18.6. Физико-химические методы анализа отказов

Работы по повышению качества и надежности современных ИС не могут иметь успеха без проведения физического анализа причин технологических потерь и отказов при отбраковочных и других испытаниях, а также при эксплуатации. С этой целью используются как широко известные в практике методы (рентгеноскопия, рентгеноструктурный анализ, оптический спектральный анализ, металлография, масс-спектроскопия, газовая хроматография, ИК дефектоскопия, ИК радиометрия, ИК абсорбционная спектрография, химический и электрохимический анализ, электронография, электронная микроскопия, микрофотография, бинокулярная микроскопия, электрические измерения), так и новейшие методы и средства физического эксперимента, нашедшие применение в микроэлектронике (растровая электронная микроскопия, в том числе зеркальная; электронный и ионный микрозонды; рентгенография с высоким разрешением; стереооптические методы; метод жидких кристаллов; методы электрических измерений шумов; крутизны, нелинейности вольт-амперных характеристик; методы неразрушающих испытаний неоднородных диэлектриков с помощью измерителей диэлектрической абсорбции и др.).

Схема физического анализа ИС может быть такой: внешний осмотр под микроскопом; электрическая проверка на функционирование и измерение электрических параметров; физический анализ схемы в корпусе (рентгеноскопия, ИК дефектоскопия, рентгеновская радиография корпуса, проверка герметичности корпуса течеискателями, анализ остаточной атмосферы методом газовой хроматографии и др.); вскрытие корпуса, визуальный осмотр (оптическая и растровая электронная микроскопия); устранение покрытий травлением и повторный визуальный контроль; внутреннее микроскопическое исследование и физико-химический анализ (РЭМ, электронный и ионный микрозонды, электронография, рентгеноструктурный, химический, металлургический и другие виды анализа); изоляция отказавшего элемента и повторение исследований.

Физический анализ отказов всеми рассмотренными выше методами открывает возможность физического прогнозирования надежности и стабильности ИС. Существуют также специальные методы, позволяющие по измерениям косвенных параметров составить представление о состоянии ИС и дать научно обоснованный прогноз надежности. Особое место занимают методы неразрушающих испытаний, которые обеспечивают информацию о физическом состоянии объекта, не внося изменений в это состояние, в отличие от многих рассмотренных методов анализа, связанных с разрушением исследуемого образца. Разумеется, не следует противопоставлять методы качественного физико-химического анализа методам неразрушающих испытаний. Необходимо отметить, что специфика неразрушающих методов заключается в том первостепенном значении, которое приобретают задачи количественного прогнозирования надежности по сравнению с качественным изучением отказов. Другой стороной неразрушающих методов является обоснованный выбор определяющих косвенных параметров, позволяющих осуществлять отбраковку ИС в процессе приемосдаточных испытаний.

Современные ИС, способные выполнять разнообразные функции, отличаются сложностью топологии. Поэтому непосредственный физико-химический анализ таких схем тоже очень сложен. Для упрощения методики исследования и обеспечения большего доступа к каждому элементу, ИС могут быть представлены в виде набора тестовых структур и подвергнуты физико-химическому анализу и испытаниям на надежность уже в составе тестовых структур. Набор тестовых структур (ТС) является формальным эквивалентом реальной ИС и создается на базе математической модели соответствующей ИС. Каждая ТС, в свою очередь, представляет собой набор структурных физических слоев простейшей топологии без учета конкретной конфигурации элементов, соответствующей топологическому чертежу. Для МДП ИС, например, создаются следующие структурные слои: исходная подложка n-типа; «карман» р-типа; легированные области стоков, истоков р-типа; легированные области стоков, истоков n-типа; металлизированные полосы на тонком и толстом диэлектрике; поликристаллический слой кремния на тонком и толстом диэлектрике. Набор и сочетание структурных слоев в каждой ТС, а также набор и сочетание ТС, соответствующие данной ИС, зависят от конкретной цели исследования и определяются уровнем развития и конкретными особенностями технологии.

ТС характеризуются числом взаимодействующих слоев, расположенных в одной вертикальной плоскости, взаимным расположением слоев в горизонтальной плоскости и формой слоев. Обычно каждая ТС содержит от двух до пяти структурных слоев. В зависимости от цели исследования все ТС подразделяются на четыре типа и предназначаются для исследования: физических явлений и электрофизических параметров ИС — физические ТС; электрических параметров элементов (транзисторов, диодов, резисторов, проводящих полос и др.) — функциональные ТС; работы схем различных типов - схемотехнические ТС; физических причин отказов и возникающих паразитных эффектов — надежностные ТС. От поставленной перед исследователями задачи зависит выбор типа и оптимального сочетания ТС, определение необходимого набора структурных слоев и их правильного сочетания, минимизация количества структур. Так, надежностные ТС, соответствующие полупроводниковым ИС, изготовляются таким образом, чтобы воспроизвести реально существующие условия, а именно: количество дефектов, скорость развития дефектов и соответствующее время отказов, электрические и тепловые режимы. ТС должны обеспечить возможность исследования основных компонентов ненадежности полупроводниковых ИС: окисла, поверхности, металлизации, легированных областей, выводов, корпуса. Например, для МДП ИС характерными отказами перечисленных компонентов являются: пробой тонкого слоя окисла под затвором транзистора в результате развития дефектов и действия электрического поля большой напряженности; выгорание и обрыв металлических полос вследствие электродиффузии, возникновение токов утечки, обусловленных образованием поверхностных каналов между диффузионными шинами, находящимися под разными потенциалами, и объемными утечками p-n-переходов и т. д.

Для изучения каждого из этих видов отказов должны быть созданы специальные ТС с определенными морфологическими переменными. Так, ТС для анализа механизма пробоя окисла должна воспроизводить не только физические свойства, толщину диэлектрика и электрическое поле в нем, но и условия его выращивания, специфику примыкающих легированных областей, их геометрические характеристики и др.

Задачи надежностных ТС не ограничиваются физическим анализом отказов. ТС открывают возможности для определения количественных характеристик надежности ИС по результатам ускоренных испытаний. Знание физики отказов позволяет выделить основной круг разрушающих механизмов, учесть возможные комбинации их в различных условиях и таким образом свести до минимума чисто случайный фактор проявления отказов при проведении таких испытаний. Элементы подвергаются испытаниям на надежность в составе ТС, чем создаются оптимальные условия для выявления дефектов и ускорения развития процессов отказов ИС. Результатом детерминированного подхода к проведению испытаний ИС является возможность сокращения объема испытаний как по количеству исследуемых образцов, так и по необходимым затратам времени, по сравнению с обычным статистическим экспериментом.

Целью надежностных ТС является также разработка мер и структур, повышающих надежность. ТС должны использоваться для оценки эффективности различных конструктивных, технологических и эксплуатационных «охранных» мер, препятствующих возникновению отказов и паразитных эффектов. Необходимое число надежностных ТС уменьшается при установившемся технологическом процессе и оптимальной топологии ИС.

1Амфотерность – способность некоторых элементов в зависимости от условий проявлять либо основные, либо кислотные свойства.