Обеспечение и ускоренная оценка качества микросхем по результатам физико-технической экспертизы

Вид материала

Автореферат

Содержание Общая характеристика работы Содержание работы

Подобный материал:

• Качество подготовки специалистов оценка качества знаний, 961.03kb.
• Методическое руководство для выполнения контрольной работы по дисциплине «Оценка качества, 379.78kb.
• Программа-минимум кандидатского экзамена по специальности 05. 02. 07 «Технология, 256.06kb.
• 05. 02. 07 Технология и оборудование механической и физико-технической обработки, 24.16kb.
• Задачи и объекты экспертизы следов транспортных средств. 17. Назначение экспертизы, 32.27kb.
• Постановления Правительства Российской Федерации от 24 апреля 2003 года n 238 "Об организации, 2030.16kb.
• Постановления Правительства Российской Федерации от 24 апреля 2003 года n 238 "Об организации, 2065.23kb.
• Техническое задание на проведение строительно-технической экспертизы I. Заказчик (инициатор), 41.51kb.
• Лекции, лабораторные занятия, курсовая работа, консультации, самостоятельная работа, 23.03kb.
• По результатам аттестационной экспертизы специальности 020700 «История», 517.25kb.

На правах рукописи


Дорошевич Виктор Казимирович


ОБЕСПЕЧЕНИЕ И УСКОРЕННАЯ ОЦЕНКА КАЧЕСТВА МИКРОСХЕМ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ЭКСПЕРТИЗЫ

Специальность - 05.02.23 – Стандартизация и управление качеством продукции


АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук


Москва 2010


Диссертационная работа выполнена в Московском государственном институте радиотехники, электроники и автоматики (технический университет)


Официальные оппоненты – доктор технических наук, профессор,

Горнев Евгений Сергеевич


– доктор технических наук, профессор,

Петросянц Константин Орестович


– доктор технических наук, профессор,

Шульгин Евгений Иванович


Ведущая организация – Открытое акционерное общество

«Ангстрем»


Защита состоится 17 июня 2010 г. в ___ часов

на заседании диссертационного совета ДМ 2.131.04 в Московском Государственном институте радиотехники, электроники и автоматики (техническом университете) по адресу 119454, Москва, пр-т Вернадского, 78, ауд. В-223.


С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского Государственного института радиотехники, электроники и автоматики (технического университета)


Автореферат разослан «_____» ____________ 2010 г.


Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат технических наук, доцент С.Н.Замуруев


ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ


Актуальность темы.

Обеспечение качества и надежности микросхем имеют особую значимость, так как характеристики этих изделий во многом определяют тактико-технические характеристики радиоэлектрон­ной аппаратуры (РЭА) созданной на их основе.

Рост функциональной сложности интегральных микрос­хем (ИС), использование новых принципов конструирования и технологических процессов требуют постоянного совершенствования методов и технических средств конт­роля их качества. При этом возрастает число показателей, опреде­ляющих качество ИС. Такими показателями являются значения элект­рических параметров, процент выхода год­ных ИС, размеры элементов конструкции и кристалла и другие. К числу важнейших из них относятся показатели надежности.

Темпы развития микроэлектроники существенно усложнили задачу прогнозирования и оценки качества ИС прежде всего потому, что на­дежность ИС увеличилась, а "моральное старение" ускорилось. Получать достоверные оценки качества ИС традиционными натурными методами испытаний нерентабельно: увеличение количества испы­тываемых ИС удорожает испытания, а увеличение продолжительности испытаний снижает достоверность результатов из-за разработки но­вых типов ИС и изменения технологии производства. Трудности при оценке качества существенно возросли с появлением функционально сложных сверхбольших интегральных схем (СБИС). Так, для определе­ния стойкости ИС к механическим (воздействие вибрации, ударов, линейного ускорения и т.д.) и климатическим (влагостойкости) факторам проводятся длительные натурные испытания на представительных вы­борках. При этом все площади, оборудование, аппаратура, энергети­ческие и людские ресурсы должны быть задействованы в течение длительного времени. Это требует больших затрат.

Динамичность и жесткость требований к качеству ИС обусловли­вают высокую остроту (как с технической, так и экономической позиций) проблемы оценки качества для вновь создавае­мых ИС с целью выполнения заданных требований и обеспечения даль­нейшего их роста. Главная цель состоит в том, чтобы разработать и поставить ИС быстрее, дешевле и лучшего качества. Переход к сверхбольшим интегральным микросхемам сопровождается уменьшением топологических размеров ИС, что делает необходимым уменьшение напряжений, толщины слоев окисла и металла, а также диффузионных глубин. Все это способствует возникновению различных отказов. С другой стороны, требования по надежности СБИС постоянно возрастают из-за повышения тактико-технических характеристик РЭА, увеличения сложности ее обслуживания и ре­монта.


Для получения достоверной информации о качестве ИС и предуп­реждения отказов, внимание должно быть уделено исследованиям фи­зических причин отказов. В связи с этим возникает необходимость в разработке оперативных методов оценки качества ИС, позволяющих в ко­роткий срок определить истинное значение показателей качества и , уро­вень технологического процесса производства, и создании на их основе эффективной системы обеспечения требуемого уровня качест­ва. То есть актуальна проблема получения оценок качества ИС, их устойчивости к внешним воздействующим факторам за короткое время не путем непосредственных натурных или даже ускоренных испытаний, а посредством проведения физико-технической экспертизы элементов ИС (химического состава среды в подкорпусном объеме, металлиза­ции, активных элементов, слоев диэлектрика и т.д.) и микросхем в целом.

Большое значение приобретает разработка и применение физико-технических методов определения и контроля качества ИС для различных этапов производства и диагностики.

Эта задача может быть решена посредством физи­ко-технической экспертизы (ФТЭ) путем прове­дения исследований по установлению элементов конструкции и крис­талла, параметров и критериев, алгоритма и порядка проведения фи­зико-технической экспертизы. Для экспертизы могут быть использо­ваны тестовые структуры, проектные нормы, методики интегральной оценки качества ИС (контроль температурного поля, распределения потенциалов, метод наведенного заряда); методики контроля геомет­рических параметров элементов ИС (линейные размеры, конфигурация, рельеф,), анализа качества материалов (заряд в диэлектрике, время жизни носителей заряда, пористость диэлектрических и проводящих слоев); анализа качества конструкции (корпуса, состава среды под­корпусного объема, коррозионная стойкость). По результатам анализа делается оценка устойчивости ИС к внешним воздействующим факторам.

Однако опыт проведенных испытаний и исследований отказавших ИС показывает необходимость доработки этих и разработки других методик, которые дополняются оценками соответствующих показателей качества и критериальных параметров. Например, наряду с оценкой стойкости ИС к разрядам статического электричества, необ­ходимо оценивать их стойкость к электроперегрузкам. При оценке коррозионной стойкости ИС существующий метод оценки может быть дополнен методикой контроля газового состава подкорпусного объема и т.д.

Необходимым условием при определении параметров и отработке соответствующих критериев оценки качества элементов конструкции ИС, а также для подтверждения возможности использования методик физико-технической экспертизы, должны проводиться натурные, в том числе ускоренные испытания, подтверждающие приемлемость методик и достоверность критериев оценки.

Исходя из изложенного, настоящая работа посвящена решению актуальной проблемы - обоснованию технических и техноло­гических решений, связанных с разработкой методов обеспечения и ускоренной оценки качества ИС.

Решение данной задачи включает выполнение исследований по ря­ду важнейших ее составляющих.

Во-первых, определить требования к процессам разработки и производства и прежде всего технологическому процессу.

Во-вторых, необходимо установить элементы конструкции и кристалла, параметры и критерии для конт­роля и оценки качества ИС, на основе полученных причинно-следс­твенных связей между дефектами, отказами, технологическими опера­циями.

В-третьих, следует разработать маршрут (порядок проведе­ния) физико-технической экспертизы.

В-четвертых, необходимо выб­рать, уточнить и разработать методики оценки качества ИС на осно­ве использования физико-технического метода. При этом в качестве одной из важных составляющих задач исследования выделена разра­ботка математических моделей оценки точности визуального контро­ля, не зависящей от свойств контролируемой партии и надежностных характеристик функционально сложных сверхбольших интегральных микросхем на основе суперкристаллов.

Рассмотреть особенности применения статистических методов для оценки качества технологических процессов. Предложить метод статистического контроля технологических процессов изготовления микросхем для партий малого объема при прерывистом производстве.

Основой для проведения исследований служит сбор и обработка данных о причинах отказов ИС в процессе производства и эксплуата­ции, влияния конструктивно-технических решений, технологических операций, материалов на качество интегральных микросхем.

Вопросам предотвращения отказов ИС и повышения их качества уделяется большое внимание также и за рубежом. Анализ отказов превращается в анализ способов совершенство­вания конструкции, ИС и процесса производства, то есть в анализ способов предотвращения отказов. Выход годных функционально сложных интегральных микросхем в большинстве про­изводств не высок, что существенно снижает эффективность произ­водства, причем чем сложнее ИС и чем больше площадь кристалла, а значит чем дороже ИС, - тем меньше процент выхода годных. Именно поэтому обеспечение качества на этапах разработки и производства, диагностика в процессе производства, исследование спосо­бов предотвращения отказов должны в значительной степени занять место контрольных испытаний в конце производства. Эти методы яв­ляются существенным фактором повышения выхода годных ИС, примене­ние их позволяет минимизировать реальную стоимость ИС. Причем вы­сокая стоимость современных ИС делает экономически эффективными затраты на совершенствование процесса производства и внедрение оптимальных методов повышения выхода годных ИС, ориентированных на предотвращение отказов.

Основные задачи диссертационной работы, решались в НИР "Экс­пертиза", выполненной в 1991-1992 гг., «Осень-1» ÷ «Осень-3», «Осень-5» ÷ «Осень-7» «Технология-22», «Кластер-М-22» и др., выполненных в 1993-2009 гг., заместителем научного руководителя и ответственным исполнителем которых являлся соискатель. Вопросы, решаемые в диссертации, предусматривают не только предотвращение отказов, повы­шение качества ИС на этапах разработки и производства, но и разработку методик проведения ускоренных испытаний ИС по результатам физико-технической экспертизы.

Цель диссертационной работы.

Разработка методов обеспечения качества и надежности микросхем на основе определения требований к процессам проектирования и производства; дополнение и обоснование системы отбраковочных испытаний, статистического контроля технологических процессов, ускоренной оценки работоспособности ИС по результатам физико-технической экспертизы элементов конструкции и кристалла, математических моделей оценки точности визуального контроля и надежностных характеристик микросхем на основе суперкристаллов.

Методы исследований.

В работе использованы методы системного анализа, теории вероятностей, математического моделирования, функционально-стоимостного анализа, математической статистики.

Научная новизна работы.

Научная новизна работы включает в себя следующие результаты:

1. Разработаны требования к информационному обеспечению, тестовым структурам, контроля параметров пластин, технологии, оценочных микросхем, библиотеке элементов.

2. Разработаны методики оценки качества микросхем по результатам физико-технической экспертизы.

Методики предусматривают:

• контроль качества корпуса и сборочных операций;
  
• контроль качества кристалла.
  

Приведена интегральная оценка качества физических структур.

3. Определены требования к процессам производства микросхем, включающие требования к комплектующим элементам, технологическому процессу, технологическому и контрольно-измерительному оборудованию.

4. Предложено дополнение и обоснование отбраковочных испытаний и возможность уменьшения планов контроля для функционально-сложных микросхем.

5. Разработан метод ускоренной оценки качества ин­тегральных микросхем, основанный на результатах физико-техничес­кой экспертизы. Разработан рациональный алгоритм - маршрут прове­дения физико-технической экспертизы микросхем, предус­матривающий диагностику по внешним выводам, контроль качества корпуса и сборочных операций, контроль качества кристалла.

6. На основе обобщения результатов исследований и анализа отказов микросхем установлены причинно-следственные свя­зи между видами дефектов и механизмами их отказов, используемые при установлении параметров и критериев оценки качества микросхем. Установлены элементы конструкции, парамет­ры и критерии оценки качества микросхем методом физи­ко-технической экспертизы.

7. Разработана математическая модель определения эргономи­ческих характеристик оператора при визуальном контроле, не зави­сящая от свойств контролируемой партии.

8. Разработаны две математические модели расчета надежност­ных характеристик СБИС на основе суперкристаллов, вероятности вы­хода годных на этапе производства и вероятности безотказной работы на этапе эксплуатации.

9. Дана оценка возможности и особенностей применения методов статистического контроля и регулирования технологических процессов.

10. Предложен метод статистического контроля и регулирования технологических процессов, основанный на использовании толерантных пределов, позволяющий осуществлять статистический контроль при поставке микросхем малыми партиями и прерывистом производстве.

Практические результаты.

Требования к информационному обеспечению позволяют осуществлять разработку стандартов предприятий по основным процессам разработки микросхем различной функциональной сложности и проектных норм.

Требования к процессам производства позволяют разрабатывать стандарты предприятия по основным процессам производства микросхем, в том числе по требованиям к технологическому процессу, комплектующим элементам, материалам, технологическому, испытательному и измерительному оборудованию.

Диагностический контроль в системе отбраковочных испытаний партий пластин используется в производстве для выявления потенциально ненадежных микросхем.

Метод оценки качества микросхем по результатам физико-технической экспертизы, алгоритм-маршрут проведения физико-технической экспертизы микросхем позволяет оценивать качество микросхем на всех этапах их жизненного цикла.

Методики физико-технической экспертизы позволяют оценивать качество элементов конструкции, технологии, структур, определить количественные значения параметров.

Причинно-следственные связи между видами дефектов и механизмами отказов используются при установлении параметров и критериев оценки качества микросхем, технологических операций, причин возникновения отказов.

Математическая модель определения эргономических характеристик оператора при визуальном контроле позволяет учитывать особенности (субъективные) оператора.

Математическая модель расчета надежности характеристик СБИС на основе суперкристаллов, вероятности выхода годных на этапе производства и вероятности безотказной работы на этапе эксплуатации позволяют проводить количественную оценку показателей.

Оценка возможности и особенности применения методов статистического контроля и регулирования технологических процессов и качества микросхем позволяют использовать наиболее рациональные методы в реальных условиях производства.

Метод статистического контроля и регулирования, основанный на использовании толерантных пределов, позволяет осуществлять контроль и регулирование технологических процессов и качества микросхем в условиях прерывистого производства и малых объемов выпуска.

Апробация работы.

Основные результаты включены в нормативно-техничес­кую документацию, регламентирующую оценку качества микросхем (ОСТ В 11 0998, ОСТ 11 0999, ОСТ 11 20.9926, ОСТ В 11 1009, ОСТ В 11 1010, ОСТ 11 14.1011, ОСТ 11 14.1012, ОСТ 11 1000, РД 22.12.174-94 и др.) об­суждены на международной научно-технической конференции по инфор­матике «Микроэлектроника и информатика» (Москва, Зеленоград, 1993 г.).

Требования разработанных стандартов реализованы в стандартах предприятий разработчиков-изготовителей микросхем (ОАО «Ангстрем, ОАО «НИИМЭ и Микрон», г. Зеленоград, ФГУП «НПП «Восток», г. Новосибирск, ФГУП «НИИЭТ», г. Воронеж и других предприятий разрабатывающих и изготавливающих микросхемы.).

Публикации.

По материалам исследований опубликованы в 47 трудах, в числе которых 27 печатных и 20 рукописный: использованы в 14 нормативных документах (включая 8 отраслевых стандартов); изложены в 20 научно-технических отчетах по НИР и 13 статьях.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы. Объем диссертации страницы машинописного текста. Работа содержит рисунков и таблицы. Список литературы включает 111 наименований.


Основные положения, выносимые на защиту.

1. Требования к процессам разработки, информационному обеспечению, тестовым структурам контроля параметров пластин, технологии, оценочным микросхемам, библиотеке стандартных элементов.

Требования к процессам производства и технологическому процессу.

2. Причинно-следственные связи между видами дефектов и механизмами их отказов, используемые при установлении параметров и критериев оценки качества микросхем, элементы конструкции, параметры и критерии оценки качества микросхем методом физико-технической экспертизы.

3. Дополнена и обоснована система отбраковочных испытаний пластин и микросхем в процессе производства.

Возможность уменьшения планов контроля при испытаниях микросхем повышенной функциональной сложности.

4. Модель определения эргономических характеристик оператора при визуальном контроле, не зависящая от свойств контролируемой партии.

Математические модели расчета надежностных характеристик СБИС на основе суперкристаллов, вероятности выхода годных на этапе производства и вероятности безотказной работы на этапе эксплуатации.

5. Метод статистического контроля и регулирования технологических процессов, основанный на использовании толерантных пределов, позволяющий осуществить статистический контроль при поставке микросхем малыми партиями и прерывистом производстве.

6. Метод и методики ускоренной оценки качества интегральных микросхем, основанный на результатах физико-технической экспертизы. Рациональный алгоритм-маршрут проведения физико-технической экспертизы микросхем, предусматривающий диагностику по внешним выводам, контроль качества корпуса и сборочных операций, контроль качества кристалла.


СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ


Во введении обоснована актуальность решаемой в диссертационной работе задачи, сформулированы цель работы и основные положения, которые выносятся на защиту.

В первой главе рассмотрена проблема ускоренной оценки качества микросхем. Приведены основные показатели качества (электрические параметры, процент выхода годных ИС, надежность и др.), которые могут быть использованы как параметры критерии качества. Отмечается, что данные показатели определяются совокупностью схемо-технологических, конструктивных и технологических решений. Требования к ним в большинстве случаев противоречивы, и количественная оценка качества микросхем затруднена. Предлагается проводить комплексную оценку качества ИС, для этих целей можно применять количественное значение физических параметров микросхем.

Указывается, что на всех этапах развития микроэлектроники основным методом оценки качества и одного из основных его показателей надежности являлись натурные испытания готовых ИС. При этом оценка качества состоит в проведении испытаний и последующей статистической обработке результатов испытаний. Рассмотрены возможные методы ускоренных испытаний (испытания в фиксированных режимах, моделирование деградационных процессов в ИС с помощью ЭВМ, оценка надежности ИС по базовым интенсивностям отказов элементов ИС и соответствующим коэффициентам).

Проведенный анализ показал, что по мере совершенствования ИС, расширения их функциональных возможностей натурные и известные ускоренные испытания на надежность становятся недостаточно эффективными и нецелесообразными. Возникают трудности экономического и технического характера.

Показано, что наиболее достоверную оценку качества ИС можно получить по результатам физико-технической экспертизы. Сущность экспертизы ИС состоит в выявлении физического состояния ИС, скрытых дефектов и предпосылок к отказам.

Объектом экспертизы являются технологические операции, тестовые структуры, элементы конструкции ИС: корпус, подкорпусной объем, кристалл и его стуктурно-топологическое исполнение, выводы и микросхема в целом.

Разработан алгоритм проведения физико-технической экспертизы, который приведён на рис. 1, предусматривающей следующие направления исследований:









Анализ влияния конструктивно-технологических операций и материалов на качество микросхем






Брак

Нет




Да




Рис. 1. Алгоритм физико-технической экспертизы.


На основе анализа состояния проблемы оценки качества ИС определены важнейшие составляющие ускоренной оценки качества ИС, сформулированы основные задачи исследований в рамках настоящей диссертационной работы.

1. Установить взаимосвязь конструктивно-технологических требова­ний с качеством ИС.

2. Исследовать влияние качества выполнения технологических опе­раций и условий производства на качество микросхем.

3. Установить взаимосвязь дефектов и механизмов отказов микро­схем с технологическими операциями. Осуществить выбор контролиру­емых параметров.

4. Разработать математическую модель определения эргономиче­ских характеристик оператора при визуальном контроле, не завися­щую от свойств контролируемой партии.

5. Разработать требования к процессам разработки и производства микросхем.

6. Дополнить и обосновать систему отбраковочных испытаний партий пластин и микросхем.

7. Определить номенклатуру конструктивно-технологических харак­теристик ИС, элементов конструкции и кристалла и метода их физи­ко-технического анализа.

8. Определить нормы оценки качества по конструктивно-технологи­ческим характеристикам микросхем и элементам конструкции и крис­талла.

9. Разработать методики физико-технической экспертизы.

10. На основе физико-технического анализа разработать новый под­ход к проведению ускоренных испытаний на влагостойкость.

11. Дать оценку возможности использования статистических методов контроля технологических процессов и рекомендации по их использованию.

12. Предложить метод статистического контроля технологических процессов изготовления микросхем для партий малого объема при прерывистом производстве.

13. Разработать две математические модели расчета надежностных характеристик СБИС на основе суперкристаллов, вероятности выхода годных на этапе производства и вероятности безотказной работы на этапе эксплуатации.