Способ контроля качества полупроводниковых приборов

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик

<п>993174 (61) Дополнительное к авт. свид-ву(ф.}) М К»»»» 3 (22) Заявлено 31.08 ° 81 (21) 3334675/18-21

6 01 R 31/26 с присоединением заявки Йо (23) Г1риоритет Государственный комитет

СССР

IIo делам изобретений и открытий

Опубликовано 300183. Бюллетень М 4 (331УДК 621. 382.

2<088 8) Дата опубликования описания 300183 (72) Авторы изобретения

Т.В. Торчинская, М.К. Шейнкман, Н.Е. Корсунс

И.В. Маркевич, Л.Н. Байдоха и М.A.Èèðçàæàíîâ

Институт полупроводников AH Украинской ССФ

1 (71) Заявитель

» (54) СПОСОБ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ. ПРИБОРОВ

Изобретение относится к электронной технике, а именно, к технологии производства полупроводниковых приборов, преимущественно фотоэлектрических, и может быть использовано наиболее эффективно для определения стабильности фоторезисторов, фотодиодов и солнечных элементов на основе соеди нений А во (CdS, Cv3Se, CdSx Se<<)» -10 например, полученных на основе йонокристаллов, монокристаллических (эпитаксиальных) пленок, поликрнсталлических спеченных слоев и пленок этих соединений.

Известны способы контроля качества полупроводниковых приборов, в частности фоторезисторов.

Один из известных способов, осно-ванный на измерении прогноэируемого параметра (интенсивности шума) до и после пропускания через испытуемый, прибор импульса тока определенной величины и сравнении результатов измерений, позволяет по обнаруженно му дрейфу параметра определить качество и стабильность. испытуемых приборов 1.1).

Недостатком известного способа является то, что он позволяет выявить дефектные приборы, нестабильность в которых связана с неоднородностями их структуры, в связи с чем он оказывается непригодным для оценки качества фоторезисторов на основе монокристаллическнх соединений АоВ, для которых характерна высокая сте» пень однородности структуры.

Известен также способ, включающий измерение информативных электрических параметров до и после испытаний, которое заключается в том, что испытуемые приборы нагревают до температуры, близкой к предельно до-. пустимой, подают на них напряжение, также близкое к предельно допустимому, выдерживают их в испытательном режиме заданное время (осуществляют термоэлектрическую тренировку), а измерение информативных электрических параметров производят при одних и тех же условиях, например, при нормальной- температуре f 2).

Этот способ очень широко известен и, как метод ускоренных испытаний, широко используется практически для всех классов полупроводниковых приборов, причем в качестве информативных электрических параметров используются наиболее характерные или . определяющие стабильность каждого

993174 класса приборов параметры. Напри-. мер, для MOII — транзисторов таким параметром является пороговое напряжение.

К фотоэлектрическим приборам этот способ неприменим, так как он не поз. воляет выявить подвижные дефекты, обуславливающие протекание и раэруше ние фотостимулированных процессов.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является спо- 10 соб контроля качества полупроводни ковых приборов, преимущественно фотоэлектрических, основанный на проведении фотостимулированных процессов между двумя замерами информативного параметра и сравнении результатов измерений. В качестве информатив. ного параметра используют фото-ЭДС

4ри освещении р-и перехода испытуемого прибора светом с заданной интен сивностью, а для проведения фотостимулированных процессов приборы осве-, щают между замерами излучением мощностью не менее, чем в 10 раз превы-. шающей мощность облучения при измерениях (3).

Однако с помощью данного способа невозможно определить качество и стабильность фоторезисторов на основе соединений А2В, так как послед- 30 ние не имеют р-й перехода и связанного с ним дрейфа параметров. Известный способ связывает дрейф параметров с наличием глубоких центров рекомбинации и области пространственного за- 3$ ряда р-п перехода (или) и релаксацией заряда на поверхностных состояниях., В фоторезисторах и фотодиодах на осно ве соединений А В наличие глубоких центров и поверхностны:: состояний не определяют их нестабильность.

Цель изобретения — обеспечение экспрессности контроля и повышение его точности применительно к приборам на основе соединений А В . ф»

Поставленная цель достигается тем, что в способе контроля качества полупроводниковых приборов, преимущественно фотоэлектрических, основанном на проведении фотостимулированных процессов между двумя замерами информативного параметра и сравнении результатов измерений, перед первым замером производят нагревание испытуемых приборов в темноте и выдержку их при температуре -т в течение вре-»» мени Т.„, фотостимулированные процессы проводят путем нагревания приборов до температуры Т при освещении видимьм светом и выдерживания их в течение времени, а замеры инфор- 60 мативного параметра в качестве которого используют фототок при заданной освещенности, производят после охлаждения приборов до температуры Т и выдержки их при этой температуре в течение времени t> причем первый замер производят после охлаждения приборов в темноте, второй — при освещении, а температурные условия определяют из соотношений

Ъ где Š— энергия активации разруP щения фотостимулированног процесса, Š— энергия активации протека0 ния фотостимулированного ,процесса; постоянная Больцмана, A — постоянная, .характеризующая .разрушение фотостимулированного процесса,  — постоянная, характеризующая протекание фотостимулированного процесса; время выцержки приборов

1 при соответствующей температуре, i = 1,2,3.

В основе предлагаемого способа лежит экспериментально установленный факт, что основной причиной дрейфа параметров в фоторезисторах и фотодио дах на основе соединений А В при их длительном хранении и эксплуатации является наличие в кристаллической решетке дефектов, подвижных при комнатной температуре, величина дрейфа зависит от концентрации этих дефектов, а скорость — от уровня активирующих факторов, например температуPbl

Показано, что концентрация подвиж ных дефектов контролируется по дрейфу фототока в обратимых фотостимулированных процессах, в частности, по величине отношения фототока в исходном и фотостимулированном состояниях.

Исследованиями подтверждена ожидаемая зависимость между дрейфом фототока в фотостимулированном процессе и степенью старения приборов в естественных условиях.

Исходя из этого, можно по отношению фототоков в исходном и фотостимулированном состояниях оценить уход параметров при длительном хранении или эксплуатации (старение), т. е. стабильность прибора.

Способ осуществляют следующим образом.

Сначала производят нагревание приборов в темноте выше температуры

Т и выдержку их при этой температу1 ре в течение времени t„, достаточного для разрушения фотостимулирован-ного процесса. Температуру Т выбира. ют ниже температуры, при которой на-! ступает необратимое изменение электрических характеристик приборов, а время выдержки определяют из ус993174 ловня t <- 3Т<, где Ср — постоянная времени разрушения фотостимулированного процесса при данной температуре

Затем охлаждают приборы в. темноте до температуры Т, выдерживают их при этой температуре в течение времени с, существенно меньшего времени протекания фотостимулированного процесса (если считать, что скорость протекания фотостимулированного процесса может быть охарактеризована постоянной времени Т с, для данной температуры, то и выбирают

- из условия й, « С ), и в течение то. го же времени производят первое измерение величины фототока I. npu 15 заданном уровне освещенности приборов.

Повторное измерение фототока производят после проведения фотостиму лированного процесса, который осуще ствляют путем нагревания приборов до температуры Т> при освещении их видимым светом и выдерживании приборов в таких условиях. в течение вре.мени tq, достаточного для протекания фотостимулированного процесса, т..е. t выбирают из условия и ъ 3 где Ч вЂ” постоянная времени протека- ния фотостимулированного процесса ярк.данной температуре. ЗО

Перед повторным измерением фототока приборы охлаждают до температуры Т, но охлаждение производят при освещении. Повторное измерение фототока 1 производят после выдержки . 35 приборов при температуре Т> в течение времени йз, существенно меньшего времени протекания фотостимулированного процесса (следует заметить, что . время t> существенно меньше и време- 49 ни разрушения фотостимулированного процесса).

Отношение значений фототоков

1 /1, измеренных в одних и тех же условиях (при одной и той же температуре Т> и заданном уровне освещенности), позволяет судить о дрейфе фототока при переводе прибора из исходного состояния, т. е. после раэру. щения фотостимулированных процессов, в состояние, вызванное проведением фотостимулированного процесса.

Если отношение значений фототоков

1„ /1 отличается от единицы, то- это оэн.-. чает, что в приборе имеют место

ФЬтостимулированные процессы.

Наличие таких процессов, связанных с присутствием в полупроводнике подвижных точечных дефектов, является причиной обратимого изменения параметров фоторезисторов на основе соединений А296 в процессе их работы (фотоутомляемость), а присутствие подви:кных при комнатной температуре дефектов является причиной старения фоторезисторов. Чем интенсивнее@э протекают фотостимулированные процессе (ч м сильнее отличается от 1 от- ношение 1 /1 ), тем сильнее стареют приборы при их хранении и эксплуатации.

Фотостимулированные процессы обусловлены перестройкой дефектов кристаллической решетки под действием света. Они протекают при освещении приборов видимым или ближним инфраккрасным светом в определенной для каждого процесса области температур, обусловленной различием в энергиях активации протекания процессов, и приводят к изменению фоточувствитель ности полупроводника. Фотостимулированные процессы обратимы, они могут быть разрушены, т. е. полупроводник может быть переведен в исходное состояние прогревом в темноте до достаточно высоких температур (температур разрушения фотостимулированных процессов) .

Поэтому предложенный способ содержит нагрев и охлаждение в темноте, чтобы разрушить протекающие в результате случайных эасветок фотостимулированные процессы и получить исходное состояние полупроводника.

Температуру Т, до которой нужно прогреть полупроводник, выбирают так чтобы за время выдерживания прибора при этой температуре фотостимулирован ный процесс успел разрушиться. Это время определяется скоростью нагрева и инерционностью печи и представляет собой время, в течение которого образец сохраняет заданную температуру после выключения печи. Скорость разрушения фотостимулированных процессов возрастает с ростом температуры, при которой образец выдерживается в темноте. Следовательно, температура до которой нужно прогреть прибор в темноте, чтобы разрушить фотостимулированный процесс зависит от времени выдерживания полу" проводника при этой температуре следующим обраеом

При охлаждении образца скорость протекания фотостимулированных процессов замедляется и при достаточно низких температурах становится настолько малой, что.процессы практически не протекают. Поэтому при этой температуре становится возможным сравнение фототоков в двух "за» мороженных" состояниях: до и после ™ протекания фотостимулированного процесса.

Температура Т» при которой возможно сравнение фототоков, определяется энергией активации протека-

993174

Т„= — 1 т -и р !1<»Ate ЯИЬ я. а 1

Еа ъ west, 5S где Е

11ия;1роцесса Ед н временем выдерживани- образца при этой температуре

Ед

1 = „... -. Время. tq в этом случае нремч, необходимое для измерения фототока, должно быть меньше времени протекания процесса при данной температуре 7. д ($> 3 а).

Вторым этапом предложенного способая является прогрев и последующее охлаждение прибора до температуры первого охлаждения при освещении. Эта процедура приводит к протеканию фотостимулированного процесса.

Температуру Т, до которой нужно прогреть прибор при освещении выбирают так, чтобы эа время выдергивания образца при этой температуре успел протечь фотостимулированный процесс. Скорость протекания фотостимулированного процесса или время

t 7r 3i<, эа которое процесс протекает, зависит от температуры, при которой производится освещение прибора (скорость экспоненциально возрастает с ростом температуры ), и от интенсивности света, то 1ее от концентрации свободных электронов п, созданн1,1х светом. Следовательно, тем пература, до которой нужно прогреть образец при освещении, зависит от времени выдерживания прибора и кон; центрации и. Эта зависимость имеет вид: 1 . =-„ ф-, где  — константа, зависят,ая от и.

В полупроводниках типа 7 В наблюдаются фотостимулированные процессы нескольких типов, характеризую. щиеся различными Еа, В, Е и, следовательно, протекающие и разрушающиеся в различных областях температур. Например, в Cd> наблюдаются следующие процессы: два процесса, приводящих к увеличению фоточувствительности полупроводников величина фототока после охлаждения при освещении возрастает) со следующими параметрами: 1. Г„=

0,3 эВ; В = 10c- Е„= ; Л

10 "c "; 2. Е = 0,15 эВ; В = 80c,"";

1E = O,- эв; л = 1O"%-"; р-,5 процесс, приводящий к уменьшению фототока и, следовательно, к снижению фоточувствительности с E = 0,35 эВ;

В = 1,5с Е = 1,3 эВ; A = 10 с

Г

На чертеже приведена схема установки, которая может быть использована для реализации способа.

Исследуемый прибор 1 помещают в стеклянный криостат 2, который погружают в стеклянный.дюар 3 с.жидким азотом (771<). Образец включей в измерительную цепь, содержащую источник 4 стабилизированного напряжения и измеритель 5 тока. Образец введен в тепловой контакт с нагревателем 6 и датчиком 7 температуры, оптический контакт с источником 8 освещения с постоянной освещенностью

L, Установка содержит также выключатели нагрева и освещения образца не показаны) .

Испытания приборов предложенным способом, которые могут быть проведены в течение короткого времени, и сравнительные измерения параметров приборов, проведенные после длительного хранения (в течение 4000 ч) в . темноте при нормальной температуре, показали тесную корреляцию между величиной отклонения от единицы отношения фототоков и степенью ухудшения фоточувс:вительности после

15 длительности хранения.

Таким образом, предложенный способ позволяет значительно сократить продолжительность испытаний и повысить точность контроля фотоэлектрических

20 приборов на основе соединений А В

Формула изобретения

Способ контроля качества полупроводниковых приборов, преимущественно фотоэлектрических, основанный на

25 проведении фотостимулированных процессов между двумя замерами информативного параметра и сравнении ре" эультатов измерений, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью обеспечения экспрессности контроля и павы. шения его точности применительно к приборам на основе соединений А В<, перед первым замером производят нагревание испытуемых приборов в темноте и выдержку их при температуре

Т в течение времени t<, фотостимули. рованные процессы проводят путем нагревания приборов до температуры

Т п)эи освещении видимым светом и

4О в.1держивании их в течение времени а замеры информативного параметра, в качестве которого используют фототок при заданной освещенности, производят после охлаждения приборов до температуры Т и выдержки их при ! этой температуре в течение времени йз причем первый замер производят после охлаждения приборов в темноте, второй — при освещении, а температурные условия определяют из соотношений — энергия активации разруше", ния фотостимулированного процесса;

- энергия активации протекания фотостимулированного процесса," — постоянная Вольцмана," — постоянная, характеризующая разрушение фотостимулированного процесса, 10

993174

Составитель Ю. Брыз галов

Редактор Т. Портная Техред М.Тепер Корректор 0 Билак <

Заказ 449/61 Тираж 708 Подписное.ВИИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва,. Ж-35, Раушская наб»< д . 4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4

 — постоянная, характеризующая протекание фотостимулированного процесса," — время выдержки приборов при соответствующей температуре, 1 = 1,2,3.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

9 490047, кл. G 01 R 31/26, 1971.

2. Колбурн и др. Надежность МОП

БИС. -ТИИЭР, 1974 ° T» 62, 9 2, с. 154-178.

3. Авторское свидетельство СССР

9 624180, кл. G Oi R 31/26, 1976 (прототип).