Введение к работе
Актуальность темы исследования. Уровень качества электронных средств (ЭС) во многом определяется технологией изготовления элементной базы, в первую очередь интегральных схем (ИС). Изготовители интегральных микросхем в России и за рубежом связывают свои перспективы с разработкой и освоением нового поколения наукоемких технологий, именуемых "высокими" (high technology). Отличаясь более высоким уровнем использования достижений фундаментальной и прикладной науки в производстве, в определенной степени "отрицая" предшественниц, эти технологии потенциально способны обеспечить существенное повышение надежности и других показателей качества электронной аппаратуры. Не лишено оснований и утверждение о том, что "высокие технологии" являются своеобразной реакцией промышлешю развитых стран на усиливающуюся конкуренцию в области электроники со стороны развивающихся стран, отличающихся низкой стоимостью ручного труда и практикующих несанкционированное копирование конструкторско-технологических решений ИС.
Важной составной частью указанных технологий являются методы и средства параметрического контроля. Возрастание роли этих методов и средств в составе "высоких технологий" обусловлено тем, что они должны не только давать исходную информацию для управления технологическими процессами, но и обеспечивать приращение интеллектуального компонента выпускаемой продукции, являющееся необходимым условием ее конкурентоспособности на потребительском рынке. В этой связи весьма актуальными становятся научные исследования и разработки путей качественного совершенствования методов и средств параметрического контроля ИС и технологий их изготовления.
К необходимым условиям решения этой задачи относятся компьютеризация измерительных процедур, возможность статистического накопления результатов измерений, расширение спектра входных воздействий, использование наряду с точечными значениями параметров характеристик их изменения (релаксации) в процессе или после возмущающих (стрессовых) воздействий.
Перспективы повышения надежности интегральных схем зависят от уровня развития причинной теории отказов, предполагающей детальное изучение физических процессов поведения дефектов в структуре полупроводникового материала. Эффективным инструментом экспериментального определения характеристик дефектов кристаллов ИС является квалигенетический подход на основе методов релаксационной спектроскопии глубоких уровней (РСГУ, DLTS - Deep Level Transient Spectroscopy). Внедрение указанного подхода в практику параметрического контроля ИС сдерживается из-за отсутствия надежных и доступных программно-аппаратных средств, обеспечивающих реализацию измерительных процедур с требуемой точностью и наглядную интерпретацию результатов измерений. Современный этап развития теории РСГУ пока еще не позволяет дать ее исчерпывающее описание, однако, судя по публикациям, это обстоятельство не останавливает исследователей, пытающихся применить методы РСГУ для решения проблем обеспечения качества ИС.
Теория глубоких уровней находится в стадии разработки, в связи с чем возникают определенные сложности при интерпретации экспериментальных результатов. Если решение фундаментальных проблем интерпретации результатов РСГУ допускает варианты, разрабатываемые различными научными школами, то практическое использование методов РСГУ для контроля изделий электронной техники предполагает возможность сопоставления результатов, полученных разными исследователями в рамках точностных характеристик используемых измерительных средств.
Состояние вопроса. Отечественная прикладная наука добилась определенных успехов в разработке методов и средств параметрического контроля интегральных схем. Идеи и методы контроля, связанные с вопросами комплексного обеспечения надежности и качества полупроводниковых приборов и интегральных схем, изложены в работах известных отечественных ученых: И.Т. Алексаняна, Б.Е. Бердичевского, В.Л. Воробьева, Н.Н. Горюнова, Н.С. Данилина, Л.Г. Дубицкого, Г.А. Кейджяна, А.И. Коробова, Я.В. Маякова, А.А. Маслова, Ю.Г. Миллера, Г.Б. Сердюка, Я.М. Сорина, Б.С. Сотскова, В.Н. Сретенского, Р.Б. Улинича, Я.А. Федотова, А.А. Чернышева и др. Внедрению в"практику параметрического контроля процессорных средств измерений способствовали работы П.А. Арутюнова, В.Н. Иванова, Г.И. Кавалерова, В.П. Корячко, Г.Я. Мирского, А.П. Стахова, Э.И. Цветкова и др. Среди работ в указанных направлениях зарубежных ученых, известных в России, следует отметить публикации И. Броудай, Т. Макино, Г. Тагучи, В. Фритча, Д. Хофманна и др.
В области теоретических и практических основ электрофизических методов измерения параметров полупроводниковых материалов и структур значительную роль сыграли разработки известных зарубежных (П. Блад, С. Зи, А. Милне, Дж. Ортон, В. Шокли и др.) и отечественных (В.В. Батавин, Ю.А. Концевой, Ю.В. Федорович, К.В. Шалимова и др.) ученых.
Среди известных научных исследований по тематике диссертации, посвященных электрофизическим методам, следует выделить публикации в области релаксационной спектроскопии глубоких уровней в полупроводниках. Это направление ведет отсчет с 1974 г. после опубликования основополагающих работ Д.В. Лэн-га. В развитие этого метода применительно к задачам параметрического контроля изделий полупроводниковой электроники внесли свой вклад известные зарубежные (М. Миллер, П. Мэнгелсдорф, В. Сурбэ, В. Филлипс, Р. Формэн и др.) и отечественные (Л.С. Бер-ман, А.В. Васильев, О.Ф. Вывенко, Г.Н. Галкин, Н.Н. Горюнов, В.М. Гонтарь, А.Л. Денисов, А.Г. Ждан, Н.И. Кузнецов, А.А. Лебедев, П.Т. Орешкин, Д.А. Сеченов, С.А. Смагулова, М.Н. Шейнкман и др.) ученые.
Целью исследований, выполненных в рамках данной диссертационной работы, являются теоретическое обоснование, экспериментальное изучение и техническая реализация адаптивных процессорных средств параметрического контроля, предназначенных для работы в системах технологического обеспечения качества компонентов микроэлектронной аппаратуры и использующих статистическое накопление результатов измерений наряду с переходом от регистрации точечных значений к характеристикам релаксации параметров интегральных микросхем, элементов и структур.
Задачи исследований;
анализ состояния и тенденций развития методов и средств параметрического контроля интегральных схем;
моделирование статистических процессорных средств контроля (ПСК) микросхем, включая разработку математических моделей алгоритмических измерений, реализующих статистическое сжатие многомерной информации о результатах контроля в системах интегральной диагностики технологических процессов изготовления ИС;
- разработка расчетных соотношений для технологической
экспресс-оценки метрологических характеристик методов и средств
параметрического контроля ИС;
- разработка, апробация и внедрение в производство методи
ки статистической адаптации измерителя квазидинамических па-
6 v
раметров ТТЛ ИС, а также программно-аппаратных средств статистического регулирования технологического процесса изготовления многофункциональных КМОП ИС;
научно-техническая реализация измерительного режима частотно-температурного сканирования в релаксационной спектроскопии глубоких уровней и его применение для решения основных проблем квалигенетического подхода к параметрическому контролю ИС;
разработка элементов информационной технологии параметрического контроля ИС, использующей адаптивно-итеративное сочетание программного распознавания и аппаратной селекции релаксационных сигналов;
разработка и реализация предложений по координации, развитию и внедрению в производство и учебный процесс результатов научных исследований в области использования спектроскопии глубоких уровней (ГУ) для целей параметрического контроля ИС.
Научная новизна
Впервые предложено и апробировано расчетное соотношение для технологической оценки разрешающей способности процессорных средств контроля, основанное на определении характеристик парной линейной корреляции между основными и повторными результатами измерений.
Впервые предложены и экспериментально идентифицированы трех- и четырехпараметрическая модели аппаратных преобразований емкостного релаксационного спектрометра глубоких уровней, учитывающие нелинейность аппаратных средств, влияние постоянной заполнения и формы релаксационного сигнала. Показано, что использование этих моделей позволяет существенно повысить точность определения параметров ГУ.
В результате теоретических и экспериментальных исследований уточнены представления о физических процессах опустошения глубоких уровней в слое объемного заряда с помощью моделирования повторного захвата носителей на ГУ как одного из проявлений полевого эффекта.
Разработан и апробирован новый алгоритм распознавания формы квазиэкспоненциальных релаксационных сигналов для адаптивного релаксационного спектрометра глубоких уровней.
Разработаны и апробированы новые элементы информационной технологии релаксационной спектроскопии глубоких уровней с адаптивно-итеративным частотно-температурным сканированием, а именно, процедуры температурной адаптации спектрометра и мультискановой идентификации моделей аппаратных преобразований релаксационного сигнала.
Предложен оригинальный вариант компьютерной интерпретации параметров глубоких центров в полупроводнике, предназначенный для использования в качестве интерфейса баз данных и систем управления технологическими процессами изготовления полупроводниковых приборов и интегральных схем.
Впервые предложена и обоснована концепция проекта многоцелевого мультимедиа-продукта "Виртуальный спектрометр глубоких уровней", предназначенного для инициализации и интенсификации процесса создания рабочего инструмента проведения исследований в области применения спектроскопии глубоких уровней, а также для использования в качестве технического средства обучения.
Положения, выносимые на защиту.
-
Модель многомерного распределения параметров элементов для решения задач интегральной диагностики технологических процессов изготовления ИС.
-
Расчетное соотношение для технологической оценки разрешающей способности процессорных средств контроля.
-
Трех- и четырехпараметрическая модели аппаратных преобразований релаксационного спектрометра глубоких уровней с частотным сканированием, учитывающие нелинейность аппаратных средств, влияние постоянной заполнения и формы релаксационного сигнала.
-
Математическая модель физических процессов опустошения глубоких уровней в слое объемного заряда, учитывающая повторный захват носителей на ГУ как одно из проявлений полевого эффекта.
-
Алгоритм распознавания формы квазиэкспоненциальных релаксационных сигналов.
-
Элементы информационной технологии емкостной релаксационной спектроскопии глубоких уровней с адаптивно-итеративным частотно-температурным сканированием — процедуры температурной адаптации спектрометра и мультискановой идентификации моделей аппаратных преобразований релаксационного сигнала.
-
Вариант компьютерной интерпретации параметров глубоких центров в полупроводнике, предназначенный для использования в качестве интерфейса баз данных и систем управления технологическими процессами изготовления полупроводниковых приборов и интегральных схем.
-
Теоретическое обоснование проекта многоцелевого мультимедиа-продукта "Виртуальный спектрометр глубоких уровней".
Методы исследований. При разработке теоретического аппарата использованы факторный анализ, релаксационная спектроскопия глубоких уровней, уравнения математической физики, методы параметрической идентификации и распознавания образов, имитационное моделирование, мультимедиа-технологии. Проведена оценка соответствия теоретических гипотез и математических моделей результатам экспериментальных исследований. Оценка точности разработанных средств контроля производилась сравнением полученных экспериментальных результатов с данными, приводимых в научно-технических публикациях.
Практическое значение работы. Результаты диссертационной работы получены автором в ходе выполнения хоздоговорных НИР с НИИ прикладной механики (г. Москва) (1986 - 1991 г.г.), заводом "Экситон" (г. Павловский Посад Московской области) (1992 г.), работ по договору о творческом сотрудничестве с ВНИИ экспериментальной физики (г. Арзамас-16 Нижегородской обл.), а также при финансовой поддержке грантов конкурса "Ядерная техника и физика пучков ионизирующих излучений" (1996 - 1997 г.г., 1998 - 1999 г.г.), межвузовских научно-технических программ "Стойкость" (1990 - 1992 г.г.), "Эффективность, качество и надежность продукции (ЭКНП-2000)" (1992 - 1996 г.г.) и "Наукоемкое приборостроение" (1996 - 1997 г.г.) Министерства общего и профессионального образования Российской Федерации (МОПО РФ).
Внедрение результатов. Основные результаты, приведенные в диссертации, внедрены в производство в НИИ прикладной механики и на заводе "Экситон", а также в учебный процесс во Владимирском государственном университете, что подтверждено соответствующими документами.
Материалы диссертации включены в учебное пособие "Методы и средства параметрического контроля интегральных микросхем", изданное ВлГУ и рекомендованное научно-методическим советом по направлению "Проектирование и технология электронных средств" учебно-методического объединения по образованию в области автоматики, микроэлектроники и радиоэлектроники МОПО РФ для межвузовского применения. Они использованы при подготовке новых лекционных и лабораторных курсов технологического цикла специальности 2008 "Проектирование и технология электронных средств", а также при разработке рабочего учебного плана подготовки магистров по программе 551106 "Обеспечение качества и сертификация электронных средств".
Апробация работы. Основные результаты, изложенные в работе, докладывались более чем на 25 научно-технических конферен-
циях и семинарах, в том числе на Международных и республиканских конференциях: Всесоюзные конференции по микроэлектронике (Казань, 1980; Минск, 1985; Тбилиси, 1987), "Физические основы надежности и деградации полупроводниковых приборов" (Кишинев, 1986); Всесоюзный симпозиум "Надежность и качество в приборостроении и радиоэлектронике" (Ереван, 1986); Всесоюзные конференции: "Автоматизация исследования, проектирования и испытаний сложных технических систем" (Калуга, 1989), "Автоматизированные системы обеспечения надежности радиоэлектронной аппаратуры" (Львов, 1990), "Актуальные проблемы электронного приборостроения" (Новосибирск, 1990), "Перспективы развития и применения средств вычислительной техники для моделирования и автоматизированного исследования" (Москва, 1991), "Метрологические проблемы современной микроэлектроники" (Менделееве, 1991), "Машинное и математическое моделирование" (Воронеж, 1991); Международная конф."Машинное моделирование и обеспечение надежности элекронных устройств" (Запорожье, 1993); Международный форум информатизации (Воронеж, 1993); Международные конференции: "Перспективные технологии в средствах передачи информации" (Владимир, 1995), "Физика и радиоэлектроника в медицине и биотехнологии" (Владимир, 1996, 1998), "Методы и средства оценки и повышения надежности приборов, устройств и систем" (Пенза, 1993, 1995, 1996, 1997; Саратов, 1994), "Проблемы конверсии, разработки и испытаний приборных устройств" (Владимир, 1993), "Приборостроение. Конверсия. Рынок" (Владимир, 1995, 1997), "Нечеткая логика, интеллектуальные системы и технологии" (Владимир, 1997), - а также на: межведомственных семинарах-совещаниях по проблемам создания полупроводниковых приборов и интегральных схем и радиоэлектронной аппаратуры на их основе, устойчивых к воздействию внешних факторов (Винница, 1989; Петрозаводск, 1991), межотраслевом научно-техническом семинаре "Радиационные процессы в электронике" (Москва, 1996), постоянно действующем международном научно-техническом семинаре МНТОРЭС-МЭИ "Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах" (Москва, 1996,1997).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 36 печатных работ, в том числе 12 статей, 22 тезисов докладов, авторское свидетельство на изобретение, учебное пособие. Кроме того, выпущено 7 отчетов о госбюджетных и хоздоговорных научно-исследовательских работах, в которых автор участвовал в качестве научного руководителя или ответственного исполнителя.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, пяти приложений и изложена на 333 страницах текста, включая список литературы, приложения, 48 рисунков и 7 таблиц на 112 страницах.
