автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.23, диссертация на тему:Обеспечение и ускоренная оценка качества микросхем по результатам физико-технической экспертизы

доктор технических наук

Дорошевич,
Виктор Казимирович

город

Москва

год

2010

специальность ВАК РФ

05.02.23

Автореферат диссертации по теме "Обеспечение и ускоренная оценка качества микросхем по результатам физико-технической экспертизы"

004691223

На правах рукописи

Дорошевич Виктор Казимирович

ОБЕСПЕЧЕНИЕ И УСКОРЕННАЯ ОЦЕНКА КАЧЕСТВА МИКРОСХЕМ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ЭКСПЕРТИЗЫ

Специальность - 05.02.23 - Стандартизация и управление качеством

продукции

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

2 2 АПР 20»0

МОСКВА 2010

004601223

Диссертационная работа выполнена в Московском государственном институте радиотехники, электроники и автоматики (технический университет)

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор,

Горнев Евгений Сергеевич

- доктор технических наук, профессор, Петросянц Константин Орестович

- доктор технических наук, профессор, Шульгин Евгений Иванович

Ведущая организация - Открытое акционерное общество

«Ангстрем»

Защита состоится 17 июня 2010 г. в _часов

на заседании диссертационного совета ДМ 2.131.04 в Московском Государственном институте радиотехники, электроники и автоматики (техническом университете) по адресу 119454, Москва, пр-т Вернадского, 78, ауд. В-223.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского Государственного института радиотехники, электроники и автоматики (технического университета)

Автореферат разослан «_»_2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

С.Н. Замуруев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Обеспечение качества и надежности микросхем имеют особую значимость, так как характеристики этих изделий во многом определяют тактико-технические характеристики радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) созданной на их основе.

Рост функциональной сложности интегральных микросхем (ИС), использование новых принципов конструирования и технологических процессов требуют постоянного совершенствования методов и технических средств контроля их качества. При этом возрастает число показателей, определяющих качество И С. Такими показателями являются значения электрических параметров, процент выхода годных ИС, размеры элементов конструкции и кристалла и другие. К числу важнейших из них относятся показатели надежности.

Темпы развития микроэлектроники существенно усложнили задачу прогнозирования и оценки качества ИС прежде всего потому, что надежность ИС увеличилась, а "моральное старение" ускорилось. Получать достоверные оценки качества ИС традиционными натурными методами испытаний нерентабельно: увеличение количества испытываемых ИС удорожает испытания, а увеличение продолжительности испытаний снижает достоверность результатов из-за разработки новых типов ИС и изменения технологии производства. Трудности при оценке качества существенно возросли с появлением функционально сложных сверхбольших интегральных схем (СБИС). Так, для определения стойкости ИС к механическим (воздействие вибрации, ударов, линейного ускорения и т.д.) и климатическим (влагостойкости) факторам проводятся длительные натурные испытания на представительных выборках. При этом все площади, оборудование, аппаратура, энергетические и людские ресурсы должны быть задействованы в течение длительного времени. Это требует больших затрат.

Динамичность и жесткость требований к качеству ИС обусловливают высокую остроту (как с технической, так и экономической позиций) проблемы оценки качества для вновь создаваемых ИС с целью выполнения заданных требований и обеспечения дальнейшего их роста. Главная цель состоит в том, чтобы разработать и поставить ИС быстрее, дешевле и лучшего качества. Переход к сверхбольшим интегральным микросхемам сопровождается уменьшением топологических размеров ИС, что делает необходимым уменьшение напряжений, толщины слоев окисла и металла, а также диффузионных глубин. Все это способствует возникновению различных отказов. С другой стороны, требования по надежности СБИС постоянно возрастают из-за повышения тактико-технических характеристик

РЭА, увеличения сложности ее обслуживания и ремонта.

Для получения достоверной информации о качестве ИС и предупреждения отказов, внимание должно быть уделено исследованиям физических причин отказов. В связи с этим возникает необходимость в разработке оперативных методов оценки качества ИС, позволяющих в короткий срок определить истинное значение показателей качества и , уровень технологического процесса производства, и создании на их основе эффективной системы обеспечения требуемого уровня качества. То есть актуальна проблема получения оценок качества ИС, их устойчивости к внешним воздействующим факторам за короткое время не путем непосредственных натурных или даже ускоренных испытаний, а посредством проведения физико-технической экспертизы элементов ИС (химического состава среды в подкорпусном объеме, металлизации, активных элементов, слоев диэлектрика и т.д.) и микросхем в целом.

Большое значение приобретает разработка и применение физико-технических методов определения и контроля качества ИС для различных этапов производства и диагностики.

Эта задача может быть решена посредством физико-технической экспертизы (ФТЭ) путем проведения исследований по установлению элементов конструкции и кристалла, параметров и критериев, алгоритма и порядка проведения физико-технической экспертизы. Для экспертизы могут быть использованы тестовые структуры, проектные нормы, методики интегральной оценки качества ИС (контроль температурного поля, распределения потенциалов, метод наведенного заряда); методики контроля геометрических параметров элементов ИС (линейные размеры, конфигурация, рельеф,), анализа качества материалов (заряд в диэлектрике, время жизни носителей заряда, пористость диэлектрических и проводящих слоев); анализа качества конструкции (корпуса, состава среды подкорпусного объема, коррозионная стойкость). По результатам анализа делается оценка устойчивости ИС к внешним воздействующим факторам.

Однако опыт проведенных испытаний и исследований отказавших ИС показывает необходимость доработки этих и разработки других методик, которые дополняются оценками соответствующих показателей качества и критериальных параметров. Например, наряду с оценкой стойкости ИС к разрядам статического электричества, необходимо оценивать их стойкость к электроперегрузкам. При оценке коррозионной стойкости ИС существующий метод оценки может быть дополнен методикой контроля газового состава подкорпусного объема и т.д.

Необходимым условием при определении параметров и отработке соответствующих критериев оценки качества элементов конструкции ИС, а также для подтверждения возможности использования методик физико-

технической экспертизы, должны проводиться натурные, в том числе ускоренные испытания, подтверждающие приемлемость методик и достоверность критериев оценки.

Исходя из изложенного, настоящая работа посвящена решению актуальной проблемы - обоснованию технических и технологических решений, связанных с разработкой методов обеспечения и ускоренной оценки качества И С.

Решение данной задачи включает выполнение исследований по ряду важнейших ее составляющих.

Во-первых, определить требования к процессам разработки и производства и прежде всего технологическому процессу.

Во-вторых, необходимо установить элементы конструкции и кристалла, параметры и критерии для контроля и оценки качества ИС, на основе полученных причинно-следственных связей между дефектами, отказами, технологическими операциями.

В-третьих, следует разработать маршрут (порядок проведения) физико-технической экспертизы.

В-четвертых, необходимо выбрать, уточнить и разработать методики оценки качества ИС на основе использования физико-технического метода. При этом в качестве одной из важных составляющих задач исследования выделена разработка математических моделей оценки точности визуального контроля, не зависящей от свойств контролируемой партии и надежностных характеристик функционально сложных сверхбольших интегральных микросхем на основе суперкристаллов.

Рассмотреть особенности применения статистических методов для оценки качества технологических процессов. Предложить метод статистического контроля технологических процессов изготовления микросхем для партий малого объема при прерывистом производстве.

Основой для проведения исследований служит сбор и обработка данных о причинах отказов ИС в процессе производства и эксплуатации, влияния конструктивно-технических решений, технологических операций, материалов на качество интегральных микросхем.

Вопросам предотвращения отказов ИС и повышения их качества уделяется большое внимание также и за рубежом. Анализ отказов превращается в анализ способов совершенствования конструкции, ИС и процесса производства, то есть в анализ способов предотвращения отказов. Выход годных функционально сложных интегральных микросхем в большинстве производств не высок, что существенно снижает эффективность производства, причем чем сложнее ИС и чем больше площадь кристалла, а значит чем дороже ИС, - тем меньше процент выхода годных. Именно поэтому обеспечение качества на этапах разработки и производства, диагно-

стика в процессе производства, исследование способов предотвращения отказов должны в значительной степени занять место контрольных испытаний в конце производства. Эти методы являются существенным фактором повышения выхода годных ИС, применение их позволяет минимизировать реальную стоимость ИС. Причем высокая стоимость современных ИС делает экономически эффективными затраты на совершенствование процесса производства и внедрение оптимальных методов повышения выхода годных ИС, ориентированных на предотвращение отказов.

Основные задачи диссертационной работы, решались в НИР "Экспертиза", выполненной в 1991-1992 гг., «Осень-1» ^ «Осень-3», «Осень-5» «Осень-7» «Технология-22», «Кластер-М-22» и др., выполненных в 19932009 гг., заместителем научного руководителя и ответственным исполнителем которых являлся соискатель. Вопросы, решаемые в диссертации, предусматривают не только предотвращение отказов, повышение качества ИС на этапах разработки и производства, но и разработку методик проведения ускоренных испытаний ИС по результатам физико-технической экспертизы.

Цель диссертационной работы.

Решение проблемы разработки системы обеспечения качества и надежности микросхем на основе определения требований к процессам проектирования и производства; дополнение и обоснование системы отбраковочных испытаний, статистического контроля технологических процессов, ускоренной оценки работоспособности ИС по результатам физико-технической экспертизы элементов конструкции и кристалла, математических моделей оценки точности визуального контроля и надежностных характеристик микросхем на основе суперкристаллов.

Методы исследований.

В работе использованы методы системного анализа, теории вероятностей, математического моделирования, функционально-стоимостного анализа, математической статистики.

Научная новизна работы.

Научная новизна работы включает в себя следующие результаты:

1. Разработаны требования к процессам разработки, информационному обеспечению, тестовым структурам, контроля параметров пластин, технологии, оценочных микросхем, библиотеке элементов.

2. Разработаны методики оценки качества микросхем по результатам физико-технической экспертизы.

Методики предусматривают:

- контроль качества корпуса и сборочных операций;

- контроль качества кристалла.

Приведена интегральная оценка качества физических структур.

3. Определены требования к процессам производства микросхем, включающие требования к комплектующим элементам, технологическому процессу, технологическому и контрольно-измерительному оборудованию.

4. Предложено дополнение и обоснование отбраковочных испытаний и возможность уменьшения планов контроля для функционально-сложных микросхем.

5. Разработан метод ускоренной оценки качества интегральных микросхем, основанный на результатах физико-технической экспертизы. Разработан рациональный алгоритм - маршрут проведения физико-технической экспертизы микросхем, предусматривающий диагностику по внешним выводам, контроль качества корпуса и сборочных операций, контроль качества кристалла.

6. На основе обобщения результатов исследований и анализа отказов микросхем установлены причинно-следственные связи между видами дефектов и механизмами их отказов, используемые при установлении параметров и критериев оценки качества микросхем. Установлены элементы конструкции, параметры и критерии оценки качества микросхем методом физико-технической экспертизы.

7. Разработана математическая модель определения эргономических характеристик оператора при визуальном контроле, не зависящая от свойств контролируемой партии.

8. Разработаны две математические модели расчета надежностных характеристик СБИС на основе суперкристаллов, вероятности выхода годных на этапе производства и вероятности безотказной работы на этапе эксплуатации.

9. Дана оценка возможности и особенностей применения методов статистического контроля и регулирования технологических процессов.

10. Предложен метод статистического контроля и регулирования технологических процессов, основанный на использовании толерантных пределов, позволяющий осуществлять статистический контроль при поставке микросхем малыми партиями и прерывистом производстве.

Практические результаты.

Требования к процессам разработки, информационному обеспечению позволяют осуществлять разработку стандартов предприятий по основным процессам разработки микросхем различной функциональной сложности и проектных норм.

Требования к процессам производства позволяют разрабатывать стандарты предприятия по основным процессам производства микросхем, в том числе по требованиям к технологическому процессу, комплектующим элементам, материалам, технологическому, испытательному и измерительному оборудованию.

Диагностический контроль в системе отбраковочных испытаний партий пластин используется в производстве для выявления потенциально ненадежных микросхем.

Метод оценки качества микросхем по результатам физико-технической экспертизы, алгоритм-маршрут проведения физико-технической экспертизы микросхем позволяет оценивать качество микросхем на всех этапах их жизненного цикла.

Методики физико-технической экспертизы позволяют оценивать качество элементов конструкции, технологии, структур, определить количественные значения параметров.

Причинно-следственные связи между видами дефектов и механизмами отказов используются при установлении параметров и критериев оценки качества микросхем, технологических операций, причин возникновения отказов.

Математическая модель определения эргономических характеристик оператора при визуальном контроле позволяет учитывать особенности (субъективные) оператора.

Математическая модель расчета надежности характеристик СБИС на основе суперкристаллов, вероятности выхода годных на этапе производства и вероятности безотказной работы на этапе эксплуатации позволяют проводить количественную оценку показателей.

Оценка возможности и особенности применения методов статистического контроля и регулирования технологических процессов и качества микросхем позволяют использовать наиболее рациональные методы в реальных условиях производства.

Метод статистического контроля и регулирования, основанный на использовании толерантных пределов, позволяет осуществлять контроль и регулирование технологических процессов и качества микросхем в условиях прерывистого производства и малых объемов выпуска.

Апробация работы.

Основные результаты включены в нормативно-техническую документацию, регламентирующую оценку качества микросхем (ОСТ В 11 0998, ОСТ 11 0999, ОСТ 11 20.9926, OCT Bill009, ОСТ В 11 1010, ОСТ 11 14.1011, ОСТ 11 14.1012, ОСТ 11 1000, РД 22.12.174-94 и др.) обсуждены на международной научно-технической конференции по информатике «Микроэлектроника и информатика» (Москва, Зеленоград, 1993 г.).

Требования разработанных стандартов реализованы в стандартах предприятий разработчиков-изготовителей микросхем (ОАО «Ангстрем, ОАО «НИИМЭ и Микрон», г. Зеленоград, ФГУП «НИИ «Восток», г. Новосибирск, ФГУП «НИИЭТ», г. Воронеж и других предприятий разрабатывающих и изготавливающих микросхемы.).

Публикации.

Материалы исследований опубликованы в 47 трудах, в числе которых 27 печатных и 20 рукописный: использованы в 14 нормативных документах (включая 8 отраслевых стандартов); изложены в 20 научно-технических отчетах по НИР и 13 статьях.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы, приложения. Объем диссертации 242 страницы машинописного текста. Работа содержит 21 рисунок и 5 таблиц. Список литературы включает 122 наименования.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Требования к процессам разработки, информационному обеспечению, тестовым структурам контроля параметров пластин, технологии, оценочным микросхемам, библиотеке стандартных элементов.

Требования к процессам производства и технологическому процессу.

2. Причинно-следственные связи между видами дефектов и механизмами их отказов, используемые при установлении параметров и критериев оценки качества микросхем, элементы конструкции, параметры и критерии оценки качества микросхем методом физико-технической экспертизы.

3. Дополнена и обоснована система отбраковочных испытаний пластин и микросхем в процессе производства.

Возможность уменьшения планов контроля при испытаниях микросхем повышенной функциональной сложности.

4. Модель определения эргономических характеристик оператора при визуальном контроле, не зависящая от свойств контролируемой партии.

Математические модели расчета надежностных характеристик СБИС на основе суперкристаллов, вероятности выхода годных на этапе производства и вероятности безотказной работы на этапе эксплуатации.

5. Метод статистического контроля и регулирования технологических процессов, основанный на использовании толерантных пределов, позволяющий осуществить статистический контроль при поставке микросхем малыми партиями и прерывистом производстве.

6. Метод и методики ускоренной оценки качества интегральных микросхем, основанный на результатах физико-технической экспертизы. Рациональный алгоритм-маршрут проведения физико-технической экспертизы микросхем, предусматривающий диагностику по внешним выводам, контроль качества корпуса и сборочных операций, контроль качества кристалла.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность решаемой в диссертационной работе проблемы, сформулированы цель работы и основные положения, которые выносятся на защиту.

В первой главе рассмотрена проблема ускоренной оценки качества микросхем. Приведены основные показатели качества (электрические параметры, процент выхода годных ИС, надежность и др.), которые могут быть использованы как параметры критерии качества. Отмечается, что данные показатели определяются совокупностью схемо-технологических, конструктивных и технологических решений. Требования к ним в большинстве случаев противоречивы, и количественная оценка качества микросхем затруднена. Предлагается проводить комплексную оценку качества ИС, для этих целей можно применять количественное значение физических параметров микросхем.

Указывается, что на всех этапах развития микроэлектроники основным методом оценки качества и одного из основных его показателей надежности являлись натурные испытания готовых ИС. При этом оценка качества состоит в проведении испытаний и последующей статистической обработке результатов испытаний. Рассмотрены возможные методы ускоренных испытаний (испытания в фиксированных режимах, моделирование деградационных процессов в ИС с помощью ЭВМ, оценка надежности ИС по базовым интенсивностям отказов элементов ИС и соответствующим коэффициентам).

Проведенный анализ показал, что по мере совершенствования ИС, расширения их функциональных возможностей натурные и известные ускоренные испытания на надежность становятся недостаточно эффективными и нецелесообразными. Возникают трудности экономического и технического характера.

Показано, что наиболее достоверную оценку качества ИС можно получить по результатам физико-технической экспертизы. Сущность экспертизы ИС состоит в выявлении физического состояния ИС, скрытых дефектов и предпосылок к отказам.

Объектом экспертизы являются технологические операции, тестовые структуры, элементы конструкции ИС: корпус, подкорпусной объем, кристалл и его стуктурно-топологическое исполнение, выводы и микросхема в целом.

Разработан алгоритм проведения физико-технической экспертизы, который приведён на рис. 1, предусматривающий следующие направления исследований:

Рис. 1. Алгоритм физико-технической экспертизы

На основе анализа состояния проблемы оценки качества ИС определены важнейшие составляющие ускоренной оценки качества ИС, сформулированы основные задачи исследований в рамках настоящей диссертационной работы.

1. Установить взаимосвязь конструктивно-технологических требований с качеством ИС.

2. Исследовать влияние качества выполнения технологических операций и условий производства на качество микросхем.

3. Установить взаимосвязь дефектов и механизмов отказов микросхем с технологическими операциями. Осуществить выбор контролируемых параметров.

4. Разработать математическую модель определения эргономических характеристик оператора при визуальном контроле, не зависящую от свойств контролируемой партии.

5. Разработать требования к процессам разработки и производства микросхем.

6. Дополнить и обосновать систему отбраковочных испытаний партий пластин и микросхем.

7. Определить номенклатуру конструктивно-технологических характеристик ИС, элементов конструкции и кристалла и метода их физико-технического анализа.

8. Определить нормы оценки качества по конструктивно-технологическим характеристикам микросхем и элементам конструкции и кристалла.

9. Разработать методики физико-технической экспертизы.

10. На основе физико-технического анализа разработать новый подход к проведению ускоренных испытаний на влагостойкость.

12. Предложить метод статистического контроля технологических процессов изготовления микросхем для партий малого объема при прерывистом производстве.

13. Разработать две математические модели расчета надежностных характеристик СБИС на основе суперкристаллов, вероятности выхода годных на этапе производства и вероятности безотказной работы на этапе эксплуатации.

Вторая глава

Во второй главе содержатся требования к процедурам проектирования.

Главной задачей системы проектирования является обеспечение перевода требований технического задания в требования к материалам, элементам конструкции микросхем, технологии изготовления и производства партий микросхем, требования к полноте контроля, изготовления и испытаний микросхем.

При проектировании должно проводиться моделирование работы микросхем в условиях воздействия факторов, установленных в техниче-

ском задании для наихудшего сочетания факторов. Модели должны быть: обоснованы, апробированы, аттестованы, обеспечивать требуемую точность и реализовывать связь параметров моделей с режимами и условиями техпроцесса.

Проектирование технологии должно предусматривать моделирование и оптимизацию технологического процесса с целью снижения его чувствительности к изменению условий.

Процедуры проектирования должны предусматривать разработку необходимых тестовых структур находящихся в модулях рабочих или тестовых кристаллов для оперативной и достоверной оценки в процессе изготовления микросхем.

На этапе разработки должны быть разработаны, а на этапе производства проводится контроль структур, характеризующих возможные дефекты вызванные:

- деградацией под влиянием горячих носителей;

- электромиграцией;

- времязависимым пробоем диэлектрика;

- деградацией металлизированных дорожек и омических контактов.

Для оценки качества технологического процесса могут использоваться оценочные и демонстрационные схемы.

Типовые оценочные схемы должны соответствовать требованиям, установленным проектными нормами. Требования к электрическим нагрузкам и параметрам транзисторов и всех межсоединений должны устанавливаться по наиболее жесткому варианту нагрузки.

Разработчик обязан продемонстрировать возможность и стабильность всех операций, применяемых при контроле конструктивных, электрических и проектных норм.

Приведены требования к информационному обеспечению разработчика.

Базы данных и знаний должны содержать:

- универсальные библиотеки, инвариантные к технологии производ-

- поведенческих моделей;

- фунционально-логических моделей;

- схемных и приборных моделей;

- топологических моделей;

- условных графических обозначений;

- библиотеку конструктивно-технологических функциональных элементов;

- стандартные приемы разбиения микросхемы на структурно-

функциональные части;

- модели стандартных внешних факторов, воздействующих на микросхемы;

- методы преобразования внешних факторов, действующих на микросхему, в наборы нагрузок, действующих на конструктивно-технологический функциональный элемент (КТФЭ);

- стандартные значения нагрузок, действующих на КТФЭ и не влияющих на их работоспособность;

- перечень предельных значений нагрузок, приводящих к нарушению функций КТФЭ или микросхемы в целом;

- правила ранжирования нагрузок по значимости их влияния на функциональные запасы КТФЭ;

- библиотеку моделей, связывающих характеристики нагрузок со значениями конструктивно - технологических параметров КТФЭ;

- библиотеку стандартных механизмов отказов, включающую описание дефекта, условия возникновения дефекта, причины возникновения дефекта, условия и вероятность развития дефекта в отказ;

- методы обнаружения (контроля) дефектов;

- библиотеку стандартных конструктивно-технологических решений.

Определены требования к процессам производства:

- организации и управлению производством;

- обеспечению производства персоналом необходимой квалификации;

- обеспечению и управлению технической документацией;

- обеспечению производства технологическим, контрольно-измерительным, испытательным оборудованием и метрологическое обеспечение;

- обеспечению условий производства;

- обеспечению сырьем, материалами и комплектующими изделиями;

- обеспечению качества и управлению технологическим процессом изготовления микросхем;

- обеспечению идентификации и прослеживаемости изделий;

- организации проведения корректирующих воздействий;

- организации внутренних проверок системы качества;

- организации учета и анализу затрат на качество;

- системе статистического контроля и регулирования производства;

- программе обеспечения качества;

- организации обращения с готовой продукцией;

- организации обращения с продукцией не соответствующей требо-

ваниям нормативной документации;

- организации сбора, регистрации, обработки и хранения данных о качестве;

- организации технической помощи в применении микросхем;

- маркетинговая деятельность.

Важнейшим процессом производства, определяющим качество и надежность микросхем, является требование к обеспечению качества и управлению технологическим процессом изготовления микросхем.

Требования к технологическому процессу должны включать в себя, главным образом, требования к режимам проведения технологических операций, межоперационным параметрам и допускам на них.

Дополнена и обоснована система отбраковочных испытаний.

Отбраковочные испытания позволяют выявлять потенциально ненадежные микросхемы.

Для партии микросхем объема N. определено п видов дефектов, число отбраковочных микросхем будет аь а2, аз ... ап, общая совокупность дефектных микросхем равна

ХД (2.1)

Показатели уровня качества на этапе проведения отбраковки равны

ЧГ*'. (2-2)

Уровень выходного качества, может быть определен после проведения на Ы' микросхемах следующих испытаний. Он определяется отношением:

^ , (2.3)

В качестве численного критерия оценки эффективности отдельных видов отбраковочных испытаний целесообразно взять улучшение выходного качества по сравнению с уровнем качества на момент отбраковочных испытаний.

Коэффициент эффективности можно выразить:

где §1 - уровень качества на момент проведения отбраковки; ё2 - уровень качества после операции отбраковки. Соответсвующие виды отбраковочных испытаний целесообразны, если доля отбраковываемых микросхем на последующих испытаниях уменьшается. Коэффициент эффективности более нагляно выражается зависимостью

Повышение эффективности отбраковочных испытаний может проводиться за счет выбора жесткости воздействующих факторов, увеличения длительности воздействий или использования дополнительных критериев отбраковки.

Определена возможность уменьшения планов контроля качества для функционально сложных микросхем.

Любая микросхема, независимо от степени интеграции, содержит одни и те же конструктивно-технологические элементы, количество которых изменяется в зависимости от степени сложности микросхемы. Микросхема может быть представлена физико-статистической моделью нормирования сложности. Такая модель считается справедливой только для обоснования объемов выборок при испытаниях микросхем. Количество эквивалентных элементов строго связывается с количеством конструктивно-технологических элементов в микросхеме, а следовательно, и со степенью интеграции. Такая связь может быть достигнута для целей оценки качества микросхем, если предопределить, что один элемент модели заменяет собой совокупность единичных конструктивно-технологических элементов согласно равенству:

гдепэ*=1 - эквивалентный элемент;

ёьёг • -Вт- удельные веса отказов или частота отказов конструктивно-технологических элементов

Тогда общее число п* эквивалентных однотипных элементов, нормированных по числу отказов, для 1- микросхемы любой сложности будет определяться формулой

ПэХ=§1+§2+ ... +8т+1= 1,

пГ=§1Н,+ ё2Н12+ ...+ &„н-т, (2.7)

где 1чГ/КьМ2...Мт) - количество конструктивно-технологических элементов в .-ом направлении;

N1 = ^ Л', - общее число конструктивно-технологических элементов в

микросхеме = 1

Для микросхем с большей степенью интеграции должен подтверждаться не меньший уровень надежности, чем для исходной микросхемы. Это может быть обеспечено испытанием выборки с общим количеством эквивалентных элементов не менее п0х пс.

Таким образом для одних и тех же условий и режимов испытаний можно записать

п* п,= п0х п0,

что позволяет определить объем выборки для 1 - микросхемы по формуле

И, = По-

Zg>Nv —-

Третья глава посвящена исследованиям по определению элементов конструкции и кристалла, параметров и критериев ускоренной оценки качества микросхем.

На основе исследований и обобщения материалов влияния реализации конструктивно-технологических решений, технологических операций, качества материалов на качество ИС, а также материалов по анализу отказов микросхем, установлены причинно-следственные связи между дефектами и причинами отказов ИС, которые использовались при определении элементов конструкции и кристалла, параметров и критериев оценки качества ИС.

Важным вопросом при оценке качества ИС на основе физико-

технической экспертизы является оценка точности оператора. Для количественного сертифицирования операторов визуального контроля приняты такие характеристики точности контроля, как риски поставщика и потребителя (у 12? 721)-

Предложено описывать квалификацию оператора с помощью характеристик, присущих только ему (т.е. не зависящих от свойств контролируемой партии).

С этой целью оператор условно рассматривается как некоторое техническое средство, осуществляющее визуальный контроль и описываемое стандартными метрологическими характеристиками. В качестве стандартных метрологических характеристик оператора целесообразно использовать математическое ожидание (Дс) и среднее квадратическое отклонение (с.к.о: - а) «порога» принятия решения оператором. В основе определения этих метрологических характеристик лежит процедура разбраковки им некоторой контрольной партии изделий по двум производственным нормам Уш и Ут- В этом случае величины Дс и ст определяются по формулам, полученным на основании выражений для рисков поставщика и заказчика (У12,721):

Vп1 — \п\

д с-^-^^^ЬгаКу»!)]^:^, (3.1)

Дс + Хс-Уи1

где Ъ - решение уравнения: ехр (-— ) = 2

а 712 (Уш), 721 (Упа), ^ (УпО, W (Уш) - апостериори известные значения рисков и коэффициента выхода годных изделий при разбраковке оператором контрольной партии.

Достоинство метрологических характеристик Дс и ст - возможность оценки точности операторов визуального контроля при работе с произвольными партиями изделий и, как следствие этого, возможность сравнения и профессионального отбора операторов, оценка эффективности их работы в течение смены и от смены к смене, прогноз последствий работы операторов.

Четвертая глава посвящена исследованиям по определению номенклатуры конструктивно-технологических характеристик микросхем, тестовых структур и метода их физико-технического анализа, разработке математических моделей расчета надежностных характеристик СБИС на основе суперкристаллов.

Параметры, предусмотренные техническими условиями (ТУ) для

контроля качества ИС не в полной мере определяют их физическое состояние характеризующее надежность.

И С со скрытыми дефектами, возможно, выявить при контроле дополнительных параметров путем сравнения с их усредненными значениями.

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.

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 (г) 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:

М„„„ =тах7

где г. - число ИС, используемых для проведения ФТЭ;

Р(М;) - функция эффективности -го маршрута ФТЭ;

Рд_ , - статистическая вероятность обнаружения скрытых дефектов при реализации 1-го маршрута ФТЭ;

Е - множество методов, которые могут быть применены для

ФТЭ заданного типа СБИС:

М, Е - вектор, характеризующий -ый маршрут ФТЭ.

р _ Ц)м,

2%7 • <4'2)

где п,ц - среднестатистическое нормированное число обнаруженных скрытых дефектов при использовании на данном предприятии .-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.

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.

Сокращенный маршрут проведения фюико-технической экспертизы __ Таблица 1

№ п/п Наименование этапа Название операции Проверочные показатели качества Приборы и оборудование Время анализа Критерии качества Возможные виды Ерака

Технологическая операция Метод контроля

1. Диагностика по внешним выводам 1.Контроль статических и динамических параметров 1 ок, напряжение, сопротивление, время 11р ограмма контр о ля статических и динамических параметров И С АИС Соответствие ТЗ.ТУ

1 Контроль качества корпуса и сборочных операций 1 .Контроль герметичности и состава среды а) герметичность б) состав среды Методика 2 РД 22. П. 174 Метод 405-1.3 ОСТ 11. 073.013-83 Масс-спектро-мегр КФУЛ 413.599. 001 10 ч Соответствие ТД Механичес -кие повреждения

2.Контр оль качества покрытия 3. Акустическая микроскопия Элементный состав Однородность а) качество сварных соединений термосгабильность в) контроль мех. напряжений г) качество посадки Методики 3, 5 РД22.12.174 ОСТ 11 14.1012 Методика б РД 22.12.174 Метод 33 ОСТ 11 14.1012 Электр.микр. ОЖК-спектр Акустический микроскоп (Германия) 1 ч 7-10 ч Золотое покрытие I АиЛ > 0.6 (С02)вА1<2% Пустоты, микротрещены, концентрация мех. напряжений Эрозия, отслаивание

3. Контроль качества кристалла .Контроль термостабильно ста диэлектрика Наличие подвижного заряда Методика 13 РД 22.12.174 Динамические В АХ МДП структур при повышенной Т метод смещения ВФХ МДП-структур Измеритель ДВАХ Измеритель ВФХ 1ч Соответствие 1Д

2.Контроль стабильности металлизации и элегаромиграция 3.Контроль состава изолируещего диэлектрика (ИД) 4.Контроль распределения времени жизни ННЗ по площади пластины Величина сопротивления Элементный состав Вр емя жизни ННЗ в зпитзксиальных слоях КОЭС Метод 40 ОСТ 11 14.1012 Методики 3, 5 РД22.12.174 ОСТ И 14.1012 Методика 23, 24, 25 РД 22.12.174 Затухание отражённого от структуры опорного сигнала при возбуждении ННЗ модулированным излучением Установка Электр.микр. ОЖК-спектр Генератор опорного сигнала, генератор возбуждающего излучения, модулятор, фотоприёмник, осциллограф 2ч 25-30 с изм. Увеличение электрического сопротивления Соответствие ТД Разброс значений времени жизни ННЗ по площади структуры менее 5-7% Параметри ческие отказы Уход параметров

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). Для структуры суперкристалла, в которой резервные элементы могут замещать несколько процессорных элементов, число которых равно числу годных резервных процессорных элементов, модель оценки выхода годных на этапе производства имеет следующий вид:

где г) - плотность дефектов на поверхности суперкристаллов;

пт - количество транзисторов в одном процессорном элементе; Бп - площадь одного транзистора; N0 - число строк в суперкристалле;

Мс - число основных процессорных элементов (ПЭ) в строке; ш - число резервных ПЭ в строке. Аналогично получена модель расчета вероятности безотказной работы су пер кристалла на этапе эксплуатации:

т-1 } . . -

»"^(«-ОС^ЕМ*)

т - число резервных ПЭ в строке, оставшихся незадействованными на этапе производства;

Р1 - вероятность безотказной работы одного ПЭ; Рпр - 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 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 возможности использования метода физико-технической экспертизы для ускоренной оценки влагостойкости микросхем и других воздействующих факторов.

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

Рассмотрена возможность использования метода физико-технической экспертизы для других воздействующих факторов, в том числе длительных (испытаний на наработку до отказа в электрическом режиме при повышенной температуре). При этом физико-техническим методом проводится оценка электромиграции и зависимости пробоя диэлектрика от времени.

Показано, что методом физико-технической экспертизы, возможно проводить оценку правильности разработки по величине тепловых полей и электрических потенциалов.

Проведя физико-техническую экспертизу элементов конструкции и кристалла микросхемы, можно определить устойчивость ИС к внешним воздействующим факторам и оценить их качество.

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.

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 (п > 5).

Перед расчетом толерантных границ необходимо:

- исключить аномальные значения контролируемого параметра (аномальными являются значения измеряемой величины, резко отличающиеся от группы значений контролируемого параметра);

- проверить согласие опытного распределения значений параметра с нормальным законом.

В случае объединения данных измерений параметра для отдельных партий изделий, изготовленных в разное время, перед проверкой согласия опытного распределения значений параметра с нормальным законом следует проверить однородность данных выборок, то есть определить извлечены ли они из одной генеральной совокупности.

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

Хв,н = Х1 (6.1)

где X] и Б; - среднее арифметическое и среднее квадратическое отклонение по результатам испытаний выборки:

К = Кп (у, Р)- коэффициент, зависящий от уровня доверительной вероятности (достоверности) у, при доле Р значений параметра, попадающих в определяемые границы при объеме выборки пг

При одних и тех же значениях доверительной вероятности у и доли генеральной совокупности Р значение коэффициента К тем больше, чем меньше объем выборки п]. 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.

Для осуществления контроля выходных параметров с приемлемым уровнем доверия при оценке результатов контроля технологических операций (ТО) уровни достоверности у и доли Р целесообразно брать не менее 0,90 - 0,95.

Оценку допустимых пределов для контролируемого параметра удобно выполнять с помощью построения диаграмм с нанесенными точками, соответствующими значениям измерений контролируемого параметра, и отмеченными допусками на данный параметр, а также толерантными границами для каждой партии.

После проведения расчета толерантных границ для каждой партии осуществляется сравнение полученных значений и результатов измерений с нормами на параметр. При этом порядок оценки полученных результатов сравнения может выполняться следующим образом:

1) при соответствии результатов измерений и толерантных границ для -той партии требуемым нормам на параметр, результат считается положительным, и производится обработка результатов измерений для следующей произведенной партии;

2) если для партии имеет место случай единичного выхода толерантных границ за границы поля допуска (при соответствии результатов измерений нормам на параметр), такой результат нужно расценивать как предупреждающий сигнал для проверки состояния ТП. При этом целесообразно провести оценку и сравнение условий проведения ТО для партии j+l с соответствующими условиями при изготовлении ртой партии, для которой выхода толерантных границ за поле допуска не наблюдалось;

3) при повторном выходе толерантных границ за границы поля допуска для партии ]+2 необходимо обязательно проверить условия проведения ТО. Кроме того, целесообразно повторить расчет толерантных границ для объединенных с партией ]+1 данных результатов измерений контролируемого параметра (то есть для объема выборки п = п3+1 + пг2);

4) в случае выхода толерантных пределов за границы поля допуска и для объединенных данных, партия не поставляется, и принимается реше-

ние об обязательной проверке условий проведения ТО и проведении соответствующих мероприятий по корректировке (оптимизации) ТП.

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 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.

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