книги / Надежность в микроэлектронике

бита на параллелепипеды длиной 0,1 мкм, равной дли­ не базы и площадью 0,05x0,05 мкм2, т. е. их всего бы­ ло 104. Приняв среднюю концентрацию примесей в 5 - 1017 атом/см3, мы имеем среднее число примесных атомов в рассматриваемом параллелепипеде 125.

Рис. 1. Фронт диффузии на атомарном уров­ ней Атомы, обозначенные кружками, диффун­ дируют в направлении У. Атомы основного вещества не показаны

Определим вероятность того, что в рассматривае­ мом параллелепипеде количество атомов п будет от­ лично от количества ш, получаемого перемножением объема параллелепипеда на концентрацию. Для этого воспользуемся распределением Пуассона, позволяющим вычислить вероятность таких отклонений:

* * (* )- ~ ехр (—т )- п/

Это распределение может быть использовано для вычисления вероятности нахождения изюминок в сдо­ бах: в них количество изюминок всегда отличается от с-реднеожидаемого, и тем более, чем меньше изюминок положено в тесто. Умножив полученные вероятности на число параллелепипедов в 100 транзисторах, получим, что в интегральной схеме из 100 транзисторов в 257000 параллелепипедах примесных атомов будет 90% ожи­ даемого среднего количества или меньше, в 256000 па­ раллелепипедах их будет 70% или меньше, в 410 их будет 50% или меньше, и, наконец, в примерно трех параллелепипедах примесных атомов будет всего 30% от ожидаемого среднего числа или даж е меньше.

В приведенных выше рассуждениях полностью иг­ норировались возможные механизмы взаимодействия между диффундирующими атомами, которые могли бы уменьшить статистические флуктуации. Но полученные числа достаточно внушительны и показывают опас­ ность сужения базы при использовании диффузии в технологии интегральных схем.

Сохранив величины токов и напряжений на уровне используемых в настоящее время значений, оценим пре­ дельные минимальные объемы основных приборов со­ временной твердотельной микроэлектроники -г- биполяр­ ных и МОП-транзисторов.

Рассмотрим структуру МОП-транзистора, показан­

исток, с — сток, з — затвор); а — области пространственного заря­ да, расширяющиеся иод влиянием приложенных

напряжений

Положим, что используемая при изготовлении МОПтранзисторов технология' позволяет получать глубины диффузии, толщину окислов и все другие характери­ стические размеры любой произвольно малой длины. Тогда минимальные размеры МОП-транзисторов, опре­ деляющие их плотность (а она и интересует нас), свя­ заны: 1) с шириной и длиной канала, образующегося между истоком и стоком под влиянием поля затвора; 2) с толщиной окисла; 3) с сечением токоведущих до­ рожек. Уменьшать длину канала, как мы уже знаем, более чем на сумму областей пространственного заря­ да обоих переходов нельзя. Значит, чтобы сделать меньше эту сумму, надо использовать материал пла­ стины, обеспечивающий минимальную ширину области пространственного заряда (О П З), т. е. сильнолегиро­ ванный, низкоомный материал, в котором меньше рас­ ширяется ОПЗ. Но максимальная концентрация при­ месей в кремнии не должна быть больше 1019 атом/см3, так как при больших концентрациях переход приобре­ тает свойства туннельного диода. Вторая причина, не

позволяющая увеличить степень легирования, — труд­ ность создания инвертированного проводящего припо­ верхностного слоя под влиянием заряда затвора, одного знака с зарядом основных носителей пластины. Это связано с очень низкой концентрацией неосновных но­ сителей.

Минимальная толщина изолятора, как мы говорили 0,005 мкм, но это минимально возможная толщина, рас­ сматриваемая безотносительно от напряжения, прикла­ дываемого к затвору. Возникающие поля могут приве­ сти к необратимому пробою слоя окисла, если напря­ женность поля станет больше 6 - 106 В/см. Для ее умень­ шения надо увеличивать толщину окисла. Вполне безо­ пасной толщиной для современных транзисторов будет толщина в сотни ангстрем при напряжениях сигналов, используемых в настоящее время в технике. Мы пре­ небрегли возможными пробоями исток—подложка и краевым пробоем истока, так как эти ограничения сла­ бее ограничений, связанных с пробоем окисла.

Используя формулы для длины области пространст­ венного заряда, напряжения включения затвора, в ко­ торую входит выше упомянутая толщина окисла, мы получим значение концентрации примесей в кремнии около 1017 в 1 см3, и длина канала может быть реаль­ но уменьшена только до 0,4 мкм, что на порядок мень­ ше длины канала современных полевых транзисторов. Итак, не проводя детальных расчетов, плотность МОПтранзисторов можно довести до ~ 108 транзисторов на 1 см2.

Ограничения на размеры биполярного транзистора связаны с ранее рассмотренными флуктуациями плот­ ности примесей и минимальной толщиной области про­ странственного заряда. Ее уменьшение требует исполь­ зования более низкоомной базы, при сохранении значе­

центрация примесных атомов в базе должна быть при­ мерно на два порядка меньше соответствующей кон­ центрации в эмиттерной области. В последней макси­ мальная концентрация примесей из-за их предельной растворимости может достигать 1021 атом/см3 (мы полрежнему рассматриваем кремниевые приборы), и кон­ центрация примесей в базовой области в 1019 атом/см3

будет предельной из-за низких пробивных напряжений, причем отношение концентраций примесных атомов в эмиттере и базе будет равным 100, что и требуется для обеспечения высокого значения коэффициента инжек­ ции. Ограничивать уменьшение толщины базы будет не смыкание областей пространственного заряда, а флуктуации концентрации примесей.

В случае биполярных транзисторов выбор мини­ мального напряжения четко определяется величиной открывания кремниевого диода, а вот размеры суще­ ственно зависят от выбранной технологии. Считая со­

стей пространственного заряда эмиттера и коллекто­ ра), можно предсказать увеличение плотности биполяр­ ных транзисторов в интегральных схемах до ~ 1 0 8. Отметим, что минимальная площадь МОП-транзистора меньше минимальной площади биполярного в 2—3 раза.

Итак, уменьшение размеров транзисторов имеет пределы, и некоторые пределы связаны с уменьшением надежности, так одно из ограничений связано с недо­ пустимым разбросом таких основных параметров, как пробивное напряжение из-за флуктуаций концентраций примеси в базе, Другое ограничение связано с необходи­ мостью иметь значительные сечения токоведущих до­ рожек (S = 10-7 см2; /« 1 0 мА), иначе надежность ин­ тегральных схем будет низкой из-за короткого времени жизни дорожек до их разрыва. Остановимся на надеж­ ности полупроводниковых приборов и интегральных схем.

Ф и з и к а н е н а д е ж н о с т и 1

Любая вещь, любое устройство, любой прибор (в том числе полупроводниковый прибор и интегральная

циональных задач в допустимых пределах параметров, определяющих работоспособность.

С течением времени транзисторный приемник теряет способность воспроизводить звуки, а картина худож­

1 Принято выражение «физика надежности», поэтому мы упо­ требляем: «физика ненадежности», но правильней было бы оза­ главить: «физика, химия и физическая химия ненадежности».

ника, потеряв первоначальные краски, перестает вол­ новать зрителя. В этих двух случаях произошел «от­ каз» прибора, «отказ» вещи, а любой отказ — это из­ менение физико-химического состояния системы вслед­ ствие химических реакций или фазовых превращений в объеме или на поверхности, причем такое, которое вызывает искажение выходных параметров, не укла­ дывающихся в допустимые пределы.

Попытаемся ответить на два вопроса: достижимо ли

рому надо обратиться с первым вопросом, ответит, что устойчивыми в любой точке системами могут быть тер­ модинамические равновесные системы; такие, как со­ вершенный кристалл при низких температурах, вблизи абсолютного нуля, или газ при высоких температурах,

из лучших сортов стали и бетона постепенно, но по­ стоянно испаряются).

Любой реальный прибор, любое устройство, любая вещь будут меняться вследствие глобального принципа роста энтропии, роста беспорядка, потому что они (при­ бор, вещь) представляют собой конкретные термодина­ мические неустойчивые системы. Так что принципиаль­ но реализуется не надежность, а именно — ненадеж­ ность (изменчивость), неотъемлемое свойство матери­ ального мира.

Следовательно, любое изменение характеристик от­ дельного компонента связано с протеканием физико­ химических процессов. Мы будем рассматривать только физико-химические процессы, исключив изменения, свя­ занные с замыканием электрических контактов неболь­ шими кусками припоя и подобные изменения, которые обязаны устраняемым несовершенствам технологическо­ го процесса. Всегда необходимо оценивать устойчивость прибора, устройства и т. д., как физико-химической си­ стемы. Игнорирование такой оценки приводило к мас­ совым отказам, вызвавшим смену технологического процесса, как в случае «пурпурной чумы» (этот дефект

щих повышенную хрупкость контактов золото—алюми­ ний). Оценку следует начинать с определения термоди­ намической неустойчивости, т. е. отклонения изобарно­ го потенциала системы от его равновесного значения; вторым этапом должна быть оценка скоростей протека­ ния реакций при наличии реальных температурного и электрического полей и, самое главное, с учетом дефек­ тов, т. е. следует изучать физику и химию реального твердого тела с дефектами.

Для ответа на второй вопрос о необходимости без­ отказной работы прибора или вещи в течение бесконеч­ но большого времени необходимо рассмотреть функ­ циональные задачи прибора или вещи. Если последняя должна вызывать эстетическое переживание, то жела­ тельно бесконечное время безотказного воздействия, тем более, что для большинства произведений искусст­ ва нет полной информации о восстановлении или изго­ товлении оригинала.

В технике необходимо учитывать моральное старе­ ние, когда при его достижении устройство может быть изъято из обращения до потери работоспособности. Также необходимо знать цену высокой надежности. Последнее особенно важно для ликвидации тех слу­ чаев, когда достижение повышенной надежности потре­ бует таких больших затрат в изменениях конструкции и технологического процесса, что использование высо­ конадежных приборов станет экономически невыгод­ ным. Это не относится к приборам специального назна­ чения, например, связанным с межпланетными полета­ ми человека, вживляемым микроприборам и т. д. Учи­ тывая непрерывный прогресс науки и техники, можно сказать, что бесконечная безотказная работа приборов не нужна.

Изучение отказов во времени выявило интересную зависимость, показанную на рис. 3. Первая стадия свя­ зана с выявлением дефектных приборов, третья связа­ на с естественным старением, а вот вторая стадия, ста­ дия эксплуатации и одновременно стадия случайных отказов дает возможность создавать различные оцен­ ки, манипуляции с числами, прогнозы и т. д. Для прак­ тиков идеальной ситуацией была бы зависимость, по­ казанная на рис. 3 пунктиром. Для них важно гаран­ тированное время безотказной работы. И во многих областях техники оно внедрилось давно и достаточно

устойчиво. Никого не устроит конечная вероятность обвала потолка в доме, все знают о среднем времени до капитального ремонта и не сомневаются, что вероят­ ность того, что потолок обвалится до начала ремонта, равна нулю. Сколько мелких и крупных разговоров при поломке часов задолго до истечения гарантийного

Рис. 3. Зависимость ин­ тенсивности отказов от времени: Î — началь­ ный период, период при­ работки (период «мла­ денческой смерти»); 2— рабочий период; 3 — пе­ риод старения (период

«старческой смерти»)

срока. И, поверьте, потерпевшего отнюдь не успокоят (а даже наоборот) объяснения, подтвержденные точ­ нейшими расчетами надежности.

Возникшая ситуация в сфере применения интеграль­ ных схем и полупроводниковых приборов связана с не­ полным знанием физико-химических процессов, проис­ ходящих в полупроводниковых изделиях. Попытаемся подойти к решению вопроса об определении времени безотказной работы полупроводниковых приборов. Возьмем обычную транзисторную структуру. Мы уже знаем, с точки зрения термодинамики она неустойчива. Процессы диффузии будут разрушать исходное распре­ деление слоев разных материалов и разной проводимо­ сти. Оценим только те процессы, которые приводят к смыканию областей коллектора и эмиттера, т. е. к ис­ чезновению базы. Она исчезнет из-за диффузии акцеп­ торов из эмиттера и коллектора в область базы (рас­ сматриваем структуру р-п-р). Оценим характеристиче­

фузии галлия в кремний при 130°С, равный примерно 1,15* 10-43. Тогда время т равно 8• 1026 лет, т. е. астро­ номической величине. В то же время мы знаем, что смыкание происходит за обозримый промежуток време­ ни. Оценим время жизни алюминиевой полоски сече­ нием 1 x 2 мкм2 при прохождении через нее тока в 1 мЛ и температуре 130° С. Воспользуемся эксперименталь­ ными значениями по исследованию разрушения пленок,

полученными при высоких температурах и высоких плотностях токов. Экстраполированное значение време­ ни жизни для нашего случая будет около 110 лет.

Расчеты времени жизни «долгожителей» указывают на нормальное поведение приборов в области естест­ венного старения (область 3 на рис. 3), а не на их исключительность, и на ненормальное поведение в об­ ласти 2. Итак предельный срок жизни полупроводни­ ковых приборов и интегральных схем (срок жизни «долгожителей») исчисляется десятками и сотнями лет. За такие сроки, несомненно, будет меняться оборудова­ ние и «физически» здоровые долгожители будут мо­ рально устаревшими. Итак «смерть» приборов в обла­ сти 2, это смерть «больных», дефектных приборов.

Отметим, что использование нами выше коэффици­ ента диффузии для определения времени жизни «дол­ гожителей» было правомочным, так как коэффициент диффузии определяется методами, регистрирующими усредненное по объему проникновение атомов. А так как для определения коэффициентов диффузии берутся наиболее совершенные образцы монокристаллов, то можно считать, что величина коэффициента диффузии применима к нашему случаю вычисления срока жизни тонкой бездефектной базы.

Технология изготовления полупроводниковых при­ боров и интегральных схем непрерывно совершенству­ ется. Тщательный пооперационный контроль и испыта­ ния на отсев готовой продукции гарантируют высокую надежность. Интенсивность отказов К достигла 10-9/час.

ло работоспособных приборов в начале рассматривае­ мого интервала времени. И все же есть конечная ве­

труднодоступных местах, как в случае искусственных спутников. Иногда трудно найти за короткое время дефектный прибор, особенно с перемежающимся отка­ зом, например проводник, оторвавшийся от контактной площадки чипа, может при встряске или нагревании еще длительное время контактировать в месте разрыва («чип» — основа интегральной схемы, кусок пластины кремния с проведенными технологическими операция­

ми, приведшими к образованию транзисторов, но не вмонтированный в корпус). Так что потребителям по­ лупроводниковой аппаратуры желательно знать непре­ рывное время работы до отказа с вероятностью, очень близкой к единице. Это будет в будущем. А пока мы твердо знаем, что отказывают дефектные приборы. И если научиться делать бездефектные приборы или находить дефектные среди готовой продукции, то мож­ но будет гарантировать в качестве параметра прибороп абсолютное время безотказной работы, а не интенсив­ ность отказов для данного количества приборов за дан­ ное время испытаний.

Остановимся на дефектах. Одна из основных труд­ ностей физики ненадежности интегральных схем и по­ лупроводниковых приборов — это классификация при­ чин отказов, установление связи физико-химических процессов, приводящих к отказам, с изменениями пара­ метров приборов; вторая трудность заключается в уста­ новлении истории отказа, можно сказать даже истории «болезни». В первую очередь важно знать скрытый пе­ риод «болезни» и уметь среди «здоровых» приборов об­ наруживать приборы с потенциальным отказом.

Приборы с такими дефектами, как куски припоя внутри схемы, обрыв проводников, короткое замыкание между металлом и чипом и т. д., устраняют у изготови­ теля; далее те отказы, которые связаны с глубокими царапинами на поверхности чипа, загрязнениями, вы­ зывающими появление инверсионных слоев, с плохой герметизацией, представляют собой результат «отка­ зов» пооперационного контроля технологического про­ цесса и при полной механизации контроля будут уст­ ранены в начальный период эксплуатации, так что ин­ тенсивность отказов с течением времени уменьшается.

Мы не будем рассматривать отказы, вызванные разрывом металлизации на резком крае изоляции, а остановимся на некоторых отказах, связанных с диффу­ зией и металлизацией. То, что отказы из-за диффузии и металлизации составляют значительную часть всех отказов, видно из приведенного на рис. 4 распределе­ ния отказов биполярных интегральных схем среднего и большого уровня интеграции в условиях эксплуатации (средний уровень интеграции предполагает до 100 вен­ тилей на схему, большой уровень свыше 100 вентилей на схему).

это объясняется более бережным отношением к боль­ шим интегральным схемам, стоящим значительно до­ роже интегральных схем среднего уровня интеграции.

Рис. 4. Относительное (в

ные схемы.

1 — металлизация; 2 — диффузия; 3 — инород­ ные частицы; 4 — про­ чие и неопознанные ме­ ханизмы; 5 — гермети­ зация и приварка; 6 — кристалл и окисел; 7 — кристаллодержатель; Я— неправильное применение

Разрыву токоведущих дорожек предшествует уве­ личение электрического и теплового сопротивлений. Самое интересное для нас то, что разрыв может насту­ пить за время, намного меньшее времени, требуемого для разрыва электропереносом. Единой теории, описы­ вающей механизм разрушения металлической полоски, пет. И это, наверное, справедливо, так как разруше­ ние— явление сложное.

Можно представить, что разрушение происходит вследствие:

а. Медленного переноса металла при передаче элек­ тронами импульсов возбужденным ионам металла и возможного преимущественного быстрого переноса ионов вдоль границ кристаллитов (в случае поликристаллической пленки). Это иногда приводит вначале к слиянию микропустот в трещину с дальнейшим ее раз­ растанием, здесь влияют дефекты структуры металли­ ческой пленки — границы зерен. Возникновение началь­ ного скопления вакансий (незанятых узлов кристалли­ ческой решетки) может быть связано с дефектами под­ ложки, вплоть до структурных дефектов кристалла.