СПОСОБ РАЗБРАКОВКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ ПО РАДИАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ Российский патент 2005 года по МПК G01R31/26 

Изобретение относится к электронной промышленности и может быть использовано для разбраковки (классификации) полупроводниковых приборов по радиационной стойкости и для определения радиационной стойкости полупроводниковых приборов при входном контроле на предприятиях - изготовителях радиационно-стойкой аппаратуры, например бортовой аппаратуры космических аппаратов.

Методы радиационной разбраковки полупроводниковых приборов по радиационной стойкости, включая диоды, транзисторы и интегральные схемы, известны с 1960-х годов [1]. В ряде способов разбраковки приборов по радиационной стойкости правило разбраковки приборов вырабатывают на основе измерения совокупности исходных абсолютных значений основных (поименованных в Технических условиях на приборы) и дополнительных электрических параметров, используя, например, теорию образов или корреляционную зависимость исходной величины критериального параметра (параметра, по которому происходит отказ) от дозы излучения, приводящей к отказу. В других способах для выработки правила классификации используют результаты измерения параметров приборов до и после облучения малой дозой излучения, из которых определяют изменения электрических параметров приборов в результате облучения малой дозой излучения [2, 3, 4, 5]. В любом случае для процедуры классификации используют результаты радиационных испытаний так называемой “обучающей” выборки, состоящей, как правило, из не менее чем 50 штук приборов, изготовленных в едином технологическом процессе с классифицируемыми приборами.

Разбраковка приборов известными способами сводится к ранжированию приборов по стойкости или разделению их с определенной вероятностью на группы стойкости (например, ненадежные, надежные и особо надежные). Эти способы не позволяют производить количественную оценку радиационной стойкости каждого из приборов классифицируемой партии с точностью, близкой к точности, достигаемой при радиационных испытаниях полупроводниковых приборов.

Кроме того, для восстановления параметров приборов, существенно изменившихся в процессе разбраковки при облучении, дополнительно применяют отжиг при повышенной температуре, хотя известно [4], что в результате отжига происходит некоторое уменьшение радиационной стойкости приборов КМОП-технологии, облученных малой дозой излучения.

Наиболее близким к заявляемому является способ разбраковки полупроводниковых приборов по радиационной стойкости [5], заключающийся в том, что информативные параметры полупроводниковых приборов “обучающей” выборки и классифицируемой партии измеряют до и после облучения одинаковыми уровнями доз ионизирующего излучения, не приводящими к значительному структурному дефектообразованию, а классификацию приборов проводят по изменениям информативных параметров, вызванным облучением, путем построения распределения отказавших приборов для определения весовых составляющих в “обучающей” выборке с определенными значениями стойкости и последующего отбора приборов с определенной стойкостью исходя из условия равенства весовых составляющих приборов с одной и той же стойкостью в разбраковываемой (классифицируемой) партии и “обучающей” выборке. При этом под информативными параметрами понимают параметры, величина изменения которых после облучения дозой, не приводящей к значительному структурному дефектообразованию, коррелирует со значениями стойкости приборов. В частности, в качестве информативного параметра может выступать и критериальный параметр, по которому происходит радиационный отказ приборов.

Недостатком способа-прототипа является то, что наблюдаемая на практике немонотонность дозовой зависимости параметров некоторых приборов в классифицируемой партии существенно снижает достоверность и функциональные возможности способа классификации, основанного на корреляции радиационной стойкости с изменением информативного параметра после малой дозы облучения, либо требует дозы облучения большей, чем доза, соответствующая экстремуму дозовой зависимости информативного параметра. Увеличение дозы для перехода через экстремум дозовой зависимости информативного параметра сокращает радиационный ресурс приборов. Исключение из процесса разбраковки приборов с аномальной дозовой зависимостью параметров может приводить к отбраковке годных приборов.

Вместе с тем, коэффициент корреляции между изменением информативного параметра после облучения малой дозой и стойкостью всегда меньше единицы. Кроме того, для ряда приборов КМОП-технологии сильная корреляция радиационной стойкости наблюдается не с величиной сдвига параметра прибора после малодозового облучения, а с начальной величиной этого параметра. В способе-прототипе эта информация совсем не принимается во внимание, что не позволяет приблизиться к максимально возможной точности разбраковки.

Анализ результатов радиационных испытаний микросхем показывает, что для достижения высокой достоверности разбраковки необходимо учитывать как сдвиг информативного параметра после малодозового облучения, так и исходную величину этого параметра.

Другим недостатком способа-прототипа является необходимость использования “обучающей” выборки большого объема. Это нужно для надежного определения из распределения по отказам весового содержания приборов с определенной радиационной стойкостью, поскольку именно на весовом содержании строится процедура разбраковки приборов по стойкости.

Еще одним недостатком способа-прототипа является невозможность коррекции влияния систематической погрешности определения радиационной стойкости, которая может быть обусловлена как самой процедурой разбраковки, так и погрешностями измерений. Так при раздельном облучении классифицируемой партии и “обучающей” выборки приборов значительная систематическая погрешность определения стойкости может возникнуть из-за того, что в соответствии с действующими стандартами на испытания погрешность в определении дозы может достигать 30%.

Другим источником систематической погрешности может быть отжиг при повышенной температуре, используемый для восстановления параметров приборов после облучения и заметным образом изменяющий радиационную стойкость [4].

Указанные недостатки существенно ограничивают возможности способа-прототипа и не могут обеспечить высокой точности определения радиационной стойкости.

Целью изобретения является сохранение радиационного ресурса приборов в процессе разбраковки, а также обеспечение высокой достоверности и точности разбраковки при минимальном объеме “обучающей” выборки приборов.

Поставленная цель достигается тем, что в способе разбраковки полупроводниковых приборов по радиационной стойкости, в котором критериальный параметр полупроводниковых приборов для “обучающей” выборки и классифицируемой партии измеряют до и после облучения малой дозой ионизирующего излучения, не приводящей к существенному структурному дефектообразованию, а определение стойкости приборов осуществляют на основе измеренных значений этого параметра и радиационных испытаний “обучающей” выборки, согласно изобретению определение радиационной стойкости каждого из приборов выполняют, используя аппроксимацию дозовой зависимости критериального параметра системой алгебраических уравнений на основе многопараметрической математической модели с двумя независимыми параметрами, причем функциональные соотношения между взаимозависимыми параметрами модели устанавливают путем измерения дозовой зависимости критериального параметра для приборов “обучающей” выборки, а два независимых параметра математической модели для каждого прибора определяют по величине критериального параметра этого прибора, измеренной до и после облучения прибора малой дозой ионизирующего излучения.

Кроме того, для уменьшения влияния систематической погрешности определения радиационной стойкости приборы классифицируемой партии подвергают облучению малой дозой излучения совместно с группой контрольных приборов из этой же партии, облучение которых заканчивается только при достижении радиационного отказа, а математическую модель корректируют путем введения калибровочного параметра, оптимальное значение которого определяют на основе максимального соответствия радиационной стойкости контрольной группы изделий результатам определения радиационной стойкости по математической модели.

При разбраковке интегральных схем КМОП-технологии математическая модель дозовой зависимости критериального параметра имеет вид многочлена четвертой степени от логарифма дозы облучения, причем функциональные зависимости для трех взаимозависимых параметров этого многочлена строят на основе линейной регрессии по результатам испытаний “обучающей” выборки приборов.

С целью сохранения достоверности результатов разбраковки и предотвращения существенного уменьшения радиационной стойкости приборов в последующих операциях входного (или выходного) контроля все операции по разбраковке приборов проводят после тех операций входного контроля, которые связаны с существенным или длительным нагревом приборов выше номинальной температуры. Например, операцию электротермотренировки приборов необходимо проводить до, а не после разбраковки приборов по радиационной стойкости.

Применение многопараметрической модели увеличивает число степеней свободы при описании дозовой зависимости критериального параметра приборов, что, в отличие от способа-прототипа, позволяет учитывать как монотонные, так и немонотонные дозовые зависимости параметров и позволяет производить разбраковку при минимально возможном значении дозы облучения. Таким образом, в предлагаемом способе автоматически учитываются как малодозовый сдвиг критериального параметра, так и исходное значение этого параметра, коррелирующие со значением радиационной стойкости.

В предлагаемом способе математическая модель для аппроксимации дозовой зависимости критериального параметра I микросхем КМОП-технологии (например, выходного тока низкого или тока высокого уровня для микросхем серий 1526 и 564) содержит несколько параметров и имеет вид

ln[I(D)]=P[ln(D)], (1)

где P[ln(D)] - полином от логарифма дозы облучения. Наличие логарифма в левой части формулы необязательно. Например, в случае полинома четвертой степени формула содержит пять параметров - коэффициентов полинома а₀, a₁, a₂, а₃ и a₄. Применение логарифма дозы в формуле (1) позволяет применять ее в широком диапазоне изменения дозы. Дополнительные уравнения, связывающие параметры полинома и входящие в систему уравнений модели для определения этих параметров, получаются из дозовых зависимостей критериального параметра для приборов “обучающей” выборки или контрольной группы.

Экспериментально показано (смотри ниже пример 1 и 2)), что для приборов КМОП-технологии и полинома 4-й степени связь между одним из параметров полинома и тремя другими параметрами полинома линейна. Таким образом, уравнение (1) для классифицируемой партии приборов дополняется тремя уравнениями, линейно связывающими параметры полинома формулы (1). С учетом знания величины критериального параметра до облучения и после малодозового облучения каждой микросхемы “обучающей” выборки и классифицируемой партии имеется пять уравнений для нахождения пяти неизвестных параметров модели и дальнейшей оценки по этим параметрам радиационной стойкости каждой микросхемы в партии.

Перечень фигур графического изображения.

Фиг.1 - Примеры дозовых зависимостей критериального параметра - выходного тока низкого уровня для микросхем 1526ЛА7. Фиг.2 - Функциональная связь между взаимозависимыми параметрами математической прогностической модели для радиационных изменений критериального параметра (выходного тока высокого уровня) микросхем 1526ЛП2, подвергнутых ранее процессу радиационно-термической обработки на основе методики [3]. Фиг.3 - Функциональная связь между взаимозависимыми параметрами модели (параметрами многочлена 4-й степени) для радиционных изменений критериального параметра (выходного тока низкого уровня) микросхем 1526ЛА7. Фиг.4 - Результаты разбраковки по стойкости 13 штук микросхем 1526ЛА7, подвергавшихся ранее радиационно-термической обработке. Фиг.5 - Результаты разбраковки по стойкости 13-ти штук микросхем 1526ЛП2, подвергавшихся ранее радиационно-термической обработке. Фиг.6 - Относительное изменение критериального параметра (выходного тока низкого уровня) для микросхем 1526ЛА7, подвергавшихся ранее процедуре радиационно-термической обработки [3]. Фиг.7 - Функциональная зависимость между взаимозависимыми параметрами (коэффициентами многочлена 4-й степени) математической модели радиационных изменений критериального параметра (выходного тока низкого уровня) для микросхем 564ЛА7, которые не подвергались радиационно-термической обработке [3]. Фиг.8 - Результат разбраковки микросхем 564ЛА7, не подвергавшихся ранее радиационно-термической обработке (5 штук). Фиг.9 - Результат разбраковки микросхем 564ЛП2, не подвергавшихся радиационно-термической обработке. Фиг.10 - Примеры дозовой зависимости критериального параметра (выходного тока низкого уровня) для микросхем 564ЛА7. Фиг.11 - Изменение информативного параметра (выходного тока низкого уровня) для выходных инверторов пяти микросхем 564ЛА7 после облучения малой дозой 1275 рад. Фиг.12 - Зависимость предельно допустимой дозы облучения от исходной величины критериального параметра - выходного тока низкого уровня для партии КМОП интегральных схем 564ЛА7 (12 штук).

Особенностью радиационного изменения критериального параметра приборов КМОП-технологии является то, что максимальная скорость изменения параметра для большинства приборов, входящих в партию, наблюдается в начальной стадии облучения (фиг.1). Поэтому изменения параметра на 3-5% могут достигаться уже при дозе, составляющей не более 0,5% от дозы, приводящей к отказу. Как показал эксперимент, изменения параметра на 3-5% достаточно для разбраковки (классификации) по дозе, приводящей к отказу, с погрешностью определения дозы, близкой к той, которая получается в радиационных испытаниях. При таком незначительном изменении параметров устраняется необходимость в отжиге приборов при повышенной температуре для восстановления параметров приборов после облучения малой дозой, как это имеет место в способе-прототипе.

Для устранения влияния суммарной систематической погрешности определения радиационной стойкости в формулу (1) вводится калибровочный параметр, например, в виде добавки ΔD_кал к величине малой дозы облучения. Величина этого параметра выбирается исходя из соответствия радиационной стойкости контрольной группы изделий, определенной экспериментально и полученной по формуле (1) с учетом калибровочного параметра.

Применение отбраковки предлагаемым способом на заключительном этапе входного контроля приборов, после чего не применяется длительный нагрев приборов, позволяет исключить процедуры, приводящие к уменьшению радиационного ресурса приборов.

Указанные выше отличительные совокупные признаки ранее не описаны и не применялись.

Таким образом, предлагаемый способ разбраковки полупроводниковых приборов по стойкости, по мнению авторов, удовлетворяет критериям “новизна” и “изобретательский уровень”.

Пример 1. Приводимые ниже экспериментальные результаты получены на аттестованном ГОССТАНДАРТОМ измерительном оборудовании Испытательного технического центра НПЦ “ПОЛЮС” (Росавиакосмос) и аттестованной по стандартам КЛИМАТ-7 и МОРОЗ-6 моделирующей установке ЭЛУ-4 НИИ интроскопии при Томском политехническом университете.

Экспериментальная оценка возможности разработки необходимой универсальной математической модели выполнена на основе результатов радиационных испытаний микросхем 1526ЛА7, 1526ЛП2, 564ЛА7 и 564ЛП2, прошедших процедуру радиационно-термической обработки [3]. Для описания полученных результатов была построена 5-ти параметрическая математическая модель радиационных изменений критериального параметра (выходной ток высокого или низкого уровня). Как оказалось, модель хорошо описывает все разнообразие радиационных изменений критериальных параметров в изученных микросхемах серий 1526 и 564. Фиг.2 и 3 демонстрируют полученные из эксперимента графики функциональных зависимостей между взаимозависимыми параметрами математической модели (между параметрами многочлена 4-й степени для переменной в виде логарифма дозы облучения). Эти зависимости хорошо описываются с помощью линейной регрессии. Как было предварительно установлено из экспериментальных данных, критериальными параметрами являются выходной тока низкого уровня для микросхем 1526ЛА7 и выходной тока высокого уровня для микросхем 1526ЛП2. На фиг.4 и 5 для примера показаны результаты сравнения радиационной стойкости микросхем 1526ЛА7 и 1526ЛП2, прошедших предварительно процедуру радиационно-термической обработки [3]. Таким образом, экспериментально подтверждено, что взаимозависимые параметры математической модели отбраковки для всех испытуемых микросхем серий 1526 и 564 связаны линейной зависимостью, параметры которой могут быть определены применением линейной регрессии к результатам радиационных испытаний “обучающей” выборки микросхем. С учетом этих линейных зависимостей результирующая математическая модель дозовой зависимости критериального параметра содержит лишь два независимых параметра, которые могут быть определены по значениям критериального параметра до и после облучения малой дозой излучения. На фиг.6 показаны относительные изменения критериального параметра после облучения микросхем 1526ЛА7 малой дозой, составляющей 1% от средней дозы, приводящей к отказу исследуемой партии микросхем. Как следует из результатов испытаний, изменения критериального параметра на 3-5% вполне достаточно для надежного определения радиационной стойкости микросхем предлагаемым способом. При этом применение отжига для восстановления параметров микросхем не имеет смысла.

Пример 2. Этот пример демонстрирует возможности предлагаемого способа, когда обучающая выборка мала (5 микросхем 564ЛА7 и 6 микросхем 564ЛП2), а также показывает, что в случае разбраковки микросхем, которые не подвергались ранее радиационно-термической обработке, необходимые для реализации предлагаемого способа изменения критериального параметра в (3-5)% достигаются, когда малая доза облучения не превышает 0,5% от дозы до отказа микросхемы. На фиг.7 приведены результаты экспериментальной проверки, доказывающие применимость линейной регрессии для описания функциональной зависимости между взаимозависимыми параметрами математической модели для микросхем 564ЛА7, не подвергавшихся ранее радиационно-термической обработке. На фиг.8 в сравнении с результатами радиационных испытаний показаны результаты оценки радиационной стойкости 5-ти микросхем на основе математической модели, включающей три уравнения линейной регрессии, полученных на основе экспериментальных данных, представленных на фиг.7, а также два уравнения, полученные на основе формулы (1) с учетом начального значения критериального параметра (выходного тока низкого уровня) и значения этого критериального параметра после облучения дозой 1250 рад. На фиг.9 в сравнении с результатами радиационных испытаний показаны результаты разбраковки предлагаемым способом 6-ти микросхем 564ЛП2, не подвергавшихся ранее радиационно-термической обработке. Установлено, что в отличие от способа-прототипа для реализации предлагаемого способа достаточно “обучающей” выборки микросхем, состоящей из 2-х микросхем с существенно различающимися начальными значениями критериального параметра.

На фиг.10 приведен экспериментальный результат, подтверждающий немонотонный характер дозового изменения критериального параметра (выходного тока низкого уровня) для некоторых микросхем 564ЛА7 в области малых доз облучения, что не позволяет использовать способ-прототип из-за того, что малодозовые изменения параметра могут изменять знак при переходе от одной микросхемы к другой (фиг.11).

Кроме того, для микросхем 564ЛА7 получено экспериментальное подтверждение (фиг.12) существенной корреляции радиационной стойкости с начальной величиной критериального параметра (выходного тока низкого уровня), что не используется в способе-прототипе для повышения достоверности разбраковки и повышения точности определения предельно допустимой дозы.

Достоинства предлагаемого способа разбраковки обусловлены следующими основными факторами:

1. Минимальный объем “обучающей” выборки приборов.

2. Сохранение радиационного ресурса приборов.

3. Упрощение процедуры разбраковки за счет исключения отжига для восстановления параметров приборов.

4. Повышение точности определения радиационной стойкости приборов до величины, достигаемой при радиационных испытаниях.

Таким образом, предлагаемое техническое решение, сочетая в себе достоинства известных аналогов и при существенном упрощении его технической реализации, дает существенный положительный эффект.

Источники информации

1. Чернышев А.А., Ведерников В.В., Галеев А.П., Горюнов Н.Н. Радиационная отбраковка полупроводниковых приборов и интегральных схем // Зарубежная электронная техника, 1979, №5(200), с.3-25.

2. Васильева З.Ф., Кононов В.К., Коскин В.В. и др. Методы отбора надежных изделий полупроводниковой электроники, устойчивых к комплексному воздействию ионизирующих излучений, электрических и тепловых нагрузок, для комплектации радиоэлектронной аппаратуры с экстремальными условиями эксплуатации // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру, 1999, вып.3-4, с.3-7.

3. РД 11 0939-95 Руководящий документ. Изделия электронной техники. Метод классификации полупроводниковых приборов и интегральных микросхем по уровням наработки с применением радиационно-стимулирующего облучения, в том числе с учетом условий эксплуатации. РНИИ Электронстандарт, 1998.

4. Влияние радиационно-термической обработки на показатели надежности и радиационной стойкости изделий полупроводниковой электроники // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру, 1999, вып. 3-4, с.3-7.

5. Васильева З.Ф., Коскин В.В., Куница И.Г., Лысов В.Б., Малинин В.Г., Матвеева Л.А. Способ отбора электронной техники по стойкости или надежности. Патент №2168735, G 01 R 31/26, 31/28 от 05.04.1999 // Изобретения, полезные модели, 2001, №16 (II ч.), с.298.

Использование: для разбраковки полупроводниковых приборов по радиационной стойкости. Сущность заключается в том, что критериальный параметр полупроводниковых приборов для “обучающей” выборки и классифицируемой партии измеряют до и после облучения малой дозой ионизирующего излучения, не приводящей к существенному структурному дефектообразованию, а определение стойкости приборов осуществляют на основе измеренных значений этого параметра и радиационных испытаний “обучающей” выборки, при этом определение радиационной стойкости каждого из приборов выполняют, используя аппроксимацию дозовой зависимости критериального параметра системой алгебраических уравнений на основе многопараметрической математической модели с двумя независимыми параметрами, причем функциональные соотношения между взаимозависимыми параметрами модели устанавливают путем измерения дозовой зависимости критериального параметра для приборов “обучающей” выборки, а два независимых параметра математической модели для каждого прибора определяют по величине критериального параметра этого прибора, измеренной до и после облучения прибора малой дозой ионизирующего излучения, при этом математическая модель дозовой зависимости критериального параметра имеет вид многочлена степени, не ниже второй от логарифма дозы облучения, причем функциональные зависимости для взаимозависимых параметров этого многочлена строят на основе линейной регрессии по результатам испытаний “обучающей” выборки приборов. Технический результат: обеспечение высокой достоверности и точности разбраковки при минимальном объеме “обучающей” выборки приборов и сохранение радиационного ресурса приборов в процессе разбраковки. 2 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Способ разбраковки полупроводниковых приборов по радиационной стойкости, заключающийся в том, что критериальный параметр полупроводниковых приборов для “обучающей” выборки и классифицируемой партии измеряют до и после облучения малой дозой ионизирующего излучения, не приводящей к существенному структурному дефектообразованию, а определение стойкости приборов осуществляют на основе измеренных значений этого параметра и радиационных испытаний “обучающей” выборки, отличающийся тем, что определение радиационной стойкости каждого из приборов выполняют, используя аппроксимацию дозовой зависимости критериального параметра системой алгебраических уравнений на основе многопараметрической математической модели с двумя независимыми параметрами, причем функциональные соотношения между взаимозависимыми параметрами модели устанавливают путем измерения дозовой зависимости критериального параметра для приборов “обучающей” выборки, а два независимых параметра математической модели для каждого прибора определяют по величине критериального параметра этого прибора, измеренной до и после облучения прибора малой дозой ионизирующего излучения, при этом математическая модель дозовой зависимости критериального параметра имеет вид многочлена степени не ниже второй от логарифма дозы облучения, причем функциональные зависимости для взаимозависимых параметров этого многочлена строят на основе линейной регрессии по результатам испытаний “обучающей” выборки приборов.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что приборы классифицируемой партии подвергают облучению малой дозой излучения совместно с группой контрольных приборов из этой же партии, облучение которых заканчивается только при достижении радиационного отказа, а математическую модель корректируют путем введения калибровочного параметра, оптимальное значение которого определяют на основе максимального соответствия радиационной стойкости контрольной группы изделий результатам определения радиационной стойкости по математической модели.3. Способ по пп.1, 2, отличающийся тем, что все операции по разбраковке приборов проводят после тех операций входного контроля, которые связаны с существенным или длительным нагревом приборов выше номинальной температуры.