Способ контроля качества и надежностипОлупРОВОдНиКОВыХ СТРуКТуР C P-п пЕ-РЕХОдАМи Советский патент 1981 года по МПК H01L21/66 

Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано для контроля качества и надежност дискретных полупроводниковых приборов и микросхем в процессе ихпроизводства и применения, при отбраков ке изделий со скрытыми дефектами, а также при разработке и совершенствовании технологии производства. Известны способы контроля качества и надежности полупроводниковых структур с р-п-переходами с помснцью климатических испытаний. Один из известных способов включает в себя испытание изделий посредством термоциклических воздействий (минимум три цикла), причем кг1ждый цикл состо ит из этапов: выдержки приборов в ка мере холода при нижнем значении эксп луатационной температуры в течение времени, необходимого для достижения теплового равновесия, переноса прибо ров в камеру тепла и аналогичной выдержки при максимсшьной температуре причем время переноса приборов из камеры холода в камеру тепла и обратно не должно превьашать 5 мин. Пос ле климатических испытаний производят измерения электрических парамет.ров приборов 1 . Способ эффективен для обнаружения механических дефектов конструкции или наличия влаги на поверхности, привбдящей к деградации р-п-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 электрическад 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 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-п-переходов при низкой темпера ,туре путем подачи на них нарастающег ;а затем убывающего обратного напряже ния. О качестве и надежности структу судят по виду вольтамперных характеристик р-п-переходов в предпробойной области 43. Недостатком данного способа являе ся его низкая эффективность при прогнозировании параметрических отказов приборов, обусловленных дефектгили на поверхности и в объеме полупровод ника, которые создают глубокие ловуречные уровни. Выявить такие дефекты с помощью известного способа нель зя потому, что в нем измерения ВАК проводят в диапазоне малых обратных токов 0,5 -10 нА без захода в област 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 контроля качества и нёодежности полупроводниковых структур с р-п-переходами, включающего в себя выдержку структур в камере холода в течение времени, достаточного для установления низкой температуры измерение вольтамперных характерист испытуемых р-п-переходов при низкой температуре путем подачи на них нарастающего, а затем убывающего обратного напряжения, выдержку германиевых полупроводниковых структур проводят в диапазоне отрицательных температур 115-125 с, 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 лав}1ннс го пробоя. Данный способ основан на физичес ки5 щ оцессах, происходящих в р-ппе ходах. Обратная ветвь вояьтамперных характеристик реальньк р-ппереходов в предпробойной области и в режиме лавинного пробоя отличается от теоретической вследствие влияния дефектов, находящихся на no верхности и в объеме структуры, Физическая природа дефектов определяет :степень надежности и уровень качества структур. лавинный пробой р-п-переходов происходит не однородно по всей площади, а локализуется в отдельных областях (микроплазмах), При низкой температуре микроплазменный пробой шунтируется влиянием поверхностных эффектов и глубоких ловушечных уровней , обусловливающих параметрические отказы приборов при длительной эксплуатации. Наличие глубоких ловушечных уровней приводит также к гистерезису лавинного пробоя. Последовательность операций при осуществлении предлагаемого способа Следующая, Испытываемые полупроводниковые структуры с р-п-переходалш 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 ВАК. При нарастании обратного напряжения происходит пространственная перезарядка глубоких ловушек в структурах, в результате которой возникает внутреннее поле, обратное прикладалваемому. Нарастающее обратное напряжение выбираьот достаточным для захода в область лавинного пробоя р-п-переходов. Лавинный пробой при напряжении способствует обратной перезарядке глубоких ловушек лавинными носителями, .которая уменьшает внутреннее поле и увелич1 вавт нащ яженность электрического поля в р-п-переходе, В связи с этим напряжение для включения лавины изцдокаэывается большим, чем напряжение для ее поддержания. Затем уменьшают обратное напряжение и , наблюдая ВАХ,замечс1ют,что вы-; ключение лавины происходит при которое меньше .e, наблюдают гистерезис напряжения лавинного пробоя, хаЬактериэуемый постоянной t . 100%, где ли-идкд- ,абсолютное значение гистерезиса напряжения лавинного пробоя. Значение постоянной tj является количественной характеристикой качества и аадежности исгадтываемых 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 jaa надежность в течение 2000 ч в электрическом режиме, предельно доп тимом по мощности, току и напряжени для данных структур, и хранению в т чение 120 сут при повышенных влажно ти 95-98% и температуре . Пос каждых 500 ч испытаний и хранения измерялись основные электропараметры структур. Предварительно контроль качества тех же структур проводился в соотве ствии с предлагаемым способом. По стабильности и форме ВАК в области лавинного пробоя р-п-переходов клас сифицировались на пять групп: 1.Микроплазмен1 1Ый пробой без гис терезиса; 2.Малый гистерезис лавинного пр боя ctj 3%; 3.Большой гистерезис лавинного пробоя с г, 3%J 4.Гистерезис в предпробойной области, шум с аномально низким 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 гру наблюдались нестабильность электропараметров, их уход за пределы норм и катастрофические отказы. Струк.туры первой и второй групп отказов и ухода параметров за пределы норм не имели. Таким образом, сравнительшде испытания структур подтвердили правильность установленных в изобретении критериев отбраковки и эффекти ность предлагаемого способа контрол качества и надежности. Это дает возмсмсность использовать его для от браковки потенциально ненадежных структур с р-п-переходами, исключает проведение длительных и трудоемких испытаний на надежность, сокр щает 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. Формула изобретения 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 волыгамперных характеристик испытуемых р-п-перекодов при низкой температуре путам подачи на них нарастающего, а затем убывающего обрат,ного напряжения, отличающий с я- тем, что, с целью повьшения эффективности контроля и прогнозирования надежности структур, выдержку германиевых полупроводниковых структур проводят в диапазоне отрицательных температур 115-125 0 , а кремниевых - 75-85 С, величину обратного напряжения выбирают достаточной для захода в область лавинного пробоя, ;а о качестве и надежности структур судят по величине гистерезиса напряжения лавинного пробоя. Источнки информации принятые во .внимание при. экспертизе 1.Изделия электронной техники. ГОСТ 16962-71, Метод 205-1, 1972, с. 46. 2.Авторское свидетельство СССР 438947, кл. G 01 R 31/26, 1975. 3.ТИИЭР, 2, 1974,т.62,с.6-37. 4.Патент США 3665307, кл. 324-157, опублик. 1972 (прототип)