книги / Надежность в микроэлектронике

б. Накопления ионов в области отрицательного гра­ диента металла и обеднение их в области положитель­ ного градиента, так как ионы покидают эту область быстрее, чем замещаются ионами, перемещающимися против потока электронов. В данном случае действуют дефекты макрогеометрии: холмики и бугры (они могли возникнуть из-за дефектов окисла, а последние из-за дефектов кристалла).

в. Растворения металла в материале подлржки (на­ пример, в кремнии в области контакта в окне окисла). Здесь появление. градиента концентрации может уско­ рить перенос, но наибольшую опасность будут представ­ лять дислокации (несовершенства кристаллической ре­ шетки) и микротрещины в месте контакта металла с кремнием. Тогда применение тугоплавкого металла или не чистого металла, а сплава металла с кремнием, толь­ ко задержит растворение металла в таких структурных дефектах. Здесь опять проявляются дефекты кристал­ лической структуры материала подложек.

Эти процессы развиваются во времени, но с различ­ ной скоростью, Увеличение ширины полоски из туго­ плавкого металла, плохо растворяющегося в кремнии, обеспечит долгую жизнь проводников. Диэлектрические покрытия на металле будут препятствовать появлению бугорков и проявлению влияния градиентов. А вот по дислокациям и микротрещинам металл может проник­ нуть через базу до коллектора и вызвать короткое за­ мыкание эмиттера с коллектором.

Итак увеличение надежности — это улучшение тех­ нологии, в том числе токоведущих дорожек, и исполь­

структурных дефектов, здесь мы пользуемся этим тер­ мином для обозначения нарушений кристаллической решетки, обеспечивающих аномально быструю диффу­ зию или аномально быстрое растворение). Дефекты кристаллической структуры приводят и к так называе­ мым диффузионным трубкам, областям несовершенной структуры, являющимся путями облегченной диффузии и пронизывающим насквозь область базы транзистора,

связаны с дислокациями. Напряженность поля у них настолько велика, что возможно образование микро* пробоев. Последние могут привести при высоких уров­ нях рассеиваемой мощности к необратимому пробою, Т. е. к отказу транзистора.

Итак дефекты структуры, как правило, не сразу проявляют себя, имеется, например, скрытый период прорастания шипов в глубь кристалла.

До сих пор шла речь о дефектах интегральных схем, а сейчас отметим некоторые причины появления дефек­ тов проводников печатных плат или тонких медных проводов, например, прошивки ферритовых матриц. Проникновение влаги к посеребренным проводникам плат становится причиной электропереноса серебра в виде ионов Ag+ при образовании промежуточных со­ единений Ag20 и ÀgOH с последующим ростом дендритов у катода и разрывом проводника. Д аж е неболь­ шие концентрации хлора, попадающего из воды для промывки или вследствие плохого удаления остатков флюса, содержащего хлор, ведут к травлению и раз­ рыву проводников, или к появлению изолирующих пле­ нок на контактах, вследствие синтеза хлора с органи­ ческими веществами плат, или к уменьшению сопротив­ ления диэлектрика из-за образования легкораствори­ мых солей. При уменьшении используемых веществ в электронных устройствах крайне важен контроль ат­ мосферы, чистоты воды, растворителя и т. д., особенно в процессе изготовления и эксплуатации аппаратуры.

Какие же общие выводы можно сделать из выше­ приведенного рассмотрения даже части отказов инте­ гральных схем? Во-первых, отказы появляются вслед­ ствие развития дефектов во времени, это — кинетиче­ ские явления. Во-вторых, эти явления имеют различные энергии активизации, и даже один и тот же отказ в разных случаях может иметь разные энергии активи­ зации. Например, если разрыв проводника интеграль­ ной схемы произошел вследствие растворения, то энер­ гия активизации будет одной, а если разрыв произошел вследствие поверхностной межкристаллической диффу­ зии, то энергия активизации совершенно иная. Может быть такой случай, когда разрыв происходит вследст­ вие одновременного растворения в дислокации и элек­ тромиграции. В-третьих, особенно опасны дефекты кристаллической структуры. Почему?. Попытка пере­

числить все причины дефектов интегральных схем, ве­ дущих к отказам, показала, что из восьми причин де­ фектов чипа семь связаны со структурными дефектами кристалла, а большое число дефектов металлизации тоже может быть связано со структурными дефектами кристалла. Так дефекты окисла могут возникнуть на местах выхода на поверхность дефектов кристалла; возникающие внутренние напряжения часто приводят к отслаиванию пленки окисла и нарушениям металли­

могут перемещаться, возникать, объединяться в микро­ трещины, а они, как говорилось, пути облегченной Диф­ фузии, пути закорачивания. Проявят они себя не сразу, имеется скрытый период, пока не произойдет отказ, иногда внезапный, иногда постепенный; требуется вре­ мя для развития дислокаций, для диффузии примесных атомов по ним до замыкания. Нельзя забывать также, что дислокации влияют и на электрические характери­ стики приборов, снижая время жизни неравновесных носителей заряда, особенно они опасны в инжекцион-

схем отказали из-за дефектов кристаллической структу­ ры, нельзя. Но количество отказов вследствие плохой герметичности загрязнений уменьшается. Распределе­ ние отказов по типам причин отражает в какой-то сте­ пени уровень технологии: так, если процент отказов, вызванных загрязнениями, велик, то можно смело утверждать о низкой культуре производства. Также можно утверждать, что установление связи дефектов с временем жизни приборов и с технологией их изго­ товления резко повысит надежность полупроводнико­ вых приборов и интегральных схем.

Как физика ненадежности может помочь в решении вопроса повышения надежности путем устранения при­ боров со скрытыми дефектами? Есть много работ, в ко­ торых физическому процессу, ведущему к отказу, ста­ вится в соответствие параметр, изменяющийся вследст­ вие этого процесса. Если энергия активации этого про­ цесса одна и она известна, то время до отказа легко

можно определить, зная значение параметра в началь­ ный момент времени и значение параметра, соответст­ вующее отказу. На самом деле не всегда отказы вызы­ ваются одиночными механизмами, всегда имеется раз­ брос начальных значений параметров в исходный мо­ мент времени. А самое простое, если прибор нестаби­ лен, не лучше ли его выбросить, ведь вышеприведен­ ный подход к отказам годится только к приборам с явно необратимо меняющимися параметрами. Этот ме­ тод полезен для определения срока службы, если про­ цесс настолько медленно развивается, что прибор дли­ тельное время работоспособен.

Есть путь выявления дефектных приборов ускоре­ нием протекания процессов, ведущих к отказам. Так как обычно процессы зависят от температуры экспо­ ненциально, то, заставляя работать приборы при высо­ кой температуре или просто грея их, можно за корот­ кое время привести к отказам те приборы, в которых имелись скрытые дефекты. Причем не играет роли как менялись параметры — постепенно или нет, т. е. отка­ зы постепенные или внезапные. Испытания при высо­ кой температуре — многообещающи. Но они таят в себе опасность. Где уверенность в том, что при высо­ ких температурах (намного выше тех, при которых бу­ дут эксплуатироваться приборы) не возникнут новые дефекты *.

Когда американцам потребовались высоконадежные полупроводниковые приборы для ретрансляторных уси­ лителей подводной кабельной системы, то изготовлен­ ные приборы они подвергали тепловым ударам, термоциклированию на старение при высокой рассеиваемой мощности, но основными путями повышения надежно­ сти были тщательный пооперационный контроль техно­ логических операций и прецизионный контроль ста­ бильности напряжения пробоя, обратных токов утечки, коэффициента усиления по току, прямого тока при определенном напряжении. Пять лет работают ретранс­ ляторы без видимых изменений параметров (надо от-

1Многим нравится вспоминать при обсуждении этих испыта­ ний всеобщность второго закона термодинамики, поскольку нагре­ вание любого тела меняет (обратимо или необратимо) физические характеристики тела, но физикам, химикам и инженерам важно узнать конкретный механизм отказов. А всеобщность-то как раз опасна тем, что теплота порождает новые дефекты.

метить исключительно благоприятный температурный режим эксплуатации: температура ретрансляторов, по­

гов, т. е. ретрансляторы практически находились в тер­ мостате). И американцы, в результате анализа работы приборов, говорят только о достигнутой интенсивно­ сти отказов: менее пяти отказов для 109 приборов за один час.

Итогом данной работы и аналогичных работ являет­ ся то, что наиболее перспективным путем повышения надежности будет жесткий пооперационный контроль изготовления при понимании любой технологической операции как процесса, ведущего к зарождению или уничтожению дефектов, т. е. при союзе производства с физикой и физической химией реального твердого тела (твердого тела с дефектами).

Оказывается на этом пути мы еще много не знаем. При изготовлении микроэлектронных приборов надо изучать влияние каждой операции на состояние кри­ сталла, используя и прямой оптический подсчет ямок травления, указывающих на плотность дислокаций, и результаты рентгеновского анализа, растровой элек­ тронной микроскопии и т. д. Насколько сложна задача изучения таких влияний, можно судить потому, что используемое в настоящее время для исследования ин­ тегральных схем сканирование электронным лучом при­ водит к их порче. Так широко используемое для иссле­ дования поверхности облучение интегральных схем электронами с энергией 20 кэВ при плотности потока свыше 1012 электронов на 1 см2 приводит к необрати­ мому увеличению / ко, вследствие захвата электронов различными дефектами окисла. Причем необходимо до­ бавить, что следует проводить исследования на пласти­ нах кремния (или другого полупроводника), взятых из заводской партии или заготовленных в условиях, по­ вторяющих заводские условия. Тем более, что нет тео­ рии кинетики дефектов, разработанной для структур, аналогичных биполярным и МОП-транзисторам, и мы пока не знаем, как сказываются предыдущие техноло­ гические операции на кинетику дефектов в рассматри­ ваемой операции.

В последнее время начались многообещающие экс­ периментальные исследования влияния процесса изго­

товления интегральных схем и полупроводниковых при­ боров на совершенство структуры кристалла, на разви­ тие дефектов. Так характеристики диодов Ганна и ин­ фекционных лазерных диодов из арсенида галлия су­ щественно зависят от дефектов кристалла. Оказалось, что в операции термокомпрессии имеет значение ско­ рость, с которой инструмент опускают на кристалл, а

применяемое для прекращения диффузии, может при­ вести к резкому возрастанию плотности дислокаций.

Исследовалось влияние диффузии и окисления на плотность дефектов кристалла (дислокаций и областей накопления примесей), т. е. влияние основных опера­ ций технологии кремниевых интегральных схем. Выяс­ нилось, что дефекты зарождаются не при первом окис­ лении, и не при загонке и разгонке бора. Загонка и разгонка — два этапа диффузии, используемые в тех­ нологии интегральных схем для получения базы тран­ зистора. После этапа обычной диффузии (загонки) проводится дальнейшая диффузия внедренных атомов при удалении внешнего источника — разгонка. Дефек­ ты возникали па стадий второго окисления в парах во­ ды и во время эмиттерной диффузии, причем для полу­ чения хороших приборов недопустимо наличие хотя бы одного дефекта в эмиттерной области транзистора.

Такие работы, несомненно, приведут к корректиров­ ке технологических процессов и потребуют их полной автоматизации. В технологические процессы внесут по­ правки также физики, которые объясняют и рассчиты­ вают появление дефектов и их взаимодействие, начи­ ная от вакансии и кончая макродефектами, покажут, при каких условиях работы приборов и при каких ис­ пытаниях они зарождаются, растут и двигаются, пока­ жут, как происходит диффузия примесей по ним и т. д. Тогда испытания при высоких температурах будут обос­ нованы и будут уточнены их длительность и допусти­ мая температура. Основную роль в получении надеж­ ных на данный срок эксплуатации приборов будет иг­ рать автоматизированный пооперационный контроль

качества кристалла, чипа, сборки интегральной схемы с помощью современных методов физического анализа. Этот контроль оставит потребителям интегральные схе­ мы только с дефектами, не представляющими опас­ ность при эксплуатации приборов, т. е. не ускоряющи­ ми «смерть» интегральных схем.

Если обнаружится, что технологические операции приводят к появлению дефектов, выявляемых поопера­ ционным контролем, и если будут найдены способы фиксации этих дефектов и выжигания (удаления) не­ качественных компонентов интегральных схем, то бу­ дут допустимы небольшие плотности таких дефектов в исходных полупроводниковых монокристаллах. Ведь получение сверхчистых материалов (под термином сверхчистый подразумеваем материал без дефектов и нежелательных примесей) очень трудоемкое дело, тре­ бующее больших затрат. Интересно, что эта трудность следует из общих принципов термодинамики. Получе­

пии. Рассматривая зависимость энтропии от малой кон­ центрации С примесных атомов или дефектов, мы име­ ем зависимость, показанную на рис. 5. Из рисунка яс­ но, что получение чистого вещества требует особенно

текают процессы с ростом энтропии, ростом беспоряд­ ка: диффузия, растворение, испарение и т. д. Как ви­ дим, очистка произвольно не происходит (в нашем слу­ чае необходимо уменьшить AS, т. е. член TA S будет отрицательным, a A F положительным и требуется со­ вершить большую работу для получения чистых ве­ ществ).

Эти приведенные общие положения, конечно, не ука­ зывают, как надо получать чистое вещество. Но они поясняют происхождение трудностей, и поэтому общие

положения науки бывают полезными в технике. Так выше указывалось на ухудшение параметров инте­ гральных схем при их сканировании электронным лу­ чом. Эю не случайно. Любое наблюдение есть по су­ ществу необратимый процесс, приводящий к росту энт­ ропии, т. е. беспорядка. В нашем случае, после скани-

рования росли токи утечки, уменьшалось усиление транзисторов вследствие захвата электронов ловушка­ ми. Попытки повысить точность наблюдений ограниче­ ны, что очень печально, и показывают сложность про­ блемы выявления дефектов кристаллов. Действительно, повышение разрешения микроскопа потребует увеличе­

смещения атомов кремния из узлов кристаллической решетки. Желание дальнейшего повышения точности наблюдений натолкнется на фундаментальное соотно­

нии координаты и импульса больше постоянной План­ ка).

При гарантированном абсолютном времени до от­ каза у потребителей полупроводниковых приборов и ин­ тегральных схем исчезнет дорогостоящий входной конт­ роль, облегчится профилактика, проектирование и кон­ струирование аппаратуры. О характере затрат на ис­ пытания готовых интегральных схем можно судить по

чальный период, интегральных схем с гарантированным абсолютным временем до отказа, их стоимость будет значительно выше стоимости обычных интегральных

дежности интегральных схем и отдельных полупровод­ никовых устройств. Более экономично и разумно выяс­ нение причин отказов службами надежности изготови­ теля в местах эксплуатации приборов. Очень важно вы­ яснение причин брака на месте, например, у эксплуата­ ционников электронных вычислительных машин, про­ стои которых крайне дорог.

Прежде чем переходить к следующему параграфу, отметим, что даже устройства из идеально герметизи­ рованных интегральных схем и приборов, не имеющих дефекты, могут давать сбои, если температура окру­ жающей среды будет выходить из допустимых эксплуа­ тационных пределов. Д аж е идеальные схемы будут на­ дежными только в определенном диапазоне температур.

Мы говорили о высокой плотности транзисторов в интегральных схемах, но не говорили о степени микро­ миниатюризации всей электронной аппаратуры в це­ лом. Оказывается, что плотность отдельных компонен­ тов современной электронной аппаратуры на несколько порядков меньше плотности транзисторов интегральных схем.

Вот о путях микроминиатюризации в целом, о соз­ дании надежных микросхем в широком диапазоне тем­ ператур пойдет речь в следующем параграфе.

Вы с о к о т е м п е р а т у р н а я

эл е к т р о н и к а

Имеются такие направления техники, в которых по­ ка нет ощутимых результатов, хотя их успешное раз­ витие принесло бы значительные выгоды экономике страны и революционизировало бы развитие всей тех­ ники в целом. К таким направлениям принадлежит, в частности, высокотемпературная электроника.

Микроминиатюризация немыслима без охлаждения, уменьшающего достижения последней: непрерывное уменьшение размеров и повышение плотности требуют хорошего отвода тепла. Выделяемую мощность необ­ ходимо выводить, либо она расплавит, сожжет части приборов, необратимо изменит свойства материалов или настолько изменит параметры отдельных приборов, что схемы становятся ненадежными и не смогут выпол­ нять возложенных на них функций. Естественный увод