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

ОП ИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИ ЕТЕЛЬСТВУ Союз Советских Социалистических Реслублик(22) Заявлено 0505,78 (21) 2614107/18-25 51)М. Кл.з а 01 а 31/26 с присоединением заявки Но(23) Приоритет Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытий(54) СПОСОБ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА И НАДЕЖНОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУР С Р-П-ПЕРЕХОДАМИ Изобретение относится к радио" электронике и может быть использовано 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 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 25 камеры холода в камеру тепла и обратно не должно превышать 5 мин. После климатических испытаний производят измерения электрических парамет,ров приборов 1. 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 длительнойэксплуатации.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(21 и(3.Однако эти способы недостаточно эффективны в прогнозировании потенциальных отказов, связанных с подвижными поверхностными ионами, дефектами на поверхности и в объеме полупроводника, 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 напряжения. О качестве и надежности структур судят по виду вольтамперных характеристик р-и-переходов в предпробойной области 4 .Недостатком данного способа является его низкая эФФективность при прогнозировании параметрических отказов .приборов, обусловленных деФектами на поверхности и в объеме полупровод" ника, которые создают глубокие лову речные уровни. Выявить такие деФекты с помощью известного способа нельзя потому, что в нем измерения ВАХ проводят в диапазоне малых обратных токов 0,5 -10 нА 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 конроля качества и надежности полупроводниковых структур с р-п-переходами, включающего в себя выдержку структур в камере хо" лода в течение времени, достаточного для установления низкой температуры, измерение вольтамперных характеристик испытуемых р-п-переходов при низкой 4 О температуре путем подачи на них нарастающего, а затем убывающего обратного напряжения, выдержку германиевых полупроводниковых структур ,проводят в дйапазоне отрицательных температур 115-1250 С, а кремниевых-85 сС, величину обратного напряжения выбирают достаточной для захода в область лавинного пробоя, а о качестве и надежности структур судят ур по величине гистерезиса напряжения лавинного пробоя.Данный способ основан на Физических процессах, происходящих в р-ипеФеходах. Обратная ветвь всльтаь- перных характеристик реальных р-и- переходов в предпробойной области и в режиме лавинного пробоя отличается от теоретической вследствие влияния деФектов, находящихся на.нос верхности и в объеме структуры. 4 О 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 отдельныхобластях (микроплазмах). При низкойтемпературе микроплаэменный пробойшунтируется влиянием поверхностныхзФФектов и глубоких ловушечных уровней, обусловливающих параметрическиеотказы приборов при длительной эксплуатации. Наличие глубоких ловушечных уровней приводит также к гистереэису лавинного пробоя.Последовательность операций приосуществлении предлагаемого способаследующая.Испытываемые полупроводниковыеструктуры с р-и-переходами помещаютв камеру холода, выдерживают их вней в течение достаточного временидля установления низкой температуры:от минус 115 до минус 125 С для германиевых структур и от минус 75 доминус 85 С для кремниевых структур.Затем на р-и"переходы структур, находящихся в условиях низкой температуры, подают нарастающее обратноенапряжение и измеряют ВАХ. При нарастании обратного напряжения происходит пространственная перезарядкаглубоких ловушек в структурах, врезультате которой возникает внутреннее псле, обратное прикладываемому.Нарастающее обратное напряжение выбирают достаточным для захода в областьлавинного пробоя р-п-переходов, Лавинный пробой при напряжении О" О йспособствует обратной перезарядке глу.боких ловушек лавинными носителями,которая уменыаает внутреннее поле иувеличивает напряженность электрического попя в р-п-переходе. В связис этим напряжение для включения лавины Овоказывается большим, чем напряжение для ее поддержания,Затем уменыаают обратное напряжение и,наблюдая ВАХ,замечают,что вы":.ключение лавины происходит при О Окоторое меныае О ,т,е. наблюдаютгистерезис напряжения лавинного цробоя, хаактериэуемый постояннойг О 100 В, где дО О - Ов.,- йабсолютйое значение гистерезиса напряжения лавинного пробоя.Значение постоянной О являетсякопичественной характеристикой качества и надежности испытываемыхполупроводниковых структур с р-п-переходами, потому что оно прямо пропорционально концентрации глубоких ловушек, и обратно пропорциональноконцентрации легирующей .примеси.У структур с малым. количеством дефектов гистерезис напряжения лавинногопробоя не наблюдается или имеет малую величину, а с ростом числа глубоких ловушек гистерезис растет, чтосвидетельствует о низкой потенциальной надежности структур.ЭФФективность предлагаемого способа проверялась испытаниями структурна надежность в течение 2000 ч в805213 формула изобретения Составитель Ю, ВрызгаловТехред М.федорнак Корректор Н, Швыдкая Редактор М.Келемеш Эаказ 10873/67 , Тираж 743 Подпис ное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5 Филиал ППП "Патентф, 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+5 ОС. 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-п-переходов классифицировались на пять групп:1.Микроплазменный пробой без гистерезиса,2. Малый гистерезис лавинного про боя с 1 33. Большой гистереэис лавинного пробоя с и3;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 с р-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 иэобрете- З нии критериев отбраковки и эффективность предлагаемого способа контродя качества и надежности. Это дает воэможность использовать его для отбраковки потенциально ненадежных 40 структур с р-п-переходами, исключает проведение длительных и трудо" емких испытаний на надежность, сокращает экономические затраты на приобретение сложного испытательного оборудования, Кроме того, способ полезенпри разработке и совершенствованиитехнологии производства полупроводниковых приборов и интегральных схем,а также может быть использован каксредство лабораторного контроля параметров глубоких ловушечных уровнейв объеме и на.поверхности полупроводниковых материалов. Способ контроля качества и надежности полупроводниковых структур ср-п-переходами, включающий в себявыдержку структур в камере холодав течение времени, достаточного дляустановления низкой температуры,измерение вольтамперных характеристикиспытуемых р-и-переходов при низкойтемпературе 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 повышенияэффективности контроля и прогнозирования надежности структур, выдержкугерманиевых полупроводниковых структур проводят в диапазоне отрицательных температур 115-1250 С , а кремниевых - 75-85 ОС, величину обратногонапряженйя выбирают достаточной длязахода в область лавинного пробоя,а о качестве и надежности структурсудят но величине гистерезиса напряжения лавинного пробоя.Источнки информации,принятые во .внимание при экспертизе1, Изделия электронной техники.ГОСТ 16962-71, Метод 205-1, 1972,с, 46.2, Авторское свидетельство СССРР 438947, кл. 6 01 В 31/26, 1975,3, ТИИЭР, Р 2, 1974, т.62,с.6-37.4,Патент США Р 3665307,кл. 324-157, опублик. 1972 (прототип)