СПОСОБ ОТБРАКОВКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ Российский патент 1994 года по МПК G01R31/26 

Изобретение относится к электронной промышленности и может быть использовано для отбраковки потенциально ненадежных полупроводниковых приборов и ИС с МДП-структурой на разных стадиях их изготовления.

Для выявления приборов со скрытыми дефектами или повышенной нестабильности электрических параметров, способных вызвать отказы при эксплуатации, применяют различные методы отбраковки.

Известен способ отбраковки МДП-структур, при котором на них подается импульсное напряжение положительной полярности длительностью не более 2 мкс. По изменению дрейфа вольтамперной характеристики судят о их зарядовой нестабильности.

Недостатком указанного способа является невозможность отбраковки некоторых видов нестабильности параметров приборов, а также скрытых дефектов, проявляющихся только при повышенной температуре.

Указанный недостаток обусловлен самой сущностью способа, при котором не используются температурные воздействия на МДП-структуру.

Известен также способ отбраковки полупроводниковых приборов с МДП-структурой, при котором осуществляется одновременное воздействие на них температуры и электрического поля, при этом электрическое поле создается за счет контактной разности потенциалов прибора при закоротке затворов с остальными электродами.

Недостатком данного способа является значительное время проведения отбраковки, что обусловлено тем, что контактная разность имеет значения для большинства МДП-приборов менее 1 В и надежная отбраковка возможна лишь за счет увеличения времени. Кроме того, величина воздействующей температуры ограничена материалом, связывающим корпус прибора с его кристаллом.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемым результатам к изобретению является способ, при котором осуществляется одновременное воздействие на испытуемые приборы высокой температуры и создание на них определенного электрического режима, причем температура создается за счет подачи на МДП-прибор дозированной электрической мощности и сравнения изменения информативных электропараметров до и после взаимодействия с эталонными.

По этому способу импульсы греющего тока выбирают больше, чем тепловая постоянная кристалла и меньше, чем постоянная прибора, а мощность больше, чем полуторная максимально допустимая рассеиваемая мощность. При этом для обеспечения прохождения импульсов греющего тока, а также с целью потенциальной тренировки на затворы МДП-структуры подают импульсы открывающего напряжения с амплитудой менее 0,9 от напряжения пробоя подзатворного диэлектрика.

Недостатками способа-прототипа являются малая производительность, малая достоверность отбраковки, узкая область применения.

Малая производительность обусловлена тем, что скорость нагрева и температура нагрева прибора электрическими импульсами ограничены током через полностью открытый МДП-прибор при допустимом по техническим условиям (ТУ) стоковом напряжении. Большее значение тока через канал прибора пропустить уже нельзя, так как даже если напряжение на затворе будет близко к максимально допустимому (напряжению пробоя затворного диэлектрика), ток через канал практически больше не зависит от этого напряжения, т. е. ограничивается мощность, выделяемая на приборе, а для компенсации ограничения мощности необходимо увеличивать время действия разогревающих импульсов. Таким образом, ограничение по мощности разогревающих импульсов ограничивает производительность отбраковки. Кроме этого, производительность ограничена длительностью импульсов разогрева, которая больше постоянной тепловой релаксации кристалла.

Малая достоверность способа обусловлена тем, что с его помощью отбраковывается нестабильность, связанная только с определенным видом заряда, которая проявляется под действием только открывающих канал напряжений, положительного для n-канальной и отрицательного для р-канальной МДП-структуры. Поэтому отбраковывать нестабильность, проявляющуюся при подаче на затвор запирающих напряжений по способу-прототипу, нельзя, что снижает его достоверность.

Узость области применения обусловлена самим принципом способа, при котором не на все внутренние МДП-структуры сложных ИС возможна подача электрических режимов во время нагрева, а следовательно, снижается эффективность отбраковки.

Например, для К МДП ИС отбраковка по данному методу вообще невозможна, так как открывающее для р-канальных структур напряжение является запирающим для n-канальных и наоборот, Следовательно, обеспечить большие токи разогрева по способу-прототипу здесь невозможно.

Таким образом, указанные недостатки ограничивают область применения и функциональные возможности способа-прототипа.

Целью изобретения является повышение производительности, достоверности и расширение области применения отбраковки путем изменения режимов подачи и параметров импульсов разогрева.

Это достигается тем, что по способу отбраковки полупроводниковых приборов, включающему одновременно с воздействием электропотенциалов разогрев пропусканием импульса греющего тока с длительностью меньшей тепловой постоянной релаксации прибора и мощностью более 1,5 Р_м, где Р_м - максимально допустимая рассеиваемая мощность, сравнение изменения информативных параметров, измеряемых до и после пропускания импульсов греющего тока, с эталонным, согласно изобретению, импульсы греющего тока сначала формируют с длительностью, определяемой из выражения:
P≅ , (1) где Р, t_и - мощность, выделяемая на приборе от прохождения импульсов греющего тока, и длительность этих импульсов соответственно;
Т_кр,Т_о - критическая температура и температура активной части кристалла до воздействия греющих импульсов соответственно;
R_тi, τ_i - тепловые сопротивления и постоянные времени элементов прибора соответственно;
N - количество элементов (участков) прибора, при этом мощность Р, выделяемая на приборе, определяется величиной максимального допустимого тока
I_max = j_max ˙S_Σ , где j_max - максимально допустимая плотность тока через металлизацию испытуемого прибора;
S_Σ - суммарная площадь поперечного сечения металлизации, через которую протекает разогревающий ток, а также падением напряжения на нагревающем элементе изделия, определяемым при данном способе подачи греющих импульсов, его вольтамперной характеристикой. Затем поддерживают установившуюся температуру в течение времени, обеспечивающего необходимую жесткость отбраковки.

Поставленная цель достигается также тем, что импульсы греющего тока смещают р-n-переход в прямом направлении, а их величина
U > U_проб.л где U_проб.л - напряжение лавинного пробоя р-n-перехода. Кроме этого, импульсы греющего тока смещают р-n-переход в прямом направлении, а их величина
U > U_прям, где U_прям - минимальное падение напряжения на прямо смещенном р-n-переходе.

Для МДП-приборов и ИС импульсы греющего тока проходят через канал, а их величина
U_сmax < U < U_проб.л, где U_сmax - максимально допустимое для данного прибора напряжение исток-сток.

Предложенный способ отличается от известного тем, что сначала формируют импульсы греющего тока длительностью, определяемой конструкторскими параметрами прибора и вольтамперной характеристикой данного способа подачи греющих импульсов. Затем поддерживают установившуюся температуру в течение времени, обеспечивающего необходимую жесткость отбраковки. При этом греющие импульсы подаются через прямо или обратно смещенный р-n-переход с напряжением больше напряжения лавинного пробоя, а для МДП-приборов и ИС через открытый канал при напряжении больше максимально допустимого по ТУ, но менее напряжения лавинного пробоя. Эти отличия позволяют сделать вывод о соответствии изобретения критерию "новизна".

Признаки, отличающие предложенное техническое решение от прототипа, в такой совокупности не выявлены и, следовательно, обеспечивают соответствие критерию "существенные отличия".

Полупроводниковый прибор одновременно с воздействием напряжений определенной полярности, обеспечивающих его потенциальную тренировку, нагревается подачей импульсов греющего тока до высокой температуры, при которой резко ускоряются деградационные процессы в приборе, за счет чего возможно сокращение времени отбраковки.

Подача греющих импульсов осуществляется тремя способами: подачей напряжения прямого смещения на р-n-переход величиной большей, чем прямое падение напряжения на открытом р-n-переходе (например, для германиевого р-n-перехода ≈0,5 В, кремниевого ≈ 0,7 В; подачей напряжения обратного смещения на р-n-переход. При этом величина его больше напряжения лавинного пробоя р-n-перехода, так как в противном случае ток будет практически отсутствовать и прибор разогреваться не будет; для МДП приборов и ИС подачей на исток-сток полностью открытого канала напряжений больше, чем предельно допустимое по техническим условиям (ТУ) на данный прибор напряжение.

При таком способе подачи греющих импульсов максимальная их мощность фактически ограничена только минимальным временем их действия и максимальной температурой функционирования р-n-перехода прибора Т_кр. При способе-прототипе максимальная мощность ограничена сопротивлением полностью открытого канала данного прибора и максимально допустимым напряжением исток-сток.

Например, максимальный ток, который по способу-прототипу разогревался МДП тетрод КП350 при полностью открытом канале, равен 200-400 мА. Больший ток через канал прибора пропустить уже нельзя при любом увеличении напряжения на затворе, вплоть до напряжения пробоя подзатворного диэлектрика, т. е. мощность импульсов разогрева при максимально допустимом напряжении на стоке 15 В не превышает величины
Р ≅ 200-400 мА х 15 В = 3-6 Вт В то же время по предлагаемому способу для данного прибора возможна подача разогревающих импульсов значительно большей мощности:
1. Прмое смещение р-n-перехода стока при
U_пр = 6 В, I_рn ≥ 2,5 А
Р ≥2,5˙ 6 = 15 Вт.

2. Обратное смещение р-n-перехода при
U_обр = 30-35 В, I_рn ≥ 0,5 А,
Р ≥ 0,5 ˙30-35 = 15-17,5 Вт
3. Разогрев за счет прохождения тока через открытый канал прибора.

Ток полного открытия канала при стоковом напряжении U_ис = 25 В большем, чем максимально допустимое напряжение стока (U_исmax= 15 В), равен = 300-600 мА
Р ≥ 300-600 х 25 = 7,5-15 Вт
Максимальная (критическая) Т_кр температура функционирования кристалла определяется условием существования р-n-переходов в приборе, т. е. такой температурой, при которой проводимость наиболее низколегированной части р-n-перехода становится собственной и р-n-переход исчезает. Эта температура определяется из уравнения
n_i= 4,9·10 ·M1c

^/2·T^3/2·e (2) где n_i - концентрация примеси в собственном полупроводнике;
m_dc, m_dh - электронная и дырочная эффективная масса плотности состояний в зоне проводимости;
М_с - число эквивалентных минимумов в зоне проводимости;
Е_g, K - ширина запрещенной зоны и постоянная Больцмана соответственно;
Т - температура полупроводника.

Для кремния с концентрацией низколегированной части перехода N_пр при критической температуре, когда эта концентрация равна концентрации примеси в собственном полупроводнике n_i, уравнение (1) имеет вид
N_пр= 3,614·10¹⁵·T3/кр

²·exp, (3) где N_пр - концентрация примеси в низколегированной части р-n-перехода, см^-3;
Т_кр - критическая температура р-n-перехода.

Мощность греющих импульсов определяется условием
P ≅ , (4) где Т_о - температура р-n-перехода до подачи разогревающих импульсов;
R_Т(t) - переходное тепловое сопротивление.

Переходное тепловое сопротивление R_т(t) при подаче ступеньки мощности определяется выражением
R_t(t)= R[1-exp(-t/τ_i)] , (5) где t - время;
N - количество элементов (участков) прибора;
τ_i - тепловые постоянные времени участков полупроводникового прибора;
R_тi - тепловые сопротивления, соответствующие постоянным времени и связанные с ним формулой
τ_i = R_тi ˙ C_тi ; (6)
С_тi - теплоемкость участка прибора
С учетом соотношения (5) получают выражение для допустимой мощности греющих импульсов в виде
P≅ , (7) где t_и - длительность импульса разогрева.

Таким образом, выделяемая на приборе мощность не должна превышать значений, определяемых выражением (5). При больших значениях мощности прибор перестает функционировать так как входящие в его состав переходы исчезают, превращаясь в р-n_i- (или Р-i-) переходы. Полупроводниковый прибор перестает выполнять свой функции.

Длительность импульса электрического разогрева кристалла определяется его мощностью Р по формуле (1). Выделяемая на приборе мощность определяется величиной максимально допустимого тока через него I_max = j_max ˙ S_Σ , где j_max - максимально допустимая плотность тока через металлизацию испытуемого прибора; S_Σ - суммарная площадь поперечного сечения металлизации, через которую протекает разогревающий ток.

Кроме этого, выделяемая на приборе мощность определяется падением напряжения на нагревающих элементах изделия U, определяемое, при данном способе подачи разогревающих импульсов его вольтамперной характеристикой. Затем поддерживают температуру на установившемся уровне в течение времени, обеспечивающем необходимую жесткость отбраковки.

П р и м е р 1. Предлагаемый способ отбраковки осуществлен при контроле К МДП ИМС К561 К Т3 следующим образом. Мощность импульсов греющего тока находят из условия
Р > 1,5 Р_max
P≅ . (8) Критическую температуру Т_кр находят из выражения
N= 3,614·10¹⁵·T3/кр

²exp- , (9) а N_пр - концентрацию примеси в низколегированной части р-n-перехода - исходя из удельного сопротивления исходной кремниевой пластины КЭФ 4.5. Отсюда Т_пр = 190^оС.

Тепловые сопротивления и тепловые постоянные элементов ИС определяют, учитывая конструкцию прибора и то, что угол растекания теплового потока в эквивалентном однородном параллелепипеде равен 45-50^о.

Тепловое сопротивление кристалл-ситалл равно R_кр = 44,4 К/Втч, ситалл-корпус - R_{сит-кор} = 94 К/Вт, корпус-окружающая среда - R_{кор-о.ср}= 45 К/Вт.

Постоянные времени, соответствующие тепловым сопротивлениям τ_кр = 68,6 мс, τ_сит = 500 мс, τ_кор = 1,4 с.

Затем определяют максимальный ток разогрева I_max, исходя из значения максимально допустимой плотности тока j_max
I_max = j_max ˙ S_Σ , (10)
Для алюминиевой металлизации j_max = = 10⁶ А/cм. Минимальное сечение металлизированной дорожки S_Σ каждого вывода микросхемы, по которой проходит разогревающий ток, равно S_Σ = 30 мкм². С учетом этого I_max = 0,3 А.

Так как в данном случае разогрев производят путем пропускания греющего токового импульса через четыре открытых ключа, сопротивление которых, определяемое вольтамперной характеристикой, равно R_кл = 10 Ом, то подводимое к ИС напряжение равно U₁ = 3,0 Вт, а выделяемая при этом мощность разогрева Р = 4 U˙ I_max = = 4˙ 3 ˙ 0,3 = 3,6 Вт. Так как максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность по ТУ Р_max равна 200 мВт, то условие Р>1,5 Р_max выполняется. Используя найденные значения Р, Т_кр и тепловых постоянных R_тiи τ_i из условия (7) находят значение длительности разогревающего импульса t_и = 105 мс.

Затем поддерживают установившуюся температуру в течение времени, обеспечивающего необходимую жесткость отбраковки. Мощность, необходимая для поддержания критической температуры, определяется выражением
P_n = (11) Она равна
Р_n = 0,9 Вт
В данном примере этот способ должен обеспечить такую же жесткость отбраковки для ИС, как электротренировка (ЭТТ) при Т = 85^оС в течение 48 ч при рабочем напряжении тренировки U_тр = 10 В и механизме отказов с энергией активации Е_а > 1,0 эВ.

Время, необходимое для обеспечения такой же жесткости отбраковки, определяется из формулы 6.

K_уск= = exp - , (12) где t₂ - определяемое время;
t₁ - время проведения ЭТТ;
Е_а - энергия активации механизма отказа;
Т₁ - температура прибора (кристалла) при ЭТТ;
Т₂ - температура прибора (кристалла) при отбраковке;
К - постоянная Больцмана;
U_тр - величина тренирующего напряжения при ЭТТ;
U_отб - величина тренировочного напряжения при отбраковке;
ν - параметр;
К_уск - коэффициент ускорения процессов Подставляя в эту формулу значения и учитывая, что величина тренировочного напряжения при отбраковке U_отб = 25 В, ν = 4,5.

K_уск= = exp _ (2,5)^4,5 = 96648. Из этого выражения с учетом времени тренировки (ЭТТ) t1 находят время термополевого воздействия t₂= = ≃ 1,8 с
Учитывая, что ИМС К561 КТ3 представляет собой четыре двунаправленных ключа, сохраняющих работоспособность до критической температуры Т_кр, мощность для поддержания установившейся температуры Р_nподается на два из них. На два других выходных ключа и соответствующие им входы подается комбинация логических нулей и единиц, обеспечивая контроль работоспособности схемы и одновременно тренировку при этой температуре в течение времени t₂. Величина логической единицы равна тренирующему напряжению U_отб. Затем греющие импульсы пропускают по другим двум выходным ключам, а на освободившийся логический тракт подается аналогичная проверочно-тренировочная комбинация также в течение времени t₂.

Подводимое к двум ключам ИМС разогревающее напряжение находят из выражения
U₂= = 2,12 B
После окончания тренировки контролируют электропараметры по нормам для эталонных микросхем, прошедших соответствующие отбраковочные испытания. Для ИМС К561 КТ3 измеряли входной и выходной ток высокого и низкого уровней, ток потребления, ток утечки и максимальный ток утечки на выходе, минимальное и максимальное выходное напряжение.

Отбраковка реализована на автоматической испытательной системе (АИС) типа "Велюр" и "Интеграл". Перед отбраковкой вводили тесты проверки контактирования ИМС.

П р и м е р 2. Аналогичен примеру 1, но при этом импульсы греющего тока подаются смещением р-n-переходов выходных ключей в прямом направлении напряжением больше минимального падения напряжения на прямо смещенном р-n-переходе (> 0,7 В).

Учитывая, что для К561 КТ3 сопротивление прямосмещенных р-n-переходов выходных ключей R_пкл = 10,0 Ом, основные параметры отбраковки будут также эквивалентны параметрам примера 1 за исключением полярности подаваемого на ключи разогревающего напряжения.

Предлагаемый способ отбраковки может быть реализован на любом полупроводниковом приборе и ИС с р-n-переходом.

Использование способа наиболее эффективно для К МОП ИС.

Кроме того, введение верхнего предела ограничения по мощности импульсов разогрева в зависимости от критической температуры позволяет вести отбраковку на предельных режимах, что существенно повышает производительность. Введение запредельных режимов подачи разогревающих импульсов (U > U_проб.л, U_сmax) позволяет увеличивать их мощность, а следовательно, производительность отбраковки. Способы подачи разогревающих импульсов позволяют подавать тренирующие импульсы (как открывающие, так и закрывающие) на различные части ИМС, что существенно повышает достоверность и расширяет область применения отбраковки. (56) Авторское свидетельство СССР N 1558189, кл. G 01 R 31/26, 1988.

Сущность изобретения: отбраковка производится по величине изменения параметров прибора в результате последовательного воздействия импульсов греющей и термостабилизирующей мощности, причем амплитуда первого из них определяется приведенными соотношениями.

СПОСОБ ОТБРАКОВКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ , включающий воздействие на контpолиpуемый пpибоp тpениpующими электpопотенциалами и импульсом гpеющей мощности не менее 1,5 максимально допустимой pассеиваемой мощности, опpеделение изменения паpаметpов контpолиpуемого пpибоpа и сpавнение этого изменения с эталонным значением, отличающийся тем, что, с целью повышения пpоизводительности, после воздействия на контpолиpуемый пpибоp импульсом гpеющей мощности и в пpоцессе воздействия на него тpениpующими электpопотенциалами воздействуют на контpолиpуемый пpибоp теpмостабилизиpующим импульсом гpеющей мощности в течение заданного интеpвала вpемени, а паpаметpы импульса гpеющей мощности выбиpают из соотношений
P ≅ ,
P= j_max˙S_Σ˙U ;
где P, t_п - мощность, выделяемая на контролируемом приборе при прохождении импульса греющей мощности, и его длительность соответственно;
T_кр, T_о - критическая температура и температура активной части кристалла до воздействия импульсов греющей мощности соответственно;
R_тi , τ_i - тепловые сопротивления и тепловые постоянные времени элементов контролируемого прибора соответственно;
N - число элементов контролируемого прибора;
j_max , S_Σ - максимально допустимая плотность тока через металлизацию контролируемого прибора и ее суммарная площадь соответственно;
U - падение напряжения на нагревающем элементе контролируемого прибора.