CC BY
369
Контактные площадки штатной платы
Контактные площадки по IPC-7351B
Рисунок 7 - Сравнение габаритов контактных площадок штатной и вновь спроектированной по 1РС-7351А печатной платы
Выводы
Исходя из полученных результатов можно сделать вывод, что наличие «зернистой» пайки на контактных площадках исследуемой платы (изготовленной по 3-му классу точности согласно ГОСТ 23752-79 [7]) проявляется из-за того, что соотношение размера контактной площадки и размера вывода конденсатора превосходит аналогичные соотношения для других компонентов, установленных
на данной ячейке и ячейках изготовленных по 5 классу точности. На основании изложенного, можно дать следующие рекомендации к проектированию печатных плат: контактные площадки должны быть максимально малого размера, но обеспечивающие формирование качественной галтели припоя. Рекомендуется проектировать контактные площадки с учетом требований 1РС-7351Б.
ЛИТЕРАТУРА
1. Власова А.М., Андреев П.Г., Наумова И.Ю. Надежность и качество радиоэлектронной аппаратуры // Труды Международного симпозиума "Надежность и качество". - Пенза, 2016. Т.1. С. 313-314.
2. IPC-610D.
3. Тюлевин С.В., Пиганов М.Н. Экспертные оценки в управлении качеством электронных средств: учеб. пособие. - Самара: Изд-во СГАУ. - 119 с.
4. АФЕК.005.900-2010.
5. ОСТ 92-1042-98. Радиоэлектронная аппаратура и приборы. Технические требования и требования безопасности к типовым технологическим операциям сборки и монтажа блоков и узлов на печатных платах.
6. IPC-7 351B.
7. ГОСТ 23752-7 9. Платы печатные. Общие технические условия.
УДК 621.382 Мишанов Р.О.
ФГБОУ ВО «Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева» (Самарский университет), Самара, Россия
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИЗНАКОВ, ВИДОВ, ПРИЧИН И МЕХАНИЗМОВ ОТКАЗОВ МИКРОСХЕМ, ВЫПОЛНЕННЫХ ПО КМОП-ТЕХНОЛОГИИ
В данной статье приведены результаты анализа видов отказов интегральных микросхем, выполненных по КМОП-технологии. Приведена методика исследования отказов. Описаны дефекты структуры и возможные причины возникновения отказов. Все данные систематизированы в виде таблиц
Ключевые слова:
Микросхема, отказ, виды отказов, причины отказов, дефект, КМОП-технология, анализ, систематизация
Надёжность ИМС, как и любого технического устройства, закладывается на этапе проектирования, конструирования и обеспечивается на этапе изготовления. Таким образом, очевидно, что разработчику уже на самых ранних этапах необходимо закладывать требуемые параметры с целью безотказного и бесперебойного функционирования изделия. Количественное определение этих параметров - важнейшая задача. Более того, надёжность микросхем, как и любого другого изделия, в решающей степени зависит от правильной постановки, организации, методики и технологии контроля, измерений, испытаний и в целом от уровня метрологического обеспечения производства [1]. Очевидно, что чем на более раннем этапе определяются параметры, имеющие тенденцию к раннему выходу за установленные пределы, тем меньше временных, финансовых и организационных ресурсов требуется для корректировки. Установлено, что для решения такой задачи необходимо исследование различных видов отказов, их признаков, причин и механизмов. Автор [2] отмечает, что оптимальным подходом к проблеме надёжности ИМС является совместное использование физического метода исследования причин и механизмов отказов и статистического метода получения интенсивности отказов.
Цель работы - анализ и систематизация информации по отказам КМОП микросхем для бортовой аппаратуры.
В общем случае отказом изделия называют событие, заключающееся в полной потере работоспо-
собности изделия, либо уходе одного или нескольких параметров за допустимые по техническим условиям нормы [3]. Более того, природа отказов может быть различна. На основе работ [1, 3, 4] сформирована наиболее полная и полезная для исследователя классификация видов отказов интегральных микросхем (ИМС), приведенная в таблице 1.
Стоит отметить, что с 1970-х годов наблюдается тенденция уменьшения количества внезапных отказов ИМС в сторону увеличения постепенных отказов, которые представляют особую важность для исследователя [2]. Очевидно, необходимо изучать природу возникновения таких отказов, а именно механизмы, процессы, эффекты, происходящие в ИМС. Особую сложность представляет исследование ИМС специального назначения (СН), предназначенных для использования в бортовой аппаратуре космических аппаратов (БА КА).
Исследование отказов обычно проводят в 2 этапа: первичный и вторичный анализ отказов [2]. Задачи первичного анализа заключаются:
- в установлении признаков отказа ИМС (установление различий параметров работоспособной и отказавшей ИМС);
- в определении вида отказа ИМС;
- в локализации места отказа;
- в определении вида отказа элемента ИМС;
- в установлении причин отказа, т.е. событий, предшествовавших отказу;
- в разработке рекомендаций по определению выявленных причин отказа.
Классификация видов отказов ИМС Таблица 1
Признак деления Вид отказа
Характер изменения параметра до момента возникновения отказа Внезапный (катастрофический)
Постепенный (деградационный)
Связь с другими отказами Независимый
Зависимый
Возможность последующего использования изделия после возникновения отказа Полный
Частичный
Наличие внешних проявлений отказа Очевидный (явный)
Скрытый (неявный)
Характер устранения отказа Устойчивый
Самоустраняющийся Сбой
Перемежающийся
Причина возникновения отказа: при конструировании при изготовлении при эксплуатации Конструкционный (из-за нарушения норм конструирования) Производственный (из-за нарушения норм технологического процесса изготовления) Эксплуатационный (из-за нарушения условий эксплуатации)
Природа (происхождение) отказа Естественный
Искусственный
По механизму возникновения связанные с явлениями в объеме кристалла
обусловленные явлениями на поверхности кристаллической структуры
зависящие от состояния внутренних контактных соединений
связанные с конструктивным оформлением
связанные с внешними воздействиями
По механизму процесса, вызывающего отказ (вид энергии, вызывающей отказ) вызванные диффузионными процессами (механическая энергия)
вызванные дефектами и дислокациями (тепловая энергия)
вызванные флуктуационными разрывами межатомных связей (электрическая энергия)
вызванные разрывом химических связей (химическая)
вызванные радиационными эффектами (электромагнитная)
Вторичный анализ отказов заключается:
- в выявлении и уточнении причин и механизмов отказа ИМС;
- в установлении закономерностей их возникновения с помощью статистических, физических и физико-химических методов [2].
Методику исследования отказов можно представить структурной схемой, изображенной на рисунке 1. Основное внимание при анализе отказов уделяется систематическим (повторяющимся) отказам, возникающим под действием неблагоприятных факторов, причины которых необходимо выявить и устранить.
1. Установление признаков отказа ИМС
2. Определение вида отказа ИМС
£
3. Локализация места отказа в ИМС
Признаки отказа ИМС
Отказ ИМС
Н
Уровень определения
4. Определение вида отказа эле-
-------------------- • '
Факторы формирова- _^ Меха- Причины I
ния механизмов отказа низмы от- отказа I
7. Выявление и уточнение причин и механизмов отказа ИМС
5. Установление причин отказа ИМС
—тт-
Скрытый уровень
Уровень исследования
8. Установление закономерностей возникновения отказа
6. Разработка рекомендаций по определению причин отказа ИМС
о
- последовательность анализа
- направление изучения объекта илиявления
, - отношение явления к объекту
Рисунок 1 - Методика исследования отказов ИМС
Признаки отказов КМОП ИМС. Признаком отказа ИМС на качественном уровне является невозможность выполнения функций, возложенных на микросхему, а на количественном уровне - несоответствие значений измеренных параметров ожидаемым, не соответствующим техническим условиям (ТУ). Также признаки отказов устанавливаются при визуальном осмотре на наличие повреждений корпуса, выводов, маркировки. В различных случаях прибегают к вскрытию корпуса ИМС, использованию химических методов определения.
Для установления признаков отказа важным является сопутствующая изделию документация, в которой указаны режимы работы (испытаний) и условия, при которых произошел отказ, сведения о типе ИМС, номере партии, паспорт на ИМС и др.
При контроле КМОП ИМС измеряют статические и динамические электрические параметры [5]. К контролируемым статическим параметрам относят:
- ток потребления в статическом режиме;
- ток потребления при высоком и при низком уровне выходного напряжения;
- входной ток низкого и высокого уровня;
- напряжение блокировки;
- выходное напряжение низкого и высокого уровня;
- выходной ток низкого и высокого уровня;
- ток короткого замыкания [6].
Среди динамических электрических параметров контролю подвергают:
- время задержки включения и выключения;
- время задержки распространения сигнала при включении и при выключении;
- время перехода при включении и выключении;
- максимальную тактовую частоту;
- другие динамические параметры, характеризующие время выполнения функции микросхемой (время восстановления, время выборки адреса, время выборки разрешения и т.д.) [7].
В зависимости от выполняемых ИМС функций набор контролируемых параметров может меняться. Для ИМС такие параметры указываются в ТУ исполнения на каждую серию.
Методы измерения электрических параметров цифровых ИМС хорошо известны и регламентированы НТД [5-7].
К КМОП ИМС СН предъявляются требования работоспособности в условиях космического пространства (КП), где микросхемы подвергаются воздействию поражающих факторов (ПФ). К ним относят следующие факторы:
- естественные радиационные пояса Земли (ЕРПЗ);
- солнечные космические лучи (СКЛ); Виды отказов, возможные причины их воз
- галактические космические лучи (ГКЛ);
- отдельные и тяжелые заряженные частицы (ОЗЧ и ТЗЧ).
Влияние ПФ КП выражается в:
- структурных изменениях кристаллической решетки полупроводниковых материалов;
- ионизационных процессах, происходящих в активных и пассивных областях слоёв [8].
Автор [9] акцентирует внимание на том, что при воздействии мощного радиоизлучения у КМОП микросхем наблюдаются как обратимые, так и необратимые отказы, в отличие от ТТЛ ИМС, у которых наблюдаются только необратимые отказы.
В условиях КП могут возникать кратковременные изменения логического состояния ячеек памяти, триггеров и регистров, вызываемые ионизационными эффектами в структуре ИМС вследствие возникновения ионизационных импульсных токов. В худшем случае эти токи могут вызвать радиационное защелкивание (тиристорную защелку) в КМОП структурах, либо вторичный пробой диэлектриков.
Исследования отказов ИМС СН на борту КА сильно затруднено вследствие невозможности прямых измерений параметров, погрешности датчиков из-за удаленности от отказавших элементов и других причин. Поэтому изучение отказов ИМС СН проводят при их испытаниях при имитировании условий космической среды. Стоит отметить, что формирование условий космической среды также является большой проблемой из-за необходимости использования дорогостоящего оборудования, невозможности имитации отдельных условий, либо принципиальной невозможности формирования отдельных космических условий на Земле.
При проведении радиационных испытаний ряда ИМС СН автором [8] были выявлены признаки наступления отказов, характеризующиеся повышением или понижением:
- статического тока потребления;
- динамического тока потребления;
- уровней напряжения логических нуля и единицы.
На основе работ [2, 3, 4, 9, 10] была сформирована таблица взаимосвязи отказов, возможных причин их появления и дефектов ИМС СН (табл. 2). В указанной таблице приводится информация по постепенным отказам, связанным с деградацией материалов, наличием или образованием дефектов и происходящими эффектами в ИМС вследствие влияния условий окружающей среды.
В табл. 3 приведены взаимосвязь отказов, возможных причин их возникновения и дефектов ИМС СН из-за влияния радиационных факторов КП [8].
никновения и дефекты ИМС
Таблица 2
Отказ (сбой) Возможные причины Дефект
Разрушение корпуса - электрические перегрузки (повышенные напряжение, ток или мощность); - тепловые перегрузки; - механические напряжения корпуса; - негерметичность. Наличие дефектов в структуре корпуса.
Отслоение кристалла - тепловые перегрузки; - дефекты соединения кристалла с подложкой; - нарушения при технологической операции склеивания или пайки кристалла и корпуса. Неподходящий состав адгезива (преформы). Нарушение технологической операции монтажа.
Повреждение оксидных слоев - электростатический разряд; - наличие пор (тонких отверстий в оксидном слое); - влияние ионизирующего и радиационного излучения. Пустоты, микротрещины, поры в оксидном слое.
Электрические разрушения - электрическая перегрузка; - избыток влаги; - загрязнения. Наличие дефектов в структуре корпуса.
- наличие эффекта электромиграции в проводниках; - влияние высокой температуры. Наличие каналов протекания токов высокой плотности, пустот, холмиков. Дефекты на границах слоев.
Возрастание обратных токов р-п переходов, дрейф коэффициента усиления в транзисторах - диффузия примесей вдоль дефектов, влекущая появление тонких участков в базе; - дефекты кристаллической решетки вблизи сильно легированного п+ слоя и слоя базы; - концентрация токов вблизи дефектов; Наличие дефектов вблизи протекания токов в слоях.
- локальные перегревы областей, в которых проходит обратный ток переходов.
Дрейф тока стока 1с и крутизны 8 в КМОП транзисторах - некачественное защитное покрытие; - наличие остатков травителя, фоторезиста, растворов промывки, остаточных газов, влаги и др.; - разгерметизация ИМС; - рост ионного заряда в оксидном слое за счет загрязнений с поверхности слоя; - скопление положительного заряда на границе оксидного и полупроводникового слоя; - образование инверсных каналов в слоях; - уменьшение ширины р-п перехода у поверхности структуры. Наличие загрязнений в объеме оксидного слоя и ионов (Ыа+, К+, Ы+, Н+, О-) на его поверхности.
Рост токов утечки - загрязнения поверхности полупроводника, оксидного слоя; - загрязнение поверхности оксидного слоя; - загрязнения и (или) повреждения фотошаблонов; - наличие в оксидном слое протравленных участков; - паразитная диффузия через поры в оксидном слое; - наличие влаги в подкорпусном пространстве. Наличие загрязнений на поверхности.
- растрескивание оксидного слоя; - накопление заряда в пассивирующем оксидном слое, появление инверсного слоя. Наличие микротрещин в оксидном слое.
- высокие погрешности фотолитографического процесса; - паразитные диффузии примесей через увеличенные окна в оксидном слое. Увеличение размеров окон в оксидном слое.
- наличие трещин, отходящих от линий скрайбирования; - наличие трещин из-за разных коэффициентов термического расширения используемых материалов слоёв; - воздействие механических напряжений. Наличие трещин, проходящих через активную область структуры.
Дрейф пробивного напряжения - низкокачественный полупроводник; - появление эффекта лавинного пробоя из-за усиления электрического поля вблизи загрязнений; - проплавление металлизации через слои диффузии. Наличие загрязнений в структуре полупроводника.
Снижение пробивного напряжения - загрязнения поверхности полупроводника, оксидного слоя, фоторезиста; - недостаточная адгезия фоторезиста; - загрязнение поверхности оксидного слоя или фоторезиста; - загрязнения и (или) повреждения фотошаблонов; - наличие в оксидном слое протравленных участков; - паразитная диффузия через поры в оксидном слое. Наличие пор в оксидном слое.
Короткое замыкание - низкокачественный полупроводник; - появление эффекта лавинного пробоя из-за усиления электрического поля вблизи загрязнений; - проплавление металлизации через слои диффузии. Наличие загрязнений в структуре полупроводника.
- электродиффузия кремния в алюминий в области положительного контакта; - замыкание р-п перехода при длительном прохождении тока большой плотности тока (1 ~ 1010 А/м2) при высокой температуре (около 200 °С). Наличие ямок травления на границе слоя металла и полупроводника.
- растрескивание оксидного слоя. Наличие микротрещин в оксидном слое.
- высокие погрешности фотолитографического процесса; - паразитные диффузии примесей через увеличенные окна в оксидном слое. Увеличение размеров окон в оксидном слое.
- воздействие механических напряжений; - плохая адгезия металла к оксидному слою; - продольная миграция металла под оксидным слоем или защитным стеклом; - образование металлических закороток. Наличие металла под оксидным слоем или защитным стеклом.
- отслаивание металлизации; - оседание частиц металла на поверхности кристалла. Наличие посторонних металлических частиц внутри корпуса ИМС.
Разрушение слоев металлизации, обугливание - электростатические разряды; - коррозия; - электрические перегрузки; - тепловые перегрузки; - «усы» на металлизации; - проникновение влаги. Наличие пустот и пор в слое металлизации.
Обрывы металлизации - электродиффузия металла под действием большой плотности тока (1 ^ 1010 A/м2) при высокой температуре (около 200 Наличие пустот у контактной площадки стоковой области.
- взаимодиффузия металлов при термокомпрессии, например Al-Au, Mo-Au, ^^^ - образование интерметаллических соединений; - снижение механической прочности контактов; - перегрев и оплавление перемычек между пустотами в местах контакта. Наличие пустот в термокомпрессионных контактах.
- электродиффузия металла в местах прохождения повышенных токов. Наличие пустот в металлизации .
- неравномерность металлизации; - разрывы на ступеньках оксидного слоя; - повышенная электродиффузия металла с локальным выгоранием слоя. Утончение металлизации.
- низкая адгезия металла выводов к контактным площадкам; - нарушение режима «вжигания» металла в полупроводниковый слой; - механические напряжения. Наличие отслаивания, раковин, царапин металлизации.
- сдвиговые воздействия на места контактов; - технологические дефекты в контактах. Разрыв или отслаивание вывода от контактной площадки.
- пережим вывода около места контакта; - перегрев места сужения при большом токе. Сужение вывода около места термокомпрессионного контакта.
Виды отказов, возможные причины их возникновения Таблица 3
и дефекты ИМС из-за влияния радиационных факторов КП
Отказ (сбой) | Возможные причины | Дефект
Необратимые отказы из-за радиационных факторов
SEL (Single Event Latchup) Радиационное защелкивание (включение паразитных тиристорных четырехслойных структур). усиление ионизационных токов паразитными биполярными транзисторами, влияние ОЗЧ и ТЗЧ. Наличие макродефектов в диэлектрической пленке.
SEHE (Single Event Hard Error) Одиночный микродозовый отказ. локальное выделение энергии в чувствительном объеме активного элемента ИМС из-за попадания ОЗЧ.
SEB (Single Event Burnout) Одиночный эффект выгорания транзисторной структуры. открытие паразитного биполярного транзистора при попадании ОЗЧ.
SEGR (Single Event Gate Rupture) Одиночный эффект пробоя подзатвор-ного диэлектрика. накопление заряда в макродефектах.
SES (Single Event Snapback) Одиночный эффект вторичного пробоя транзисторной структуры. усиление ионизационных токов паразитными биполярными транзисторами, влияние ОЗЧ и ТЗЧ.
Короткое замыкание, снижение пробивного напряжения. «пострадиационный эффект»: - захват носителей заряда макродефектами, соизмеримыми с толщиной оксидного слоя, вследствие ионизации диэлектрика; - термический выброс носителей заряда с макродефектов.
Обратимые отказы из-за радиационных эффектов
SEU (Single Event Upset) Обратимый одиночный сбой (кратковременные изменения логического состояния ячеек памяти, кратковременная потеря информации). появление ионизационных импульсных токов из-за ионизационного излучения. Наличие макродефектов в диэлектрической пленке.
SEFI (Single Event Functional Interrupt). Одиночный сбой прерывания функционирования (кратковременная потеря работоспособности). попадание ОЗЧ в чувствительную область ИМС.
SET (Single Event Transient) Переходная ионизационная реакция. попадание ОЗЧ в чувствительную область ИМС.
Установлено, что в КМОП ИМС более 60% отказов обусловлены дефектами оксидной пленки [4]. Был определён механизм деградации плёнки, заключаю-
щийся в наличии макродефектов, которые в процессе функционирования ИМС накапливают заряд. Более эффективно макродефекты накапливают заряд под воздействием ионизирующего излучения, что
наиболее критично для КМОП микросхем БА КА. Контроль наличия макродефектов в оксидной плёнке с помощью электрических измерений затруднен из-за электронейтральности макродефектов. Известен способ контроля наличия макродефектов, заключающийся в последовательном применении облучения и термообработки [4, 10, 11]. При отсутствии макродефектов в оксидной пленке после облучения и термообработки ИМС восстанавливает свои параметры, в другом случае параметры не восстанавливаются и ИМС признается нерадиационностойкой [4].
Установлено, что КМОП ИМС космического назначения подвержены радиационным эффектам в активных элементах, при этом транзисторные структуры наиболее к ним чувствительны.
Выход значения тока потребления ИМС за установленные технической документацией (ТД) пределы является основным признаком отказа КМОП ИМС СН, подвергаемых радиационным поражающим факторам. Например, для КМОП БИС, имеющей структуру базового матричного кристалла (БМК), в статическом режиме работы ток потребления возрастает, в динамическом режиме - уменьшается. Для микросхем динамической памяти при наблюдении эффекта ти-ристорного защелкивания ток потребления ИМС также выходит за установленные пределы. Для микропроцессорных СБИС установлено, что отказ, как правило, определяется по повышенному значению статического тока потребления. Для ИМС энергонезависимой памяти при воздействии радиационных поражающих факторов отмечены массовые сбои в ячейках памяти. При отключении и последующем включении ИМС информация в ячейках не восстанавливалась, но в последующем ИМС оказывалась работоспособной [8].
Полупроводниковые приборы подвержены пострадиационному эффекту, выражающемуся в проявлении отказов через некоторое время при воздействии увеличенной температуры после влияния низкоинтенсивного ионизирующего излучения (ИИ). Появление отказов ИМС в этом случае объясняется наличием макродефектов в диэлектрических слоях, соизмеримых с толщиной этих слоев. Механизм эффекта заключается в накоплении «дырок» в макродефектах диэлектрика и на поверхности раздела диэлектрического и полупроводникового слоёв во время влияния ИИ и в последующем освобождении положительного заряда с этих уровней, ускоренно протекающее при повышенных температурах [10]. Таким образом, за счет свободных «дырок» снижается величина пробивного напряжения, что впоследствии может привести к пробою диэлектрических слоёв.
Механизмы отказов ИМС. Исследование механизмов отказов ИМС позволяет заложить такие проектные и технологические нормы на этапе проектирования, конструирования и производства ИМС, которые позволяют значительно увеличить срок службы микросхем. В общем случае механизмы отказов формируются тремя факторами: конструкцией, технологией изготовления, режимом и условиями эксплуатации.
В качестве яркого примера конструкционного отказа можно рассмотреть случай, при котором имеет место наличие в конструкции ИМС контакта золотого проволочного вывода и алюминиевой металлизации. Использование такой связки сильно влияет на надёжность ИМС вследствие механизма образования интерметаллического соединения AuAl2 «пурпурной чумы», характеризующейся низкой механической прочностью, что может привести к обрыву проволоки. Такой отказ наиболее вероятен для ИМС, работающей в импульсном режиме.
Отказы ИМС, связанные с несовершенством технологии изготовления, происходят вследствие:
- дефектов полупроводниковой пластины («ростовые», т.е. возникающие при выращивании пластины, и технологически вносимые);
- механических повреждений (сколы, трещины, царапины, микротрещины слоёв);
- несовершенства контактов и монтажа (разбрызгивание металла по поверхности кристалла,
низкое качество соединений проводов, слабый контакт токопроводящих элементов, образование коррозии);
- низкое качество герметизации (появление посторонних частиц, влаги);
- неточности фотолитографии (смещение слоев, остатки частиц травителя, непротравы, плохая промывка);
- диффузии (недостаток или избыток диффузионного материала, искажение удельного сопротивления);
- дефектов металлизации (низкое качество омических контактов, вплавления в кристалл, поры, царапины, изломы металлизации) [2], [3].
Примером эксплуатационного отказа является использование ИМС при повышенных температурах. В таком случае в локальных местах ИМС возможно превышение допустимой рассеиваемой мощности, что влечет за собой проплавление металлизации через диффузионные слои полупроводника, либо электродиффузию атомов кремния в алюминий из-за высокой плотности токов [2].
Автор [12] отмечает, что основными причинами отказов ИМС являются дефекты, вносимые в процессе производства (около 90%) и в результате нарушений правил эксплуатации (около 10%). Половина отказов, связанных с технологией изготовления, связаны с некачественными соединениями (пленочными, контактными на границе слоёв, проволочными).
Электрофизические свойства микросхем в значительной степени зависят от плотности дефектов на поверхности и в объеме слоёв и определяют деградационные свойства готовых ИМС.
Деградационные отказы обусловлены длительными процессами старения, изнашивания, коррозии, усталости при условии соблюдения всех норм проектирования, изготовления и эксплуатации. Протекание явлений деградации существенно ускоряется при наличии примесей и нестабильных дефектов полупроводника.
Во многих случаях деградационные процессы в ИМС связаны со следующими явлениями:
- диффузией, т.е. процессом массопереноса внутри слоя, между слоями, на поверхности, в металлизации и т.д.;
- электромиграцией, т.е. процесса массопере-носа внутри проводников под воздействием электрического тока;
- релаксацией внутренних механических напряжений (МН);
- явлениями дефектообразования [3].
Дрейф пробивного напряжения и короткое замыкание внутри ИМС свидетельствует об отказе вследствие различных причин и механизмов. Особого внимания заслуживает эффект электромиграции в металлизации. В связи с тенденцией уменьшения размеров транзисторных структур, реализованных в кристалле ИМС, увеличением рабочих частот отмечается существенное влияние эффекта на отказы ИМС. Механизм заключается в столкновении токов высокой плотности с атомами кристаллической решетки. В некоторых случаях поток электронов выталкивает атом из решетки в сторону положительно заряженного электрода, что вызывает образование пустот. В этом месте электрическое сопротивление возрастает, что ведёт к нагреву области. Многократно повторяющийся эффект ведет к разрушению проводника в одних зонах, образуя пустоты и лакуны (в англоязычной литературе - void), и к скоплению материала по пути протекания тока к положительному электроду, образуя холмики (бугорки, в англоязычной литературе - hillock), усики. Разрушение проводника приводит к образованию узких каналов металлизации, либо к обрыву контакта. Образование холмиков может привести к электрическому пробою слоёв диэлектриков, находящихся рядом с бугорками. Изучение и описание эффекта электромиграции основано на разработке его моделей [13-15]. Как правило, основной способ борьбы с электромиграцией заключается в изменении топологии ИМС после моделирования работы схемы [16].
МН, возникающие в кристалле ИМС, подразделяют по видам оказываемого воздействия на кристалл на следующие виды:
- термические;
- концентрационные;
- структурные и межфазные [17].
Результатом влияния МН является увеличение
концентрации и подвижности точечных дефектов и образование макроскопических дефектов, которые главным образом влияют на параметры ИМС [18]. Автор [19] установил в своих исследованиях, что образование МН вблизи транзисторных структур приводит к усилению зависимости величины обратного тока от напряженности электрического поля.
Полупроводниковые пластины изначально в своем объеме имеют дефекты кристаллической решетки, вкрапления примесных атомов. Например, в кремниевых пластинах основными примесями, значительно влияющими на электрофизические характеристики ИМС, являются атомы кислорода и углерода. Как правило, концентрация атомов кислорода в кремниевых пластинах, изготовленных эпитакси-альным наращиванием по методу Чохральского, составляет 2*1018...1017 атом/см3, методом зонной плавки - 1016 атом/см3. Концентрация атомов углерода в кремнии составляет 1016...1017 атом/см3, причем их концентрация неравномерна из-за малого коэффициента сегрегации [3]. Атомы кислорода влияют на возникновение, движение и размножений
дислокаций. Кроме этого, технологический процесс изготовления полупроводниковых ИМС включает в себя операции диффузии донорных и акцепторных примесей. Указанные факторы свидетельствуют о неоднородности распределения примесных атомов в объеме полупроводника, что влияет на процент выхода годных ИМС и определяет основные характеристики схемы и уровни шума [20].
Выводы. В работе представлена информация по отказам КМОП микросхем, учитывающая общие закономерности для данной технологии, которая предназначена главным образом для разработки и совершенствования способов повышения надёжности микросхем. Одними из таких способов являются методы прогнозирования состояния изделий в будущем, особое внимание из которых заслуживают методы индивидуального прогнозирования, целью которых является получение прогноза состояния каждого конкретного исследуемого экземпляра изделия. Таким образом, приведенная в работе информация может быть использована для разработки методики проведения обучающего эксперимента, целью которой является получение оценки потенциальной надёжности экземпляров, выявление наиболее информативных параметров, присущих конкретной серии микросхем, а также получение необходимого для дальнейших исследований набора экспериментальных данных.
ЛИТЕРАТУРА
1. Фёдоров В.К. Контроль и испытания в проектировании и производстве радиоэлектронных средств / В.К. Фёдоров, Н.П. Сергеев, А. А. Кондрашин; под ред. В.К. Федорова. М: Техносфера, 2005. 205 с.
2. Готра З.Ю., Николаев И.М. Контроль качества и надёжность микросхем: учебник для техникумов. М.: Радио и связь, 1989. 168 с.
3. Горлов М.И., Емельянов В.А., Строгонов А.В. Геронтология кремниевых интегральных схем / М.И. Горлов, В.А. Емельянов, А.В. Строгонов; отв. ред. Б.И. Казуров. М.: Наука, 2004. 240 с.
4. Харченко В.А. Проблемы надёжности электронных компонентов // Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники. 2015. Т. 18. №1 (69). С. 52-57.
5. ГОСТ 18683.0-83. Микросхемы интегральные цифровые. Общие требования при измерении электрических параметров. М.: Изд-во стандартов, 1991. 3 с.
6. ГОСТ 18683.1-83. Микросхемы интегральные цифровые. Методы измерения статических электрических параметров. М.: Изд-во стандартов, 1991. 8 с.
7. ГОСТ 18683.2-83. Микросхемы интегральные цифровые. Методы измерения динамических электрических параметров. М.: Изд-во стандартов, 2000. 8 с.
8. Иванов А.О. Экспериментальные исследования радиационной стойкости элементной базы бортовой аппаратуры космических аппаратов / А.О. Иванов, А.Г. Кохановский, Г.В. Кремез, В.П. Лачугин // Труды Военно-космической академии им. А.Ф. Можайского. 2013. №641. С. 12-18.
9. Пирогов Ю.А., Солодов А.В. Повреждения интегральных микросхем в полях радиоизлучения // Журнал радиоэлектроники. 2013. № 6. С. 1-38.
10. Попов В.Д. Пострадиационный эффект в ИС. Неразрушающий контроль качества ИС // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. 2002. № 4. С. 36-41.
11. MIL-STD-8 8 3E. Method 1019.5. Ionizing radiation (total dose) test procedure. - [Electronic resource] - URL: http://everyspec.com/MIL-STD/MIL-STD-08 00-08 9 9/MIL-STD-8 83E_NOTICE-1_985
12. Романова М.П. Сборка и монтаж интегральных микросхем: учебное пособие / М.П. Романова. Ульяновск: УлГТУ, 2008. 95 с.
13. I.A. Blech. Electromigration in Thin Aluminum Films on Titanium Nitride // Journal of Applied Physics. Apr. 1976. V. 47. Р. 1203-1208.
14. J.R. Black. Mass transport of aluminum by momentum exchange with conduction electrons // Proc. IEEE Interna-tional Reliability Physics Symposium. 1967. Р. 148-159.
15. A. Averbuch, M. Israeli, I. Ravve, and I. Yavneh. Computation for electromigration in interconnects of microelectronics devices // Journal of Computational Physics. 2001. V. 167. P. 316-371.
16. Розенфельд В.П. Синтез топологии стандартных КМОП ячеек с учетом эффекта электромиграции / В.П. Розенфельд, Л.А. Зинченко, Р.Л. Мазиас, Ю.Г. Смирнов, С.В. Сомов, И.Г. Топузов // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем - 2008: сборник научных трудов под общ. ред. А.Л. Стемпковского. М.: ИППМ РАН, 2008. С. 120-125.
17. Соколов В.И., Лавренко С.Н. Физические аспекты надёжности интегральных схем // Физические аспекты надёжности интегральных схем: сб. тез. докл. межд. науч.-техн. конф., Воронеж, 1993. С. 42-44.
18. Беренштейн Г.В., Дьяченко А.М. Прогнозирование качества ИС на основе анализа внутренних напряжений // Физические основы надёжности и деградации полупроводниковых приборов: сб. тез. докл. 3-й всес. конф., Кишинев, 1991. Ч. II. С. 136.
19. Грушко Н.С., Бунярский С.В. Диагностика надёжности кремниевых фотоприемников с p-n переходом // Физические основы надёжности и деградации полупроводниковых приборов: сб. тез. докл. 3-й всес. конф., Кишинев, 1991. Ч. II. С. 127.
20. Малинин А.Ю. Анализ требований к полупроводниковым приборам / А.Ю. Малинин, Ю.Н. Кузнецов, Л.А. Иванютин, Б.В. Кутубидзе // Электронная техника. Сер. Материалы. 1978. Вып.3. С. 34-39.
ode, failure reasons, defect, CMOS technology, analysis, systematization.
