Способ отбраковки полупроводниковых приборов на основе кремния по радиационной стойкости

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ОТБРАКОВКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ НА ОСНОВЕ КРЕМНИЯ ПО РАДИАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ(71) Заявитель Государственное научнопроизводственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(72) Авторы Марченко Игорь Георгиевич Жданович Николай Евгеньевич Коршунов Федор Павлович(73) Патентообладатель Государственное научно-производственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(57) Способ отбраковки полупроводниковых приборов на основе кремния по радиационной стойкости, при котором осуществляют термическое воздействие на структуру приборов, измеряют электрический параметр прибора до и после воздействия и отбраковывают приборы по изменению этого параметра, отличающийся тем, что термическое воздействие осуществляют при 400 С в течение от 10 до 15 мин, после чего осуществляют радиационное воздействие на структуру приборов путем облучения электронами с энергией 6 МэВ при комнатной температуре флюенсами, составляющими от 20 до 40 от численного значения концентрации основной легирующей примеси в исходном полупроводниковом материале приборов. Изобретение относится к области электротехники, а более конкретно к методам испытания и контроля качества полупроводниковых приборов на основе кремниевых структур с р-п- переходами, и может быть использовано для увеличения достоверности отбора диодов, транзисторов, тиристоров с повышенной радиационной стойкостью на предприятияхизготовителях полупроводниковых приборов. Одним из методов обеспечения надежности радиоэлектронной аппаратуры в экстремальных условиях эксплуатации является выявление и исключение из числа комплектующих потенциально ненадежных экземпляров приборов. Известен способ разбраковки биполярных транзисторов по критериям надежности и стойкости к электростатическим разрядам 1, в котором для увеличения достоверности осуществляют отбраковку в два этапа. На первом этапе транзисторы делят на партии и разбраковывают по изменению информативного параметра, а на втором этапе по изменению информативного параметра окончательно разбраковываются транзисторы, которые по результатам первого этапа попали в подпартию с повышенной надежностью. 11642 1 2009.02.28 Недостатком способа является низкая достоверность в прогнозировании радиационной стойкости приборов, деградация которых обусловлена эффектами в объеме кристалла полупроводника. Известен способ 2 диагностирования полупроводниковых приборов по 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. Недостатком этого способа является его низкая достоверность, поскольку неправильный выбор режима цикла облучение - отжиг может вызывать появление нестабильности параметров приборов при экстремальных температурах рабочей среды. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ 3 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 провести групповую разбраковку по радиационной стойкости и из нескольких групп выявить партию приборов с наибольшей радиационной стойкостью. Недостатком способа является низкая достоверность отбора полупроводниковых приборов с повышенной радиационной стойкостью. Задача изобретения - увеличение достоверности отбора полупроводниковых приборов с повышенной радиационной стойкостью. Способ отбраковки полупроводниковых приборов на основе кремния по радиационной стойкости, при котором осуществляют термическое воздействие на структуру приборов, измеряют электрический параметр прибора до и после воздействия и отбраковывают приборы по изменению этого параметра. Новым, по мнению авторов, является то, что термическое воздействие осуществляют при 400 С в течение от 10 до 15 мин, после чего осуществляют радиационное воздействие на структуру приборов путем облучения электронами с энергией 6 МэВ при комнатной температуре флюенсами, составляющими от 20 до 40 от численного значения концентрации основной легирующей примеси в исходном полупроводниковом материале приборов. В предлагаемом способе флюенсы электронного облучения конкретно не указаны, так как номенклатура выпускаемых полупроводниковых приборов в индустриально развитых странах очень широка. Например, для тиристоров на токи до 1,5 кА и запорное напряжение до 2 кВ и для диодов на ток до 5 А и обратное напряжение до 35 В флюенс будет отличаться на несколько порядков. Поэтому, если привязать флюенс облучения к концентрации примеси, то можно использовать заявляемый подход при отбраковке всех изделий электронной техники как существующих, так и вновь разрабатываемых. Сущность изобретения. Согласно экспериментальным данным 4, скорость деградации электрофизических характеристик кремния при одинаковых условиях радиационного воздействия определяет примесно-дефектный состав полупроводникового материала. Основной технологической примесью для кремния является кислород. Концентрация этой примеси даже в материале, полученном одним и тем же способом, может существенно различаться. Так, в тянутом кремнии, выращенном методом Чохральского и являющимся базовым материалом большинства диодов, транзисторов и тиристоров средней мощности,концентрация кислорода может составлять от 11017 до 31018 см-2. Поэтому в условиях реального производства биполярные полупроводниковые приборы одного и того же типа могут быть получены на исходном кремнии с различной концентрацией кислорода. При исследовании характеристик облученных приборов на основе кислородного кремния этот факт обязательно следует принимать во внимание, так как роль кислорода в образовании радиационных дефектов чрезвычайно велика. Так, кислород входит в состав комплекса вакансия - кислород (А-центра), основного радиационного дефекта в облученном п-типа 2 11642 1 2009.02.28 кремнии, с накоплением которого связаны практически все радиационные изменения этого материала, а следовательно, и приборов на его основе. Естественно, что эффективность образования данного радиационного центра будет выше в том материале (а изменение параметров приборов при облучении сильнее), в котором концентрация кислорода будет выше. Для проведения группового отбора приборов необходимо иметь сравнительные данные о содержании кислорода в образцах приборов из каждой партии, представленной на испытания. Такую информацию получают путем сравнения скоростей введения в базовый материал приборов дефектов термообработки термодоноров (структурные дефекты донорного типа, дающие энергетический уровень в запрещенной зоне с энергией ионизации 0,08 эВ и сечением захвата электронов 1016 см 2 5), поскольку этот тип дефектов в кремнии является чувствительным индикатором растворенного в кристалле кислорода. Данные о концентрации введенных термодоноров в базовый материал приборов можно получить косвенным путем, прослеживая изменение при термообработке какой-либо характеристики, чувствительной к изменению электропроводности базовой области приборной структуры. Такой характеристикой является барьерная емкость р-п-перехода, составляющего прибор. Температура и продолжительность термообработки выбраны исходя из необходимости обеспечить введение минимальной концентрации термодоноров в приборные структуры, достаточной для изменения барьерной емкости, фиксируемого измерительной аппаратурой. Индивидуальный отбор связан с проведением электронного облучения приборов,обеспечивающего изменения их параметров, фиксируемых измерительной аппаратурой. Отбраковываются из партии те приборы, параметры которых после облучения имели наибольшие изменения. Отбракованные приборы в дальнейшем можно использовать в менее жестких (по требованию к радиационной стойкости) условиях эксплуатации. Диапазон флюенсов электронного облучения выбран также исходя из условия минимального изменения только критериального параметра, по скорости изменения которого проводится отбор, и исключить нежелательные изменения других. Пример конкретного выполнения. Отбраковка проводилась на диодах типа КД 202 А,полученных на основе кремниевых структур с р-п-переходами, до посадки их в корпуса. Диодные структуры были получены на основе кислородного кремния марки КЭФ. Причем, исходные пластины, на которых формировались структуры с р-п-переходами, были вырезаны из четырех различных слитков кремния, поступивших на завод-изготовитель. По принадлежности к каждому из этих слитков все полученные диоды были разбиты на 4 группы по 50 штук каждой всего 200 приборов. От каждой группы было отобрано по 5 образцов и измерена их барьерная емкость(СБ) при обратном смещении 100 В. Усредненное значение СБ диодов из каждой группы было одинаковым и равным 50 пФ. После термообработки при 400 С в течение 10 мин снова повторялась процедура измерения СБ. Образцы из первой группы имели СБ 55 пФ, второй - 61 пФ, третьей - 69 пФ, четвертой 75 пФ. Возрастание емкости у термообработанных приборов связано с ростом проводимости диода за счет мелких донорных уровней в запрещенной зоне кремния, увеличивающих концентрацию свободных носителей заряда в базе диода. Причем, где изменения СБ наибольшие (относительно исходной величины СБ 50 пФ), там и концентрация введенных термодоноров тоже наибольшая. Поэтому можно расположить исследованные группы диодов по степени убывания в них растворенного кислорода четвертая, третья, вторая и первая, и сделать вывод о том, что наибольшей относительной радиационной стойкостью будут обладать приборы первой группы с наименьшей концентрацией кислорода (50 шт. из общего количества приборов в 200 шт.). 3 11642 1 2009.02.28 Для проведения индивидуального отбора приборов с повышенной радиационной стойкостью все 50 диодов из первой группы облучались при комнатной температуре электронами с энергией 6 МэВ до флюенса 31013 см-2. Контролировалась величина времени жизни неравновесных носителей заряда (Р) при высоком уровне инжекции, измеряемая методом Лэкса 6. Статистика наблюдаемых изменений следующая. Количество диодов, у которых начальное значение Р уменьшилось на 20 , составило 18 шт., на 28- 22 шт. и на 35- 10 шт. Термический отжиг при 350 С в течение 15 мин полностью восстанавливает параметры облученных диодов до начальных значений. Можно прогнозировать, что диоды с минимальными изменениями Р (18 приборов из 200) будут наиболее устойчивыми (по сравнению с другими приборами) к воздействию излучений и сохранят свою работоспособность до больших доз облучения. Таким образом, предложенный способ, по сравнению с известным, позволяет до 2,5 раз повысить точность прогнозирования и, следовательно, увеличить достоверность отбраковки полупроводниковых приборов по радиационной стойкости. Источники информации 1. Заявка 2204143 С 2, 2003. 2. Ведерников В.В. Использование ионизирующих излучений для испытаний полупроводниковых приборов. Электронная техника. Сер. 2, 1980. Вып. 7 (142). - С. 124-126. 3. А.с. СССР 1821842 А 1, 1993. 4. Физические процессы в облученных полупроводниках / Под ред. Л.С. Смирнова. Новосибирск Наука, 1977. 5. Макаренко Л.Ф. и др. Электронная техника. Сер 6. Материалы, 1986. Вып. 1. - С. 67-69. 6.В.,.Т . . 1984. - . 25. -9. - Р. 1148-1154. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4