МІНИСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
Запорізький національний технічний університет
Кафедра мікроелектроніки і
напівпровідникових приладів
№ з. кн. Р231110
КУРСОВА РОБОТА
на тему:
“Основні механізми відмов. Розрахунок показників надійності інтегральних схем.”
Розробив
ст. гр. РПЗ-311 Вакула О.О.
Керівник Томашевський О.В.
2004
РЕФЕРАТ
КР: с, 3 рисунки, 6 джерел.
Об’єкт дослідження – надійність інтегральних схем.
Мета роботи – розрахувати основні показники надійності ІС по заданим вихідним даним.
Методи дослідження – розрахунок надійності інтегральних схем по заданим параметрам.
ВІДМОВА,ЕЛЕКТРОДИФУЗІЯ, ЕЛЕКТРОМІГРАЦІЯ, МЕТАЛІЗАЦІЯ.
ЗМІСТ
Завдання на КР…………………………………………………………….……...
Реферат……………………………………………………………...……….……
Вступ………………………………………………………………………………
1 Основні механізми відмов…………………………………………………..…
1.1 Відмови ІС при руйнуванні металізації внаслідок електроміграції…...
1.2 Відмови внаслідок зарядової нестабільності в шарі окислу
та на межі окисла з напівпровідником……………………………………….…
1.3 Відмови внаслідок електричного пробою окисла та p-n переходу…...
2 Розрахунок показників надійності……..……………………………….……
2.1 Вихідні дані……………………………………………….…………………
2.2 Розрахунки……………………………………………………………..……
Висновки……………………………..………………………………………. …
Література……….………………………………………………………… ……
ВСТУП
Реальна напівпровідникова структура, що є основним активним елементом будь-якого напівпровідникового приладу й інтегральної мікросхеми, у якій відбуваються складні електронні процеси, дуже далека від ідеальної. Внесення різних недосконалостей і дефектів у напівпровідникову структуру починається з вихідних матеріалів і продовжується практично на кожнім етапі технологічного процесу. Умовно дефекти в залежності від розмірів і можливості виявлення у виробничих умовах поділяють на грубі, чи макроскопічні, і дрібні, чи мікроскопічні, котрі найчастіше ще називають випадковими.
Більшість мікроскопічних недосконалостей і дефектів не піддаються контролю і присутність їх у приладах неминуча. Тому ми повинні розглядати кожен прилад як об'єкт, що знаходиться в нерівновагому стані через присутність в ньому мікроскопічних дефектів і недосконалостей. Останні у свою чергу випадковим образом розподілені в генеральній сукупності приладів.
Кожний з дефектів чи недосконалостей вносить свій внесок у деградаційні процеси, що відбуваються в приладі, що у підсумку приводять до зміни його вихідних електрофізичних параметрів. При цьому можливі сприятливі і несприятливі сполучення недосконалостей і дефектів. У першому випадку деградаційні процеси протікають повільно і зміни електрофізичних параметрів приладів незначні. В другому випадку в складі дефектів можуть бути значні недосконалості, причому сполучення їхнього таке, що відбувається посилення ефектів впливу окремих дефектів на деградаційні процеси. Підсумком несприятливого сполучення дефектів і недосконалостей є швидка деградація параметрів приладів.
1 ОСНОВНІ МЕХАНІЗМИ ВІДМОВ
Під відмовою розуміється подія, яка полягає в повній втраті працездатності або уході одного чи декількох параметрів за межі, встановлені в технічних умовах. При аналізі відмов розрізняють поняття виду і механізму відмови. Вид відмови — це очевидна подія, що приводить до відмови. Наприклад, руйнування металізації. Але в ряді випадків вид відмови без дослідження внутрішньої структури кристала неможливо встановити. Механізм відмови — це фізико-хімічний процес, що приводить до відмови. Наприклад, при відмові металізації таким процесом може бути електродифузія.
Характерні види відмов можна умовно класифікувати як: відмови кристала; відмови окисла; відмова контакту метал-напівпровідник (відмова металізації); відмова контакту металізація-гнучкий провідник (відмова контактів); відмова з'єднання кристал-підстава корпуса.
1.1 Відмови ІС при руйнуванні металізації внаслідок електроміграції.
Внутрішні міжелементні з'єднання активних структур сучасних напівпровідникових приладів і інтегральних мікросхем виконуються шляхом нанесення алюмінієвої плівки товщиною близько 1 мкм на поверхню кристала з наступною фотолітографією відповідно до топології розведення. З ростом складності напівпровідникових приладів і інтегральних мікросхем зростає як довжина розводки, так і площа поверхні кристала, займана нею. У даний час у середньому вона досягає 50% і в міру зростання ступеня інтеграції збільшується, приводячи до того, що розроблювачі великих і надвеликих інтегральних мікросхем змушені переходити на багаторівневе розведення, для того щоб реалізувати прийняту топологію активних областей кристала.
Металева плівка, нанесена на поверхню готової мікросхеми, знаходиться в неоднакових умовах. У контактних вікнах вона взаємодіє з монокристалічним кремнієм р- чи n-типів з різним ступенем легування, на іншій поверхні вона контактує з двоокисом кремнію як у площині поверхні схеми, так і на сходинках окисла. Неминуча деформація металевої плівки на нерівностях поверхні схеми та у місцях приварки дротових контактів. У процесі експлуатації напівпровідникових приладів і інтегральних мікросхем металеве розведення в не меншому ступені, ніж активні області напівпровідникової структури, піддається токовим і тепловим навантаженням. Усе це створює сприятливі умови для протікання різних процесів деградації металевого розведення, що приводять до зміни її первісних властивостей, і, в ряді випадків, до раптових відмов.
а)
б)
в)
Рисунок 1.1 Модель електродифузії іонів алюмінію в плівковому провіднику:
а - металеве розведення на поверхні напівпровідникової пластини; б - утворення дефектів внаслідок електродифузії; в - зміна контакту А1-Si через електродифузію.
Явище електродифузії чи електроміграції полягає в тому, що в металевих провідниках у визначених умовах при проходженні постійного струму великої щільності (близько 106 А.см-2) спостерігається перенос матеріалу провідника з району негативного контакту до позитивного. Модель цього явища представлена на рис. 1.1. Суть його полягає в наступному. При прикладенні електричного поля Е до провідника в ньому виникає потік електронів Ie спрямований назустріч електричному полю. Позитивно заряджені іони металу в цих умовах випробують вплив двох сил. Одна з них Fz виникає під дією електричного поля, прагнучи перемістити іони по напрямку поля. Походження другої сили Fe зв'язано з взаємодією потоку електронів з іонами металу, вона спрямована назустріч електричному полю. При досить великій щільності струму виникають умови, коли Fe>Fz і іони металу починають переміщатися з області контакту M2, що знаходиться під негативним потенціалом, в область позитивного контакту М2 (рис. 1.1, а). У результаті цього в області негативного контакту (рис. 1.1, б) створюються збіднені ділянки і порожнечі, а в районі позитивного контакту відбувається нагромадження металу, в окремих місцях утворяться горбки, виростають металеві «вуси» і «мітелки». Неоднорідне нагрівання провідника (Т1>Т2) прискорює процес переносу. Кінцевим результатом процесу може бути значне зменшення перетину провідника в області негативного контакту (рис. 1.1, в) аж до наступу розриву плівки.
Вивчення процесу формування порожнеч внаслідок електродифузії в тонкоплівкових алюмінієвих провідниках показує велику неоднорідність границь зерен. Найбільше ймовірно порожнечі утворяться поблизу точок дотику трьох зерен (рис. 1.2, а), тому що при напрямку потоку електронів ліворуч праворуч рух іонів металу більш ймовірно уздовж двох границь зерен праворуч, чим уздовж однієї границі ліворуч. Для провідних доріжок рівного поперечного переріза перенос речовини відбувається інтенсивніше в тих місцях, де більш густа мережа границь зерен, тобто в місцях з більш дрібною структурою (рис. 1.2, 6). Тому в цих місцях мається підвищена імовірність виникнення порожнеч, об'єднання їх з утворенням наскрізних тріщин.
Рисунок 1.2 Схематичне представлення структур, що можуть приводити до появи відмов внаслідок електродифузії:
а - стик границь трьох зерен; б - зміна розмірів зерен; в - зміна орієнтації плівки.
Зміна орієнтації зерен (заштрихована область на рис. 1.2, в) також сприяє зміні швидкості переносу речовини й утворенню порожнеч і тріщин. Це може мати місце при зміні структури чи складу підкладки, на яку нанесена металева плівка. В алюмінієвих плівках на монокристалічному кремнії виявляється тенденція до утворення структури, близької до монокристалічної, у той час як на двоокису кремнію утвориться більш розупорядкована плівка, близька до аморфної. На границі таких областей з великою імовірністю утворяться тріщини. Подібна ж ситуація створюється на сходинці окисла. При цьому варто помітити, тут діють два процеси, що сприяють утворенню розриву струмоведучої доріжки. Перший з них обумовлений зміною орієнтації зерен на плоскій поверхні провідної плівки і на вертикальній стінці сходинки, другий процес зв'язаний зі зменшенням поперечного переріза провідної плівки на сходинці окисла. Останнє викликає зростання щільності струму і швидкості переносу речовини.
Ідеальним рішенням проблеми виключення електродифузії було би створення монокристалічних або аморфних провідних плівок. Можливість створення металізації з аморфною структурою більш реальна. Наприклад, сплави нікелю з ніобієм, молібденом, вольфрамом за певних умов утворять аморфні структури. Основною перешкодою до використання цих сплавів як вихідні матеріали для металізації є відносно високий питомий опір плівок. Однак дуже низькі коефіцієнти дифузії домішок у таких сплавах уже зараз роблять перспективним їхнє застосування в якості бар'єрного шару, що перешкоджає проникненню кремнію в міжелементне з'єднання при багатошаровій металізації.