Система контроля и анализа технических свойств интегральных элементов и устройств вычислительной техники по многоуровневой модели информативных параметров (13.12.2010)

Автор: Номоконова Наталья Николаевна

??????H??&?

2) каскада сравнения (компаратора) устройства контроля.

На высоких частотах (где (IN ( tOUT) критическим питающим напряжением Екр будем считать величину напряжения питания, при котором, вследствие запаздывания распространения сигнала, происходит такой по времени сдвиг выходных импульсов инвертора относительно входных, что каскад сравнения устройства контроля регистрирует сбой (рис.5,б).

Частотные характеристики Екр для ИЭУ КМОП технологии

Теоретическая оценка частотной зависимости запаса критического питающего напряжения (разность между номинальным напряжением питания и величиной Екр) ?Екр= Eном– Eкр приведена на рисунке 5,в.

В результате теоретического моделирования установлено, что чем меньше частота тестового сигнала, тем при более низких напряжениях питания КМОП инвертор оказывается работоспособным. Частотная зависимость ?Екр(F) будет иметь вид, представленный на рисунке 5,в.

В логарифмическом масштабе частот низкочастотная ветвь ЧХ будет иметь вид наклонной прямой (рис. 6). Абсолютная величина Екр на фиксированной частоте определяется пороговыми напряжениями МОП-транзисторов.

Рис. 6 Зависимость ЧХ Екр КМОП инвертора от сопротивления утечки Rут

Если ввести в модель утечки (рис. 4,а), как наиболее характерное проявление внутренних дефектов КМОП ИЭУ, то ЧХ в низкочастотной области будет уже иметь вид не наклонной, а горизонтальной прямой, уровень которой тем выше для Екр (рис. 6) и тем ниже для ?Екр (рис. 14), чем больше утечки. Теоретически показана высокая чувствительность Екр к этому дефекту: возможно обнаружение утечек величиной до 1 ГОм. Более того, если инвертор с утечками содержится внутри устройства и недоступен со стороны внешних выводов, утечки в нем все равно отражаются в Екр.

На основе проведенного теоретического анализа показано, что вид частотной характеристики Екр(F) отражает качество функционирования КМОП инвертора и чувствителен как к электрофизическим параметрам полупроводникового материала, так и к наличию дефектов, в частности, приводящих к сдвигу пороговых напряжений, росту утечек, а также к росту собственных и паразитных

емкостей.

Таким образом, показано, что Екр являются информативными параметрами, соответствующими свойствам структурной и функциональной интегральности, что определено ранее как свойства ИИП (критерии предпочтения).

Данные экспериментов (рис. 14) и теоретические результаты, представленные на рисунке 6 использованы в работе для обоснования верификации полученных моделей и методик контроля относительно такого дефекта как утечки. Результаты моделирования использовались также и при разработке методики выбора частот тестирования при построении методик контроля.

Информативность Екр для устройств биполярной технологии

Применительно к ИЭУ на биполярных транзисторах величина Екр связана с характером падения коэффициента усиления ku при снижении коллекторного напряжения.

Модель, связывающую Екр со спадом усилительных свойств ИЭУ при снижении напряжения питания, можно представить в виде обратной функции:

Моделирование для устройств аналогового типа проводилось с использованием модели Эберса-Молла, отражающей изменение электрических характеристик биполярных транзисторов в широком диапазоне электрических режимов вплоть до насыщения. Затем, на основе известных режимов работы по постоянному току, определяются усилительные свойства транзистора.

Так, например, в схеме с общей базой коэффициент передачи тока:

? = ?? , (12)

где: ? - уровень инжекции неосновных носителей через эмиттерный переход (определяется временем жизни неосновных носителей заряда ?; диэлектрической постоянной ?0; диэлектрической проницаемостью полупроводникового материала ?; толщиной слоя базы w; площадью эмиттерного перехода S; коэффициентом диффузии неосновных носителей D; высотой потенциального барьера эмиттерного перехода ??0);

? - коэффициент переноса носителей через базу (существенно зависит от неоднородностей концентрации примесей в объеме электрода базы планарного транзистора таких как, например диффузионная длина пробега неосновных носителей L и коэффициент неоднородности легирования области базы ?).

В результате моделирования работы усилительного каскада на биполярном транзисторе была выявлена существенная зависимость коэффициента передачи транзистора по току ? в схеме с общим эмиттером от времени жизни неосновных носителей ?. При этом наибольшая чувствительность наблюдается при небольших значениях напряжения. В этой области отмечен и наибольший разброс коэффициента усиления ku транзисторного каскада в схеме с общим эмиттером при смене экземпляров однотипных транзисторов. Наличие отрицательной обратной связи по току обуславливает слабое влияние параметров транзисторов на коэффициент передачи каскада при номинальном напряжении питания. Отмечено, что при снижении питающего напряжения чувствительность коэффициента передачи к индивидуальным особенностям ИЭУ возрастает, т.е. сами условия измерения Екр способствуют проявлению скрытых дефектов электронных компонентов.

Таким образом, структурная интегральность Екр как ИП обоснована.

Функциональная интегральность. Формирование Екр в ИЭУ биполярной технологии рассматривается на примере входного каскада операционного усилителя. Коэффициент передачи по напряжению такого каскада является функцией вида:

Рис. 7 Связь параметров схемы дифференциального каскада с напряжением питания

где: ( - коэффициент передачи тока транзисторов в плечах дифференциальной пары в схеме с общей базой; Rнэ - эквивалентное сопротивление нагрузки дифференциальной цепи в режиме малого сигнала.

Моделирование зависимостей перечисленных параметров входного каскада операционного усилителя от напряжения питания показало, что при достижении уровня Екр наблюдается резкое падение их значений (рис. 7).

Следовательно, при идентичных параметрах транзисторов снижение основных функциональных свойств входного каскада происходит практически одновременно. В случае неидентичности (индивидуальных отличий транзисторов, уровня дефектности материалов) снижение функциональных свойств определяется компонентом с наибольшей дефектностью. Обнаружение дефектных каскадов может быть осуществлено посредством измерений со стороны внешних выводов ИЭУ.

Таким образом, показано, что практически все наиболее важные параметры ИЭУ являются функциями электрофизических свойств материалов и электрических режимов. Это, в свою очередь, позволяет выявить дефектность материалов конкретного ОК путем измерения некоторого набора его электрических характеристик при определенных режимах работы.

Частотные характеристики Екр для ИЭУ биполярной технологии

Если считать параметры модели, представленной выше в обобщенном виде формулами (11...13), частотнонезависимыми, то величина Екр также не будет зависеть от частоты (рис. 8, кривая а). Однако на практике ЧХ Екр не имеет вид горизонтальной прямой. Т.к. во-первых, во всех электронных устройствах присутствуют паразитные емкости (межпроводниковые емкости, входные и выходные емкости усилительных элементов и пр.). На перезаряд этих емкостей тратится время, поэтому все ИЭУ имеют предельную рабочую частоту. При постоянной емкости предельная частота примерно пропорциональна току перезаряда. А так как при снижении питающего напряжения падают и токи, перезаряжающие емкости, эта предельная частота также падает с уменьшением напряжения питания. Как результат этого в области высоких частот Екр будет расти с ростом частоты по закону, практически совпадающему с обратной функцией закона изменения IЭ(ЕП) (рис. 7), как показано на рисунке 8 (кривая б). При этом верхняя точка кривой будет соответствовать номинальному напряжению питания Еном.

Рис. 8. Формирование ЧХ Екр для ИЭУ биполярной технологии

Во-вторых, сами по себе усилительные свойства транзисторов падают с ростом частоты. Это накладывает отпечаток на форму ЧХ Екр (рис. 8, кривая в).

Наконец, сами паразитные емкости в полупроводниковых структурах нелинейно зависят от напряжения питания, что еще более усложнит форму наклонной части ЧХ.

Таким образом, не только уровень Екр на низких частотах является индивидуальной характеристикой ИЭУ, но и положение и вид наклонной части ЧХ зачастую обладают гораздо большей индивидуальностью относительно указанных характеристик.

Построенные модели зависимости критериальных параметров ИЭУ от напряжения питания показали идентичность подхода к контролю устройств различных технологий изготовления, что определено ранее как одно из условий в модели выбора ИП – инвариантность ИП к технологиям изготовления и функциональному назначению устройства.

Обобщенные частотные характеристики

Если бы Екр не имели частотной зависимости, можно было бы, например методами статистического анализа, получить порог разбраковки. При наличии такой частотной зависимости ЧХ должна лежать в пределах определенного коридора с нечеткими границами. Причем, конфигурация этого коридора может определяться не раз и навсегда, а каждый раз в ходе измерения нового типа устройств.

На рисунке 9 приведены основные виды ЧХ Екр для КМОП ИС и ИЭУ биполярной технологии, встретившиеся на практике при проведении экспериментов (рис. 11, рис. 12 и рис. 13). Приведенные кривые имеют две характерные области: область "изгиба" (выхода ЧХ на горизонтальный участок) и область “скачка”.

Рис. 9 Типичные частотные характеристики Екр


загрузка...