Тороид. Производство электротехнической продукции
(49831) 4-66-21
(925) 790-73-23
toroid2011@mail.ru

Главная Продукция и услуги Статьи Полезная информация Сертификаты Награды Отзывы Контакты

Продукция и услуги

Сыноров В., Пивоварова Р., Петров Б., Долматова Т.
Физические основы надежности интегральных схем

Под редакцией Ю. Г. Миллера

МОСКВА
«СОВЕТСКОЕ РАДИО»
1976

УДК 621.3.019.3:621.382.82

Рассмотрены вопросы теории и практики надежности интегральных схем (ИС). Обобщаются опубликованные в периодической литературе результаты физических исследований внезапных и постепенных отказов элементов гибридных тонкопленочных (ТП) ИС и полупроводниковых ИС, созданных на основе кремния. Приведены способы обеспечения и повышения надежности.

Книга может быть полезной инженерам и научным работникам, занимающимся разработкой и производством ИС, а также студентам вузов.

Редакция литературы по электронной технике

Редактор В. М. Ларионова
Художественный редактор 3. Е. Вендрова
Обложка художника Б. Л. Николаева
Технический редактор А. А. Белоус
Корректоры М. Ф. Белякова, О. И. Галанова

© Издательство «Советское радио», 1976 г.

Содержание книги
Физические основы надежности интегральных схем

Предисловие

Глава 1. Основные характеристики надежности интегральных схем
1.1. Краткие сведения о технологии изготовления и сфере применения
1.2. Обеспечение и повышение надежности
1.3. Количественные показатели надежности
1.4. Факторы ненадежности и виды отказов

Глава 2. Физическое исследование надежности интегральных схем
2.1. Физическое моделирование отказов и прогнозирование надежности
2.2. Экспериментальные методы анализа отказов

Глава 3. Надежность резистивных элементов интегральных схем
3.1. Общая характеристика технологии изготовления и надежности резистивных элементов
3.2. Способы обеспечения производственной надежности тонкопленочных резисторов
3.3. Исследование деградавдюнных процессов в тонкопленочных резисторах
3.4. Связь технологии изготовления со стабильностью тонкопленочных резисторов на основе тантала
3.5. Связь технологии изготовления со стабильностью тонкопленочных резисторов на основе Ni—Cr, Si—Сr, Сr—SiO

Глава 4. Надежность емкостных элементов интегральных схем
4.1. Общая характеристика технологии изготовления и надежности емкостных элементов
4.2. Способы обеспечения производственной надежности тонкопленочных конденсаторов
4.3. Исследование деградационных процессов в тонкопленочных конденсаторах

Глава 5. Надежность металлизации и контактов интегральных схем
5.1. Краткая характеристика надежности металлизации
5.2. Отказы, металлизации, вызванные электродиффузией
5.3. Связь деградациониых процессов с технологией изготовления металлизации
5.4. Причины и механизмы отказов контактов

Глава 6. Надежность активных элементов интегральных схем
6.1. Общая характеристика активных элементов ИС
6.2. Механизмы внезапных отказов диодов н биполярных транзисторов
6.3. Влияние дефектов окисла на внезапные отказы в биполярных транзисторах
6.4. Постепенные отказы диодов и биполярных транзисторов
6.5. Механизмы отказов в МДП-транзисторах

Приложение 1
Приложение 2
Список литературы
Предметный указатель

Предисловие

Если до недавних пор математическое направление в теории и статистический метод в практике надежности радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) были доминирующими, то в настоящее время приобретает самостоятельное значение физическое направление изучения надежности.

Как известно, статистическая теория надежности делает свои заключения на основе обобщения большого объема экспериментальных данных. С развитием микроэлектроники и применением интегральных схем (ИС) надежность РЭА значительно повышается, так что сам процесс исследования надежности статистическим методом становится чрезвычайно трудоемким ввиду необходимости обеспечения огромного объема эксперимента. Надежность ИС с помощью косвенных методов испытания (ускоренные испытания в форсированных режимах, неразрушающие испытания) не может быть полностью оценена до тех пор, пока не будут найдены физически обоснованные способы корреляции результатов этих испытаний с параметрами надежности в условиях эксплуатации. Наиболее реальные пути преодоления возникших трудностей могут быть найдены с помощью физического анализа причин и механизмов отказов ИС.

Оптимальное решение проблемы оценки надежности ИС заключается в синтезе физического (причинного, детерминированного) и статистического подходов, в исследовании физических закономерностей деградации материалов и использовании математического аппарата теории вероятностей. Знание законов изменения определяющих параметров позволяет в некоторых случаях осуществлять прогнозирование надежности ИС. При этом возрастает роль качественного физико-химического анализа отказавших ИС.

В книге обобщены опубликованные в периодической печати результаты физических исследований надежности ИС. Главы 1 и 2 характеризуют современное состояние и методы исследования надежности ИС, в гл 3—6 излагаются физические основы надежности гибридных тонкопленочных (ТП) ИС и полупроводниковых ИС, созданных яа основе кремния: ТП резисторов и конденсаторов, металлизации и контактов, диодов, биполярных и МДП-транзисторов.

Гл. 1, 2 написаны Р. П. Пивоваровой и В Ф Сыноровым, гл. 3, 4 (за исключением § 3.5) - Р. П. Пивоваровой, 3.5 и гл. 5-Т. В. Долматовой и Р П. Пивоваровой; гл. 6 (за исключением § 6.3) - Б. К. Петровым, § 6.3 — Т. В. Долматовой.

Глава 1.
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НАДЕЖНОСТИ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ

1.1. Краткие сведения о технологии изготовления и сфере применения

Современный этап развития радиоэлектроники характеризуется обострением проблемы надежности вследствие усложнения радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), выражающегося как в резком увеличении количества используемых в системах электронных элементов и блоков, в появлении качественно новых ответственных функций, возлагаемых человеком на аппаратуру, так и в расширении условий работы. Современные технические системы автоматического контроля и управления, цифровые вычислительные устройства содержат до 10е и более элементов. Так, электронная цифровая вычислительная машина (ЭЦВМ) может иметь 10000—15000 полупроводниковых триодов и в 6—15 раз больше других дискретных компонентов. Аппаратуре различного назначения приходится действовать в условиях интенсификации режимов работы и выполнять разнообразные функции — от решения математических проблем до моделирования биологических систем.

В силу этих причин повышаются требования к точности и эффективности выполнения заданных функций не только системой в целом, но и каждым отдельным элементом. Работа в температурном диапазоне —70-г- + 125°С, наличие вакуума или высоких давлений, (98—100) %-ной влажности, вибраций с большими амплитудами и широким спектром частот, линейных ускорений до 20 000g, солнечной и космической радиации — все это может привести к увеличению интенсивности отказов в сотни и тысячи раз по сравнению с лабораторными условиями. Полная или частичная автоматизация, исключение непосредственного участия человека также выдвигают перед РЭА требования высокой надежности.

Эти проблемы привели к возникновению прогрессивного направления в развитии радиоэлектроники — интегральной электроники. Решение задач надежности, миниатюризации, экономичности в интегральной электронике достигается путем объединения на поверхности (или в объеме) материала основания (подложки или монокристаллической пластины) целой группы функционально связанных схемных элементов и соединительных проводников, изготовленных в едином технологическом цикле и имеющих общую герметизацию и защиту от механических воздействий. Речь идет о создании микроминиатюрных интегральных схем (ИС), функциональными аналогами которых являются обычные радиоэлектронные схемы на дискретных элементах. В настоящее время ИС, в зависимости от способа производства, подразделяются на две большие категории: гибридные и полупроводниковые (монолитные) [1, 2]. Первые делятся по технологическому признаку на тонкопленочные (до 10000 А) и толстопленочные (1—25 мкм) ИС. В качестве активных элементов в гибридных ИС используются навесные дискретные диоды и триоды (иногда бескорпусные полупроводниковые схемы, миниатюрные дискретные конденсаторы и т. д.).

Каждое направление имеет свои особенности, достоинства и недостатки. Широкое применение находят сейчас тонкопленочные гибридные ИС. Способ их изготовления заключается в построении схем на базе отдельных элементов. Все пассивные элементы выполняются наращиванием тонких пленок твердой фазы вещества на поверхности нейтральной (стеклянной или керамической) подложки с помощью комплекса определенных последовательных технологических операций вакуумного напыления и фотолитографии. Наиболее важными этапами технологии являются: очистка (обезжиривание, термоотжиг) поверхности подложки; нанесение тонких резистивных, диэлектрических и проводящих пленок (термовакуумное испарение, катодное распыление, химическое осаждение и разновидности этих методов, электролитическое анодирование); создание рисунка микросхемы методами фотолитографии; термическая обработка и стабилизация: В полученных пассивных схемах топологически можно выделить отдельные элементы.

Методом тонкопленочной технологии можно получать резисторы и конденсаторы с широким диапазоном номиналов и малыми допусками, а также индуктивности, контактные площадки и проводящие соединения (металлизацию). Навесные дискретные активные элементы (чаще бескорпусные кремниевые пленарные транзисторы и диоды) в гибридных микросхемах крепятся к подложке и присоединяются выводами к контактным площадкам с помощью термокомпрессии, ультразвуковой сварки или пайки, после чего ИС герметизируется в корпусе. Основным недостатком рассматриваемой технологии является отсутствие удовлетворительных тонкопленочных активных элементов. Находят некоторое применение преимущественно тонкопленочные активные элементы, работающие на эффекте тюля (полевые транзисторы). Тонкопленочные диоды в большинстве случаев; получают, замыкая в определенной комбинации сток, исток и затвор в полевых транзисторах. Биполярные активные элементы этим методом производить трудно в связи со сложностью получения совершенных монокристаллических пленок на аморфных или поликристаллических подложках.

Другое направление интегральной электроники представляет собой естественное развитие принципов технологии полупроводниковых приборов. В полупроводниковых ИС как активные, так н пассивные элементы создаются методом диффузии малых количеств примесей в точно определенные участки полупроводниковой монокристаллической (обычно кремниевой) пластины. Достижения в развитии этого направления связаны с планарно-эпитаксиальной технологией. Она предполагает такие операции, как ориентирование и резка монокристаллических слитков на пластины, шлифовка, полировка, выращивание на поверхности пластин эпитаксиального монокристаллического слоя с отличным от исходного типом проводимости, диффузия примесей через маску или окна, вскрытые в защитной окисной пленке методом фотолитографии, напыление соединений между элементами схемы, резка пластин, присоединение выводов, сборка и герметизация. Функциональные возможности полупроводниковых ИС довольно широки.

Модификации обычной диффузионной технологии позволяют создать как биполярные, так н униполярные (МОП, МДП) транзисторы, а также создать диоды, диффузионные резисторы, емкостные элементы. Однако с ее помощью трудно получить широкий диапазон номиналов пассивных элементов с приемлемым допуском на их величины и обеспечить минимум паразитных связей между элементами. Для получения рисунка ИС в обеих технологиях обычно используются фотолитографические методы и методы трафаретного маскирования, электронно-лучевой гравировки и др. [2—5].

Разнообразно конструктивное оформление ИС: герметизация в круглом (аналог «транзисторного» корпуса ТО—5) или плоском (металло-стеклянном, металло-керамическом, пластмассовом) корпусе; монтаж на одно- или многослойных печатных платах; размещение на керамических илн стеклянных подложках (иногда в пластмассовых матрицах) с напыленными на них междусхемными соединениями (многоплатные ИС) [1—3, 5].

Интегральные схемы внедряются прежде всего в аппаратуру, в которой преобладают слаботочные и мнкромощные электрические нагрузки [6—9]. Например, аппаратура управления технологическими процессами и измерительные информационные системы могут быть переведены на ИС (до 70—80%), еще лучших результатов можно достичь при переводе на ИС вычислительной техники (до 90—95%).

Гибридные ИС высоко рентабельны при производстве малых серий. Поэтому в приборостроении схемы частного применения реализуются в гибридном исполнении, причем производство гибридных схем может быть организовано на предприятиях общего радиотехнического профиля при условии поставки готовых активных элементов. Тонкопленочная технология заняла доминирующее положение в технике СВЧ, прецизионной высококачественной и нестандартной аппаратуре, а также используется для целей макетирования, несерийного и не слишком массового производства микросхем. Интерес к тонкопленочным гибридным ИС в настоящее время усилился. Они, по предположению [7], должны занять ведущее место в изготовлении активных фильтров, регуляторов напряжения, преобразователей сигналов «аналог — цифра», преобразователей постоянного напряжения, усилителей, фазосдвигающих генераторов, схем СВЧ, различных импульсных и линейных (аналоговых) схем. Сейчас ведутся интенсивные работы по «интегрализации» линейных узлов РЭА [8, 9].

Дальнейшее совершенствование линейных ИС связано с тонкопленочной технологией, способной удовлетворить жесткие требования к параметрам элементов (допуски, стабильность, влияние температуры и др.) и выходным характеристикам.

Для полупроводниковой технологии характерны минимальные затраты труда и материалов, однако она требует сложного оборудования для осуществления диффузионных процессов. Первоначальные затраты в полупроводниковой технологии выше, чем в пленочной. Она полностью окупает себя в массовом производстве серийных схем. На первом этапе применения наибольшее распространение получили логические переключающие полупроводниковые схемы. В настоящее время ассортимент применяющихся полупроводниковых ИС довольно широк, однако долго сохранялась традиция их предпочтительного использования в вычислительной технике, системах обработки данных, сложных цифровых системах, для которых требуется несколько тысяч идентичных схем, некритичных к параметрам составных элементов (логические схемы, триггеры, одноразрядные сумматоры и др.).

Преимущества полупроводниковой технологии лучше всего реализуются при производстве подобных ИС, поскольку малое количество типов схем создает возможности для их стандартизации, автоматизации производства, тщательного контроля над технологическими операциями.

Полезные перспективы открывает совмещенная технология [5], сочетающая преимущества тонкопленочных и полупроводниковых ИС. Имеются широкие возможности нанесения тонкопленочных пассивных элементов на термически окисленный кремний. В частности, с двуокисью кремния совместимы такие материалы, как тантал, кермет Cr—SiO и др. На основе тонких пленок тантала, осажденных на поверхности окисла полупроводниковой ИС с помощью катодного распыления, можно получить высокоточные и высокостабильные резисторы. Методом электролитического анодирования пленок тантала можно изготовить ие менее стабильные конденсаторы с большой емкостью. Выигрыш от применения совмещенной техно-логин распространяется прежде всего на линейные ИС.

Ввиду того, что сфера использования современных ИС довольно велика, необходима объективная оценка той роли, которую они занимают в обеспечении и повышении надежности РЭА.

Скачать книгу "Физические основы надежности интегральных схем". Москва, издательство Советское радио, 1976

143502 МО, г.Истра-2, ул. Заводская, 43А. Тел. (49631) 4-66-21. E-mail: toroid2011@mail.ru