книги / Оптические методы контроля интегральных микросхем

— 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

контроля

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

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