Способ отбраковки высоковольтных кремниевых полупроводниковых диодов по радиационной стойкости

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ОТБРАКОВКИ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ КРЕМНИЕВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ ПО РАДИАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ(71) Заявитель Государственное научнопроизводственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(72) Авторы Коршунов Федор Павлович Марченко Игорь Георгиевич Жданович Николай Евгеньевич(73) Патентообладатель Государственное научно-производственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(57) Способ отбраковки высоковольтных кремниевых полупроводниковых диодов по радиационной стойкости, характеризующийся тем, что диоды облучают электронным пучком до доз, не приводящих к уходу их параметров, измеряют величину обратного тока диодов до и после облучения и осуществляют отбраковку последних по относительному изменению величины обратного тока, причем диоды облучают при температуре в зоне об 11098 1 2008.08.30 лучения 215-225 и интенсивности электронного пучка 1101111012 см 2 с 1 . Изобретение относится к области электронной техники, а более конкретно к методам испытания и контроля качества полупроводниковых приборов и может быть использовано для отбора кремниевых высоковольтных диодов с одинаковым по контролируемой партии уровнем радиационной стойкости. Устойчивость к воздействию радиации является одной из важнейших эксплуатационных характеристик полупроводниковой аппаратуры. Современные полупроводниковые приборы могут в принципе обеспечить требуемый уровень радиационной стойкости в каждом конкретном случае для каждой практической задачи. Обычно это достигается путем предварительной оценки уровня радиационной стойкости партии конкретных типов приборов, которая базируется на закономерностях изменения всей совокупности эксплуатационных параметров приборов от вида радиации, дозы и условий облучения. Однако наличие некоторых экземпляров приборов из партии с аномально высокой чувствительностью к радиации вызывает ранние отказы аппаратуры даже при малых уровнях радиационного воздействия. Одним из методов обеспечения радиационной стойкости полупроводниковой аппаратуры является отбраковка (выявление и исключение из числа комплектующих) потенци 11098 1 2008.08.30 ально ненадежных экземпляров приборов с повышенной чувствительностью к воздействию ионизирующего облучения. Известен способ 1 отбраковки полупроводниковых приборов по критерию радиационной стойкости, основанный на радиационном и термическом воздействии, заключающийся в предварительном облучении приборов тестовой дозой радиации с последующим отжигом и исключением из партии изделий с наибольшим изменением параметров. Однако этот метод не является универсальным, поскольку неправильный выбор режима цикла облучение - отжиг может вызывать появление нестабильности параметров у годных приборов. Известен способ 2 отбраковки кремниевых структур с р-п-переходами по радиационной стойкости, путем нагрева структуры до температуры образования термодоноров и измерения барьерной емкости при обратном напряжении смещения. Этот способ позволяет из нескольких групп приборов выявить партию приборов с наибольшей (или наименьшей) радиационной стойкостью. Однако достоверность индивидуальной отбраковки приборов этим способом достаточно низка, что ограничивает возможности способа. Известен способ 3, включающий использование малых доз гамма- или электронного облучения и измерение обратного тока р-п-перехода прибора для ускоренной радиационной отбраковки полупроводниковых приборов и выявления аномальных экземпляров с повышенной чувствительностью параметров к дестабилизирующим воздействиям радиации. Метод основан на известном физическом явлении, суть которого состоит в активации излучением скрытых дефектов в приповерхностной области приборной структуры. Однако этот способ не позволяет выявить потенциально ненадежные приборы, способные вызвать отказ аппаратуры при длительном воздействии ионизирующих излучений. Способ 3 является наиболее близким по совокупности признаков к заявляемому и поэтому выбран в качестве прототипа. Общими для заявляемого способа и способа прототипа признаками являются воздействие на прибор, измерение электрического параметра прибора (обратного тока) до и после воздействия и отбраковка приборов на основе изменений этого параметра. Задача изобретения - повышение достоверности отбраковки кремниевых полупроводниковых диодов с повышенной чувствительностью к радиации. Поставленная задача решается тем, что диоды облучают электронным пучком до доз,не приводящих к уходу их параметров, измеряют величину обратного тока диодов до и после облучения и осуществляют отбраковку последних по относительному изменению величины обратного тока, причем диоды облучают при температуре в зоне облучения 215225 С и интенсивности электронного пучка 11011 - 11012 см-2 с. Сущность изобретения заключается в том, что в нем определены и реализованы условия облучения, которые позволят получить наиболее полную информацию о состоянии поверхности диодных структур и провести радиационную отбраковку кремниевых диодов с наибольшей достоверностью. Известно 4, что механизмы повреждения современных полупроводниковых приборов в кремнии при воздействии проникающих излучений имеют много общего. Радиационные эффекты смещения вызывают устойчивые изменения характеристик диодов, которые возрастают с ростом дозы облучения. Радиационные поверхностные эффекты вызывают полуустойчивое изменение обратных токов диодов за счет образования поверхностных каналов утечек, инверсных слоев, концентрация которых в основном зависит от совершенства технологий, состояний защиты поверхности р-пперехода. Ионизационные эффекты проявляются как физические явления только непосредственно в процессе облучения диодов и при снятии облучения они не проявляются. Установлено, что радиационная стойкость кремниевых диодов обычно определяется устойчивыми изменениями на прямой ветви вольтамперной характеристики, обусловленными радиационными эффектами смещений в кристалле кремния. Однако в ряде случаев радиационная стойкость кремниевых диодов может определяться изменениями на обратной 2 11098 1 2008.08.30 ветви вольтамперной характеристики, обусловленными поверхностными радиационными эффектами, наступающими даже при малых дозах облучения, при которых изменения на прямой ветви еще не проявляются. Связано это с тем, что поверхность р-п-перехода диода содержит скрытые нарушения, обусловленные главным образом отклонениями от технологического режима при их изготовлении, которые в обычных условиях, без облучения,не проявляется. Но под воздействием даже малых доз радиации при определенных условиях они могут проявляться. Таким образом, образование каналов утечек и инверсных слоев в местах выхода р-п-перехода на поверхность кристалла полупроводника обусловливают сильный рост обратного тока при данном обратном напряжении за пределы допустимого, особенно в предпробойной области. Поэтому кремниевые диоды, у которых радиационная стойкость определяется ростом обратного тока при облучении, являются потенциально ненадежными, и их необходимо отбраковывать до монтажа в аппаратуру,предназначенную для работы в полях радиации. Предлагается это сделать путем предварительной обработки диодов малыми дозами радиации при определенных условиях температурный режим, интенсивность облучения. Это позволит выявить и отбраковать потенциально непригодные к эксплуатации в полях облучения даже малыми дозами кремниевые диоды. Как известно 2, 5, идея использования малых доз облучения для выявления скрытых нарушений на поверхности кристалла состоит в ускорении созревания под действием факторов облучения дефектов, могущих стимулировать развитие каналов утечек, инверсных слоев и других несовершенств на поверхности реальных полупроводниковых структур. Оптимальный выбор условий облучения (температура, интенсивность облучения и т.п.) позволит получить наиболее полную информацию о поверхностном дефектообразовании и провести отбраковку с наибольшей достоверностью. Пример конкретного исполнения. Высоковольтные диоды таблеточного типа 2510 в количестве 1000 штук были разбиты на 10 групп по 100 штук. Контроль параметров у предварительно отобранных приборов показал, что все диоды имеют значения параметров прямой и обратной ветви вольтамперной характеристики, гарантированных заводом-изготовителем. Причем разброс значений обратного тока у диодов в каждой группе не превышал 10 , так как приборы, показавшие токи, превышающие средние значения на 15 и более были исключены из процедуры испытаний. Для отбраковки использовалось электронное облучение с энергией 4 МэВ при средней интенсивности пучка электронов от 51010 до 11012 см-2-1. Время облучения варьировалось от 10 до 300 секунд, а температура в зоне облучения - от 100 до 250 С. Доза тестирующего облучения составляла 51012 см-2, а контрольного облучения - 31014 см-2. Контрольное облучение проводилось при комнатных температурах. В качестве критерия повышенной радиационной чувствительности приборов использовалось относительное изменение при тестирующем облучении обратного тока, измеренного при 100 С и 25 С (100) / (25) и обратном напряжении на диоде 1000. Приборы, у которых это соотношение лежит в пределах 510-15 , смогут выдержать расчетные уровни проникающей радиации, которые для выпрямительных диодов лимитируются, как известно, ростом прямого падения напряжения. В случае значительного увеличения при тестирующем облучении соотношения (100) / (25) на 25 и более, приборы должны быть исключены из комплектации аппаратуры специального назначения. Результаты испытаний сведены в таблицу. Для каждого значения температуры, интенсивности и условий прототипа использовалась группа диодов в количестве 100 штук. Как видно из таблицы наиболее полная отбраковка осуществляется при температурах облучения 215225 С при интенсивности выше 11011 см-2-1, а выход за пределы этих интервалов и отбраковка по способу прототипа дают худшие результаты. 11098 1 2008.08.30 Результаты отбраковочных испытаний диодов 2510 По предлагаемому способу проводилась отбраковка и других типов кремниевых диодов Д 132-50 и 2 Д 210 Г. Испытания показали, что из общего количества приборов 200 штук (по 100 шт. каждого типа) следует отбраковать 11 диодов типа Д 132-50, для которых соотношение (100) / (25) возросло на 33 по сравнению с начальным значением и 12 диодов 2 Д 210 Г - возрастание (100) / (25) на 38 . Оценку достоверности отбраковки проводили путем сравнения изменений при контрольной дозе облучения параметров диодов всей партии и отбракованных. Так, после дозы облучения 31014 см-2 все отбракованные диоды вышли из строя по обратной ветви вольтамперной характеристики (отбракованные образцы не держали обратное напряжение 1000 В при максимально допустимой температуре эксплуатации), а все оставшиеся диоды(после исключения отбракованных) при этом сохраняют работоспособность. Температурный режим и интенсивность облучения были выбраны экспериментально. Выход за пределы заявляемых диапазонов приводит к худшим результатам. Если температуру в зоне облучения снизить, например, до максимально допустимой рабочей температуры диода, а интенсивность уменьшить до значения 51010 см-2 с-1 отбраковываются не все потенциально ненадежные приборы. Как следует из таблицы, из группы в 100 штук диодов 2510, при этих условиях радиационной обработки, было отбраковано 5 приборов. После облучения оставшихся 95 диодов контрольной дозой 31014 см-2 было отбраковано еще 3. Источники информации 1. Ведерников В.В. Использование ионизирующих излучений для испытаний полупроводниковых приборов. Электронная техника Сер. 2, 1980. Вып. 7(142). - . 124-126. 2. Чернышев А.А. и др. Радиационная отбраковка полупроводниковых приборов и интегральных схем // Зарубежная электронная техника. - 1979. -5. - . 3-25. 3. А.с. СССР 1821842, 1993. 4. Коршунов Ф.П. и др. Радиационные эффекты в полупроводниковых приборах. Мн. Наука и техника, 1978. - 232 с. 5. Вавилов и др. Радиационные методы в твердотельной электронике. - М. Радио и связь, 1990. - 184 с. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4