CC BY
163
Микроэлектроника
УДК 621.382
ДИАГНОСТИКА ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ ПО ЧАСТОТНЫМ ХАРАКТЕРИСТИКАМ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЯХ ПИТАНИЯ И ТЕМПЕРАТУРАХ
А.А. Винокуров, М.И. Горлов, А.В. Арсентьев, Д.М. Жуков
Рассмотрены методы оценки потенциальной надежности интегральных схем (ИС) по их частотным характеристикам, измеренным в широком диапазоне напряжений питания при различных температурах
Ключевые слова: критическое напряжение питания, повышенная температура, время нарастания, частотные характеристики
Диагностика КМОП ИС
Разделение партий ИС по надежности остается актуальной задачей на протяжении многих лет. Современные производители добились хороших показателей по воспроизводимости параметров ИС и их надежности. Но полного отсутствия отказов ИС за гарантийное время достичь не удалось. Уменьшение линейных размеров элементов выявило новые механизмы отказов, такие как эффект туннелирования электронов в транзисторе, не учитывающийся в более крупных проектных нормах. Применение ИС в особо важных объектах не допускает даже их единичных отказов. Поэтому предприятия, использующие ИС, применяют не только входной контроль по электрическим параметрам в рамках требований технических условий, но и диагностические способы отбраковки [1]. К неразрушающим методам относится диагностика с помощью критического напряжения питания (КНП) и с использованием разных частот. В данной работе постарались объединить два этих метода, применив дополнительный параметр -температуру.
Задача исследования - повысить достоверность выявления ИС с пониженной надежностью методом КНП с использованием параметров, непосредственно с КНП не связанных. К таким параметрами относятся температура, частота работы ИС и связанный с ней параметр - фронт нарастания выходного напряжения. Попытки модифицировать хорошо известный метод КНП предпринимались и ранее, стоит отметить работу [1], в которой показаны методы разделения партий ИС по надежности, основанные на измерении частотной зависимости критического напряжения питания.
При повышении температуры окружающей среды влияние дефектов ИС на характеристики изменяется. Предполагается, что зависимость частотных характеристик от температуры может дать дополнительную информацию об уровне
Винокуров Александр Александрович - ВГТУ, аспирант, тел. (473) 2437695, e-mail: sasha.vinokurov@mail.ru Горлов Митрофан Иванович - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. (473) 2437695, e-mail: m-gorlov@inbox.ru Арсентьев Алексей Владимирович - ВГТУ, канд. техн. наук, ст. преподаватель, e-mail: aleksej.box@gmail.com Жуков Дмитрий Михайлович - ВГТУ, аспирант, e-mail: ddimochka@mail. ru
дефектности структуры прибора и соответственно его надежности.
На вход логической ИС подается периодический сигнал типа меандр с регулируемыми частотой и амплитудой. Частота выбирается одной из ряда 8/п, где п=1, 2, 3 .... МГц. Это связано со спецификой работы микроконтроллера, на котором была реализована данная функция. ИС М561ТМ2, которые были выбраны для исследования, стабильно заработали на частоте порядка 1 МГц, на которой в дальнейшем осуществлялись измерения. Амплитуда меандра регулировалась через резистивный делитель, позволяющий плавно задать ее значение от напряжения питания, равного 5В, до 0,1 В. Так как в качестве дополнительного параметра была выбрана температура, то измерения параметров ИС осуществлялись у М561 ТМ2, находящегося внутри термостата. Важно отметить, что температура (100°С) при этом выходит за допустимые пределы, указанные в документации (85°С). Сделано это было с целью уменьшить запас по надежности, который производители традиционно закладывают в свои ИС, чтобы точно попасть в декларируемые в справочниках параметры. Предполагается, что таким образом различия по надежности ИС станут более явными.
Сигнал с ИС снимался осциллографом Уе11ешап РСБ500 в режиме гигавыборки в секунду, что позволяет замерять фронты и спады сигнала с точностью до 1 наносекунды. Далее выходной сигнал был обработан в системах ЫЛТЬЛБ и БХСБЬ для получения значения фронтов и спадов импульсов в наносекундах.
Напряжение питания снижалось
последовательно от номинального (5 В) до наступления параметрического отказа. Так как время нарастания измерялось как интервал, за который амплитуда сигнала изменяется от 10 до 90 % напряжения питания, то отказ фиксировался при максимальном значении сигнала меньше 90 % или минимальном значении больше 10 %. Минимальное напряжение, при котором ИС сохраняла свою работоспособность, принималось за критическое.
Для разных ИС наблюдался значительный разброс по КНП. На рис. 1 приведены зависимости времени нарастания выходного напряжения от
напряжения питания при температуре окружающей среды 20 оС от номинального напряжения до критического.
Рассмотрим аналогичную зависимость при 100 градусах (рис. 2). При повышении температуры до 100°С КНП исследуемых ИС уменьшилось, что свидетельствует об улучшении работы ИС. При этом относительное положение ИС в ряду значений КНП не изменилось в силу значительного изначального разброса, но абсолютное изменение КНП для разных ИС оказалось различным. Больше всего КНП изменилось у ИС, имеющих изначально наибольшие значения КНП. У ИС №7, имеющей наименьшее значение КНП при 20 градусах, изменения не наблюдалось. Улучшение работы схемы говорит о наличии дефектов, влияние которых нивелируется с увеличением температуры
(например, рассасывание объемных зарядов в структуре под действием температуры). Такие ИС являются потенциально ненадежными.
В общем случае с уменьшением частоты напряжение КНП уменьшается (рис. 3). В работе была выбрана частота 1 МГц, т.к. это значение близко к пределу работоспособности данной ИС. Предполагается, что на частотах, близких к предельным, отклонения от норм электрических параметров и их разброс проявятся значительнее, чем на более низких частотах. Таким образом, становится возможным получить информативные зависимости параметров от внешних воздействий и по их поведению оценить степень дефектности схемы и её надежность.
Рис. 1. Зависимость времени нарастания выходного напряжения от напряжения питания при комнатной
температуре ИС типа М561ТМ2
Рис. 2. Зависимость времени нарастания выходного напряжения от напряжения питания при температуре 100 "С
ИС типа М561ТМ2
3,5
2,5
(Ни, В
Частота, кГц
О 200. .„400
ИС540^—Ж ЛС710°°
Рис.3. Зависимость КНП ИС типа М561ТМ2 от частоты
Рассмотрим изменение времени нарастания в зависимости от температуры при номинальном (5 В) и пониженном напряжениях питания при 3,8 В. В выборке есть ИС с меньшим значением КНП, но 3,8 В взято как максимальное значение КНП выборки для удобства сравнения и качественной оценки поведения зависимостей (рис. 4 и 5).
Из рисунков видно, что с увеличением температуры время нарастания плавно увеличивается. Вид зависимости с увеличением напряжения питания не претерпевает сильных изменений. Какие либо выводы о надежности ИС из этих графиков сделать трудно.
Время нарастания при 100 градусах по сравнению с 20 градусами увеличилось при всех напряжениях питания. Сравним увеличение времени нарастания при различных напряжениях (рис. 6).
Предполагается, что в бездефектной схеме время нарастания с понижением напряжения монотонно увеличивается (этому условию удовлетворяют ИС №5,8,9). При уменьшении напряжения питания на некоторых кривых наблюдаются перегибы, которые показывают наличие дефектов (ИС №5).
Рис.4. Время нарастания фронта импульса на выходе ИС типа М561 ТМ2 при номинальном напряжении питания
Рис.5. Время нарастания фронта импульса на выходе ИС типа М561 ТМ2 при пониженном напряжении питания
Рис. 6.Разность времени нарастания выходного напряжения от напряжения питания для температур 100 "С и 20
"С ИС типа М561ТМ2
Диагностика биполярных ИС
Исследования проводились на выборке ИС типа БК7474К, выполненных по ТТЛ-технологии и представляющих собой 2 Б-триггера. У ИС контролировалось время нарастания. Отказом считалось нарушение логики работы ИС. Параметрический отказ по максимальному значению времени нарастания и спада не фиксировался. Отметим, что все параметры всех исследуемых ИС в условиях, не выходящих за рамки, указанные в технической документации, не выходят за пределы норм.
На рисунке 7 представлена зависимость КНП ИС типа БК7474К от температуры в диапазоне 20130 оС.
Рис. 7. Зависимость КНП ИС типа БК7474К от температуры
При температурах, превышающих 120 °С для некоторых ИС КНП начинает увеличиваться. Вероятно, при таких температурах в схемах значительное влияние начинают оказывать утечки, усиливающиеся из-за изменения сопротивления объемных областей.
На рис. 8 показаны зависимости времени нарастания ИС типа БК7474№т напряжения питания при температуре 20 °С.
Существенной разницы между зависимостями для разных ИС нет, что не позволяет определить в выборке дефектные ИС. При 20 °С разброс параметров более выражен, чем при повышенных температурах вплоть до 100 °С.
Зависимость разности времени нарастания при 20 и 100 °С от напряжения питания представлена на рис. 9. Из рисунка 9 видно, что до 3,5 В разность близка к 0, после 3,5 В время нарастания растет значительно быстрее при 20 °С, чем при 100 °С. Так как время нарастания начинает значительно увеличиваться только при приближении к КНП, то полученная зависимость коррелирует с уменьшением КНП. Из зависимостей времени нарастания от напряжения также не видно наличия в рассматриваемых схемах дефектов.
Рис. 8. Зависимость времени нарастания ИС типа БК7474К от напряжения питания при 20 °С
Рис. 9. Зависимость от напряжения питания разности времени нарастания при 20 и 100 °С
На рис. 10 представлена зависимость времени нарастания при напряжении питания 3 В от температуры.
В отличие от большинства ИС аномальный вид зависимости наблюдается у ИС №1 и №4. Это говорит о наличии дефектов, отсутствующих в других ИС и активирующихся при 60 и 80 градусах у ИС №1 и №4 соответственно. Из этого предполагаем, что эти ИС являются менее надёжными, чем остальные ИС в выборке, а зависимость времени нарастания при КНП от температуры является параметром наиболее чувствительным к наличию дефектов из всех рассмотренных в статье параметров.
Во многих диагностических методах в качестве информативных параметров используются напряжение логического нуля, логической единицы, измеренные с высокой точностью. Такие параметры пригодны для статического режима работы ИС, но в динамическом режиме их измерение либо невозможно, либо сопряжено с большими трудностями.
При пониженных напряжениях форма выходного сигнала значительно отличается от прямоугольной формы, до такой степени искажения, что о фронте нарастания сигнала можно говорить лишь условно. Чтобы иметь возможность сравнивать между собой выходные сигналы искаженной формы предлагается разложить их в
ряд Фурье и анализировать амплитудные коэффициенты гармоник ряда (табл.). Таким образом, появляется возможность численно сравнивать между собой сигналы. Сложность метода заключается в выработке критерия дефектности прибора основанного на коэффициентах гармоник ряда, необходим большой экспериментальный материал, поскольку 10 приборов явно недостаточно.
50
Рис. 10. Зависимость времени нарастания типа ИС типа БК7474Кпри КНП от температуры
В таблице представлены первые 10 значимых коэффициентов ряда Фурье для выходного сигнала ИС3 при напряжениях питания 4 В, 3 В и критическом напряжении питания (2,678 В).
Выводы: наиболее чувствительным к наличию дефектов параметром КМОП ИС является зависимость разности времени нарастания выходного напряжения при 100 и 20 градусах от напряжения питания. Для биполярных ИС наиболее чувствительным к наличию дефектов параметром является зависимость времени нарастания выходного напряжения при КНП от температуры.
Первые 10 значимых коэффициентов ряда Фурье
для выходного сигнала при различных _напряжениях питания_
№ гармоники Коэффициент гармоники при иПИТ, В
4 В 3 В 2,678 В
1 1289 1585 2756
21 754 976 1739
41 104 113 42
61 205 262 577
81 70 76 43
101 110 155 337
121 64 40 40
141 74 122 230
161 54 29 43
181 48 89 169
Литература
1. Горлов М.И. Диагностика в современной микроэлектронике / М.И. Горлов, В.А. Емельянов, Д.Ю. Смирнов. - Минск: Интегралполиграф, 2011. - 376 с.
2. Алмина, Н.А., Контроль микроэлектронных устройств методом критических питающих напряжений / Н.А. Алмина, В.Ю.Гаврилов, Н.Н. Номоконова // Надежность и техническая диагностика. 2010. №1. - С. 115-120.
3. Горлов М.И. Разделение партий интегральных схем по надёжности с использованием критического напряжения питания [Текст] / М.И. Горлов, А.А. Винокуров // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2012. - Т.8. - №12-1. -С. 31-33.
4. Винокуров, А.А. Диагностика интегральных схем с использованием критического напряжения / А.А.Винокуров, М.И.Горлов // Флуктуационные и деградационные процессы в полупроводниковых приборах: матер. междунар. науч.-метод. семинара - М., 2013 - С.134-138.
Воронежский государственный технический университет
DIAGNOSTIC OF INTEGRATED CIRCUITS FREQUENCY RESPONSE AT DIFFERENT SUPPLY VOLTAGES AND TEMPERATURES
A.A. Vinokurov, M.I. Gorlov, A.V. Arsentev, D.M. Zhukov
In the article is described technique of detecting devices containing defects in the structure. Basing on this we conclude the reliability of devices. This technique is a modified method of critical voltage, complete research instruments at varying temperature and frequency. We investigated the devices fabricated in CMOS technology and functionally M561TM2 represent D-flip-flop. The study revealed different behavior fronts rise of IC in the CV at 1 MHz and two temperatures 20°C and 100°C
Key words: critical voltage, electrical information parameter
