Podręcznik

4.13. Defekty, rozrzuty produkcyjne, a uzysk i koszt

Jednym z kluczowych czynników w kształtowaniu się kosztu układu jest uzysk. Stąd pytanie: dlaczego pewna część wyprodukowanych układów scalonych okazuje się być wadliwa (nie spełnia wymagań technicznych) i w testach ostrzowych lub końcowych zostaje odrzucona?

Wyprodukowany układ może w ogóle nie działać (nie wykonywać swej funkcji).
 

Może być i tak, że układ działa, ale jego parametry nie mieszczą się w dopuszczalnych granicach zwanych granicami tolerancji.

Najczęstszą przyczyną uszkodzeń katastroficznych są defekty zwane strukturalnymi, zmieniające w istotny sposób fizyczną strukturę układu i jego elektryczny schemat. Przykłady takich uszkodzeń to zwarcie ścieżek połączeń, przerwa w takiej ścieżce, „dziura” w tlenku bramkowym tranzystora MOS powodująca zwarcie bramki do podłoża itp. Te defekty powstają zwykle na skutek zanieczyszczeń pyłkami kurzu podczas wykonywania operacji fotolitograficznych. Konstruktor układu nie ma w praktyce istotnego wpływu na występowanie defektów strukturalnych.

Przyczyną uszkodzeń parametrycznych są zwykle nadmierne rozrzuty produkcyjne. Te omówimy dokładniej, bowiem ich występowanie ma bezpośredni i silny wpływ na to, jak projektuje się układy scalone. W mikroelektronice - jak w każdej innej dziedzinie techniki - we wszystkich operacjach technologicznych występują nieuchronnie zaburzenia powodujące, że wyniki operacji nigdy nie są dokładnie zgodne z zamierzonymi. Zaburzenia te nazywamy rozrzutami produkcyjnymi. Procesy produkcyjne mikroelektroniki są niezwykle subtelne, toteż nawet znikomo małe zaburzenia tych procesów prowadzą do dużych rozrzutów parametrów i charakterystyk elementów układów scalonych. Nie należą do rzadkości rozrzuty na poziomie na przykład \pm50% wartości nominalnej danego parametru - rzecz nie do pomyślenia w innych dziedzinach techniki, np. w mechanice. Sztuka projektowania układów scalonych polega między innymi na tym, by z elementów o bardzo dużych rozrzutach parametrów zbudować układ, który nie tylko będzie działał, ale którego parametry użytkowe będą utrzymane w wąskich granicach tolerancji.

Jest to możliwe, jeśli poznamy dokładniej naturę rozrzutów produkcyjnych. Można je podzielić na dwa rodzaje: rozrzuty globalne i rozrzuty lokalne. 

Innymi słowy, gdyby istniały tylko rozrzuty globalne, to w danym układzie elementy identycznie zaprojektowane miałyby zawsze identyczne parametry i charakterystyki (które jednak miałyby różne wartości w układach pochodzących z różnych płytek i różnych serii produkcyjnych). Natomiast rozrzuty lokalne powodują istnienie różnic pomiędzy elementami, które powinny być identyczne. Różnicę między rozrzutami globalnymi i lokalnymi wygodnie jest pokazać na przykładzie fotolitografii. Obszary uzyskane w wyniku procesu fotolitografii nigdy nie są identyczne z zaprojektowanymi. Trzy rodzaje zaburzeń prowadzących do powstawania różnic między kształtem zaprojektowanym, a uzyskanym, pokazuje rysunek 4-24. Podział rozrzutów na lokalne i globalne nie dotyczy wyłącznie fotolitografii. Praktycznie wszystkie rozrzuty produkcyjne mają składową globalną i składową lokalną. Przykładowo, podczas procesów wysokotemperaturowych kilkadziesiąt płytek znajduje się w piecu w różnych miejscach, każda z nich w nieco innej temperaturze. Jest to rozrzut globalny. Różnice temperatury występują jednak także w obrębie każdej płytki. Jest to rozrzut lokalny. 

Rysunek 4‑24. Trzy rodzaje zaburzeń obserwowanych w procesach fotolitografii. Zielony kontur: kształt obszaru według projektu, czerwony kontur: kształt rzeczywiście otrzymany

Innymi słowy, nie można liczyć na to, że wyprodukowane elementy będą miały parametry zawsze bardzo bliskie nominalnym, ale można liczyć na to, że para elementów zaprojektowanych jako identyczne i znajdujących się tuż obok siebie w tym samym układzie scalonym będzie miała prawie identyczne parametry. Tę własność powszechnie wykorzystuje się w projektowaniu układów scalonych, a zwłaszcza układów analogowych.