СПОСОБ ОТБРАКОВКИ КМОП МИКРОСХЕМ, ИЗГОТОВЛЕННЫХ НА КНД СТРУКТУРАХ, ПО СТОЙКОСТИ К РАДИАЦИОННОМУ ВОЗДЕЙСТВИЮ
METHOD TO REJECT CMOS MICROCHIPS MANUFACTURED ON SILICON-ON-INSULATOR STRUCTURES, BY RESISTANCE TO RADIATION EXPOSURE

Изобретение относится к области электронной техники, в частности предназначено для отбраковки КМОП микросхем, изготовленных на КНД (кремний на диэлектрике) структурах, по радиационной стойкости.
Известен способ отбора радиационностойких изделий электронной техники [1], включающий облучение партии изделий сравнительно небольшой дозой гамма-квантов или электронов с последующим отбором и исключением из партии приборов с наибольшими изменениями параметров. Возможно также облучение полной дозой, эквивалентной ожидаемой поглощенной дозе радиации в реальных условиях эксплуатации, и восстановление начальных параметров после облучения с помощью отжига при повышенной температуре.
Недостатком этого способа в части разделения изделий по изменению параметров при облучении малой дозой является невозможность определения дозы отказа, так как отсутствует критерий отказа, а в части облучения изделий до отказа - необходимость длительного воздействия на микросхему повышенной температурой, а также невозможность полного восстановления параметров при проведении длительного низкотемпературного отжига до первоначальных значений параметров изделий из-за накопления радиационных дефектов при облучении большой дозой, при которой возник отказ. Кроме того, облучение полной дозой, эквивалентной ожидаемой поглощенной дозе радиации в реальных условиях эксплуатации, при больших значениях этой дозы, приводит к необратимым изменениям в параметрах микросхемы.
Наиболее близким аналогом-прототипом изобретения является способ разбраковки КМОП микросхем, изготовленных на КНД структурах, по стойкости к радиационному воздействию, разбраковка в котором происходит путем поэтапного облучения микросхем малой дозой, в качестве критериального параметра, определяющего радиационную стойкость микросхем, выбирают статический ток потребления, а для восстановления исходных параметров микросхем проводят их дополнительное облучение при заземленных выводах - «радиационный отжиг» [2].
Этот способ имеет следующие недостатки:
- Схемы включения микросхем при наборе дозы и при измерении статического тока потребления отличаются, вследствие этого необходимо периодически прерывать набор дозы, переключать микросхему в режим измерения тока потребления. Процесс переключения и измерения тока потребления занимает время, составляющее порядка 30% от общего времени отбраковки, что является существенной величиной при производстве микросхем, поскольку операция радиационной отбраковки (РО) не является групповой, а проводится индивидуально для каждой микросхемы.
- Облучение малой дозой предполагает облучение дозой порядка 200-250 крад, при требуемой в соответствии с техническими условиями дозе порядка 1 Мрад. С учетом дозы отжига порядка 40 крад, суммарная дозовая нагрузка микросхемы составляет около 250-300 крад. Чем выше дозовая нагрузка микросхем, тем меньше их гарантированный срок службы [3]. Кроме того, процесс набора дозы, так же как измерение параметров микросхем, приводит к увеличению времени проведения операции РО в целом, пропорционально набранной дозе.
Технический результат заключается в том, что предложенный способ позволяет уменьшить дозовую нагрузку на микросхему и сократить время проведения радиационной отбраковки за счет уменьшения дозы облучения, а также сокращения до одного этапа облучения с измерением параметров микросхемы.
Технический результат достигается тем, что в заявляемом способе отбраковки КМОП микросхем, изготовленных на КНД структурах, по стойкости к радиационному воздействию, отбраковка осуществляется путем облучения малой выборки микросхем из производственной партии до дозы, соответствующей максимуму тока потребления или до дозы, требуемой по техническим условиям на микросхему, с целью определения тестовой дозы, нахождения коэффициента приращения тока потребления микросхемы, проверки выполнения критерия нормальности распределения коэффициента приращения тока внутри малой выборки, определения наихудшего значения коэффициента приращения тока потребления, облучение за один этап всех микросхем производственной партии тестовой дозой и экстраполяция дозовой зависимости тока потребления путем домножения на полученное значение коэффициента приращения тока потребления, после чего проводится отбраковка по критерию рассчитанного тока потребления, а также производится восстановление исходных параметров микросхем путем их дополнительного облучения при заземленных выводах.
На чертеже (а, б) показаны наиболее характерные зависимости статического тока потребления КМОП КНД микросхем при дозовом воздействии. Резкий рост статического тока потребления для микросхем на КНД структурах наблюдается до дозы 100-300 тыс. рад, при больших значениях поглощенной дозы происходит стабилизация значения и в некоторых случаях уменьшение [4]. Зависимость тока потребления может изменяться для различных типов микросхем и от партии к партии, но в пределах одной партии характер роста тока потребления всех микросхем аналогичен. Объем производственной партии микросхем составляет, как правило, несколько сотен или тысяч штук.
Это позволило на первом этапе провести облучение малой выборки микросхем из производственной партии (порядка 5-7 шт.) до дозы, соответствующей максимуму тока потребления или до дозы, требуемой по техническим условиям на микросхему, с целью проведения статистического анализа радиационного поведения испытанной выборки и обоснования тестовой дозы. После этого находится 95%-ный квантиль коэффициента приращения тока потребления микросхемы [5]. При этом необходимо проверить выполнение критерия нормальности (Шапиро-Уилка) распределения коэффициента приращения тока внутри выборки. Таким образом, определяется наихудшее значение коэффициента приращения тока потребления. Затем все микросхемы партии облучаются малой дозой (порядка 30-40 крад) и экстраполируется дозовая зависимость тока путем домножения на полученное значение коэффициента приращения тока, после чего проводится отбраковка по критерию рассчитанного тока потребления и радиационный отжиг годных изделий.
Заявляемый способ реализован следующим образом.
Была доработана установка зондовая ЭМ-6110 таким образом, что вместо микроскопной насадки возможна установка рентгеновского излучателя направленного действия, а измерение параметров микросхем осуществляется с помощью тестера «Формула-2К». С помощью тестера также управляется установка зондовая и рентгеновский излучатель посредством специально разработанных коммутационной платы и программного обеспечения. После того как с помощью микроскопной насадки произведено контактирование на первую микросхему на пластине, насадка убирается, а вместо нее устанавливается рентгеновский излучатель. Затем осуществляется измерение микросхем и радиационная отбраковка по алгоритму, представленному выше (выбор контрольной партии микросхем, определение тестовой дозы, отбраковка всей производственной партии тестовой дозой с экстраполяцией дозовой зависимости тока потребления и отбраковкой стойких микросхем). Негодные микросхемы маркируются.
В памяти тестера автоматически сохраняются данные с присвоенными номерами микросхем и отметками об их годности и стойкости. При последующей резке пластин на отдельные чипы годные и радиационно-стойкие микросхемы отправляются на сборку, а забракованные по функциональным, параметрическим или стойкостным характеристикам помещаются в изолятор брака.
Таким образом, микросхемы, не отвечающие требованиям по радиационной стойкости, не поставляются на сборку, а отбраковываются на стадии изготовления пластин. Это позволяет получать существенную экономию на корпусах и материалах для сборки, зависящую от процента выхода радиационно-стойких микросхем, а также сократить трудозатраты на операции сборки заведомо нестойких микросхем. Сокращение дозовой нагрузки микросхем в процессе отбраковки до 70-80 крад (с учетом радиационного отжига) вместо 250-300 крад, имеющих место в прототипе, и исключение операций измерения параметров микросхем на промежуточных этапах набора дозы повышает гарантированный срок службы микросхем и существенно (в 4-6 раз) сокращает время проведения операции радиационной отбраковки производственной партии пластин.
Существенным достоинством данного способа РО является также возможность проведения радиационной отбраковки микросхем, изготавливаемых в корпусном исполнении, на рентгеновском оборудовании. Суть этой возможности заключается в том, что поскольку корпуса микросхем непрозрачны для рентгеновского излучения, в качестве оборудования для проведения радиационной отбраковки корпусных микросхем необходимо использовать установки гамма-излучения, что нежелательно с точки зрения экологии и безопасности работы для обслуживающего персонала. Кроме того, установки гамма-излучения являются более сложными в обслуживании и более дорогостоящими в эксплуатации [6]. Таким образом, проведение радиационной отбраковки микросхем на пластинах, до операций резки и сборки, позволяют исключить необходимость использования установок гамма-излучения.
Литература
1. Чернышев А.А., Ведерников В.В., Галеев А.И., Горюнов Н.Н. Радиационная отбраковка полупроводниковых приборов и интегральных схем. - Зарубежная электронная техника. 1979. Вып.5. С.3-25.
2. Способ разбраковки КМОП микросхем, изготовленных на КНД структурах, по стойкости к радиационному воздействию // А.Ю.Седаков, И.Б.Яшанин, А.В.Скобелев, А.В.Согоян, А.Ю.Никифоров, Г.Г.Давыдов, В.А.Телец // Заявка на изобретение, приоритет №2007146805 от 17.12.2007 г.
3. А.Н.Качемцев, В.К.Киселев, И.В.Пятирикова, В.Д.Скупов Релаксационные процессы в твердотельных полупроводниковых приборах при воздействии импульсного ионизирующего излучения // Сборник докладов VIII Межотраслевой конференции по радиационной стойкости, г.Саров, 16-19 октября 2007 г., С.6-7.
4. Калашников О.А., Никифоров А.Ю., Малюгин С.Л. и др. Обзор результатов экспериментальных исследований радиационной стойкости КНС микросхем производства НИИИС // «Радиационная стойкость электронных систем - Стойкость-2003». - М.: МИФИ-СПЭЛС, 2003. Вып.6. С.53-56.
5. Богданов Ю.И., Руднев А.В. Основы прикладной статистики, уч. пособие. - М.: МГИЭТ (ТУ). - 2001. - 113 с.
6. Установка для испытаний на радиационную стойкость / Никифоров А.Ю., Скоробогатов П.К., Чумаков А.И. и др. // 3аявка №97101232. Приоритет от 23.01.97. Патент РФ №2128349 от 27.04.99.