книги / Оптические методы контроля интегральных микросхем
..pdfМА С С О В А Я БИБЛИОТЕКА ИНЖЕНЕРА
ЭЛ Е К Т Р О Н И К А
Выпуск 32
ОПТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ
ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ
СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ
Под !редакцией Л. Г. Дубицкого
МОСКВА «РАДИО И СВЯЗЬ» 1982
ББК 32.844.1 0-60
УДК 621.382.82:621.385.833
Авторы: 10. С. Вартанян, Н. С. Розиньков, Л. Г. Дубицкий, Е. В. Поддубный, Д. И. Закс
Оптические методы контроля интегральных 0-60 микросхем: Состояние и перспективы совершен ствования/ Ю. С. Вартанян, Н. С. Розиньков,
Л. Г. Дубицкий |
и |
др.; Под ред. Л. Г. Дубицко- |
го. — М.: Радио |
и |
связь, 1982.— 136 с., ил.— |
(Массовая б-ка |
инженера «Электроника», |
|
вып. 32). |
|
|
35 к.
Рассмотрена роль оптических методов контроля в общей системе оценки качества гоювых изделий. Проведен анализ критериев от* браковки по результатам оптического контроля, указаны пути по* вышения информативности методов.
Предназначена для широкого круга специалистов НИИ, КБ и предприятий, занимающихся разработкой, производством и приме нением интегральных микросхем.
2403000000-168 _ |
ББК 32.844.1 |
|
°046(01)-82 |
71'82 |
6Ф0.3 |
Р Е Д А К Ц И О Н Н А Я К О Л Л Е Г И Я :
В.М. Пролейко (отв. редактор), В. М. Вальков, Б. Ф. Высоцкий,
Г.Г. Горбунова, В. И. Иванов, В. И. Котиков, Я. В. Лебедев, Э. А. Лукин, Ю. Р. Носов, В. И. Стафеев, В. Я. Сретенский (зам.
отв. редактора), Ю. Б. Степанов, В. А. Шахнов
Р е ц е н з е н т ы : |
д-р техн. |
наук В. Н, |
С р е т е н с к и й , канд. |
техн. наук Ю. В. |
О с о к и н , |
канд. техн. |
наук В. В. Р а к и т и н |
Редакция литературы по электронной технике
© Издательство «Радио и связь», 1982.
Предисловие
Развитие микроэлектроники в значительной мере определяется прогрессом в ее метрологическом обеспе чении, в том числе совершенствованием методов и средств контроля схемотехники, структуры и топологии. За последние годы возросла роль оптических методов контроля (ОМК), обладающих высокой разрешающей способностью и хорошей чувствительностью. Однако пе реход к производству интегральных микросхем (ИС) по вышенной степени интеграции поставил задачу— перей ти от традиционного использования ОМК только в со четании со зрительным аппаратом оператора к автома тическим методам обработки изображений и использо ванию получаемой информации для управления техно логическими процессами. Значительное число разрознен ных публикаций с изложением возможностей ОМК при контроле микросхем и отдельные технические решения не позволяют сопоставить полученные результаты и пу ти их практической реализации. Поэтому возникла, по требность систематизировать и критически проанализи ровать имеющиеся материалы и изложить их в форме, доступной широкому кругу инженерно-технических ра ботников, занятых разработкой, производством и приме нением интегральных микросхем.
В данной книге сделана попытка кратко рассмотреть основные вопросы, связанные с состоянием и совершен ствованием ОМК ИС. При отборе материала авторы ру ководствовались главным образом следующими сообра жениями:
1.ИС как объект ОМК предъявляет к. этим методам
исоответствующим средствам наиболее .-высокие требо вания по метрологическим характеристикам и произво дительности. Поэтому излагаемые методы» и средства, уже сегодня активно используемые в микроэлектронике, являются «завтрашним» днем других отраслей техники. Исходя из этого, авторы стремились рассмотреть те
ОМК, которые имеют перспективы более широкого при: менеиия в различных отраслях промышленности.
2. При оценке перспективности новых ОМК авторы старались базироваться на взаимосвязи их метрологиче ских характеристик со степенью опасности (значимости) выявляемых дефектов и практической реализуемостью в оборудовании. Поэтому в работе не нашли отражение некоторые патентные данные, для которых неясны мет рологические характеристики п возможные пути и сроки практической реализации.
3. Учитывая объем книги, авторы воздерживались от изложения методов, по которым уже изданы подроб ные описания. В частности, не нашли отражение радиооптические методы, подробно рассмотренные в обзоре [20]. а также фотометрические методы, которым посвя щена книга [21].
Работа между авторами распределилась следующим
образом: Ю. |
С. Вартаняном написаны |
§ |
1—3 гл. 2 и |
приложение |
1; Н. С. Розиньковым — § |
2 |
и 3 гл. 3; |
Л. Г. Дубицким — предисловие, гл. 1 |
и |
заключение; |
|
Е. В. Поддубным и Д. И. Заксом — § 3, гл. 4; Ю. С. Вар таняном, Л. Г. Дубицким, Н. С. Розиньковым, Д. И. Зак сом и Е. В. Поддубным — § 2 гл. 4; Ю. С. Вартаняном
и |
Л. |
Г. Дубицким — § |
4 гл. 2; Н. С. |
Розиньковым и |
Л. |
Г. |
Дубицким — § 1 |
и 4 гл. 3; Ю. |
С. Вартаняном, |
Н. С. Розиньковым и Л. Г. Дубицким — приложение 2; Л. Г. Дубицким, Ю. С. Вартаняном, Н. С. Розиньковым и Д. И. Заксом — § 1 гл. 4.
i. Состояние и перспективы совершенствования оптических методов контроля
интегральных микросхем
1.1. Проблема повышения эффективности оптических методов контроля
Повышение требований к качеству и надежности ин тегральных микросхем (ИС) заставляет уделять все большее внимание обнаружению дефектов, возникающих в технологическом процессе их изготовления. Одним из основных средств отбраковки потенциально ненадежных изделий на различных этапах изготовления ИС является оптический метод контроля (ОМК) *>. Этот метод, вклю чающий ряд разновидностей, позволяет контролировать качество кристаллов и оснований ИС, монтажа, метал лических покрытий, сварных (термокомпрессионных) со единений (ТКС) и т. д. (табл. 1) [1]. В технологиче ских маршрутах операции оптического контроля повто ряются до 20 и более раз [2].
Неизбежная субъективность операторов, усиливаемая сильной утомляемостью при работе с микроскопом, сложность обнаружения многих типов дефектов, высо кий темп, обусловленный массовостью производства, не высокая точность и малая производительность сущест вующих методов приводят к недостаточной эффективно сти ОМК. Весьма низкой является и достоверность конт роля (по [3—5] она не превышает 60—65%). Вместе с тем дефекты металлизации, обрывы ТКС, дефекты в окисле, которые должны быть выявлены при визуальном контроле, составляют в эксплуатации до 20% общего числа отказавших ИС [6], несмотря на то, что операции оптического контроля ИС составляют 72% [5] общего объема контрольных операций. Приведенные в табл. 2 [3] данные о существующей технике оптического конт роля ИС свидетельствуют о весьма низкой информатив-
*> В ОСТ 11 070.001 принят термин «контроль внешнего вида», противоречащий ГОСТ 18353—79 и не отражающий сущно сти контрольной операции [3]. Во многих публикациях использует ся термин «визуальный контроль», страдающий теми же недостат ками. Поэтому в брошюре используется термин «оптические методы контроля», более соответствующий ГОСТ 18353—79.
Т а б л и ц а 1
Типовые дефекты, выявляемые оптическими методами контроля до герметизации [1]
Дефект на операциях Отказы, %*)
Установка кристалла |
27,2 |
Трещины в кристалле Неправильная ориентация кристалла Загрязнение поверхности
Недостаточное количество установочного материала
Присоединение выводов |
16,2 |
Отслоение контактной площадки Отслоение проволочного вывода от вывода корпуса Обрыв проволоки в месте пережатия Неправильная защита выводов
Образование интерметаллических соединений Неудовлетворительная контактная площадка Поры, трещины, царапины и другие дефекты проволоки Сколы и прочие дефекты под областью соединений Смещение вывода при сварке Неудовлетворительные размеры соединений Обрыв провода между кристаллом и корпусом
Металлизация |
14,7 |
Плохая адгезия (отслаивание металлизации) |
металли |
Отделение от ступенек в окисле (отслаивание |
|
зации) |
|
Эрозия и (или) коррозия Пустоты в металлизации (раковины) Царапины
Иедотравленная или перетравленная металлизация
Нанесение окисного слоя |
13,3 |
Пустоты |
|
Трещины |
|
Наличие областей, не покрытых окислом |
|
Неправильный выбор толщины окисла |
|
Загрязнение поверхности |
|
Диффузия |
12,9 |
Неправильное совмещение или маскирование |
|
Повреждение масок Дефекты процесса фотолитографии
Следы, оставленные инструментом в окисле
6
|
Окончание табл. 1 |
Дефект на операциях |
Отказы, %*) |
Прочие |
15,7 |
Дефекты внешних выводов |
3,8 |
Инородные материалы |
5,2 |
Дефекты корпуса |
2,2 |
Дефекты диэлектрика |
0*2 |
Примеси и загрязнения |
3,8 |
Дефекты материала |
0,5 |
*> В таблице приведены усредненные данные распределении отказов ИС различной степени интеграции.
ности ОМК. Это подтверждают также данные табл. 3 [7]. показывающие значительный процент дефектов ИС, которые остались не выявленными при визуальном конт роле. Таким образом, проблема совершенствования ОМК ИС весьма существенна.
В связи с переходом к выпуску ИС средней и боль шой степени интеграции (БИС) резко возрастает слож ность рисунка топологии, растет трудоемкость оптиче ского контроля, т. е. результаты контроля все больше зависят от визуальной интерпретации объекта контроля.
В планарной технологии изготовления ИС основны ми элементами, во многом определяющими качество и надежность ИС, являются фотошаблоны. Их контроль затруднен тем, что требования к точности размеров и расположения элементов маски приближаются к пре дельным возможностям ОМК. Кроме того, в отличие от методов контроля фотошаблонов, используемых при про изводстве простых ИС по критическим областям на мас ке [8], при контроле фотошаблонов, предназначенных для производства БИС, необходимо обеспечить 100%-ный контроль площади маски |9]. Поэтому весь ма актуальным является поиск ОМК фотошаблонов.
1.2. Характеристика процесса обработки оптической информации
При контроле структур ИС и других изделий микро электроники минимальные размеры дефектов составляют
7
|
|
Т а б л и ц а |
2 |
Информативность операций |
оптического контроля кристаллов |
ИС |
|
|
|
Среднее |
|
|
|
количество |
|
Тип дефектов |
Содержание контропыюй |
информации, |
|
операции |
перерабатыва |
||
емой рри ана лизе дефекта, бит
Полупроводниковые кристаллы
Пятна, |
подтеки, |
грязь |
Определение |
|
местополо |
3,1 |
|||||||||
на |
рабочей |
поверхности |
жения дефектов, |
выделение |
|
||||||||||
кристалла |
|
|
|
|
|
участков |
поверхности с |
оп |
|
||||||
Сколы |
по |
периметру |
ределенным цветом |
|
|
1.5 |
|||||||||
Определение |
|
местополо |
|||||||||||||
кристалла, заходящие на |
жения, оценка |
размеров |
и |
|
|||||||||||
рабочее |
поле |
(размер |
площадей дефектов |
|
|
|
|||||||||
скола |
более |
допустимо |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
го) |
|
|
|
рабочем |
по |
Определение |
|
местополо |
1.5 |
||||||
Риски на |
|
||||||||||||||
ле |
кристалла |
|
|
|
жения, |
оценка |
линейных |
|
|||||||
Трещины на поверхно |
размеров дефекта |
|
де |
1 |
|||||||||||
Определение |
наличия |
||||||||||||||
сти |
кристалла |
|
|
|
фекта |
|
|
местополо |
1.5 |
||||||
Раковины |
w сколы на |
Определение |
|
||||||||||||
рабочем поле кристалла жения дефекта |
|
|
разме |
1,0 |
|||||||||||
Отклонение |
размеров |
Оценка |
линейных |
||||||||||||
кристалла |
(согласно |
до |
ров |
кристалла |
|
|
|
|
|
||||||
пуску |
по |
чертежу) |
ра |
Определение |
|
местополо |
1.5 |
||||||||
Недошлифовка |
на |
|
|||||||||||||
бочем |
поле |
кристалла |
жения дефекта |
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
Кристаллы со структурами ИС |
|
|
|||||||
Царапины |
и |
пустоты |
Определение |
|
местополо |
3,7 |
|||||||||
на |
металлизированных |
жения дефектов и направле |
|
||||||||||||
дорожках, |
контактных |
ния |
относительно |
элемен |
|
||||||||||
площадках, |
под |
|
кон |
тов |
структуры, |
оценка пло |
|
||||||||
тактным |
окном |
(5 |
кри |
щади дефектов и выявление |
|
||||||||||
териев |
отбраковки) |
|
цветовой неоднородности |
|
3 ,0 |
||||||||||
Коррозия |
|
|
|
|
Выявление цветовой неод |
||||||||||
Невытравленные участ |
нородности |
|
местополо |
|
|||||||||||
Определение * |
3 , 3 |
||||||||||||||
ки |
металлизации — де |
жения, |
оценка |
линейных |
|
||||||||||
фекты |
типа |
перемычки |
размеров |
дефектов |
|
|
|
||||||||
между |
различными |
эле |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
ментами |
|
структуры |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
(3 |
критерия отбраковки) |
Оценка площади и линей |
9.6 |
||||||||||||
Совмещение |
металли |
1v |
|||||||||||||
зации (3 критерия отбра |
ных |
размеров |
элементов |
|
|
||||||||||
ковки) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Окончание табл. 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Среднее |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
количество |
|
|
|
|
Содержание контрольной |
информации; |
||||
|
Тип дефектов |
перерабатывае'- |
|||||||
|
|
|
операции |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
мой при ана |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
лизе дефекта, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
бит |
Состояние |
поверхности |
Определение |
местополо |
2,0 |
|||||
р—«-перехода (2 крите |
жения |
элементов |
относи |
|
|||||
рия |
отбраковки) |
тельно |
друг друга, |
провер |
|
||||
|
|
|
|
ка наличия покрытия на по |
|
||||
Дефекты |
скрайбирова- |
верхности |
р—«-перехода |
4,1 |
|||||
Определение |
местополо |
||||||||
иия |
(4 критерия отбра |
жения |
и |
направления де |
|
||||
ковки) |
|
|
фекта, оценка его линейных |
|
|||||
Дефекты |
|
окисла и |
paoMcpUo |
|
местополо |
6,7 |
|||
|
Определение |
||||||||
диффузии (7 |
критериев |
жения, |
оценка |
площади' и |
|
||||
отбраковки) |
|
|
линейных |
размеров |
дефек |
|
|||
|
|
|
|
тов, обнаружение цветовой |
|
||||
Дефекты |
фотолитогра |
неоднородности |
|
|
1.5 |
||||
Оценка площади дефектов |
|||||||||
фии |
(наличие |
невытрав- |
|
|
|
|
|
|
|
ленного окисла) |
Определение |
местополо |
2,8 |
||||||
Дефекты |
напыленных |
||||||||
резисторов |
(3 |
критерия |
жения |
и |
оценка |
линейных |
|
||
отбраковки) |
|
|
размеров дефектов |
|
|
||||
П р и м е ч а н и е . Контроль полупроводниковых кристаллов осуществляет ся визуально (невооруженным глазом), а кристаллов со структурами ИС — визуально-оптически (с помощью микроскопа ММУ-3).
|
|
|
|
Т а б л и ц а 3 |
|
Отказовые дефекты, выявляемые при рентгеновском контроле |
|||||
ИС для |
приборов разного уровня надежности, % |
||||
Вид микросхемы |
|
Уровень надежности |
|
||
Mil-temp |
Precap/SEM |
883В |
38510В |
||
|
|||||
Линейная |
0,9 |
8,1 |
4,9 |
1,7 |
|
ТТЛ |
1.4 |
9,5 |
4,1 |
0 |
|
КМОП |
1.7 |
4,1 |
0 |
0 |
|
Обозначения.
Mil-temp (military-temperature range — военный диапазон температур) — приборы с самым низким уровнем надежности — не проходят отбраковочных испытаний;
Ргесар/SEM (Scanning Electron Microscope — сканирующий электронный микроскоп) — приборы более высокого уровня надеж ности— приборы класса Mil-temp, проходящие перед герметизацией
9
в корпуса визуальную проверку на растровом (сканирующем) элек тронном микроскопе, но не подвергающиеся какой-либо дополни тельной отбраковке с воздействием дестабилизирующих факторов; 883В — приборы более высокого уровня надежности, поставляе мые в соответствии с требованиями военного стандарта MIL-STD-883 по классу В и проходящие ряд отбраковочных испы
таний; 38510В — приборы наиболее высокого уровня надежности, по
ставляемые в соответствии с требованиями военного стандарта об щих технических условий MIL-M-38510 по классу В и проходящие наиболее жесткие отбраковочные испытания.
0,5—1 мкм, а погрешность измерения линейных разме ров не должна превышать 0,2—0,5 мкм [3]. Поэтому особую значимость приобретает метрологическое обес печение ОМК ИС.
Действующие в настоящее время системы оптическо го контроля ИС являются эргодическими, в них взаимо связаны задачи и характеристики, определяемые конт рольным техническим оборудованием и контролер амиоператорами. В [3] приведен воспроизводимый ниже с Некоторыми сокращениями анализ двухэтапного процес са обработки информации контролером.
Первый этап — съем (восприятие) информации о внешнем виде изделия и ее «сжатие» посредством фор мирования образов дефектов, подлежащих дальнейшему исследованию,
Количество информации, которое может быть вос принято зрительной системой человека в единицу време ни, ограничено, что уменьшает производительность и Достоверность контрольных операций. Установлено, что время, необходимое для возникновения зрительного ощу щения, в среднем равно 0,025—0,1 с. В это же время ско рость просмотра (сканирования) исследуемой поверхно сти человеком может достигать 300—400 мм/с. При та кой скорости время для просмотра дефектов размером 2—5 мм мало (0,005—0,01 с) и зрительное ощущение не успевает сформироваться. Повышение производительно сти с определенного момента отрицательно сказывается на достоверности контроля: первые ошибки допускаются человеком при анализе информации со скоростью 0,8 бит/с.
Второй этап — обработка информации о сложивших ся образах дефектов в соответствии с технологическими критериями отбраковки. В этом случае количество ин формации, подлежащее обработке, существенно зависит от сложности технологических требований контроля. С
10