Способ контроля качества и надежностиполупроводниковых структур c p-п пе-реходами

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИ ЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Реслублим (61) Дополнительное к авт. сеид-ву (22) Заявлено 0505.78 (21) 2614107/18-25

Р )М. Кл.

-G 01 R 31/26 с присоединением заявки М (23) Приоритет

Государственный комитет

СССР по дедам изобретений и открытий

Опубликовано 150281 Бюллетень ЙЯ 6

Дата опубликования описания 150281 (5З> УДК.621.382,2 (088.8) (72) Авторы изобретения

Л. Н. Новиков, В.А. Прохоров и В. M. Палей (71) Заявитель (54) СПОСОБ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА И НАДЕЖНОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ

СТРУКТУР С P-П-ПЕРЕХОДАМИ

Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использова но для контроля качества и надежности дискретных полупроводниковых приборов и микросхем в процессе их производства и применения, при отбраковке изделий со скрытыми дефектами, а также при разработке и совершенствовании технологии производства.

Известны способы контроля качества и надежности полупроводниковых структур с р-и-переходами с помощью климатических испытаний. Один из известных способов включает в себя испытание иэделий посредством тер- 15 моциклических воздействий (минимум три цикла), причем каждый цикл состоит из этапов: выдержки приборов в камере холода при нижнем значении эксплуатационной температуры в течение 20 времени, необходимого для достижения теплового равновесия, переноса приборов в камеру тепла и аналогичной выдержки при максимальной температуре, причем время переноса приборов из камеры холода в камеру тепла и обратно не должно превышать 5 мин. После климатических испытаний произво- . дят измерения электрических парамет.ров приборов (11. 30

Способ эффективен для обнаружения механических дефектов конструкции или наличия влаги на поверхности, приводящей к деградации р-и-переходов. Однако, он не обеспечивает обнаружения скрытых дефектов, определяющих параметрические отказы при длительной эксплуатации.

Известны также способы контроля качества и надежности полупроводниковых приборов путем испытаний их в условиях низких или высоких температур при одновременном воздействии предельно допустимой электрической нагрузки в течение нескольких десятков часов с последующим измерением электрических параметров при любой температуре. Температура при испытаниях (пониженная или повышенная) и электрическая нагрузка являются форсирующими факторами для ускорения выявления основной массы параметрических отказов приборов, обусловленных инверсионными и обогащенными слоями на поверхности(2)и (3j.

Однако эти способы недостаточно эффективны в прогнозировании потенциальных отказов, связанных с подвижными поверхностными ионами, дефектами на поверхности и в объеме полу805213 проводника, которые создают глубокие ловушечные уровни.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ, включающий в себя выдержку структур в камере холода в течение времени, достаточного для установления низкой температуры, измерение вольтамперных характеристик испытуемых р-и-переходов при низкой температуре путем подачи на них нарастающего, О, а затем убывающего обратного напряже .ния. О качестве и надежности структур судят по виду вольтамперных характеристик р-и-переходов в предпробойной области (4 .

Недостатком данного способа являет-1 ся его низкая эффективность при прогнозировании параметрических отказов приборов, обусловленных дефектами на поверхности и в объеме полупроводника, которые создают глубокие лову- 2Q шечные уровни. Выявить такие дефекты с помощью известного способа нельзя потому, что в нем измерения ВАХ проводят в диапазоне малых обратных токов 0,5 -10 нй без захода в область 25 лавинного пробоя, когда не наблюдается эффективной перезарядки глубо" ких ловушечных уровней, влияющих на параметры р-п-переходов.

Цель изобретения - повышение эффективности контроля и прогнозирования надежности структур.

Поставленная цель достигается тем, что в способе кон роля качества и надежности полупроводниковых структур с р-п-переходами, включающего в себя выдержку структур в камере холода в течение времени, достаточного для установления низкой температуры, измерение вольтамперных характеристик испытуемых р-п-переходов при низкой 4О температуре путем подачи на них нарастающего, а затем убывающего обратного напряжения, выдержку германиевых полупроводниковых структур ,проводят в дйапазоне отрицательных температур 115-1250C а кремниевых.75-85 С, величину обратного напряже.ния выбирают достаточной для захода в область лавинного пробоя, а о качестве и надежности структур судят по величине гистерезиса напряжения лавинного пробоя.

Данный способ основан на физических процессах, происходящих в р-ипефеходах. Обратная ветвь всльтамперных характеристик реальных р-ипереходов в предпробойной области и в режиме лавинного пробоя отличается от теоретической вследствие влияния дефектов, находящихся на-п верхности и в объеме структуры. 49

Физическая природа дефектов определяет .степень надежности и уровень .качества структур.—

Лавинный пробой р-и-переходов

"происходит не однородно по всей 65 площади, а локализуется в отдельных областях (микроплазмах). При низкой температуре микроплаэменный пробой шунтируется влиянием поверхностных эффектов и глубоких ловушечных уровней, обусловливающих параметрические отказы приборов при длительной эксплуатации. Наличие глубоких ловушечных уровней приводит также к гистереэису лавинного пробоя.

Последовательность операций при осуществлении предлагаемого способа следующая.

Испытываемые полупроводниковые структуры с р-и-переходами помещают в камеру холода, выдерживают их в ней в течение достаточного времени для установления низкой температуры: от минус 115 до минус 125 С для германиевых структур и от минус 75 до минус 85 С для кремниевых структур.

Затем на р-п-переходы структур, находящихся в условиях низкой температуры, подают нарастающее обратное напряжение и измеряют BAX. При нарастании обратного напряжения происходит пространственная перезарядка глубоких ловушек в структурах, в результате которой возникает внутреннее псле, обратное прикладываемому.

Нарастающее обратное напряжение выбирают достаточным для захода в область лавинного пробоя р-и-переходов. Лавинный пробой при напряжении U-ОВ« способствует обратной перезарядке глу.боких ловушек лавинными носителями, которая уменьшает внутреннее поле и увеличивает напряженность электрического попя в р-п-переходе. В связи с этим напряжение для включения лавины Ой„„окаэывается большим, чем напряжение для ее поддержания.

Затем уменьшают обратное напряжение и,иаблюдая ВАХ,замечают,что вы-:. ключение лавины происходит при Оце „„ которое меньше U,ò.е. наблюдают гистерезис напряжения лавинного цробоя, ха актериэуемый постоянной г О 100В, где ZUÄU „„- О

А абсолютйое значение гистерезиса напряжения лавинного пробоя.

Значение постоянной является количественной характеристикой качества и надежности испытываемых полупроводниковых структур с р-п-переходами, потому что оно прямо пропорционально концентрации глубоких ловушек, и обратно пропорционально концентрации легирующей .примеси.

У структур с малым. количеством дефектов гистерезис напряжения лавинного пробоя не наблюдается или имеет малую величину, а с ростом числа глубоких ловушек гистерезис растет, что свидетельствует о низкой потенциальной надежности структур.

Эффективность предлагаемого способа проверялась испытаниями структур на надежность в течение 2000 ч в

805213

Формула изобретения

Составитель Ю. Врызгалов

Техред M.Федорнак Корректор Н. Швыдкая

Редактор M.KeneMera

Эаказ 10873/67, Тираж 743 Подпис ное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 электрическом режиме, предельно допустимом по мощности, току и напряжению для данных структур, и хранению в течение 120 сут при повышенных влажности 95-98% и температуре 40+5oC. После каждых 500 ч испытаний и хранения измерялись основные электропараметры структур.

Предварительно контроль качества тех же структур проводился в соответствии с предлагаемым способом. По стабильности и форме ВАХ в области лавинного пробоя р-и-переходов классифицировались на пять групп:

1.Микроплазменный пробой без гистерезис а, 2. Малый гистерезис лавинного про- 15 боя с 3%

3. Большой гистереэис лавинного пробоя с q ) ЗЪ, 4. Гистерезис в предпробойной области, шум с аномально низким 20 пробивным напряжением;

5. Нестабильные вольтамперные характеристики, большой уровень тока утечки в предпробойной области.

В ходе последующих испытаний на надежность и при хранении у структур c p-п-переходами 3,4 и 5 ой групп наблюдались нестабильность электро-. параметров, их уход эа пределы норм и катастрофические отказы. Структуры первой и второй групп отказов и ухода параметров за пределы норм не имели.

Таким образом, сравнительные испытания структур подтвердили правильность установленных в изобретении критериев отбраковки и эффективность предлагаемого способа контродя качества и надежности. Это дает воэможность использовать его для от» браковки потенциально ненадежных 40 структур с р-п-переходами, исключает проведение длительных и трудоемких испытаний на надежность, сокращает экономические затраты на приоб ретение сложного испытательного оборудования. Кроме того, способ полезен при разработке и совершенствовании технологии производства полупроводниковых приборов и интегральных схем, а также может быть использован как средство лабораторного контроля параметров глубоких ловушечных уровней в объеме и на.поверхности полупроводниковых материалов.

Способ контроля качества и надежности полупроводниковых структур с р-п-переходами, включающий в себя выдержку структур в камере холода в течение времени, достаточного для установления низкой температуры, измерение вольтамперных характеристик испытуемых р-и-переходов при низкой температуре путем подачи на них нарастающего, а затем убывающего обрат,ного напряжения, о т л и ч а ю щ и В с я тем, что, с целью повышения эФфективности контроля и прогнозирования надежности структур, выдержку германиевых полупроводниковых струк тур проводят в диапазоне отрицательных температур 115-1250С, а кремниевых - 75-85ОС, величину обратного напряженИя выбирают достаточной для захода в область лавинного пробоя, а о качестве и надежности структур судят о величине гистерезиса напряжения лавинного пробоя.

Источнки информации, принятые во,внимание при экспертизе

1. Изделия электронной техники.

ГОСТ 16962-71, Метод 205-1, 1972, а. 46.

2. Авторское свидетельство СССР

Р 438947, кл. G 01 R 31/26, 1975.

3. ТИИЭР, Р 2, 1974, т.62,с.6-37.

4.Патент США 9 3665307, кл. 324-157, опублик. 1972 (прототип)