CC BY
16ЭЛЕМЕНТЫ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ INTEGRATED ELECTRONICS ELEMENTS
Научная статья УДК 621.3.049.77:544.541 doi:10.24151/1561-5405-2023-28-3-337-350 EDN: UPFDOT
Прогнозный контроль радиационной стойкости микросхем
в серийном производстве II. Выбор объектов испытаний и статистическая обработка
результатов контроля
Ю. М. Московская1'2'3, Д. В. Бойченко12
1 Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», г. Москва, Россия
2АО «ЭНПО СПЭЛС», г. Москва, Россия НПК «Технологический центр», г. Москва, Россия
ymmos@spels.ru
Аннотация. Требования к радиационной стойкости изделий необходимо подтверждать в серийном производстве на каждой партии пластин. Базовый технологический процесс должен быть управляемым, чтобы гарантировать точность и стабильность всех заявленных параметров изделия, в том числе радиационной стойкости. Разработки системы мониторинга и статистического регулирования базового технологического процесса ведутся на основании данных, полученных в ходе радиационно-ориентированной характеризации базового технологического процесса или во время предварительных испытаний в процессе разработки изделия. На каждом этапе изготовления используются соответствующие тестовые структуры для прогнозной оценки радиационной стойкости изделия. В работе по результатам анализа инженерной практики и литературных данных предложен состав тестовых структур для контроля технологического процесса на примере КМОП КНИ 250 нм, отвечающий требованиям по радиационной стойкости. Статистическая обработка данных мониторинга производственных партий пластин направлена на проверку степени отклонения текущей партии от базовой группы, которая выбрана в качестве эталонной. Объем выборки составляет всего 3 шт., поэтому предложено оценивать однородность производственных партий с помощью непараметрических статистических критериев оценивания. Рассмотренный подход позволяет гарантировать радиационную стойкость за счет управляемости и стабильности базового технологического процесса, что способствует минимизации технико-экономических затрат и объема радиационных испытаний.
© Ю. М. Московская, Д. В. Бойченко, 2023
Ключевые слова: радиационная стойкость, базовый технологический процесс, статистический контроль, тестовые структуры, партии пластин, непараметрические статистические критерии
Для цитирования: Московская Ю. М., Бойченко Д. В. Прогнозный контроль радиационной стойкости микросхем в серийном производстве. II. Выбор объектов испытаний и статистическая обработка результатов контроля // Изв. вузов. Электроника. 2023. Т. 28. № 3. С. 337-350. https://doi.org/10.24151/1561-5405-2023-28-3-337-350. - EDN: UPFDOT.
Original article
Prediction analysis of the microcircuits' radiation hardness
within fabrication process II. Test objects choice and the obtained results statistical processing
Yu. M. Moskovskaya1'2'3, D. V. Boychenko1'2
1National Research Nuclear University "MEPhl" (Moscow Engineering Physics Institute), Moscow, Russia
2 "ENPO SPELS" JSC, Moscow, Russia
3 (( >>
SMC "Technological Centre ", Moscow, Russia Y.Moskovskaya@tcen.ru
Abstract. Radiation hardness assurance for microelectronics in general is mandatory for every wafer lot. Core manufacturing process should be controllable to ensure accuracy and stability of all stated parameters of the given product including its radiation hardness. Monitoring and statistical regulation method for core manufacturing process is developed based on data acquired from either radiation-oriented characterization of this process or preliminary tests during product development. On each fabrication step the corresponding test structures are used for predictive estimation of the product's radiation hardness. In this work, based on both engineering and periodical data a set of test structures suitable for core manufacturing process control is proposed, using the example of the 250 nm CMOS SOI technology and fulfilling radiation hardness requirements. Statistical processing of the monitoring data for wafer lots is oriented to verify the degree of current lot deviation from basic lot chosen as standard for comparison. However, because lot size is small (3 pcs) it has been proposed to evaluate lot homogeneity with nonparametric statistical criteria. The considered approach makes it possible to guarantee required radiation hardness through core manufacturing process controllability and stability which allows for less economic value and tests volume minimization.
Keywords: radiation hardness, core manufacturing process, statistical control, test structures, wafer lots, nonparametric statistical criteria
For citation: Moskovskaya Yu. M., Boychenko D. V. Prediction analysis of the microcircuits' radiation hardness within fabrication process. II. Test objects choice and the obtained results statistical processing. Proc. Univ. Electronics, 2023, vol. 28, no. 3, pp. 337-350. https://doi.org/ 10.24151/1561-5405-2023-28-3-337-350. - EDN: UPFDOT.
Введение. На сегодняшний день контроль радиационной стойкости производственных партий пластин на этапе изготовления часто проводится неэффективно, без учета вклада особенностей базового технологического процесса в обеспечение требуемого уровня стойкости. Настоящая работа является продолжением работы [1], в которой предложен подход к обеспечению прогнозного контроля стабильности радиационной стойкости изделий микроэлектроники в процессе производства с учетом категории радиационной стойкости каждого типа микросхем. Это гарантирует необходимую полноту, достоверность и информативность контроля при минимизации технико-экономических затрат и объема радиационных испытаний.
Обеспечение в серийном производстве высокого процента выхода годных изделий, качества, стабильности характеристик, в том числе радиационной стойкости (РС), достигается статистической управляемостью базового технологического процесса (БТП). С целью реализации управляемости разрабатывается система статистического регулирования БТП, задача которой - мониторинг состояния параметров БТП, обеспечивающих качество выпускаемых изделий и выявление неслучайных вариаций параметров для принятия своевременного решения о необходимости регулировки условий и режимов технологических операций. Одной из значимых стадий разработки системы статистического регулирования БТП является обоснованный выбор объекта мониторинга.
Общий подход к выбору объекта статистического контроля базового технологического процесса по радиационной стойкости. Статистическая регулируемость БТП оценивается с помощью анализа результатов контроля тестовых структур (ТС) -параметрических мониторов (ПМ), которые, как правило, располагаются в дорожках реза, и структур контроля технологии (СКТ), размещаемых на специально отведенных областях пластины. Состав ТС и принципы их разработки изложены в научно-технической документации.
В процессе изготовления микросхем [2] ПМ должен обеспечивать оперативную и достоверную оценку электрофизических свойств элементов и структур, электрических параметров, качества выполнения технологических операций, РС. СКТ должна оценивать характеристики РС, которые связаны с особенностями влияния изменчивости БТП на параметры библиотечных элементов и функциональных блоков. В настоящее время для большинства БТП состав ТС разработан в соответствии с требованиями статистического регулирования БТП по воспроизводимости электрических параметров. Однако чувствительность изделий к радиационным эффектам не учитывается.
В случае если БТП потенциально ориентирован на разработку и производство электронной компонентной базы с требованиями по РС, он должен быть предварительно охарактеризован для определения типовых и предельных показателей РС изделий целевого функционального назначения, выявления доминирующих радиационных эффектов, возможных видов и механизмов радиационных отказов, идентификации параметров радиационно-ориентированных моделей библиотечных элементов, паразитных структур и их верификации по радиационным откликам функциональных блоков и критичных фрагментов, образующих вместе конструктивно-технологическую платформу для радиационно-ориентированного проектирования. В результате радиацион-но-ориентированной характеризации (РОХ) БТП разрабатываются ПМ и СКТ для демонстрации возможности обеспечить стабильное изготовление микросхем требуемого уровня РС в соответствии с научно-технической документацией на них.
В ходе разработки системы мониторинга и статистического регулирования БТП на основании данных, полученных в ходе РОХ, проводится комплекс мер по выявлению наиболее критичных базовых элементов (включаются в состав ПМ), библиотечных элементов, паразитных структур и фрагментов схем, а также функциональных блоков (включаются в состав СКТ) [3], определяется перечень критичных режимов и характер зависимостей критичных параметров от поглощенной дозы и мощности дозы. Перечисленные меры позволяют на этапе производства исключить неинформативные, избыточные контрольные операции и оптимизировать информативные операции.
Описание ПМ и СКТ входит в состав технологической документации на БТП и в части контроля РС включает в себя:
- состав и принципиальные схемы ТС, которые должны быть выбраны таким образом, чтобы наиболее полно описывать механизмы радиационных отказов и коррелировать с доминирующими радиационными эффектами;
- методики проведения испытаний, в том числе схемы включения и измерения электрических параметров в диапазоне температур и соотношения между измеряемыми предельными и ожидаемыми предельными значениями, полученными при моделировании микросхемы в ходе ее проектирования.
В технологической документации должны быть установлены браковочные границы и порядок измерения параметров. Разрабатывается план контроля, согласно которому определяют объекты контроля РС в процессе производства и конкретные методики (состав и методы измерения контролируемых параметров, которые являются радиацион-но-чувствительными, режимы и условия испытаний). Состав и нормы на контролируемые параметры устанавливаются в процессе разработки системы мониторинга с учетом результатов РОХ.
Отсутствие на сегодняшний день правил проведения предварительной РОХ БТП приводит к ситуации, когда недостающие фактические данные о БТП, необходимые на этапе проектирования, разработчик изделия вынужден получать непосредственно в ходе опытно-конструкторской работы (ОКР). Это приводит к непредсказуемым результатам испытаний опытных образцов на РС, например:
- требования в техническом задании на ОКР могут быть недостижимы для выбранного БТП;
- отказы по РС обусловлены изменением в БТП, последствия которого не учтены на этапе проектирования изделия за счет отсутствия адекватного прогнозирования (моделирования).
Последствия отсутствия РОХ можно проследить на примере БТП КНИ 250 нм, в ходе которого выпускаются следующие виды изделий микроэлектроники: микропроцессоры, контроллеры; цифровые СБИС; СБИС памяти оперативного запоминающего устройства (ОЗУ), постоянного запоминающего устройства (ПЗУ); аналого-цифровые СБИС. Результаты анализа данных, полученные при испытаниях на стойкость к воздействию ионизирующего излучения (ИИ) выборок из партий изделий, разработанных разными дизайн-центрами и изготовленных в ходе БТП КМОП КНИ 250 нм, приведены в табл. 1, 2 и на рис. 1. К доминирующим радиационным эффектам относятся: параметрический сбой - кратковременное изменение уровней выходного напряжения; функциональный сбой (в схемах с ячейками памяти) - отказ по записи-считыванию; сбой по реакции выходного кода (в АЦП). Катастрофические отказы, а также превышение заданного значения времени потери работоспособности не обнаружены в среднем до уровней 4,0- 1012ед./с.
Таблица 1
Разбросы значений уровня бессбойной работы, полученных при испытаниях на стойкость к импульсному воздействию ИИ изделий, изготовленных в ходе БТП КМОП КНИ 250 нм
Table 1
Fail-safe work level parameter spread obtained at radiation impulse tolerance tests of products
made on CMOS SOI 250 process
Количество Уровень бессбойной работы, ед./c
Вид ИС
партий, шт. минимальный средний
Схемы запоминающих устройств 5 1,0-1010 1,5-10"
Схемы вычислительных средств 6 8,5107 5,1-10"
Цифровые СБИС 9 7,4109 4,4-10"
Аналого-цифровой преобразователь (АЦП)* 1 1,3107 -
Аналого-цифровой базовый мат- 1 1,3108
ричный кристалл (АЦ БМК)
Данные испытаний по одной партии, требуется набор статистики.
Таблица 2
Разбросы данных, полученных при испытаниях на стойкость к дозовому воздействию ИИ изделий, изготовленных в ходе БТП КМОП КНИ 250 нм
Table 2
Parameter spread obtained at radiation dose tolerance tests of products made on CMOS SOI 250 process
Количество Накопленная доза, ед.
Вид ИС
партий, шт. минимальная средняя
Схемы запоминающих устройств 21 8,0104 2,2-106
Схемы вычислительных средств 5 4,0103 1,3106
Цифровые СБИС 15 3,3105 1,1106
АЦП* 1 3,6104 -
АЦ БМК* 1 1,6106 -
Данные испытаний по одной партии, требуется набор статистики.
Таким образом, БТП КМОП КНИ 250 нм может обеспечить стойкость к импульсному воздействию ИИ изделий уровней РС2 и РС3 [1]. Статистический контроль БТП относительно РС позволит перевести контроль производственных партий пластин в периодический режим для изделий категории стойкости РС2, но так как он отсутствует, то выпущенные в данном БТП партии пластин можно применять только после проведения испытаний. Дополнительно необходимо получить статистические данные для аналоговых и аналого-цифровых изделий.
В результате испытаний на стойкость изделий к дозовому воздействию ИИ обнаружена разная чувствительность изготовленных в данном БТП изделий к накопленной дозе ИИ. Наиболее чувствительными являются ИС запоминающих устройств и вычислительных средств. Предположительно разброс дозовой стойкости изделий связан с нестабильностью технологического процесса, в частности свойств исходных пластин структур кремний на изоляторе. Таким образом, общий минимальный уровень стойкости БТП КМОП КНИ 250 нм соответствует категории РС1.
Оперативные ЗУ Комбинированные ЗУ ПЗУ масочные АЦ БМК
Сопряжение с магистралью АЦП
Ассоциативные ЗУ Контроллер Цифровой БМК Схемы интерфейса Микросхема управления Защита от тиристорного эффекта С раздельным запуском типа RS Микропроцессоры
1-
С/вых, сбой памяти □
^вых I
С/вь|х, сбой памяти
/„.для компаратора напряжения, UCM для операци онного усил 1теля ш
Ь'аых. функциональный контроль
Рекция выходного кода АЦП
^ВЫХ |
^Лшх. функциональный контроль 1 ш
^вых I
С7ВЫХ, сбой в работе интерфейса I
Ь'ных, функциональный контроль
1сс, исс(Рот), [/вых I
(Увых, функциональный контроль ]
(./вых. функциональный контроль, сбой памяти □
10°
110'
110й
110
1-10
10
110
11
110
12
•10
13
Значение мощности дозы ИИ, ед./с
- уровень сбоя
- failure level
- уровень отказа
- failure level
а
Оперативные ЗУ Комбинированные ЗУ ПЗУ масочные АЦ БМК
Сопряжение с магистралью АЦП Контроллер Цифровой БМК Микросхема управления Защита от тиристорного эффекта С раздельным запуском типа ЯБ Микропроцессоры Ассоциативные ЗУ
'сс
Нет
Нет ш
Нет
Нет
INL, DNL
Ice
Ice
¡сс
Функциональный контроль, UTNC порога отключения, 1сс
1сс
Функциональный контроль (тест памяти)
Функциональный контроль. 1сс
1-10J 1-КГ 1 ■ 10 110° 110'
Накопленная доза, ед.
Q - уровень отказа при дозовом воздействии - failure level at dose action б
Рис. 1. Результаты испытаний на стойкость к импульсному (а) и дозовому (б) воздействиям ИИ по критичным видам отказов и по сбоям для разных функциональных классов изделий, изготовленных по БТП КМОП КНИ 250 нм (ивых - выходное напряжение; Iсс - статический ток потребления; Uсс - напряжение
питания схемы; Цсм - напряжение смещения) Fig. 1. Testing facts of radiation tolerance (a - impulse action; b - dose action), by catastrophic failure types and by transient faults, for various functionality classes of products made on CMOS SOI 250 process (Цвых - output voltage; 1сс - static current consumption; Цсс - circuit supply voltage; Цсм - offset voltage)
БТП не является стабильным по РС - требуется проведение статистического контроля технологического процесса по РС и до стабилизации процесса необходим контроль каждой технологической партии пластин. Наличие радиационно-ориенти-рованных моделей и ТС, разработанных в ходе РОХ, позволит оперативно выявить причины нестабильности БТП и провести необходимые коррекции на этапе подготовки к запуску изделий в производство.
На основе анализа полученных результатов испытаний можно выявить ТС, библиотечные элементы, сложнофункциональные блоки и типового представителя изделий или типовую оценочную схему (ТОС), являющиеся «слабым звеном», определяющим типовые уровни стойкости испытанной номенклатуры разрабатываемых по БТП изделий. Набор ТС (ПМ и СКТ) на примере процесса статистического регулирования тех-
нологического процесса КМОП КНИ 250 нм по РС, согласно результатам анализа инженерной практики и литературным данным [4-7], включает в себя следующие структуры.
Базовые элементы (рационально ввести в состав ПМ и/или СКТ):
- транзисторные структуры (транзисторные сборки), состоящие из всех типов транзисторов, используемых в логических элементах БИС. В качестве радиационно-чувствительных параметров можно рассматривать радиационно-индуцированные -токи утечки, сдвиг порогового напряжения, деградацию крутизны (подвижности) и подпорогового размаха передаточной характеристики, ионизационную реакцию от воздействия мощности дозы ИИ;
- набор резисторов. В качестве радиационно-чувствительных параметров можно рассматривать сопротивление (проводимость) n - и p-слоя, слаболегированных p- и n-слоев, легированного поликремниевого слоя;
- диоды различной ширины, диодные матрицы. В качестве радиационно-чувствительных параметров можно рассматривать радиационно-индуцированные токи утечки в p-n-переходе, ионизационную реакцию от воздействия мощности дозы ИИ;
- тестовые конденсаторы: слои кремния n- и p-типов на скрытом окисле, такой же слой с нанесенным поликремнием, аналогичные структуры со слоями кремния в виде «гребенки» и вложенных «гребенок». В качестве радиационно-чувствительных параметров можно рассматривать изменение вольт-фарадных (CV) характеристик;
- паразитные структуры, позволяющие локализовать токи утечки.
Функциональные блоки и фрагменты схем (топологий), наиболее чувствительные
к воздействию ИИ (рационально ввести в состав СКТ):
- структуры для исследования динамических параметров, например кольцевой генератор или линии задержки. В качестве радиационно-чувствительного параметра можно рассматривать изменение тока потребления, изменение частоты генерации, время задержки распространения сигнала;
- структуры ESD-защиты, схемы ввода-вывода (из состава ячеек ввода-вывода, I/O). В качестве радиационно-чувствительных параметров можно рассматривать ионизационную реакцию от воздействия мощности дозы ИИ, выполнение операции приемо-передачи сигнала по установленному алгоритму, ток утечки в состоянии «выключено»;
- ячейки (матрицы) памяти различных конфигураций, планируемых к применению в изделии: хранение информации в ячейке памяти, изменение тока потребления, выполнение операции записи, хранения и считывания информации, время выборки;
- типовые сложнофункциональные блоки (IP-блоки) - аналоговые, аналого-цифровые и цифровые;
- чувствительные элементы преобразователей физических величин. При их использовании в составе изделий - точностные параметры характеристики преобразования.
Большая часть указанных структур является стандартными ПМ для статистического контроля воспроизводимости технологического процесса. Однако с точки зрения технологичности проведения облучения и измерений работа с тестовой полосой ПМ без разварки кристалла в корпус или тару-спутник затруднена.
Как правило, радиационные исследования базовых тестовых элементов (транзисторов, резистивных элементов, конденсаторов) проводятся в процессе РОХ, а полученные результаты являются входными данными для радиационно-ориентированных моделей и проектирования. В общем случае экспериментальный контроль ПМ в процессе производства с использованием облучения проводить нецелесообразно - можно ограничиться общепринятым статистическим контролем электрических параметров без облучения с учетом разбросов внутри партии и от партии к партии. Однако в случае если
полученные в ходе РОХ зависимости параметров ПМ от воздействия ИИ являются критичными для данного БТП, то базовые элементы следует включить в состав СКТ, которая топологически представляет собой отдельный тестовый кристалл с возможностью разварки в корпус или тару-спутник. Такой тестовый кристалл может располагаться как на отдельных областях пластины, так и на отдельных пластинах.
Выбор объекта статистического контроля производственных партий пластин по радиационной стойкости. План контроля изделия в процессе производства разрабатывается на основе данных, полученных в результате РОХ БТП и предварительных испытаний изделия на этапе его разработки и освоения производства. Проводится выбор номенклатуры, определяются параметры-критерии годности, а также опорные (эталонные) радиационные отклики и уровни отказов всех или выборочных (типовых и критичных) библиотечных элементов и функциональных блоков из состава СКТ. Таким образом, СКТ, предназначенные для контроля БТП по РС, должны обеспечивать оценку устойчивости всех библиотечных элементов, реализованных в рамках БТП, к заданному минимальному уровню испытательного воздействия ИИ [8], а также оценку выхода годных изделий и распределения брака по видам и причинам в технологическом процессе.
В ходе разработки нового изделия необходимо выбрать его имитатор для прогнозного контроля производственных партий пластин в процессе серийного производства. Если в результате анализа установлено, что СКТ, разработанная в результате РОХ, является репрезентативной для оценки РС нового изделия, то целесообразно применять ее в качестве типовой оценочной схемы (ТОС) для контроля производственных партий пластин. Однако если в составе нового изделия задействованы лишь выборочные библиотечные элементы, то в качестве ТОС следует применять только задействованную часть СКТ. Уровень РС готового изделия, полученный по результатам испытаний ТОС, может быть значительно выше, чем нормативный (гарантированный) уровень, обеспечиваемый БТП и определяемый по СКТ в целом, в случае отсутствия в изделии наиболее радиационно критичных библиотечных элементов, например источников опорного напряжения, прецизионных аналоговых или аналого-цифровых элементов [3, 9].
Наилучшее сочетание информативности и технико-экономической эффективности радиационного контроля в производстве обеспечивается при полноценных радиационных испытаниях СКТ для оценки стабильности БТП и использовании в качестве ТОС для контроля партий пластин лишь той части СКТ, которая относится к задействованным библиотечным элементам. Таким образом, данные радиационного поведения ТОС являются лишь «урезанной выжимкой» из ранее полученных полных данных испытаний СКТ. Если выявляются критичные особенности радиационного поведения нового изделия, не учитываемые СКТ (например, за счет взаимного влияния библиотечных элементов), то в качестве ТОС для контроля производственных партий пластин используется либо доработанная СКТ, учитывающая отмеченные особенности, либо само изделие. Если испытания СКТ и ТОС показали отсутствие запаса по уровню стойкости изделия, указанного в технических условиях, то для обеспечения гарантий потребителям также целесообразно проводить испытания производственных партий пластин на самих изделиях [3]. Общие требования к составу ТОС задаются в технологической документации, однако они не учитывают особенностей контроля производственных партий пластин по РС в процессе производства.
Статистический контроль ПМ и СКТ следует проводить на кристаллах в рамках выборочного и функционального контроля с учетом данных о характерных типах отказов и о чувствительности параметров тестовых структур, полученных в процессе РОХ БТП. На рис. 2 показаны примеры структурных схем стендов, которые применяют для радиационного контроля кристаллов на пластинах [10].
Рис. 2. Структурная схема стенда для оперативного автоматизированного контроля параметров зондовыми методами при дозовом радиационном воздействии (а) и при импульсных видах
радиационного воздействия (б) Fig. 2. Structure chart of operating automatic test stand for probe testing under dose radioactive action (a)
and impulse types of radioactive action (b)
Результаты, полученные в ходе статистического контроля БТП и испытаний производственных партий пластин, обрабатываются с помощью статистических методов с учетом малых выборок и погрешностей дозиметрии и измерений при получении данных по РС.
Оценка результатов мониторинга производственных партий пластин. Статистическая обработка данных. Статистическая обработка данных при проведении мониторинга БТП, гарантирующего РС, имеет свои особенности. На этапе мониторинга БТП отслеживается однородность от партии к партии и от пластины к пластине с учетом того, что границы регулирования для БТП, гарантирующие РС, должны быть заданы с учетом того, что изменение параметров и режимов БТП на 10 % может привести к изменению уровней РС более чем на 100 %. [11]. На этапе статистического контроля БТП, гарантирующего РС, проводят мероприятия по отработке статистического регулирования БТП РС [3]:
- определяют значения основных статистических параметров, коэффициентов, показателей, характеризующих способность БТП гарантировать необходимый уровень РС;
- проводят анализ полученных зависимостей параметров тестовых структур от уровня воздействия ИИ с целью прогнозной оценки стойкости готового изделия;
- проводят мониторинг нескольких производственных партий для установления разбросов параметров, после чего выпускают научно-техническую документацию для проведения статистического контроля по РС.
На этапе контроля РС конкретных чипов-полуфабрикатов ТОС и/или готовой продукции статистический контроль направлен на проверку степени отклонения текущей партии от базовой группы, которая была выбрана в качестве эталонной, например от выборки, испытанной в ОКР [3]. Объем контроля, заложенный в научно-технической документации (по 3 шт. на каждую подгруппу испытаний по группе Е - испытаний на стойкость к воздействию мощности дозы и накопленной дозы ИИ), не позволяет с достаточной степенью точности пользоваться статистическими методами для анализа нормально распределенных данных.
Оценить однородность производственных партий можно с помощью непараметрических статистических критериев оценивания, которые свободны от предположений о виде рассматриваемого статистического распределения, априори неизвестного. Со статистической точки зрения проверяется гипотеза о равенстве двух распределений вероятности. Альтернативные гипотезы строятся для оценок параметров сдвига и масштаба [6, 8, 12, 13]. В качестве подходящих можно рассматривать различные непараметрические статистические критерии, в том числе критерий Лемана - Розенблатта, критерий Манна - Уитни, а также критерий Вилкоксона, включая обобщенный критерий Вилкоксона - Сиджела - Тьюки [8, 12, 13]. Предлагается для малых объемов выборок образцов определять точные количественные статистические критерии их принадлежности к базовой группе путем явного перечисления всех возможных перестановок, возникающих при сравнении двух рассматриваемых статистических совокупностей [13, 14]. Использование компьютерных технологий обеспечивает более высокую точность и оперативность результатов по сравнению со статистическими таблицами.
Расчет коэффициента переоблучения для контроля производственных партий пластин. В плане контроля стойкости производственных партий пластин заложен объем выборки, равный 3 шт., поэтому для гарантирования заданного уровня стойкости на малой выборке применяют способ увеличения радиационной нагрузки с коэффициентом Кн [15], под которым понимается отношение повышенного уровня воздействия ИИ Хн к уровню воздействия Хт, заданному в научно-технической документации:
к - X
к"- х
Коэффициент увеличения радиационной нагрузки ^ определяется следующей формулой:
M - znG 1 - zV
Кн =-р— =-р—.
н M - zRG 1 - zRV
(1)
где zR и zP - квантили нормального распределения, отвечающие уровням вероятности R и P соответственно; M и g - предполагаемые среднее значение и стандартное отклонение нормальной генеральной совокупности; V = a/M - коэффициент вариации. Параметр R - вероятность сохранения работоспособности изделия [11, 12], параметр P - нижняя граница доверительного интервала, определяемая из соотношения
1/ n
Р - (1 -у)
где у - доверительная вероятность; п - объем выборки.
Рассматриваемый статистический контроль отвечает следующим значениям параметров: R = 0,95; у = 0,9; V = 0,25. Метод расчета проиллюстрирован на рис. 3.
Таким образом, для заданной выборки (3 шт.) согласно формуле (1) получаем ^ = 1,74, что требует существенного переоблучения каждого образца с положительным результатом контроля работоспособности для подтверждения заданных требований дозовой стойкости. Этот подход предполагает, что производственный процесс имеет более высокую стабильность по отношению к уровню нормативной дозовой стойкости изделия.
Если учесть тот факт, что изделие производится в едином конструктивно-технологическом базисе, то каждая новая выборка является частью ранее выпущенных и испытанных образцов. Тогда каждая следующая партия увеличивает общий размер
базовой выборки, что позволяет снизить ^ вплоть до уровня, близкого к коэффициенту ^ = 1 при размере базовой выборки более 40. Принадлежность к общей базовой выборке проверяется с помощью методов непараметрического статистического оценивания. Следует отметить, что в данном случае в зачет идут лишь те партии, которые удовлетворяют требованиям по РС, установленным для изделия. Таким образом, нижняя граница оказывается строго заданной и рассматривается только разброс выше этой границы.
Если по данным непараметрического статистического оценивания при контроле партий пластин установлено, что рассматриваемая очередная выборка не принадлежит базовой совокупности ранее изготовленных и испытанных изделий, то в технологическом процессе имеют место изменения (декларированные или недекларированные) и текущий технологический процесс отличается от ранее охарактеризованного. Таким
Рис. 3. Иллюстрация метода расчета коэффициента увеличения радиационной нагрузки K (площадь «хвоста» правее уровня Хн равна P, площадь хвоста левее уровня Хт равна 1 - R) Fig. 3. Illustration of the method for calculating the radiation load increase factor KII (the tail area to the right of Хн level is equal to P, the tail area to the left of Хт level is equal to 1 - R)
образом, для гарантирования стойкости необходим положительный результат испытаний при использовании высокого коэффициента переоблучения (например, Кн = 1,74 для выборки объемом 3 шт.). Если испытанные выборки образцов из нескольких последовательно изготовленных производственных партий по результатам непараметрического статистического оценивания принадлежат не старой базовой выборке, а новой общей базовой выборке (например, имеют более высокий, чем раньше, уровень стойкости), то на основании полученных с использованием непараметрических статистических критериев данных следует провести корректирующие действия по характеризации измененного технологического процесса (например, переаттестацию технологического процесса, изменение норм на параметры изделия, определяющие РС и т. д.) [14].
Заключение. Рациональный методический подход к контролю радиационной стойкости партий пластин в процессе производства позволяет гарантировать выполнение требований, предъявленных к изделию на основе контроля стабильности БТП по ПМ и СКТ, выбранным в процессе РОХ, и контроля стабильности уровня РС готовой продукции.
Мониторинг стабильности БТП по РС дает возможность рационально минимизировать объем испытаний готовой продукции, а иногда и отказаться от испытаний (правильный выбор ТОС на основе информации ОКР и РОХ БТП). Стабильность технологического процесса обусловливает переход контроля партий пластин от сплошной к периодической основе. Мониторинг стабильности характеристик производственных партий пластин на основе испытаний по группе Е позволяет уверенно гарантировать РС для категорий РС2 на сплошной и периодической основах, РС3 [1] на сплошной основе и при 100%-ном контроле. Рационально выбранная ТОС позволяет унифицировать испытания и сэкономить на оснастке и разработке методик испытаний.
Литература
1. Московская Ю. М., Бойченко Д. В. Прогнозный контроль радиационной стойкости микросхем в серийном производстве. I. Система и алгоритмы реализации для различных категорий изделий // Изв. вузов. Электроника. 2023. Т. 28. № 2. С. 189-201. https://doi.org/10.24151/1561-5405-2023-28-2-189-201
2. Все о качестве. Отечественные разработки: науч.-техн. сб. / под ред. Г. Е. Герасимовой. Вып. 6: Статистическое управление технологическим процессом (методическое пособие). М.: НТК «Трек», 2001. 60 с.
3. Московская Ю. М. Сравнительный анализ подходов к контролю радиационной стойкости ЭКБ в ходе ОКР и серийного производства // Наноиндустрия. 2021. Т. 14. № S7 (107). С. 293-296. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2021.14.7s.293.296
4. Optimizing and controlling the radiation hardness of a Si-gate CMOS process / P. S. Winokur, E. B. Errett, D. M. Fleetwood et al. // IEEE Transactions of Nuclear Science. 1985. Vol. 32. No. 6. P. 3954-3960. https://doi.org/10.1109/TNS.1985.4334049
5. Сивченко А. С. Разработка методики анализа дефектности подзатворного диэлектрика на тестовых структурах в составе пластин // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем (МЭС). 2014. № 2. С. 145-150.
6. Московская Ю. М., Никифоров А. Ю., Сницар В. Г. Рациональный методический подход к контролю радиационной стойкости партий пластин в процессе производства // Наноиндустрия. 2020. Т. 13. № S4 (99). С. 188-190. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2020.13.4s.188.190
7. Горбунов М. С. Моделирование и проектирование элементов КМОП интегральных микросхем технологии «кремний-на-изоляторе» с повышенной стойкостью к дозовым эффектам: автореф. дис. ... канд. техн. наук. М., 2010. 25 с.
8. Lehmann E. L., D'Abrera H. J. Nonparametrics: Statistical methods based on ranks. San Francisco: Holden-Day, 1975. 457 p. (Holden-Day series in probability and statistics).
9. Состав и принцип формирования типовой оценочной схемы для оценки радиационной стойкости базовых матричных кристаллов и полузаказных БИС на их основе / Ю. М. Московская, Р. А. Федоров, А. Н. Денисов и др. // Наноиндустрия. 2017. № 1 (71). С. 60-69. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2017.71.1.60.69
10. Елесин В. В., Никифоров А. Ю., Телец В. А., Чуков Г. В. Комплекс методических, аппаратных и программных средств для автоматизированных исследований параметров полупроводниковых СВЧ ИС в условиях испытаний на радиационную стойкость // Спецтехника и связь. 2011. № 4-5. С. 28-32.
11. Process parameters variations influence on CMOS IC's hardness to total ionizing dose / Y. M. Moskovskaya, A. Y. Nikiforov, D. V. Bobrovskiy et al. // 2017 IEEE 30th International Conference on Microelectronics (MIEL). Nis: IEEE, 2017. P. 275-277. https://doi.org/10.1109/MIEL.2017.8190120
12. БольшевЛ. Н., Смирнов Н. В. Таблицы математической статистики. М.: Наука, 1983. 416 с.
13. Nonparametric statistical analysis of radiation hardness threshold variation in CMOS IC wafer lots series with the aim of process monitoring / Yu. I. Bogdanov, N. A. Bogdanova, D. V. Fastovets et al. // 2019 IEEE 31st International Conference on Microelectronics (MIEL). Nis: IEEE, 2019. P. 193-196. https://doi.org/ 10.1109/MIEL.2019.8889642
14. Статистический контроль радиационной стойкости в ходе серийного производства микросхем на основе непараметрических критериев оценивания / Ю. М. Московская, Ю. И. Богданов, А. В. Согоян и др. // Международный форум «Микроэлектроника-2019», 5-я Международная научная конференция «Электронная компонентная база и микроэлектронные модули» (Республика Крым, г. Алушта, 30 сент. -05 окт. 2019): сб. тезисов. М.: Техносфера, 2019. С. 163-167.
15. Крамер Г. Математические методы статистики / пер. с. англ А. С. Монина, А. А. Петрова; под ред. А. Н. Колмогорова. 2-е изд., стер. М.: Мир, 1975. 648 с.
Статья поступила в редакцию 10.11.2022 г.; одобрена после рецензирования 24.11.2022 г.;
принята к публикации 30.03.2023 г.
Информация об авторах
Московская Юлия Марковна - старший научный сотрудник кафедры электроники Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ» (Россия, 115409, г. Москва, Каширское шоссе, 31), руководитель Обособленного подразделения «Зеленоград» АО «ЭНПО СПЭЛС» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), инженер лаборатории испытаний НПК «Технологический центр» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), ymmos@spels.ru
Бойченко Дмитрий Владимирович - кандидат технических наук, доцент кафедры электроники Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ» (Россия, 115409, г. Москва, Каширское шоссе, 31), генеральный директор АО «ЭНПО СПЭЛС» (Россия, 115409, г. Москва, Каширское шоссе, 31, стр. 44), dvboy@spels.ru
References
1. Moskovskaya Yu. M., Boychenko D. V. Prediction analysis of the microcircuits' radiation hardness within fabrication process. I. System and its implementation algorithms for various product categories. Proc. Univ. Electronics, 2023, vol. 28, no. 2, pp. 189-201. https://doi.org/ 10.24151/1561-5405-2023-28-2-189-201
2. All about quality. Domestic developments, ed. G. E. Gerasimova. Iss. 6. Statistical process control (guidance manual). Moscow, NTK "Trek" Publ., 2001. 60 p. (In Russian).
3. Moskovskaya Yu. M. Comparative analysis of approaches to control the radiation resistance of the ECB during the OCP and serial production. Nanoindustriya = Nanoindustry, 2021, vol. 14, no. S7 (107), pp. 293-296. (In Russian). https://doi.org/10.22184/1993-8578.2021.14.7s.293.296
4. Winokur P. S., Errett E. B., Fleetwood D. M., Dressendorfer P. V., Turpin D. C. Optimizing and controlling the radiation hardness of a Si-gate CMOS process. IEEE Transactions of Nuclear Science, 1985, vol. 32, no. 6, pp. 3954-3960. https://doi.org/10.1109/TNS.1985.4334049
5. Sivchenko A. S. Development of methods for the analysis of defects in the gate dielectric on the test structures in the wafers. Problemy razrabotki perspektivnykh mikro- i nanoelektronnykh sistem (MES) = Problems of Advanced Micro- and Nanoelectronic Systems Development (MES), 2014, no. 2, pp. 145-150. (In Russian).
6. Moskovskaya Yu. M., Nikiforov A. Yu., Snitsar V. G. Rational methodological approach to control of plates batches radiation resistance during production. Nanoindustriya = Nanoindustry, 2020, vol. 13, no. S4 (99), pp. 188-190. (In Russian). https://doi.org/10.22184/1993-8578.2020.13.4s.188.190
7. Gorbunov M. S. Modeling and design of "silicon-on-insulator" technology CMOS integrated circuit elements with increased resistance to dosage effects, extended abstract of diss. for the Cand. Sci. (Eng.). Moscow, 2010. 25 p. (In Russian).
8. Lehmann E. L., D'Abrera H. J. Nonparametrics: Statistical methods based on ranks. San Francisco, CA, Holden-Day, 1975. 457 p. Holden-Day series in probability and statistics.
9. Moskovskaya Yu., Fedorov R., Denisov A., Bobrovskiy D., Ulanova A., Nikiforov A. Composition and principle of formation of standard evaluation circuit as simulator of gate arrays and semicustom very large scale IC based on them for radiation tests. Nanoindustriya = Nanoindustry, 2017, no. 1 (71), pp. 60-69. (In Russian). https://doi.org/10.22184/1993-8578.2017.71.L60.69
10. Elesin V. V., Nikiforov A. Yu., Telets V. A., Chukov G. V. A set of methodological, hardware and software tools for automated research of the parameters of semiconductor microwave ICs under conditions of radiation resistance tests. Spetstekhnika i svyaz', 2011, no. 4-5, pp. 28-32. (In Russian).
11. Moskovskaya Y. M., Nikiforov A. Y., Bobrovskiy D. V., Ulanova A. V., Zhukov A. A. Process parameters variations influence on CMOS IC's hardness to total ionizing dose. 2017 IEEE 30th International Conference on Microelectronics (MIEL). Nis, IEEE, 2017, pp. 275-277. https://doi.org/10.1109/ MIEL.2017.8190120
12. Bol'shev L. N., Smirnov N. V. Tables of mathematical statistics. Moscow, Nauka Publ., 1983. 416 p. (In Russian).
13. Bogdanov Yu. I., Bogdanova N. A., Fastovets D. V., Moskovskaya Yu. M., Sogojan A. V., Nikiforov A. Yu. Nonparametric statistical analysis of radiation hardness threshold variation in CMOS IC wafer lots series with the aim of process monitoring. 2019 IEEE 31st International Conference on Microelectronics (MIEL). Nis, IEEE, 2019, pp. 193-196. https://doi.org/10.1109/MIEL.2019.8889642
14. Moskovskaya Yu. M., Bogdanov Yu. I., Sogojan A. V., Nikiforov A. Yu., Bogdanova N. A., Fastovets D. V. Statistical monitoring of radiation stability during serial production of chips based on nonparametric evaluation criteria. Mezhdunarodnyy forum "Mikroelektronika-2019", 5-ya Mezhdunarodnaya nauchnaya konferentsiya "Elektronnaya komponentnaya baza i mikroelektronnyye moduli" (Respublika Krym, g. Alushta, 30 sent. - 05 okt. 2019), collection of abstracts. Moscow, Tekhnosfera Publ., 2019, pp. 163-167. (In Russian).
15. Cramér H. Mathematical methods of statistics. 13th print. Princeton, NJ, Princeton Univ. Press, 1974. 575 p. Princeton landmarks in mathematics.
The article was submitted 10.11.2022; approved after reviewing 24.11.2022;
accepted for publication 30.03.2023.
Information about the authors
Julia M. Moskovskaya - Senior Researcher of the Electronics Department, National Research Nuclear University "MEPhl" (Moscow Engineering Physics Institute) (Russia, 115409, Moscow, Kashirskoe ave., 31), Head of the Separate division "Zelenograd", "ENPO SPELS" JSC (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), Engineer of the Testing Laboratory, SMC "Technological Center" (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), ymmos@spels.ru
Dmitry V. Boychenko - Cand. Sci. (Eng.), Assoc. Prof., National Research Nuclear University "MEPhI" (Moscow Engineering Physics Institute) (Russia, 115409, Moscow, Kashirskoe ave., 31), General Director, "ENPO SPELS" JSC (Russia, 115409, Moscow, Kashirskoe ave., 31, bld. 44), dvboy@spels.ru
