Влияние электростатических разрядов на кремниевые интегральные схемы тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.01, кандидат технических наук Шишкин, Игорь Алексеевич

• Шишкин, Игорь Алексеевич
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Шишкин, Игорь Алексеевич

Общая характеристика работы.2

Глава Воздействие электростатических зарядов на полупроводниковые изделия.7

1.1. Природа возникновения электростатических разрядов при производстве и эксплуатации полупроводниковых изделий.7

1.1.1. Процесс статической электризации материалов. 7

1.1.2. Причины возникновения электростатических зарядов.9

1.1.3. Модели электростатических разрядов.15

1.2. Воздействие электростатических разрядов на полупроводниковые изделия.21

1.2.1. Виды и механизмы отказов ППИ, вызываемые ЭСР.21

1.2.2. Чувствительность полупроводниковых изделий к ЭСР.27

1.2.3. Воздействие ЭСР на МДП-приборы.32

1.2.4. Воздействие ЭСР на биполярные ИС.34

1.3. Методика анализа отказов полупроводниковых изделий, вызванных ЭСР.37

1.4. Влияние отжига на электростатические дефекты.41

1.5. Пример метода разделения партий ИС по стойкости к электростатическим разрядам.44

Выводы к главе 1.45

Глава Воздействие электростатических разрядов на интегральные схемы.46

2.1. Воздействие ЭСР на ИС типа КР537РУ13.46

2.1.1. Конструктивно-технологические особенности ИС типа КР537РУ13.46

2.1.2. Стойкость ИС к ЭСР различной полярности и ее зависимость от температуры.53

2.1.3. Составные испытания ИС с термоциклированием и воздействием ЭСР.57

2.1.4. Влияние механических воздействий на стойкость ИС к ЭСР.58

2.1.5. Испытания на безотказность и воздействие ЭСР.60

2.1.6. Поведение электрических параметров и анализ отказавших схем. 65

2.2. Воздействие электростатических разрядов и последующего отжига на динамические характеристики ИС типа КР561ТМ2.67

Выводы к главе 2.72

Глава Термические эффекты при воздействии ЭСР на металлизацию

ИС.73

Глава Диагностические способы разбраковки интегральных схем по надежности.82

4.1. Способ разделения интегральных схем по надежности.82

4.1.1. Влияние ЭСР на критическое напряжение питания ИС типа

КР537РУ13.82

4.1.2. Сущность способа разделения ИС по надежности.84

4.2. Способ определения потенциально ненадежных цифровых ИС.85

Выводы к главе 4.91

Заключение диссертации по теме «Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и нано- электроника на квантовых эффектах», Шишкин, Игорь Алексеевич

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В диссертации получены следующие научно-технические результаты. 1. Исследования по влиянию электростатического воздействия на КМОП ИС на примере КР537РУ13 показали, что: имея встроенную защиту по входам, ИС имеют достаточные запасы по стойкости к ЭСР; наиболее чувствительным к прохождению ЭСР является путь через входы и общую точку, при этом наиболее опасной для ИС является отрицательная полярность ЭСР («—» на вход, «+» на общую точку); величина опасного потенциала ЭСР для схем зависит от температуры окружающей среды: вероятность повреждения ИС статическим электричеством увеличивается с повышением температуры; для ИС опасность представляет не только однократное воздействие ЭСР больших потенциалов, но и многократное воздействие значительно меньших потенциалов; испытания ИС термоциклами с последующим воздействием ЭСР показали, чем больше термоциклов выдержала схема, тем она становится менее стойкой к ЭСР; механические воздействия на ИС (одиночные и многократные удары) снижают стойкость схем к ЭСР, при этом, чем большую механическую нагрузку выдерживает ИС, тем она менее стойкая к ЭСР; испытания на безотказность в течение 500 ч снижают стойкость ИС к ЭСР, и, наоборот, воздействие ЭСР влияет на увеличение выходного напряжения низкого уровня при испытаниях на безотказность. Наибольший рост выходного напряжения низкого уровня в процессе испытаний на безотказность наблюдается при воздействии на схемы ЭСР отрицательной полярностью; при увеличении количества воздействий ЭСР значение КНП ИС увеличивается.

2. Эксперименты на примере ИС типа КР561ТМ2 показали, что воздействие ЭСР на КМОП ИС ухудшает динамические параметрыв схем.

3. На основе разработанного расчета термических эффектов, возникающих при воздействии ЭСР на металлизацию ИС, получены значения токов плавления и опасных потенциалов для алюминиевых и медных дорожек.

4. На основе экспериментов по влиянию ЭСР на КНП КМОП ИС типа КР537РУ13 разработан способ разделения интегральных схем по надежности. На данный способ подана заявка на изобретение.

5. На основе экспериментов на ИС типа K155JIP1 разработан способ определения потенциально ненадежных цифровых интегральных схем. На данный способ получено решение о выдаче патента на изобретение от 22.03.05 г. по заявке 2004111969/28(012756).

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Шишкин, Игорь Алексеевич, 2005 год

1. Горлов М. И. Андреев А. В., Воронцов И. В. Воздействие электростатических зарядов на изделия полупроводниковой электроники и радиоэлектронную аппаратуру // Воронеж: ВГТУ, 1997. -160 с.

2. Microelectronics Manufacturing and Testing-1982.-V.5.No.l3.-P.14-15.

3. Kohlhaas P. Controlling potential static charge problem //Electr. Packag and Prod.-1977-No.l. P.71-73.

4. Lyman J., Rosenblatt A. Special report the drive for quality and reli-abiliti, part I // Electronics.-1981.-No. 10. P.125-126.

5. Обеспечение качества микроэлектронных устройств // Обзор по материалам зарубежной печати Радиоэлектроника.-1983. - С. 1-32.

6. Горлов М. И., Корчевский В. В., Тряпша Д. В. Воздействие электростатических зарядов на КМОП микросхемы серии К561 // Тез. докл. седьмой науч.-отр. конф. «Состояние и пути повышения надежности видеомагнитофонов». Воронеж, 1993. - С. 33-34.

7. Горлов М. И., Ануфриев JI. П., Строгонов А. В. Отбраковочные технологические испытания как средство повышения надежности партий ИС //Инженерная микроэлектроника. 2001. № 5. С. 22-26.

8. Хорват Т. И. Берта. Нейтрализация статического электричества. Пер. с англ. // М.: Энергоатомиздат, 1987. 104 с.

9. Hatfield P. A. Electronic Packaging and Production, 1984. №2. P. 6173.

10. Джоветт Ч. E. Статическое электричество в электронике. Пер. с англ. // М.: Энергия, 1980. 135с.

11. Welsher Т. L., Blondin Т. J. etc. Design for electrostatic (ESD) protection in telecommunication products // Technical Journal - 1990-v. 69. No3.-P.77-96.

12. Berbeco G. R. Static protection in electronics manufacturing // Electronic Packaging and Production -1980.-v.20.No7. P. 148-157.

13. Электроника, 1986. №3. // С. 13-14.

14. Nailen R. L. Static charges dinamic damage // Electrical apparatus-1986-Nol2 — P.26-27

15. ГОСТ 28002-88. Аппаратура радиоэлектронная бытовая. Общие требования по защите от электростатических разрядов и методы испытаний.

16. Tabata Y. Electrostatic hazard and recent preventive techniques // Technocrat. 1985. N2. P. 10-16.

17. Manzoni M. Electrostatic discharge protection in linear IC's // JEEE Transaction on Consumer Electronics. 1985. No.3. P. 601-607.

18. Maier W. Die Verarbeitung von electrostatisch empfindlichen Bauelemrnten // Electronic 1979. №ч. 22. S. 57-60.

19. Avery L. R. Electrostatic discharge: mechanism, protection techniques and effects on integrated circuit reliability // RCA Rev.,-1984-No.2. P. 291-302.

20. Трошева Г. Д. Защита полупроводниковых приборов и интегральных схем от статического электричества. // Обзоры по электронной технике. Сер.2. Полупроводниковые приборы, 1980. Вып. 4 (712). - 45 с.

21. Unger В. A. Electrostatic failure in semiconductors И European Semiconductor Production Electrostatics. 1982. No.4. P. 22-28.

22. Avery L. R. ESD and its effects on integrated circuit reliability // New Electronics. 1985. No4. P. 151-155.

23. Greason W. D., Castbe G. S. P. The effects of electronics discharge on microelectronic devices a review // IEEE Trans. Ind. Appl. 1984. V. 20. No.2. -P. 247-252.

24. Pancholy R. K. Gate protection for CMOS/SOS // 15-th Annual Proc. Reliability Physics. 1977.-P. 132-137.

25. Blanks H. S. Electronics reliability: astate of- the — art survey // Microelectronic Reliability - 1980 - V. 20 - No.3. - P. 219-245.

26. Minear R. L., Dodson G. A. Effects of electrostatic discharge on linear bipolar integrated circuits // 15-th Annual Proc. Reliability Physics. 1977. - P. 138-143.

27. Buvry E. Les decharges electrostatiques: une cause importante de degrades circuits integre // RGE-1987-N.2.-P. 14-18.

28. Павленко Л. С., Понаровкин Е. М., Константинова Н. К. Электрические перегрузки причина отказов сварных соединений // Электронная ' техника. Сер. 8. 1977. Вып. 7. - С. 75-79.

29. Walker R. С., Rickers Y. С. Semiconductor electrostatic discarge damage protection // SAE preprints- 1977.-No.770228. P. 1-12.

30. Кизема И. Г., Кизема И. Г., Гаврилюк И. И. Об устойчивости МДП ИС к воздействию статического электричества // Электронная техника. Сер.8, 1973. Вып 3. - С. 70-72.

31. Норвейт Л. М., Норвейт Л. М., Лабецкая Н. А., Рыбалов О. Я. Воздействие зарядов статического электричества на микросхемы // Электронная техника. Сер.8, 1978. Вып 3. - С. 133 -139.

32. Gallace L. J., Pujol Н. L. The evolution of CMOS, static charge protection net works and failure mechanism associated with overstress condition as related to device life // 15 15-th annual Proc. Reliability Physics - 1977. - P. 149 -156.

33. Amerasekera E. A., Campbell D. S. An investigation of the nature and mechanism of ESD damage in NMOS transistor // Solid State Electronics. 1989. V.32.No.3.-P. 199-206.

34. Davies D. K. Les bases des problemes electrostatiques en electronique // Rev. General De L'Electicite-1987-N2. P. 3-13.

35. Brightman St., Holland J. Silicongate CMOS combats electrostatic discharge and latch up failures - Electron. // Des.-1986-V. 34-No.6. - P. 137-141.

36. Колеснева С. H., Таборов В. Н., Шелег Ю. П. О надёжности микросхем серии К1500 // Электронная техника.-Сер.8-1989-Вып.4 С. 3-5.

37. Горлов М. И. Воздействие электростатических зарядов на полупроводниковые приборы и интегральные схемы в технологии, при испытаниях и эксплуатации // Обзоры по электронной технике; Сер.З. Микроэлектроника, 1988. Вып. 2. - 45с.

38. Worker R. С. ESD Control: problems and Solution in the real world // Microcontamination.-1983/84.-No.4. P. 14-15.

39. Welsher T. L., Blondin T. J. etc. Design for electrostatic (ESD) protection in telecommunication products // Technical Journal - 1990-v. 69. No3.-P.77-96.

40. OCT 11 073. 062-2001. Микросхемы интегральные и приборы полупроводниковые. Требования и методы защиты от статического электричества при разработке, производстве и применении.

41. Urbieta A., Fenech A. Les circuits a tres grande integration:comment lo-caliser les defuats provoques par ees docharges electrostatiques// Rev. General De L'Electricite 1987 - No. 2. - P. 29 - 33.

42. Горлов M. И., Литвиненко Д. А. Отжиг электростатических дефектов полупроводниковых изделий // Элементы и устройства микроэлектронной аппаратуры: Межв. сбор. Науч. труд., Воронеж, 2001, - С. 89-95.

43. Горлов М. И., Королев С. Ю. Физические основы надежности интегральных микросхем. // Воронеж: ВГУ. 1995. — 200 с.

44. Горлов М. И., Воронцов И. В. Отжиг электростатических дефектов в полупроводниковых приборах // Матер, докл. науч. техн. сем. «Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах». М. 1997. С. 320 -323.

45. Горлов М. И., Воронцов И. В., Андреев А. В. Влияние электростатических разрядов на полупроводниковые приборы и последующий отжиг электростатических дефектов // Измерительная техника. 1998. №7. С. 45-46.

46. Горлов М. И., Литвиненко Д. А. Отжиг радиационных и электростатических дефектов полупроводниковых изделий // Микроэлектроника. 2002, №5.-С. 350-360.

47. Горлов М. И., Андреев А. В. Отжиг электростатических дефектов // Известия ВУЗов. Электроника. 2001. № 2. С. 35 -38.

48. Горлов М. И., Воронцов И. В., Литвиненко Д. А. Испытания ИС, содержащие воздействие электростатических разрядов // Твердотельная электроника и микроэлектроника: Межвуз. сб. науч. тр. Воронеж. 1997. С. 35 42.

49. Патент РФ 2146827 RU, Cl, 7G 01R 31/26, Н OIL 21/26. Способ отбраковки интегральных схем / М. И. Горлов, А. В. Андреев (РФ); Заяв. 19.03.98. Опубл. 20.03.2000. Бюл. № 8.

50. Горлов М. И., Андреев А. В. Метод разбраковки интегральных схем по стойкости к электростатическим разрядам // Матер, докл. науч.-техн. сем. «Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах». М. 1999. С. 346 - 349

51. Горлов М. И., Емельянов В. А., Адамян А. Г. Диагностические методы контроля качества и прогнозирующей оценки надежности полупроводниковых изделий. // Мн.: Белорусская наука. 2003. — 96 с.

52. Горлов. М. И., Каехтин А. А., Адамян А. Г. Оценка надежности ППИ с использованием дестабилизирующих факторов // Петербургский журнал электроники. 2001. № 1. С. 33 -39.

53. Горлов М. И., Ануфриеев Л. П., Каехтин А. А., Шишкин И. А. Влияние внешних воздействующих факторов на'стойкость к ЭСР КМОП ИС типа КР537РУ13 // Твёрдотельная электроника и микроэлектроника: Сб. статей» Воронеж: ВГТУ, 2001.-С. 192-196.

54. Горлов М. И., Каехтин А. А., Шишкин И. А. Влияние различных дестабилизирующих факторов и электрического разряда на стойкость ИС типа КР537РУ13 // Современные проблемы радиоэлектроники: Сб. статей, -Воронеж: ВГТУ, 2001. С. 21-25.

55. Горлов М. И., Каехтин А. А., Пахомова Е. А. Влияние электростатических разрядов на интегральные схемы типа K561JIH2 // Матер, докл. межд. науч.-техн. семин. «Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах». М. 2000. С. 340-342.

56. Петров Б. К., Горлов М. И., Смирнов Д. Ю. Расчет термических эффектов при воздействии ЭСР на биполярные транзисторы // Сб. докл. 10 межд. науч.-техн. конф. «Радиолокация, навигация, связь» Воронеж. 2004. т.1.-С. 605-671.

57. Горлов М. И., Королев С. Ю., Кулаков А. В., Строганов А. В. Расчет надежности интегральных схем по конструктивно-технологическим данным. // Воронеж, ВГУ, 1996. 79 с.

58. Кэй Дж., Дэби Т. Таблицы физических и химических постоянных. Пер. с англ. — М.: Физ.-мат. литература, 1962. 246 с.

59. Карслоу Г., Егер Д. Теплопроводность твердых тел. Пер. с англ. // М.: Наука, 1964.-487 с.

60. Вольдман С. Громоотводы для наноэлектроники // В мире науки. 2003. №2,-С. 61-67.

61. Шишкин И. А. Влияние электростатических разрядов на критическое напряжение питания ИС типа КР537РУ13. Электроника и информатика: // Сб. тез. докл. конф. Зеленоград, 2002. 41. - С 140-141.

62. Горлов М. И., Шишкин И. А. Зависимость критического напряжения питания интегральных схем типа КР537РУ13 от воздействия электростатических разрядов. // Тез. докл. 9 межд. науч.-техн. конф. студ. и асп. М. МЭИ. 2003. т.1. С. 228-229.

63. Горлов М. И., Ануфриев Л. П., Шишкин И. А. Результаты воздействия ЭСР на критическое напряжение питания ИС типа КР 537. // Сб. докл. межд. науч. техн. семинара «Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах», М 2003 г. С. 157-159.

64. Горлов М. И, Рубцевич И. И., Шишкин И. А. Общие закономерности по влиянию электростатических разрядов на полупроводниковые изделия с МОП-структурой. // Известия белорусской инженерной академии № 2(18)/2, 2004. С. 89-91.

65. Аладинский В. К., Гаврилов В. Ю., Горелкина Е. Н. Критическое питающее напряжение как информативный параметр при электрофизическом диагностировании КМОП ИС. // Электронная техника. 1990. Сер. 2. Вып. 4. -С. 87-90.

66. Патент РФ №2226698. Опубл. 10.04.004. Бюл. №10.

67. Кураченко С. С., Прохоренко В. А., Воинов В. В: Новый метод диагностирования ИС // Электронная промышленность. 1990. № 6. С. 71-72.

68. Патент2046365RU, Cl, G 01 R 31/26. Опубл. 20.10.95. Бюл. № 29.