книги / Оптические методы контроля интегральных микросхем
..pdf— считывание полной информации и обработка ее после преобразования оптических сигналов в электри ческие. Например, одновременное считывание изображе ний контролируемого изделия и эталона с последующим вычитанием в электронном преобразователе фотоэлек трических сигналов или сравнение в ЭВМ сигналов, по ступающих от считывающего устройства изделия и с «генератора рисунка» —эталона;
— предварительная обработка изображения в опти ческом канале. Например, путем оптической пространст венной фильтрации подавляют регулярную составляю щую изображения рисунка, выделяя на его фоне дефек ты с помощью фотоэлектрического устройства считы вания.
2.Дефекты интегральных микросхем
икритерии их отбраковки
2.1.Отказы интегральных микросхем, возникающие при
их испытаниях и эксплуатации
Интегральные микросхемы представляют собой слож ные изделия с высоким уровнем надежности, отличаю щиеся динамичным развитием технологии, схемотехники и конструкции. Поэтому разнообразны причины и след ствия и различны условия проявления дефектов, вызывающих производственный брак и эксплуатацион ные отказы. Для выявления их требуется использовать совокупность методов и средств физического, физико-хи мического анализа, техническую диагностику и дефекто скопию, образующие системы дефектоскопического обес печения [22].
Чтобы выбрать рациональные методы и средства оптического контроля, оптимизировать размещение конт рольных точек в технологическом процессе и обоснован но выбрать критерии годности, образующие как бы «оптическую подсистему» указанной системы, необходи мо проанализировать и обобщить громадный объем частных сведений о дефектах ИС, возникающих на раз личных этапах их жизненного цикла. К сожалению, в настоящее время еще нет соответствующей классифика ционной схемы возможных дефектов, охватывающей их многообразие с достаточной точностью.
21
Имеющиеся материалы по физике отказов [23—26] касаются в основном отдельных случаев. При этом почти всегда содержание работы преследует очевидную цель: показать на конкретном примере, что фирма-поставщик, выявив влияющий дефект, ввела корректирующие меро приятия (изменения конструкции, технологии, условий применения; новые методы контроля; отбраковочные ис пытания; электротермотреиировки и т. п.), обеспечиваю щие устранение причины дефекта или существенное уменьшение интенсивности отказов (процента брака).
Как правило, выявленные причины и механизмы от казов устраняются мероприятиями, рекомендованными нормативно-технической документацией (НТД). Такие отказы принято называть типичными [27]. Концепция типичных отказов становится определяющей в развитии современной физики надежности, позволяя во многих случаях (базируясь на фундаментальных положениях, впервые высказанных чл.-кор. АН СССР Б. С. Сотсковым [28] и ныне принятых повсеместно) давать расчет ную оценку количественных значений показателей на дежности. Альтернативой типичного отказа являются случайные отказы, для устранения которых (с точки зрения построения НТД) не предусмотрено специальных мероприятий, поэтому они могут иметь место и при строгом соблюдении всех положений НТД, в том числе всех процедур и правил контроля.
Случайные отказы могут быть обусловлены различ ными причинами, которые удобно свести в две большие группы: метрологические и физические. Метрологические причины случайных отказов связаны с недостаточно вы сокими метрологическими характеристиками контроль ных операций: низкой точностью, малой чувствительно-, стыо, недостаточной стабильностью и метрологической надежностью измерительных средств, а также неста бильностью или слабой изученностью статистических характеристик контролируемых параметров изделий. Например, по последней причине могут быть неудачно выбраны критерии и нормы годности, планы контроля, допуски на контролируемые параметры.
Физические причины случайных отказов связаны с проявлением новых, ранее не встречавшихся или неизу ченных физических (химических) процессов и явлений. Для уменьшения их влияния помимо более глубокого анализа отказов следует повышать чувствительность и
'22
точность методов, средств и контрольных операций* т. е. внедрять в разработку и производство ИС системы вы сокоточных, прецизионных измерений.
Рассмотрим типичные отказы, вызванные наиболее критичными для промышленности типичными дефектами и по которым накоплен достаточно большой статистиче ский материал. В некоторых случаях дефекты являются лишь «историческими», поскольку они в настоящее вре мя хорошо контролируются (или имеются действенные способы отбраковки изделий с этими дефектами). Од нако их следует рассмотреть, так как они снова могут возникнуть, если не принять соответствующих мер при разработке новых изделий и аппаратуры на их основе. Примеры типичных отказов сведены в общую таблицу, содержащую также методы их анализа и необходимое оборудование (приложение 1) [29—46]. В таблице при ведены также примеры отказов, возникновение которых сейчас еще невозможно полностью контролировать или которым нельзя дать исчерпывающего объяснения.
Основное внимание уделено дефектам кристаллов и сварных соединений как области наиболее эффективно го применения оптического контроля.
2.2. Роль оптических методов в оценке качества готовых изделий
Понятие качества в соответствии с действующим ГОСТ 15467—79 предусматривает оценку совокупности свойств, обусловливающих пригодность изделия для ис пользования его по функциональному назначению. При годность к использованию определяется показателями состояния в данный момент времени (для ИС — сово купностью электрических параметров) и показателями, прогнозируемыми на последующие временные интервалы (надежность, стойкость к внешним воздействиям). Для высоконадежных изделий, к числу которых относятся ИС, характерно, что большинство дефектов, вызываю щих отказы в дальнейшем (т. е. определяющих надеж ность и стойкость к внешним воздействиям), из-за их микрохарактера не вызывают контролируемых измене ний электрических параметров в момент контроля этих параметров. Иначе говоря, система электрических пара метров имеет сравнительно невысокую прогнозную ин формативность. Поэтому в процессе производства требу-
23
ётся измерение (контроль) системы, физически (физико-химических) параметров, имеющих высокую прогнозную информативность. На основе контроля имен но этой системы параметров в процессе производства в значительной степени оценивается качество готового из делия, определяемое надежностью и стойкостью к внеш ним воздействиям.
Кроме того, при производстве ИС, как правило, сов мещаются мероприятия по обеспечению надежности и стойкости к внешним воздействиям (в том числе на основе отбраковочных операций, электротермотрениро вок и т. п.) с контролем качества (надежности) на основе результатов испытаний.
Вся система мероприятий по оценке и обеспечению качества, надежности, стойкости к внешним воздействи ям регламентируется определенной системой НТД. По этому роль оптических методов в оценке качества ИС можно оценить только на основе рассмотрения всей си стемы методов контроля физических и электрических параметров и всех мероприятий по обеспечению качест ва, т. е. на основе анализа соответствующих регламен тирующих документов.
Оптические методы контроля ИС (вследствие исполь зования визуальной регистрации они названы «визуаль ным контролем» — ВК) в США регламентированы воен ным стандартом MIL-STD-883 (стандарт, регламентиру ющий методы испытаний изделий микроэлектроники) [29]. На основе этого стандарта было разработано мно го программ обеспечения надежности РЭА, изготавли ваемой различными фирмами США и других стран. Широкое применение методов отбраковочных испытаний, регламентированных этим стандартом,' послужило осно вой для разработки в 1969 г. общих технических условий на ИС — стандарта MIL-M-38510 [47].
Так, фирма RCA (США) поставляет высокойадежные варианты широкого диапазона типов КМОП и линейных ИС, квалифицированных в соответствии с методом 5004 (отбраковочные испытания) стандартов MIL-STD-883 и MIL-M-38510. При этом наряду с корпусированными микросхемами предлагается широкий выбор высокона дежных бескорпусных микросхем для использования их в гибридных схемах [48]. Эти схемы предназначены для применения в космической, военной и промышленной технике, к которой предъявляются высокие требования
24
по надежности работы [48]. ОМК с визуальной регистра цией используются в качестве входной и выходной (пе ред герметизацией) контрольной операции; для ИС, предназначенных к использованию в ракетно-йосмиче- ской технике, дополнительно применяется рентгеновский контроль и контроль с помощью растровой электронной микроскопии (РЭМ).
Высоконадежные ИС фирмы RCA помимо трех основ ных классов (А, В и С) по стандарту MIL-STD-883 вы пускаются четырех классов (уровней) качества: /1, /2, /3, /4 (табл. 6). Уровень /1 включает в себя еще два подуровня /1N и /1R, отличающиеся между собой, как показано в табл, б, условиями испытаний визуального, контроля (А и В) н наличием проверки с помощью РЭМ. Подробное описание условий А и В визуального контроля приведено в стандарте MIL-STD-883.
Схемы уровня качества /2 удовлетворяют требовани ям MIL-STD-883 для микросхем класса А, за исключе нием проверки их рентгенографическим методом, по скольку для ИС этого уровня этот метод не позволяет выявлять дефекты алюминиевой металлизации и внут ренних соединений.
Коммерческие бескорпусные микросхемы обычно про веряют согласно условиям В визуального контроля. Вы пускаются также кристаллы, проверяемые согласно бо лее критичному условию Л и с помощью РЭМ. Количе ство выборочно проверяемых кристаллов определяется требованиями заказчика.
Согласно MIL-STD-883 условие испытаний А обес печивает внутренний визуальный осмотр ИС высшего класса надежности (класс А), предназначенных для применения в аппаратуре космической и ракетной техни ки, в которой ремонт и замена крайне трудны или не возможны, а обеспечение надежности обязательно. Усло вие испытаний В обеспечивает визуальный осмотр ИС класса В, предназначенных для применения в аппарату ре военной и промышленной техники, в которой ремонт и замена возможны, но трудоемки и дорого стоят, а обес печение надежности обязательно, а также ИС класса С, предназначенных для аппаратуры, в которой ремонт и замена легко осуществимы, а время простоя некритично.
Анализ табл. 6 показывает, что ОМК с визуальной регистрацией играют важную роль в аттестации ИС, по зволяя регулировать их качество в процессе производст-
25
to
О
Уровни
фирмы RCA
1
/1N
/1R
/1
/2
/ з
Т а б л ц ц.а 6
Уровни качества ИС фирмы RCA [48]
Уровни качества
Эквивалент по стандарту MIL-STD-883, |
|
Применение |
|
|
|
Примечание |
|
|
||||
|
метод 5004.1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
о |
|
|
|
3 |
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
Корпусные ИС |
|
|
|
|
|
|
|
||
Класс А, |
РЭМ, |
условие А визу |
Космическая |
и |
ракетная |
Для схем, которые применяются в |
||||||
ального контроля |
|
техника |
|
|
|
РЭА, ремонт и замена которой |
не |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
возможны, а обеспечение |
надеж |
||||
Класс А, |
РЭМ, |
условие В визу |
|
|
|
|
ности обязательно |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
ального контроля |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Класс А, |
условие В визуального |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
контроля |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Класс А, |
условие В визуального |
|
|
|
|
Для схем, |
которые применяются |
|||||
контроля, |
рентгенографический |
|
|
|
|
в РЭА, |
ремонт и |
замена |
которой |
|||
контроль из |
отбраковочных испыта |
|
|
|
|
крайне затруднительны |
ила |
не |
||||
ний исключается |
|
|
|
|
|
возможны, а обеспечение |
надеж |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
ности обязательно |
|
|
|||
Класс В, |
условие- В визуального |
Военная н |
промышленная |
Для схем, |
применяемых |
в |
аппа |
|||||
контроля |
|
|
техника |
(например, |
бортовая |
ратуре, |
ремонт и |
замена |
которой |
|||
|
|
|
техника |
ВВС) |
|
|
возможны, |
но трудоемки и дорого |
||||
|
|
|
|
|
|
|
стоящи |
|
|
|
|
|
1 |
2 |
/4 |
Класс С, условие В визуального |
|
контроля |
/5 |
Стандартные (коммерческие) схе |
|
мы, электротермотренировка |
3
Военная и промышленная техника (например, наземная электроника)
Бытовая и промышленная техника
Кристаллы
Окончание табл, б
4
Для схем, применяемых в аппа ратуре, ремонт и замена которой
могут быть легко произведены
Для схем, используемых в аппа ратуре, в которой высокий уровень надежности может быть обеспечен электротермотренировкой
/N |
РЭМ, |
условие |
А |
визуального |
Космическая и ракетная |
Для гибридных |
схем, применяе |
|
контроля |
|
|
|
техника |
мых в-аппаратуре, |
ремонт и замена |
|
|
|
|
|
|
которой крайне |
затруднитель |
|
|
|
|
|
|
ны, а обеспечение надежности |
|
/« |
РЭМ, |
условие |
В |
визуального |
|
обязательно |
|
|
|
|
контроля
ю
—4
/М |
Условие В визуального контроля |
Военная и промышленная |
Для общих применений |
|
1 |
техника |
|
|
|
|
ва, поэтому они являются обязательным элементом системы контроля и обеспечения качества ИС для воен ной радиоэлектронной аппаратуры.
Следует отметить, что введение дополнительных опе раций ОМК может значительно повысить стоимость1го тового изделия. Например, введение дополнительного оптического контроля с визуальной регистрацией для полупроводниковых приборов повышает их стоимость в
Т а б л II ц а 7
Изменения в проценте отказов приборов на испытаниях по программе „Пайонир-Венус« при введении дополнительного
контроля [7J
Прибор |
Вид дополнительного контроля |
Снижение процента |
отказов, раз |
||
Диоды |
Визуальный |
2 |
Транзисторы |
я |
2,5 |
КМОП ИС |
Контроль с помощью РЭМ |
1,3 |
3 раза [7] *). Дополнительный оптический контроль и контроль с использованием РЭМ позволил существенно снизить процент отказов (табл. 7) диодов, транзисторов и ИС, предназначенных для работы в космическом лета тельном аппарате (программа «Пайонир-Венус» [7]).
2.3. Критерии отбраковки ИС по результатам оптического контроля
Критериями отбраковки ИС являются параметры де фектов, обнаруживаемых при оптическом контроле.
Оптический контроль до герметизации служит для исключения большинства «приработочиых» отказов (т. е. отказов, проявляющихся в начальный период эксплуата ции). Полный (100%-иый) внутренний осмотр до герме тизации осуществляется с помощью микроскопов с боль шим и малым увеличением и включает контроль корпуса и его выводов, крепления кристалла, проволочных сое динений и топологии кристалла, включая контроль де
*) Введение дополнительного оптического контроля означает пе реход микросхем из класса JANTX к классу JANTXV, где V — до полнительный визуальный контроль.
28
фектов диффузии, в окисном слое и металлизации, а также проверку правильности геометрических размеров и совмещения.
Наиболее характерными дефектами ИС являются царапины на металлизации, которые со временем могут привести к ее разрыву, загрязнения, приводящие к на рушению стабильности работы схемы; дефекты соедине ний, вызывающие обрывы или короткие замыкания; тре щины или сколы но краям кристалла; смещение слоев фотолитографии или металлизации; проколы пли другие дефекты диффузии, вызванные использованием загряз ненных или царапанных фотошаблонов и др.
Качественная характеристика обнаруживаемых де фектов, являющихся критериями отбраковки при ОМК, приведена в табл. 1. Установление количественных норм на критерии годности должно основываться на анализе взаимосвязи видов дефектов '(механизмов отказа), ин тенсивности и длительности внешних воздействий и их последствий с нормами на критерии годности. Поэтому нормы на критерии обычно определяются размерными параметрами дефектного участка.
Совершенствование системы критериев годности ОМК с целью повышения их информативности (без из менения используемых средств) может достигаться:
—введением различных групп жесткости ОМК в за висимости от назначения аппаратуры, для которой пред назначены ИС (см., например, табл. 6);
—оптимизацией числа критериев годности в зависи мости от степени интеграции и технологии изготовления ИС;
—уточнением регламентирующих норм допусков на критерии годности, установленные в документации (на пример, уменьшением допустимого размера дефектов ме таллизации).
Поскольку для БИС минимальные размеры элементов
кристалла приближаются к разрешающей способно сти применяемых микроскопов, то при визуальном конт роле целесообразно оптимизировать количество критери ев отбраковки и упростить их количественное выраже ние. Оказалось также, что для МОП ИС имеют место эксплуатационные отказы микросхем, прошедших про верку по методу 2010 стандарта MIL-STD-883, связан ные с нестабильностью окисной пленки и дефектами металлизации затворов. Следовательно, необходимо бы
29
ло ввести дополнительные критерии годности для МОП ИС.
Совершенствование системы критериев годности от ражается в НТД, вызывая ее периодический пересмотр. Работы данного направления в США отражены в новой редакции стандарта MIL-STD-883A [10], введенного в
действие в 1974 г. взамен старого (1968 г.) [29]. Методы и критерии оптического контроля ИС по
MIL-STD-883A (метод 2010.2) и MIL-STD-883 (метод 2010) сопоставлены в табл. 8*\ Из таблицы видны сле дующие основные различия этих методов:
— установлена большая кратность увеличения (100— 200х вместо не менее 80х по MIL-STD-883) при визу альном контроле кристаллов;
— установлены более жесткие критерии отбраковки некоторых дефектов, например допустимого размера де фектов металлизации: царапин и пустот пленочных ре зисторов и затворов МОП-структур (не более 0—25% вместо не более 25% по MIL-STD-883), смещения раз водки затворов МОП-структур, контактных окон (не бо лее 0—25% вместо не более 50%), промежутков между контактным окном и металлизацией, нестра©ленных участков, оставляющих промежутки между металлиза цией (не менее 50% вместо не менее 25%), максималь ного размера непокрытия защитной пленки (не более 127 мкм вместо не более 381 мкм);
— введены новые критерии отбраковки дефектов длины любой трещины (не более 76,2 мкм), площади соединения, покрытой установочным материалом кри сталла (не более 25%), интерметаллических соединений вокруг «шарика» (не более 2,54 мкм радиально), раз меров соединений балочных выводов (110—175% шири ны, не менее 25,4 мкм длины) и царапин на них (не более 50% ширины), непараллельности кристалла отно сительно дна корпуса (не более 10°).
Некоторые критерии отбраковки дефектов диффузии
иокисла, а также отдельные дефекты скрайбирования
вновом стандарте были исключены, так как соответст
вие им обеспечивается другими имеющимися критерия ми. Следует отметить, что в военных ТУ на конкретные ИС, выпускаемые зарубежными фирмами, обычно уста навливаются условия визуального контроля А или В в
*> В анализе стандартов большую помощь оказал А. Н. Ща* велкин.
30