Дефекты ИМС
При изготовлении интегральных схем очень важным является контроль технологических процессов. Хорошо организованный контроль обеспечивает высокий прицент выхода годной продукции. Успешный контроль изготовления интегральных микросхем в основном зависит от знания процесса производства и заключается в измерении и визуальной проверке основных операций технологического процесса, а также в использовании полученой информации для корректирования технологических режимов. Методы технологического контроля, используемые в производстве ИМС, можно объединить в три группы : пооперационный контроль, визуальный контроль, тестовые ИМС.
Качество есть свойство изделия выполнять свое назначение с запасом возможностей. Понятие качества относится к полному периоду предусмотренного использования (срока службы). Выделим начальный момент, который характеризует состояние продукции сразу после выпуска партии из производства (выход годных изделий). Остальная часть периода использования зависит от скрытых дефектов, т. е. от надежности изделий. Надежность есть свойство изделия выполнять заданные функции, сохраняя эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени.
Многолетний опыт промышленного изготовления ИМС показывает, что 85 % брака (Отказов) из общего числа бракованных ИМС и БИС обусловлены случайными дефектами, а 15 % - грубыми дефектами, связанными с ошибками производства. Поэтому Теоретическую основу прогнозирования процента выхода годных ИМС составляют статистические модели возникающих в процессе производства ИМС случайных отказов и характер распределения дефектов, обусловливающих отказы ИМС по функционированию.
ИС относят к неремонтируемым изделиям. В редких случаях некоторые сложные и дорогие БГИС можно рассматривать как ремонтируемые в производственных условиях, но это является исключением. Надежность неремонтируемых изделий слагается из безотказности, долговечности и сохраняемости.
Безотказность ИС есть свойство сохранять работоспособность в течение требуемого времени без такого ухудшения параметров, при котором ее функции полностью или частично нарушаются.
Долговечность ИС есть свойство сохранять работоспособность до предельного состояния, определяемого невозможностью дальнейшей эксплуатации. Сохраняемость ИС есть свойство сохранять свои эксплуатационные показатели после срока хранения и транспортировки, установленного в ТУ.
Отказ есть ухудшение параметров ИС, при котором ее функции полностью или частично нарушаются. Количество отказавших ИС в партии существенно меняется только в начале и в конце периода их существования как это следует из классической седловидной кривой надежности. Отказы бывают внезапные (катастрофические) и постепенные. При внезапном отказе технический параметр скачком, неожиданно выходит за пределы допуска. При постепенном отказе параметр приближается к границам допуска и уходит за пределы относительно медленно.
Дефект есть любое отклонение в ИС от требований технических условий. Дефект может быть причиной отказа в будущем, но может и не быть (например, царапины на корпусе и т. д.). Дефекты различают как явные, так и скрытые (проявляемые со временем). Явные дефекты определяют выход годных изделий, скрытые – будущую надежность по трем ее составляющим (безотказности, долговечности и сохраняемости).
Условно дефекты в зависимости от размеров и возможности обнаружения их в производственных условиях, можно подразделить на грубые, или макроскопические, и мелкие, или микроскопические, которые часто еще называют случайными. Конструктивные элементы, полупроводниковые структуры и готовые структуры, содержащие грубые дефекты, в результате межоперационного и выходного контроля удаляются из дальнейшего технологического процесса и из партии готовых приборов как технологический брак. При этом степень "чистоты" готовых приборов от грубых дефектов определяется отлаженностью и стабильностью технологического процесса и чувствительностью контрольного оборудования а также его способностью либо непосредственно наблюдать грубые дефекты, либо давать возможность объективно судить об их наличии или отсутствии по косвенным признакам, связанным с электрофизическими параметрами конструктивных элементов, полупроводниковых структур и готовых приборов.
Перечислим основные дефекты, приводящие к короткому замыканию в результате теплоэлектрического пробоя:
плохое (неполное) соединение кристалла с корпусом;
неравномерное распределение тока в структуре. Сравнительно редко короткие замыкания возникают в результате случайного попадания внутрь корпуса ППП токопроводящих частиц. Замыкания электродов структуры с кристаллом возникают иногда из-за провисания внутренних проводников вследствие их избыточной длины.
Основными механизмами обрывов в цепях электродов ППП являются следующие:
механические разрушения соединений кристалла с корпусом или сварных соединений внутренних проводников с другими элементами конструкций при воздействии вибрации, ударов, больших линейных ускорений;
химические и электрохимические разрушения соединений и металлических пленок;
рост интерметаллической базы в местах соединения разных металлов и “расслоение” структуры. Специфические обрывы возникают иногда вследствие значительных напряжений в проводниках прибора, залитых пластмассой. Температурные коэффициенты линейного расширения металла проводника и пластмассы различны, из-за чего при больших изменениях температуры на Т в проводнике возникает достаточное напряжение.
Часто обрывы по этой причине оказываются перемежающимися и проявляются вблизи некоторой критической температуры.
В планарных ППП обрывы могут возникать из-за дефектов алюминиевой металлизации токопроводящих дорожек и контактных площадок.
Основными механизмами отказов при изменении и нестабильности характеристик ППП являются генерация и перемещение электрических зарядов на поверхности кристалла ППП, что ведет к изменению концентрации подвижных носителей рекомбинации. Некоторые причины появления и движения поверхностных зарядов следующие:
появление ионов на поверхности кристалла. Зависит от способа обработки кристалла, влажности и свойств окружающей среды. Общим свойством зарядов этого типа является их предрасположенность к “расползанию” по поверхности, а скорость расползания зависит от значения поверхностного сопротивления и удельной емкости диэлектрического слоя относительно полупроводника. Само поверхностное сопротивление сильно зависит от температуры и влажности и время расползания рядов уменьшается с ростом температуры и влажности
появление заряда, образованного ионами внутри пленки окисла. Как правило, даже при тщательно разработанном техпроцессе, всегда имеются положительные ионы натрия, которые перемещаются при высоких температурах (100-200 о С) и наличии притягивающего электрического поля к границе кремний-окисел. Для защиты от перемещения ионов натрия, в окисле создают тонкую пленку фосфорно-силикатного стекла (SiO 2 *P 2 O 5 ), которая захватывает эти ионы. Кроме ионов натрия внутри пленки окисла могут перемещаться и ионы других элементов (так, ионы золота создают отрицательный заряд). Надо отметить, что при перемещении ионов имеет значение направление поля, поэтому при перемене направления поля ионы двигаются в противоположную сторону, поэтому этот процесс считается обратимым;
появления заряда, образованного избыточными атомами кремния в окисле около границы с кристаллом. Из-за того, что атомы кремния находятся в избытке при механизме образования окисла кремния, образуется положительный заряд, созданный оставшимися атомами кремния. При нормальной температуре этот заряд практически неподвижен, при очень высокой температуре и наличии сильного поля этот заряд перемещается в направлении к внешней поверхности окисла пленки (SiO 2 );
появление заряда, образованного е, находящимися на поверхностных уровнях. При обрыве кристаллической решетки на границе появляются атомы полупроводника с нарушенными электронными связями, т. е. е занимают энергетические (поверхностные) состояния, лежащие внутри запрещенной зоны энергий для данного полупроводника. Из-за этого е с такой энергией не могут проникать в глубь кристалла и остаются только вблизи поверхности. При заполнении и освобождении соответствующих энергетических состояний носители заряда - е и дырками возникают и исчезают поверхностные заряды. Чем дальше от полупроводника локализован поверхностный энергетический уровень, тем больше время его заполнения или освобождения. Этот процесс вызывает, с одной стороны, низкочастотный (НЧ) шум и является причиной нестабильности основных параметров ППП;
появление и образование каналов проводимости вдоль поверхности кристалла. Этот процесс, как правило, приводит к изменению коэффициента усиления в биполярных транзисторах и изменению многих характеристик полевых транзисторов (ток инжекции и “паразитного” перехода снижает эффективность эмиттера дополнительный обратный ток или ток через канал уменьшает усиление и крутизну транзисторов в режиме малых токов)
Каждый из дефектов или несовершенств вносит свой вклад в деградационные процессы, происходящие в приборе, которые в итоге приводят к изменению его выходных электрофизических параметров. При этом возможны благоприятные и неблагоприятные сочетания несовершенств и дефектов. В первом случае деградационные процессы протекают медленно и изменения электрофизических параметров приборов незначительны. Во втором случае в составе дефектов могут быть значительные несовершенства, причем сочетание их таково, что происходит усиление эффектов воздействия отдельных дефектов на деградационныe процессы. Итогом неблагоприятного сочетания дефектов и несовершенств является быстрая деградация параметров приборов.
На процесс взаимодействия между собой несовершенств прибора, накладывается процесс возникновения в нем дефектов и несовершенств в период эксплуатации и в результате старения конструкционных материалов (происходит усугубление ранее существующих дефектов и несовершенств). Внешние воздействия, в особенности тепловые и электрические нагрузки, ускоряют взаимодействие и генерацию дефектов. В итоге все эти процессы приводят к отказу приборов.
При выходе прибора из строя, необходимо выяснить причину отказа, т. e. определить обстоятельства, возникшие за время разработки, изготовления изделия и его эксплуатации и вызвавшие этот отказ. Вид отказа — форма, через которую проявляется неисправная работа прибора. Этим событием может быть, например, потеря усилительных свойств, короткое замыкание или обрыв. В ряде случаев вид отказа без исследования внутренней структуры прибора определить невозможно. В данном случае мы имеем место с так называемым функциональным отказом.
Существуют два направления в физике отказов:
1) физико-статистическое моделирование и на основе этих моделей прогнозирование (количественное);
2) анализ отказов и их идентификация (качественное).
Второе направление совпадает с межоперационным и выходным контролем, когда выявляется большое количество макродефектов и возможна их идентификация.
При производстве полупроводниковых приборов и ИМС применяют разнообразные методы контроля. Предпочтение при этом отдается неразрушающим методам контроля, которые, не изменяя качества, параметров и характеристик изделия, позволяют по косвенным, вторичным или непосредственным признакам обнаружить дефекты, провести анализ качества изготовляемых ИМС и их элементов. Неразрушающий контроль по сравнению с другими видами контроля обладает целым рядом преимуществ: во-первых, позволяет исследовать изделие в процессе разработки, производства и эксплуатации; во-вторых, может вводится в технологические процессы производства. Применение комплекса физико-химических средств неразрушающего контроля может на порядка уменьшить интенсивность отказов ИМС, исключить в ряде случаев разрушающие виды контроля.
Основные порталы (построено редакторами)