Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Физические процессы старения в оксидных конденсаторах и методы контроля их качества и прогнозирования надежности 19
1.1. Пробой и электрическое старение металлооксидных диэлектрических пленок 19
1.2. Перенос кислорода и электростимулированный рост кристаллов Ta205(Nb205) в конденсаторной системе металл -анодный оксид - электролит. Изотопные исследования 31
1.3. Кинетика электростимулированного роста кристаллов Тг20<, (Nb205) в конденсаторной системе металл - анодный оксид -электролит 40
1.4. Влияние структуры оксида и межфазовой границы раздела металл оксид на кинетику процесса электростимулированного роста кристаллов Таз05 и Nb205 ... 50
1.5. Кинетика процесса развития пробоя аморфных металлооксидных диэлектриков 59
1.6. Процессы электрического старения оксидного диэлектрика и модели прогнозирования долговечности конденсаторов 72
1.7. Возможности прогнозирования показателей надежности оксидных конденсаторов по результатам испытаний в динамических режимах нагружения 82
1.8. Структурно-чувствительные и кинетические свойства и диагностика металлооксидных конденсаторных диэлектриков 87
1.9. Методики определения характеристических параметров кинетики электрического разрушения металлооксидных пленок в рабочей структуре электролитических конденсаторов 99
1.10. Возможности прогнозирования временной стабильности свойств оксидного конденсаторного диэлектрика и отбраковки потенциально ненадежных изделий 105
1.11 Возможности улучшения эксплуатационных свойств конденсаторов с оксидным диэлектриком 113
Выводы 122
Глава 2. Контроль качества фото резисторов по совокупности электрофизических параметров и математическое моделирование их отказов 124
2.1. Определение информативных параметров фоторезисторов для индивидуального прогнозирования их надежности 124
2.2. Экспериментальные исследования оценки качества и прогнозирования надежности по коэффициенту низкочастотного шума 135
2.2.1. Определение рациональных режимов измерения коэффициента низкочастотного шума 135
2.2.2. Выявление потенциально ненадежных фоторезисторов по коэффициенту низкочастотного шума 139
2.2.3. Взаимосвязь низкочастотного шума с дефектами фоторезисторов 142
2.3. Аппаратная реализация метода неразрушающего контроля качества фоторезисторов 148
2.3.1. Принцип измерения уровня низкочастотного шума фоторезисторов 149
2.3.2. Основные технические характеристики измерителя низкочастотных шумов фоторезисторов 150
2.3.3. Структурная схема измерителя низкочастотных шумов фоторезисторов 151
2.4. Анализ качества функционирования фоторезисторов с учетом деградации информативных электрофизических параметров 153
Выводы 168
Глава 3. Методы и средства отбраковки потенциально ненадежных полупроводниковых приборов по шумовым характеристикам при ускоренных испытаниях 170
3.1. Постановка задачи и выбор объекта исследования 170
3.2. Разработка эквивалентной схемы возникновения низкочастотного шума в исследуемом полупроводниковом приборе 173
3.3. Выбор и обоснование метода измерения низкочастотного шума 180
3.4. Моделирование отказов полупроводниковых приборов по электрофизическим параметрам 183
3.4.1. Физическое и математическое моделирование 183
3.4.2. Прогнозирование безотказной работы полупроводниковых приборов при линейном законе деградации электрофизических параметров 187
3.5. Экспериментальное исследование зависимости уровня низкочастотного шума полупроводниковых приборов при ускоренных испытаниях 194
3.5.1. Выбор режимов проведения эксперимента 194
3.5.2. Анализ результатов эксперимента 195
3.5.3. Теоретическая интерпретация результатов эксперимента 205
Выводы 211
Глава 4. Методы и приборы неразрушающе го контроля качества и прогнозирования надежности транзисторов и операционных усилителей по уровню их низкочастотных шумов 213
4.1. Выбор объекта исследования и его характеристика 213
4.2. Разработка физических эквивалентных схем операционных усилителей 223
4.3. Методы и аппаратура для измерения низкочастотных шумов операционных усилителей 245
4.4. Прогнозирование надежности операционных усилителей по уровню их низкочастотных шумов 255
Выводы 277
Заключение 278
Список литературы
- Влияние структуры оксида и межфазовой границы раздела металл оксид на кинетику процесса электростимулированного роста кристаллов Таз05 и Nb205
- Экспериментальные исследования оценки качества и прогнозирования надежности по коэффициенту низкочастотного шума
- Выбор и обоснование метода измерения низкочастотного шума
- Разработка физических эквивалентных схем операционных усилителей
Введение к работе
Задачи повышения качества и технического уровня продукции особенно важны и актуальны в радиоэлектронике [154,233,252,254]. Современные достижения космонавтики, научного приборостроения, систем космической связи и других областей науки и техники были бы невозможны без широкого использования радиоэлектронных средств (РЭС) повышенной надежности. Обеспечение высокого качества и надежности РЭС требует значительного повышения качества и надежности комплектующих изделий, среди которых большой объем составляют изделия электронной техники (ИЭТ).
Проблема обеспечения качества ИЭТ до сих пор не получила полного исследования. Ее разрешение имеет большое значение и для изготовителей ИЭТ, и для потребителей, поскольку причины отказов возникают как в процессе изготовления, так и при эксплуатации и длительном хранении изделий.
В работах ряда ученых - Б.С. Сотскова, В.Т, Ренне, ИЛ\ Шефтеля, А.О. Олеска, С.Д. Ханина, В.И. Соколова и др. - исследованы физико-химические процессы, приводящие к отказам ИЭТ, и установлена связь этих процессов с некоторыми электрофизическими параметрами ИЭТ. Существование такой связи инициировало исследования информативности электрофизических параметров; результаты исследований, представленные в работах Л.Г. Дубицкого, Г.Б. Сердюка, JLJL Кристалинского и др. показали принципиальную возможность индивидуального прогнозирования надежности ИЭТ [12,14,15,160,171,220,228,233,234,236].
Принципиальный аспект метода контроля по электрофизическим параметрам представляется очевидным, но его практическая реализация связана с рядом технических трудностей и физических противоречий.
С деградацией ИЭТ в той или иной мере связаны несколько электрофизических параметров, и характер связи проявляется различна в
разных изделиях- Для реализации метода нужны конкретные знания о связях значений электрофизических параметров с вероятностью отказа изделия.
Усложнение условий применения ИЭТ в аппаратуре, повышение интенсивности и числа внешних воздействий, а также рост степени интеграции с повышением функциональной значимости задач, выполняемых РЭС, возлагает большие требования к прогнозированию отказов ИЭТ. Под отказом в этих условиях понимается не только выход из строя ИЭТ, но и изменение режима работы - так называемый параметрический отказ. Например, в точной контрольно-измерительной аппаратуре, где требования к уровню собственных шумов крайне жесткие, возникновение в схеме источника избыточного шума, а при определенных условиях, как будет показано ниже, им может быть само ИЭТ, можно рассматривать как выход устройства из рабочего состояния. В этой связи на первый план выходит анализ скрытых дефектов, которые не влияют на параметры прибора в момент оценки его характеристик но проявляются спустя некоторое время или в определенных условиях в процессе эксплуатации изделия,
Роль прогнозирования отказов в проблеме надежности непрерывно повышается, отражая переход от чисто математических методов теории надежности к глубокому изучению причин и механизмов отказа, к физике отказов, к рациональному сочетанию физических и математических методов [12,159,224,229,232,236,247...252]. Только в этом случае возможны, и квалифицированное проведение исследований, и правильная интерпретация полученных результатов.
В настоящее время наметилась тенденция к комплексному подходу обеспечения надежности:
использование априорной информации;
построение физико-статистических моделей;
применение физико-технических методов неразрушающего
контроля качества и новых средств измерения с высокими
метрологическими показателями.
Такой подход позволяет более строго оценивать качество выпускаемых изделий, дает возможность разработать методы индивидуального прогнозирования их надежности, позволяющие значительно повысить оперативность контроля и сократить объем испытаний на надежность [172,220,221,225,226,253,254].
Актуальной задачей является также установление связи основных показателей надежности с информативными электрофизическими параметрами, чувствительными к отказам ИЭТ. Знание физических процессов, приводящих к отказам ИЭТ, позволяет научно обосновывать и выбирать наиболее эффективные конструкторско-технологические и эксплуатационные способы повышения надежности, разрабатывать эффективные методы неразрушающего контроля, испытаний, прогнозирования и физико-технического анализа отказов ИЭТ [19,154,155,157,158,163-. .165,170,234,250].
В диссертационной работе предполагается, что среди многочисленных параметров, характеризующих любой ИЭТ, имеются параметры, чувствительные к зарождению отказа, при этом не обязательно* чтобы в качестве таковых выступали основньте выходные параметры прибора.
Перспективным направлением в разработке экспресс методов неразрушающего контроля качества (НКК) и прогнозирования надежности ИЭТ, являются методы интегральной диагностики по информативным электрофизическим параметрам: уровню шума в низкочастотном и СВЧ диапазонах, нелинейности вольтамперных, вольтфарадных и других характеристик, "т" и "р" параметров и др. Эти методы оперативны (их можно непосредственно внедрять в автоматические линии технологических процессов производства ИЭТ) и информативны (электрофизические параметры, с одной стороны, связаны с физико-химическими явлениями, протекающими внутри ИЭТ, а с другой - могут учитывать условия эксплуатации).
Литература, посвяшенная электрофизическим методам
неразрушающего контроля качества ИЭТ, чрезвычайно обширна. Отметим
только наиболее известные работы отечественных
[11,12,20437,165,166,172,186,235,255..,259] и зарубежных авторов [17,18,140.. .146,237... 239,252].
Особое место среди перечисленных выше электрофизических методов НКК занимает метод контроля качества ИЭТ по уровню низкочастотного шума (НЧШ). Эффективность метода электрофлуктуационной диагностики определяется чувствительностью шумовых характеристик к характеру и распределению различных дефектов в ИЭТ, так как электрические флуктуации являются следствием протекающих в них деградацнонных явлений.
Проблема 1/f шума насчитывает 60 лет. В зарубежной и отечественной литературе освещены основные свойства І/f шума как универсального типа флуктуации всех материальных объектов [17,141,223,255,260]. В настоящее время теоретически обосновано и экспериментально подтверждено наличие флуктуации І/f типа и их связь с деградационными явлениями на поверхности ив объеме различных материалов [223,231,249,255,261...263].
Существует точка зрения на возможный механизм формирования 1/f шума, заключающийся в том, что этот шум сопровождает любой нестационарный процесс [8,168,247], который, в свою очередь, является фундаментальным свойством всех деградацнонных явлений. Из этого вытекает универсальность метода контроля качества ИЭТ по параметрам низкочастотного шума.
В работах [3,138,148,186,235,250,255] показана эффективность контроля качества ИЭТ по параметрам І/f шума, с помощью которых можно прогнозировать отказы и надежность изделий. Таким образом, к основным достоинствам метода НКК по характеристикам І/f шума относятся: их связь с деградационными процессами;
10 высокая чувствительность параметров І/f шума, деградация которых может быть обнаружена задолго до деградации основных параметров прибора; универсальность;
возможность сочетания физического и статистического ПОДХОДОВ при определении надежности изделий;
возможность отбраковки изделий на различных этапах их изготовления и контроля;
возможность прогнозирования индивидуального срока их службы. Следует отметить, что большинство публикаций по данной проблеме, как правило, связано с исследованиями, подтверждающими эффективность методов НКК по низкочастотному шуму. Однако четко разработанных методов контроля для определенного класса ИЭТ на настоящий момент недостаточно. Это связано со спецификой работы приборов и их конструкций, что требует разработки диагностической аппаратуры для канадого типа изделий специально.
Внедрение методов НКК по электрофизическим параметрам, в частности, по низкочастотному шуму, позволит решить следующие задачи. На стадии производства:
обеспечение эффективности контроля качества исходных материалов и комплектующих изделий; корректировку технологических режимов изготовления; увеличение процента выхода годных изделий; сокращение длительности испытаний ИЭТ. На этапах испытаний и эксплуатации:
обеспечение входного контроля ИЭТ с целью отбора изделий
с повышенной надежностью;
отбраковку потенциально ненадежных изделий;
оценку работоспособности ИЭТ в реальных условиях;
оптимизацию разработки ИЭТ и их компоновки с точки зрения повышения надежности.
В заключение отметим, что кроме упомянутых выше наиболее полных результатов по исследованию связи шумов полупроводниковых приборов с их надежностью, были опубликованы еще ряд работ экспериментального характера по этому вопросу [5,6,227,231,248,254,264]. Анализ проведенных исследований низкочастотных шумов 111111 показал, что они не являются всеохватывающими: измерение НЧШ, в основном, проводились в нормальных условиях при комнатной температуре, что является значительным пробелом; во многом это связано с большими техническими сложностями при проведении подобных исследований.
Во-первых, при воздействии температуры в полупроводнике должны активизироваться дефекты, которые в других условиях не проявляются, и соответственно, картина дефектности ИЭТ будет более полной. Во-вторых, современная радиоэлектронная аппаратура работает в широком диапазоне температур, и подчас к ней предъявляются высокие требования по стабильности работы, в том числе и по уровню собственного шума (высокоточная контрольно-измерительная аппаратура, космическая техника и т.д.). В этих условиях крайне важно знать не только как долго проработает в РЭС то или иное изделие электронной техники, но и как оно будет себя вести при изменяющихся нагрузочных и температурных воздействиях.
Исследования автора выполнялись на кафедре конструирования и производства радиоэлектронной аппаратуры Северо-Западного заочного политехнического института (г. Санкт-Петербург) в рамках госбюджетной и хоздоговорной тематики по планам работы комиссии «Оптические, радиоволновые и тепловые методы и средства неразрушающего контроля качества изделий из неметаллических материалов и микроэлектроники» целевой комплексной программы «Неразрушающий контроль и /-иагностика» Министерства науки, высшей школы и технической политики Российской
12 Федерации, «Физические методы контроля» Российской академии наук, а также государственной программы «Качество»,
Под руководством и при непосредственном участии автора выполнены научно-исследовательские работы:
Разработка и исследование неразрушающих методов контроля качества нелинейных резисторов (отв. исполнитель) per. №75005100, 1977 г.
Исследование и разработка методов неразрушающего контроля качества фоторезисторов (отв. исполнитель) per. №78011031, 1980 г.
Исследование и разработка методов неразрушающего контроля качества и методика анализа отказов изделий микроэлектроники (отв. исполнитель) per. №01840010239, 1984,
Исследование и разработка методов неразрушающего контроля качества и методика анализа отказов изделий микроэлектроники (научн. руководитель) per. №01850008854, 1986 г.
- Исследование, разработка и внедрение автоматизированной системы
контроля качества и испытаний изделий электронной техники (научный
руководитель) per. № 01870015025, 1988 и 1990 г.г.
Исследование, разработка и внедрение методов и автоматизированных средств оценки и прогнозирования надежности изделий электронной техники (ИЭТ)(научн. руководитель) per. №01890025931, 1990.
- Методы и средства оптического, радиоволнового и теплового
неразрушающего контроля качества промышленной продукции (отв,
исполнитель)рег,№01910001173, 1991 г.
Исследование и разработка методов и средств контроля параметров электрических сигналов функциональных узлов РЭА на базе ПЭВМ, (научн. руководитель) per. №01910015807, 1991 г.
Автоматизация контрольно-испытательных операций телевизионных приемников с помощью ПСКФ-Ш, (научн, руководитель) per. №01910046838, 1992 г.
(
Исследование эксплуатационной надежности изделий электронной техники, применяемых в БРЭА и разработка рекомендаций на ее повышение, (научн. руководитель) per. №01850023186, 1985 г.
Разработка и адаптация программно-математического обеспечения с целью оценки деградации ИЭТ при испытаниях на долговечность на базе персональной ЭВМ типа IBM PC/AT (научн. руководитель), 1991 г.
Автоматизация диагностики и неразруптающих испытаний узлов и блоков БРЭА, (научн. руководитель) 1992 г.
Совокупность проблем обеспечения качества поставляемых ИЭТ с одной стороны, и с другой — видимая возможность универсального решения для многих их них, на основе метода контроля по электрофизическим параметрам, рассматриваются автором как объективные признаки актуальности работы.
Целью диссертационной работы являлось повышение достоверности контроля качества и индивидуальное прогнозирование надежности изделий электронной техники.
Для достижения поставленной цели представлялось необходимым:
Исследовать механизмы отказов и установить доминирующие факторы, опре дел яющие надежность, долговечность и сохраняемость ИЭТ,
Выявить причины ускоренного старения и деградации ИЭТ.
Установить перечень электрофизических параметров ИЭТ, обеспечивающих индивидуальное прогнозирование их надежности.
Разработать методы аппаратурной оценки информативных электрофизических параметров ИЭТ.
Провести экспериментальную отработку предложенных методов индивидуального прогнозирования надежности изделий и разработать методики отбраковок потенциально ненадежных ИЭТ.
Для решения поставленных задач использовались методы физического и математического моделирования, современные физические модели полупроводников и диэлектриков, положения теории надежности, теории вероятностей, математической статистики, корреляционно-регрессионного
анализа, математического планирования эксперимента, теории распознавания образов, методы цифрового спектрального анализа.
Математическая обработка полученных экспериментальных данных, построение моделей и проверка их адекватности осуществлялась с применением ЭВМ с использованием стандартных и оригинальных программ.
Научная новизна работы заключается в комплексном решении проблем повышения достоверности контроля качества ИЭТ.
Наиболее существенные научные результаты, полученные автором, следующие:
Установлены природа и закономерности процессов старения приборных структур оксидных конденсаторов, ограничивающих срок их службы.
Разработаны физические и математические модели явлений разрушения оксидного конденсаторного диэлектрика и приборной структуры в целом в сильных электрических полях.
Определены структурные дефекты приборной системы оксидного конденсатора, приводящие к ускорению, ее электрического разрушения и информативные для их выявления электрофизические параметры.
Разработаны методики контроля и прогнозирования временной стабильности свойств оксидного конденсаторного диэлектрика, основанные на вольт- и хроноамперометрии.
Разработаны методики контроля качества и индивидуального прогнозирования надежности оксидных конденсаторов, основанные на диэлектрической и электрофлуктуационной спектроскопии в области инфразвуковых частот.
Сформулированы научно-обоснованные рекомендации по совершенствованию технологии, направленные на повышение качества и надежности оксидных конденсаторов.
Разработаны физические эквивалентные шумовые схемы, с помощью которых могут быть представлены шумовые характеристики полупроводниковых приборов и интегральных операционных усилителей,
В рамках разработанных моделей аналитически определены величины спектральной плотности шумового напряжения и тока с учетом действия
внутренних источников шумов ИЭТ, отражающих действие различных
физических механизмов, 9. Получены зависимости изменения уровней низкочастотных шумов ИЭТ
от температуры и токовой нагрузки. Ю.Показана эффективность применения совокупности двух информативных
электрофизических параметров: уровня низкочастотного шума и
нелинейности вольтамперной характеристики для контроля
фоторезисторов. 11 .Разработаны методы обнаружения потенциально ненадежных и отбора
высоконадежных полупроводниковых приборов, фоторезисторов и
операционных усилителей по результатам измерения информативных
электрофизических параметров.
Практическая значимость результатов диссертационной работы состоит в том, что разработанные научные положения послужили основой для принципиального решения ряда задач неразрушающего контроля качества и индивидуального прогнозирования надежности ИЭТ, в их перечень входят:
Ускоренная оценка долговечности оксидных конденсаторов при заданных условиях их электротеплового нагружения.
Методика определения допустимых пределов нагружения оксидных конденсаторов, отвечающих требованиям к их надежности.
Контроль качества оксидного диэлектрика конденсаторных структур.
Индивидуальное прогнозирование надежности оксидных конденсаторов на стадии их изготовления.
Повышение надежности оксидных конденсаторов технологическими средствами.
Методика выявления потенциально ненадежных фоторезисторов.
Отбор полупроводниковых приборов для использования в высокоточной и малошумящей контрольно-измерительной аппаратуре.
Повышение эффективности термоэлектротренировок ИЭТ.
Автоматизации контроля качества изделий в процессе производства, на выходе технологического процесса и на входном контроле у их потребителей.
Результаты диссертационной работы внедрены в виде методик и аппаратуры в ЛНПО «Позитрон», Государственном испытательном центре ВНИИ «Электронстандарт», НИИ электронно-механических приборов (г.Пенза), Научно-производственном предприятии «Биоспектр» и др., а также использовались при аттестации специалистов по оптическому, радиоволновому и тепловому видам неразрушающего контроля в МГТУ им Н.Э. Баумана и в СЗТУ и опубликованы в справочнике МЭГТ «Анализ отказов и контроль технологических операций производства интегральных микросхем и полупроводниковых приборов».
Материалы диссертационной работы использованы в учебном процессе СЗТУ при подготовке инженеров по специальности 2008 - Конструирование и технология производства РЭА.
Основные результаты диссертационной работы были доложены на IT-
ом Всесоюзном совещании по физике отказов АН СССР (г. Москва, 1979), на
Всесоюзных научно-технических конференциях «Оптические,
радиоволновые и тепловые методы и средства неразрушающего контроля качества промышленной продукции» (г. Одесса, 1977, г. Могилев, 1984, г. Саратов, 1991, г. Ульяновск, 1993, 2000); на ежегодных семинарах службы надежности МЭП (г. Пенза, 1978, 1982, Ереван, 1985, Псков, 1986, Витебск,1987,Суздаль, 1989, Ленинград, 1978-1990, 1992 гг.); ХИ-ой Всесоюзной научно-технической конференции «Неразрушающие физические методы и средства контроля» (Свердловск, 1990); Ш-ей Всесоюзной конференции «Физические основы надежности и деградации полупроводниковых приборов» (Кишинев. 1991 г.); 3-ей межотраслевой конференции «Неразрушающие методы контроля изделий из полимерных материалов» (г. Туапсе- 1989); Х-ой Ленинградской конференции «Повышение качества и надежности промышленных изделий» (Ленинград, 1989); на выездном заседании экспертного совета по машиностроению Гособразования СССР (Ивано-Франковск, 1990); на постоянно действующем семинаре «Актуальные вопросы теории и практики надежности» (1980-1991 гг.) ЛОС НТО ЛДНТП; на XV, XVI, XVIII Научно-технических конференциях СЗПИ; на 2-ом заседании Национального аттестационного комитета СССР по неразрушающему контролю (Ленинград, 1991); на
Всесоюзной научно-методической конференции «Физика в системе современного образования» (Ленинград, 1991, г. Сочи, 1993); на Международной конференции «Диэлектрики-2000» (Санкт-Петербург, 2000),
В первой главе представлены результаты исследований процессов старения в приборных структурах оксидных конденсаторов, отраничивающих срок их службы, и развитые на этой основе методы контроля их качества и индивидуального прогнозирования надежности.
Во второй главе представлены результаты исследований факторов, определяющих качество фоторезисторов (ФР). Показатели качества ФР определены «техническими условиями», а факторы, влияющие на показатели качества, выявлены фактологическим анализом внутренней структуры и наружной поверхности фоторезистивного слоя ненадежных приборов,
На основании анализа предложенный метод неразрушающего контроля качества позволяет производить отбраковку потенциально ненадежных фоторезисторов по совокупности двух электрофизических параметров (уровень низкочастотного шума и нелинейность вольт-амперной характеристики) с высокой точностью и значительно повысить надежность выпускаемой продукции.
Результаты исследований внедрены в ЛНПО «Позитрон».
В третьей главе представлены теоретическое обоснование и экспериментальные исследования зависимостей поведения уровня низкочастотного шума полупроводниковых приборов от температуры и тока с целью повышения их качества и надежности. Результаты исследований внедрены в НПО «Биоспектр», ООО «НПО МЭП».
В четвертой главе разработаны методы и аппаратура для неразрушающего контроля качества и прогнозирования надежности интегральных операционных усилителей (ОУ) по уровню их шумов на инфранизких частотах. Результаты работы внедрены в КБ «Россия».
На основании рассмотрения материалов и обсуждения результатов, вошедших в диссертационную работу, на научно-технических конференциях, симпозиумах, семинарах и совещаниях, можно сделать вывод, что большинство из указанных положений приняты научной общественностью.
На защиту выносится комплексное исследование проблемы контроля качества и прогнозирования надежности изделий электронной техники, состоящее в теоретическом и экспериментальном обоснованиях информативности латентных физических признаков функциональных качеств и долговечности изделий, включающее в себя:
Разработку обобщенной концепции получения диагностической информации по электрофизическим параметрам изделий.
Исследование связи естественной релаксации приборных структур с характеристиками их надежности.
Методику оценки влияний технологических дефектов приборных структур на их электрофизические параметры.
Методы построения физических и математических моделей систем получения диагностической информации по электрофизическим параметрам.
Аналитическую оценку адекватности предложенных моделей физико-химическим процессам старения полупроводниковых структур.
Новые методы измерения уровня низкочастотных шумов, обеспечивающих достоверность диагностической информации.
Разработку процедур производственного контроля, обеспечивающих принцип единства измерений.
Разработку систем аппаратного обеспечения сплошного производственного контроля группы изделий электронной техники.
Определение способов повышения качества и надежности изделий путем управления технологическими факторами при их изготовлении.
Влияние структуры оксида и межфазовой границы раздела металл оксид на кинетику процесса электростимулированного роста кристаллов Таз05 и Nb205
Явления пробоя и старения металлооксидных пленок в сильных электрических полях, ограничивающие диапазон рабочих напряжений и срок службы конденсаторов, были и остаются предметом интенсивного изучения, Однако, несмотря на накопленный обширный экспериментальный материал и многочисленные попытки разработать модель процессов электрического разрушения аморфных металлооксидов, ясности в его феноменологии и микроскопике до сих пор нет [167,172]. Экспериментальные результаты разных авторов по традиционно основным, для установления формы и механизма пробоя диэлектриков, закономерностям противоречивы. Так, зависимость электрической прочности ETip оксидного диэлектрика от его толщины, по данным одних авторов [21,22,23-31],обнаруживает эффект упрочнения - рост пр с уменьшением d, что явилось, в частности, одним из основных аргументов в пользу отнесения явления искрения в конденсаторной МОЭ - системе к пробою [32,33]. Зависимость Епр(ф в [21,30]была описана с помощью формулы [34]:
Другие авторы /15-20/ эффекта упрочнения в металлооксидных слоях не обнаруживали и констатировали постоянство пр оксидного слоя при уменьшении толщины до 50 нм.
Противоречивы заключения разных авторов и относительно температурной зависимости электрической прочности металлооксидов (или напряжения пробоя /1]р). По данным [41,42,43], Un? оксида тантала в МОЭ -структуре с ростом Т увеличивается (пр при этом падает из-за возрастания толщины слоя с увеличением температуры формовки [22]). Аналогичная зависимость была получена и для оксидных пленок в конденсаторных MOM - структурах [44,45], Наряду с этим в литературе имеются данные о постоянстве ип? [46,47], падении Unp с ростом Т [48,49], а также об экстремальном характере температурной зависимости f/np с максимумом при 323 К [50].
В отношении влияния на электрическую прочность металлооксидов времени воздействия приложенного напряжения все авторы сходятся в том, что с увеличением продолжительности электрического нагружения Епр уменьшается. Об этом же свидетельствует опыт испытаний и применения конденсаторов с оксидным диэлектриком при длительном электрическом нагружении. Данная зависимость, представляемая, как правило, в виде т(Е), где т - время развития (запаздывания по отношению к моменту приложения внешнего напряжения) пробоя, описывается функцией т(Е) ехр(-АЕ?) с показателем п — 1/2 [51], или ±1 [52,54]. Отдать предпочтение какому-либо нз этих значений трудно из-за недостаточно широкого интервала изменения величин в эксперименте (например, [51,52]),
Следует также отметить экспериментальные данные о влиянии на Епр металлооксидов в конденсаторных структурах материала противоэлектрода и сопряженные с ними данные об уменьшении ЕПр пленок при перемене полярности приложенного напряжения. Согласно одним работам [28,29]э существует корреляция ЕПр с работой выхода электронов материала противоэлектрода; по другим данным [55,56], такой корреляции нет. В работах [57,58] отмечалось понижение пр оксида тантала в конденсаторной MOM - структуре при высушивании образцов в вакууме, что связывалось с влиянием на пр влажности окружающей среды. В случае пробоя оксида в МОЭ - структуре (искрения) величина Unp зависит от проводимости, концентрации и анионного состава растворителя электролита(например, [22,59,30,51]).
Противоречивость результатов по пробою оксидных пленок в большой степени обусловлена различием в методиках определения р и статистической обработки экспериментальных данных. Дело состоит в том, что из-за наличия в оксидном диэлектрике макроскопических дефектов (локализации канала пробоя) измеряемые Uup{En?) являются случайными величинами, и собственная электрическая прочность металлооксида определяется с точностью до принятого статистического критерия [60].
Рассмотрим основные гипотезы о механизме пробоя аморфных металлооксидов, авторы которых привлекали для объяснения экспериментальных данных различные модели электронных и ионных процессов в объеме оксидного диэлектрика и на межфазовых границах раздела в конденсаторных структурах.
Экспериментальные исследования оценки качества и прогнозирования надежности по коэффициенту низкочастотного шума
При инфракрасном облучении фоточувствительного слоя фототок возрастает за счет увеличения концентрации свободных (неосновных) носителей, на низких частотах возрастает избыточный шум. Следовательно, для измерения уровня низкочастотного шума - как информативного параметра - фоторезистор следует облучать инфракрасным с длиной волны, близкой к рабочей.
Зависимость уровня низкочастотного шума от частоты показана на рис.2.2.
Как уже отмечалось в разделе 2.1, преобладающим видом шумов ФР, изготовляемых в виде поликристаллических пленок, является І/f шум, связанный с контактными процессами на границах зерен материалов. При увеличении напряжения, начиная с некоторой величины, этот шум растет быстрее, чем сигнал, поэтому максимальная величина отношения сигнала к шуму достигается при вполне определенном напряжении: 5 В - в пашем типе фоторезисторов. А так как сигнал при измерении уровня низкочастотного шума отсутствует (сравнительно мал по отношению к шуму), то на инфранизких частотах мы будем регистрировать только избыточный шум.
Зависимость коэффициента низкочастотного шума фоторезисторов от приложенного напряжения и освещенности при различных частотах показана нарис,2.3.,2А
Экспериментальные исследования показали, что существует сильная зависимость уровня низкочастотного шума от температуры окружающей среды, которую мы объясняем подвижностью дислокации - сопротивление движению дислокации преодолевается с помощью термических активационных процессов.
В отсутствии сигнала на приемную площадку фоторезистора падает фоновое излучение, источником которого служит окружающее пространство, где все предметы - включая корпус фоторезистора, оптическую систему являются температурными излучателями, нагретыми до температуры окружающей среды ( 25С). Поэтому для измерения уровня низкочастотных шумов фоторезисторов необходимо применять высокотермостабилизированный термостат. Оптимальная температура для измерения: Т = 35 ± 0ДС . Таким образом, рациональным режимом измерения коэффициента низкочастотного шума фоторезисторов является: напряжение, приложенное к образцу - 5 В; частота - 5 Гц; температура окружающей среды - 35С; облучение образца длиной волны, близкой к рабочей. Для установления взаимосвязи между коэффициентом низкочастотного шума и надежностью фоторезисторов, выборка в количестве 16 приборов была подвергнута испытаниям на надежность в циклическом режиме: 20 часов при температуре 60ЙС, 230 часов при температуре 20С. Напряжение на образцах - 5 В, В процессе испытаний контролировались основные параметры -критерии годности фоторезисторов: S„ - интегральная чувствительность, В/Вт; D - обнаружительная способность, м-Гц -Вт-1; Rr - темновое сопротивление, Ом. Критерии отказов по параметрам - критериям годности выбирались в соответствии со значениями, заданными в технических условиях. До испытания измерялся коэффициент низкочастотного шума в режиме, определенном В 2Л. Анализ результатов испытаний показал, что из партии в 16 фоторезисторов из-за деградации параметров уш при температуре 60С отказало два образца -№6 и №10, что видно из таблицы 9. Результаты испытаний на надежность показывают принципиальную возможность отбраковки потенциально ненадежных фоторезисторов по предлагаемому электрофизическому параметру, чувствительному к отказам ФР(рис.2.5-..2.7).
Механизм возникновения низкочастотного шума в фоторезисторе установить крайне сложно, но по результатам эксперимента можно сделать вывод, что в поли кристаллической структуре фоторезистивного слоя даже при незначительном отклонении контактов между зернами от омического, наблюдается резкая реакция со стороны шумового тока. Причем возникающее шумовое напряжение (порядка нескольких микровольт) достаточно для пробоя плохих контактов, а сам процесс пробоя (микроплазменный процесс) является шумовым процессом. Следовательно, избыточный шум является информативным электрофизическим параметром дефектности фоторезистивного слоя.
Выбор и обоснование метода измерения низкочастотного шума
Анализ физики отказов дает основание предположить, что в ППП существует ограниченное количество разных механизмов отказов, с разными законами распределения времени до отказа. Поэтому представляется не всегда обоснованным рассмотрение отказов ППП, как, впрочем, и других элементов в РТУ, как нормальное распределение (Вейбулла или его частный случай - экспоненциальное). Как следует из изложенного ниже, подход, основанный на физическом представлении о конечном числе разнородных механизмов отказа или скрытых дефектов, позволяет построить во многих случаях расчетные процедуры умеренной сложности для прогнозирования отказов этих элементов с учетом деградации информативных параметров.
Вопрос построения физической модели отказов, исходя из сформулированного принципа разделения ППП на дефектные зоны (источники дефектов) (рис.3.1), позволяет указать некоторые новые пути прогнозирования отказов ППП по уровню НЧ11Ї.
В [12] приведен анализ известных моделей низкочастотного шума. В [45,46,81,82] представлена шумовая эквивалентная схема, учитывающая конструктивно-технологические особенности современных 111111. Модели НЧШ [12,31,32,33,57,58,59,60] связывают возникновение шума с явлениями на поверхности и объеме кристалла полупроводника. На основании модельных представлений делается попытка использовать шумовой метод в качестве метода контроля качества на выходном и входном контроле для выявления потенциально ненадежных приборов.
С точки зрения моделирования процессов отказа существенную роль играет то обстоятельство, что даже при большой точности моделирования отдельных механизмов отказа точность модели ППП может получиться небольшой. Различают физическое и математическое моделирование зависимости вероятности безотказной работы 111111 от времени (P(t)}. При физическом моделировании моделью является изделие того же или близкого типа, как и изделие, надежность которого подлежит оценке. При физическом моделировании условия эксперимента, характеризуемые в нашем случае Т и 1пр, могут отличаться от "рабочих" условий, встречающихся при нормальной эксплуатации.
При математическом моделировании моделью является некоторое уравнение или алгоритм, выражающее зависимость P(t) [27].
Различают теоретическую, эмпирическую и комбинированную (часть сложных зависимостей определяется теоретически, часть эмпирически) модели.
По принятой в теории надежности терминологии под физической моделью в натуральном масштабе времени понимают испытания на надежность в нормальных условиях; физическое моделирование в условиях, отличных от нормальных (более тяжелых), называется методом ускоренных испытаний [74,75,83,84]. Эмпирическое математическое моделирование надежности отдельных изделий называется методом индивидуального прогнозирования надежности изделий [26, 35], Под теоретическим математическим моделированием понимают расчет надежности изделий с учетом физических процессов их отказов.
На рис.3,5. показана схема возможных моделей отказов (надежности) и их взаимосвязи, из которой видно, что физическая модель в "ненатуральных" условиях (например, при форсированных режимах) не может быть использована без приведения (пересчета) результатов на основании математической модели влияния условий, а смешанная или эмпирическая математическая модель может быть построена только на основании физической модели.
Разработка физических эквивалентных схем операционных усилителей
Развитие микроэлектроники привело к тому, что стоимость и габариты ОУ сделались соизмеримыми с аналогичными показателями для транзисторов. Современные интегральные ОУ мало уступают транзисторам в надежности, значительно превосходя их по своим функциональным ВОЗМОЖНОСТЯМ Благодаря этому ОУ в настоящее время широко используются в радиотехнических устройствах аналоговой и пифро-аналоговой обработки сигналов. Такие свойства ОУ как: высокий коэффиииент усиления, стабильность нулевого уровня, высокое входное и низкое выходное сопротивления позволяют проектировать узлы электронной аппаратуры с параметрами практически определяемыми только свойствами цепи обратной связи, в которую включены ОУ. Это делает ОУ универсальным элементом, который используется в аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователях, функциональных преобразователях, генераторах сигналов, усилителях звуковой частоты и видеоусилителях, активных фильтрах, источниках питания и многих других функциональных узлах.
Статистические данные государственной системы управления качеством продукции свидетельствуют о значительном количестве рекламаций, поступающих от потребителей ОУ. Поэтому исследования в области надежности интегральных ОУ, проводящиеся в России и других странах СНГ являются важной и актуальной задачей [157,160,180,186].
Наиболее перспективным направлением в разработке эффективных методов НКК ОУ является исследование возможности прогнозирования отказов ОУ по их НЧШ- Метод заключается в измерении спектральной плотности мощности шума в частотном диапазоне, либо на одной выбранной частоте и определении технического состояния изделия по результатам этих измерений. Он является универсальным и применим для контроля качества очень широкого класса изделий электронной техники [136...139].
Универсальность метода заключается в том, что шумы наблюдаются во всех исходных материалах технологического процесса производства изделий электронной техники основой которых служат проводники, полупроводники, диэлектрики и другие материалы.
Для осуществления НКК и прогнозирования надежности ОУ необходимо разработать модели ОУ, описывающие их шумовые свойства, и получить аналитические выражения для параметров этих моделей.
Для описания шумовых свойств ОУ следует использовать физические эквивалентные схемы на уровне элементов, которые полностью повторяют структуру схемы ОУ. Такие модели дают наиболее полную картину влияния элементов на характеристики ОУ, так как они построены с учетом физико-химических процессов, протекающих в приборе [168].
Основным базовым элементом при производстве интегральных операционных усилителей является транзистор, который целесообразно представлять его малосигнальной эквивалентной схемой. Такая модель позволяет учесть все основные источники шумов, обусловленные процессами диффузии, дрейфа, дефектами транзисторной структуры, а также, установить соответствие между источниками шума и областями транзистора, в которых эти шумы возникают [174].
Неразрушающий контроль качества и прогнозирования надежности ОУ по сравнению с фоторезисторами и полупроводниковыми приборами связаны со значительными трудностями, определяемыми следующими причинами: 1, Сложностью структуры полупроводниковых ОУ, содержащих более тридцати элементов. Отбраковка и выявление потенциально ненадежных изделий при этом затруднена. 2. Специфичностью проблемы, находящейся на стыке различных наук физики полупроводников, термодинамики, статистической физики, теории электрических цепей, метрологии. 215 3. Трудностью экспериментальных исследований, связанных с необходимостью регистрации слабых электрических сигналов при измерении нчш. 4. Большой трудоемкостью и длительностью экспериментов при определении показателей качества высоконадежных изделий. Осуществить НКК и прогнозирование надежности по уровню шумов на низких частотах возможно при комплексном решении следующих задач: - установлении связи между уровнем шумов ОУ, их конструктивно технологическими особенностями и режимами работы; - осуществлении прогнозирования надежности ОУ по уровню низкочастотных шумов; - разработке методик по отбраковке потенциально ненадежных и отбору высоконадежных ОУ.
Операционные усилители характеризуются большим числом параметров, значения которых варьируются в широких пределах в зависимости от предъявляемых к ОУ требований [176].
По структуре ОУ делятся на усилители с дифференциальным и инвертирующим входами. Каждая из этих групп может быть выполнена с применением преобразования сигнала, либо без преобразования. В свою очередь, ОУ с преобразованием сигнала, могут быть реализованы с применением однократной и двукратной модуляции-демодуляции сигнала или с использовании периодической компенсации дрейфа нуля. Все перечисленные структуры ОУ могут быть выполнены с применением параллельного высокочастотного канала. Усилители с дифференциальным входом обладают существенно большими функциональными возможностями, и поэтому, получили значительно более широкое распространение. ОУ с преобразованием сигнала обычно сложнее и дороже, но они способны обеспечить минимальное значение дрейфа нуля и шумов. Усилители с высокочастотным каналом позволяют получить больший запас устойчивости, увеличить частоту единичного усиления и максимальную скорость нарастания выходного сигнала. Наиболее широкое распространение получили ОУ без преобразования сигнала, так как они наиболее просты и удобны для реализации по полупроводниковой иїітегральной технологии.
