автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.23, диссертация на тему:Методы ускоренных испытаний сверхбольших интегральных микросхем на надежность

Дорошевич Павел Викторович

МЕТОДЫ УСКОРЕННЫХ ИСПЫТАНИЙ СВЕРХБОЛЬШИХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ НА НАДЕЖНОСТЬ

Специальность 05.02.23 - «Стандартизация и управление качеством продукции»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 7 МАЛ 2015

МОСКВА 2015

005569500

005569500

Диссертационная работа выполнена в Московском государственном университете информационных технологий, радиотехники и электроники.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Марин Владимир Петрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Николаев Василий Николаевич доктор технических наук, профессор Гамкрелидзе Сергей Анатольевич

Ведущая организация Открытое акционерное общество «Ангстрем»

Защита состоится 25.06.2015 в _ часов в ауд. _ на заседании

диссертационного совета Д212.131.04 Московского государственного университета информационных технологий, радиотехники и электроники по адресу: 119454, Москва, проспект Вернадского, 78.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета информационных технологий, радиотехники и электроники.

Автореферат разослан и размещен на сайте www.mirea.ru «_»_2015 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, доцент

Замуруев С.Н.

1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Обеспечение качества и надежности сверхбольших интегральных схем (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 испытаниями требует больших временных и материальных затрат.

Существующие методы ускоренных испытаний на безотказность и наработку до отказа разработаны применительно к микросхемам с проектными нормами 2, 3 мкм и более. Они изложены в РД 11 0755 «Микросхемы интегральные. 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 производства указанных микросхем.

С уменьшением проектных норм ужесточаются требования к основным материалам для изготовления микросхем. При этом изменяется и конструктивно-технологическое исполнение микросхем. Уменьшение топологических норм делает необходимым уменьшение напряжений, толщин слоев окисла и металла, а также диффузионных глубин и возрастаний легирования. Все это влияет на физико-технические процессы, на энергию активации, характер отказов.

Отказы микросхем обусловлены изменением материалов и структур в результате 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 и минимизации 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 и задачи работы

Провести экспериментальные испытания, определить энергию активации, разработать метод ускоренных испытаний на безотказность и наработку до отказа СБИС с проектными нормами 0,6 - 0,13 мкм и менее.

Поставленная цель предполагает решение следующих задач:

1. Провести анализ материалов испытаний на безотказность, наработку до отказа и электротермотренировку СБИС с топологическими нормами 0,6 - 0,13 мкм и менее и определить возможные виды и причины отказов СБИС.

2. Рассмотреть возможные методы ускоренных и экспериментальных испытаний и определить методы проведения исследований СБИС.

3. Определить номенклатуру СБИС и провести испытания.

4. Определить энергию активации для СБИС с проектными нормами 0,6 - 0,13 мкм и менее.

5. Разработать метод ускоренных испытаний СБИС на безотказность и наработку до отказа.

Методы исследования

Теоретические и физические исследования базируются на экспериментальных исследованиях причинно-следственных связей дефектов и отказов микросхем с конструктивно-технологическими характеристиками, технологическими операциями, качеством материалов (статистических обобщений проведения анализа отказов микросхем).

Научная новизна работы

Научная новизна работы включает в себя следующие результаты:

1. Изучены и определены возможные виды и причины отказов СБИС с проектными нормами 0,6-0,13 мкм и менее.

2. Проведено уточнение возможных ускоренных методов испытаний применительно к СБИС.

3. Рассмотрены возможные методы испытаний. Уточнен и определен метод проведения экспериментальных испытаний.

4. Проведены испытания СБИС.

5. Определена энергия активации для СБИС с проектными нормами 0,60,13 мкм и менее.

6. Разработан метод ускоренных испытаний СБИС на безотказность и наработку до отказа.

На защиту выносятся следующие результаты:

1. Результаты анализа и обобщения испытаний СБИС с проектными нормами 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 испытаний

применительно 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 значение энергии активации для микросхем с проектными нормами 2,3 мкм и более.

4. Метод ускоренных испытаний СБИС на безотказность и наработку до отказа, позволяющий сократить время и затраты на испытания на 30 %.

Достоверность научно-практических результатов диссертационной работы подтверждается результатами экспериментальных испытаний.

Полученные значения энергии активации могут быть использованы при разработке методик оценки требований технического задания по наработке до отказа.

Практическая ценность работы

Разработанный метод ускоренных испытаний для СБИС с проектными нормами 0,6 - 0,13 мкм и менее позволяет сократить длительность и затраты на испытания на 30 %.

Уточненные методы ускоренных и экспериментальных испытаний по определению энергии активации на основе параллельных испытаний выборок могут быть использованы при разработке методов ускоренных испытаний и для других классов электронной компонентной базы.

Реализация и внедрение результатов работы

Разработанный метод предложен для включения в стандарт «Микросхемы интегральные. Методы ускоренных испытаний на безотказность и наработки до отказа».

Полученные значения энергии активации могут быть использованы при разработке методик оценки требований технического задания на безотказность и наработку до отказа.

Апробация результатов работы

Основные положения и результаты работы включены в проект нормативно-технической документации, регламентирующей проведение ускоренных испытаний СБИС на безотказность и наработку до отказа.

Публикации

По результатам исследований и практических разработок опубликовано 7 научных работ - в изданиях, рекомендованных в ВАК РФ, в том числе две - без соавторов.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Объем диссертации 109 страниц машинописного текста. Работа содержит 8 рисунков и 14 таблиц. Список литературы включает 92 наименования.

2 ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы проблема, цель, задачи, научная новизна и практическая значимость основных научных результатов. Приведены основные положения и результаты, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ и рассмотрены результаты испытаний СБИС на безотказность, наработку до отказа и электротермотренировку (ЭТТ).

Анализ и обобщение результатов испытаний показывает, что при испытаниях на безотказность (3000 ч.), ускоренных испытаний на наработку до отказа при повышенной температуре у СБИС с проектными нормами 0,6-0,13 мкм и менее после ЭТТ отказы отсутствуют. При проведении ЭТТ процент брака не превышает значения установленного в ОТУ.

Материалы испытаний на безотказность, наработку до отказа и ЭТТ СБИС, выпускаемых ведущими предприятиями промышленности свидетельствует о

том, что после проведения ускоренных испытаний имеет место изменение параметров (деградация).

Рассмотрены возможные методы ускоренных испытаний СБИС:

- методы расчетно-экспериментального прогнозирования надежности на этапе разработки;

- оценка надежности микросхем методом физико-технической экспертизы;

- оценка надежности по моделям механизмов отказов;

- оценка интенсивности отказов по результатам испытаний;

- методы контроля качества и надежности микросхем путем анализа элементного состава характеристик материалов и микросхем;

- прогнозирование показателей надежности на основе ускоренных испытаний тестовых структур;

- прогнозирование интенсивности отказов сверхбольших интегральных схем по результатам электротермотренировки.

Определен основной воздействующий фактор на СБИС - температура.

Показано, что наиболее приемлемым методом ускоренных испытаний на наработку до отказа целесообразно принять «Оценку надежности методом испытаний при повышенной температуре». Проведено уточнение ускоренных и экспериментальных методов применительно к СБИС.

Во второй главе рассмотрены возможные виды и причины отказов СБИС по кристаллу, фотолитографическим процессам, диффузии, ионной имплантации, металлизации и контактам, пассивации, соединению кристалл-вывод, креплению кристалла к корпусу, герметизации, примесным эффектам и перенапряжению.

Ускоряющим фактором для большинства механизмов отказов СБИС является повышенная температура.

Режим не должен выходить за границы области допустимого форсирования. Эта область характеризует предельно - допустимый режим, при котором не

возникает новых механизмов отказов и дефектов, не происходит необратимой потери работоспособности.

Для установления того, что при форсировании режима не возникает новых механизмов отказов целесообразно воспользоваться данными анализа и обобщения результатов испытаний на безотказность и наработку до отказа.

Следует отметить, что уменьшение проектных норм, увеличение функциональной сложности микросхем существенно влияет на распределение типов отказов микросхем. Уменьшение геометрических размеров делает необходимым уменьшение напряжений, толщин слоя окисла и металлического слоя, глубины имплантации и увеличение легирования. Это способствует возникновению различных отказов: кристаллографические дефекты, пробой окисла затвора, электроперенос металлизации, «программные ошибки» динамических запоминающих микросхем с произвольным доступом, вызванные альфа-частицами.

Требования по надежности СБИС постоянно возрастают. Отказы СБИС могут возникать во время отбраковки, электрического тестирования испытаний, транспортировки, хранении, а также при применении.

Чтобы получить достоверную информацию о надежности СБИС, особое внимание 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, технологическими

условиями и операциями.

Необходимо проведение экспериментальных испытаний по определению энергии активации, механизмов отказов микросхем при различных

температурах, являющейся основной характеристикой при проведении ускоренных испытаний.

Рассмотрены и уточнены методики определения значения энергии активации:

- 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 проведения параллельных испытаний выборок в различных режимах с последующей обработкой результатов испытаний.

В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований СБИС.

Для проведения испытаний были отобраны следующие СБИС, выполненные по разным технологиям, перечень СБИС и технологии изготовления приведены в таблице 1.

Таблица 1 - СБИС отечественного производства

Тнпономинал (обозначение технологии) Технология изготовления Проектные нормы, мкм

1645РУ2Т(ХИ0) кмоп-кни 1,0

1886ВЕ1У(ХС06) кмоп 0,6

5559ИН14У(ХТ06) кмоп-кни 0,6

1645РУ1У(ХН035) кмоп 0,35

1636РР1У(ЕР250О кмоп 0,25

5559ИН19У(ХС018) кмоп 0,18

Для испытаний отобраны по 60 шт. СБИС каждого из 6 типов. Результаты испытаний сверхбольших интегральных схем Для определения энергии активации на основе параллельных испытаний выборок в различных режимах сформированы по 3 выборки каждого типономинала по 20 штук СБИС:

- 1 группа выборок - при температуре 130"С;

- 2 группа выборок- при температуре 140

- 3 группа выборок- при температуре 15013.

Продолжительность времени испытаний составила около 9 тысяч часов.

В процессе испытаний контролировались задаваемые электрический и температурный режимы.

Каждые 500 часов проводились измерения и фиксация результатов измерений параметров каждой СБИС в нормальных условиях.

После каждых измерений анализировались результаты и фиксировались отказы СБИС по «ужесточенным» нормам: по параметрам напряжения верхнего уровня иоь, напряжения низкого уровня иоь токам утечек верхнего уровня и низкого уровня 1П.

При проведении испытаний имело место изменение (деградация) параметров.

Определение_энергий_активации_механизмов_отказов

сверхбольших интегральных схем

Для определения энергии активации на основании отказов СБИС использована формула 1.

£„ = 8,62-10"гД, (1)

где Д - коэффициент регрессии, характеризующий наклон линии регрессии, определяющийся по формуле 2.

V 1 5 х>.

5 . г=| -1

где Z- номер режима испытаний;

Б - общее количество режимов испытаний;

Т„сР- и (2„ер: - температура перехода соответственно в градусах Цельсия и Кельвина (()„?,,;= Тпер,+21Ъ)\

с1. - количество отказов, шт.;

?/г - время наработки до отказа ¡-й ИС в г-режиме, ч; - зависимая переменная (функция времени);

Хг = - независимая переменная (функция режима);

Qnep.г

и = ^У" - математическое ожидание логарифма времени наработки до отказа

По результатам испытаний рассчитаны значения энергии активации для СБИС с проектными нормами 0,6-0,09 мкм.

Результаты проведенных испытаний СБИС свидетельствуют о том, что среднее значение для энергии активации на 0,1-0,15 эВ больше, чем значение энергии активации для микросхем с проектными нормами 2,3 мкм и более.

В четвертой главе разработан метод ускоренных испытаний на безотказность и наработку до отказа СБИС для проектных норм 0,6-0,13 мкм и менее.

Метод включает:

определение коэффициента ускорения отказов сверхбольших интегральных схем;

- определение границ области допустимого форсирования;

- определение констант ускорения и и а в моделях коэффициента ускорения от тока и напряжения;

- определение энергии активации на основе параллельных испытаний выборок в различных режимах.

Определение коэффициента ускорения отказов сверхбольших

интегральных схем

Приведены соотношения для расчета коэффициента ускорения с учетом нескольких механизмов отказов. Необходимо определить модель коэффициента

ускорения для каждого из механизмов К, (Т, и, -Г) отказов и относительную долю вероятности отказа (<?,).

Общий коэффициент ускорения для выбранного форсированного режима (Г*, и', У') по сравнению с нормальным режимом (Г°, (У0, У0) рассчитывают в зависимости от имеющихся данных об относительном распределении механизмов отказов в общем потоке отказов.

Если известны модели ускорения всех доминирующих видов и механизмов отказов, а также относительные доли вероятности их проявления в нормальных условиях (д°), то общий коэффициент ускорения рассчитывают по формуле 3.

(3)

(.1 /.1 р. 1

где - относительная доля вероятности отказа СБИС из-за отказа /-го элемента (допускается / = 1) вследствие развития у-го механизма отказа в нормальных условиях;

К°'р - коэффициент ускорения у'-го механизма отказа в ;'-м элементе СБИС при воздействии р-то фактора.

При одном ускоряющем факторе коэффициент ускорения рассчитывают по формуле 4.

(4)

1=1

где - относительная доля отказа СБИС из-за отказа /-го элемента.

Аналогичные соотношения приводятся и для форсированного режима.

Определение границ области допустимого форсирования

Режимы форсирования испытаний не должны выходить за границы области допустимого форсирования.

В пределах области допустимого форсирования должны соблюдаться требования к температуре, напряжению питания и току потребления.

Испытания заканчивают при достижении температуры, при которой прекращается функционирование.

Определение констант ускорения я и я в моделях коэффициента ускорения от тока и напряжения

Значения констант ускорения и и а определяют путем проведения испытаний и последующей математической обработки результатов испытаний.

1. Испытаниям подвергают не менее трех выборок по каждому из воздействующих факторов. Объем каждой выборки - по планам контроля ОСТ В 11 0998 «Микросхемы интегральные. Общие технические условия».

2. Испытания проводят не менее чем при трех значениях тока (У) или напряжения (Ц), минимальные значения которых выбирают равной температуре при испытаниях не превышающих 125 "С, при температуре кристалла не выше 150°С.

3. Продолжительность испытаний должна быть такой, чтобы в каждой выборке были отказы.

Определение энергии активации на основе параллельных испытаний выборок в различных режимах

Значение энергии активации (Еа) определяют путем проведения параллельных испытаний выборок в различных режимах с последующей математической обработкой результатов испытаний.

1. Испытаниям подвергают не менее трех выборок по планам испытаний на безотказность по ОТУ.

2. Испытания проводят не менее чем при трех значениях Тше. Минимальное значение ТПЕР берут температуру для испытаний на безотказность 125°С, максимальное значение ТПЕР берут не выше 150°С для кристалла. Остальные значения выбирают между этими температурами.

3. Продолжительность испытаний должна быть такой, чтобы были отказы.

4. Контроль параметров и функционирования СБИС проводят перед началом и в процессе испытаний.

5. Значение £„ определяют по формулам 1 и 2.

Разработанный метод предложен и принят для включения в проект стандарта «Микросхемы интегральные. Методы ускоренных испытаний на безотказность 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 с изделием-аналогом;

- для прогнозирования надежности на этапе разработки интегральных схем с целью оценки эффективности конструктивно-технологических решений, направленных на обеспечение надежности.

3 ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Поставленная в работе задача разработки метода ускоренных испытаний на наработку до отказа сверхбольших интегральных схем для проектных норм 0,6-0,13 мкм и менее решалась на основе теоретических и экспериментальных исследований, включающих:

- анализ материалов испытаний на безотказность, наработку до отказа и электротермотренировку 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.

Теоретические и физические исследования базируются на экспериментальных исследованиях причинно-следственных связей дефектов и отказов микросхем с конструктивно-технологическими характеристиками, технологическими операциями, качеством материалов (статистических обобщений проведения анализа отказов микросхем).

2. На основе исследований получены следующие результаты.

Проведен анализ и уточнение существующих методов ускоренных и экспериментальных испытаний на безотказность и наработку до отказа, разработанных применительно к микросхемам с проектными нормами 2, 3 мкм и более, разработана программа испытаний, методология испытаний СБИС; проведено обобщение, анализ результатов испытаний на безотказность и наработку до отказа СБИС. На основе проведенного анализа определены методические подходы к определению энергии активации, коэффициента ускорения, констант моделей ускорения, границы допустимого форсирования при проведении ускоренных испытаний на наработку до отказа СБИС; определен типовой состав видов и причин отказов СБИС.

3. В результате экспериментальных исследований установлено, что:

- определяющим фактором ускоренных испытаний на наработку до отказа является повышенная температура;

- значение энергии активации целесообразно определять путем проведения параллельных испытаний выборок в различных режимах;

- среднее значение энергии активации на 0,1-0,15 эВ больше, чем значение энергии активации для микросхем с проектными нормами 2,3 мкм и более.

Разработан метод ускоренных испытаний на наработку до отказа СБИС для проектных норм 0,6-0,13 мкм и менее.

Основой данного метода является методика проведения ускоренных испытаний при повышенной температуре.

4. Полученная энергия активации для микросхем с проектными нормами 0,6-0,13 мкм и менее позволяет сократить время проведения ускоренных испытаний на безотказность и наработку до отказа.

5. Результаты работы реализованы.

Разработанные предложения по обеспечению качества, в том числе и метод ускоренных испытаний на наработку до отказа предложены для внесения в стандарт «Микросхемы интегральные. Методы ускоренных испытаний на безотказность и наработку до отказа».

6. Внедрение разработанных предложений по обеспечению качества, в том числе метода ускоренных испытаний на наработку до отказа позволит сократить время и затраты на испытания по подтверждению наработки до отказа 100-200 тысяч часов порядка 30 %.

Апробация положений диссертационной работы подтверждается тем, что все основные результаты предложены для включения в нормативно-техническую документацию, регламентирующую проведение ускоренных испытаний по подтверждению наработки до отказа.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Дорошевич П.В. Возможные виды отказов сверхбольших интегральных схем. МО РФ "Военная электроника и электротехника", вып. 65 (Ф), ч.2,2013.- с. 67-73.

2. Дорошевич П.В. Исследования по определению энергии активации сверхбольших интегральных схем. МО РФ "Военная электроника и электротехника", вып. 65 (Ф), часть 2, 2013. - с. 85 - 92.

3. Дорошевич К.К., Дорошевич П.В., Поздеев А.П. Методология проведения ускоренных испытаний перспективных больших интегральных схем и сверхбольших интегральных схем на надежность. МО РФ "Военная электроника и электротехника", вып. 63, ч. 2, 2011. - с. 39 - 43.

4. Дорошевич К.К., Поздеев А.П., Дорошевич П.В., Попова Н.В. Результаты испытаний сверхбольших интегральных микросхем с топологическими нормами 0,6-0,13 мкм на наработку до отказа и электротермотренировку. МО РФ "Военная электроника и электротехника", вып. 64, ч. 1,2012. - с. 132 - 138.

5. Дорошевич К.К., Поздеев А.П., Дорошевич П.В., Попова Н.В. Методы герметизации микросхем, гарантирующие выполнение требований по содержанию влаги в подкорпусном объеме. МО РФ "Военная электроника и электротехника", вып. 65, часть 1, 2013. - с. 174 - 178.

6. Дорошевич В.К., Дорошевич П.В. Определение оптимального состава отбраковочных испытаний пластин и микросхем. "Наукоемкие технологии" №4, 2012. - с.40 - 44.

7. Дорошевич К.К., Дорошевич В.К., Дорошевич П.В. Система нормативного обеспечения и контроля качества изделий микроэлектроники на всех этапах их жизненного цикла. МО РФ "Военная электроника и электротехника", вып. 66 (Ф), ч. 2, 2014.-е. 55 -63.

Подписано в печать: 18.05.2015 Тираж: 100 экз. Заказ № 1345 Отпечатано в типографии «Реглет» г. Москва, Ленинградский проспект, д. 74 (495)790-47-77; www.reglet.ru