в.ей

-1 еи+

Ik S.te

Рис.3. Расчетная ACH ВАХ входной цепи ИС типа КР142ЕН18, полученная путем компьютерного моделирования по схемотехнической модели ИС

По ряду объективных причин полученная расчетная ACH не полностью соответствует экспериментальной, однако на качественном уровне она вполне адекватно отражает электрические процессы, протекающие в реальной ИС. Об этом можно с уверенностью сказать, поскольку, во-первых, расчетная ACH имеет то же число экстремумов, что и экспериментальная; во-вторых, разброс положений экстремумов по оси абсцисс невелик (не превышает 0,5 В); в-третьих, по своей форме расчетная ACH практически полностью повторяет экспериментальную. Отсюда следует, что изменения параметров аналитической модели, соответствующие изменениям физического состояния реальной ИС, повлекут изменения ACH, аналогичные тем, что имеют место в реальной ИС.

Варьируя параметры отдельных или группы транзисторов в ИС типа КР142ЕН18 (прил.З диссертации), имитируя те или иные дефекты этих приборов, было замечено, что результирующая расчетная ACH ВАХ входной цепи схемы может измениться незначительно, либо на ней могут появиться новые экстремумы или ис-

чезнуть начальные. Примеры расчетной зависимости ACH ВАХ от изменений параметров конкретных компонент ИС представлены на рис.4, 5. Таким образом, составив экспериментальным и/или расчетным способом альбом (библиотеку) ACH ВАХ входных цепей для ИС с различными дефектами, можно затем для исследуемой ИС сделать заключение о ее потенциальной надежности и об области нахождения скрытых дефектов.

8.SU+

□ »(1аза>

Т i пс

V •

Рис.4. Появление новых экстремумов (N) ACH ВАХ входной цепи ИС типа КР142ЕН18 вследствие увеличения обратного тока транзистора VT52

4B0»U+.

□ и t юза >

Пне

Рис.5. Вид ACH ВАХ входной цепи ИС типа КР142ЕН18 вследствие увеличения обратного тока транзистора VT1

Анализ влияния отдельных транзисторов на ACH ВАХ входных цепей ИС серии 142 показывает, что наибольшее влияние оказывают те транзисторы, которые не-

посредственно подключены к входным цепям. Наименьшее влияние оказывают транзисторы схемы температурной компенсации.

Метод "ХНЭ" может быть использован для сравнительного контроля качества и надежности, анализа причин брака линейных биполярных ИС в процессе производства и входного контроля при их применении, а также для организации мониторинга физического состояния ИС данного типа по критериям надежности при эксплуатации.

В четвертой главе представлена разработанная автором методика получения сравнительной характеристики новых диагностических методов. Методика основана на статистических методах обработки данных и может быть использована при всестороннем анализе разрабатываемых методов диагностики специалистами, занимающимися проблемой надежности. Проведен анализ взаимозависимости новых методов диагностики ИС, сравнение методов диагностического контроля ИС по однородности и достоверности, получаемых по ним результатов, используя различные статистические методы: распределение хи-квадрат, "точный критерий Фишера", коэффициент связанности Юла.

Результаты расчета представлены в виде диаграммы (рис.6) взаимосвязи каждого метода, обозначенного по оси абсцисс М1, М2, МЗ, М4, М5, с остальными четырьмя методами.

н

0 0.8

X

§ °.6

а

2 0.4

X

§ 0,2

X

1 0

2 -о."

сс

ё -0,6 £

ш -0,8

М1 М2 МЗ М4 М5

Рис.6. Диаграмма взаимосвязности методов диагностики ИС (М1 - метод "нагрузка-КНП"; М2 - метод "диапазон-КНГГ; МЗ - метод "термо-КНП"; М4 - метод "ток-КНП"; М5 - метод "ХНЭ")

Каждому методу (М1, М2, ..., М5) на рис.6 соответствуют 4 столбика, показывающие взаимосвязь рассматриваемого метода со всеми остальными в отдельности. Например, крайний левый столбик диаграммы, отмеченной буквенно-цифровым со-

четанием М1, показывает взаимосвязь методов М1 и М2 (=0,88), следующий столбик - М1 и МЗ (=-0,92), последующий - М1 и М4 (=-0,24) и последний - М1 и М5 (=-0,95). Аналогично можно проследить взаимосвязь относительно любого из методов, показанных на рис.6.

Под положительной связью методов (например, М1-М2; М2-М1; М2-МЗ; М2-М4 и т.д.) следует понимать близость их физической сущности, то есть методы имеют незначительные отличия друг от друга, и в отдельных случаях могут быть взаимозаменяемы. Пары методов, обладающие сильной отрицательной (обратной) связью, наоборот, имеют существенные принципиальные отличия друг от друга, зачастую далеко не очевидные. Так, например, оба метода М1 ("нагрузка-КНП") и МЗ ("термо-КНП") основаны на измерении КНП, однако при этом имеют целый ряд принципиальных отличий, в частности, в методе М1 измерение КНП составляет его основу, а значительно более сложный метод МЗ использует КНП лишь в качестве контролируемого параметра. Совокупность принципиальных различий данных методов и обуславливает высокое отрицательное значение их взаимосвязи (=-0,92).

Анализируя рис.6, отметим также положительную связь методов МЗ ("термо-КНП") и М5 ("ХНЭ"), а также МЗ ("термо-КНП") и М4 ("ток-КНП"). Исходя из этого, можно предположить, что, в ряде случаев, эти методы могут быть взаимозаменяемы.

Далее с помощью распределения хи-квадрат была рассчитана однородность результатов диагностики (степень схожести результатов, полученных различными диагностическими методами по одной и той же партии ИС) партии ИС типа КР142ЕН12 объемом 50 штук представленными в работе диагностическими методами, основанными на КНП. Было установлено, что результаты, полученные по методу непосредственного измерения КНП, существенно отличаются от общей массы результатов, полученных по остальным диагностическим методам. Это обстоятельство в сочетании с подтвержденной в дальнейшем невысокой достоверностью метода непосредственного измерения КНП (=33%) доказывает невысокую эффективность данного диагностического метода.

В заключение главы рассчитана корреляционная связь каждого из рассматриваемых методов по отношению к испытаниям на безотказность (ИНБ) в течение 1000 часов. Представив результаты разбраковки ИС каждым из описанных методов в виде трех уровней надежности в числовой форме: потенциально менее надежные ИС символом "-1"; ИС средней надежности - "О"; потенциально более надежные ИС - "+1", получим совокупность данных: по исследуемому методу разбраковки ИС Х=(Х|,...,Х„)) где п - количество ИС в рассматриваемой выборке, и по методу, взятому за эталон (в нашем случае эталонным методом является испытание на безотказность) У=(Уь. .Л'п)- Коэффициент корреляции р между совокупностями X и V будет иметь

вид:

п- 1 7л 1 ТГТ

где Х,У - средние (математические ожидания), рассчитываемые по формуле

(4);

Б» Бу - среднеквадратичные отклонения, рассчитываемые по формуле (5).

Х = -±Х, (4) $ = р(5)

п ы У"-1 ^

Рассчитанные коэффициенты корреляции р всех рассматриваемых методов по

отношению к испытаниям на безотказность (в режиме: Т=100 °С, ип=45 В, 1=1 А для

выборки из 50 ИС типа КР142ЕН12) сведены в таблицу.

Метод КНП нагрузка-КНП диапазон-КНП ток-КНП термо-КНП

Р 0,325 0,728 0,807 0,912 0,954

Из таблицы видно, что достоверность методов: "ток-КНП" и "термо-КНП" составляет 0,91 и 0,95 % соответственно, что практически позволяет их использовать" в серийном производстве вместо ЭТТ.

В заключении сформулированы выводы по результатам работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В настоящей диссертации изложена научно-техническая разработка, обеспечивающая решение важной прикладной задачи - замены дорогостоящих и длительных отбраковочных испытаний новыми диагностическими методами контроля качества и надежности ИС как при производстве ИС, так и на входном контроле у изготовителей РЭА, а также обеспечения возможности разбраковки кремниевых биполярных ИС по уровням потенциальной надежности.

В диссертации получены следующие новые научные и технические результаты: 1. Разработан диагностический метод отбраковки потенциально ненадежных кремниевых аналоговых биполярных ИС серии 142 на основе сравнения температурных зависимостей КНП исследуемой схемы с эталонной зависимостью для данного типа схем и сравнения температурных зависимостей исследуемой схемы до и после проведения термоциклирования (метод "термо-КНП") с достоверностью не ниже 95%, что позволяет рекомендовать его к внедрению в технологический маршрут изготовления ИС вместо проведения длительных электротермотренировок. На данный метод подана заявка на изобретение.

2. Разработан диагностический метод, который позволяет по зависимости величины КНП от величины подаваемого на ИС тока (метод "ток-КНП") с достоверностью не ниже 90% отбраковывать ИС с дефектами напайки кристаллов на основание корпуса с производительностью в несколько раз большей, чем по прямому измерению теплового сопротивления кристалл-корпус.

3. Определены критерии выделения из партии ИС группы схем с повышенной надежностью по методу "термо-КНП". Экспериментально испытаниями на надежность ИС типа КР142ЕН12 в течение 3500 часов подтверждена правильность данных критериев.

4. Метод электрофизического индивидуального диагностирования ИС серии 142, основанный на компьютерном моделировании аналоговых сигнатур нелинейности вольтамперных характеристик входных цепей схемы, позволяет сделать не только общий вывод о состоянии с качеством и надежностью исследуемой схемы, но и указать область нахождения скрытых дефектов схемы.

5. Разработана универсальная программа расчета площади петли гистерезиса, написанная в среде программирования "Ве1рЫ-3.0", являющаяся необходимой составной частью методов диагностики ИС: "термо-КНП", "ток-КНП". Программа зарегистрирована в государственном фонде алгоритмов и программ Российской Федерации.

6. Разработана методика сравнительной оценки новых диагностических методов, основанная на статистических методах обработки данных, которая может быть использована при разностороннем анализе разрабатываемых методов диагностики специалистами, занимающимися проблемой надежности. Проведен анализ взаимозависимости новых методов диагностики ИС, сравнение методов диагностического контроля ИС по однородности и достоверности, получаемых по ним результатов, используя различные статистические методы.

Результаты работы использованы при организащш входного контроля биполярных интегральных схем типов: КР142ЕН5А, КР142ЕН6А, КР142ЕН8А, КР533АГЗ, КР533ИЕ5, 765КТЗ, 765ЛП2, 765ТМ2 на государственном предприятии "ВНИИС" и акционерном обществе открытого типа "РИФ", что дало суммарный условный экономический эффект 75 тыс. руб. (в ценах 1998 г.).

Автор работы благодарит сотрудников Национального технического университета Украины "КПИ": д.т.н., профессора Г.Б.Сердюка, к.т.н. В.Г.Усатенко, М.М.Букасова, Ю.М.Моторного за предоставленное оборудование, консультации и помощь в работе над третьей главой диссертации.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Горлов М.И., Ануфриев Л.П., Бордюжа О.Л. Обеспечение и повышение надежности полупроводниковых приборов и интегральных схем в процессе серийного производства. - Минск: Из-во "Интеграл", 1997. -390 С:

2. Бордюжа О.Л. Универсальная программа расчета площади петли гистерезиса // Государственный фонд алгоритмов и программ Российской Федерации (регистрационный номер 50980000009 от 16.04.98).

3. Горлов М.И., Королев С.Ю., Котов В.В., Бордюжа О.Л. Современный подход к организации производства полупроводниковых изделий высокого качества // Тезисы докладов IX научно-технической отраслевой конференции "Состояние и пути повышения надежности видеомагнитофонов". АООТ "Видеофон". Воронеж, 1995. -С.28-29.

4. Горлов М.И., Королев С.Ю., Бордюжа О.Л. Повышение надежности интегральных микросхем в процессе серийного производства // Материалы докладов научно-технического семинара «Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах», Москва, 1996. -С.250-260.

5. Бойко В.И., Бордюжа О.Л., Королев С.Ю. Диагностика качества ИС типа КР142ЕН12 Л Тезисы докладов X научно-технической отраслевой конференции "Состояние и пути повышения надежности видеомагнитофонов". АООТ "Видеофон". Воронеж, 1996. -С.42.

6. Бордюжа О.Л., Литвиненко ДА., Королев С.Ю. Метод диагностического контроля интегральных схем серии 142 // Тезисы докладов X научно-технической отраслевой конференции «Состояние и пути повышения надежности видеомагнитофонов», Воронеж, АООТ «Видеофон», 1996. -С.43.

7. Бордюжа О.Л. Применение метода критического напряжения питания для отбраковки потенциально ненадежных ИС // Межвузовский сборник научных трудов «Твердотельная электроника и микроэлектроника», Воронеж, 1997. -С.54-58.

8. Бордюжа О.Л. Комбинированный метод диагностического контроля качества и надежности ИС типа КР142ЕН12 // Тезисы докладов II Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Электроника и информа-тика-97», МИЭТ, 1997. Часть 1. -С.15.

9. Усатенко В.Г., Сердюк Г.Б., Бордюжа О.Л. Электрофизическое диагностирование линейных биполярных ИС по вариационным признакам интегральных характеристик их тока потребления // Материалы докладов научно-технического семинара «Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах», Москва, 1997. -С.323-327.

Ю.Бордюжа О.Л., Бойко В.И., Литвиненко Д.А. Исследование метода критического напряжения на ИС типа КР142ЕН12 // Материалы докладов научно-технического

семинара «Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах», Москва, 1997. -С.320-322.

Н.Горлов М.И., Бордюжа О.Л. Разбраковка интегральных схем методом "термо-КНП" // Материалы докладов 8-й международной крымской микроволновой конференции "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии (КрыМиКо-98)", Севастополь, Вебер, 1998. -С.136-137.

12.Бордюжа О.Л., Усатенко В.Г., Сердюк Г.Б. Метод электрофизического диагностирования биполярных ИС по интегральным эффектам нелинейности // Тезисы докладов научно-технической конференции «Микроэлектроника и информатика-97», МИЭТ, 1997. -С. 8.

13.Бордюжа О.Л. Исследование влияния температурного воздействия на критическое напряжение питания интегральных схем типа КР142ЕН12 // Материалы докладов научно-технического семинара «Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах», Москва, 1998. -С.421-424.

14.Бордюжа О.Л. Применение различных методов КНП к определению потенциальной надежности биполярных интегральных схем // Тезисы докладов научно-технической конференции «Микроэлектроника и информатика-98 / МИЭТ, 1998. Часть 1.-С.9.

ЛР№ 020419 от 12.02.92. Подписано в печать 10.11.98. Формат 60x84/16. Бумага для множительных аппаратов. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 85 экз. Зак. № 295 Издательство

Воронежского государственного технического университета 394026 Воронеж. Московский просп., 14

Воронежский государственный технический университет

На правах рукописи

БОРДЮЖА ОЛЕГ ЛЕОНИДОВИЧ

ДИАГНОСТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА И НАДЕЖНОСТИ КРЕМНИЕВЫХ БИПОЛЯРНЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ

Специальность 05.27.01 - твердотельная электроника, микроэлектроника и наноэлекгроника

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Горлов М.И.

ВОРОНЕЖ -1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................................................................................................4

ГЛАВА 1...................................................................................................................................................................10

МЕТОДЫ ДИАГНОСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА И НАДЕЖНОСТИ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ.................................................................................................................................... 10

1.1. МЕТОДЫ ДИАГНОСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ИС, РАСПРОСТРАНЕННЫЕ С ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ.........................................................................................................12

1.1.1. ДИАГНОСТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ИС С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДЕСТАБИЛИЗИРУЮЩИХ ФАКТОРОВ..................................................................................................... 12

1.1.2. КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ИС В УСЛОВИЯХ, УВЕЛИЧИВАЮЩИХ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ К ДЕФЕКТАМ........-.........................................................................15

1.1.3. ПРИМЕНЕНИЕ ТЕПЛОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ИЗДЕЛИЙ ДЛЯ ИХ ДИАГНОСТИКИ

ПО КАЧЕСТВУ НАПАЙКИ КРИСТАЛЛОВ.............................................................................................17

1.1.4. ИНДИВИДУАЛЬНОЕ ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ПОТЕНЦИАЛЬНО НЕНАДЕЖНЫХ ИС ПО ШУМОВЫМ КРИТЕРИЯМ НИЗКОЧАСТОТНОГО СПЕКТРА..............................................................19

1.2. ВЫЯВЛЕНИЕ ПОТЕНЦИАЛЬНО НЕНАДЕЖНЫХ ИС МЕТОДОМ АНАЛИЗА ФОРМ (ПАРАМЕТРОВ) ДИНАМИЧЕСКОГО ТОКА ПОТРЕБЛЕНИЯ.................................................................20

1.2.1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ МЕТОДА............................................................................................20

1.2.2. ДИАГНОСТИКА ИНТЕГРАЛЬНЫХ СТАБИЛИЗА ТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ ПО ПАРАМЕТРАМ ФОРМЫ ДИНАМИЧЕСКОГО ТОКА ПОТРЕБЛЕНИЯ...................................................23

1.3. МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ ИС, ОСНОВАННЫЕ НА КРИТИЧЕСКОМ НАПРЯЖЕНИИ ПИТАНИЯ............................................................................................................................................................25

1.3.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТОДОВ.......................................................................................25

1.3.2. КОНТРОЛЬ ПАРАМЕТРОВ ИС ПРИ КРИТИЧЕСКОМ НАПРЯЖЕНИИ ПИТАНИЯ............27

1.3.3. МОДИФИКАЦИИ МЕТОДА КРИТИЧЕСКОГО НАПРЯЖЕНИЯ ПИТАНИЯ............................39

1.3.4. КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ИС ПО КРИТИЧЕСКОЙ ВЕЛИЧИНЕ ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ.........................................................................................................................................42

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 1................................................................................................................................................45

ГЛАВА 2...................................................................................................................................................................46,

НОВЫЕ МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ БИПОЛЯРНЫХ ИС, ОСНОВАННЫЕ НА КРИТИЧЕСКОМ НАПРЯЖЕНИИ ПИТАНИЯ..............................................................................................46

2.1. ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ.......................................................................................!..........................46

2.2. НОВЫЕ МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ ИС, ОСНОВАННЫЕ НА НЕПОСРЕДСТВЕННОМ ИЗМЕРЕНИИ КРИТИЧЕСКОГО НАПРЯЖЕНИЯ ПИТАНИЯ...................................................................52

2.3. МЕТОД ДИАГНОСТИКИ ИС, ОСНОВАННЫЙ НА ТЕМПЕРАТУРНЫХ ЗАВИСИМОСТЯХ КРИТИЧЕСКОГО НАПРЯЖЕНИЯ ПИТАНИЯ.............................................................................................60

2.3.1. ПЕРВЫЙ ЭТАП...................................................................................................................................61

2.3.2. ВТОРОЙ ЭТАП....................................................................................................................................63

2.3.3. РАЗБРАКОВКА ПО УРОВНЯМ ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ НАДЕЖНОСТИ ИС ТИПОВ КР142ЕН12 И КР142ЕН18...........................................................................................................................65

2.4. МЕТОД ВЫЯВЛЕНИЯ ИС С ДЕФЕКТАМИ ПО НАПАЙКЕ КРИСТАЛЛОВ..............................72

2.4.1. ОПИСАНИЕ МЕТОДА........................................................................................................................73

2.4.2. РАЗБРАКОВКА ИС ТИПА КР142ЕН12 МЕТОДОМ "ТОК-КНП"...................................................73

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 2................................................................................................................................................76

ГЛАВА 3...................................................................................................................................................................78

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКОЕ ДИАГНОСТИРОВАНИЕ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ..................................78

3.1. ХАРАКТЕРИСТИКИ НЕЛИНЕЙНОСТИ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ ИС КАК НОСИТЕЛИ ДИАГНОСТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ........................................................................................................78

3.2. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА ПОСТРОЕНИЯ КОМПЬЮТЕРНОЙ МОДЕЛИ ИС.........................82

3.3. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ АНАЛОГОВОЙ СИГНАТУРЫ НЕЛИНЕЙНОСТИ...........................;...................................................................................................................83

3.4. ОПРОБОВАНИЕ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКОГО МЕТОДА ДИАГНОСТИРОВАНИЯ НА ИС ТИПА КР142ЕН18..............................................................................................................................................87

3.4.1. РАЗРАБОТКА ПРАВИЛА ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЯ О ВИДЕ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ИС..............................................................................................................'............................95

3.4.2. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ АНАЛОГОВЫХ СИГНАТУР НЕЛИНЕЙНОСТИ ВАХ ВХОДНЫХ ЦЕПЕЙ ИС ТИПА КР142ЕН18....................................................................................98

3.5. ИССЛЕДОВАНИЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ КОМПЬЮТЕРНОЙ МОДЕЛИ АСН К

ИЗМЕНЕНИЮ ПАРАМЕТРОВ ФИЗИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ.............................................................103

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 3..............................................................................................................................................112

ГЛАВА 4..................................................................................................................................................................113

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ РАССМОТРЕННЫХ ДИАГНОСТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ПО РАЗЛИЧНЫМ КРИТЕРИЯМ............................................................................................................................113

4.1. РАСЧЁТ ВЕЛИЧИНЫ ВЗАИМОЗАВИСИМОСТИ МЕТОДОВ МЕЖДУ СОБОЙ........................113

4.2. ПРОВЕРКА ОДНОРОДНОСТИ РЕЗУЛЬТАТОВ РАСЧЕТА НАДЕЖНОСТИ

ПАРТИИ ИС РАЗЛИЧНЫМИ ДИАГНОСТИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ.................................................130

4.3. ИССЛЕДОВАНИЕ ДОСТОВЕРНОСТИ НОВЫХ МЕТОДОВ ДИАГНОСТИКИ ИС...................137

Выводы К ГЛАВЕ 4..............................................................................................................................................139

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....................................................................................................................................................140

ЛИТЕРАТУРА.......................................................................................................................................................142

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. ПАРАМЕТРЫ МОДЕЛЕЙ СХЕМ ЗАМЕЩЕНИЯ.....................................................153

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. ОПИСАНИЕ АНАЛИТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ НА PSPICE.......................................158

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СХЕМА ИС ТИПА КР142ЕН18.......163

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы.

Среди множества проблем современной полупроводниковой электроники особое место занимает проблема качества и надежности выпускаемой продукции. Страны с развитой электронной промышленностью (США, Япония и др.) ежегодно затрачивают огромные средства на повышение качества и надежности своей продукции [И-

Известно, что в интегральных схемах (ИС) на ряде технологических операций вводятся внутренние механические напряжения (МН) как результат нагрева (термические МН), легирования (концентрационные МН), нанесения и травления различных функциональных слоев (структурные и межфазные МН). В поле механических напряжений резко ускоряется подвижность точечных дефектов, изменяется их равновесная концентрация и дефектная структура эволюционирует в направлении формирования макроскопических дефектов, наличие которых в ИС резко ухудшаеч ее надежностные характеристики [2].

Одной из особенностей производства изделий электронной техники (ИЭТ) является то, что в каждой выпускаемой партии изделий, полностью соответствующей по качеству требованиям нормативно-технической документации, то есть техническим условиям (ТУ) и конструкторской документации (КД), имеются изделия, различающиеся по надежности на два и более порядка, то есть присутствуют изделия со скрытыми дефектами, которые могут отказать как в период приработки, так и в период нормальной работы, и изделия, которые обладают повышенной по сравнению с основной массой изделий надежностью. Для устранения из партии потенциально-ненадежных ИЭТ проводятся сплошные отбраковочные испытания, включающие испытания при повышенных и пониженных температурах, термоциклирование, элек-тротермотренировку (ЭТТ) и т.п.

Мечтой производственников является нахождение такого метода отбраковки ИЭТ в процессе их производства, который позволял бы, во-первых, отбраковать потенциально-ненадежные изделия; во-вторых, заменить длительные и дорогостоящие отбраковочные испытания, например ЭТТ, на диагностические методы, которые были бы не менее эффективными, но более дешевыми.

В настоящее время известно множество диагностических методов отбраковки потенциально-ненадежных ИС (использование ш-характеристик, тепловых характеристик, шумовых критериев и др.), но достоверность этих методов недостаточна для того, чтобы внедрить один из них в технологический процесс изготовления ИС вместо дорогостоящих отбраковочных испытаний. Поэтому главной задачей в разработке новых и модификации известных методов диагностирования ИС является повышение их достоверности до уровня не менее 90-95%, что требуют национальные стандарты стран с развитой электронной промышленностью [3].

Наиболее перспективным методом диагностирования ИС из-за простоты его реализации, на наш взгляд, является метод критического напряжения питания (КНП) или критического напряжения функционирования (КНФ). Но достоверность этого метода составляет порядка 50%, а его известные модификации позволяют повысить достоверность данного метода только до 70-80%.

Зачастую на производстве возникает необходимость не только отбраковки потенциально-ненадежных ИС, но и выделения из партии группы схем с повышенным уровнем надежности. Методы выделения схем с повышенной надежностью в технической литературе не описаны.

Поэтому считаем, что поиск модернизаций метода КНП с целью повышения достоверности отбраковки потенциально-ненадежных ИС до уровня не менее 9095%, что позволило бы внедрить его в производство вместо ЭТТ, с одновременной возможностью диагностического выделения из партии ИС группы схем, имеющей повышенный уровень надежности, является в настоящее время весьма актуальным.

Работа выполнялась по теме ГБ 96-34 "Исследование и моделирование физических процессов в полупроводниковых материалах и приборах".

Цели и задачи работы.

Целью настоящей диссертации является разработка новых диагностических методов отбраковки потенциально-ненадежных ИС на основе метода КНП с достоверностью не хуже 90-95%, способных заменить дорогостоящие и длительные отбраковочные испытания как при производстве ИС, так и на входном контроле предприятий-изготовителей радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), а также позволяющих

выделить из партии ИС группу высоконадежных схем. Для достижения этой цели в

работе были поставлены следующие задачи:

1. Разработать новые методы диагностирования потенциально-ненадежных кремниевых биполярных ИС серии 142, основанные на методе КНП, определить критерии оценки и проверить достоверность получаемых по ним результатов.

2. Определить возможность применения разработанных методов для выделения группы ИС серии 142 повышенной надежности.

3. Обосновать и экспериментально подтвердить возможность диагностики качества и надежности ИС серии 142 методами, основанными на оценке характеристик нелинейности энергопотребления.

4. Провести анализ взаимозависимости новых методов диагностики ИС, сравнение их по однородности и по достоверности, получаемых по ним результатов, используя различные статистические методы.

Научная новизна работы.

В работе получены следующие новые научные и технические результаты:

1. На основе метода непосредственного измерения критического напряжения питания разработаны новые методы, суть которых в следующем:

• по сравнению температурных зависимостей КНП исследуемой ИС с эталонной зависимостью для данного типа схем и сравнению температурных зависимостей исследуемой ИС до и после проведения термоциклирования отбраковываются потенциально-ненадежные ИС с достоверностью не ниже 95% (метод "термо-КНП").

• по зависимости величины КНД от величины подаваемого на ИС тока проводится оценка качества напайки кристалла на кристаллодержатель с достоверностью не ниже 90% (метод "ток-КНП");

2. Показана возможность выделения из партии ИС группы схем с повышенной на- • дежностью методом "термо-КНП".

3. Применен к ИС серии 142 метод электрофизического индивидуального диагностирования, основанный на компьютерном моделировании аналоговых сигнатур нелинейности вольт-амперных характеристик.

4. Разработана методика сравнительной оценки новых диагностических методов.

5. Разработана универсальная программа расчета площади петли гистерезиса, являющаяся необходимой составной частью методов диагностики ИС: "термо-КНП", "ток-КНП" и написанная в среде программирования 'Т>е1рЫ-3.0".

Реализация результатов работы, практическая ценность.

1. Разработан диагностический метод отбраковки потенциально-ненадежных ИС серии 142, получивший название "термо-КНП", обладающий высокой достоверностью (не хуже 95%), что позволяет внедрить его в технологический процесс изготовления схем вместо ЭТТ или на входном контроле при изготовлении РЭА. Определены критерии, по которым по методу "термо-КНП" можно выделить группу ИС (не менее 10%), обладающих повышенной надежностью. На метод "термо-КНП" подана заявка на изобретение.

2. Разработанный метод "ток-КНП" позволяет с достоверностью не хуже 90% отбраковывать ИС с дефектами напайки кристаллов на основание корпуса с производительностью в несколько раз большей, чем по прямому измерению те шового сопротивления кристалл-корпус.

3. Метод электрофизического индивидуального диагностирования ИС серии 142 по характеристикам нелинейности энергопотребления (метод "ХНЭ") позволяет сделать не только общий вывод о состоянии с качеством и надежностью исследуемой схемы, но и указать область нахождения скрытых дефектов схемы.

4. Проведенный сравнительный анализ диагностических методов с натурными испытаниями ИС серии 142 на безотказность показал высокую достоверность методов "термо-КНП" (не хуже 95%) и "ток-КНП" (не хуже 90%). Разработанная методика сравнительной оценки диагностических методов, основанная на использовании различных статистических методов, может применяться специалистами, занимающимися проблемой надежности, при всестороннем анализе разрабатываемых методов диагностики или их сравнении с известными диагностическими методами.

5. Разработанная универсальная программа расчета площади петли гистерезиса, написанная в среде программирования 'Т)е1рЫ-3.0", зарегистрирована в государственном фонде алгоритмов и программ Российской Федерации.

Результаты работы использованы на предприятиях ГП "ВНИИС" и АООТ "РИФ" при организации входного контроля ИС серий 142, 533, 765, что дало суммарный условный экономический эффект 75 тыс. руб. (в ценах 1998 г.).

Основные положения и результаты, выносимые на защиту.

1. Метод диагностического контроля ИС серии 142, позволяющий сравнением температурных зависимостей КНП исследуемой схемы с эталонной зависимостью в сочетании со сравнением температурных зависимостей КНП исследуемой ИС до и после проведения термоциклирования отбраковать с достоверностью не хуже 95% потенциально-ненадежные ИС, а также выделить из партии группу схем, имеющих повышенную надежность (метод "термо-КНП").

2. Метод диагностического контроля напайки кристаллов ИС на кристаллодержатель или основание корпуса (метод "ток-КНП").

3. Метод электрофизического индивидуального диагностирования ИС серии 142, позволяющий не только определять потенциально-ненадежные схемы, но я указать область нахождения дефектов в ИС (метод "ХНЭ").

4. Методика сравнительной оценки различных диагностических методов по взаимозависимости, по однородности и достоверности результатов.

Апробация работы и публикации.

Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на международных научно-технических семинарах "Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах" (Москва, 1995-1997 гг.), межвузовских научно-технических конференциях "Микроэлектроника и информатика" (Москва, 1996-1997 гг.), VIII международной крымской микроволновой конференции "КрыМиКо-98" (Севастополь, 1998 г.), 1Х-Х отраслевых научно-технических конференциях "Состояние и пути повышения надежности видеомагнитофонов" (Воронеж, 19951996 гг.), ХХХУ-ХХХУШ научных конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников, аспирантов и студентов ВГТУ (Воронеж, 1995-1998 гг.).

Основные результаты работы изложены в 17 публикациях, в том числе в монографии "Обеспечение и повышение надежности полупроводниковых приборов и интегральных схем в процессе серийного производства", заявке на изобретение и программном средстве, зарегистрированном в государственном фонде алгоритмов и программ Российской Федерации.

В совместных работах автору пр