Способ отбраковки полупроводниковых приборов и интегральных схем на основе структур металл - диэлектрик - полупроводник

 

Применение: относится к микроэлектронике, а именно к способам обеспечения надежности и качества полупроводниковых приборов и интегральных схем. Сущность: способ включает облучение испытуемых приборов пучком импульсного лазерного излучения, измерение электрических параметров испытуемых приборов, сравнение измеренных параметров с эталонными. Облучение проводят длиной волны λ в интервале 1,24/E_д<λ<1,24E, плотностью энергии 1 не более величины Z_m=I_п/I_м(1-R)κ·T_max и длительностью импульса не более величины τ_m=1/α²K, где E_д и E_п - ширина запрещенной зоны диэлектрика и полупроводника соответственно, (эВ); I_п - пороговая плотность энергии ( (Дж/м²) ); R - коэффициент отражения слоя металла; κ - коэффициент поглощения излучения в слоях металла и диэлектрика; T_м и T_max - соответственно температуры плавления полупроводника и начала необратимых изменений МДП-структуры под действием лазерного облучения; K, α - коэффициенты температуропроводимости и поглощения соответственно.

Изобретение относится к микроэлектронике, а именно к способам обеспечения надежности и качества полупроводниковых приборов и интегральных схем.

Изобретение может быть использовано для отбраковки приборов на этапе производства изделий электронной техники.

Известен способ отбраковки полупроводниковых приборов [1] , состоящий в том, что между полупроводниковым кристаллом и изолирующим покрытием в условиях повышенной температуры прикладывается электрическое поле, за счет чего ускоряется время перемещения и накопления зарядов в диэлектрике и на поверхности полупроводникового кристалла и выявляются приборы с аномальным поведением параметров.

Недостатком метода является необходимость разработки специальной кассеты с электродами для создания электрического поля в зависимости от конструкции конкретных корпусов приборов.

Известен способ отбраковки полупроводниковых приборов и интегральных схем, включающий облучение испытуемых приборов гамма-излучением дозой 10⁵ рад, измерение электрических параметров, сравнение измерений электрических параметров испытуемых приборов с эталонным значением [2] .

Основным недостатком этого способа отбраковки является использование вредного для человека гамма-излучения, что усложняет аппаратурное оформление способа из-за необходимости сложной системы защиты и наличие в случае сплошного контроля партии остаточных радиационных дефектов, которое приводит к снижению выхода годного и требует дополнительного восстановительного отжига.

Цель изобретения - повышение безопасности, упрощение способа и повышение выхода годного.

Цель достигается тем, что в известном способе отбраковки, включающем облучение испытуемых приборов, измерение электрических параметров, сравнение измерений электрических параметров испытуемых приборов с эталонным значением, согласно изобретению, испытуемые приборы облучают пучком импульсного лазерного излучения с длиной волны λ в интервале 1.24/E_д < λ < 1.24/Е_п, мкм, плотностью энергии I_п не более величины I_m= T_max и длительностью импульса не более величины: τ_m= где Е_д и Е_п - ширина запрещенной зоны диэлектрика и полупроводника соответственно, эВ; I_п - пороговая плотность энергии, Дж/м²; R - коэффициент отражения слоя металла; κ - коэффициент поглощения излучения в слоях металла и диэлектрика; Т_м и Т_мах - соответственно температуры плавления полупроводника и начала необратимых изменений МДП-структуры под действием лазерного излучения; К, α - коэффициенты температуропроводности и поглощения соответственно.

Сущность изобретения заключается в том, что отбраковка полупроводниковых приборов и интегральных схем на основе структур металл-диэлектрик-полупроводник (МДП) достигается выявлением скрытых физико-технологических дефектов в объеме диэлектрика и на границе раздела полупроводник-диэлектрик за счет контроля изменения электрических параметров, обусловленного воздействием импульсного лазерного излучения.

Воздействие импульса лазерного излучения приводит к быстрому нагреву тонких пленок металла и диэлектрика и приграничной области полупроводника и росту концентрации подвижных носителей заряда (электронов в металле, электронов и дырок в полупроводнике), способных преодолеть потенциальные барьеры на границе раздела металл-диэлектрик- и полупроводник-диэлектрик соответственно и инжектироваться в диэлектрик. Часть этих носителей заряда рекомбинируют, остальные захватываются на ловушки в диэлектрике. Одновременно с этим на границе раздела полупроводник-диэлектрик вблизи скрытых физико-технологических дефектов образуется большое число поверхностных состояний. После окончания импульса лазерного излучения испытуемый прибор быстро охлаждается и часть захваченных в диэлектрике носителей заряда замораживается на ловушках. Изменение электрических параметров испытуемых приборов (пороговое напряжение для МДП транзисторов или напряжение плоских зон для МДП конденсаторов) определяется величинами зарядов диэлектрика и поверхностных состояний на границе раздела полупроводник-диэлектрик, накопленных при воздействии импульсного лазерного излучения. Структуры с физико-технологическими дефектами в объеме диэлектрика и на границе раздела полупроводник-диэлектрик показывают увеличение изменения электрических параметров. Отбраковываются приборы, изменение электрических параметров которых превышает эталонное.

Существуют физические ограничения на основные параметры импульсного лазерного излучения: 1. Длина волны λ должна соответствовать критерию: 1,24/E_д < λ < 1,24/Е_п, мкм, т. е. при воздействии лазерного излучения генерация свободных носителей заряда идет в полупроводнике и металле и отсутствует в диэлектрике.

2. Плотность энергии:
Температура слоя полупроводника, поглощающего энергию лазерного излучения, определяется выражением
T = I_o(1-R)κ (1) где I_o и I_п - падающая и пороговые плотности энергии излучения; Т_м - температура плавления полупроводника; R - коэффициент отражения полупрозрачного слоя металла; κ - коэффициент, учитывающий поглощение энергии излучения в слоях металла и диэлектрика. Величина Т ограничена сверху условием обратимости процессов, протекающих в МДП-структуре при отбраковке. Следовательно, не должно быть так называемого лазерного отжига. Кроме того, при повышенных температурах могут идти нежелательные реакции между металлом и диэлектриком, металлом и полупроводником, разрушающие приборную структуру. Например, для структур золото-оксид кремния-кремний максимальная температура нагрева не должна превышать 643 К (температура эвтектики золото-кремний); для структур алюминий-оксид кремния-кремний - 843 К (температура эвтектики алюминий-кремний), кроме того, при температуре выше 750 К в таких структурах интенсивно идет реакция взаимодействия алюминия с оксидом кремния.

Таким образом, плотность энергии импульсного лазерного излучения не должна превышать величины I_m:
I_m= T (2)
3. Длительность импульса лазерного излучения τ ограничена сверху условием отсутствия разогрева объема полупроводниковой подложки (адиабатическое поглощение), т. е. диффузионная длина распространения тепла должна быть меньше ширины области поглощения:
≅ (3) где К и α - коэффициенты температуропроводности и поглощения соответственно.

Абсолютные значения пределов параметров импульсного лазерного излучения определяются для конкретной МДП-структуры. Так для использованных в примере реализации способа отбраковки структур алюминий-оксид кремния-кремний получим
0,14 ≅α≅ 1,13 мкм, I_o < 2,2 Дж/см², τ< 40 нс.

Расчет плотности энергии и длительности импульса проведен для λ = 0,53 мкм.

С помощью импульсного лазерного излучения можно проводить отбраковку полупроводниковых приборов и интегральных микросхем на основе МДП-структуры как на пластине, так и в корпусе перед операцией герметизации. Использование пучка импульсного лазерного излучения с пятном прямоугольной формы позволяет проводить отбраковку испытуемых приборов на пластине, обрабатывая не всю пластину, а часть кристаллов в соответствии со статистической выборкой. Это позволяет сохранить основную часть кристаллов на пластине и не подвергать ее операции восстановления (низкотемпературный отжиг или облучение вакуумным ультрафиолетом с целью перезарядить ловушки в диэлектрике).

В качестве исследуемых образцов выбраны две партии КМОП микросхем типа 164ЛП1 в количестве 20 штук каждая. С целью контроля качества (степени) отбраковки часть микросхем (по 3 штуки) предварительно подвергнута облучению электронами дозой 0,2 Мрад и последующему отжигу при 200^оС в течение 60 мин с полным восстановлением электрических параметров в нормах технических условий. Первая партия отбраковывалась с помощью гамма-излучения в соответствии с прототипным способом, вторая - с помощью импульсного лазерного излучения с длиной волны 0,53 мкм, плотностью энергии 0,5 Дж/м² и длительностью импульса 15 нс. В обоих случаях были выявлены по 5 дефектных микросхем - предварительно подготовленные и две из состава исходных. Затем испытуемые приборы отжигались при 300^оС в течение 20 мин с целью восстановления до исходных значений параметров микросхем первой партии. Вторая партия отжигалась для сохранения идентичности. Повторная отбраковка выявила в первой партии дополнительно еще 2 дефектные микросхемы. Обнаруженное снижение числа годных образцов обусловлено остаточными дефектами, введенными гамма-излучением при первой отбраковке. Число дефектных микросхем во второй партии не изменилось. Последующая отбраковка этой партии с помощью гамма-излучения в соответствии с прототипным способом выявила те же дефектные микросхемы.

Таким образом, из приведенных данных очевидно, что предлагаемый способ позволяет повысить безопасность, упростить операцию отбраковки и повысить выход годного. (56) Авторское свидетельство СССР N 605488, кл. H 01 L 21/66, 1976.

Патент США N 3723873, кл. G 01 R 31/22, 1973.

Формула изобретения

СПОСОБ ОТБРАКОВКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ И ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ НА ОСНОВЕ СТРУКТУР МЕТАЛЛ - ДИЭЛЕКТРИК - ПОЛУПРОВОДНИК(МДП), включающий облучение испытуемых приборов, измерение электрических параметров испытуемых приборов, сравнение измеренных электрических параметров испытуемых приборов с эталонными значениями, отличающийся тем, что, с целью повышения безопасности, упрощения способа и повышения выхода годного, испытуемые приборы облучают пучком импульсного лазерного излучения с длиной волны λ в интервале 1,24 / E_д< λ <1,24E , плотностью энергии I не более величины
I_m= T max
и длительностью импульса не более величины
r_m= ,
где E_д и E_п - ширина запрещенной зоны диэлектрика и полупроводника соответственно, эВ;
I_п - пороговая плотность энергии, Дж/м²;
R - коэффициент отражения слоя металла;
ν - коэффициент поглощения излучения в слоях металла и диэлектрика;
T_м и T_max - соответственно температуры плавления полупроводника и начала необратимых изменений МДП-структуры под действием лазерного излучения;
K , α - коэффициенты температуропроводности и поглощения соответственно.