СодержаниеВВЕДЕНИЕ
КОНСТРУКЦИЯ ТЕСТОВЫХ СТРУКТУР И ТЕСТОВЫХ КРИСТАЛЛОВ
ПРИМЕНЕНИЕ ТЕСТОВЫХ СТРУКТУР ДЛЯ АНАЛИЗА ПРИЧИН БРАКАВведениеПотенциальные возможности создания высоконадежной аппаратуры на основе интегральных схем реализуются постоянным увеличением степени интеграции и снижением интенсивности отказов микросхем. Увеличение интеграции достигается в результате уменьшения размеров элементов и совершенствования технологических процессов не только в отношении Их точности, но и в отношении увеличения чистоты исходных материалов и технологической атмосферы, что определяет увеличение выхода годных или увеличение размеров кристалла ИС при приемлемом выходе годных
Снижение интенсивности отказов микросхем обеспечивается путем изучения причин отказов, их механизмов, а также путем выбора такой конструкции, которая давала бы возможность минимизации отказов К числу необходимых мер по повышению надежности следует отнести также комплекс отбраковочных испытаний [1, 2, 3]
Функциональная сложность микросхем и малые размеры их элементов затрудняют анализ причин брака и отказов непосредственно на интегральных схемах. Эти трудности возрастают по мере увеличения интеграции. Поэтому для ана-лиза причин брака и отказов, изучения механизма отказов, разработки конструкторских и технологических решений, Направленных на увеличение надежности, широко применяются тестовые структуры (ТС) и тестовые микросхемы.
Отказы кристалла БИС в процессе эксплуатации можно рассматривать как отказы отдельных его элементов, точно так же брак при изготовлении кристалла микросхемы можно рассматривать как брак отдельных элементов При этом от-казы целесообразно разделять на параметрические и катастрофические. К параметрическим следует относить отказы, вызванные недопустимым изменением области работоспособности БИС (в пространстве параметров внешних воздейст-вий) вследствие изменения параметров элементов К катастрофическим относятся отказы, вызванные катастрофиче скими отказами элементов.
Деление отказов на катастрофические и параметрические в значительной мере условно и является результатом неполноты наших знаний о физических процессах, протекающих в элементах во время эксплуатации и предшествующих отказу Все же такое деление оказывается полезным и позволяет систематизировать методики исследования отказов
Производственные разбросы параметров элементов, их температурная нестабильность и изменение параметров за время эксплуатации должны быть учтены при схемотехническом расчете БИС с целью минимизации параметрических отказов
Данные об интенсивности катастрофических отказов различных элементов при наличии соответствующей методики расчета позволяют оценить интенсивность катастрофических отказов БИС, имеющей определенное количество элементов
Следует различать схемные и конструктивные элементы БИС. Например, для МДП БИС схемными элементами являются МДП-транзистор, МДП-конденсатор, диод, конструк тивными элементами - тонкий затворный диэлектрик, коммутационная шина, зазор между коммутационными шина ми, p-n-переход, межслойный контакт и др. Выделение в БИС конструктивных элементов производится в предположении их технологической независимости при изготовлении [4, 5].
Анализ надежности конструктивных элементов позволяет оценить надежность схемных элементов различной формы и размеров, связанную с катастрофическими отказами, а также надежность всех типов БИС, изготавливающихся по базовой технологии, единой для серии микросхем. Таким образом, конструктивные элементы следует рассматривать тогда, когда речь идет о катастрофических отказах БИС, а схемные элементы - при рассмотрении параметрических отказов
Разработка надежностных ТС основывается на имеющихся данных о причинах отказов [6] Как показало изучение причин отказов, основные отказы в кристалле МДП БИС связаны со следующими отказами схемных и конструктивных элементов [7-10]:
- нестабильностью электрических параметров транзис-торов,
- пробоем затворного диэлектрика транзисторов и конденсаторов,
- увеличением обратных токов и пробоем p-n-переходов,
-обрывом или замыканием коммутационных шин;
-нарушением межслойных контактов. При изучении и обеспечении надежности БИС целесообразно исходить из предположения, что причины брака приизготовлении БИС и причины отказов при их эксплуатации представляют собой существенно перекрывающиеся мно-жества [11] В связи с этим при исследовании причин и механизмов брака, выработке конструктивных и технологи ческих мер для его минимизации следует считать, что эти же действия приводят и к уменьшению интенсивности отказов При этом одни и те же тестовые структуры могут использоваться для анализа причин брака и надежности
Несмотря на то, что на тестовых структурах могут быть выполнены конструктивные элементы, размеры которых иног да на порядок превышают соответствующие размеры в БИС, проведение прямых испытаний ТС на надежность не пред ставляется возможным, особенно при необходимости подтвердить весьма малую интенсивность отказов. В связи с этим приходится использовать ускоренные испытания, основанные на форсированной выработке ресурса изделия в ус ловиях, существенно более жестких чем условия эксплуата ции Широкое распространение ускоренных испытаний [12, 13] их корректное применение сопряжено с решением ряда проблем К их числу относится необходимость доказа тельства автомодальности механизма отказа во всем диа пазоне изменения ускоряющих факторов, доказательства неизменности характера процессов при изменениях конст рукции Кроме того, не ясен необходимый объем базовых испытаний, проводимых для определения коэффициента ускорения возможность распространения этого коэффициента на различные партии изделий Тем не менее ускоренные ис пытания элементов на ТС являются единственным практи ческим способом оценки надежности БИС и особенно эф фективны для исследования относительного изменения на дежности при введении различных конструктивных и техно логических усовершенствований
Использование ТС для оценки надежности БИС, изго тавливающихся по базовой технологии сопряжено с боль шим количеством электрических измерений и статистической обработкой их результатов Выполнение этих работ, в осо бенности при систематическом контроле уровня надежности БИС, требует применения специальных автоматизированных информационно измерительных исследовательских систем (АИИС) обеспечивающих необходимую производительность измерений и статистической обработки
В настоящей работе делается попытка обобщить публи кации по вопросам относящимся к использованию тестовых структур и тестовых микросхем в процессе совершенствования конструкции и технологии БИС с целью увеличения интегра ции и повышения надежностиЛитература
|
|
