Введение к работе
Актуальность темы.
В последнее время автоматизация технологического контроля изделий микроэлектроники приобрела большую актуальность. Это связано с задачей обеспечения надежности радиоэлектронной аппаратуры (РЭА). Увеличение надежности влечет за собой снижение -затрат на создание и эксплуатацию РЭА как за счет удешевления аппаратуры (отмена или уменьшение степени резервирования узлов и блоков), так и за. счет упрощения ремонта и технического обслуживания. С ростом надежности появляются возможности решать некоторые задачи принципиально по-новому, значительно снижая общие затраты - примером этому могут служить ЭВМ, системы космической связи, гибкие автоматизированные производства и т.д.
Повышение надежности всего комплекса РЭА является следствием возрастания надежности ее компонентов, начиная с печатных плат, корпусов и кончая электронными приборами. В повышении надежности электронных приборов наряду с повышением уровня технологии, качества материалов и т.д. играет важную роль достоверный технологический контроль изделий.
Технологический контроль изделий микроэлектроники решает две глобальные задачи, соответственно разными способами и средствами. Первая задача - отбраковка неисправных изделий. Этот так называемый линейный контроль производится при помощи специальных электронных устройств - логических анализаторов (тестеров). Для каждой микросхемы разрабатывается специальный набор тестовых сигналов (тестовая последовательность), таких, чтобы неисправность в ее каком-либо функциональном узле отразилась бы на выходных сигналах. При невысокой сложности схемы (до нескольких сотен вентилей) этим методом можно было приблизительно определить, в каком месте схемы находится дефект, вызвавший ошибку, однако для современной схемы, содержащей несколько сот тысяч вентилей, этим методом можно лишь установить факт потери работоспособности.
Задача локализации места отказа и, что особенно важно, выяснения причин отказа и причин возникновения дефекта, его вызвавшего, особенно актуальна в связи с увеличением размера кристаллов микросхем и уменьшением числа изделий в серии, так
- г -
как оперативное решение этих вопросов позволяет уменьшить процент бракованных кристаллов на максимально ранних этапах, а это повышает надежность изделий, улучшает процент выхода годных и увеличивает рентабельность производства.
Для решения этой задачи применяются так называемые аналитические методы. Наиболее перспективными аналитическими методами являются неразрушающие методы исследования, такие, как оптическая и инфракрасная микроскопия, растровая электронная микроскопия (РЭМ), растровая лазерная акустическая микроскопия (РЛАМ) и т.д. Наиболее универсальной и широко распространенной является РЭМ, так как обладает рядом важных преимуществ: неразрушапцим характером исследования, высоким разрешением, наличием различных режимов работы для контроля различных видов неисправностей. Так, . например, режим вторичных электронов позволяет контролировать дефекты металлизации, повреждения защитного поверхностного слоя, режим потенциального контраста позволяет регистрировать распределение электрических потенциалов на микросхеме, режим наведенного тока позволяет наблюдать подповерхностные слои и контролировать р-п переходы и т.д. Режим потенциального контраста в сочетании со стробоскопическим методом формирования изображения, когда период формирования изображения кратен периоду. тактовых импульсов на исследуемой схеме, РЭМ позволяет получать серию "мгновенных" изображений потенциалов, что позволяет наблюдать динамику работы схемы, распространение электрических сигналов по цепям.
Однако современные микросхемы имеют линейный размер кристалла порядка I см, а характерный линейный размер элементов топологии - порядка нескольких микронов, поэтому требуемое разрешение позволяет формировать изображение лишь небольшого участка (при ширине проводника I мкм разрешение должно быть не ниже 0.1 мкм, тогда размер просматриваемого участка не более 100x100 мкм). Чтобы просмотреть всю площадь кристалла порядка I см2, потребуется просмотреть около ста тысяч таких участков. При использовании нескольких режимов работы, особенно в сочетании с стробоскопическим методом формирования изображений, только на локализацию дефекта может уйти несколько дней, даже недель. Необходимо также учитывать, что при просмотре множества однообразных изображений оператор может просто пропустить дефектное, что делает процедуру контроля недостоверной.
Для повышения достоверности аналитического контроля требуется применять автоматизированные методы поиска дефектов, которые могли бы гарантированно обнаруживать дефекты заданного размера и классифицировать их. Разработка и применение таких автоматизированных процедур контроля позволит снять с оператора рутинную часть работы, в первую очередь процедуру локализации дефекта, и повысить оперативность, достоверность и точность самого аналитического метода.
Цель работы.
Целью работы является разработка автоматизированных методов, алгоритмов и программного обеспечения для локализации дефектов и определения их типов по РЭМ-изображениям исследуемой микросхемы в режимах потенциального контраста и вторичных электронов, основанных на теории распознавания образов. На основе единого подхода к задаче выбора признаков, изложенного в диссертации, осуществлена постановка и решение задач обнаружения дефектов, вызывающих изменение логического состояния схемы, мелких массовых дефектов защитного слоя, приводящих в процессе работы к разрушениям металлизированных пленок, и задачи контроля металлизации на всех технологических этапах.
Научная новизна.
В диссертации получил дальнейшее развитие и практическое применение подход к распознаванию изображений, основанный на автоматическом выделении признаков изображений. Для каждого класса ставится задача на основе анализа априори заданной обучающей выборки изображений найти систему признаков, характерных только для одного конкретного класса изображений. Найденная система признаков должна удовлетворять следующим условиям: описывать с заранее заданной точностью изображения своего класса, с априори заданным порогом "плохо" описывать изображения другого класса и иметь минимальную размерность. Такая постановка задачи распознавания, в отличие от ранее известных, позволяет одновременно обеспечить заданные точность описания изображений своего класса и надежность их распознавания.
В задаче контроля логических состояний предложен метод выделения признаков как аппроксимация изображения ортогональной системой элементов, обладающей свойством: погрешность аппроксимации изображений своего класса не выше априори
задаваемого порога 01, погрешность аппроксимации изображений из других классов не ниже порога б~, причем б1 <;б2. Рассматривается два случая: априорное задание ортонормированной системы, тогда задача сводится к выбору коэффициентов разложения, и задание вида элементов системы, тогда задача сводится к поиску оптимальной системы и коэффициентов разложения.
В задаче контроля мелких массовых дефектов предложена аппроксимация не самого изображения, а его спектральной функции. Это связано с тем, что наличие дефектов такого типа вносит определенные' изменения в его корреляционную функцию. Используется тот факт, что изображения такого класса представляются реализациями случайного стационарного процесса. Предложено аппроксимировать исходный процесс другим, стационарно с ним связанным, так, чтобы погрешность аппроксимации своего класса изображений была не хуже априорного порога ., в то время как аппроксимация изображений, содержащих дефекты, была не лучше чем С2, причем S1 4&0- в качестве меры близости используется среднеквадратическое расстояние между изображениями и между спектральными функциями.
Для решения задачи контроля металлизации предложен синтаксический подход. Для границ проводников найдены правила их описания, позволяющие проверять и сравнивать описания границ проводников правильного участка и тестируемого участка микросхемы.
Апробация.
Основные результаты диссертации докладывались на Третьей всесоюзной конференции "Математические методы распознавания образов" (MMP0-III) (г. Львов, ноябрь 1987г.), на IV Всесоюзном симпозиуме по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел (г. Звенигород, апрель 1989г), на IV Всесоюзном симпозиуме по вычислительной томографии (г. Новосибирск, 1989г), на научных семинарах факультета вычислительной математики и кибернетики Московского государственного университета.
Практическое применение.
В Московском НИИ приборостроения разработан макет электронно - лучевого тестера, в котором применяется пакет программ для обнаружения и распознавания дефектов, разработанный автором (акт о внедрении прилагается). В настоящее время ШИП
совместно с Московским научно-исследовательским радиотехническим институтом ведут работу по созданию опытного образца серийного изделия - электронно-зондового комплекса для тестирования и отладки монолитных и гибридных интегральных схем, в том числе частного применения. Автор руководит разработкой-математического и программного обеспечения комплекса.- Структурная схема ОКР-образца и структура ПО приведена в диссертации.
Публикации.
Основные результаты диссертации опубликованы в работах [1-9].
Структура и объем работы.
диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и содержит 141 страницу, в том числе 20 рисунков. Список литературы содержит 131 наименование.
