Способ радиационной отбраковки биополярных транзисторов

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ РАДИАЦИОННОЙ ОТБРАКОВКИ БИОПОЛЯРНЫХ 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 биполярных транзисторов, при котором измеряют величину обратного тока упомянутых транзисторов для обеспечения активации поверхностных дефектов в переходах транзисторных структур осуществляют термическое воздействие на транзисторы в течение 50,5 ч при температуре 125 С при подаче на транзисторы напряжения смещения, составляющего не более 70 от максимально установленного запирающего напряжения для данных транзисторов, после чего осуществляют радиационное низкоинтенсивное воздействие на транзисторы продолжительностью не более 10 мин, вновь измеряют величину обратного тока транзисторов и осуществляют отбраковку транзисторов по изменению этой величины. Изобретение относится к области электричества, а более конкретно к методам испытаний и контроля качества полупроводниковых приборов на основе кремния на стадиях изготовления и применения, и предназначено для отбраковки из партии потенциально ненадежных биполярных транзисторов. Как известно 1, основной причиной ранних отказов полупроводниковых приборов(ПП), изготовленных на основе многослойных структур с переходами, при дестабилизирующих воздействиях являются несовершенство исходных полупроводниковых материалов и недостаточная точность технологических режимов. В результате полупроводниковые структуры могут содержать различные дефекты. Эти дефекты не обнаруживаются при проверке электрических параметров на функциональном контроле, поэтому их называют скрытыми дефектами (СД). Наиболее действенными методами выявления СД и отбраковки некачественных и потенциально ненадежных приборов являются технологические отбраковочные и диагностические испытания ПП 2. Они основаны на провоци 17795 1 2013.12.30 ровании отказов (нарушении стабильности параметров) ПП путем активации СД в физической структуре полупроводникового кристалла. Для активации этих дефектов применяют методы термического, электрического, термоэлектрического и радиационного воздействия. Для контроля используют зависимость какого-либо чувствительного параметра ПП от дестабилизирующих факторов. Одно из требований к отбраковке состоит в том, что она не должна ухудшать рабочие характеристики прибора, поскольку изделие будет использовано в системе. Известен способ 3 разбраковки полупроводниковых приборов, заключающийся в том, что отбор потенциально ненадежных изделий проводят по оценке коэффициента увеличения интенсивности шумов каждого изделия после не менее десяти термоциклов в диапазоне крайних температур, допустимых по техническим условиям, по сравнению с первоначальным значением. Однако этот способ обладает низкой достоверностью при отбраковке полупроводниковых приборов со скрытыми производственными дефектами. Известен способ 4 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 из всей партии изделий с нестабильными параметрами. Известен способ 5 использования ионизирующих излучений для испытаний полупроводниковых приборов, в том числе и биполярных транзисторов, с повышенной чувствительностью параметров к дестабилизирующим воздействиям. Он позволяет в сотни раз сократить время испытаний для оценки стабильности параметров приборов по сравнению с методами, основанными на воздействии только тепловой и электрической нагрузок. Его недостаток низкая эффективность при отбраковке приборов на основе многослойных структур с двумя или тремя переходами. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ отбраковки 6 потенциально ненадежных силовых кремниевых диодов с повышенной чувствительностью параметров к дестабилизирующим воздействиям. Он основан на известном физическом явлении, суть которого состоит в активации ионизирующим излучением скрытых производственных дефектов в приповерхностном слое приборной структуры и отбраковке по измерению обратного тока прибора до и после облучения. Однако этот способ недостаточно достоверен для биполярных транзисторов, что может снизить эффективность их отбраковки. Задача изобретения - повышение достоверности отбраковки биполярных транзисторов с повышенной чувствительностью параметров к дестабилизирующим воздействиям термическим, электрическим, термоэлектрическим и радиационным. Способ радиационной отбраковки биполярных транзисторов, при котором измеряют величину обратного тока упомянутых транзисторов для обеспечения активации поверхностных дефектов в переходах транзисторных структур осуществляют термическое воздействие на транзисторы в течение 50,5 ч при температуре 125 С при подаче на транзисторы смещения, составляющего не более 70 от максимально установленного запирающего напряжения для данных транзисторов, после чего осуществляют низкоинтенсивное радиационное и термическое воздействие на транзисторы продолжительностью не более 10 мин, вновь измеряют величину обратного тока транзисторов и осуществляют отбраковку транзисторов по изменению этой величины. Новым по мнению автора является то, что низкоинтенсивное радиационное и термическое воздействие на транзисторы продолжительностью не более 10 мин осуществляют 2 17795 1 2013.12.30 после выдержки транзисторов при температуре 125 С в течение 50,5 ч при подаче на транзисторы напряжения смещения не более 70 от максимально установленного запирающего напряжения. Сущность способа заключается в совмещении воздействия тепловой и электрической нагрузок (термоэлектротренировка) с электронным облучением малыми дозами для ускорения механизмов дефектообразования на поверхности транзисторной приборной структуры. Такая обработка, не приводя к существенному дефектообразованию в объеме полупроводника, повышает достоверность выявления приборов со скрытыми производственными дефектами, которые накапливаются в местах выхода переходов на поверхность кристалла. Дело в том, что предварительная термоэлектротренировка, усиленная радиационным воздействием, способна ускорить протекание тех деградационных эффектов в транзисторной структуре, которые не проявляются при раздельном использовании данных видов воздействий. Поверхностные дефекты в переходах обусловлены нарушением кристаллической решетки на границе выхода перехода из полупроводника и накоплением вблизи него неподвижных зарядов. Анализ источников этих зарядов применительно к биполярным транзисторам на кремнии показывает, что при тепловом, электрическом и радиационном воздействиях может происходить увеличение скорости накопления поверхностных зарядов (дефектов) и изменение соответствующих параметров испытуемых приборов, в частности обратного тока транзисторов за счет приращения его поверхностной составляющей тока утечки. За критерий отбраковки принимался выход величины обратного тока транзистора за пределы допустимых значений более чем на 20 . Термоэлектротренировку проводят при температурах 125 С в течение 50,5 ч при подаче на транзисторы смещения не более 70 от максимально установленного запирающего напряжения. После чего осуществляют радиационное воздействие небольшой продолжительности (не более 10 мин). Выбранные режимы установлены экспериментальным путем, руководствуясь соображениями сокращения времени испытаний и повышения достоверности отбраковки с учетом верхнего предела диапазона допустимых рабочих температур биполярных транзисторов. Оценка эффективности отбраковки по заявляемому способу показала ее снижение до 30 за пределами указанных интервалов. Пример конкретного выполнения. Основной эксперимент по опробованию данного способа был проведен на высокочастотных кремниевых биполярных транзисторах, рассчитанных на максимальный ток (к) 300 мА и максимальное напряжение (кб) 50 В. Последовательность отбраковки 1. Транзисторы в количестве 35 штук размещают в термоизолированном контейнере перед выходным окном ускорителя электронов ЭЛУ-4. 2. При установлении в контейнере температуры 125 С на транзисторы параллельно подается смещение кб 35 В. В этих условиях транзисторы выдерживаются без облучения в течение 5-ти ч. 3. Включается ускоритель и при интенсивности пучка 11010 см-2 с-1, температуре 125 С и смещении 35 В проводится облучение транзисторов продолжительностью 10 мин. По прошествии 10 мин ускоритель выключается. 4. Температура в контейнере снижается до комнатной, а смещение до нуля, приборы извлекаются из контейнера и проходят электрические измерения. Измерение (при номинальном обратном напряжении 50 В и температуре 125 С) обратного тока (кбо) у всех 35 транзисторов, прошедших обработку, дало следующие результаты. У четырех приборов кбо превысил начальное (до обработки) значение на 22, 24,27 и 31 соответственно у остальных транзисторов (31 шт.) кбо не превысило 15 . Таким образом, из 35 приборов следует отбраковать как потенциально ненадежные четыре транзистора с наибольшим относительным изменением кбо. 17795 1 2013.12.30 Две партии приборов (по 35 шт.) были обработаны по способу прототипа. Было выявлено по одному прибору из каждой партии, у которых относительное изменение кбо превысило 20 . Следовательно, достоверность отбраковочных испытаний транзисторов по прототипу ниже. Таким образом, совмещая различные виды воздействий теплового, электрического и радиационного - можно существенно повысить достоверность отбраковки биполярных транзисторов. Источники информации 1. Громов В., Плюшкин И. Вопросы контроля и обеспечения надежности изделий электронной техники для силовой электроники // Силовая электроника. - 2005. -2. С. 18-19. 2. Горлов М.И., Емельянов В.А., Ануфриев Д.Л. Технологические отбраковочные и диагностические испытания полупроводниковых изделий. - Минск Бел. наука, 2006. С. 367. 3. Заявка РФ 2005101028 А, 2006. 4. Патент РФ 2168735, МПК 01 31/26, 31/28, 2001. 5. 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. 6. Патент 13130, МПК 01 21/66,01 31/26, 2010. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4