автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Влияние электростатических разрядов на кремниевые интегральные схемы

На правах рукописи

ШИШКИН Игорь Алексеевич

ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИХ РАЗРЯДОВ НА КРЕМНИЕВЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ

Специальность 05.27.01 - Твердотельная электроника,

радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Воронеж-2005

Работа выполнена в Воронежском государственном техническом университете

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Горлов Митрофан Иванович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Хухрянский Юрий Павлович;

кандидат технических наук Удовик Анатолий Павлович

Ведущая организация

ООО «Воронежский завод полупроводниковых приборов - сборка»

Защита состоится 20 сентября 2005 г. в 14 часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета Д 212.037.06 Воронежского государственного технического университета по адресу: 394026, Воронеж, Московский просп., 14.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежско! о государственного технического университета

Автореферат разослан 15 августа 2005 г.

Ученный секретарь -'''^'/О

диссертационного совета Горлов М.И.

№06^1

¿а?моя.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Известно, что надежность любого изделия, заложенная при конструировании, обеспечивается технологическим процессом изготовления. Технологические отбраковочные испытания полупроводниковых изделий (ППИ) (диодов, транзисторов и интегральных схем), объем которых устанавливается изготовителем в зависимости от вида приемки изделий, их конструктивно-технологических особенностей, технических и экономических возможностей изготовителя, служат для повышения надежности партий изделий путем отделения потенциально ненадежных. Одним из важных факторов, влияющих на надежность интегральных схем (ИС) и полупроводниковых приборов, является воздействие электростатических разрядов

В настоящее время известно, какой вред ППИ приносит электростатический заряд (ЭСЗ). Аккумуляция заряда на пластинах и фотошаблонах приводит к потерям в выходе годных ППИ, так как заряженная пластина или фотошаблон подобно "пылемагниту" способны собирать частицы пыли даже в самой чистой среде. Анализ показывает, что до 65 % отказов МОП ИС на некоторых предприятиях-изготовителях ИС вызвано воздействием ЭСЗ.

ППИ восприимчивы к электростатическим зарядам, поэтому подвергаются опасности как в процессе производства, так и в процессе применения. Неантистатическая упаковка, недостаточно грамотное обращение с ИС на входном контроле, в процессе монтажа ИС при изготовлении электронных блоков и при эксплуатации радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) — эти факторы могут быть причиной выхода ППИ из строя под действием ЭСЗ.

По мнению ряда авторов, средние ежедневные потери электронной промышленности США от ЭСЗ составляют от 10 до 18 % продукции. За год затраты, обусловленные потерями от воздействия ЭСЗ на ППИ и ремонтом или дополнительным обслуживанием оборудования, составляют в сумме около 10 млрд. долларов.

По мнению исследователей США, воздействие электростатических разрядов вызывает 16—22 % всех отказов у изготовителей ИС; 9—15 % у различных субподрядчиков, 8—14 % у изготовителей радиоэлектронной аппаратуры и 27—33 % у потребителей аппаратуры.

Проведенный на заводе "Сплав" анализ ИС серии К561, изготовленных по МОП-технологии и отказавших у потребителей за период 1986— 1990 гг., показал, что около 35 % общего числа зарекламированных ИС потеряли свою работоспособность вследствие воздействия ЭСР. На приемосдаточных испытаниях по этим же причинам было забраковано порядка 30 % общего числа бракованных изделий.

(ЭСР).

Отбраковочные испытания потенциально ненадежных ППИ, в первую очередь электротренировка, занимают много времени, требуют сложное громоздкое стендовое оборудование, больших затрат электроэнергии и площадей для его размещения.

В связи с этим в настоящее время большое распространение получили так называемые альтернативные диагностические методы отбраковки потенциально ненадежных изделий с меньшими экономическими затратами, но не с менее, а зачастую и более эффективными результатами.

Поэтому считаем, что изучение влияния ЭСР на ИС позволит оценить стойкость последних и разработать диагностические методы отбраковки потенциально надежных ИС.

Работа выполнялась по теме ГБ 2001-34 «Изучение технологических и физических процессов в полупроводниковых структурах и приборах» и ГБ 2004-34 «Исследование полупроводниковых материалов, приборов и технологии их изготовления».

Цели и задачи работы. Целью данной работы является исследование влияния ЭСР на ИС и разработка методов отбраковки ненадежных ИС. Для достижения этой цели в работе поставлены следующие задачи:

1. Провести эксперименты по влиянию электростатических разрядов на ИС типа КР537РУ13 с целью определения наиболее опасного пути прохождения ЭСР; изучения влияния полярности ЭСР на данные ИС; изучения влияния температуры окружающей среды, термоциклов, механических ударов и испытаний на безотказность на количество электростатических импульсов, приводящих к отказам; определения зависимости критического напряжения питания от ЭСР.

2. Провести эксперименты по влиянию ЭСР на динамические параметры ИС.

3. Провести расчет термических эффектов, возникающих при воздействии ЭСР на металлизацию ИС.

4. Разработать способ разделения ИС по надежности.

5. Создать способ определения потенциально ненадежных цифровых

ИС.

Научная новизна работы. В работе получены следующие новые научные и технические результаты:

1. Выявлен наиболее чувствительный путь к прохождению ЭСР у ИС типа КР537РУ13 - через входы и общую точку, и наиболее опасная полярность ЭСР («-» на вход, «+» на общую точку).

2. Показано, что механические, климатические, электрические воздей-с I вия и испытания на безотказность снижают стойкость ИС к ЭСР

2

3. Показано, что воздействие ЭСР ухудшает динамические параметры

ИС.

4. Проведен расчет термических эффектов, возникающих при воздействии ЭСР на металлизацию ИС.

5. Разработан способ разделения ИС по надежности.

6. Разработан способ определения потенциально ненадежных цифровых ИС.

Реализация результатов работы, практическая ценность.

1. Разработанный способ разделения ИС по надежности позволяет осуществить разделение партии ИС путем измерения значений критического напряжения питания до и после воздействия электростатическими разрядами. На способ разделения ИС по надежности подана заявка на изобретение.

2. Разработанный способ определения потенциально ненадежных цифровых ИС позволяет осуществить отбраковку потенциально ненадежных схем путем измерения временных (динамических) параметров при пониженном и номинальном напряжении питания по всем входам раздельно. На способ определения потенциально ненадежных цифровых ИС получено решение о выдаче патента на изобретение от 22.03.05 г. по заявке 2004111969/28(012756).

Основные положения и результаты, выносимые на защиту.

1. Снижение стойкости ИС к ЭСР после воздействия внешних дестабилизирующих факторов.

2. Результат воздействия ЭСР на критическое напряжение питания

ИС.

3. Влияние ЭСР на динамические параметры ИС.

3 Расчет термических эффектов, возникающих при воздействии ЭСР на металлизацию ИС.

4. Способ разделения ИС по надежности.

5. Способ определения потенциально ненадежных цифровых ИС.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на' 10 и 11 Международных научно-технических конференциях «Радиолокация, навигация, связь» (Воронеж, 2004, 2005), восьмой ежегодной Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2002), 9 Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов (Москва, 2003), Международном научно-техническом семинаре «Шумовые и де-градационные процессы в полупроводниковых приборах», (Москва, 2003),

41 - 45 конференциях профессорско-преподавательского состава, студентов, аспирантов и сотрудников ВГТУ (Воронеж, 2001 - 2005).

Публикации работы. Основные результаты работы изложены в 9 публикациях.

В совместных работах автору принадлежит экспериментальная часть, поиск и разработка принципов новых диагностических методов оценки надежности ИС, обсуждение результатов.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений, изложенных на 131 странице, включая 24 рисунка, 20 таблиц, библиографический список из 71 наименования и приложений на 28 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определена цель и поставлены задачи исследования, показана научная новизна полученных результатов и их практическая и научная значимость, сформулированы основные положения, выносимые на защиту, приведены сведения об апробации результатов работы, публикациях, личном вкладе автора, структуре и объеме диссертации.

В первой главе представлен литературный обзор по теме диссертации. Рассмотрена природа возникновения ЭСР при производстве и эксплуатации полупроводниковых изделий и модели воздействия ЭСР: модель тела человека (МТЧ), модель заряженного прибора (МЗП) и модель воздействующего поля (МВП). Описано воздействие ЭСР на МДП-приборы и биполярные ИС и механизмы их отказов: тепловой вторичный пробой, расплавление металлизации, пробой диэлектрика, поверхностный пробой, объемный пробой, газовый дуговой разряд, расплавление объемных участков кремния. Приведена методика анализа отказов ППИ, вызванных ЭСР. Рассмотрено явление отжига электростатических дефектов, которое приводит к полному или частичному восстановлению электрических параметров у ППИ, в результате чего возможно разделение партии полупроводниковых изделий по их стойкости к воздействию ЭСР и по надежности. Представлен пример метода разделения партий ИС по стойкости к ЭСР.

Во второй главе рассматриваются результаты экспериментов по влиянию электростатического воздействия на ИС типа КР537РУ13 (статическое оперативное запоминающее устройство с произвольной выборкой информационной емкостью 4096 бит и организацией 1024 х 4 бит и с допустимым воздействием статического электричества до 200 В)

При воздействии ЭСР различной полярности на различные пары выводов оказалось, что наиболее чувствительным путем прохождения ЭСР через И С является путь через вход и общую точку, наиболее опасной для ИС является отрицательная полярность ЭСР («-» на вход, «+» на общую точку) (рис. 1). Критерием работоспособности ИС являлось изменение вольтампер-ных характеристик (В АХ) испытуемых переходов.

Построены зависимости числа воздействий ЭСР отрицательной полярности от напряжения разряда при различной температуре окружающей среды (рис. 2). Видно, что с повышением температуры увеличивается веро-

иэср, в

Рис. 1. Зависимость числа воздействий ЭСР (Ыуд) различной полярности от напряжения разряда для ИС типа КР537РУ13

: 1 ; ; : :

| 1 1 V : 1

: \[ ! \

: ^ ¿5 6 \: :

1<ю'6\ \ V Ч \

; | в Д ; \ ;

: ! : V К

400 600 800 1000 иэср, В

Рис. 2. Зависимость числа воздействий ЭСР от напряжения разряда ИС КР537РУ13 при различной температуре окружающей среды

Построены зависимости количества воздействий ЭСР от напряжения разряда для ИС, подвергнутых различному количеству термоциклов (-60 °С -+85 °С) (рис. 3).

Чзср, в

н у , -и— 20 т ц., —Аг- 40 т ц , —К— 60 т ц

Рис. 3. Зависимость числа воздействий ЭСР от напряжения разряда для ИС типа КР537РУ13, прошедших испытания на термоциклы

Из построенных зависимостей видно, что чем больше термоциклов выдержала ИС, тем она становится менее стойкой к ЭСР.

Проведенные испытания по воздействию ЭСР на ИС после механических ударов (рис. 4), испытаний на безотказность (рис. 5) и «ЭСР - безотказность» (рис. 6) показали снижение стойкости ИС к ЭСР после указанных воздействий.

Nyd1S0

160 но 120 100 Ж 60 40 20 О

200 400 ООО т 1000 <200

ижр, в

-♦- н.у.; -■- 1000 м.у.; -Аг- 2000 м.у.; -К- 3000 м.у.

Рис. 4. Зависимость числа воздействий ЭСР от напряжения разряда для ИС типа КР537РУ13, прошедших испытания на многократные удары

Ыуд

♦ н.у.;—■— после испытаний на безотказность

Рис. 5. Зависимость числа воздействий ЭСР от напряжения разряда для ИС типа КР537РУ13, прошедших испытания на безотказность в течение 500 ч при температуре +70 °С

Озер, в

И «+»; -А-«-»; X «+/-»

Рис. 6. Зависимость числа воздействий ЭСР от напряжения разряда для ИС типа КР537РУ13, подвергнутых воздействию 5-и импульсов ЭСР величиной 500 В с последующим испытанием на безотказность в течение 500 ч

Вторая часть главы посвящена зависимости динамических характеристик кремниевых КМОП ИС типа КР561ТМ2 (2Б триггера) от воздействий ЭСР и последующего отжига (при температуре 125°С в течение 4-х часов). ИС подверглись воздействию 3-х циклов. Установлено, что с увеличением количества воздействий ЭСР значение времени переключения ИС из состояния «0» в состояние «1» и из состояния «1» в состояние «0» увеличивается за

каждый из трех циклов, т. е. быстродействие ИС уменьшается после воздействия ЭСР. Последующий отжиг несколько восстанавливает значение динамических параметров.

В третьей главе представлен метод расчета нагревов соединительных дорожек металлизации, расположенных на слое оксида кремния 8Ю2, в ИС разной степени интеграции (от малой до сверхвысокой) под воздействием ЭСР согласно модели тела человека. С помощью этого метода можно рассчитать токи плавления при воздействии ЭСР и, следовательно, опасные потенциалы (11эср) для алюминиевых и медных дорожек в зависимости от их топологических параметров (ширины XV и толщины с!) по формулам (1)43):

иЭср = иС1а=0)=1(1=0)Ш1авЯ2, (1)

где иаО=0) - напряжение заряженного конденсатора, Я2 - сопротивление цепи разряда по модели тела человека, 1(Х=0)плав - ток плавления металлической дорожки.

Для алюминиевой дорожки:

А' = 0)_„ = = = 2 207 ЮХ,^, (2)

где I „„а, А1В А, XVА| и в см.

Для медной дорожки:

Ш = = ' „ =2 887 (3)

где I

плав

Си В А, \УСи и ёс В см. В таблице приведены рассчитанные значения токов плавления 1(1=0)плавА1, опасных потенциалов иа(1=0) при воздействии ЭСР на алюминиевые дорожки разной ширины и с постоянной толщиной <1А|=1 мкм для случая т=102 не (Я2=510 Ом, С,=200 пФ).

Токи плавления 1(1=0)плав А1 и опасные потенциалы иС1(1=0) для алюминиевых дорожек разной ширины

мкм 15 10 5 2

1(^)пм»А1, А 4,029 2,686 1,343 0,937

иС1(1=0),В 2055 1370 685 274

В четвертой главе описан результат воздействия ЭСР на критическое напряжение питания ИС типа КР537РУ13. На рис. 7 построено интегральное распределение КНП ИС от воздействия ЭСР. Установлено, что с увеличением количества воздействий ЭСР значение КНП растет и, в конечном итоге, ИС выходит из строя; ИС, обладающие изначально более низким значением КНП, более устойчивы к воздействию ЭСР.

На основе этого эксперимента разработан способ разделения ИС по надежности, который заключается в следующем.

На каждой ИС партии измеряется значение критического напряжения питания до и после воздействия, например 100 электростатических разрядов напряжением, допустимым по техническим условиям. По набранной статистике на различных партиях одного типа ИС устанавливается критерий - коэффициент увеличения КНП (К) после ЭСР (Екр эср) по сравнению с начальным значением КНП (Екр ), который рассчитывается по формуле:

К= Екр эср I Екр иач (4)

Критическое напряжение питания, В

-♦-До ЭСР -■- 105 возд ЭСР -*- 280 возд ЭСР -Х- 1200 возд ЭСР

Рис. 7. Интегральное распределение по критическому напряжению питания ИС типа КР537РУ13 в зависимости от воздействия ЭСР

ИС, имеющие коэффициент К более установленной по статистике величины, считают менее стойкими к электростатическим разрядам, то есть потенциально ненадежными. На данный способ разделения ИС по надежности подана заявка на изобретение.

Во второй части главы представлен способ определения потенциально ненадежных цифровых ИС. Он заключается в том, что на партии ИС, в которой необходимо определить, а затем отделить потенциально ненадежные схемы, проводят измерение динамических параметров, например времени задержки распространения сигнала при включении (выключении), по всем входам раздельно при напряжении питания близкого к критическому напряжению питания, одинакового для всех ИС. Устанавливают первый критерий

для отбраковки потенциально ненадежных ИС по абсолютной величине значения временного (динамического) параметра, например 1з„р01>150 не.

Затем на этих же схемах по всем входам измеряют такой же временной параметр при номинальном напряжении питания. Строят таблицу, где для каждой ИС минимальное значение времени задержки распространения сигнала при включении (выключении) по каждому входу принимается за единицу, а по остальным входам записывают полученный коэффициент К, определяющий интервал допустимых значений, устанавливаемых эмпирически, равный отношению величины времени задержки распространения сигнала при включении (выключении) по данному входу к значению минимальной величины времени задержки, принятой за единицу. Выбирается критерий оценки, например значение К>1,75, устанавливающийся для потенциально ненадежных ИС. Это второй критерий для отбраковки цифровых ИС

Те ИС, у которых совпали два критерия, считаются потенциально ненадежными.

Конкретные значения критериев определяются для каждого типа цифровых ИС в зависимости от жесткости требований по надежности

Предложенный способ был апробирован на произвольно выбранных 10 ИС типа К155ЛР1 (два элемента 2И-2ИЛИ-НЕ, один с расширением по ИЛИ). В результате две схемы оказались потенциально менее надежными, чем остальные.

Проведенные испытания в течение 500 ч. при максимальной нагрузке и повышенной температуре 70 °С подтвердили полученные результаты

На предложенный способ определения потенциально ненадежных цифровых интегральных схем получено решение о выдаче патента на изобретение от 22.03.05 г. по заявке 2004111969/28(012756).

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В диссертации получены следующие научно-технические результаты. 1. Исследования по влиянию электростатического воздействия на КМОП ИС на примере КР537РУ13 показали, что:

имея встроенную защиту по входам, ИС имеют достаточные запасы по стойкости к ЭСР;

наиболее чувствительным к прохождению ЭСР является путь через входы и общую точку, при этом наиболее опасной для ИС является отрицательная полярность ЭСР («-» на вход, «+» на общую точку);

величина опасного потенциала ЭСР для схем зависит от температуры окружающей среды: вероятность повреждения ИС статическим электричеством увеличивается с повышением температуры;

для ИС опасность представляет не только однократное воздействие ЭСР больших потенциалов, но и многократное воздействие значительно меньших потенциалов;

испытания ИС термоциклами с последующим воздействием ЭСР показали, чем больше термоциклов выдержала схема, тем она становится менее стойкой к ЭСР;

механические воздействия на ИС (одиночные и многократные удары) снижают стойкость схем к ЭСР, при этом чем большую механическую нагрузку выдерживает ИС, тем она менее стойкая к ЭСР;

испытания на безотказность в течение 500 ч снижают стойкость ИС к ЭСР, и, наоборот, воздействие ЭСР влияет на увеличение выходного напряжения низкого уровня при испытаниях на безотказность. Наибольший рост выходного напряжения низкого уровня в процессе испытаний на безотказность наблюдается при воздействии на схемы ЭСР отрицательной полярностью;

при увеличении количества воздействий ЭСР значение КНП ИС увеличивается.

2. Эксперименты на примере ИС типа КР561ТМ2 показали, что воздействие ЭСР на КМОП ИС ухудшает динамические параметры схем.

3. На основе разработанного расчета термических эффектов, возникающих при воздействии ЭСР на металлизацию ИС, получены значения токов плавления и опасных потенциалов для алюминиевых и медных дорожек.

4. На основе экспериментов по влиянию ЭСР на КНП КМОП ИС типа КР537РУ13 разработан способ разделения интегральных схем по надежности На данный способ подана заявка на изобретение.

5. На основе экспериментов на ИС типа К155JIPI разработан способ определения потенциально ненадежных цифровых интегральных схем. На данный способ получено решение о выдаче патента на изобретение от 22.03.05 г. по заявке 2004111969/28(012756).

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТА ДЙССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Влияние внешних воздействующих факторов на стойкость к ЭСР КМОП ИС типа КР537РУ13/ М. И. Горлов, Л. П. Ануфриеев, А. А. Каехтин, И. А. Шишкин // Твёрдотельная электроника и микроэлектроника: Сб. ст. Воронеж: ВГТУ, 2001. С. 192-196.

2. Горлов М. И., Каехтин А. А., Шишкин И. А. Влияние различных дестабилизирующих факторов и электрического разряда на стойкость ИС типа КР537РУ13 // Современные проблемы радиоэлектроники: Сб. ст. Воронеж: ВГТУ, 2001. С. 21-25.

3. Шишкин И. А. Влияние электростатических разрядов на критическое напряжение питания ИС типа КР537РУ13// Электроника и информатика: Сб. тез. докл. конф. М, 2002.4.1. С 140-141.

4. Горлов М. И., Андреев А. В., Шишкин И. А. Влияние электростатических разрядов на критическое напряжение питания ИС типа КР537РУ13// Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Восьмая еже-год. Междунар. науч.-техн. конф. М., 2002. С. 211-215.

5. Горлов М. И., Шишкин И. А. Зависимость критического напряжения питания интегральных схем типа КР537РУ13 от воздействия электростатических разрядов: Тез. докл. 9 Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов. М.: МЭИ, 2003. Т.1. С. 228-229.

6. Горлов М. И., Андреев А. В., Шишкин И. А. Результат воздействия электростатических разрядов на критическое напряжение питания интегральных схем типа КР537РУ13// Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах: Сб. докл. Междунар. семинара. М.. 2003. С. 157-159.

7. Горлов М. И., Шишкин И. А. Воздействие электростатических разрядов и последующего отжига на динамические характеристики интегральных схем типа КР561ТМ2// Радиолокация, навигация, связь: Сб. докл. 10 Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов. Воронеж, 2004. Т.1. С. 511-515.

8. Горлов М. И., Рубцевич И. И., Шишкин И. А. Общие закономерности по влиянию электростатических разрядов на полупроводниковые изделия с МОП-структурой// Известия белорусской инженерной академии. 2004. №2(18)/2. С. 89-91.

9. Горлов М. И., Петров Б. К., Шишкин И. А. Термические эффекты при воздействии ЭСР на металлизацию ИС и БИС// Радиолокация, навигация, связь: Сб. докл. 11 Междунар. науч.-техн. конф. Воронеж, 2005. Т.1.

Подписано в печать 15 августа 2005 г. Формат 60x84/16. Бумага для множительных аппаратов.

Усл. печ. л. 1,0. Тираж 90 экз. Зак. № Воронежский государственный технический университет 394026 Воронеж, Московский просп., 14

С. 485-490.

m 8 08 7

РНБ Русский фонд

2006-4 13113

Общая характеристика работы.2

Глава Воздействие электростатических зарядов на полупроводниковые изделия.7

1.1. Природа возникновения электростатических разрядов при производстве и эксплуатации полупроводниковых изделий.7

1.1.1. Процесс статической электризации материалов. 7

1.1.2. Причины возникновения электростатических зарядов.9

1.1.3. Модели электростатических разрядов.15

1.2. Воздействие электростатических разрядов на полупроводниковые изделия.21

1.2.1. Виды и механизмы отказов ППИ, вызываемые ЭСР.21

1.2.2. Чувствительность полупроводниковых изделий к ЭСР.27

1.2.3. Воздействие ЭСР на МДП-приборы.32

1.2.4. Воздействие ЭСР на биполярные ИС.34

1.3. Методика анализа отказов полупроводниковых изделий, вызванных ЭСР.37

1.4. Влияние отжига на электростатические дефекты.41

1.5. Пример метода разделения партий ИС по стойкости к электростатическим разрядам.44

Выводы к главе 1.45

Глава Воздействие электростатических разрядов на интегральные схемы.46

2.1. Воздействие ЭСР на ИС типа КР537РУ13.46

2.1.1. Конструктивно-технологические особенности ИС типа КР537РУ13.46

2.1.2. Стойкость ИС к ЭСР различной полярности и ее зависимость от температуры.53

2.1.3. Составные испытания ИС с термоциклированием и воздействием ЭСР.57

2.1.4. Влияние механических воздействий на стойкость ИС к ЭСР.58

2.1.5. Испытания на безотказность и воздействие ЭСР.60

2.1.6. Поведение электрических параметров и анализ отказавших схем. 65

2.2. Воздействие электростатических разрядов и последующего отжига на динамические характеристики ИС типа КР561ТМ2.67

Выводы к главе 2.72

Глава Термические эффекты при воздействии ЭСР на металлизацию

ИС.73

Глава Диагностические способы разбраковки интегральных схем по надежности.82

4.1. Способ разделения интегральных схем по надежности.82

4.1.1. Влияние ЭСР на критическое напряжение питания ИС типа

КР537РУ13.82

4.1.2. Сущность способа разделения ИС по надежности.84

4.2. Способ определения потенциально ненадежных цифровых ИС.85

Выводы к главе 4.91

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В диссертации получены следующие научно-технические результаты. 1. Исследования по влиянию электростатического воздействия на КМОП ИС на примере КР537РУ13 показали, что: имея встроенную защиту по входам, ИС имеют достаточные запасы по стойкости к ЭСР; наиболее чувствительным к прохождению ЭСР является путь через входы и общую точку, при этом наиболее опасной для ИС является отрицательная полярность ЭСР («—» на вход, «+» на общую точку); величина опасного потенциала ЭСР для схем зависит от температуры окружающей среды: вероятность повреждения ИС статическим электричеством увеличивается с повышением температуры; для ИС опасность представляет не только однократное воздействие ЭСР больших потенциалов, но и многократное воздействие значительно меньших потенциалов; испытания ИС термоциклами с последующим воздействием ЭСР показали, чем больше термоциклов выдержала схема, тем она становится менее стойкой к ЭСР; механические воздействия на ИС (одиночные и многократные удары) снижают стойкость схем к ЭСР, при этом, чем большую механическую нагрузку выдерживает ИС, тем она менее стойкая к ЭСР; испытания на безотказность в течение 500 ч снижают стойкость ИС к ЭСР, и, наоборот, воздействие ЭСР влияет на увеличение выходного напряжения низкого уровня при испытаниях на безотказность. Наибольший рост выходного напряжения низкого уровня в процессе испытаний на безотказность наблюдается при воздействии на схемы ЭСР отрицательной полярностью; при увеличении количества воздействий ЭСР значение КНП ИС увеличивается.

2. Эксперименты на примере ИС типа КР561ТМ2 показали, что воздействие ЭСР на КМОП ИС ухудшает динамические параметрыв схем.

3. На основе разработанного расчета термических эффектов, возникающих при воздействии ЭСР на металлизацию ИС, получены значения токов плавления и опасных потенциалов для алюминиевых и медных дорожек.

4. На основе экспериментов по влиянию ЭСР на КНП КМОП ИС типа КР537РУ13 разработан способ разделения интегральных схем по надежности. На данный способ подана заявка на изобретение.

5. На основе экспериментов на ИС типа K155JIP1 разработан способ определения потенциально ненадежных цифровых интегральных схем. На данный способ получено решение о выдаче патента на изобретение от 22.03.05 г. по заявке 2004111969/28(012756).

1. Горлов М. И. Андреев А. В., Воронцов И. В. Воздействие электростатических зарядов на изделия полупроводниковой электроники и радиоэлектронную аппаратуру // Воронеж: ВГТУ, 1997. -160 с.

2. Microelectronics Manufacturing and Testing-1982.-V.5.No.l3.-P.14-15.

3. Kohlhaas P. Controlling potential static charge problem //Electr. Packag and Prod.-1977-No.l. P.71-73.

4. Lyman J., Rosenblatt A. Special report the drive for quality and reli-abiliti, part I // Electronics.-1981.-No. 10. P.125-126.

5. Обеспечение качества микроэлектронных устройств // Обзор по материалам зарубежной печати Радиоэлектроника.-1983. - С. 1-32.

6. Горлов М. И., Корчевский В. В., Тряпша Д. В. Воздействие электростатических зарядов на КМОП микросхемы серии К561 // Тез. докл. седьмой науч.-отр. конф. «Состояние и пути повышения надежности видеомагнитофонов». Воронеж, 1993. - С. 33-34.

7. Горлов М. И., Ануфриев JI. П., Строгонов А. В. Отбраковочные технологические испытания как средство повышения надежности партий ИС //Инженерная микроэлектроника. 2001. № 5. С. 22-26.

8. Хорват Т. И. Берта. Нейтрализация статического электричества. Пер. с англ. // М.: Энергоатомиздат, 1987. 104 с.

9. Hatfield P. A. Electronic Packaging and Production, 1984. №2. P. 6173.

10. Джоветт Ч. E. Статическое электричество в электронике. Пер. с англ. // М.: Энергия, 1980. 135с.

11. Welsher Т. L., Blondin Т. J. etc. Design for electrostatic (ESD) protection in telecommunication products // Technical Journal - 1990-v. 69. No3.-P.77-96.

12. Berbeco G. R. Static protection in electronics manufacturing // Electronic Packaging and Production -1980.-v.20.No7. P. 148-157.

13. Электроника, 1986. №3. // С. 13-14.

14. Nailen R. L. Static charges dinamic damage // Electrical apparatus-1986-Nol2 — P.26-27

15. ГОСТ 28002-88. Аппаратура радиоэлектронная бытовая. Общие требования по защите от электростатических разрядов и методы испытаний.

16. Tabata Y. Electrostatic hazard and recent preventive techniques // Technocrat. 1985. N2. P. 10-16.

17. Manzoni M. Electrostatic discharge protection in linear IC's // JEEE Transaction on Consumer Electronics. 1985. No.3. P. 601-607.

18. Maier W. Die Verarbeitung von electrostatisch empfindlichen Bauelemrnten // Electronic 1979. №ч. 22. S. 57-60.

19. Avery L. R. Electrostatic discharge: mechanism, protection techniques and effects on integrated circuit reliability // RCA Rev.,-1984-No.2. P. 291-302.

20. Трошева Г. Д. Защита полупроводниковых приборов и интегральных схем от статического электричества. // Обзоры по электронной технике. Сер.2. Полупроводниковые приборы, 1980. Вып. 4 (712). - 45 с.

21. Unger В. A. Electrostatic failure in semiconductors И European Semiconductor Production Electrostatics. 1982. No.4. P. 22-28.

22. Avery L. R. ESD and its effects on integrated circuit reliability // New Electronics. 1985. No4. P. 151-155.

23. Greason W. D., Castbe G. S. P. The effects of electronics discharge on microelectronic devices a review // IEEE Trans. Ind. Appl. 1984. V. 20. No.2. -P. 247-252.

24. Pancholy R. K. Gate protection for CMOS/SOS // 15-th Annual Proc. Reliability Physics. 1977.-P. 132-137.

25. Blanks H. S. Electronics reliability: astate of- the — art survey // Microelectronic Reliability - 1980 - V. 20 - No.3. - P. 219-245.

26. Minear R. L., Dodson G. A. Effects of electrostatic discharge on linear bipolar integrated circuits // 15-th Annual Proc. Reliability Physics. 1977. - P. 138-143.

27. Buvry E. Les decharges electrostatiques: une cause importante de degrades circuits integre // RGE-1987-N.2.-P. 14-18.

28. Павленко Л. С., Понаровкин Е. М., Константинова Н. К. Электрические перегрузки причина отказов сварных соединений // Электронная ' техника. Сер. 8. 1977. Вып. 7. - С. 75-79.

29. Walker R. С., Rickers Y. С. Semiconductor electrostatic discarge damage protection // SAE preprints- 1977.-No.770228. P. 1-12.

30. Кизема И. Г., Кизема И. Г., Гаврилюк И. И. Об устойчивости МДП ИС к воздействию статического электричества // Электронная техника. Сер.8, 1973. Вып 3. - С. 70-72.

31. Норвейт Л. М., Норвейт Л. М., Лабецкая Н. А., Рыбалов О. Я. Воздействие зарядов статического электричества на микросхемы // Электронная техника. Сер.8, 1978. Вып 3. - С. 133 -139.

32. Gallace L. J., Pujol Н. L. The evolution of CMOS, static charge protection net works and failure mechanism associated with overstress condition as related to device life // 15 15-th annual Proc. Reliability Physics - 1977. - P. 149 -156.

33. Amerasekera E. A., Campbell D. S. An investigation of the nature and mechanism of ESD damage in NMOS transistor // Solid State Electronics. 1989. V.32.No.3.-P. 199-206.

34. Davies D. K. Les bases des problemes electrostatiques en electronique // Rev. General De L'Electicite-1987-N2. P. 3-13.

35. Brightman St., Holland J. Silicongate CMOS combats electrostatic discharge and latch up failures - Electron. // Des.-1986-V. 34-No.6. - P. 137-141.

36. Колеснева С. H., Таборов В. Н., Шелег Ю. П. О надёжности микросхем серии К1500 // Электронная техника.-Сер.8-1989-Вып.4 С. 3-5.

37. Горлов М. И. Воздействие электростатических зарядов на полупроводниковые приборы и интегральные схемы в технологии, при испытаниях и эксплуатации // Обзоры по электронной технике; Сер.З. Микроэлектроника, 1988. Вып. 2. - 45с.

38. Worker R. С. ESD Control: problems and Solution in the real world // Microcontamination.-1983/84.-No.4. P. 14-15.

39. Welsher T. L., Blondin T. J. etc. Design for electrostatic (ESD) protection in telecommunication products // Technical Journal - 1990-v. 69. No3.-P.77-96.

40. OCT 11 073. 062-2001. Микросхемы интегральные и приборы полупроводниковые. Требования и методы защиты от статического электричества при разработке, производстве и применении.

41. Urbieta A., Fenech A. Les circuits a tres grande integration:comment lo-caliser les defuats provoques par ees docharges electrostatiques// Rev. General De L'Electricite 1987 - No. 2. - P. 29 - 33.

42. Горлов M. И., Литвиненко Д. А. Отжиг электростатических дефектов полупроводниковых изделий // Элементы и устройства микроэлектронной аппаратуры: Межв. сбор. Науч. труд., Воронеж, 2001, - С. 89-95.

43. Горлов М. И., Королев С. Ю. Физические основы надежности интегральных микросхем. // Воронеж: ВГУ. 1995. — 200 с.

44. Горлов М. И., Воронцов И. В. Отжиг электростатических дефектов в полупроводниковых приборах // Матер, докл. науч. техн. сем. «Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах». М. 1997. С. 320 -323.

45. Горлов М. И., Воронцов И. В., Андреев А. В. Влияние электростатических разрядов на полупроводниковые приборы и последующий отжиг электростатических дефектов // Измерительная техника. 1998. №7. С. 45-46.

46. Горлов М. И., Литвиненко Д. А. Отжиг радиационных и электростатических дефектов полупроводниковых изделий // Микроэлектроника. 2002, №5.-С. 350-360.

47. Горлов М. И., Андреев А. В. Отжиг электростатических дефектов // Известия ВУЗов. Электроника. 2001. № 2. С. 35 -38.

48. Горлов М. И., Воронцов И. В., Литвиненко Д. А. Испытания ИС, содержащие воздействие электростатических разрядов // Твердотельная электроника и микроэлектроника: Межвуз. сб. науч. тр. Воронеж. 1997. С. 35 42.

49. Патент РФ 2146827 RU, Cl, 7G 01R 31/26, Н OIL 21/26. Способ отбраковки интегральных схем / М. И. Горлов, А. В. Андреев (РФ); Заяв. 19.03.98. Опубл. 20.03.2000. Бюл. № 8.

50. Горлов М. И., Андреев А. В. Метод разбраковки интегральных схем по стойкости к электростатическим разрядам // Матер, докл. науч.-техн. сем. «Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах». М. 1999. С. 346 - 349

51. Горлов М. И., Емельянов В. А., Адамян А. Г. Диагностические методы контроля качества и прогнозирующей оценки надежности полупроводниковых изделий. // Мн.: Белорусская наука. 2003. — 96 с.

52. Горлов. М. И., Каехтин А. А., Адамян А. Г. Оценка надежности ППИ с использованием дестабилизирующих факторов // Петербургский журнал электроники. 2001. № 1. С. 33 -39.

53. Горлов М. И., Ануфриеев Л. П., Каехтин А. А., Шишкин И. А. Влияние внешних воздействующих факторов на'стойкость к ЭСР КМОП ИС типа КР537РУ13 // Твёрдотельная электроника и микроэлектроника: Сб. статей» Воронеж: ВГТУ, 2001.-С. 192-196.

54. Горлов М. И., Каехтин А. А., Шишкин И. А. Влияние различных дестабилизирующих факторов и электрического разряда на стойкость ИС типа КР537РУ13 // Современные проблемы радиоэлектроники: Сб. статей, -Воронеж: ВГТУ, 2001. С. 21-25.

55. Горлов М. И., Каехтин А. А., Пахомова Е. А. Влияние электростатических разрядов на интегральные схемы типа K561JIH2 // Матер, докл. межд. науч.-техн. семин. «Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах». М. 2000. С. 340-342.

56. Петров Б. К., Горлов М. И., Смирнов Д. Ю. Расчет термических эффектов при воздействии ЭСР на биполярные транзисторы // Сб. докл. 10 межд. науч.-техн. конф. «Радиолокация, навигация, связь» Воронеж. 2004. т.1.-С. 605-671.

57. Горлов М. И., Королев С. Ю., Кулаков А. В., Строганов А. В. Расчет надежности интегральных схем по конструктивно-технологическим данным. // Воронеж, ВГУ, 1996. 79 с.

58. Кэй Дж., Дэби Т. Таблицы физических и химических постоянных. Пер. с англ. — М.: Физ.-мат. литература, 1962. 246 с.

59. Карслоу Г., Егер Д. Теплопроводность твердых тел. Пер. с англ. // М.: Наука, 1964.-487 с.

60. Вольдман С. Громоотводы для наноэлектроники // В мире науки. 2003. №2,-С. 61-67.

61. Шишкин И. А. Влияние электростатических разрядов на критическое напряжение питания ИС типа КР537РУ13. Электроника и информатика: // Сб. тез. докл. конф. Зеленоград, 2002. 41. - С 140-141.

62. Горлов М. И., Шишкин И. А. Зависимость критического напряжения питания интегральных схем типа КР537РУ13 от воздействия электростатических разрядов. // Тез. докл. 9 межд. науч.-техн. конф. студ. и асп. М. МЭИ. 2003. т.1. С. 228-229.

63. Горлов М. И., Ануфриев Л. П., Шишкин И. А. Результаты воздействия ЭСР на критическое напряжение питания ИС типа КР 537. // Сб. докл. межд. науч. техн. семинара «Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах», М 2003 г. С. 157-159.

64. Горлов М. И, Рубцевич И. И., Шишкин И. А. Общие закономерности по влиянию электростатических разрядов на полупроводниковые изделия с МОП-структурой. // Известия белорусской инженерной академии № 2(18)/2, 2004. С. 89-91.

65. Аладинский В. К., Гаврилов В. Ю., Горелкина Е. Н. Критическое питающее напряжение как информативный параметр при электрофизическом диагностировании КМОП ИС. // Электронная техника. 1990. Сер. 2. Вып. 4. -С. 87-90.

66. Патент РФ №2226698. Опубл. 10.04.004. Бюл. №10.

67. Кураченко С. С., Прохоренко В. А., Воинов В. В: Новый метод диагностирования ИС // Электронная промышленность. 1990. № 6. С. 71-72.

68. Патент2046365RU, Cl, G 01 R 31/26. Опубл. 20.10.95. Бюл. № 29.