Введение к работе
Актуальность темы. Полупроводниковые приборы и интегральные схемы составляют основу элементной базы современной радиоэлектронной аппаратуры (РЭА). Сложность и ответственность задач, выполняемых РЭА в системах управления технологическими процессами, в военной и космической областях, предъявляют повышенные требования к надежности комплектующих элементных средств. Проблема надежности особенно обострилась в середине 70-х годов, когда возникла необходимость в обеспечении интенсивности отказов 10"8-10"10 ч"1 и времени наработки до отказа 5-Ю4 -105 часов.
Можно указать на ряд принципиальных особенностей, характеризующих проблему обеспечения и оценки такого уровня надежности:
отказы ИЭТ будут определяться преимущественно деградационными процессами, связанными с такими явлениями, как диффузия, электромиграция, коррозия, инжекция горячих носителей, дрейф ионов на поверхности и в объеме диэлектрика;
подтверждение интенсивности отказов 10"8-10"10 ч'1 традиционными методами требует проведения испытаний нескольких сотен схем в течение десятков тысяч часов, что с технико-экономической точки зрения является неприемлемым.
В последние годы эта проблема еще более обострилась в связи с рас
ширением выпуска специализированных интегральных схем. Специализиро
ванные ИС характеризуются высокой степенью интеграции и функциональ
ной сложностью, необходимостью быстрого цикла внедрения и относительно
малыми объемами заказов, что не позволяет собрать большую статистиче
скую информацию, которая необходима для прогнозирования надежности
традиционными методами. .
В этих условиях возникла необходимость разработки новых принципов обеспечения качества и надежности и, прежде всего, перехода от традиционного подхода, основанного на испытании на "надежность" к "проектированию заданного уровня надежности". Реализация этой концепции предполагает наличие в распоряжении разработчика целой системы методов априорного анализа конструкций с целью выявления слабых мест, методов экспрессной оценки и учета дефектообразования при проведении технологических операций, системы сбора, хранения и обработки соответствующих данных. Таким образом современная концепция обеспечения надежности базируется на возрастающем объеме исследований надежности на этапе НИР и ОКР. При этом широкое применение для определения надежности изделий должны найти методы имитационного моделирование и методы ускоренных испытаний. Основой ускоренных испытаний является физика отказов, которая определяет виды и механизмы отказов, факторы, стимулирующие дегра-дационные процессы, и позволяет построить соответствующие модели процессов.
?
Важное значение в повышении надежности РЭА имеют методы отбраковки потенциально ненадежных схем. Эти методы базируются на современных автоматизированных средствах контроля с высокими метрологическими характеристиками и используются как на предприятии - производителе элементных средств, так и на входном контроле предприятия - разработчика аппаратуры. Развитие программного обеспечения мини-ЭВМ, в том числе СУБД, создало условия для проектирования иерархических систем входного контроля, обеспечивающих не только измерения параметров, но и сбор, хранение и последующую обработку параметров.
Исследования, направленные на разработку методов математического и физического моделирования, методов экспрессной оценки скорости деградации параметров и структур, на создание автоматизированных систем испытаний, сбора, хранения и обработки информации являются актуальными в настоящее время, так как способствуют реализации нового подхода во взаимоотношениях между потребителем и поставщиком, которые должны быть заложены в основополагающие нормативно-технические документы.
Цель и основные задачи диссертационной работы. Целью работы является развитие физического подхода к проблеме повышения надежности полупроводниковых приборов и ИС и разработка на этой основе предложений по повышению надежности элементной базы РЭА с длительными сроками функционирования.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
систематизация данных по видам и механизмам отказов в компонентах БИС с целью создания баз данных по видам и механизмам отказов и проведения экспертизы конструкций и технологии элементов;
математическое и физическое моделирование деградации электрических параметров систем металлизации, обусловленной явлениями электромиграции и коррозии, разработка методики ускоренных испытаний;
исследование закономерностей электрической релаксации и электрической прочности диэлектрических пленок SiCb, AI2O3, ТІО2 и разработка предложений по методам контроля и выбору перспективных диэлектриков и методов их получения;
проведение комплексных исследований применяемых и перспективных МДП систем с целью выяснения механизмов нестабильности эффективного поверхностного заряда, обусловленной ионными и электронными процессами, и разработка предложений по методам контроля технологического процесса, способам уменьшения нестабильности эффективного поверхностного заряда в системе Бі-ЗіОг-металл;
разработка методики, аппаратных и программных средств для ускоренных испытаний тестовых структур и оценки стабильности технологического процесса, новых конструктивно-технологических решений с позиции надежности;
разработка структуры системы входного контроля и реализация ее на базе современных аппаратных и программных средств;
разработка предложений по методам диагностического контроля и отбраковки потенциально ненадежных схем.
Научная новизна результатов исследования 1. Методами математического и физического моделирования установлены закономерности основных деградационных процессов в системе металлизации, в МДМ и МДП структурах:
на основе термодинамического подхода разработана модель коррозионных отказов в металлизации, получено выражение для времени наработки до отказа (т) и проведен анализ влияния температуры, электрического смещения, относительной влажности на наработку до отказа, обусловленного процессами коррозии. Степень зависимости х от прочностного параметра (ширины проводника) меньше единицы, поэтому период приработки отсутствует и отбраковочные испытания на коррозионную стойкость ухудшают надежность всей партии изделий;
впервые получены экспериментальные данные о закономерностях электрической релаксации в пленках SiC>2, AI2O3, ТЮ2 в диапазоне низких и инфранизких частот и ее связи с технологическими и физическими факторами. Установлено присутствие релаксационных процессов дебаевского типа и процессов с широким набором времен релаксаций в диапазоне 10"5-1О"3 с. Исследованы закономерности деградации электрической прочности , tg5 и є-систем Si-SiCb-MeTami (Al, Mo, NiCr) в процессе высокотемпературного старения и определены критерии качества пленок.
методами математического моделирования проведен анализ переноса ионов в МДМ и МДП структурах для общего случая присутствия в диэлектрике двух типов зарядов- подвижного и неподвижного. Показана возможность появления двух максимумов на кривых ДВАХ при локализации отрицательного фиксированного заряда в достаточно узкой области.
впервые экспериментально подтверждено влияние адсорбционно - де-сорбционных процессов на внешней границе МДП структур в присутствии каталитически активных центров на величину и стабильность эффективного поверхностного заряда в системах Si-SiC^-Al, Si-SKVSisNrAl, Si-Si02-Si3N4- поли Si;
проведен анализ параметрических отказов, обусловленных поверхностной миграцией ионов. Получено приближенное аналитическое решение задачи распределения потенциала вдоль поверхности диэлектрика в общем случае присутствия исходного и индуцированного зарядов. Разработана модель комплексного влияния температуры и относительной влажности на отказы , обусловленные образованием инверсионных каналов. Разработан метод оценки параметров поверхностной миграции ( концентрация и подвижность протонов);
установлены закономерности деградации напряжения плоских зон и порогового напряжения в МДП структурах Si-Si02-Al, Si-Si02- nSi (As, P), Si-Si02-Ti02- металл (A1,V,W.), Si-Si02-Si3N4-Al, Зі-БіОг-Біз^-полиБі, Si-Si02-A1203-A1, Si-Si02-MoSi2,-Si-Si02- iKMmSi-MoSi2;
-
Разработана методика определения параметров диэлектрика (Nbat), определяющих изменение напряжения плоских Vfb = f(t) при инжекции горячих носителей. Разработаны алгоритм и программа оптимизации функции 2N переменных, аппроксимирующей изменение напряжения плоских зон. Алгоритм реализует поиск глобального минимума для функции многих переменных, имеющей локальные минимумы.
-
Обоснована возможность диагностического контроля потенциально ненадежных ИС на основе оценки коэффициентов влияния внешних воздействий ( температура, питающее напряжение, уровни входных сигналов, нагрузочные токи), получаемых в условиях многофакторного эксперимента;
-
Разработана структура аппаратно-программных средств автоматизированной системы входного и неразрушающего диагностического контроля .
Практическая значимость Результаты исследований решают проблему снижения интенсивности отказов і обусловленных деградационными процессами в системе металлизации, в МДМ и МДП структурах и способствуют повышению надежности элементной базы.
1. Разработаны и внедрены:
методика оценки показателей надежности алюминиевой металлизации относительно элекгромиграционных отказов;
методика пересчета результатов ускоренных испытаний алюминиевой металлизации на коррозионную стойкость на нормальный режим работы;
методика оценки параметров поверхностной проводимости диэлектрического слоя структуры диэлектрик-проводник;
программы расчета параметров МДП структур - напряжения плоских зон, величины поверхностного заряда, плотности поверхностных состояний, концентрации и профиля распределения примесей для системы контроля технологического процесса на базе тестера Т4503 и ЭВМ "Электроника 100-25";
программа расчета параметров статической модели КМОП инвертора с учетом влияния инжекции горячих носителей на деградацию порогового напряжения;
тестовые структуры для контроля различных этапов технологического процесса производства КМОП БИС с целью обеспечения требуемого уровня качества и надежности.
2. Усовершенствованы методики и разработаны установки для контроля
параметров МДП структур и ИС, в том числе:
установка контроля электрической прочности методом самозалечивающихся микропробоев;
установка контроля стабильности поверхностного заряда в МДП системах методом динамических вольт-амперных характеристик;
автоматизированный комплекс для измерения параметров МДП систем и обработки результатов измерений на базе ЭВМ "Электроника-60";
испытательный комплекс для исследования надежности ИС, включающий тестер Т4503, ЭВМ "Электроника-60" и "Электроника 100-25", универсальный испытательный стенд "УНТИС-1".
3. Выработаны рекомендации по оптимизации базового технологическо
го процесса создания подзатворного диэлектрика МДП БИС и мощных МОП
транзисторов в научно-исследовательском институте электронной техники
(НИИЭТ, г. Воронеж) и на Воронежском заводе полупроводниковых прибо
ров.
4. Разработаны и внедрены на ряде предприятий MOM и МПСС:
критерии-рекомендации для экспертной оценки элементных средств
высоконадежной РЭА;
программные средства управления тестерами Т4503, УТ1, ДК675;
программные средства двухуровневой системы входного контроля элементных средств высоконадежной РЭА;
программные средства научно-технической системы наблюдений и диагностики высоконадежной технологической линии;
методика диагностического контроля ИС, основанная на использовании многофакторных испытаний.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту 1. Результаты физического и математического моделирования деграда-ционных процессов в системе металлизации ИС:
модель коррозионного разрушения металлизации и рассчитанные на ее основе значения коэффициентов ускорения по отношению к относительной влажности, температуре, напряжению;
вывод об отсутствии периода приработки при испытаниях на устойчивость к коррозии при установленном характере зависимости времени наработки до отказа от прочностного параметра ( т~х ш, где т<1) , что исключает возможность отбраковки потенциально ненадежных схем и приводит к снижению надежности всей партии изделий;
методику проведения и обработки результатов ускоренных испытаний на устойчивость к электромиграции;
методику расчета показателей надежности металлизации, учитывающую структурные характеристики пленки, конструктивно-технологические параметры, статистический характер распределения дефектов в пленке.
-
Закономерности диэлектрической релаксации в пленках Si02, AI2O3, Ті02 в диапазоне частот 10 "'-Ю4 Гц и их связь с технологическими и физическими факторами; обоснование возможности использования дисперсионных характеристик е= f (со), tgS = f (со), наряду с характеристиками микропробоев и динамическими ВАХ, для оценки качества диэлектрических пленок.
-
Результаты физического и математического моделирования деграда-ционных процессов в МДМ и МДП структурах, обусловленных электронными и ионными процессами:
результаты численного моделирования миграции подвижного заряда в МДП структурах с блокирующими электродами для общего случая присутствия подвижного и произвольно распределенного фиксированного заряда, в том числе возможность появления двух максимумов на ДВАХ при локализации фиксированного заряда в достаточно узкой области;
прямые экспериментальные доказательства влияния адсорбционно-десорбционных процессов на верхней границе МДП структур на величину и кинетику миграции подвижного заряда;
приближенное аналитическое решение задачи о распределении потенциала при поверхностной миграции для общего случая произвольного соотношения между исходным и индуцированным зарядами;
расчет времени наработки до отказа, обусловленного образованием инверсионного слоя, и коэффициентов ускорения для различных уровней относительной влажности, напряжения и температуры.
-
Теоретическое и экспериментальное обоснование возможности повышения стабильности порогового напряжения в МДП транзисторах с двухслойным диэлектриком (системы З^ЗЮг^з^-металл, Si-SiCyAljCyMeraiui, Si-Si02-Ti02-MeTami), в результате уменьшения подвижности ионов во втором диэлектрике и снижения термодинамической активности внешней границы.
-
Комплекс методических, аппаратных и программных средств для измерения C-V характеристик МДП структур и расчета на их основе электрофизических параметров границы раздела Si-Si02; результаты исследований влияния физической структуры МДП системы и технологических факторов на величину и стабильность эффективного поверхностного заряда в системах Si-Si02- Si(As,P), Si- БіСуполи Si-MoSi2 и полученные на их основе рекомендации по оптимизации базового технологического процесса получения подза-творного диэлектрика.
-
Методика диагностирования потенциально-ненадежных схем на основе оценки коэффициентов влияния внешних факторов и программные средства для подсистемы ИС, реализующие эту методику в автоматическом режиме.
-
Комплекс аппаратных и программных средств, реализующих задачу контроля и диагностики дискретных компонент, ИС и БИС, накопление, хра-
нение и обработку данных по отказам в процессе производства и эксплуатации РЭА.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях, совещаниях, семинарах: IV Всесоюзном совещании по электронным процессам на поверхности полупроводников (Киев, 1971); Всесоюзной научной конференции "Основные задачи микроэлектроники и области ее применения" (Москва, 1972); VI Всесоюзной научной конференции по механизмам релаксационных явлений в твердых телах (Каунас, 1973); Всесоюзной конференции "Физика диэлектриков и перспективы ее развития" (Ленинград, 1973); Второй межотраслевой научной конференции "Тонкие пленки в интегральных схемах и ионные методы создания пленочных структур" (Киев,1976); Всесоюзном научно-техническом семинаре "Пути повышения стабильности, надежности микроэлементов и микросхем" (Рязань, 1976,1981,1984); VI Всесоюзном совещании по физике поверхностных явлений в полупроводниках (Киев,1977); Ш Республиканской конференции молодых ученых "Вопросы микроэлектроники и физика полупроводниковых приборов" (Тбилиси,1977); III Всесоюзной конференции по микроэлектронике (Москва, 1978); Всесоюзной научно-технической конференции "Физика диэлектриков и новые области их применения" (Караганда,1978); Всесоюзном научно-техническом совещании "Пути повышения стабильности, качества и надежности цифровых измерительных приборов на микроэлектронной базе" (Краснодар,1977); Всесоюзной научно-технической конференции "Применение интегральных микросхем, микропроцессоров, микроЭВМ и микроэлектронной технологии в приборостроении" (Орел, 1979); VII Всесоюзной конференции "Механизмы релаксационных явлений в твердых телах" (Воронеж,1980); Всесоюзной научной конференции "Физика диэлектриков" (Баку,1982); Первой Всесоюзной конференции "Физические основы надежности и деградации полупроводниковых приборов" (Кишинев,1982); Всесоюзной научно-технической конференции "Теория и практика конструирования и обеспечения надежности и качества электронной аппаратуры и приборов" (Воронеж,1984); II и III Всесоюзном совещании по "Физике отказов" (Москва,1979, Суздаль,1984); II Всесоюзной конференции "Структура и электронные свойства границ зерен в металлах и полупроводниках" (Воронеж,1987); Всесоюзной конференции "Методы и средства диагностирования изделий электронной техники" (Москва, 1989); Международной научно-технической конференции "Физические аспекты надежности, методы и средства диагностированіи интегральных схем" (Воронеж, 1993); Межвузовской научно-технической конференции "Микроэлектроника и информатика" (Москва, МИЭТ, 1997,1998).
Реализация результатов работы. Результаты исследований систем металлизации, МДМ и МДП систем были использованы для оптимизации кон-
структорско-технологических решений в процессе разработки БИС процессора цифровой обработки сигналов в НИИ электронной техники (г. Воронеж).
Комплекс аппаратных и программных средств для контроля параметров МДП структур внедрен на заводе полупроводниковых приборов (г. Воронеж) при контроле качества подзатворного диэлектрика в технологии мощных МДП транзисторов и МОП БИС (К1830ВЕ51, К1830ВЕ31).
Программные средства подсистем контроля параметров дискретных компонент, ИС внедрены на предприятиях п/я А 3759, п/я В-2793. Концепция входного контроля, комплекс программных средств автоматизированной системы входного контроля дискретных компонент, ИС, БИС и методы диагностики внедрены на предприятии Г4149.
На основе программных средств разработана и внедрена система научно-технических наблюдений (НИИЭТ г. Москва):
Общий экономический эффект от внедрения результатов исследований составил более 1,3 миллиона рублей (в ценах 1990 года).
Материалы диссертации, связанные с разработкой автоматизированной системы входного контроля, получены при выполнении комплексной программы "Разработка и внедрение в производство комплекса аппаратуры для нераз-рушающего диагностического контроля качества компонентов радиоэлектронной техники", удостоенной премии Совета Министров СССР за 1987 год.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 60 печатных работ в центральных и отраслевых научно-технических журналах и сборниках.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка литературы из 406 названий и приложений, подтверждающих практическое использование и эффективность научно-технических разработок.
