93

Глава 4 ОБЩЕЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ОБ ОТКАЗАХ ИЗДЕЛИЙ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ

4.1ФИЗИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ОТКАЗОВ

В настоящее время в технических условиях на ИС установлены наибольшие показатели долговечности в течение 200 тыс. ч и гамма - процентного ресурса сохраняемости - 25 лет, что практически удовлетворяет все виды радиоэлектронной аппаратуры, в которых используются ИС.

Но могут ли ИС практически сохранять свою работоспособность в течение 30, 50, 100 и более лет? И если не могут, то изменения, каких составляющих конструкций ИС будут при этом преобладать? Какими испытаниями можно подтвердить такую долговечность? Ведь далеко не одно и то же, испытывать миллион ИС в течение одного часа или одно изделие миллион часов, хотя в обоих случаях наработка составит 1 млн. приборо-часов.

На эти вопросы найти объективный ответ по имеющейся статистике или расчетными способами практически невозможно, хотя имеется множество [14] моделей для прогнозирования длительности работоспособности ИС, и большое число работ посвящены изучению физики отказов, моделированию причин отказов, моделированию и экспериментальному определению надежности отдельных элементов и ИС в целом. В частности, имеется множество моделей отдельных видов отказов ИС: из-за образования микродефектов в кремнии, электромиграционных отказов металлизации, электрического старения пленок оксида кремния и т.п. Все эти модели основаны на изменении физико-химических свойств материалов во времени при воздействии внешних факторов и влиянии этих изменений на работоспособность ИС.

Многие работы объясняют в той или иной мере причины старения отдельных элементов ИС, но не дают ответ на вопрос о долговечности ИС. Актуальной остается задача: на основе изучения явлений старения необходимо найти зависимости для расчета реальной долговечности ИС, определяемой их конструкцией и технологией изготовления.

Почему необходимо изучать вопросы долговечности ИС? На ИС построены все радиоэлектронные системы, применяемые в оборонной и космической

94

промышленности. В настоящее время длительность работы этих систем в активном или дежурном режимах рассчитывается на срок в 10-20 лет.

Теория надежности развивалась этапами. На начальном этапе были сформулированы понятия и подходы к решению задач по надежности, исследовались и разрабатывались инженерные методы оценки надежности. На этом этапе доминирующими были методы математической статистики и теории вероятности.

Статистическая теория надежности основана на обобщении большого объема экспериментальных данных. С повышением качества ИЭТ процесс исследования надежности становится все более громоздким, дорогим и длительным, что видно из табл.17, иллюстрирующей практическую трудность подтверждения интенсивности отказов ИЭТ.

Таблица 17 Статистический подход обработки экспериментальных данных

Современный этап развития теории надежности характеризуется переходом от статистических методов исследований к физическим. От исследования интенсивности отказов - к классификации отказов по видам и от нее - к созданию моделей механизмов отказов. Основная роль при физических методах изучения надежности принадлежит исследованию механизмов отказов и количественному прогнозированию надежности на основе данных о конструкции ИЭТ, свойствах материалов и протекающих в них процессах. Основная роль при физических методах исследования отказов принадлежит детальному исследованию физических процессов, вызывающих отказы ИЭТ, и построению моделей этих отказов. В общем случае появление отказов ИС можно пояснить на следующей модели. Все элементы ИС (области транзисторов, резисторов, проводников и т.п.) и дефекты (дефекты фотолитографии, алюминиевой металлизации и др.) имеют конечный объем, который для простоты рассуждений заменим площадью. Положение элементов и дефектов может быть разнообразным (рис.8).

95

Ig

Рис. 8 Возможное расположение элементов ИС и дефектов

Sэ - площадь элемента; Sд - площадь дефекта; ... Sm... Sп ...- площадь пересечения элемента и дефекта, ... Iр,... Ig - расстояние между элементом и дефектом

Рассмотрим относительное положение, при котором область элементов и область дефектов пересекаются (рис.8, а, б, в). Обрыв проводника требует полного перекрытия области элементов областью дефекта, т.е. площадь дефекта должна включать в себя площадь элемента (рис.8, а). В силу случайного положения дефекта площадь пересечения дефекта и элемента при перекрытии их областей является случайной функцией взаимного положения элементов и дефектов. Очевидно, могут существовать ИС с очень малой площадью пересечения элементов и дефектов.

Практика показала, что отказы ИС в период приработки вызваны наличием дефектов, сопряженных с различными элементами ИС, что обусловливает необходимость проведения различного рода технологических испытаний.

Аналогичные рассуждения можно привести и для случаев, показанных на рис.8 г, д, когда дефекты и элементы расположены на расстоянии друг от друга. Этот случай важен для установления критериев отбраковки кристаллов и сборок ИС по внешнему виду, так как он наиболее характерен для отказов при испытаниях на надежность и в эксплуатации. При этом необходимо учитывать явление "размытия дефектов" (особенно в месте наименьшего расстояния), когда со временем происходит перемыкание областей под воздействием температуры, электрических и механических нагрузок, а также естественного старения ИС. Естественное старение ИС может ускориться электрическими полями (например, при соприкосновении паразитной диффузионной области, обусловленной дефектом фотолитографии, и элементами ИС), а также механическими напряжениями, процессом окисления и т.п.

96

Изменение состояния элементов ИС при наличии каких-либо дефектов со временем может влиять различным образом на электрические параметры (рис.9).

tг

Рис. 9 Графическое изображение возникновения параметрических отказов ИС.

А- электрический параметр, значение которого находится в нормах ТУ; В

-электрический параметр, соответствующий условию катастрофического отказа; tг - время гарантируемой работы

Изменение электрических параметров может быть следующим:

•скачкообразным без последующего восстановления, что соответствует катастрофическому отказу (рис.9,а);

•скачкообразным с возможным последующим восстановлением (это так называемый мерцающий или самоустраняющийся отказ) На рис.9,б восстановление работоспособности обозначено штриховыми линиями;

97

•постепенным, с различной скоростью, до значений параметров, соответствующих катастрофическому отказу (рис.9,в), при этом скорость изменения параметра может быть такой, что по результатам двухразового контроля работоспособности ИС, между которыми произошло изменение значения параметра, отказ можно принять за скачкообразный (кривая III);

•постепенным с сохранением работоспособности на гарантированное время

(рис.9,г).

Анализ отказов показал, что каждому виду отказов соответствуют определенные дефекты. В частности, дефекты, вызывающие скачкообразный катастрофический отказ, могут быть двух типов:

Перечисление дефектов, приводящих к скачкообразным отказам с восстановлением и без восстановления работоспособности, можно продолжить. Наличие одних и тех же дефектов в обоих перечислениях объясняется различной степенью близости и возможностью хотя бы незначительных "перемещений" рассматриваемых элементов конструкции, в результате чего может иметь место самоустраняющийся отказ.

На постепенный уход параметров до значения, соответствующего катастрофическому отказу, а также на уход параметров с сохранением работоспособности ИС, могут влиять нарушение требуемой конфигурации р-п-переходов, инородные включения в окисле в области р-п-переходов, растравление контактных и диффузионных областей, дырки в окисле над металлизацией и др. В этом