Способ испытания полупроводниковых приборов с МДП-структурой Советский патент 1984 года по МПК H01L21/66 G01R31/26 

I Изобретение относится к микроэлектронике и 1ожат быть использовано для отработки технологии изготовления, проведения промежуточного контроля, анализа отказов, прогнозирования надежности полупроводниковьк приборов с встроенной структурой металл - диэлектрик - полупроводник. Известен способ определения заря.довой нестабильности по изменению характеристик полупроводниковых приборов, измеряемых в изотермическом режиме до и прсле термообработки с приложенным электрическим полем, вкл чающим измерение в полупроводнике в изотермическом режиме интегрального заряда отображения, связанного с образованием и переносом заряда в диэлектрическом слое ВДП-структуры, а также с изменением заряда поверхностных состояний на границах раздела диэлектрик - металл и диэлектрик полупроводник 13. Недостатки данного устройства низкая чувствительность и невозможность интерпретации полученных резул татов. Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ испытания полупроводниковых приборов с МДП-структурой, согласно которому соединяют накоротко затворы приборов с остальными электродами, затем приборы нагревают до температуры, величину и время выдержки которой выби рают достаточными для перераспределения заряда в диэлектрике и изменения параметд)ов испытуемого прибора под воздействием электрического поля вызванного контактной разностью потенциалов, и охлаждают до комнатной температуры. Сравнение результатов измерений параметров приборов до и после такого воздействия полем и температурой позволяет судить о надежности МДП-структур 2. Недостатком известного способа является низкая точность проведения испытаний МДП-структур за счет небольшой величины и-недостаточной нос приимчивости контактной разности потенциалов, под действием которой осуществляется поляризация исследуемой структуры. Цель изобретения - повышение точности испытаний приборов. Поставленная цель достигается тем Что согласно способу испытания полупроводниковых приборов с НЦП-структурой, включающему нагрев структуры с последующим охлаждением до комнатной температуры и измерение электри.ческих параметров испытуемой структуры, одновременно с нагревом на структуру подают напряжение,величина которого лежит в диапазоне от максимального рабочего напряжения до 0,9 напряжения пробоя диэлектрического слоя, нагрев проводят до температуры,лежащей в интервале от максимальной рабочей температуры до температуры эвтектики, вьщерживают структуру 3 45 мин при этой температуре, затем структуру охлаждают до комнатной температуры,после чего снимают напряжение и проводят линейный нагрев структуры со скоростью 0,1-0,6 град/с с одновременной регистрацией температурной зависимости тока деполяризации, по которой определяют значение заряда в окисле и сравнивают с установленными нормами этого заряда. На фиг.1 представлена блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ; на фиг.2 - типичная зависимость тока деполяризации от температуры при линейном нагреве (скорость нагрева 0,5 град/с) МДП-структуры. При анализе температурной зависимости тока деполяризации определяют величину заряда в диэлектрической пленке, характеризующего зарядовую нестабильность, энергию активации отдельных релаксационных процессов, ответственных за зарядовую нестабильность. Время поляризации выбирается таким, чтобы заряд поляризации (определяемый по площади по кривой вре- менной зависимости тока поляризации) перестал увеличиваться с дальнейшим ростом времени поляризации. Такое состояние образца соответствует полной поляризации диэлектрика. В. качестве нижнего предела температуры поляризации выбирается максимально допустимая рабочая темпрратура изделия, так как при более низких температурах поляризации некоторые механизмы электрической релаксации, присущие данному прибору в рабочем диапазоне температур, не включаются в поляризационный процесс и соответственно не проявляются в токе деполяризации. Последнее приводит к тому,

что предлагаемый способ контроля дает заниженную оценку зарядовой нестабильности изделий.

Верхняя граница температурной поляризации обусловлена тем, что при температуре, больше температуры эвтектики металл - кремний, происходит деградация свойств ЩП-структуры из-за образования растворов с повышенной проводимостью.

Верхний предел напряжения поляризации выбирается 0,., где Uppoff. - напряжение пробоя диэлектрического слоя, на основании результатов исследования МДП-структур.

Увеличение прикладываемого к МДП-структуре напряжения выше 0,9Unpo приводит к резкому возрастанию вероятности пробоя диэлектрика. В тако случае способ контроля становится .разрушающим. Если же напряжение 0,9Unpa f. ) то вероятность пробоя превьш1ает 10%. Ограничивать верхний предел напряжения поляризации еще более низким уровнем не целесообразно, так как полезный сигнал (ток поляризации) пропорционален напряжению поляризации.

Пример. Пластины кремния окислены в кислороде в режиме Сухой - влажный - сухой при 1150 С, при этом толщина образованного окисла SiO составляет 0,5 мкм. Окисел с нижней стороны пластины удаляют. Контакты наносятся путем напыления алю- миния в вакууме круглыми диаметром 1-2 мм на окисел и сплошной слой на .нижнюю сторону.

« Исследуемая МДП-структура помещается в измерительную ячейку 1 (фиг.1). После подсоединения зондов контактирующего устройства посредство блока 2 предварительного контроля образцов устанавливается факт подсоединения к измерительной схеме устройства и отсутствие короткого замыкания у исследуемой НЦП-структуры (контроль ведется по величине емкости подсоединяемого образца, которая должна соответствовать некоторому интервалу значений, например 90-115 пФ) По команде с блока 3 программатора при помощи терморегулятора 4 и нагревательного элемента 5 производится нагрев МДП-структуры до некоторой температуры поляризации (например, +125 С - верхняя граница рабочих температур полупроводниковых приборов) . Факт достижения образцом температуры поляризации устанавливается посредством термопары 6. После достижения температуры поляризации терморегулятор 4 поддерживает температуру образца в течение времени, необходимого для поляризации, а блок 3 программатора посредством блока 7 коммутации подает на исследуемую структуру напряжение поляризации (например, 10 В), которое задается блоком 8 стабилизированного источника напряжения поляризации. В случае пробоя НЦПструктуры при поляризации на блоке 8 осуществляется индикация пробоя и с него подается команда на блок 3 программатора для отключения напряжения поляризации и охлаждения образца до комнатной температуры. После выдержк НЦП-структуры при температуре поляризации с приложенным полем в течение времени, достаточного для полной поляризации (например, 5 мин), образец охлаждают с приложением напряжения поляризации до исходной температуры, а затем напряжение поляризации снимается и образец закорачивается на измеритель 9 тока. Ток деполяризации измеряется в процессе линейного нагрва НЦП-структуры (например, со ско.ростью нагрева 0,5 град/с),который осуществляется при помощи терморегулятора 4. Температурная зависимость деполяризации фиксируется при помощи самопишущего прибора 10. Интегрируя площадь под кривой тока деполяризации, можно определить заряд, приходящийся на единицу площади НДП-структуры , г

Q.4Si

где I (О - температурная зависимость

тока деполяризации. Если величина 0, измеренная предлагаемым способом, не превышает некоторой критической величины Q «рит для данной группы приборов, то структура считается годной по зарядовой стабильности, в противном случае негодной.

Для данной серии образцов д(пустимый заряр в окисле (величина допустимого заряда в окисле зайисит от толщины диэлектрика и технологии изготовления). В результате измерений получают заряд в окисле ( - ±0,5)-10 и, следовательно, контролируемая партия пропускается на следующую технологическую операцию .

Энергия активации определяется по

3 формуле

Та

..кт

где 3-0 1

начальное значение тока; ток деполяризации на начальном участке нагрева; постоянная Больцмана;

к Т - температура. Для данной серии образцов Е 0,4 эВ.

Введение в технологию изготовления МДП-транэисторов между маршрутами Изготовление пластины и Сборка и испытание МДП-устройства промежуточного контроля тестовых ОДП-структур по параметру Зарядовая стабильность (путем экспресс-измерения неизотермического тока деполяризации) позволит исключить из дальнейшего технологического процесса кристаллы с низкой зарядовой стабильностью, которые по существующей технологии выявляются и отбраковываются лишь на финишном контроле готовых приборов по результатам температурных испытаний (термополевая отбраковка). Результаты промежуточного контроля по параметру Зарядовая стабильность могут быть использованы также для корректировки или отработки технологического процесса изготовления пластин не только ЩП-транзисторов, но и биполярных приборов.

СПОСОБ ИСПЫТАНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ С МДП-СТРУКТУРОЙ, включающий нагрев структуры с последующим охлаждением до комнатной температуры и измерение электрических параметров испытуемой структуры, отличающийся тем, что. с целью повышения точности испытаний, на структуру одновременно с нагревом подают напряжение, величина которого лежит в диапазоне от максимального рабочего напряжения до О, 9 напряжения пробоя диэлектрического слоя, нагрев проводят до температуры, лежащей в интервале от максимальной рабочей температуры до температуры эвтектики, вьщерживают структуру 3-45 мин при этой teMnepaType, затем структуру охлаждают до комнатной температуры, после чего снимают напряжение и проводят линейный нагрев структуры со скоростью 0,1-0,6 град/с с одновременной регистрацией температурной зависимости тока деполяризации, по которой определяют значение заряда в окисле и сравнивают с установленными нормами этого заряда.

/Л