Исследование влияния конструктивно-технологических параметров на надежность системы резистивных перемычек

Общие тенденции современного комплексного развития техники и технологии — миниатюризация и интеллектуализация достаточно четко проявляются в микроэлектромеханических системах (МЭМС). В основе этого процесса — реализация тенденций в основных компонентах этой системысенсорных, информационно-управляющих и исполнительных (силовых) и их сближение на базе развития общих трехмерных (ЗО) микросистемных технологий. Эти тенденции порождены потребностями основных отраслей машино — и приборостроения, открывая возможности создания наукоемких приборов и устройств нового поколения, в том числе и на существующих элементной базе и технологиях [1,2].

По мнению ученых [3,4,5,6], в настоящее время в России и в мировом научном сообществе имеются все необходимые предпосылки для достижения быстрого успеха в области разработки и производства МЭМС различного функционального назначения. Технологическая поддержка основывается на базовых технологических процессах, традиционно применяемых в микроэлектронике и приборостроении, а развитие этого научно-технического направления позволит решить проблему загрузки простаивающих в настоящее время предприятий электронной промышленности, большинство которых имеет достаточный набор технологического оборудования отечественного производства, вполне пригодного для создания МЭМС [6,7]. В своих работах такие исследователи, как Распопов В. Я., Мальцев П. П., Козлов В. В., Лучинин В. В., Лурье М. С., и др. отмечают, что при этом «не требуется вести пионерские работы» [8,9,10]" а необходимо оптимально использовать имеющийся задел в различных областях науки и техники, включая и микроэлектронные технологии.

Возможность изготовления электромеханических и микроэлектронных компонентов на одной подложке в приборных устройствах открывает перспективу создания систем с более высокой функциональностью. Микронные размеры элементов МЭМС обусловливают использование для их изготовления модифицированных базовых технологических операций, традиционно применяемых в микроэлектронике.

С учетом вышесказанного, особенностью технологий МЭМС является необходимость формирования на единой подложке информационно-управляющих и исполнительных (силовых) механизмов МЭМС. Достоинствами такого технологического процесса являются [11,12]:

— обеспечение высокой точности изготовления;

— параллельное (групповое) изготовление большего количества одинаковых устройств, обеспечивающее низкую стоимость единичного изделия;

— однотипное и одновременное изготовление механических и электронных элементов и устройств со сложной комплексной структурой.

На основе анализа проводимых работ в этом направлении можно обобщить стимулы и факторы, способствующие развитию МЭМС в России и выделить важнейшие [13]:

— наличие научной и технологической культуры, сформировавшейся в период становления и развития микрои оптоэлектроники;

— наличие базового оборудования, производственных мощностей и организационной инфраструктуры микроэлектронного производства, пригодных для реализации на них объектов микросистемной техники;

— тенденции к активизации рынка в области миниатюрных недорогих диагностических систем обеспечения жизнедеятельности человека на основе концепции экономической целесообразности массовой профилактики заболеваний;

— формирование рынка оборудования для технологий на микроуровне (аналогичных микроэлектронным) за счет широкого развития биотехнологии и ужесточения требований к работе с радиоактивными, токсичными, взрывоопасными веществами, что определяет переход на использование сверхмалых количеств веществ в ограниченных объемах.

Технология производства приборов как микроэлектромеханических систем базируется на принципах и методах изготовления чипов в толще кремниевой подложки, но затем часть кремния вытравливается, чтобы освободить движущиеся части. Благодаря встроенной электронной части МЭМС может самостоятельно управлять своей работой на основании данных от сенсорных систем.

В настоящее время плавкие резистивные перемычки и их системы используются для фиксирования и хранения информации (символы, константы, знаки, микрокоманды и микропрограмм) в так называемой постоянной памяти. Основными достоинствами системы перемычек являются высокое быстродействие, технологичность, высокая радиационная стойкость, и при достижении требуемой надежности она является перспективным элементом в качестве информационно-управляющего приборного компонента МЭМС. Проблема повышения надежности возникает вследствие того, что плавкая перемычка в процессе эксплуатации способна отказать, т. е. может произойти неверное считывание зафиксированной информации. Информация в системе перемычек зафиксирована в виде комбинаций логических «О» и «1» и технологическое программирование означает выборочное разрушение перемычки по заданному алгоритму.

Анализ технологического процесса изготовления многослойной кремниевой подложки с системой плавких резистивных перемычек из нихрома показывает, что эта технология с некоторыми изменениями может быть использована в производстве МЭМС. Нихром, имеющий состав 80% М и 20% Сг, является традиционным хорошо отработанным резистивным материалом, использованным и онробированным наряду с перемычками из силицида платины, поликристаллического кремния, титана вольфрама. Па основе практического опыта [13,14,15] изготовители остановили свой выбор на нихроме в качестве элемента фиксации и хранения информации. Элементы фиксации и хранения информации — система плавких перемычек осаждаются на поверхность кремниевого кристалла с защитным слоем из двуокиси кремния, имеют коммутирующие выводы (шины) из алюминия. Вся многослойная структура покрыта диэлектрическим окисным слоем.

Изготовление составляющих многослойной структуры производится при высоких температурах осаждением из газовой среды, а это значит, что они сопровождаются термодинамическими и термохимическими изменениями в структуре. Так, на стадии изготовления элементов управления процессом фиксации и считывания информации в системе перемычек в толще кремния возникают дефекты кристаллической решетки, дефекты наращиваемых слоев, что является в незначительной степени причиной возникновения отказов, обычно выявляемых на входном контроле или в процессе ускоренных испытаний. На стадии окисления кремния и создания диэлектрического защитного слоя основной задачей является формирование однородного слоя одинаковой толщины по всей поверхности кремниевого кристалла, без пор, которые могут явиться причиной возникновения отказов из-за пробоя диэлектрика.

В работе подробно рассмотрен процесс формирования перемычек определенной конструкции, создаваемой с помощью фотошаблонов с последовательным наращиванием и удалением фоторезиста. Надежность всей системы перемычек, несомненно, закладывается на стадии их изготовления. Это может быть связано «с несоответствием вещественного состава напыляемого нихромового сплава из испарителя и самой перемычки, загрязнением напыляемого потока веществом испарителя, неравномерностью толщины перемычки, неплоскостностью фотошаблона, что влияет на конфигурацию перемычки. С учетом перечисленных составляющих выбран метод оценки надежности, объединяемый единством технологии, позволяющий обеспечить допустимую достоверность при прогнозе надежности системы.

Полный цикл технологического программирования системы перемычек включает входной контроль, фиксацию информации по заданному алгоритму, ускоренные испытания (термовьтдержки, электротермотренировка) и выходной контроль. Отказы, выявляемые на этапе технологического программирования, не влияют на надежностные характеристики устройств с системой перемычек в процессе их эксплуатации. Однако, на основе анализа процесса технологического программирования можно прогнозировать надежность фиксации информации, которая зависит от количества электрических импульсов для фиксации информации (от 1 до 16 импульсов).

Экспериментальные исследования конфигурации перемычек на препарированных образцах кремниевых кристаллов позволили выявить разброс ширины перемычек в области локального тепловыделения. Результаты измерений и статистической обработки скоррелированы относительно результатов технологического программирования, т. е. чем больше ширина зауженного участка перемычки, тем большим количеством импульсов она программируется. Это теоретически обосновывается зависимостью электрического сопротивления области локального тепловыделения от ширины плавких перемычек.

Особенности конструкции с принятыми допущениями учитываются при расчете температурных полей. Градиентное поле температур по длине перемычки, возникающее при технологическом программировании и способствующее теплоотводу, в некоторой степени является следствием постепенного разогрева «шейки» перемычки из-за увеличения ширины. И, как результат, в зависимости от геометрических размеров возможны следующие механизмы разрушения: оплавление и механический разрыв перемычки, термохимическое взаимодействие нихрома и двуокиси кремния с образованием непроводящих соединений, наконец — мгновенный микровзрыв с выносом массы вещества из области разогрева.

Для всестороннего анализа факторов, влияющих на надежность функционирования системы перемычек, целесообразно исследовать конструкции кремниевых кристаллов, расположенных на одной подложке с механическим объектом, представленных как произвольно расположенные источники тепла. С учетом взаимного влияния разноудаленных источников тепла определены перегрев корпусов системы перемычек, потребляемые токи и выход системы в стационарный режим. Традиционным способом охлаждения корпусов кремниевых кристаллов является использование радиаторов из алюминия или фольгированного стеклотекстолита.

Потребляемая мощность системы перемычек связана, прежде всего, с переключением режимов считывания для всего набора перемычек на подложке. Предложенный в настоящей работе режим динамического питания при эксплуатации ставит целью снижение потребляемой мощности уменьшение температуры нагрева объекта. При динамическом питании импульс, формируемый и действующий в паузах между обращениями к информационному полю системы перемычек, выводит всю эту. систему в стационарный режим за более короткое время, уменьшая тем самым потребляемую мощность. г.

Исследование надежностных характеристик кристаллов с системой перемычек проведено с использованием метода весовых коэффициентов каждой составляющей кристалла относительно слабонагруженного узлаформирователя адресов перемычек. В результате проведенных исследований установлено, что интенсивность отказов увеличивается пропорционально росту степени интеграции кристалла. В работе предложено использовать блок контрольных разрядов и блока коррекции ошибок .

Проведенный комплекс исследований позволил сформулировать рекомендации по повышению надежности системы перемычек: путем изменения конфигурации перемычек, повышением эффективного значения программирующего напряжения, применением импульсного питания, оптимизацией алгоритма программирования.

Основные результаты диссертационной работы сводятся к следующему:

1. Выполнены экспериментально-статистические исследования отказов большой выборки 300 шт.) устройств на кремниевых кристаллах, содержащих плавкие резистивные перемычки, в результате которых выявлены и дифференцированы виды отказов устройств на стадиях программирования и испытаний, имитирующих условия их эксплуатации. Установлено, что: а) при технологическом программировании перемычек возможны отказы типа непрограммируемость и самопроизвольное программирование невыбранной перемычкиб) на стадии испытаний — восстановление исходного состояния и случайное программирование при опросе системы перемычек. Количественные соотношения между отказами различного типа зависят от режимов программирования и микрогеометрии плавких перемычек (состояния технологии на данном предприятии). Характерным видом отказов устройств, элемент фиксации информации которой выполнен из нихромовой перемычки, приводящим к катастрофическим последствиям является отказ типа «восстановление» перемычки.

2. Разработана методика анализа системы отказов кремниевых кристаллов с плавкими перемычками. Проведены микроскопические и микроструктурные исследования поверхности кристалла, электрические и тепловые исследования в условиях функционирования микроустройства. Совокупность этих исследований позволяет идентифицировать характер зоны разрушения нихромового микроэлемента с внешними возмущающими факторами.

3. Выполненные теоретические и экспериментальные исследования механизмов разрушения позволили установить, что разрушение нихромовой перемычки может происходить путем микровзрыва. Предложена физическая модель механизма занесения информации в плавкий элемент посредством микровзрыва, обеспечивающий высокую надежность программирования и хранения внесенной информации.

4. Выполнены теоретические и экспериментальные исследования механизма технологического программирования системы плавких резистивных перемычек путем термохимического взаимодействия компонентов М, Сг, 5/ и Ог в условиях термомеханических напряжений. Показано, что этот механизм программирования перемычек может привести к отказу типа «восстановление», что связано с переходом образовавшегося соединения из высокоомного состояния в низкоомное.

5. Отказ типа «восстановление» может наблюдаться при технологическом программировании системы плавких перемычек путем оплавления, если в зоне разрушения пленки сохраняются компоненты оплавленного металла. При воздействии на такой элемент напряжением считывания возникают сильные электрические поля (-3−104 В/см), которые вызывают миграцию частиц с образованием электропроводящих мостиков.

6. Проведены теплофизические исследования двух конструкций кремниевых кристаллов с плавкими перемычками. Определено, что максимальный перегрев корпусов кристаллов составляет ~ 53 °C при нормальной температуре окружающей среды. Изучена зависимость параметров теплоотводящих элементов кристаллов от температуры окружающей среды и показано, что при температуре окружающей среда tc ~ 56 °C необходимо применение радиаторов микроустройств. В качестве критерия оценки теплофизических свойств корпуса микроустройства введено понятие коэффициента перепада температур и установлены его значения для двух типов, которые являются типовыми для всех подобных микроустройст: «',=0,56и 1'2=0,67. Разработан пакет прикладных программ, обеспечивающий моделирование и расчет температурных полей конструкций микроустройств на этапе проектирования.

7. Проведена оценка надежности микроустройств с плавкими перемычками, прошедших различные этапы процесса технологического программирования и выработаны рекомендации повышения их надежности. Показано, что «слабейшим» звеном такого микроустройства является плавкая резистивная перемычка, имеющая значение интенсивности отказов кцРц = 0,13−10″ 8 ч" 1.

8. По результатам выполненных исследований сформулированы конкретные рекомендации, обеспечившее повышение надежности кремниевых кристаллов с плавкими перемычками: предложена конструкция плавкой резистивной перемычки, содержащая две части, что вызывает распределение программирующего тока и последовательное разрушение их путем микровзрывапредложена структура устройства фиксации информации, в состав которой введен формирователь импульсного питания, обеспечивающий снижение перегрева температура микрокорпуса до 12 °C относительно температуры окружающей средыразработан технологический процесс программирования и установлены взаимосвязи между отдельными его операциями, что позволило повысить надежность запрограммированной системы перемычек, увеличить коэффициент программирования на ~ 13%.

9. Выполненные исследования и сформулированные рекомендации открывают направление работ по дальнейшему совершенствованию конструкций объектов микроэлектромеханических систем, использующих в качестве элемента фиксации и хранения информации, формирования микрокоманд для движителей, в частности, для микророботов. Предложенные системы из плавких перемычек являются высокотехнологичными и при относительно небольшом информационном объеме являются высоконадежными, обладающими высоко радиационной стойкостью с возможностью однократного технологического программирования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.