Введение к работе
Актуальность темы.
Обеспечение качества и надежности микросхем имеют особую значимость, так как характеристики этих изделий во многом определяют тактико-технические характеристики радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) созданной на их основе.
Динамичность и жесткость требований к качеству микросхем (ИС) обусловливают высокую остроту (как с технической, так и экономической позиций) проблемы оценки качества для вновь создаваемых ИС с целью выполнения заданных требований и обеспечения дальнейшего их роста. Главная цель состоит в том, чтобы разработать и поставить ИС быстрее, дешевле и лучшего качества.
Для получения достоверной информации о качестве ИС и предупреждения отказов, внимание должно быть уделено исследованиям физических причин отказов. В связи с этим возникает необходимость в разработке оперативных методов оценки качества ИС, позволяющих в короткий срок определить истинное значение показателей качества, уровень технологического процесса производства, и создании на их основе эффективной системы обеспечения требуемого уровня качества. То есть актуальна проблема получения оценок качества ИС, их устойчивости к внешним воздействующим факторам за короткое время не путем непосредственных натурных или даже ускоренных испытаний, а посредством проведения физико-технической экспертизы элементов ИС (химического состава среды в подкорпусном объеме, металлизации, активных элементов, слоев диэлектрика и т.д.) и микросхем в целом.
Большое значение приобретает разработка и применение физико-технических методов определения и контроля качества ИС для различных этапов производства и диагностики.
Эта задача может быть решена посредством физико-технической экспертизы (ФТЭ) путем проведения исследований по установлению элементов конструкции и кристалла, параметров и критериев, алгоритма и порядка проведения физико-технической экспертизы. Для экспертизы могут быть использованы тестовые структуры, проектные нормы, методики интегральной оценки качества ИС (контроль температурного поля, распределения потенциалов, метод наведенного заряда); методики контроля геометрических параметров элементов ИС (линейные размеры, конфигурация, рельеф,), анализа качества материалов (заряд в диэлектрике, время жизни носителей заряда, пористость диэлектрических и проводящих слоев); анализа качества конструкции (корпуса, состава среды подкорпусного объема, коррозионная стойкость). По результатам анализа делается оценка устойчивости ИС к внешним воздействующим факторам.
Однако опыт проведенных испытаний и исследований отказавших ИС показывает необходимость доработки этих и разработки других методик, которые дополняются оценками соответствующих показателей качества и критериальных параметров. Например, наряду с оценкой стойкости ИС к разрядам статического электричества, необходимо оценивать их стойкость к электроперегрузкам. При оценке коррозионной стойкости ИС существующий метод оценки может быть дополнен методикой контроля газового состава подкорпусного объема и т.д.
Необходимым условием при определении параметров и отработке соответствующих критериев оценки качества элементов конструкции ИС, а также для подтверждения возможности использования методик физико-технической экспертизы, должны проводиться натурные, в том числе ускоренные испытания, подтверждающие приемлемость методик и достоверность критериев оценки.
Исходя из изложенного, настоящая работа посвящена решению актуальной проблемы - обоснованию технических и технологических решений, связанных с разработкой методов обеспечения и ускоренной оценки качества ИС.
Решение данной задачи включает выполнение исследований по ряду важнейших ее составляющих.
Во-первых, определить требования к процессам разработки и производства и прежде всего технологическому процессу.
Во-вторых, необходимо установить элементы конструкции и кристалла, параметры и критерии для контроля и оценки качества ИС, на основе полученных причинно-следственных связей между дефектами, отказами, технологическими операциями.
В-третьих, следует разработать маршрут (порядок проведения) физико-технической экспертизы.
В-четвертых, необходимо выбрать, уточнить и разработать методики оценки качества ИС на основе использования физико-технического метода. При этом в качестве одной из важных составляющих задач исследования выделена разработка математических моделей оценки точности визуального контроля, не зависящей от свойств контролируемой партии и надежностных характеристик функционально сложных сверхбольших интегральных микросхем на основе суперкристаллов.
Рассмотреть особенности применения статистических методов для оценки качества технологических процессов. Предложить метод статистического контроля технологических процессов изготовления микросхем для партий малого объема при прерывистом производстве.
Основой для проведения исследований служит сбор и обработка данных о причинах отказов ИС в процессе производства и эксплуатации, влияния конструктивно-технических решений, технологических операций, материалов на качество интегральных микросхем.
Вопросам предотвращения отказов ИС и повышения их качества уделяется большое внимание также и за рубежом. Анализ отказов превращается в анализ способов совершенствования конструкции, ИС и процесса производства, то есть в анализ способов предотвращения отказов. Выход годных функционально сложных интегральных микросхем в большинстве производств не высок, что существенно снижает эффективность производства, причем чем сложнее ИС и чем больше площадь кристалла, а значит чем дороже ИС, - тем меньше процент выхода годных. Именно поэтому обеспечение качества на этапах разработки и производства, диагностика в процессе производства, исследование способов предотвращения отказов должны в значительной степени занять место контрольных испытаний в конце производства. Эти методы являются существенным фактором повышения выхода годных ИС, применение их позволяет минимизировать реальную стоимость ИС. Причем высокая стоимость современных ИС делает экономически эффективными затраты на совершенствование процесса производства и внедрение оптимальных методов повышения выхода годных ИС, ориентированных на предотвращение отказов.
Основные задачи диссертационной работы, решались в НИР "Экспертиза", выполненной в 1991-1992 гг., «Осень-1» «Осень-3», «Осень-5» «Осень-7» «Технология-22», «Кластер-М-22» и др., выполненных в 1993-2009 гг., заместителем научного руководителя и ответственным исполнителем которых являлся соискатель. Вопросы, решаемые в диссертации, предусматривают не только предотвращение отказов, повышение качества ИС на этапах разработки и производства, но и разработку методик проведения ускоренных испытаний ИС по результатам физико-технической экспертизы.
Цель диссертационной работы.
Разработка методов обеспечения качества и надежности микросхем на основе определения требований к процессам проектирования и производства; дополнение и обоснование системы отбраковочных испытаний, статистического контроля технологических процессов, ускоренной оценки работоспособности ИС по результатам физико-технической экспертизы элементов конструкции и кристалла, математических моделей оценки точности визуального контроля и надежностных характеристик микросхем на основе суперкристаллов.
Методы исследований.
В работе использованы методы системного анализа, теории вероятностей, математического моделирования, функционально-стоимостного анализа, математической статистики.
Научная новизна работы.
Научная новизна работы включает в себя следующие результаты:
1. Разработаны требования к информационному обеспечению, тестовым структурам, контроля параметров пластин, технологии, оценочных микросхем, библиотеке элементов.
2. Разработаны методики оценки качества микросхем по результатам физико-технической экспертизы.
Методики предусматривают:
контроль качества корпуса и сборочных операций;
контроль качества кристалла.
Приведена интегральная оценка качества физических структур.
3. Определены требования к процессам производства микросхем, включающие требования к комплектующим элементам, технологическому процессу, технологическому и контрольно-измерительному оборудованию.
4. Предложено дополнение и обоснование отбраковочных испытаний и возможность уменьшения планов контроля для функционально-сложных микросхем.
5. Разработан метод ускоренной оценки качества интегральных микросхем, основанный на результатах физико-технической экспертизы. Разработан рациональный алгоритм - маршрут проведения физико-технической экспертизы микросхем, предусматривающий диагностику по внешним выводам, контроль качества корпуса и сборочных операций, контроль качества кристалла.
6. На основе обобщения результатов исследований и анализа отказов микросхем установлены причинно-следственные связи между видами дефектов и механизмами их отказов, используемые при установлении параметров и критериев оценки качества микросхем. Установлены элементы конструкции, параметры и критерии оценки качества микросхем методом физико-технической экспертизы.
7. Разработана математическая модель определения эргономических характеристик оператора при визуальном контроле, не зависящая от свойств контролируемой партии.
8. Разработаны две математические модели расчета надежностных характеристик СБИС на основе суперкристаллов, вероятности выхода годных на этапе производства и вероятности безотказной работы на этапе эксплуатации.
9. Дана оценка возможности и особенностей применения методов статистического контроля и регулирования технологических процессов.
10. Предложен метод статистического контроля и регулирования технологических процессов, основанный на использовании толерантных пределов, позволяющий осуществлять статистический контроль при поставке микросхем малыми партиями и прерывистом производстве.
Практическая значимость
Требования к информационному обеспечению позволяют осуществлять разработку стандартов предприятий по основным процессам разработки микросхем различной функциональной сложности и проектных норм.
Требования к процессам производства позволяют создать стандарты предприятия по основным процессам производства микросхем, в том числе по регламентации требований к технологическому процессу, комплектующим элементам, материалам, технологическому, испытательному и измерительному оборудованию.
Диагностический контроль в системе отбраковочных испытаний партий пластин используется в производстве для выявления потенциально ненадежных микросхем.
Метод оценки качества микросхем по результатам физико-технической экспертизы, алгоритм-маршрут проведения физико-технической экспертизы микросхем позволяет оценивать качество микросхем на всех этапах их жизненного цикла.
Методики физико-технической экспертизы позволяют оценивать качество элементов конструкции, технологии, структур, определить количественные значения параметров.
Причинно-следственные связи между видами дефектов и механизмами отказов используются при установлении системы параметров и критериев оценки качества микросхем, технологических операций, причин возникновения отказов.
Математическая модель определения эргономических характеристик оператора при визуальном контроле позволяет учитывать особенности (субъективные) оператора.
Математическая модель расчета вероятности выхода годных на этапе производства и вероятности безотказной работы на этапе эксплуатации позволяют проводить количественную оценку показателей надежности характеристик СБИС на основе суперкристаллов.
Оценка возможности и особенности применения методов статистического контроля и регулирования технологических процессов и качества микросхем позволяют использовать наиболее рациональные методы в реальных условиях производства.
Разработанный метод статистического контроля и регулирования, основанный на использовании толерантных пределов, позволяет осуществлять контроль и регулирование технологических процессов и качества микросхем в условиях прерывистого производства и малых объемов выпуска.
Теоретические и практические результаты работы использованы при создании отраслевых стандартов и руководящих документов ОСТ В 11 0998, ОСТ 11 0999, ОСТ 11 20.9926, ОСТ В 11 1009, ОСТ В 11 1010, ОСТ 11 14.1011, ОСТ 11 14.1012, ОСТ 11 1000, РД 22.12.174-94.
Достоверность результатов. Достоверность теоретических и экспериментальных результатов, разработанных моделей, подтверждается проверками на адекватность по экспериментальным данным, метрологической поверкой, сравнениями с зарубежными литературными данными, выступлениями и обсуждениями на конференциях и семинарах, ссылками и отзывами в отечественной печати.
Экспериментальные исследования проводились на современном отечественном и зарубежном оборудовании, специально разработанных стендах. Достоверность разработанных методик технологических процессов и установок подтверждается положительными технологическими испытаниями, экспериментальными образцами.
Внедрение результатов работы.
Основные результаты включены в 14 нормативных документов (включая 8 отраслевых стандартов), регламентирующих оценку качества микросхем (ОСТ В 11 0998, ОСТ 11 0999, ОСТ 11 20.9926, ОСТ В 11 1009, ОСТ В 11 1010, ОСТ 11 14.1011, ОСТ 11 14.1012, ОСТ 11 1000, РД 22.12.174-94 и др.) обсуждены на международной научно-технической конференции по информатике «Микроэлектроника и информатика» (Москва, Зеленоград, 1993 г.) и научно-практической конференции «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения» (Москва, 2004 г., 2005 г.).
Требования разработанных стандартов реализованы в стандартах предприятий разработчиков-изготовителей микросхем (ОАО «Ангстрем, ОАО «НИИМЭ и Микрон», г. Зеленоград, ФГУП «НПП «Восток», г. Новосибирск, ФГУП «НИИЭТ», г. Воронеж и других предприятий разрабатывающих и изготавливающих микросхемы.).
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Требования к процессам разработки, информационному обеспечению, тестовым структурам контроля параметров пластин, технологии, оценочным микросхемам, библиотеке стандартных элементов.
Требования к процессам производства и технологическому процессу.
2. Причинно-следственные связи между видами дефектов и механизмами их отказов, используемые при установлении параметров и критериев оценки качества микросхем, элементы конструкции, параметры и критерии оценки качества микросхем методом физико-технической экспертизы.
3. Дополнение системы отбраковочных испытаний пластин и микросхем в процессе производства.
Возможность уменьшения планов контроля при испытаниях микросхем повышенной функциональной сложности.
4. Модель определения эргономических характеристик оператора при визуальном контроле, не зависящая от свойств контролируемой партии.
Математические модели расчета надежностных характеристик СБИС на основе суперкристаллов, вероятности выхода годных на этапе производства и вероятности безотказной работы на этапе эксплуатации.
5. Метод статистического контроля и регулирования технологических процессов, основанный на использовании толерантных пределов, позволяющий осуществить статистический контроль при поставке микросхем малыми партиями и прерывистом производстве.
6. Метод и методики ускоренной оценки качества интегральных микросхем, основанный на результатах физико-технической экспертизы. Рациональный алгоритм-маршрут проведения физико-технической экспертизы микросхем, предусматривающий диагностику по внешним выводам, контроль качества корпуса и сборочных операций, контроль качества кристалла.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались на международных научно-технических конференциях "Микроэлектроника и информатика" и «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения».
Публикации.
Материалы исследований опубликованы в 48 трудах, в числе которых 28 печатных и 20 рукописных: изложены в 20 научно-технических отчетах по НИР и 13 статьях.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы. Объем диссертации 242 страницы машинописного текста. Работа содержит 21 рисунок и 5 таблиц. Список литературы включает 122 наименования.
