CC BY
93
УДК 621.391.822 Дата подачи статьи: 29.05.16
Б01: 10.15827/0236-235Х. 115.187-191
ВЛИЯНИЕ ВНЕШНИХ ДЕСТАБИЛИЗИРУЮЩИХ ФАКТОРОВ НА ВЕЛИЧИНУ НИЗКОЧАСТОТНОГО ШУМА ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ
М.И. Горлов, д.т.н.., профессор, m-gorlov@nbox.ru; Д.М. Жуков, аспирант, (&то^к:си@:таИги (Воронежский государственный технический университет, Московский просп., 14, г. Воронеж, 394026, Россия)
В статье представлены результаты экспериментов по измерению низкочастотного шума напряжения на выводах интегральных схем в зависимости от температуры окружающей среды, а также до и после воздействия электростатическими разрядами. Полученные данные показывают, что низкочастотный шум может являться информативным параметром для диагностики и разбраковки интегральных схем по надежности.
Низкочастотный шум достаточно заметно изменяется под влиянием внешних воздействий. Величина этого изменения зависит от состояния интегральной схемы. Ряд экспериментов, проведенных авторами статьи, доказывает данный факт. Так, например, имеет место накопительное действие электростатических разрядов, то есть каждый последующий разряд влияет на величину шума сильнее предыдущего. Зависимость низкочастотного шума от температуры говорит о том, что изменение внутреннего состояния интегральной схемы приводит к изменению величины данного вида шума. Такая зависимость дает основания предполагать, что низкочастотный шум может выступать индикатором любого внешнего воздействия, вызывающего изменение состояния внутренней структуры интегральной схемы. О чувствительности низкочастотного шума как информативного параметра говорит также изменение его величины при отжиге электростатических дефектов, рассмотренном в статье. После отжига дефекты, внесенные электростатическими разрядами, частично или полностью устраняются, так что изменение шума после отжига говорит о прямой зависимости его величины от внутреннего состояния структуры интегральной схемы.
Таким образом, эксперименты, показывающие прямую связь величины шума и внутреннего состояния интегральной схемы, позволяют разрабатывать методы сравнительных испытаний и разбраковки интегральных схем по надежности. В статье представлен способ сравнительной оценки качества и надежности двух и более партий интегральных схем, разработанный на основе полученных данных.
Ключевые слова: низкочастотный шум, электростатический разряд, интегральная схема, способ сравнительной оценки.
В состав радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) входит огромное количество полупроводниковых изделий различных типов. Наиболее сложными из них являются интегральные схемы (ИС), реализующие большинство функций РЭА. С расширением функционала РЭА повышается и сложность ИС.
Современные технологии позволяют разместить на кристалле площадью менее 1 см2 миллионы компонентов, выполняющих различные задачи. Причем на одном кристалле могут быть расположены как аналоговые, так и цифровые устройства.
С ростом сложности РЭА растут и требования к ее надежности. Особенно это касается аппаратуры военного, космического и промышленного назначения. Отказ всего одного элемента в таких приборах может обойтись очень дорого, вплоть до гибели людей. Поэтому необходимо знать, насколько надежен каждый компонент до его монтажа на печатную плату. Поскольку ИС являются наиболее сложными как с технологической, так и с конструктивной точки зрения, предсказание их надежности - трудная научная и инженерная задача.
Сегодня для обеспечения качества и надежности ИС осуществляются контроль их параметров на каждом этапе производства, а также различные тренировки, такие как термотренировки, электротренировки и электротермотренировки. Суть испытаний с использованием тренировок в том, что ИС
подвергаются повышенным тепловым и/или электрическим нагрузкам в течение длительного времени (порядка 1 000 час.) с периодическим или непрерывным контролем работоспособности. Испытания продолжаются до наступления параметрического или катастрофического отказа. Таким способом можно выяснить, какова средняя наработка до отказа в заданных условиях эксплуатации любого типа ИС.
Описанный метод наиболее достоверен в плане определения качества и надежности ИС, но имеет два основных недостатка: высокие денежные и временные затраты на испытания и невозможность испытать каждую выпускаемую ИС.
Для преодоления этих трудностей необходимы альтернативные методы контроля качества и надежности ИС на всех этапах производства - от контроля на пластине до контроля перед монтажом на печатную плату.
Одним из таких способов может стать контроль качества и надежности ИС по параметрам низкочастотного шума (НЧШ).
НЧШ присутствует на выводах любого электронного компонента и представляет собой флуктуации тока и/или напряжения [1]. Анализ характера таких флуктуаций может дать информацию о внутреннем состоянии ИС [2]. Сам факт существования НЧШ свидетельствует о наличии деградаци-онных процессов в схеме [3].
Исследование НЧШ ИС
Для диагностики надежности ИС по параметрам НЧШ необходимо знать, каким образом НЧШ реагирует на изменение внутреннего состояния испытуемого прибора. Такую информацию можно получить, исследуя поведение шума в зависимости от внешних воздействий [4].
Известно, что источником НЧШ в полупроводниковых приборах и ИС являются различные дефекты кристалла полупроводника [5]. К ним относятся как дефекты, расположенные в объеме кристалла, так и поверхностные или дефекты на границах раздела двух материалов [6, 7]. Дефекты выступают в роли ловушек для свободных носителей заряда. Захват и эмиссия электронов или дырок на ловушечные энергетические уровни, расположенные внутри запрещенной зоны полупроводникового материала, порождают флуктуации концентрации свободных носителей, что, в свою очередь, порождает флуктуации тока и напряжения.
Под внешним воздействием происходит изменение внутреннего состояния полупроводникового кристалла [8]. Общая картина данного изменения будет зависеть от количества и типа дефектов, присутствующих в кристалле. Индикатором изменения может являться величина НЧШ [9].
В работе исследовалось поведение шума под воздействием повышенной температуры и электростатических разрядов (ЭСР).
Для исследования случайным образом были выбраны 15 логических ИС типа К176ЛИ1.
Данная микросхема представляет собой логический элемент 9И-НЕ, выполненный по КМОП-технологии. НЧШ измерялся по схеме, приведенной на рисунке 1.
Номинал нагрузочного резистора составлял 600 Ом. При такой величине нагрузки ток, проходящий через ИС, был достаточно велик для измерения шума, но не вызывал перегрева схемы.
После оцифровки с помощью цифрового осциллографа полученный сигнал сохранялся в памяти компьютера в виде последовательности значений флуктуирующего напряжения. После этого вычислялось среднеквадратичное значение напряжения.
В начале эксперимента был измерен НЧШ каждой ИС в выборке в полосе частот 500-1 500 Гц при различных температурах окружающей среды. График изменения среднеквадратичного значения шумового напряжения приведен на рисунке 2. Температура изменялась от комнатной до 100 °С и обратно со скоростью не более 2 °С/мин.
Рис. 2. График изменения дисперсии шумового напряжения в зависимости от температуры окружающей среды
Fig. 2. A graph of noise voltage dispersion behaviour depending on environment temperature
Такое поведение НЧШ было характерно для каждой исследуемой ИС - различались только значения.
Как видно из графика, уровень НЧШ увеличивается с температурой, что объясняется увеличением интенсивности процессов, являющихся причиной шума. К таким процессам можно отнести процессы захвата-эмиссии свободных носителей заряда ловушками в подзатворном окисле. Следует обратить внимание на то, что форма зависимости одинакова как при увеличении температуры, так и при ее последующем снижении (отсутствует гистерезис). Это говорит о том, что при кратковременном воздействии повышенной температуры в структуре ИС не происходит никаких необратимых процессов, которые могли бы повлиять на уровень шума.
Далее на каждую ИС в выборке воздействовали электростатическим разрядом потенциалом 200 В (максимально допустимым по техническим условиям) по модели тела человека. Воздействие проводилось по выводам «выход-общая точка», «выход-питание». По входам воздействия не проводились из-за большой чувствительности подза-творного окисла к ЭСР. После воздействия измерялся НЧШ.
Далее проводились два цикла отжига при 100 °С длительностью 1 час каждый. График изменения уровня НЧШ показан на рисунке 3.
Из графика видно, что НЧШ ИС уменьшается после воздействия ЭСР. Далее имеет место нестабильность среднеквадратичного значения шумового напряжения после первого и второго отжигов. В итоге уровень шума стал ниже, чем в начале эксперимента.
SS 300
До ЭСР
После ЭСР После Отжига 1 После Отжига 2
Рис. 3. График изменения уровня НЧШ под воздействием ЭСР с последующим отжигом
Fig. 3. A graph of low-frequency noise level behaviour affected by an electrostatic discharge with follow annealing
Данное явление, по-видимому, связано с физическими свойствами дефектов структуры ИС, вносимых ЭСР.
Для исследования влияния ЭСР с потенциалами, значительно превышающими допустимые по ТУ, были случайным образом выбраны 10 логических ИС типа К176ЛП11.
Для исследования влияния величины потенциала ЭСР на величину НЧШ ИС был проведен следующий эксперимент. На выборке из 5 ИС измерялось среднеквадратичное значение шумового напряжения до воздействия ЭСР. Далее последовательно проводились воздействия ЭСР, каждый раз увеличивая величину его потенциала, начиная с 400 В. После каждого воздействия измерялся уровень НЧШ. Результаты эксперимента показаны на рисунке 4.
250
(N200
CQ
X
,50 □
= 100 50
Р0000000000000000000000 С0000000000000000000000
m ftlDtOOlNÎlCOOItlDfflniDO'ÎMNlDOtM HHHHNnNNfymiDtt'ÎWiniDlDlC
Потенциал ЭСР, В
Рис. 4. Зависимость уровня НЧШ ИС типа К176ЛП11 от величины потенциала ЭСР
Fig. 4. A dependence of К176ЛП11integrated circuit low-frequency noise level on a electrostatic discharge potential value
Очевидно, что уровень НЧШ ИС не менялся вплоть до потенциала ЭСР в 6 400 В. При достижении данной величины уровень шума резко возрастал на два порядка. При этом ИС оставалась работоспособной, хотя уровень логической единицы несколько отклонялся от первоначальной величины, оставаясь при этом в пределах нормы.
Для проверки критичности величины потенциала ЭСР в 6 400 В был проведен следующий экспе-
римент. На выборке из 5 ИС было измерено среднеквадратичное значение шумового напряжения до воздействия ЭСР. Далее на ИС последовательно осуществлялись воздействия ЭСР потенциалом 6 400 В. После каждого воздействия измерялся уровень НЧШ. Всего было по 4 воздействия на каждую ИС. Результаты эксперимента представлены на рисунке 5.
График показывает, что воздействие ЭСР потенциалом 6 400 В не так сильно изменяет уровень шума ИС, как в предыдущем эксперименте. Очевидно, что это происходит из-за того, что в предыдущем эксперименте на ИС предварительно проводилось 20 воздействий ЭСР со все более возрастающим потенциалом, то есть имеет место накопительный эффект. Так, из рисунка 5 видно, что НЧШ практически не изменился после первых двух воздействий ЭСР потенциалом 6400 В, но начал резко меняться уже после третьего.
Результаты всех проведенных экспериментов показывают, что ЭСР и повышенная температура влияют на уровень НЧШ ИС. Это влияние заключается в увеличении уровня НЧШ после воздействия ЭСР и во время воздействия повышенной температуры. Также установлено, что влияние имеют только ЭСР с достаточно высоким потенциалом. ЭСР с максимально допустимым по ТУ на ИС потенциалом никак не влияют на уровень НЧШ.
Установлено, что при воздействии ЭСР на ИС имеет место накопительный эффект, то есть величина, на которую изменяется уровень НЧШ после воздействия ЭСР, напрямую зависит от количества и потенциала предыдущих воздействий. Так, из третьего эксперимента видно, что при однократном воздействии ЭСР с потенциалом, превышающим максимально допустимый по ТУ более, чем в 30 раз, уровень НЧШ не изменяется. Изменения наступают при дальнейших воздействиях. Это говорит о том, что каждое воздействие вносит дополнительные дефекты в ИС, которые снижают стойкость ИС к последующим воздействиям.
0
Способ сравнительных испытаний по надежности партий ИС
На основе полученных экспериментальных данных разработан и запатентован способ сравнительной оценки партий ИС по надежности [10]. Он основан на измерении информативного параметра в исходном состоянии, после воздействия на ИС пяти импульсов ЭСР обеих полярностей потенциалом, предельно допустимым по ТУ, после хранения в течение 72 часов при нормальных условиях (атмосферном давлении, температуре 7=22±5 °С), после термического отжига при температуре 7отж=100 °С в течение 2 часов и сравнении трех величин: Д1=Хнач-ХзСР, Д2=ХзСР-Ххр, Дэ=Ххр-Хотж, где Хнач - значение информативного параметра в начале измерений (в исходном состоянии); ХЭСР -значение информативного параметра после воздействия ЭСР; Ххр - значение информативного параметра после хранения в течение 72 часов; Хотж -значение информативного параметра после термического отжига при температуре 7=100 °С.
Способ был опробован на выборках из двух партий ИС типа К155ЛЕ1 (четыре логических элемента 2ИЛИ-НЕ, выполненных по ТТЛ-технологии с окисной изоляцией карманов). Из каждой партии методом случайной выборки было отобрано по 10 ИС. В качестве информативного пара-
метра взято среднеквадратичное значение напряжения НЧШ U2 . На каждой ИС измерено значение шумового напряжения по выводам питание-общая точка (выводы 14-7). Измерение НЧШ проводилось при токе 7,5 мА, с полосой частот 200 Гц, при центральной частоте 1 000 Гц. Затем ИС подвергались воздействию ЭСР потенциалом 200 В. Воздействие осуществлялось следующим образом. ЭСР подавался на выводы ИС: питание-общая точка (выводы 14-7), вход-питание (выводы 2-14), выход-питание (выводы 1-14), вход-выход (выводы 1-2). Сначала подавались пять ЭСР одной полярности, потом пять ЭСР другой полярности. Затем замерялось среднеквадратичное значение напряжения НЧШ после ЭСР
U^cp . Далее ИС хранились в нормальных условиях в течение 72 часов. Замерялось среднеквадратичное значение напряжения НЧШ после хранения
U2хр . Осуществлялся термический отжиг всех ИС при температуре 7=100 °С. Замерялось среднеквадратичное значение напряжения НЧШ после ЭСР
U 2 . Далее для каждой ИС определялись значения величин Aj = UШНАЧ ~UШЭСР ,
А = U2 - U2 A = U2 —U2
a2 u ШЭСР u ШХР ' А3 U ШХР U ШОТЖ •
Таблица 1 Table 1
Результаты испытаний выборки из партии 1 Test results of a lot sample 1
№ ИС иШхр, мкВ2 Ах А2 Аз
иШнАЧ, MKtf иШэср , МКВ2 иШотж , м«в2
1 14,48 14,61 14,46 14,48 -0,13 0,15 -0,02
2 14,19 14,30 14,29 14,26 -0,11 0,01 0,03
3 14,81 14,9 14,88 14,86 -0,09 0,02 0,02
4 14,68 14,76 14,79 14,79 -0,08 -0,03 0
5 14,4 14,65 14,41 14,34 -0,25 0,24 0,07
6 14,68 14,76 14,7 14,72 -0,08 0,06 -0,02
7 14,27 14,34 14,34 14,39 -0,07 0 -0,05
8 14,43 14,69 14,38 14,47 -0,26 0,31 -0,09
9 14,52 14,60 14,58 14,56 -0,08 0,02 0,02
10 14,48 14,64 14,64 14,66 -0,16 0 -0,02
Таблица 2
Результаты испытаний выборки из партии 2
Table 2
Test results of a lot sample 2
№ ИС иШхР, мкВ2 Ах А2 Аз
ишнач > мкв2 ишэср > мкв2 ишотж > м«в2
1 14,23 14,48 14,32 14,33 -0,25 0,16 -0,01
2 14,28 15,07 14,99 14,45 -0,79 0,08 -0,54
3 14,15 14,29 14,30 14,26 -0,14 -0,01 0,04
4 14,11 14,48 14,48 14,22 -0,37 0 0,26
5 14,18 14,31 14,22 14,24 -0,13 0,09 -0,02
6 14,22 14,37 14,30 14,29 -0,15 0,07 0,01
7 14,4 14,65 14,66 14,59 -0,25 -0,01 0,07
8 14,29 14,32 14,30 14,29 -0,03 0,02 0,01
9 14,46 14,59 14,46 14,40 -0,13 0,13 0,06
10 14,21 14,35 14,34 14,36 -0,14 0,01 -0,02
Результаты измерения величин среднеквадратичного значения напряжения НЧШ, а также значения величин Д1, Д2, Дз представлены в таблице 1 (для выборки из партии 1) и в таблице 2 (для выборки из партии 2).
Из таблиц видно, что для каждой ИС величины Д1 , Д2, Д3 могут иметь как отрицательные, так и положительные значения, причем Д1 всегда отрицательная. Величины Д2, Д3 могут быть как положительными, так и отрицательными. В первой выборке общее число отрицательных значений величин Д2 и Д3 девять (ноль считаем за отрицательное значение). Во второй выборке общее число отрицательных значений величин Д2 и Д3 семь. Таким образом, общее число отрицательных значений величин Д1 , Д2, Д3 в первой выборке больше, чем во второй. На основании этого делаем вывод, что вторая партия значительно надежнее первой.
Литература
1. Ван дер Зил А. Шум (источники, описание, измерение); [пер. с англ.; под ред. А.К. Нарышкина]. М.: Сов. радио, 1973. 228 с.
2. Разуменко Д. Низкочастотные шумы электронных компонентов как инструмент для диагностики внутренних дефектов // Компоненты и технологии. 2008. № 9. С. 168-174.
3. Врачев А.С. Низкочастотный шум - свойство диссипа-тивных систем // Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах: матер. докл. науч.-технич. сем. М., 1996. С.191-197.
4. Горлов М.И., Сергеев В.А. Современные диагностические методы контроля качества и надежности полупроводниковых изделий. Ульяновск: Изд-во УлГТУ, 2014. 406 с.
5. Лукьянчикова Н.Б. Флуктуационные явления в полупроводниках и полупроводниковых приборах. М.: Радио и связь, 1990. 296 с.
6. Нарышкин А.К., Врачев А.С. Теория низкочастотных шумов. М.: Энергия, 1972. 152 с.
7. Mohammadi S., Pavlidis D. A Nonfundamental Theory of Low-Frequency Noise in Semiconductor Devices. IEEE: Transactions on electron devices, vol. 47, no. 11, November 2000.
8. Avery L.R. Electrostatic discharge: mechanism, protection techniques and effects on integrated circuit reliability. RCA Rev, 1984, no. 2, pp. 291-302.
9. Карба Л.П., Ульман Н.Н. О выборе шумовых параметров для прогнозирования отказов транзисторов // Электронная техника. 1978. Сер. 8. Вып. 7. С. 14-19.
10. Горлов М.И., Жуков Д.М., Клюкин А.А. Способ сравнительных испытаний по надежности партий интегральных схем: пат. 2546998 Российская Федерация. №> 2012116017/28.
DOI: 10.15827/0236-235X. 115.187-191 Received 29.05.16
EXTERNAL DESTABILIZING FACTORS INFLUENCE ON INTEGRATED CIRCUIT
LOW-FREQUENCY NOISE
1 Gorlov M.I., Dr.Sc. (Engineering), Professor, m-gorlov@inbox.ru; lZhukov D.M. Postgraduate Student, ddimochka@mail.ru lVoronezh State Technical University, Moskovsky Ave. 14, Voronezh, 394026, Russian Federation
Abstract. The article presents test results of low-frequency noise measurement at chip pins depending on environment temperature, as well as with an electrostatic discharge impact. The data shows that low-frequency noise may be an informative parameter for integrated circuit diagnostics and grading by their reliability.
A low-frequency noise changes under the influence of external factors. The variation value depends on an integrated circuit state. The number of experiments conducted by the authors prove the fact. For example there is a cumulative effect of electrostatic discharge, i.e. each subsequent discharge affects a noise value stronger than the previous one. The dependence of low-frequency noise on a temperature says that the change in an integrated circuit internal state leads noise value changing. Such dependence gives reasons to believe that low-frequency noise may be an indicator of any external influence, which causes changing of integrated circuit internal state. In addition, the sensitivity of low-frequency noise as the informative parameter suggests its value changing during electrostatic defect annealing. As known from literature, after annealing the defects of electrostatic discharges are partially or completely eliminated. The noise change after annealing proves a direct correlation between its magnitude and an integrated circuit structure internal state.
Thus, the experiments, which show a direct bond between a noise value and an integrated circuit internal state, allow developing techniques for comparative tests and integrated circuit grading by reliability. The article presents a method for comparative assessment of quality and reliability of two or more integrated circuit lots.
Keywords: low-frequency noise, electrostatic discharge, integrated circuit, method of comparative assessment.
References
1. Van der Ziel A. Noise. Prentice-Hall Publ., 1954 (Russ.ed.: A.K. Naryshkin (Ed.), Moscow, Sov. radio Publ., 1973, 228 p.).
2. Razumenko D. Electronic components' low-frequency noise as a tool for internal fault diagnosis. Komponenty i tekhnologii [Components & Technologies]. 2008, no. 9, pp. 168-174 (in Russ.).
3. Vrachev A.S. Low-frequency noise is a property of dissipative systems. Mat. dokl. nauch.-tekhn. sem. "Shumovye i degradatsionnye protsessy v poluprovodnikovykh priborakh" [Proc. Science and Technical Workshop "Noise and Degradation in Semiconductor Devices"]. Moscow, 1996, pp. 191-197.
4. Gorlov M.I., Sergeev V.A. Sovremennye diagnosticheskie metody kontrolya kachestva i nadezhnosti poluprovodnikovykh izdely [Modern Diagnosis Methods for Quality and Reliability Control of Semiconductor Devices]. Ulyanovsk, UlGTU Publ., 2014, 406 p.
5. Lukyanchikova N.B. Fluktuatsionnye yavleniya v poluprovodnikovykh priborakh [Fluctuating in Semiconductor Devices]. Moscow, Radio i svyaz Publ., 1990, 296 p.
6. Naryshkin A.K., Vrachev A.S. Teoriya nizkochastotnykh shumov [Theory of Low-Frequency Noise]. Moscow, Energiya Publ., 1972, 152 p.
7. Mohammadi S., Pavlidis D. A Nonfundamental Theory of Low-Frequency Noise in Semiconductor Devices. IEEE: Transactions on Electron Devices. 2000, vol. 47, no. 11.
8. Avery L.R. Electrostatic discharge: mechanism, protection techniques and effects on integrated circuit reliability. RCA Rev. 1984, no. 2, pp. 291-302.
9. Karba L.P., Ulman N.N. On the choice of noise parameters to predict transistor failure. Elektronnaya tekhnika [Electronic Engineering]. 1978, ser. 8, no. 7, pp. 14-19 (in Russ.).
10. Gorlov M.I., Zhukov D.M., Klyukin A.A. Sposob sravnitelnykh ispytany po nadezhnosti party integralnykh skhem [Reliability Comparative Tests for Integrated Circuit Lots]. Patent 2546998 of the Russian Federation no. 2012116017/28, 2015.
