М. Горлов, А. Адамян, А. Каехтин, А. Строгонов

Диагностические методы контроля качества и прогнозирующей оценки надежности полупроводниковых изделий

При выпуске полупроводниковых изделий (ППИ) принято считать, что любая представительная выборка состоит из трёх различных по надёжности групп: группа, характеризуемая интенсивностью отказов l, точно соответствующая требованиям технических условий (ТУ) на изделия; группа более надёжная и группа изделий, менее надёжная по сравнению с ТУ [1]. Практика показывает, что разброс интегральных схем ИС по надёжности составляет 2–3 и более порядков. Зачастую потребителю необходимы для особо важной аппаратуры более надёжные изделия, а при соответствии по надёжности требованиям ТУ - исключение из поставляемой партии изделий менее надёжных.В статье приведено описание разработанных авторами нескольких методов разделения партий ППИ по стойкости к электростатическим разрядам на основе открытого явления отжига электростатических дефектов полупроводниковых изделий [2].

Известно, что надёжность любого изделия, заложенная при конструировании, обеспечивается технологическим процессом изготовления. Технологические отбраковочные испытания ППИ (диодов, транзисторов и интегральных схем), объём которых устанавливается изготовителем в зависимости от вида приёмки, конструктивно-технологических особенностей изделия, технических и экономических возможностей изготовителя, служат для повышения надёжности партий изделий путём отделения потенциально ненадёжных изделий [3]. Отбраковочные испытания ППИ и, в первую очередь, электротермотренировка занимают много времени, используют сложное громоздкое стендовое оборудование и требуют больших затрат электроэнергии и площадей для его размещения.

В связи с этим в настоящее время большое распространение получили так называемые альтернативные диагностические методы отбраковки потенциально ненадёжных изделий с меньшими экономическими затратами, но не с менее, а зачастую и с более эффективными результатами. Замена, например, электротермотренировки альтернативным диагностическим методом требует достоверности результатов диагностики не менее 95% [4].

Разделение партии ИС по стойкости к электростатическим разрядам

В ряде случаев, когда отказы полупроводниковых изделий, вызванные воздействием статического электричества, занимают доминирующее место, к ППИ предъявляются высокие требования по стойкости к электростатическим разрядам (ЭСР). В партии ИС всегда есть некоторое количество схем, имеющих пониженную чувствительность к ЭСР. В этом случае может оказаться целесообразным ввести предварительное (на стадии изготовления) разделение таких ИС на две партии с различной величиной стойкости к ЭСР.

Для этой цели предложена методика испытаний с использованием разрядов малого потенциала, разовое воздействие которого не приводит к отказу ИС, но может вызвать изменение информативного параметра, по которому партия схем разделяется на две с различной стойкостью к ЭСР. Снижения надёжности при этом не происходит, так как влияние единичного ЭСР на электрические параметры схемы компенсируется отжигом при повышенной температуре.

Схема испытаний состоит из двух этапов. На первом этапе, проводимом один раз для каждого нового типа ИС или серии схем близкого функционального назначения, экспериментально определяются параметры, необходимые для проведения второго этапа - собственно разделения.

Информативный параметр должен по возможности наиболее полно характеризовать функционирование ИС и незначительно изменяться под воздействием однократного ЭСР. Критерий разделения должен быть таким, чтобы можно было эффективно разделять ИС на две партии с различной величиной стойкости к ЭСР. Если испытаниям подвергались БИС или СБИС, которые функционально сложны, то одного информативного параметра может оказаться недостаточно, при этом можно использовать комплекс параметров со своим критерием разделения каждый. Напряжение ЭСР подбирается таким, чтобы наблюдалось незначительное изменение информативного параметра в пределах норм ТУ. Режим отжига выбирается так, чтобы происходило наиболее полное восстановление информативного параметра. Правильность выбранных параметров и режимов подтверждается путём стандартных испытаний на надёжность и на воздействие ЭСР (в режиме, указанном в ОСТ или ТУ на ИС).

Второй этап (разделение) начинается воздействием на ИС единичного ЭСР с напряжением, определённым на этапе предварительных испытаний. Затем изменённое значение информативного параметра каждой ИС сравнивается с критерием разделения, и производится разделение ИС на две партии, то есть отбираются схемы, имеющие более высокую стойкость к ЭСР.

Предложенная методика разделения была апробирована на ИС типа КР142ЕН12. Для эксперимента взята партия из 50 схем. В качестве информативного использован параметр U_{вых мин}, измерения которого производились с точностью 0,1% (для удобства ИС в таблице приведены в порядке возрастания изменения параметра). Относительное изменение данного параметра по ТУ составляет 8%. Критерий разделения был выбран таким, чтобы партия с пониженной чувствительностью к ЭСР содержала около 20–30% схем, что достигается при относительном изменении информативного параметра до 1%. Затем после воздействия ЭСР напряжением 1000 В (при этом напряжении происходит изменение информативного параметра, в то же время катастрофических отказов не наблюдается) ИС разделялись на две партии и подвергались отжигу при повышенной температуре в течение 50 ч. Чтобы проверить эффективность разделения на партии, для каждой из них снималась зависимость напряжения ЭСР от числа их воздействий, приводящих к катастрофическим отказам ИС, показанная на рис. 1, с помощью которой можно судить о стойкости партии схем к ЭСР.

Рисунок 1. Зависимость напряжения ЭСР от числа разрядов для отказавших ИС: 1 - для ИС, изменение U_{вых мин} менее 1%; 2 - для ИС, изменение U_{вых мин} более 1%; - на гистограмме соответствует одной ИС

Из анализа данных, приведённых на рис. 1, можно сделать следующие выводы:

• информативный параметр и критерий разделения выбраны верно, так как происходит разделение ИС на две партии, имеющие различную стойкость к ЭСР;
• режим отжига также выбран верно, так как после него происходит практически полное восстановление информативного параметра;
• данный метод разделения работоспособен для ИС данного типа (КР142ЕН12).

Таким образом, предложена методика разделения ИС на две партии, имеющие различную стойкость к ЭСР, с использованием единичных разрядов малого потенциала.

Метод разделения транзисторов по стойкости к ЭСР

Опробование методики разбраковки ИС по стойкости к ЭСР применительно к транзисторам не дало необходимых результатов, так как измерение информативного параметра в одной точке не позволяет судить о состоянии внутренней структуры транзистора.

Нами предложена и опробована методика разделения партии транзисторов на две партии, различающихся стойкостью к ЭСР. Эксперименты проводились на кремниевых маломощных транзисторах КТ315Р (n-p-n-типа) и КТ361Г1 (p-n-p-типа), изготовляемых по эпитаксиально-планарной технологии в пластмассовых корпусах типа КТ–13.

Для разбраковки транзисторов (по 10 приборов каждого типа) на две партии с различной чувствительностью к ЭСР проводились испытания с использованием импульсов разряда напряжением менее опасного с последующим отжигом при повышенной температуре в два этапа.

Этап 1. Переход коллектор–база каждого транзистора подвергался воздействию пяти импульсов ЭСР положительной и отрицательной полярности по модели "тело человека". Напряжение ЭСР составляло половину от величины опасного потенциала. Величина последнего была получена путём стандартных испытаний в режиме, указанном в отраслевом стандарте. Экспериментально полученная величина опасного потенциала составила 2,9 кВ для транзисторов КТ315Р и 3,5 кВ для транзисторов КТ361Г1.

В качестве информативного параметра использовался коэффициент усиления по току b в схеме с общим эмиттером (измерялся до и после воздействия ЭСР с точностью 1% на измерителе характеристик полупроводниковых приборов Л2-56А при U_КЭ = 10 В), точнее, его зависимость от тока коллектора (рис. 2), которая наиболее полно характеризует работу транзистора и незначительно изменяется под воздействием ЭСР напряжением ниже опасного. Нижняя граница диапазона изменения коллекторного тока определяется шумами и различного рода наводками (I_Kmin = 0,1 мА), верхняя - максимально допустимой рассеиваемой мощностью (I_Kmax = 50 мА).

Рисунок 2. Воздействие ЭСР на транзисторы типа КТ315Р и КТ361Г1

Партии транзисторов каждого типа предварительно разделялись на две группы по коэффициенту деградации:

где S₁ - площадь под кривой ß (I_K) до воздействия ЭСР; S₂ - площадь под кривой ß (I_K) после воздействия ЭСР.

Транзисторы, у которых коэффициент деградации не выходил за пределы допуска, причислялись к первой группе (более стойкая к ЭСР). Пределы допуска для транзисторов КТ315Р устанавливаются не менее 20%, для КТ361Г1 - 15%, так чтобы в первой группе оказалось около 60% всех транзисторов.

Этап 2. Транзисторы отжигались при T = 100ºC в течение одного часа и проводилась окончательно разбраковка транзисторов из первой группы по коэффициенту восстановления:

где S₃ - площадь под кривой ß (I_K) после отжига.

В том случае, если восстановление информативного параметра происходило менее, чем на 90%, транзистор переходил во вторую группу (менее стойкую к ЭСР).

Вычисленные площади под кривыми, коэффициенты деградации и восстановления приведены в табл. 1 и 2.

Таблица 1. Результаты воздействия ЭСР на транзисторы КТ315Р

Таблица 2. Результаты воздействия ЭСР на транзисторы КТ361Г1

Правильность разбраковки подтверждалась путём следующих стандарт-ных испытаний на воздействие ЭСР. На выводы коллектор–база подавались по пять положительных и отрицательных воздействий ЭСР с напряжением, равным опасному для данного типа транзисторов, причём такое воздействие считалось за единичное. И так до тех пор, пока не имели место отказы всех транзисторов. Полученные распределения отказавших транзисторов от количества воздействий ЭСР приведены на рис. 3.

Рисунок 3. Кривые распределения транзисторов, вышедших из строя

Из рис. 3 видно, что кривые, соответствующие первой группе (более стойкой к ЭСР), на всём протяжении испытаний лежат ниже кривой, соответствующей второй группе (менее стойкой к ЭСР), как для транзисторов типа КТ315Р, так и для транзисторов типа КТ361Г1.

Таким образом, найденная методика разбраковки ИС по стойкости к воздействию ЭСР пригодна и для биполярных транзисторов.

Выделение из партии ИС повышенной надежности

Способ выделения из партии ИС повышенной надёжности включает в себя снятие зависимости критического напряжения питания (КНП - минимальное напряжение питания, при котором ИС сохраняет работоспособность в пределах норм, определяемых техническими условиями) от температуры и воздействие электростатическим разрядом. Суть способа поясняется схемой, приведённой на рис. 4.

Рисунок 4. Схема работ при выделении ИС повышенной надёжности

На первом этапе проводят разделение ИС по методу КНП на две партии, имеющие соответственно пониженную надёжность и надёжность не ниже, чем по ТУ, следующим образом. Снимается зависимость КНП исследуемой ИС от температуры в интервале 10–100ºС и регистрируются значения КНП с использованием информативного параметра. Вычисляется площадь под кривой и сравнивается с площадью эталонной кривой:

DS₁ = S_эт – S_иссл1.

Если DS₁ > 0, то надёжность партии ИС не ниже, чем по ТУ; если DS₁ Ј 0, то надёжность партии ИС пониженная. После первого этапа выбирается партия ИС с надёжностью не ниже, чем по ТУ.

На втором этапе на ИС этой партии воздействуют потенциалом электростатического разряда, составляющим половину опасного. Затем проводят разделение ИС методом КНП следующим образом. Снимается зависимость КНП исследуемой ИС от температуры в интервале 10–100ºС и регистрируются значения КНП с использованием информативного параметра. Затем температуру повышают до максимальной температуры перехода и выдерживают ИС в течение 24–48 часов, производя отжиг дефектов.

Далее вычисляется площадь под кривой и сравнивается с площадью кривой, полученной на 1 этапе:

DS₂ = S_иссл1 - S_иссл².

Если DS2 > 0, то надёжность партии ИС повышенная; если DS₂ Ј 0, то надёжность партии ИС не ниже, чем по ТУ.

Предложенная методика разделения была апробирована на ИС типа К561ЛН2. После разделения партии ИС, состоящей из 100 схем, было получено, что партия, имеющая пониженную надёжность, составляет порядка 2%, партия с соответствующей ТУ надёжностью - 70%, с повышенной надёжностью - 28%.

Литература

1. Асауленко Ю.Б., Чуварыгин Б.В. Анализ возможностей отбраковочных испытаний комплектующих элементов РЭА // Надежность и контроль качества. 1989. № 11. С. 26–32.
2. Горлов М.И., Андреев А.В. Отжиг электростатических дефектов // Известия вузов. Электроника, 2001. № 2.С. 35–39.
3. Горлов М., Ануфриев Л., Строгонов А. Отбраковочные технологические испытания как средство повышения надежности партий ИС // Chip News. 2001. № 5. С. 22–26.
4. Горлов М.И., Ануфриев Л.П., Бордюжа О.Л. Обеспечение и повышение надёжности полупроводниковых приборов и интегральных схем в процессе серийного производства / Под. ред. Горлова М.И. Минск: Интеграл. 390 с.