Herausforderung Zuverlässigkeit Überwachung von ICs

Strategie und Erhöhung der Zuverlässigkeit bei stark belasteten Bauelementen.
Strategie zur Erhöhung der Zuverlässigkeit bei stark belasteten Bauelementen.

Die Überwachung und Regelung von stark belasteten Bauelementen in ICs stellt eine neue Strategie zur Erhöhung der Zuverlässigkeit da. Ein Beispiel dafür ist das Monitoring von schädlichen Stoßionisationsprozessen durch nahe am Transistor integrierte Fotodioden.

Die Mikroelektronik ist allgegenwärtig, annähernd alle technischen Anwendungen sind heute ohne sie undenkbar. Dabei ist die Zuverlässigkeit und das Kosten-Nutzen-Verhältnis sehr hoch, wenn man bedenkt, dass ein integrierter Schaltkreis typischerweise aus hunderttausenden bis zu einigen Milliarden Halbleiterbauteilen – Transistoren, Dioden, Widerstände, Kondensatoren – zusammengefügt ist. Das ist bedingt durch ein vertieftes Verständnis der zugrundeliegenden Physik und Schaltungstechnik, durch das systematische Wissen um Materalien, vom Halbleiter bis zu den Metallen und Isolatoren, von Verbindungsleitungen und Gehäusen sowie durch eine ausgefeilte und durchorganisierte Herstellungs- und Prüfmethodik. Neuere Entwicklungen, zusammengefasst unter Schlagworten wie Industrie 4.0, Smart Home, Elektromobilität, Internet der Dinge (IoT, Internet of Things) oder autonomes Fahren, werden Einsatz und Bedeutung der Mikroelektronik nochmals sprunghaft erhöhen – jedoch auch die Anforderung an die Zuverlässigkeit der Schaltkreise

Für autonomes Fahren müssen viele Informationen über Straße, Umgebung, eigenes Fahrzeug sowie andere Verkehrsteilnehmer erfasst und verarbeitet werden. Dies erfordert Kameras für den sichtbaren Spektralbereich, für das nahe Infrarot (NIR) zum Nachtsehen, und nicht zuletzt Radarsysteme im mm-Wellen-Bereich – zur Zeit bei 76 bis 80 GHz, später, für bessere Auflösung und kleinere Antennen, auch bei höheren Frequenzen über 100 GHz – für Abstands- und Relativgeschwindigkeitsangaben. Die Akzeptanz für autonomes Fahren hängt ab von der de facto fehlerfreien Erfassung sowie Verarbeitung der Signale und einer darauf beruhenden schnellen Entscheidung. Um die notwendige hohe Zuverlässigkeit zu erreichen, werden die vorhandenen Strategien zu Simulation, Test und Fabrikation verfeinert, aber auch neue Strategien sind gefordert – wie z.B. die nachfolgend beschriebene Technik, die auf der Überwachung von Bauelementen in einem IC beruht.

Sicherer Betriebsbereich eines Bauelements in einem IC

Ein Bauelement, z.B. ein Transistor in einem IC, wird mit Gleichstromleistung P versorgt (P = I × U). Die zugeführte Leistung führt zu einer Temperaturerhöhung, die nur bis zu einer Grenze tolerierbar ist. Diese Grenztemperatur, z.B. 120 °C, liegt meist deutlich unter der Zerstörungsgrenze, die Bauelementkennlinie fällt dann aus dem Toleranzbereich, da bei Halbleiter-Bauelementen die Sperrströme stark temperaturabhängig sind. In einer schematischen Darstellung (Bild 1) des sicheren Betriebsbereichs (SOA – Safe Operation Area) im Strom-Spannungs-Diagramm ergeben sich Hyperbeln für eine bestimmte Leistung P. Bei festgesetzter Grenztemperatur sind die zulässigen Leistungen abhängig von der Umgebungstemperatur, sodass eine Hyperbelschar den sicheren Bereich begrenzt. Diese einfache grundsätzliche Darstellung wird in der Praxis verfeinert durch Berücksichtigung der Gleichspannungsanteile von unsymmetrischen Hochfrequenzsignalen und durch Berücksichtigung von Wärmeflüssen benachbarter Bauelemente – z.B. durch eine gekoppelte elektro-thermische Simulation [1].

Hochfrequente Spannungsspitzen tragen nur gedämpft zur Wärmebelastung bei, wegen der thermischen Trägheit des Bauelements. Von ganz anderer Natur ist die zweite prinzipielle Begrenzung durch Stoßionisation bei hohen Feldstärken, die zum Lawinendurchbruch an in Sperrichtung betriebenen pn-Übergängen führt (siehe Kasten).

Die Stoßionisation ist ein schneller Vorgang, der in einer Bauelementklasse bewusst zum Einsatz kommt: z.B. den Lawinen-Laufzeit-Dioden (LLD) – engl. IMPATT-Dioden (Impact Ionization Avalanche Transit Time) genannt [2] – für GHz-Oszillatoren. Für eine festgelegte Bauelementgeometrie begrenzt der Lawinendurchbruch die Spannungsfestigkeit,

da über die angelegte Spannung die elektrische Feldstärke im pn-Übergang bestimmt wird. Aus Sicht der Zuverlässigkeitsbetrachtungen stellt die Stoßionisation ein zweifaches Problem dar:

  1. Kurze Spannungspulse, selbst im ps-Bereich, werden in starke Strompulse übersetzt – deswegen der Name Lawinendurchbruch.
  2. Die Ladungsträger (Elektronen, Löcher) im Halbleiter haben im Gleichgewicht oder bei geringen Feldstärken eine Bewegungsenergie, die im Mittel 3/2 × kBT entspricht; mit kB = Boltzmann-Konstante und T = Temperatur in K, also bei Raumtemperatur etwa 0,04 eV (1 eV = 1,6 × 10-19 J).

Bei hohen Feldstärken E > 107 V/m werden die freien Ladungsträger so stark beschleunigt, dass einige von ihnen über das 30-fache der thermischen Energie als Bewegungsenergie erhalten. Solche stark beschleunigten Elektronen oder Löcher werden als heiße Ladungsträger bezeichnet; sie können in angrenzende Isolationsschichten eindringen und dadurch die Charakteristika von Transistoren und Dioden verändern – z.B. Schwellspannung, Dunkelstrom – und sie können neutrale Siliziumatome ionisieren (Stoßionisation).

Kasten: Stoßionisation

Im Vakuum kann ein Elektron durch elektrische Felder bis nahe an die Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden. Im Festkörper wird die Geschwindigkeit durch Stöße mit Gitterschwingungen (Phononen) und lokale elektrische Felder um Dotieratome gebremst. Bei kleinen elektrischen Feldstärken ist die Geschwindigkeit proportional der Feldstärke (ohmsches Gesetz), ab mittleren Feldstärken sättigt die Geschwindigkeit, und nur bei sehr hohen Feldstärken E > MV/m gelingt es einzelnen Elektronen, bzw. Löchern im p-Material, zwischen zwei Stößen ge¬nügend Energie aufzunehmen, um dem Siliziumatom selbst ein Hüllenelektron herauszustoßen. Dieser Vorgang, der ein zusätzliches Paar von Ladungsträgern (Elektron + Loch) erzeugt, wird Stoßionisation genannt.

Zur wissenschaftlichen Beschreibung der Stoßionisation dient der Ionisationsko¬effizient, der angibt, wie viele solche zusätzliche Ladungspaare per Wegstrecke erzeugt werden. Dieser Ionisationskoeffizient ist extrem nichtlinear von der elektrischen Feldstärke abhängig.

Das elektrische Feld ist in einem einseitig abrupten np-Übergang (Bild) durch eine Dreiecksfunktion gegeben. Mit einer kleinen Spannung (Kurve 1) bleibt das elektrische Feld unterhalb eines kritischen Werts, mit höherer Spannung (Kurve 2) erreicht das Feld einen kritischen Wert, bei dem Stoßionisation einsetzt.
Ein stabiler Stromfluss bricht zusammen, wenn das Produkt aus Ionisations-koeffizient und Wegstrecke größer 1 wird. Dann erzeugt das erste Elektron zwei zusätzliche Ladungsträger, die im Feld beschleunigt werden, diese wiederum zwei weitere, und so weiter. Es kommt zum zerstörerischen Lawinendurchbruch, wenn der Arbeitspunkt stationär im kritischen Bereich liegt. Aber auch kurzzeitige Überschreitungen durch Spannungsspitzen ergeben überproportional hohe Stromspitzen und heiße Ladungsträger.