Компонентов соединения

Анализ отказов ИМС в аппаратуре показывает, что основными источниками отказов являются невыявленные нарушения технологического процесса изготовления ИМС. Доминирующими являются внезапные отказы. Для оценки Я, (t) требуются систематизация отказов и выделение в них компонентов ненадежности. При этом руководствуются, что компонентами ненадеокности могут быть составные части ИМС, которые:

Расчет надежности гибридных ИМС и МСБ на этапе их разработки в большинстве случаев основан на определении интенсивности отказов и последующем вычислении вероятности безотказной работы Р (t) за требуемый промежуток времени. Для расчета надежности гибридных ИМС в настоящее время применяют в основном статистические методы определения Я (/), которые базируются на предположении, что гибридная ИМС представляет собой функциональный узел из разнородных дискретных элементов, а отказ любого из них приводит к отказу ИМС. При этом функционально-надежностная схема состоит из последовательной цепочки компонентов ненадежности, которые работают одновременно, а их отказы являются случайными и независимыми событиями, т. е. для такой схемы справедлив экспоненциальный закон надежности. Следовательно, интенсивность отказов ИМС определяется простым суммированием интенсивностей отказов компонентов ненадежности.

В качестве компонентов ненадежности гибридных ИМС (МСБ) используют элементы и компоненты схемы, а также элементы конструкции ИМС ( 3.3), для которых изве-

зависимости интенсивности отказов отдельных компонентов ненадежности Я.,- от электрического режима и внешних условий:

1) по разработанной топологии и конструкции составляют функционально-надежностную схему и определяют количество однотипных компонентов ненадежности Л^имс. NT, #д, NR, Nc,Nnn, NKa, NH, jVco(W;

Поскольку в гибридных ИМС пленочные элементы формируются одновременно в определенном технологическом цикле, свойства материалов и физико-химические процессы, сопутствующие отказам, сильно коррелированы. В этом случае в эквивалентной схеме надежности целесообразно использовать в качестве компонентов ненадежности не отдельные пленочные элементы, а комплексы (группы) однотипных элементов, изготовляемых в одном технологическом цикле, а вместо Кк, Хс и других величин вводить удельные интенсивности отказов для единицы длины рези-стивной пленки с определенной шириной (ККо), единицы площади пленочных конденсаторов (^со). изолирующих областей для многослойных коммутационных плат гибридных БИС и МСБ (А,и0) и т. д. При этом интенсивности отказов групп однотипных элементов определяются выражениями

Статистический метод. В основу методики расчета надежности полупроводниковых ИМС на основе статистического метода положены те же допущения, что и при расчете гибридных ИМС. При этом учитывается, что резисторы и конденсаторы формируются на базе транзисторной структуры, т. е. с помощью прямых и обратно смещенных р-л-переходов. Поэтому интенсивность их отказов принимается такой же, что и у диодов. В качестве компонентов ненадежности полупроводниковых ИМС при данном расчете используют элементы структуры и конструкции ИМС ( 3.5): транзисторные / и диодные 2 р-л-переходы, внутрисхемные соединения 3 и выводы корпуса 4.

При расчете ЛЕ бескорпусных полупроводниковых ИМС выражение (3.27) упрощается, так как отсутствуют соединения с выводами корпуса и !\fa -=* 0. Рекомендуемые для расчетов средние статистические значения интенсивностей отказов компонентов ненадежности следующие: Ят = 1,0х

Физический метод. Данный метод учитывает не только количество компонентов ненадежности, но и качество разработанной топологии, количество технологических операций, режим работы и эксплуатационные воздействия.

Исходными данными для расчета надежности полупроводниковых ИМС физическим методом являются принципиальная электрическая схема, разработанная топология, маршрут технологического процесса и значения интенсивностей отказов компонентов ненадежности.

Поэтому в качестве компонентов ненадежности используют элементы структуры и конструкции полупроводниковой ИМС, значения интенсивностей отказов которых определяются выражениями:

летучих соединений, образуемых вне реактора или в зоне источника при взаимодействии одного из компонентов соединения с реагентом-транспортером (часто в этой роли выступает газообразный хлористый водород). Например, при эпитаксиаль-ном синтезе арсенида галлия галлий переносится к подложке в виде легколетучего субхлорида GaCl, который образуется в зоне источника при взаимодействии расплава галлия и транспортера НС1. Мышьяк поступает в зону осаждения в виде арсина AsH3. В хлоридном процессе эпитаксии кремния он поступает в зону осаждения в виде пара SiCl4, увлекаемого из внешнего источника потоком водорода, выполняющего функции и газа-носителя, и реагента-восстановителя.

Для синтеза тонких слоев химических соединений вблизи поверхности твердого тела иногда используют метод ионного внедрения одного из компонентов соединения с последующей кристаллизацией в процессе эпитаксиального отжига. Примерами служат образование слоя A1N на поверхности ос-А12О3 после имплантации азота или Si3N4 на поверхности Si. К настоящему времени эпитаксия в твердой фазе — наименее изученный процесс. Применение ее в технологии полупроводниковых приборов ограничено.

Сложные полупроводники делят па химические соединения, которые условно можно считать фазами постоянного состава (дальтонида-ми), и твердые растворы, являющиеся фазами переменного состава (бертоллидами). К первым относят двойные, тройные и содержащие большее число компонентов соединения. Их обозначают прописными буквами латинского алфавита с верхними и нижними индексами, на-.

Ко вторым относят твердые растворы между элементарными полупроводниками, например германием и кремнием (S^Ge,-*), или между двойными полупроводниковыми соединениями, например арсенидом и фосфидом галлия (GaAsi _*?*). В обоих случаях нижним индексом х обозначена мольная доля одного из компонентов соединения.

Полупроводниковые соединения, как говорилось выше, условно относят к фазам, имеющим постоянный состав. В действительности их состав переменный, ограниченный областью гомогенности. Внутри последней может находиться и стехиометрический состав, выражаемый формульным отношением компонентов соединения. Отклонение от сте-хиометрического состава чаще всего является результатом возникновения в кристалле соединения различных парных точечных дефектов структуры — вакансий по Шоттки (Ул и Vs), междоузельноги разупо-рядочения (At и В{) и антиструктурных дефектов (Ав и B.-ii*. Комбинирование этих дефектов приводит к образованию других типов дефектов структуры, из которых наиболее распространенны1: является парный дефект по Френкелю: VA + BI, или Vs + Ai. Так как энергия образования различных дефектов различна, то с термодинамических позиций образование соединения строго стехиометрического состава маловероятно.

Вследствие возникновения в кристалле соединения непарных дефектов структуры (вакансии по Шоттки, мсждоузельные атомы, антиструктурные дефекты) создается недостаток пли избыток компонентов соединения относительно количества, определяемого стехнметрическим отношением. В легированных соединениях отклонение состава от сте-хиометрического вызвано также замещением атомов компонентов соединения атомами легирующей примеси.

По признаку формы нахождения компонентов соединения в исходных веществах процессы синтеза можно разделить на две группы — прямые и косвенные ( 3.8, Л). В первой группе исходные вещества представляют собой находящиеся в том или ином агрегатном состоянии компоненты синтезируемого соединения в элементарной форме, во второй — химические соединения компонентов синтезируемого полупроводникового соединения.

за многих полупроводниковых соединений. Для неразлагающихся полупроводниковых соединений синтез проводят путем сплавления компонентов соединения в глубоком вакууме или атмосфере чистых газов, находящихся при низком, обычно атмосферном или ниже него давлении. Химическая реакция, протекающая в ходе такого процесса в расплаве, носит гомогенный характер (см. 3.8, В, 1; Г,3).

После этого включают механизм подъема тигля и медленно вводят его внутрь индуктора, мощность которого устанавливают таким образом, чтобы он обеспечивал нагрев верхней части тигля до температуры около 850 °С. При этом сначала расплавляют галлий, а затем флюс, покрывающий смесь компонентов соединения. При достижении температуры верхней части смеси мышьяка и галлия около 820 °С мышьяк плавится. В процессе образования, гомогенного расплава галлий — мышьяк, энтальпия смешения которого составляет около 1,82 кДж/моль, температура расплава повышается примерно на 250°С. В гомогенном расплаве начинает протекать реакция синтеза, сопровождающаяся выделением зна-

/ — вентиль; 2 — камера высокого давления (автоклав); 3 — высокочастотный индуктор; 4—флюс — оксид бора (III); 5 —кварцевый тигель; 6 — графитовая подставка тигля; 7 — смесь компонентов соединения галлия или индия и мышьяка ); 8 — шток; 9 — уплотнение; 10 — термопара

Достоинством метода синтеза сплавлением компонентов соединения являются простота аппаратурного оформления, высокая производительность и легкость совмещения операции синтеза с операциями выращивания монокристаллов из синтезируемого расплава методами направленной кристаллизации. Применение этого метода для синтеза разлагающихся полупроводниковых соединений требует в каждом отдельном случае подбора соответствующего флюса. Наиболее распространенным и практически единственным флюсом, применяемым в технологии полупроводниковых соединений, является оксид бора (III) В2Оз, размягчающийся при температурах около 600 °С. Поэтому синтез сплавлением исходных компонентов нашел применение пока только для получения арсенидов индия и галлия, летучий компонент которых (мышьяк) плавится при температуре свыше 800 °С.