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.