Herausforderung Zuverlässigkeit Überwachung von ICs

Überwachung kritischer IC-Komponenten

Die Verkleinerung der Dimensionen in Transistoren für ICs führt zu hohen elek-trischen Feldstärken bei relativ kleinen Potenzialdifferenzen. Bereits 1 V verursacht auf eine Distanz von 50 nm eine sehr hohe elektrische Feldstärke von 2 × 107 V/m. Klassische Chip-Entwürfe, bei denen der stationäre Arbeitspunkt weit unter der Durchbruchgrenze gelegt wurde, sind mit den extrem kleinen Transistoren moderner ICs deshalb schwerer und nur unter erheblichen Einbußen der Leistungsfähigkeit realisierbar. Eine Überwachung kritisch belasteter Transistoren innerhalb des ICs würde die Leistungsfähigkeit des ICs verbessern, bei gleichzeitiger Erhöhung der Zuverlässigkeit.

Zusammen mit Dipl. Ing. Michael Morschbach hat der Autor, Prof. Dr. Erich Kasper, am Institut für Halbleitertechnik der Universität Stuttgart Überlegungen angestellt, mit welchen Detektionsprinzipien die Stoßionisation sich eindeutig zuordnen lässt sowie effizient und schnell beobachtbar wird. Die Wahl fiel zugunsten einer optischen Detektion mit einer Fotodiode aus, die in unmittelbarer Nähe des überwachten Transistors integriert wird (Bild 2). Die Fotodiode nutzt Halbleiterstrukturen, z.B. pn-Übergange, die auch für den Transistor nötig sind, sodass die Realisierung der Detektoren zwar ein geändertes Chip-Layout, aber keine neuen technischen Schritte in der Halbleiterfertigung benötigt. Die Dimensionen der Fotodiode können klein gehalten werden, wenn sichtbares Licht detektiert wird, da die Absorptionstiefe von sichtbarem Licht in Silizium klein ist (Tabelle).

 

nahes
Infrarot (NR)

sichtbarer
Bereich

Ultraviolett (UV)
Wellenlenge (µm) 1

 0,750,45

 0,35
Apsorptionstiefe (µm) 100 100,5 0,01

 

Tabelle. Absorptionstiefe von Licht in Silizium. Für die beschriebene Anwendung sind Absorptionstiefen von einigen µm gewünscht, damit die Information lokalisiert ist, aber nicht bereits im überwachten Bauelement selbst absorbiert wird.(Quelle: Kasper)

Eine Absorptionstiefe von einigen μm garantiert eine lokale Zuordnung, da die Strahlung nur nahe der Quelle detektiert werden kann. Die kleinen Dimensionen des Detektors ermöglichen schnelles Ansprechen und die Empfindlichkeit auf sichtbares Licht ist spezifisch für die heißen Elektronen/Löcher bei der Stoßionisation. Bei niedrigen Feldstärken emittiert Silizium im nahen Infrarotbereich (Band-Band-Emission, BB).

Das Monitoring der Stoßionisation und eine darauf reagierende Regelschaltung wurden zum Patent angemeldet [3, 4].

Sichtbares Licht aus schädlich belasteten Bauelementen

Im Betrieb emittieren Halbleiterbauelemente Licht, dessen Wellenlänge durch die Energie der Bandlücke festgelegt wird. Diese Emission wird als Band-zu-Band-Übergang (BB) für die Rekombination von Elektronen aus dem Leitungsband und Löchern aus dem Valenzband beschrieben.

Für Silizium ergibt sich damit eine Emissionswellenlänge von etwa 1,1 µm im nahen Infrarot (NIR). Noch weiter im Infrarot liegen Emissionen, die zusätzlich auftreten, wenn Defekte und Verunreinigungen Energieniveaus in der Bandlücke erzeugen. Die Strahlung unter elektrischer Vorspannung wird als Elektrolumineszenz (EL) bezeichnet. Die Intensität und spektrale Feinstruktur der EL wird in der Materialanalyse intensiv genutzt. Für eine verzögerungsfreie Überwachung im Betrieb sind jedoch die Aufnahme und die Interpretation zu komplex.

 

Die Situation ändert sich, wenn durch sehr starke elektrische Felder heiße Ladungsträger erzeugt werden und Stoßionisation auftritt (siehe Kasten: Stoßionisation). Die Rekombination heißer Ladungsträger ergibt ein breites Spektrum energiereicher Strahlung im sichtbaren Bereich. Das Vorhandensein einer sichtbaren Lichtemission unter diesen Bedingungen ist seit langem bekannt [5] und es gibt Forschungen, diese Emission für Si-basierte Leuchtdioden (LED) zu nutzen [6]. Ein typisches Spektrum eines pn-Übergangs, der nahe des Lawinen–Durchbruchs belastet ist, zeigt neben der BB-Emission bei 1,1 µm eine breite Lichtverteilung im sichtbaren Bereich von 0,5 µm – 0,8 µm Wellenlänge (Bild 3). Dieses sichtbare Licht kann in einer nah am zu überwachenden Bauelement integrierten Fotodiode detektiert werden. Eine kleine Diode nah am Bauelement sorgt dafür, dass das sichtbare Licht noch gesehen wird, und die Empfindlichkeit für NIR-Licht gering ist, weil die Absorptionstiefe (siehe Tabelle) zu groß ist.

Photonik begünstigt optische Überwachung in Halbleitern

Der sprunghaft steigende Einsatz von Elektronik in autonom agierenden Systemen erzwingt neue Strategien im Umgang mit Zuverlässigkeitsbetrachtungen. Neben höherer Qualität von Material und Prozess sowie umfangreichen Tests vor Auslieferung, sind Verfahren gefragt, die ohne Verzögerung kritische Zustände zum Einleiten von Regelmaßnahmen melden – wie das in diesem Beitrag beschriebene optische Monitoring von Überschreitungen des sicheren Arbeitsbereichs. Eine enge Zusammenarbeit des System-Herstellers mit den IC-Produzenten ist dazu notwendig, da der IC-Produzent Maßnahmen im Chip-Layout ergreifen muss.
Zukünftig wird die Integration von elektrischen und optischen Funktionen auf einer Siliziumplattform grundsätzlich vorangetrieben, da die Verarbeitung optischer Signale auf Siliziumbasis eine stark bearbeitete Forschungsrichtung darstellt – „Si-Photonik“.
Die Patente für die Erfindung wurden bereits in Deutschland [3] und den USA [4] sowie in Frankreich und Großbritannien (EP Patent) erteilt.

Prof. Dr. Erich Kasper ist inzwischen emeritiert. Fragen zur beschriebenen Erfindung und dem Patent bearbeitet die Technologie-Lizenz-Büro (TLB) GmbH im Auftrag der Universität Stuttgart. Ansprechpartner ist Dipl.-Ing. Emmerich Somlo, E-Mail: esomlo@tlb.de.

 

Literatur

[1] Digele, G.; Lindenkreuz, S.; Kasper, E.: Fast Electro-Thermal Circuit Simulation Using Reduced Order Models. Konferenzband, 4th International workshop Thermal investigations of ICs and microstructures, Cannes, September 1998, S. 115–120.
[2] Zhang, W.: Small signal IMPATT diode characterization for mm-wave power generation in monolithic scenarios. Konferenzband, 46th European Solid-State Device Research Conference (ESSDERC), 2016, S. 109–112.
[3] Kasper E.; Morschbach, M.: Verfahren zur Selbstüberwachung des Durchbruchs in Halbleiterbauteilen sowie dafür ausgebildetes Halbleiterbauteil. Patent DE102007002820, 26.6.2008.
[4] Kasper, E.: Morschbach, M.: Method for self-monitoring of breakdown in semiconductor components and semiconductor component constructed thereof. Patent US8519732B2, 27.8.2013.
[5] Snyman, L. W.; Aharoni, H.; Plessis, M. du: Characterization of breakdown phenomena in light emitting silicon n+p diodes. Journal of Applied Physics, 1998, H. 5, S. 2953–2959.
[6] Morschbach, M; Oehme, M; Kasper, E.: Visible Light Emission by a Reverse-Biased Integrated Silicon Diode. IEEE Transactions on Electron Devices, 2007, H. 5, S. 1091–1094.

 

 

Der Autor

Prof. Dr. Erich Kasper

hat an der Universität Graz, Österreich, Physik studiert und promoviert. Er war danach in Forschungsinstituten von renommierten deutschen Industrie-Unternehmen – Telefunken, AEG, Daimler-Benz – tätig. 1993 wurde er als Professor an die Universität Stuttgart berufen, wo er das Institut für Halbleitertechnik bis zu seiner Pensionierung 2008 leitete. Erich Kasper hat zahlreiche Publikationen in referierten Zeitschriften veröffentlicht, Bücher verfasst und Patente angemeldet.