Способ радиационной отбраковки МОП-транзисторов

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ РАДИАЦИОННОЙ ОТБРАКОВКИ МОП-ТРАНЗИСТОРОВ(71) Заявитель Государственное научнопроизводственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(72) Автор Марченко Игорь Георгиевич(73) Патентообладатель Государственное научно-производственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(57) Способ радиационной отбраковки МОП-транзисторов, при котором осуществляют облучение МОП-транзисторов электронами с энергией 4 МэВ при средней интенсивности пучка электронов 11010 см-2 с-1, одновременно проводят термоциклирование в диапазоне температур от минус 55 до 1503 С в течение от 60 до 90 мин измеряют пороговое напряжение у облученных МОП-транзисторов и проводят их отбраковку по изменению этого параметра до и после облучения проводят отжиг прошедших отбраковку облученных МОП-транзисторов при 400 С в течение 35 мин. Изобретение относится к области электроники, а более конкретно к методам испытаний и контроля качества полупроводниковых приборов на стадиях изготовления и применения, и предназначено для ускоренной отбраковки полевых МОП (металл-оксид полупроводник)-транзисторов, аномально нестойких к дестабилизирующим воздействиям. Известен способ 1 разделения интегральных микросхем по радиационной стойкости и надежности, который заключается в облучении партии микросхем малой дозой ионизирующего излучения, измерении их стандартных электрических параметров и отжиге облученной партии. Из анализа дозовых зависимостей прогнозируют для каждой микросхемы дозу отказа, при которой хотя бы один стандартный параметр достигнет своего предельного значения. Надежность микросхем определяют после отжига по отклонению значения параметров от их исходных значений до облучения. Однако этот способ трудоемок и обладает низкой достоверностью при отбраковке полупроводниковых приборов со скрытыми производственными дефектами. 15627 1 2012.04.30 Известен способ 2 отбора изделий электронной техники по стойкости или надежности, который включает облучение изделий обучающей выборки и разбраковываемой партии, измерение электрических параметров до и после облучения и последующий отжиг до восстановления параметров. Способ позволяет осуществить отбор наиболее радиационностойких и надежных изделий с гарантированными показателями стойкости и надежности. Недостаток способа заключается в необходимости испытаний на радиационную стойкость и надежность представительной выборки и в невозможности оперативной отбраковки изделий с нестабильными параметрами. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ 3 отбраковки полупроводниковых приборов с повышенной чувствительностью параметров к дестабилизирующим воздействиям, включающий электронное облучение и последующий термический отжиг. Он основан на известном физическом явлении, суть которого состоит в активации ионизирующим излучением скрытых производственных дефектов в приповерхностном слое приборной структуры и измерении информативного параметра прибора (обратного тока диода или порогового напряжения МОП-транзистора) до и после облучения. Недостатками способа являются достаточно низкие информативность и эффективность отбраковки. Задача изобретения - повышение достоверности отбраковки МОП-транзисторов с повышенной чувствительностью параметров к дестабилизирующим воздействиям - термическим, электрическим, термоэлектрическим и радиационным. Способ радиационной отбраковки МОП-транзисторов, при котором осуществляют облучение МОП-транзисторов электронами с энергией 4 МэВ при средней интенсивности пучка электронов 11010 см-2 с-1, одновременно проводят термоциклирование в диапазоне температур от минус 55 до 1503 С в течение от 60 до 90 мин измеряют пороговое напряжение у облученных МОП-транзисторов и проводят их отбраковку по изменению этого параметра до и после облучения проводят отжиг прошедших отбраковку облученных МОП-транзисторов при 400 С в течение 35 мин. Сущность предлагаемого способа радиационной отбраковки МОП-транзисторов заключается в обработке испытуемых транзисторов небольшой дозой электронного облучения при одновременном термоциклическом воздействии и отбраковке приборов с аномальными изменениями информативного параметра. Отбраковываются изделия, изменения параметров которых выходят за пределы обычного статистического распределения. В основу предлагаемого метода положены следующие физические явления. При воздействии ионизирующих излучений в МОП-транзисторах происходят следующие процессы 4 генерация и накопление заряда в защитном диэлектрике изменение заряда поверхностных состояний на границе полупроводник-диэлектрик радиационно стимулированная адсорбция и диффузия ионов примеси на поверхности кристалла и в слоях защитного диэлектрика. Чувствительность МОП-транзисторов к воздействиюизлучения определяется как электрическим и тепловым режимами работы приборов, так и качеством их изготовления (наличие дефектов, как правило, увеличивает его радиационную чувствительность). Установлено, что при дозах тестового облучения 104-105 раду транзисторов с физико-технологическими дефектами обнаруживаются аномальные изменения электрических параметров, а у приборов с небольшим количеством дефектов или бездефектных таких изменений значительно меньше. Так, количество накопленного при облучении в диэлектрике объемного заряда определяется дефектами роста пленки и количеством примесей в диэлектрике. Наличие указанных дефектов в МОП-транзисторах при одной и той же дозе излучения приводит к значительному сдвигу порогового напряжения по сравнению с транзисторами, не имеющими таких дефектов. 15627 1 2012.04.30 Физико-технологической задачей заявляемого способа являлось определение условий ускоряющих обработок, которые позволят активизировать эти дефекты именно в МОПтранзисторах. Для таких приборов наиболее эффективными условиями оказались низкоинтенсивное электронное облучение при одновременном термоциклировании (воздействии тепловых ударов при многократном изменении температуры в интервале, указанном в технических условиях для испытаний на надежность). Такая обработка не приводит к значительному дефектообразованию в объеме полупроводника, а ускоряет протекание эффектов на поверхности и в приповерхностной области приборных структур, повышая достоверность выявления приборов со скрытыми производственными дефектами. При многократном чередовании повышенных и пониженных температур в условиях ускоряющего воздействия ионизирующего облучения происходят все возможные реакции, приводящие к накоплению дефектов и изменению соответствующих (информативных) параметров испытуемых приборов, в частности порогового напряжения. Термоциклирование проводят при температурах от -55 до 1503 С в течение 60-90 мин. Указанные интервалы температур и продолжительности термоциклирования установлены экспериментальным путем. Оценка эффективности отбраковки по заявляемому способу показала ее снижение за пределами указанных интервалов на 20-40 . Пример конкретного выполнения. Использовалась партия маломощных МОП-транзисторов с -каналом в количестве 60 шт. Для чистоты эксперимента, с целью обеспечения однородной по электрическим характеристикам выбранной партии, перед испытаниями все приборы проходили предварительный контроль исходных параметров. Он показал, что 52 транзистора имеют близкие (в пределах статистического разброса) значения электрических параметров и могут быть допущены к процедуре отбраковки. Для отбраковки использовалась зависимость наиболее чувствительного к дестабилизированным факторам параметра МОПтранзисторов - порогового напряжения (ПОР). За критерий отбраковки принимался выход величины ПОР-Ф/ПОР-О, где ПОР-О и ПОР-Ф - пороговое напряжение до и после облучения соответственно, за пределы значений более чем на 50-70 . Для отбраковки использовалось облучение электронами с энергией 4 МэВ при средней интенсивности пучка электронов 11010 см-2 с-1. Термоциклирование осуществлялось с использованием паров жидкого азота. Азот испарялся из сосуда Дьюара при помощи электропечи мощностью 900 Вт. Конструкция трубопровода предусматривала подогрев паров азота и, таким образом, возможность получения в контейнере с диодами, помещенном перед выходным окном ускорителя электронов, быстро изменяющейся температуры от отрицательной до положительной и обратно. Время прохождения одного термоцикла от -55 до 150 С и от 150 до -55 С составляло около 10 мин. Последовательность проведения отбраковки 1. Транзисторы размещаются в термоизолированном контейнере перед выходным окном ускорителя электронов ЭЛУ-4. 2. В контейнере устанавливается температура -55 С, включается ускоритель, и при интенсивности пучка 11010 см-2 с-1 начинается облучение транзисторов. Одновременно начинается подъем температуры до 150 С, а затем ее снижение от 150 до -55 С и т.д. По прошествии 75 мин ускоритель выключается. 3. Температуру в контейнере доводят до комнатной и транзисторы извлекают из контейнера. 4. Все облученные транзисторы проходят процедуру измерений. Статистика наблюдаемых изменений ПОР-Ф/ПОР-О следующая. Количество приборов, у которых это отношение увеличилось в среднем до 45 , составило 46 шт. У 5 шт. транзисторов отношение ПОР-Ф/ПОР-О возросло до 75 , а у одного прибора - до 95 . Из 52 приборов следует от 3 15627 1 2012.04.30 браковать, как потенциально ненадежных, шесть транзисторов с наибольшим изменением ПОР-Ф/ПОР-О. 5. Отжиг облученных транзисторов проводился при 400 С в течение 35 мин. Таким образом, используя термоциклирование в комбинации с ускоряющим воздействием электронного облучения как более эффективное средство, чем облучение при фиксированной температуре, для активации технологических дефектов и контролируя величину порогового напряжения, можно оперативно и с высокой достоверностью выявить образцы потенциально ненадежных, слабых МОП-транзисторов, предрасположенных к первоочередному выходу из строя при дестабилизирующем воздействии термическом, электрическом, термоэлектрическом и радиационном. Источники информации 1. Способ разделения интегральных микросхем по радиационной стойкости и надежности Патент РФ 2254587, МПК 01 31/26, 31/28, опубл. 20.06.2005. 2.Способ отбора изделий электронной техники по радиационной стойкости или надежности Патент РФ 2168735, МПК 01 31/26, 31/28, опубл. 10.06.2001. 3. Ведерников В.В. и др. Использование ионизирующих излучений для испытаний полупроводниковых приборов // Электронная техника. Сер. 2. Полупроводниковые приборы. - Вып. 7 (142). - 1980. - С. 124-127 Чернышев А. и др. Радиационная отбраковка полупроводниковых приборов и интегральных схем // Зарубежная электронная техника. 1979. -5. - С. 3-25. 4. Галеев А. и др. Отбор электронных изделий для аппаратуры, работающей в космосе // Электроника Наука, Технология, Бизнес. - 2009. -1. - С. 42-44. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4