Обеспечение и ускоренная оценка качества микросхем по результатам физико-технической экспертизы

По характерным признакам и параметрам состояния, а также по показателям развития деградационных процессов, ряд методов позволяет определить виды и причины возникновения дефектов, приводящих к отказам ИС.

В ИС возможны дефекты элементов конструкции и кристалла, которые не выявляются при контроле параметров по ТУ и дополнительных. Для выявления ИС с такими дефектами предложено проводить оценку качества методом физико-технической экспертизы.

Комплексная физико-техническая экспертиза ИС заключается в системной оценке качества их проектирования и изготовления физико-техническим методом.

Цель экспертизы состоит в выявлении физического состояния ИС, скрытых дефектов и предпосылок к отказам.

Микросхемы характеризуются большим числом элементов конструкции и кристалла, параметров и критериев. Контроль качества по всем параметрам достаточно трудоемкий, длительный и дорогой. Необходимо найти определяющие параметры-критерии годности, по которым и следует проводить оценку качества ИС.

Выявление критичных и определяющих параметров предложено осуществлять на основе использования причинно-следственных связей между видами дефектов, характером их проявления и причинами отказов ИС.

Важным вопросом является правильное установление норм на параметры.

Основываясь на экспериментальных исследованиях по установлению причинно-следственных связей, определены элементы конструкции и кристалла, параметры и критерии, нормы на них для оценки качества ИС.

Физико-техническая экспертиза при контроле корпуса и сбо­рочных операций включает контроль:

герметичности, состава среды, содержания паров воды и проводимос­ти, коррозионной стойкости металлизации;

качества сварных соединений, покрытия, тестовых характеристик, качества металлизации.

При контроле качества кристалла осуществляется: проверка совмещения слоев;

контроль термостабильности диэлектрика;

оценка состава и дефектности диэлектрика;

контроль элементного состава, стабильность металлизации и элект­ромиграции, времени жизни неосновных носителей заряда, распреде­ления потенциалов.

При анализе результатов физико-технической экспертизы можно использовать метод статистического выборочного контроля, как наиболее точного при контроле по количественному признаку, Существуют выражения для расчета необходимого объёма выборки (z) по заданным рискам поставщика и заказчика, допустимым и недопустимым долям дефектных изделий в принятой партии.

Одним из главных факторов, определяющих эффективность ФТЭ, является разработка рационального маршрута проведения экспертизы.

Для выбора рационального маршрута Мопт предлагается использовать критерии:

, (4.1)

где z - число ИС, используемых для проведения ФТЭ;

F(Mi) - функция эффективности i-го маршрута ФТЭ;

Pд, i - статистическая вероятность обнаружения скрытых дефектов при реализации i-го маршрута ФТЭ;

Е - множество методов, которые могут быть применены для ФТЭ

заданного типа СБИС:

Мi Е - вектор, характеризующий i-ый маршрут ФТЭ.

, (4.2)

где nд,j - среднестатистическое нормированное число обнаруженных скрытых дефектов при использовании на данном предприятии j-го метода ФТЭ (отношение числа обнаруженных дефектов к общему числу СБИС, прошедших ФТЭ).

Применение критерия (4.1) возможно при наличии достаточного количества статистических данных по применению метода ФТЭ. Реализация указанного критерия предполагает выполнение последовательно трех принципов формирования маршрута ФТЭ:

1. Включение в маршрут методов, наиболее информативных для данного типа ИС.

2. Приоритетность активных методов исследований над пассивными с целью выявления наибольшего количества скрытых дефектов.

3. Приоритетность неразрушающих методов испытаний над разрушающими с целью минимизации числа ИС, требуемых для проведения ФТЭ.

Разработанный маршрут проведения физико-технической экспертизы, предусматривает диагностику по внешним выводам, контроль качества корпуса и сборочных операций, контроль качества кристалла.

Сокращённый маршрут физико-технической экспертизы приведён в таблице 1. Полная схема маршрута приведена в диссертации.

Предложена методика комплексной физико-технической экспертизы микросхем, заключающаяся в системной оценке качества их проектирования и изготовления методом физико-технической экспертизы, оперативном определении физического состояния ИС на всех стадиях их жизненного цикла, включая этапы приемки НИОКР.

Предложен порядок проведения физико-технической эксперти­зы. Приведена процедура контроля статических, динамических и до­полнительных параметров, диагностики по элементам и структурам, контроля качества кристалла.

При оценке качества СБИС методом физико-технической экспертизы, целесообразно определить такие показатели конструктивно-технологического уровня микросхем, как выход годных на этапе производства и вероятность безотказной работы на этапе эксплуатации.

В работе предложено для оценки этих характеристик СБИС на основе суперкристалла, представить микросхему в виде системы резервирования различного типа (с горячим и скользящим холодным резервом). В результате получены математические модели оценки вероятности выхода годных суперкристаллов с архитектурой «Однородная вычислительная среда» (ОВС) этапе производства:

(4.3)

где – плотность дефектов на поверхности суперкристаллов;

nT – количество транзисторов в одном процессорном элементе;

Sn – площадь одного транзистора;

Nc – число строк в суперкристалле;

Mc – число основных процессорных элементов (ПЭ) в строке;

m – число резервных ПЭ в строке.

Аналогично получена модель расчета вероятности безотказной работы суперкристалла на этапе эксплуатации:

(4.4)

где

m" – число резервных ПЭ в строке, оставшихся незадействованными на этапе производства;

P1 – вероятность безотказной работы одного ПЭ;

Pпр – вероятность подключения резервного ПЭ;

С – число сочетаний.

В результате исследований показано, что введение резервных процессорных элементов позволяет существенно увеличить его выход годных. При этом предложенный вариант группового резервирования с этой точки зрения является наиболее эффективным. Определено, что при такой системе резервирования возможно получение вероятности безотказной работы суперкристалла превышающей величину вероятности безотказной работы процессорных элементов, входящих в его состав.

Пятая глава посвящена систематизации и разработке методик физико-технической экспертизы и использование ранее разработанных методик для оценки качества и надежности микросхем.

1. Методики диагностики микросхем по внешним параметрам.

Оценка стойкости микросхем к электрическим перегрузкам, анализ причин снижения электрической прочности микросхем и возникновения отказов, связанных с пробоями и утечками.

2. Методики контроля качества корпуса и сборочных операций:

- контроль газового состава подкорпусного объема микросхем с использованием масс-спектрометра;

- методика контроля элементного состава тонких диэлектрических и металлических слоев микросхем и качества золотого покрытия элементов корпуса;

- контроль теплового сопротивления микросхем;

- методика оценки стойкости алюминиевой металлизации микросхем к коррозии;

- методика контроля поверхностных и подповерхностных дефектов с помощью акустического микроскопа.

3. Методики контроля качества кристалла:

- методика оценки качества физической структуры микросхем с помощью параметрического тестового контроля;

- методика контроля толщины полупроводниковых и диэлектрических слоев с помощью микроспетрофотометра-толщинометра;

- методика контроля пористости защитного диэлектрика на микросхеме;

- методика контроля распределения потенциалов;

- методика контроля термостабильности подзатворного диэлектрика в металл-диэлектрик-полупроводник (МДП) структурах;

- методика контроля линейных размеров топологических элементов;

- методика измерения времени жизни неравновесных носителей заряда в кристаллах высокоомного монокристаллического кремния.

Шестая глава посвящена рассмотрению методов статистического контроля с учетом особенностей производства, возможности использования метода физико-технической экспертизы для ускоренной оценки влагостойкости микросхем и других воздействующих факторов и разработке методики экономической эффективности физи­ко-технической экспертизы микросхем.

Проведен анализ методов статистического контроля. Даны рекомендации о возможности применения статистического контроля и регулирования технологического процесса с учетом особенностей производства.

Показана возможность использования коэффициента смещения для достижения технического или экономического результатов.

Приведен метод статистического контроля технологических процессов изготовления интегральных микросхем для партий малого объема при прерывистом производстве.

В отличие от других методов статистического контроля, данный метод позволяет осуществлять управление технологическим процессом (ТП) при достаточно ограниченном объеме статистических данных и может быть применен, если объем выборки составляет не менее 5 контролируемых точек (n 5).

При нормальном распределении значений контролируемого параметра верхняя Xв и нижняя Xн толерантные (допустимые) границы определяются по формуле:

, (6.1)

где и Sj - среднее арифметическое и среднее квадратическое отк­лонение по результатам испытаний выборки:

K = Kn (, P)- коэффициент, зависящий от уровня доверительной вероятности (достовер­ности) , при доле Р значений параметра, попадающих в определяемые границы при объеме выборки nj.

Таким образом, из формулы 6.1 видно что, при двухстороннем ограничении на параметр ширина толерантных границ прямо пропорциональна выборочному значению среднего квадратического отклонения и тем меньше, чем больше объем выборки.

После проведения расчета толерантных границ для каждой партии осуществляется сравнение полученных значений и результатов измерений с нормами на параметр.

Разработанные методики ФТЭ могут быть использованы для ускоренной оценки влагостойкости интегральных микросхем в герметичных ме­таллокерамических, керамических, металлостеклянных и стеклокера­мических корпусах, имеющих свободный внутренний объем.

Вместо известного способа проведения длительных испытаний на влагостойкость в течение 56 суток была проведена оценка влагостойкости в течение 10 часов, по величине количества водяных паров в подкорпусном объеме (не более 5000 ppm) и оценке коррозионной устойчивости металлизации (по величине (локальной) коррозии).

Рассмотрена возможность использования методов физико-тех­нической экспертизы для других внешних воздействующих факторов, в том числе длительных испытаний на долговечность в электрическом режиме при повышенной температуре, а также используемых в настоя­щее время ускоренных испытаний в форсированных режимах. При этом физико-техническими методами проводится оценка старения "горячих" носителей, электромиграции, зависимости пробоя диэлектрика от времени.

Показано, что методами физико-технической экспертизы возможно проводить оценку правильности разработки по величине тепловых полей и электрических потенциалов. Если указанные характеристики не пре­вышают установленных критериев, то микросхема спроектирована пра­вильно и ее конструкция будет обеспечивать требуемые условия экс­плуатации.

Показано, что проведя физико-техническую экспертизу эле­ментов конструкции микросхемы и микросхемы в целом можно опреде­лить ее устойчивость к внешним воздействующим факторам, оценить качество.

При подтверждении результатов физико-технической экспертизы результатами натурных испытаний можно в дальнейшем процессе про­изводства микросхем отказаться от проведения натурных, длительных дорогостоящих испытаний.

Предложена методика экономической эффективности физико-технической экспертизы микросхем путем сопоставления затрат на проведение физико-технической экспертизы с затратами, связанными с испытаниями по выявлению качества ИС традиционными натурными методами. Приведены соответствующие аналитические выражения.

В приложении приведены акты внедрения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Поставленная в работе задача по ускоренной оценке качества микросхем методами физико-технической экспертизы решалась на ос­нове теоретических и экспериментальных исследований, включающих:

- исследования влияния взаимосвязи и реализации конструктив­но-технологических решений на качество микросхем;

- исследование и выявление взаимосвязи видов дефектов и механиз­мов отказов микросхем с качеством технологических операций и применяемых материалов;

- разработку требований к процедурам проектирования, информационному обеспечению, тестовым структурам контроля параметров пластин, технологии, оценочных, демонстрационных и рабочих микросхем, библиотеке элементов и проектным нормам;

- разработку требований к процессам производства, технологическому процессу изготовления микросхем;

- разработку математической модели оценки точности визуального контроля при физико-технической экспертизе микросхем;

- дополнение и обоснование оптимальной системы отбраковочных испытаний;

- определение возможности уменьшения планов контроля при испытаниях микросхем повышенной функциональной сложности

- определение номенклатуры конструктивно-технологических характе­ристик микросхем, элементов, тестовых структур и метода их физи­ко-технического анализа;

- разработку надежностных характеристик СБИС на основе суперкрис­таллов;

- установление параметров, критериев и норм оценки качества мик­росхем по конструктивно-технологическим характеристикам и тесто­вым структурам;

- разработку порядка и маршрута физико-технической экспертизы микросхем;

- разработку и использование ранее разработанных методик для физико-технической экспертизы микросхем;

- проведение комплексной физико-технической экспертизы микросхем;

- проведение ускоренной оценки качества микросхем;

- рассмотрения возможности использования предлагаемой методики ускоренной оценки качества микросхем для других внешних воздейс­твующих факторов и в целом оценки качества микросхем;

Теоретические и физические исследования базируются на экспе­риментальных исследованиях причинно-следственных связей дефектов и отказов микросхем с конструктивно-технологическими характерис­тиками, технологическими операциями, качеством материалов (ста­тистических обобщений за многие годы проведения анализа отказов микросхем).

2. В результате экспериментальных исследований установлены:

- метод статистического контроля технологических процессов изготовления микросхем для партий малого объема при прерывистом производстве;

- влияние конструктивно-технологических решений, технологических операции, качества материалов на качество ИС. Наибольшее влияние на качество микросхем оказывают: технологические операции термо­компрессия и фотолитография, полупроводниковые материалы, фотошаб­лоны, корпуса.

- элементы, структуры, параметры и критерии оценки качества мик­росхем которые, целесообразно использовать при физико-технической экспертизе ИС.

Разработан маршрут проведения физико-технической экспертизы микросхем.

Проведена ускоренная оценка влагостойкости микросхем.

3. На основе исследований получены следующие результаты.

Проведена оценка возможности и даны рекомендации по применению методов статистического контроля и регулирования технологических процессов.

Разработан метод статистического контроля и регулирования технологических процессов, основанный на использовании толерантных пределов для проведения контроля технологических процессов при ограниченном объеме статистических данных и позволяющий осуществить статистический контроль качества при прерывистом производстве и поставках микросхем малыми партиями.

Разработаны требования к процедурам проектирования, информационному обеспечению, тестовым структурам контроля параметров пластин, технологии, оценочных, демонстрационных и рабочих микросхем, библиотеке элементов и проектным нормам.

Дополнена и обоснована система отбраковочных испытаний пластин и микросхем.

Определена возможность уменьшения планов контроля при испытаниях микросхем повышенной функциональной сложности.

Предложен метод ускоренной оценки качества микросхем методом физико-технической экспертизы (выявление физического состояния ИС, скрытых дефектов и предпосылок к отказам.).

На основе причинно-следственных связей отказов с конструкти­вно-технологическими характеристиками, технологическими операция­ми и качеством материалов определены структуры, элементы и узлы ИС, подлежащие экспертизе и проверяемые показатели для них.

Разработан рациональный маршрут проведения экспертизы, провер­ки параметров, элементов, структур и микросхем в целом.

Физико-техническая экспертиза при контроле сборочных операций включает контроль: герметичности, состава среды, содержание паров воды и проводимости, коррозионной стойкости.

При контроле качества кристалла осуществляется: проверка сов­мещения слоев, контроль термостабильности диэлектрика, оценка со­става и дефектности диэлектрика, контроль элементного состава, стабильности металлизации, электромиграции, времени жизни неосно­вных носителей заряда, распределение потенциала.

Определен перечень методик, используемых при проведении физи­ко-технической экспертизы ИС.

Установлены, критерии оценки (значений показателей) при про­верке структур, элементов и узлов.

Разработаны, уточнены методики для оценки качества микросхем.

На основе решения уравнения для рисков поставщика и заказчика разработана модель оценки эргономических характеристик оператора при визуальном контроле.

Предложен метод распределенного скользящего резервирования при кластерной организации матрицы процессорных элементов и 30 процентной аппаратной избыточности для серийного производства суперк­ристаллов со структурой типа однородная вычислительная среда (ОВС).

Получены соотношения для оценки вероятности выхода годных на этапе производства и вероятности безотказной работы на этапе экс­плуатации суперкристаллов ОВС.

Определен порядок проведения физико-технической экспертизы микросхем.

Приведена процедура контроля статических, динамических и до­полнительных параметров, диагностики по элементам и структурам, контроль качества кристалла.