автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Методы и средства контроля и улучшения качества многосегментных PIN-фотодиодов с охранным кольцом

На правах рукописи

КУРОЕДОВ АЛЕКСАНДР ВЕНИАМИНОВИЧ

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА КОНТРОЛЯ И УЛУЧШЕНИЯ КАЧЕСТВА МНОГОСЕГМЕНТНЫХ PIN - ФОТОДИОДОВ С ОХРАННЫМ КОЛЬЦОМ

Специальность 05 11 13 — Приборы и методы контроля природной среды, веществ; материалов и изделий.

\

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ООЗ1Т4630

Москва, 2007 г

003174630

Работа выполнена на кафедре «Инновационные технологии в приборостроении и микроэлектронике» Московского государственного университета приборостроения и информатики

Научный руководитель

Официальные оппоненты

Ведущая организация

доктор технических наук, профессор Рыжиков И В

доктор технических наук, профессор Гуляев А М

кандидат технических наук, профессор Несмелое В С

ОАО Московский завод «Сапфир»

Защита состоится «13» ноября 2007 г в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 212 119 01 в Московском государственном университете приборостроения и информатики по адресу 107996, г Москва, ул Стромынка, 20

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета приборостроения и информатики

Автореферат разослан 12 октября 2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета д т н , профессор ^У7* В В Филинов

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

1.1. Актуальность

Многосегментные Р1Ы-фотодиоды с охранным кольцом широко применяют в гражданской и бортовой аппаратуре, включая космическую в качестве координатно-чувствительных фотоприемников Для этих приборов первостепенное значение приобретают не только проблемы качества, но и надежности, те обеспечение низкой интенсивности параметрических и катастрофических отказов при длительной эксплуатации С целью отбраковки потенциально ненадежных полупроводниковых приборов применяют различные виды испытаний Они включают визуальный контроль структуры перед герметизацией, выдержку при повышенной температуре, тепловые удары, термоциклирование, механические удары, центрифугирование, проверку на герметичность, измерение электрических параметров при крайних значениях температур, термотренировку и контроль внешнего вида изделий Большинство видов испытаний, при длительной эксплуатации подобных изделий, дороги и требуют значительных затрат времени, а их влияние и возможности не достаточно изучены

Актуальность диссертации обусловлена необходимостью разработки комплексных методов и средств контроля надежности и создания конструктивно-технологических и радиационно-термических способов ее повышения

1.2. Цель работы и задачи исследования

Цель данной работы — разработка физических и физико-химических методов экспресс-контроля скрытых дефектов фотодиодных структур, определяющих качество изделий, и способов улучшения качества путем повышения надежности многосегментных Р1Ы-фотодиодов с охранным кольцом

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи • Разработать комплексную методику контроля качества и надежности фотодиодов (ФД) путем измерения вольт-амперных характеристик (ВАХ) и дифференцнальаных т- и п-параметров прямой и обратной ВАХ

т_ (С/кТ)'пр „ ^У^об <Ипр/йипр' У'иоб

• Создать контрольно-измерительную систему, алгоритмы и программное обеспечения обработки экспериментальных ВАХ и расчетов т- и п-параметров

• Разработать конструктивно-технологические способы повышения качества путем создания дополнительных активных и пассивных охранных ко-

лец (ОК), использования фосфорно-силикатного стекла совместно с диоксидом кремния для защиты поверхности кремния с внешней стороны кольца

• Разработать радиационно-термические способы улучшения качества посредством повышения времени безотказной работы облученных приборов

• Разработать информационно-измерительную систему лазерного сканирования для выявления макро- и микронеоднородностей и дефектов фотодиодных структур, влияющих на параметры и интенсивность отказов

• Исследовать возможности применения методов рентгеновской топографии (РТГ) и рентгеновской дифрактометрии (РД) для контроля качества фотодиодных структур путем выявления скрытых дефектов в пластинах кремния и слое диоксида

• Провести испытания на безотказность и длительную наработку при температурах 20, 55, 70 и 85°С и ресурсные испытания с обработкой результатов на основе уравнения Аррениуса

1.3. Методы исследования-

• Экспериментальные исследования ВАХ и ш- и п-параметров проводили на автоматизированной информационно-измерительной системе с компьютерной обработкой результатов измерений

• Для исследования неоднородностей и дефектов фотодиодных структур использовали методы лазерного сканирования, рентгеновской топографии и рентгеновской дифрактометрии

• Для оценки качества путем сравнения надежности применяли метод испытаний в форсированном режиме с измерением ВАХ, ш- и п-параметров сегментов и ОК фотодиодов до, во время и после испытаний

• Для повышения надежности разработан метод снижения скорости деградации фотодиодных структур посредством облучения их нейтронами и гамма квантами с последующим инжекционным отжигом радиационных дефектов

1.4. Достоверность

Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждена экспериментально исследованием нескольких партий ФД и фотодиодных структур

• Контроль надежности ФД по интегральным и дифференциальным характеристикам и параметрам производили с помощью автоматизированой

информационно-измерительной системы без участия оператора с компьютерной обработкой результатов по разработанным алгоритмам и программам

• Разработанные методы контроля проверяли путем проведения ускоренных испытаний в форсированном режиме опытных партий фотодиодов и сравнения параметров дефектных и «идеальных» приборов

• У ФД с дефектами, выявленными лазерным сканированием, РТГ и РД методами, измеряли темновой ток и низкочастотные шумы до и после испытаний на надежность

• Сравнительные испытания на отказ облученных и необлученных ФД проводили одновременно и в одинаковых условиях

1.5. Научная новизна:

• Установлено, на основе контроля «неидеальных» ФД по ВАХ, ш- и п-параметрам и испытаний в форсированном режиме, что причиной снижения качества является аномально-быстрый рост темнового тока ОК и сегментов со временем, вследствие наличия дефектов двух типов каналов с внешней стороны кольца, изменяющих свои размеры и проводимость с ростом напряжения и времени наработки, а также шунтирования р-п-перехода проводящими частицами второй фазы

• Предложены конструктивно-технологические методы для снижения как величины тока колец, так и аномально быстрого его роста со временем наработки введение дополнительных пассивных ОК п+-типа, легирование фотодиодных структур за пределами кольца бором и создания там же на поверхности двухслойной пленки диоксида кремния и фосфатно-силикатного стекла

• Разработан метод снижения в 5-6 раз скорости процессов деградации структур при длительной наработке ФД путем облучения приборных структур нейтронами и гамма квантами с последующим инжекционным отжигом радиационных дефектов

• Установлены, при контроле качества методом лазерного сканирования, местоположение и размеры областей неоднородностей и дефектов двух типов в первых область пространственного заряда выходит на поверхность, а во вторых дефекты структуры сгруппированы вдоль протяженных линий (дислокаций или заполированных царапин), пересекающих границы сегментов и колец, причем оба типа дефектов являются причиной повышенных темновых и фото токов, а также избыточных низкочастотных шумов

• Установлен, с помощью РТГ и РД методов, ряд дефектов влияющих на-качество ФД изгиб пластин с фотодиодной структурой, причем радиус изгиба определялся толщиной пленки диоксида кремния, существование слоев кремния под слоем диоксида с отличными от кремния периодами кристаллической решетки и величиной деформации 6,3 1СГ4 и 2,3 Ш"4, по-видимому, вследствие наличия различных коэффициентов термического расширения кремния и диоксида кремния, грубые заполированные царапины после шлифовки под оптически гладкой поверхностью кремния, которые приводят к созданию проводящих каналов между сегментами и ОК, а так же специфические дефекты в виде звездочек

1 6. Практическая ценность

• Разработана на базе персонального компьютера автоматизированная система для измере ния ВАХ, ш- и п-параметров, фоточувствительности, шумов и других параметров и характеристик и пакет программ для обработки и анализа результатов измерения

• Созданы аппаратура и методика контроля макро- и микронеоднородности и дефектов фотодиодных структур путем лазерного сканирования

• Использованы рентгеновские методы выявления скрытых дефектов исходного материала и возникающих в ходе технологического цикла изготовления ФД

• Разработаны конструктивно-технологические и радиационно-термические методы повышения надежности

1.7. Реализация и внедрение результатов работы

Результаты использованы для контроля качества и надежности, диагностики и отбраковки дефектных структур на различных этапах технологического цикла изготовления серийных фотодиодов на заводе «Кварц», ОАО «Орион», ОАО «Московский завод «Сапфир»» Они нашли отражение в отчетах по хоздоговорным темам с заводом «Кварц» и ОАО «Орион» «Использование дегра-дационных процессов при испытаниях на надежность, установление причин отказов и диагностика кремниевых фотодиодов» (НИР Д-90-78, шифр «Тропа»), «Разработка методов диагностики и исследования деградации и надежности фотоприемников» (НИОКР ПС-363) «Разработка средств отбраковки потенциально ненадежных кристаллов и микросхем лазерной и жидкокристаллической дефектоскопии, рентгеновской топографии и рентгенодифрактометрии, радиа-ционно-термической обработки (НИОКР ПСГ-902)

1.8. Апробация работы

Основные результаты докладывались на Российской научно-технической конференции «Методы и средства оценки и повышения надежности приборов, устройств и систем» г Саратов, июнь-июль 1994 г, на МНТК «Моделирование электронных приборов и техпроцессов, обеспечение качества, надежности и радиационной стойкости приборов и аппаратуры» г Севастополь (Крым), сентябрь 1996 г и сентябрь 1997 г , «Информационные технологии в науке, технике и образовании» Аланья (Турция), май 2004 г , г Севастополь, сентябрь 2004 г, «Информационные технологии и моделирование электронных приборов и техпроцессов в целях обеспечения качества и надежности аппаратуры» Сафага (Египет), май 2005 г , Сусс (Тунис) октябрь 2006 г

1.9. Публикации

По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ, в том числе одно в издании, рекомендованном ВАК РФ и три отчета по НИОКР

1.10. Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы Основная часть диссертации изложена на 118 страницах машинописного текста, содержит 37 рисунков и 8 таблиц, а также имеет четыре приложения, изложенных на 19 страницах машинописного текста

1.11. Основные положения и результаты, выносимые на защиту

• Методики и измерительно-информационная система для контроля качества ФД по ВАХ, т- и п-параметрам

• Результаты контроля разделение ФД на группы с «идеальными» характеристиками, отвечающими моделям униполярной и двойной инжекции Холла, Ламперта-Роуза, и др, и с различного рода отклонениями от идеальности

• Результаты испытаний в форсированном режиме «идеальных» ФД и четырех групп приборов с различными отклонениями от идеальности

• Информационно-измерительная система, методики и результаты контроля крупномасштабных и микро неоднородностей и дефектов с помощью лазерного сканирования

• Применимость рентгеновских топографические и дифрактометрических методов контроля скрытых дефектов фотодиодных структур и результаты контроля

• Конструктивно-технологические и радиационно-термические методы улучшения качества и повышения надежности многосегментных Р1Ы-ФД с охранным кольцом

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель исследования и решаемые задачи, приведены основные положения и результаты, выносимые на защиту

В первой главе отмечается, что основным материалом для создания фотоприемных устройств для видимой, ближней ИК и УФ-области спектра является кремний Разработаны кремниевые фотодиоды с р-п-переходом, барьером Шоттки, быстродействующие лавинные, криогенные фотоприемники, солнечные батареи, твердотельные матричные преобразователи, координатно-чувствительные и многоэлементные ПЗС структуры

Число зарубежных фирм США, Великобритании, Канады, Германии, Японии и Нидерландов, а также Российской Федерации и ближнего зарубежья, занимающихся разработкой и продажей кремниевых фотоприемных устройств, приближается к тысяче и непрерывно растет, в среднем в 1,5-2,0 раза каждые десять лет Среди них такие известные как General Electric, Motorola, Optoelectronics, RCA, Ferranti, Millard (Великобритания), Telefunken, Siemens (Германия), Matsushita, Mitsubishi, Sharp, Toshiba (Япония) и Philips (Нидерланды), ОАО «Орион», ОАО «Московский завод «Сапфир» (РФ), завод «Кварц» (Украина)

Одним из наиболее универсальных по чувствительности, быстродействию, низким шумам и отличным пороговым характеристикам являются PIN-ФД, как одно-, так и многоэлементные

Для повышения надежности, снижения интенсивности катастрофических параметрических отказов и увеличения ресурса применяют различные способы диагностики, механических и климатических испытаний, термоэлектротрени-ровки, определяемые зарубежными стандартами MIL STD-750, MIL STD-883 (США), ГОСТами и стандартами РФ ГОСТ 25359-82 и др

Разработаны физические и физико-химические методы анализа отказов, учитывающие как роль конструктивных и технологических факторов, так и внешних воздействий тока, напряжения, температуры, влажности и облучения на надежность Для этой цели применяется растровая электронная микроскопия (РЭМ), рентгеновский микроанализ, оже-спектроскопия, лазерное сканирование, рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия, растровая, акустическая и ИК микроскопия и др

Во второй главе показано, что эффективным методом контроля, диагностики и отбраковки приборов, не отвечающих нормам ТУ, являются испытания на безотказность в форсированном режиме по напряжению и температуре в течение 500-1000 ч с последующим измерением темнового тока кольца при комнатной и повышенной температурю

Существенными недостатками данного метода является значительное время проведения испытаний, использование дорогостоящего испытательного оборудования, расход энергии и средств для оплаты операторов и, главное, выработка ресурса, что снижает время последующей безотказной работы.

В целях разработки экспресс-метода диагностики, изучения физико-химических основ деградации были исследованы интегральные и дифференциальные характеристики (т- и п-параметры) «идеальных» и «неидеальных» ФД, т.е. содержащих различные дефекты. Прямые и обратные ВАХ и т-параметры как функции напряжения идеальных ФД представлены на графиках (рис. 1, 2 и 3).

Рис. 1. Прямая ветвь 4-х сегментов и кольца типичного идеального РГЫ-ФД. 1,2,3,4 - ВАХ сегментов, К - ВАХ кольца

1 м ¿У ]

1 1 .

1 1.2.3. 4

г ! I ,!......_..!

Рис. 2. Фактор ш прямой ветви ВАХ идеального ФД. 1-4 - ш сегментов; К - гп кольца

Olli од

n = 0.5

0.6

1Е-07

0.4

0.4

1Е-08

1.2. 3. J

IE-OS

50 100 ISO 200 250 l , Ц

Рис. 3. Обратная ВАХ сегментов (1, 2, 3, 4) и кольца (К) и показатель степени п кольца идеального ФД

Прямая ВАХ сегментов состояла из двух экспоненциальных и одного степенного участка:

где т, = т2 = 2,0; п = 4,0 и объясняется классическими теориями Шокли-Нойса-Саа, Холла и Карагеоргий-Алкалаева.

Обратный темновой ток сегментов на три порядка меньше темнового тока кольца, практически не меняется с напряжением и объясняется в рамках теории Шокли-Нойса-Саа с учетом заполнения областью объемного заряда всей базы ФД толщиной 300 мкм.

Малая величина и независимость темнового тока сегментов от времени наработки объясняется преобладанием объемной составляющей и стабилизирующей ролью фосфорно-силикатного стекла на поверхности сегментов.

У неидеальных ФД I типа факторов неидеальности прямой ветви ВАХ ггь ~ 4 (рис. 4), что свидетельствует о преобладании канальной проводимости, ток которой, согласно теории Шокли:

где - ширина канала; Ц - периметр сегмента; п, - концентрация электронов в канале.

Величина темнового тока сегментов неидеальных ФД первого типа составляла примерно 10"6 А, т.е. была на два порядка выше, чем у «идеальных» ФД.

(1)

(2)

01 о; оз 0.4 ол о.б I .и

Рис. 4. Фактор неидеальности гп ФД первого типа. 1, 2, 3, 4 - ш сегментов, К - т кольца

Обратные темновые токи сегментов неидеальных ФД второго типа имели резкую зависимость обратного темнового тока от напряжения и при и = 250300 В сравнивались с темновым током кольца (рис. 5).

Показатель степени п при напряжении 100-120 В резко менялся с напряжением, достигая значений 10-30, а затем снижался, приближаясь к величине п=2,0 при и > 200 В (рис. 6).

Быстрый рост темнового тока сегментов у «неидеальных» ФД второго типа объясняется заполнением ловушек согласно модели, предложенной Лам-пертом и Роузом. По этой модели показатели степени п сначала должны расти по мере заполнения ловушек, а затем снижаться при увеличении тока и напряжения, приближаясь к значению 2, соответствующему предельному заполнению центров.

Рис. 5. Обратные ВАХ неидеапьных ФД второго типа. 1,2,3,4- токи сегментов, К - ток кольца

го лЬ 60 1(Х> 120 49 (¿О 100 20© ?20 2А0 260 I ,11

Рис. 6. Показатель степени п степенной зависимости обратного тока неидеальных ФД второго типа. .1,2,3,4 — токи сегментов, К - ток кольца

Следующая за участком быстрого роста тока степенная зависимость с п=2,0 отвечает модели безловушечного тока пространственного заряда (ТОПЗ), которая в аналитической форме выглядит следующим ообразом:

37СЕЕ0Цпиг

I,- ^ • (3)

Здесь |ап = 103 см2/Вс; га = с1 = 300 мкм - толщина пластины.

Так как данная зависимость, как правило, наблюдалась начиная с напряжения 200 В (рис. 6), то, подставляя в (3) параметры, получаем 1тс = 1,710~5 А. Экспериментальные значения тока лежали в пределах (1,0-2,0)-Ю-5 А, что хорошо согласуется с экспериментом.

В отличие от сегментов у колец не наблюдали участков резкого нарастания тока. Это связано с тем обстоятельством, что токи колец существенно выше и связаны с эффектами преобладания канальной проводимости и поверхностной генерации:

Ц^п.Азф.^ (4)

где 8 — скорость поверхностной генерации, а Аэф к = 71'-)кАгк - эффективная площадь поверхностной генерации с внешней стороны кольца.

Темновые токи колец до испытаний составляли ~ 10"5 А, превосходили токи сегментов в 10-103 раз, изменялись с напряжением следующим образом: 1ТК= Вип с п = 0,4-0,6 и возрастали в 6-8 раз во время форсированных испытаний в течение 1000 ч.

Причиной аномально больших темновых токов кольца, а также их зависимости от напряжения и времени наработки является образование каналов на поверхности с внешней стороны кольца, увеличение их проводимости и площади вследствие дрейфа ионов натрия в пленке диоксида и генерации носителей на границе раздела Э^БЮг на центрах с энергией 0,48-0,55 эВ.

В результате измерений при 85СС темновых токов колец после испытаний на работоспособность в течение 1000 ч в форсированном режиме (100°С, 135 В) установлено, что «идеальные» ФД испытания выдержали, «неидеальные» ФД I типа находились на грани отказа и темновые токи вышли за пределы норм ТУ ФДК-146 после 1100 ч испытаний и отказали практически все приборы П типа Однако, если за критерий отказа принять нормы ТУ ФДК-141 (1^(500мкА, 1"(1500мкА), то 2/3 забракованных приборов может быть признана годными

Таким образом диагностика по т- и п-параметрам является надежным методом диагностической отбраковки потенциально ненадежных приборов и может быть использована для разделения партии фотодиодов на две группы ФДК-141 и ФДК-146 При данном методе диагностики отбраковке по ТУ ФДК-146 подлежат неидеапьные ФД I и П типа

Статистические исследования на протяжении двух лет показали, что в среднем 70% готовых приборов являются годными и могут быть отнесены к группе ФДК-146 Из 30% отбракованных - 20% соответствуют нормам ТУ ФДК-141

На основе исследования физико-химических процессов в ходе испытаний на надежность предложены и частично реализованы конструктивно-технологические методы снижения тока колец и подавление быстрой деградации путем создания второго пассивного кольца с проводимостью п+-типа, легирования поверхности бором с внешней стороны кольца и использованием фос-форно-силикатного стекла совместно с тонкой пленкой диоксида кремния

Разработан также способ увеличения времени безотказной работы в 2-3 раза путем облучения готовых структур нейтронами или гамма квантами с последующим инжекционно-термическим отжигом радиационных дефектов

Изменение темнового тока кольца, который является критерием годности ФД, серийных и облученных приборов иллюстрируется таблицами 1 и 2

Таблица 1

Изменение темнового тока кольца серийных фотодиодов типа ФДК-146 в процессе наработки

Номер фотодиода Исход, знач Значение 1тк в процессе испытаний (время в часах) Время от-

1т» мкА 100 200 300 400 500 600 700 800 1000 1100 1250 каза, ч

Д90441ВОВ 15,5 49 118 127 151 154 194 258 322 403 596 664 400

Д93002ВОВ 17,4 87 164 188 258 383 567 640 675 762 784 870 200

Д95201ВОВ 15,8 19 127 204 363 488 553 601 733 813 863 998 300

Д95202ВОВ 14,1 52 111 120 277 343 699 789 884 1060 1165 1388 400

Таблица 2

Изменение темпового тока кольца фотодиодов ФДК-146, облученных нейтронами и гамма квантами в процессе наработки

Вид воздействия Номер прибора Исход знач I^Mk'A После облучения икА Значение 1„<в процессе испытаний (время в часах) Время отказа, ч

100 200 300 400 650 850 1050

Облучение неитронами (>0 1 МэВ) 1 4 10" н/см: Д30495ВОВ 11 42 21 70 78 85 99 107 327 1050

Д34090ВОВ 29 85 44 63 53 84 111 209 303 850

Д341 ЗОВОВ 69 244 122 297 350 470 522 959 1170 200

Д36723ВОВ 6,7 29 16 57 70 112 125 130 180 1050

Облучение гамма квантами (1 25 МэВ) 5 2 10'рад Д36725ВОВ 4,2 40 35 42 51 76 85 169 226 850

Д36729ВОВ 24 71 40 63 75 83 95 120 142 1050

Д36791 ВОВ 5,7 34 17 18 25 32 40 44 57 >1050

Д37743ВОВ 21 54 31 48 63 68 90 134 172 850

Статистический анализ показал, что у необлученных ФД кинетическое уравнение линейно

1ТК/1°К = 1,576+3,19110"21, (5)

а у приборов, облученных нейтронами и гамма квантами

1Тк/С = 0,7326ехр(1,92110Эг) (6)

1тк/С = 0,5112ехр(1,774 1(ГЧ) (7)

Выражения (5)-(7) свидетельствуют об изменении механизма деградации ФД после облучения «Быстрый» механизм деградации серийных ФД подавляется У облученных приборов имеет место «медленная» деградация, причем ФД, облученные нейтронами, имеют скорость деградации в 5,1 раза, а гамма квантами - в 6,0 раз ниже, чем необлученные ФД Причиной подавления «быстрой» деградации, по-видимому, является генерация облучением центров захвата ионов натрия в слое диоксида кремния, которые ответственны за «быструю» деградацию

В третьей главе описаны разработанные при участии автора диссертации установки и методики лазерного сканирования для контроля неоднородностей и дефектов фотодиодных РНЧ-структур с охранными кольцами

Блок схема установки для анализа макронеоднородностей в фотодиодных структурах представлена на рис 7

Рис 7 Блок схема установки контроля крупномасштабных неоднородностей фотодиодных структур 1-БФСЗ - блок формирования светового зонда, 2-К -

криостат с образцом, 3-ВП - вакуумный пост, 4-БПО - блок перемещения образца, 5-БИТ - блок регулирования и измерения температуры, 6-БИС - блок измерения и записи сигналов

Недостатком данной установки является малая разрешающая способность и невозможность исследования образцов малой площади От указанных недостатков свободна установка и методика контроля микронеоднородностей и дефектов с помощью лазерного зонда с разрешением 5 мкм Блок схема установки приведена на рис 8

Рис 8 Блок схема установки контроля микронеоднородностей и микродефектов фотодиодных структур с помощью лазерного зонда 1 — блок формирования светового зонда, 2 - блок перемещения образца, 3 - электрометрический усилитель БК2-16,4 -блок управления, 5 - двухкоординатный самописец ПДП4-002

На рис 9 представлено распределение фототока на поверхности идеальной Р1М-структуры с охранным кольцом

Фотоэлектрическими исследованиями выявлено 2 типа дефектов фотодиодов ФДК-146 а) дефекты 1-го типа расположены на участках, где 1-область выходит на поверхность кристалла В этих местах наблюдаются максимумы фототока Величина фототока растет при повышении напряжения питания Очевидно, что плотность темнового тока здесь также повышена

5 Ю 15

>Г. Ю|

Рис. 9. Распределение фототока по поверхности образца при напряжении 90 В

Поэтому данные участки могут быть ответственны за высокие темновые токи сегментов и колец; б) дефекты 2-го типа расположены внутри сегментов и ответственны за увеличение темнового тока и появление дополнительных максимумов фототока. Величина фототока в этих местах при повышении напряжения изменяется незначительно. Поэтому они, скорее всего, не 'могут служить причиной возрастания темнового тока.

При локальном освещении дефектных областей обоих типов резко возрастают шумы фототока. Поэтому можно утверждать, что их наличие является одной из причин повышенных низкочастотных шумов фотодиодов ФДК-146.

Максимумы фототока второго типа вытянуты вдоль определенных линий. Поэтому можно предположить, что они связаны с протяженными макродефектами кристаллов, в частности, с дислокациями, и с дефектами возникшими в ходе технологического цикла (заполированными царапинами).

Однородность распределения фототока по поверхности р-п фотодиодов типа ФП137К может свидетельствовать об их сравнительно более высокой надежности по сравнению с фотодиодами ФДК-146 и ФДК-141, как вследствие другого типа проводимости исходного материала, так и существенно более низкого рабочего напряжения.

Сочетание лазерного зондирования с другими исследованиями объемных и поверхностных дефектов сегментов позволило уточнить сведения о природе неоднородностей и дефектов и разработать технологические рекомендации по их устранению и отбраковке потенциально ненадежных элементов.

В четвертой главе описаны разработанные автором совместно с Г.Ф. Кузнецовым методы рентгеновской топографии (РТГ) и рентгеновской дифракто-метрии (РД) для контроля исходных пластин и структур после основных технологических операций.

С помощью РД-метода установлено существование неодноосного неоднородного изгиба структур, величина которого определяется толщиной пленки диоксида кремния

Из рентгенодифрактограмм установлено существование двух пограничных слоев с отличными от кремния периодами кристаллической решетки и величиной деформации 6,3 10"4 и 2,3 10"4, которые, по-видимому, связаны с различием коэффициентов термического расширения кремния и диоксида кремния и образованием промежуточного слоя под металлическим электродом вследствие диффузии хрома и золота в кремний

При анализе рентгеновских топограмм зарегистрировано два типа структур ФДК-146 с диэлектрической пленкой «зеленого» и «красного» цвета (толщиной 0,18 и 0,25 мкм соответственно), причем у структур второго типа зарегистрирован больший упругий изгиб и повышенный уровень упругих напряжений вследствие более толстой диэлектрической пленки

В структурах первого типа с более тонкой диэлектрической пленкой («зеленого» цвета) обнаружены грубые дефекты - заполированные царапины под оптически гладкой поверхностью кремния, которые возникли в результате механической обработки (резки и шлифовки) Они могут служить стоками для примесей и дефектов, являются причиной ускоренной диффузии фосфора и создания проводящих каналов между сегментами и кольцом

В структурах второго типа также наблюдали массивы густо расположенных царапин, плотность которых на границе одних сегментов достигала 250 см"1, в то время как у других она составляла 30 см"1, которые проявлялись с хорошим контрастом только под слоем золота омического контакта кольца Массивы царапин не проявлялись на участках рентгенограмм, соответствующих площади сегментов, вследствие больших деформаций под относительно толстым слоем диэлектрика («зеленого» цвета), где происходил распад рентгеновского волнового поля, несущего информацию о дефектах в приповерхностном слое, что позволило наблюдать специфические дефекты в пленке диэлектрика двух-трехлучевые «звездочки», которые представляли собой локальные монокристаллы кварца или трещины в диэлектрике

В восьмисегментных структурах ФУЛ-113, имеющих наибольшие деформации несоответствия периодов решетки и большой разброс деформаций (8,9 10'5-2,9 10"4) в разных ФД, зарегистрировано большое число равносторонних треугольников, стороны которых являются отрезками дислокаций, варьируются в пределах 130-330 мкм, плотность достигает 2,0 103 см"2 в одних сегментах и снижается на порядок в других

3. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1 Контроль надежности полупроводниковых приборов, в частности фотодиодов, как правило, осуществляется по результатам испытаний на работоспособность, долговечность и сохраняемость, а также ресурсных испытаний Однако эти испытания требуют больших затрат на испытательное оборудование и оплату обслуживающего персонала, времени и, главное, при испытаниях даже у идеальных ФД вырабатывается ресурс вследствие роста темпового тока кольца

2 Изложенное в п 1, потребовало разработать экспресс-методы контроля надежности

3 На основе изучения прямых и обратных вольт-амперных характеристик и дифференциальных т- и п-параметров была разработана методика и аппаратура для выявления ФД с различными отклонениями от идеальных характеристик и параметров, описываемых классическими моделями Шокли, Шокли-Нойса-Саа, Холла, Карагеоргий-Алкалаева, Осипова-Холодного и др

4 Интенсивности отказов и время наработки на отказ идеальных ФД и ФД с различными отклонениями от идеальности заметно отличались, что позволило разработать методы контроля и диагностики

5 Выявлена основная причина отказов повышенные темновые токи колец (на фактор 102-103 по сравнению с токами сегментов) и их возрастание в 6-8 раз в ходе форсированных испытаний (при 135 В, 100°С)

6 Установлено, что различия величины, температурной зависимости и характера изменения темнового тока сегментов и колец, связано с тем обстоятельством, что в первом случае ток в основном связан с генерацией носителей в объеме, а во втором существенную роль играет образование каналов, увеличение их площади в ходе наработки и поверхностная генерация

7 Предложены конструктивно-технологические методы снижения как величины темнового тока колец, так и скорости его изменения в ходе наработки путем создания второго пассивного кольца п+-типа проводимости или легирования внешней поверхности бором.

8 Разработан метод повышения надежности за счет увеличения времени безотказной работы путем облучения готовых структур нейтронами или гамма квантами с последующим инжекционно-термическим отжигом

9 Для контроля макро- и микронеоднородностей и дефектов, влияющих на величину тока утечки и низкочастотные шумы, разработана аппаратура и методика лазерного сканирования поверхности фотодиодных структур Лазерное сканирование позволило выявить дефекты первого и второго типа, где 1-область выходит на поверхность между сегментами и сегментами и кольцом или внутри сегментов, где максимумы фототока вытянуты вдоль определенных линий - дислокаций или заполированных царапин

10 Для контроля скрытых дефектов разработаны методы рентгеновской топографии (РТГ) и рентгеновской дифрактометрии (РД) для контроля как исходных пластин, так и фотодиодных структур после основных технологических операций Анализ топограмм позволил зарегистрировать упругий изгиб и упругие напряжения, величина которых зависела от толщины пленки БЮг В структурах с тонкой диэлектрической пленкой были обнаружены грубые дефекты -заполированные царапины под оптически гладкой поверхностью кремния, которые могли служить стоками для примесей и дефектов в ходе проведения технологических операций и являлись источниками избыточных темновых токов сегментов и колец и низкочастотного шума

4. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1 Горшков А Н , Куроедов А В , Смолин О В Зависимость интенсивности отказов кремниевых ФД от температуры // Тезисы докладов Российской научно-технической конференции «Методы и средства оценки и повышения надежности приборов и систем» (Саратов, июнь 1994г ) // Пенза 1994 -С 90-91

2 Барсова Т Г, Куроедов А В, Рыжиков И В Конструктивно-технологические и физико-химические основы надежности и диагностики многосегментных Р1М-фотодиодов с охранным кольцом // Тезисы докладов Российской научно-технической конференции «Методы и средства оценки и повышения надежности приборов и систем» (Саратов, июнь 1994г) // Пенза 1994 -С 86-88

3 Барсова Т Г , Куроедов А В , Рыжиков И В Эволюция ВАХ несимметричных кремниевых Р11Ч-фотодиодов под влиянием нейтронного облучения // Тезисы докладов Российской научно-технической конференции «Методы и средства оценки и повышения надежности приборов и систем» (Саратов, июнь 1994г) // Пенза 1994 -С 84-86

4 Маняхин Ф И , Куроедов А В , Рыжиков И В Применение радиацион-но-термической обработки для снижения обратных токов и повышение спектральной чувствительности кремниевых фотодиодов р+-п-структур // Тезисы докладов Российской научно-технической конференции «Методы и средства оценки и повышения надежности приборов и систем» (Саратов, июнь 1994г) // Пенза 1994 -С 89-90

5 Горшков А В , Куроедов А В , Рыжиков И В Повышение надежности кремниевых РИМ-фотодиодов путем радиационной обработки // Тезисы докладов Российской научно-технической конференции «Методы и средства оценки и повышения надежности приборов и систем» (Саратов, июнь 1994г) // Пенза 1994 -С 88-89

6 Рыжиков И В , Куроедов А В Анализ интегральных и дифференциальных ВАХ Р1М-фотодиодов с охранным кольцом // В сб «Моделирование и исследование сложных систем» // М МГАПИ 1998 -С 12-20

7 Куроедов А В , Рыжиков И В Диагностика Р1Ы-фотодиодов с охранным кольцом по дифференциальным и интегральным параметрам // В сб »Моделирование и исследование сложных систем» // М МГАПИ 1998-С 21-25

8 Горшков А Н , Куроедов А В , Рыжиков И В Разработка методов повышения надежности Р1М-фотодиодов с охранным кольцом путем облучения нейтронами и гамма квантами II В сб докладов третьей научно-технической конференции «Моделирование электронных приборов и техпроцессов, обеспечение качества и надежности аппаратуры» (г Севастополь, сентябрь 1997г) М МГАПИ 1997 -С 43-51

9 Куроедов А В Интегральные и дифференциальные вольт-амперные характеристики идеальных РНЧ-фотодиодов с охранным кольцом II В сб трудов МНТК «Информационные технологии и моделирование приборов и техпроцессов в целях обеспечения качества и надежности» (Сафага (Египет) март 2005г , Сусс (Тунис октябрь 2005г.) М МГУПИ 2006 Т.З -С 75-81

10 Куроедов А В Диагностика многосегментных РШ-фотодиодов с охранным кольцом по дифференцированным и интегральным характеристикам // В сб трудов МНТК «Информационные технологии и моделирование приборов и техпроцессов в целях обеспечения качества и надежности» (Сафага (Египет) март 2005г, Сусс (Тунис октябрь 2005г) М МГУПИ 2006 Т 3 -С 82-88

11 Куроедов А В Установка и методика контроля крупномасштабных неоднородностей фотодиодных структур с помощью лазерного сканирующего зонда // В сб трудов МНТК «Информационные технологии и моделирование приборов и техпроцессов в целях обеспечения качества и надежности» (Сафага (Египет) март 2005г , Сусс (Тунис октябрь 2005г) М МГУПИ 2006 Т 2 -С 5759

12 Куроедов А В Установка и методика контроля микронеоднородно-стей фотодиодных структур с помощью лазерного зонда // В сб трудов МНТК «Информационные технологии и моделирование приборов и техпроцессов в целях обеспечения качества и надежности» (Сафага (Египет) март 2005г, Сусс (Тунис октябрь 2005г) М МГУПИ 2006 Т 2 -С 60-67

13 Куроедов А В Исследование фотоэлектрических неоднородностей р-п- и Р1Ы-фотодиодных структур с помощью сканирующего лазерного зонда // В сб трудов МНТК «Информационные технологии и моделирование приборов и техпроцессов в целях обеспечения качества и надежности» (Сафага (Египет) март 2005г, Сусс (Тунис октябрь 2005г) М МГУПИ 2006 Т 2 -С 68-77

14 Куроедов А В Рентгеновские топографические и дифрактометриче-ские исследования дефектов структуры Р1Ы-фотодиодов с охранным кольцом // В сб трудов МНТК «Информационные технологии и моделирование приборов и техпроцессов в целях обеспечения качества и надежности» (Сафага (Египет) март 2005г, Сусс (Тунис октябрь 2005г ) М МГУПИ 2006 Т 1 -С 79-83

15 Куроедов А В Расчет параметров компенсированного слоя базы высоковольтных и (или) высокочастотных фотодиодов // В сб трудов МНТК «Информационные технологии и моделирование приборов и техпроцессов в целях обеспечения качества и надежности» (Сафага (Египет) март 2005 г, Сусс (Тунис октябрь 2005г ) М МГУПИ 2006 Т 1 -С 84-86

16 Куроедов А В Повышение надежности РГЫ-фотодиодов с охранным кольцом путем облучения нейтронами и гамма квантами // В сб трудов МНТК «Информационные технологии и моделирование приборов и техпроцессов в целях обеспечения качества и надежности» (Сафага (Египет) март 2005г, Сусс (Тунис октябрь 2005г ) М МГУПИ 2006 Т 1 -С 87-92

17 Куроедов А В, Рыжиков И В, Руденко Н Н Радиационно-термические методы улучшения и стабилизации параметров, обеспечивающие более чем двукратное повышение времени безотказной работы многосегментных РНЧ-фотодиодов с охранным кольцом // Технология приборостроения 2006 №4(20) -С 37-41

ЛР № 020418 от 08 октября 1997 г

Подписано к печати 04 10 2007 г Формат 60x84 1/16 Объем 1,5 п л Тираж 100 экз Заказ № 196

Московский государственный университет приборостроения и информатики

107996, Москва, ул Стромынка 20

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. Проблемы контроля надежности и контроля фотоприемников на основе кремния.

1.1. Фотоприемники видимого, Ж и УФ спектра.

1.2. Вопросы надежности, испытаний на надежность в нормальном и форсированном режимах, основные виды дефектов, выявляемых при испытаниях.

1.3 Анализ отказов полупроводниковых приборов и ИМС.

Выводы.

ГЛАВА II. Разработка экспресс-методов контроля и повышения надежности многосегментных РШ-фотодиодов с охранным кольцом

2.1. Элементы технологии и конструкции.

2.2. Разработка методов диагностики путем проведения испытаний на безотказность в номинальном и форсированном режимах.

2.3. Разработка методов диагностики многосегментных РШ-фотодиодов с охранным кольцом по интегральным и дифференциальным вольт-амперным характеристикам [51-55].

2.3.1. Анализ В АХ «идеальных» ФД.

2.3.2. Диагностика «неидеальных» ФД по интегральным и дифференциальным параметрам ВАХ [51, 52, 54, 56].

2.3.2.1. Экспериментальные результаты.

2.3.2.2. Обсуждение экспериментальных результатов.

2.3.3. Радиационно-термические способы повышения надежности РШ-фотодиодов с охранным кольцом [59].

Выводы.

ГЛАВА III. Исследование фотоэлектрических дефектов и неоднородности р-п- и РШ-фотодиодных структур с помощью сканирующего лазерного зонда.

3.1. Установка и методика контроля крупномасштабных неоднородностей фотодиодных структур с помощью лазерного сканирующего зонда.

3.2. Установка и методика контроля микронеоднородностей фотодиодных структур с помощью лазерного зонда.

3.2.1. Назначение и область применения установки.

3.2.2. Технические данные.

3.2.3. Состав контрольно-измерительной системы.

3.2.4. Методика оценки однородности и локальных дефектов.

3.2.5. Фототок в р-п-переходе, освещаемом параллельно плоскости перехода слабо поглощаемым светом.

3.3. Результаты исследований дефектов и однородности p+-n- и PINфотодиодных структур.

Выводы.

ГЛАВА IV. Рентгеновские топографические и дифрактометрические исследования дефектов структуры PIN-фотодйодов типа ФДК-146 и ФУЛ-113 с охранным кольцом.

Выводы.

Данная работа посвящена исследованию физико-химических основ деградации многосегментных РШ-фотодиодов (ФД) с охранным кольцом, разработке экспресс-методов контроля и отбраковки потенциально ненадежных приборов и разработке конструктивно-технологических и радиа-ционно-термических способов повышения надежности.

За рубежом с целью отбраковки потенциально ненадежных полупроводниковых приборов (ПП) и интегральных микросхем (ИМС) применяют различные виды испытаний, наиболее эффективными из которых, по-видимому, являются предусмотренные стандартом М1Ь-8П)-750 для ПП и М1Ь-8ТО-883 для ИМС. Они включают визуальный контроль структуры перед герметизацией, выдержку при повышенной температуре, тепловые удары, термоциклирование, механические удары, центрофугирование, проверку на герметичность, измерение электрических параметров при крайних значениях температуры, термоэлектротренировку и контроль внешнего вида готовых изделий.

Выдержка при высокой температуре позволяет выявить проколы в слое окисла и дефекты, связанные с ионной нестабильностью окисла. Тепловые и механические удары, а также постоянное ускорение позволяют устранить приборы с негерметичными корпусами, с ненадежными контактами. Испытания на воздействие линейного ускорения (центрифугирование) имеет смысл для проверки электроразводки, изготовленной из сравнительно «тяжелой» золотой проволоки, т.к. усилия, возникающие при центрифугировании в алюминиевой проволоке и соединениях, очень малы. Испытания на тепловой удар вместе с тем могут привести к выявлению скрытых дефектов.

Методы термоэлектротренировки ПП и ИМС широко применяются как на заводах-изготовителях элементной базы, так и у конструкторов и разработчиков электронной аппаратуры.

С целью ускорения испытаний их часто производят при повышенной, вплоть до 300°С, температуре. Однако при этом могут возникнуть несвойственные при обычных условиях эксплуатации дефекты.

Для выявления потенциальных дефектов применяют испытания в форсированном режиме, при повышенной температуре, когда имеет место ускорение различных физико-химических процессов деградации, а иногда и улучшение параметров приборов. Применяется также форсированный электрический режим или сочетание воздействия повышенной температуры и электрического воздействия. Ускорение физико-химических процессов при повышении температуры описывается уравнением Аррениуса. Обобщением данного уравнения, учитывающим термическое воздействие электрической мощности, является модель Эйринга. В то же время при проведении испытаний необходимо следить, чтобы не были нарушены условия автомодельности процессов, которые могут приводить к отказам. Так, при испытаниях приборов, имеющих золотые контакты, температура р-п-перехода не должна превышать 370°С, т.к. при более высокой температуре образуется эвтектический сплав золото-кремний и могут иметь место специфические отказы, не возникающие при эксплуатации при обычной температуре. Если деградация связана с конденсированием влаги, то температура испытаний не должна превышать 100°С, т.к. при более высокой температуре вода испаряется. При испытаниях на длительную наработку, особенно при температуре 200-300°С, могут иметь место как изменение параметров во времени, так и параметрические отказы, связанные с миграцией ионов натрия в диэлектрической пленке. Поэтому, как правило, температура при ускоренных испытаниях не должна превышать 250-260°С. Сочетание температуры и обратного смещения, в частности, кремниевых ФД при ускоренных испытаниях (УИ), позволяют выявить деградацию, связанную с зарядовой нестабильностью слоя окисла, способствующей формированию каналов в приповерхностном слое, которые приводят к существенному росту темнового тока и низкочастотных шумов, а также уменьшению фоточувствительности. УИ при повышенной плотности позволяют ускорить электромиграцию ионов золота и алюминия, а также натрия в окисной пленке.

При анализе интенсивности отказов в оценке надежности следует оценивать влияние четырех воздействий: тока, напряжения, температуры и влажности.

В настоящее время для целей диагностики и идентификации отказов применяют электронные микроскопы, растровую (сканирующую) микроскопию (РЭМ). Электронный луч в сканирующем электронном микроскопе можно использовать в качестве зонда, позволяющего выявить токи утечки и места их возникновения. С помощью рентгеновского микроанализатора можно проводить неразрушающий качественный и количественный микроанализ образцов малого объема и площади и идентифицировать загрязнения и посторонние примеси на поверхности, электромиграцию примесей, контролировать химический состав диэлектрических и проводящих слоев, образование интерметаллических соединений в местах контакта золота с кремнием и др. металлами.

Оже-спектроскопия обеспечивает более высокую, чем электронная микроскопия, чувствительность при определении легких элементов, в частности, профиля распределения легирующей примеси. Для анализа активной области, неоднородности, наличия дефектов и механических напряжений используют лазерное сканирование. Инфракрасная спектроскопия позволяет обнаружить плохую фиксацию кристалла кремния к основанию корпуса, неоднородности в металлических слоях и т.д. Кроме того, широко применяется рентгеновская спектроскопия, ионное микрозондирование, растровая акустическая микроскопия, растровая ИК-микроскопия и др. методы.

Общая характеристика диссертации.

Актуальность работы.

Многосегментные РГК-фотодиоды с охранным кольцом широко применяются в гражданской и бортовой аппаратуре и оргтехнике, включая космическую. Для этих приборов первостепенное значение приобретают не только проблемы качества, но и надежности, т.е. обеспечение низкой интенсивности параметрических и катастрофических отказов при длительной эксплуатации.

Актуальность диссертации обусловлена необходимостью разработки комплексных методов и средств диагностики и контроля надежности и создания конструктивно-технологических и радиационно-термических способов ее повышения.

Цель работы и задачи исследования

Разработка физико-химических и физических методов экспресс-контроля для выявления скрытых дефектов, определяющих надежность, и способов улучшения качества и надежности многосегментных Р1Ы-ФД с охранным кольцом.

Данная цель достигалась постановкой и решением следующих задач:

1. Созданием на базе персонального компьютера автоматизированной системы для измерения и анализа интегральных и дифференциальных параметров и характеристик и выявления дефектных структур.

2. Проведением испытаний на безотказность, длительную наработку при температурах 20, 55, 70 и 85°С и ресурсных испытаний на основе соотношений Аррениуса.

3. Разработкой конструктивно-технологических методов повышения надежности.

4. Разработкой радиационно-термических методов снижения интенсивности отказов и увеличения времени безотказной работы более чем в два раза.

5. Разработкой аппаратуры и методики лазерного сканирования для контроля однородности электрофизических и оптических параметров и характеристик структур, выявления скрытых объемных и поверхностных дефектов.

6. Применением методов рентгеновской топографии (РТГ) и рентгеновской дифрактометрии (РД) для обнаружения скрытых дефектов исходных пластин и возникающих в ходе технологических операций.

Научная новизна заключается в:

1. использовании классических моделей монополярной и двойной ин-жекции, ш- и п-параметров для диагностики и обнаружения ФД с отклонениями от идеальных электрических и фотоэлектрических характеристик вследствие получения объемных и поверхностных дефектов;

2. установлении разных механизмов деградации характеристик сегментов и колец при длительной наработке: «быстрой», связанной с процессами на поверхности у колец, и «медленной», вызванной объемными эффектами, у сегментов;

3. выявлении основной причины параметрических отказов при длительной наработке: эффективном росте темнового тока колец при практической неизменности темнового тока сегментов;

4. предложении конструктивно-технологичсеских и радиационно-термических методов подавления «быстрой» деградации путем создания дополнительных пассивных колец, легирования свободной поверхности бором, замены диоксида кремния фосфорно-силикатным стеклом, облучения нейтронами или гамма квантами;

5. установлении методом лазерного сканирования макро- и микронеод-нородностей первого и второго типа в местах выхода ¡-области на поверхность кристалла или находящихся внутри сегментов и приводящих к появлению максимумов фототока и усилению низкочастотных шумов;

6. определении методами РТГ и РД деформации и несоответствия параметров кристаллической решетки легированных фосфором слоев и исходного р-кремния, а также находящихся под слоем диэлектрика;

7. обнаружении значительного неоднородного упругого изгиба пластин с разными радиусами, изменяющимися от образца к образцу, и заполированных царапин под оптически гладкой поверхностью кристалла, приводящих к росту темнового тока, проявлению неоднородности фототока и появлению избыточных шумов;

8. обнаружении на границе кремния и диэлектрика специфических дефектов в виде звездочек, которые являются либо частицами кварца в аморфной пленке, либо представляют собой трехлучевые трещины, обусловленные анизотропией упругих свойств кристалла в плоскости (111).

Практическая ценность работы заключается в:

1. разработке на базе персонального компьютера автоматизированной системы для измерения вольт-амперных характеристик, ш- и п-параметров, фоточувствительности, шумов и др. параметров и характеристик и пакета программ для анализа результатов измерения;

2. создании аппаратуры и методики контроля однородности и дефектов фотодиодных структур путем лазерного сканирования;

3. использовании рентгеновских методов выявления скрытых дефектов исходного материала и возникающих в ходе технологического цикла изготовления ФД;

4. разработке конструктивно-технологических и радиационно-термических методов повышения надежности.

Реализация и внедрение результатов работы.

Результаты использованы для контроля качества и надежности, диагностики и отбраковки дефектных структур на различных этапах технологического цикла изготовления серийных фотодиодов на заводе ОАО «Кварц», ГНЦ РФ ФГУП «НПО «Орион». Они нашли отражение в отчетах по хоздоговорным темам с заводом ОАО «Кварц» и », ГНЦ РФ ФГУП «НПО «Орион»: «Использование деградационных процессов при испытаниях на надежность, установление причин отказов и диагностика кремниевых фотодиодов» (НИР Д-90-78, шифр «Тропа»), «Разработка методов диагностики и исследования деградации и надежности фотоприемников»

НИОКР ПС-363), «Разработка средств отбраковки потенциально ненадежных кристаллов и микросхем: лазерной и жидкокристаллической дефектоскопии, рентгеновской топографии, радиационно-термической обработки» (НИОКР ПСГ-902).

Апробация работы.

Основные результаты докладывались на Российской научно-технической конференции «Методы и средства оценки и повышения надежности приборов, устройств и систем» г. Саратов, июнь-июль 1994 г.; на МНТК «Моделирование электронных приборов и техпроцессов, обеспечение качества, надежности и радиационной стойкости приборов и аппаратуры» г. Севастополь (Крым), сентябрь 1996 г. и сентябрь 1997 г.; «Информационные технологии в науке, технике и образовании» Аланья (Турция), май 2004 г., г. Севастополь, сентябрь 2004 г.; «Информационные технологии и моделирование электронных приборов и техпроцессов в целях обеспечения качества и надежности аппаратуры» Сафага (Египет), май 2005 г., Сусс (Тунис) октябрь 2005 г.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ и три отчета по НИОКР.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Основная часть диссертации изложена на 118 страницах машинописного текста, содержит 37 рисунков и 8 таблиц, а также имеет четыре приложения, изложенных на 19 страницах машинописного текста.

Выводы

1. Разработана методика рентгеновской топографии и рентгеновской дифрактометрии для контроля исходных пластин и структур после основных технологических операций.

2. С помощью РД-метода установлено существование неодноосного неоднородного изгиба структур. Не обнаружено влияние различной обработки поверхности на изгиб пластин.

3. Из рентгенодифрактограмм установлено присутствие двух пограничных слоев с отличными от кремния периодами кристаллической решетки и величиной деформации 6,3-10"4 и 2,3 которые, по-видимому, связаны с различием коэффициентов термического расширения кремния и диоксида кремния и образованием промежуточного слоя под металлическим электродом вследствие диффузии хрома и золота в кремний.

4. Из анализа рентгеновских топограмм зарегистрировано два типа структур ФДК-146 с диэлектрической пленкой «зеленого» и «красного» цвета (толщиной 0,18 и 0,25 мкм соответственно), причем у структур второго типа зарегистрирован больший упругий изгиб и больший уровень упругих напряжений вследствие более толстой диэлектрической пленки («красного» цвета).

5. В структурах первого типа с более тонкой диэлектрической пленкой («зеленого» цвета) обнаружены грубые дефекты - заполированные царапины под оптически гладкой поверхностью кремния, которые возникли в результате механической обработки (резки и шлифовки), которые могут служить стоками для примесей и дефектов, являются причиной ускоренной диффузии фосфора и создания проводящих каналов между сегментами и кольцом.

6. В структурах второго типа также наблюдали массивы густо расположенных царапин, плотность которых на границе одних сегментов достигала 250 см-1, в то время как у других она составляла 30 см-1, которые проявлялись с хорошим контрастом только под слоем золота омического контакта кольца.

7. Массивы царапин не проявлялись на участках рентгенограмм, соответствующих площади сегментов, вследствие больших деформаций под относительно толстым слоем диэлектрика («зеленого» цвета), где происходил распад рентгеновского волнового поля, несущего информацию о дефектах в приповерхностном слое, что позволило наблюдать специфические дефекты в пленке диэлектрика: двух-трехлучевые «звездочки», которые представляли собой локальные монокристаллы кварца или трещины в диэлектрике.

8. В структурах ФУЛ-113, имеющих наибольшие деформации или несоответствия периодов решетки и большой разброс деформаций в разных ФД, зарегистрировано большое число равносторонних треугольников, стороны которых являются отрезками дислокаций, варьируются в пределах 130-330 мкм, плотность достигает 2,0-103 см-2 в одних сегментах и снижается на порядок в других.

107

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Работа носит комплексный характер и посвящена разработке методов контроля параметров для повышения надежности многосегментных РШ-фотодиодов с охранным кольцом.

Одним из методов контроля были предложены испытания на безотказность в форсированном режиме при повышенной температуре (до 100°С). Эти испытания, проведенные в течение 1000 ч. с последующим измерением темнового тока колец при 85°С, позволили выявить до 30% потенциально ненадежных фотодиодов, однако требовали дополнительных затрат на оборудование, операторов и существенно повышали время технологического процесса. Однако наиболее существенным недостатком является снижение ресурса и продолжительности последующей безотказной работы.

Поэтому были разработаны экспресс-методы контроля безотказности и надежности, основанные на изучении физико-химических процессов, протекающих в объеме, на поверхности диэлектрической пленки и на границе раздела кремния с диоксидом кремния.

Для разработки экспресс-метода контроля и изучения физико-химических причин деградации были исследованы интегральные и дифференциальные ш- и п-параметры прямых и обратных вольт-амперных характеристик (ВАХ) и выявлены приборы с «идеальными» и дефектными характеристиками.

Было установлено, что причиной аномально больших темновых токов колец и их зависимости от времени наработки являются поверхностные эффекты и зарядовая нестабильность диэлектрической пленки 8Юг с внешней стороны кольца, повышенная скорость поверхностной рекомбинации и увеличение размеров каналов в ходе наработки.

По виду ВАХ, ш- и п-параметрам ФД были разбиты на группы потенциально надежных и ненадежных приборов и результаты предварительной экспресс-диагностики были подтверждены последующими испытаниями в форсированном режиме.

Для снижения влияния поверхностных эффектов, являющихся причиной повышенной величины темнового тока кольца и аномально сильной ее зависимости от времени наработки, был предложен метод легирования свободной поверхности бором или создания второго пассивного кольца п+-типа проводимости.

Эффективным методом снижения скорости деградации темновых токов колец явилось облучение готовых структур нейтронами или гамма квантами с последующим термическим отжигом. ФД, облученные нейтронами, имели скорость деградации в 5,1 раза, а гамма квантами - в 6 раз ниже, чем стандартные ФД.

Для исследования дефектов и неоднородностей ФД был использован метод лазерного сканирования, который позволил выявить места локализации сильного электрического поля на границах п+- и i-областей на поверхности. Кроме того, были обнаружены дефекты внутри сегментов, связанные частично с дислокациями, которые являлись причиной повышенного фототока и низкочастотных шумов.

Для обнаружения скрытых дефектов исходных кристаллов и возникших в ходе технологического цикла были использованы методы рентгеновской топографии и дифрактометрии. С помощью этих методов было установлено существование полностью неоднородного изгиба всех структур, который являлся следствием либо создания диэлектрической пленки на лицевой стороне пластины, либо сплошного двухслойного покрытия хром-золото на противоположной стороне.

В структурах с относительно небольшим упругим изгибом обнаружены грубые механические дефекты - заполированные царапины, которые не фиксируются оптическими методами. Они являлись стоками для примесей и дефектов и областями для ускоренной диффузии фосфора, что приводило к возникновению каналов проводимости между сегментами и кольцами, повышая темновые токи и шум. В структурах второго типа с малым радиусом кривизны на границе раздела диоксида кремния (фосфор-но-силикатного стекла) и кремния наблюдались специфические дефекты, связанные с локальной кристаллизацией кварца или с трещинами в диэлектрике.

110

1. Анисимова И.Д., Викулин И.М., Заитов Ф.А., Курмашев Ш.Д. Полу-проводниовые фотоприемники//М.: Радио и связь. 1984.

2. Фотоприемники видимого и ИК диапазонов//М.: Радио и свзь. 1985.

3. Ушакова М.Б. Современные полупроводниковые фотоэлектрические приемники//М.: ВИНИТИ. 1988. Вып.12. С. 85-128.

4. Продукция НПО «Орион» для гражданского приборостроения и народного хозяйства//И.: Информтехника. 1993.

5. Аксененко М.Д., Бараночников M.JI. Приемники оптического излу-чения//М.: Радио и связь. 1987.

6. Васильев A.M., Ландсман А.П. Полупроводниковые фотопреобразо-ватели//М.: Сов. радио. 1971.

7. Левашенко Г.Н., Годованюк В.Н., Мазаев Н.В., Шимановский А.Б Новый кремниевый фотоприемник//ЭП. 1996. № 1. С.63-64.

8. Lazarus M.G. and Price R.W. Pulsed Optical Switching of Junction Pho-totransistors//Solid StElectr. 1997. V. N9. P.1251-1255.

9. Optoelectronics. Date Book. Siemens. 1993.

10. Zeto M. Et.al. Performance Dependence of Large Area Silicon p-i-n Photodiodes Upon Epitaxial Thickness//Solid St.Electr. 1997. V. N47.P.1083-1087.

11. Garren L.D., Schow C.L. and Campbell A. Silicon Based Integrated N MOS p-i-n Photoreceiver.//IEEE Trans.Electr.Dev. 1966. V.43. N3. P.411-417.

12. Гаценко Л.С., Головнер Т.М., Горшкова Г.Н. Au-Si поверхностно-барьерные детекторы с повышенной чувствительностью к ближней ультрафиолетовой области//ПТЭ. 1976. № 2. С.272-273.

13. Зозуля Ю.И., Мамачаю И.М., Масиян А.Р. Фотоприемник для фото-метрии//ОМП. 1981. № 11. С.54-55.

14. Muench W., Gessert C. and Kolniger M. Photodiodes and Junction Field-Effect Transistors with Hight UV Sensitive//IEEE. 1976. V.ED 23. N10. P. 1203-1207.

15. Таубкин И.И., Кочеров В.Ф., Залетаев Н.Б. Физические явления в монокристаллческих примесных фоторезсторах//М.: Информтехни-ка. 1992.

16. Yuan Н.Х. and Perera A.G. Space Charge Analysis of Si n+-I Structures with application to Far Infrared Detectors//Solid St.Electr.1996. V.39. N5. P.621-629.

17. Бакиров М.Я. Фотоэлектрические и радиационные характеристики кремниевых солнечных элементов при повышенных освещенностях и температурах//ФТП. 1977. Т.31. № 5. С.520-522.

18. Green V.A., Zhao J., Wang A. and Wenham S.B. 45% Efficient Silicon Photovoltaic Cell under Monochromatic Light/ЛЕЕЕ Electr.Device Lett. 1992. N12. P.313-319.

19. Матричные ИК датчики. Обзоры. Иностранная техника и экономика средств связи. М.: ЦООНТИ «ЭКОС. 1989. Вып. 5.

20. Амбозяк А. Конструкция и технология полупроводниковых фотоэлектрических приборов. М.: Сов.Радио. 1970.

21. Dash W.C., Newman R. Intrisic Optical Absorption in Single Grystal Germanium and Silicon at 77 and 300 K//Phys.Rev. 1955. V.99. P. 11511156.

22. Mocc Т. Оптические свойства полупроводников. M.: ИЛ. 1961. 365 с.

23. Степанова Г.А,, Закиров Р.Х. Двойной фототранзистор, чувствительный к координате светового пятна//ПТЭ 1978. № 4. С. 242-244.

24. Зюганов О.М., Свечников С.В. Фотопотенциометры//Техника, Киев.

25. Srivastava А.К., De Winter J.C. Caneau С., Poltack M.A. and Zyskind J.L. High Performance GalnAsSb/GaSb p-n photodiodes for the 1,8-2,3 |im wavelength range//Appl.Phys.Lett. 1986. V.48. N7. P.903-904.

26. Михайлова М.П., Андреев И.А., Воронина Т.И., Лагунова Т.С., Моисеев К. Д., Яковлев ВГП. Гетеропереходы II типа GaInAsSb/InSb//OTn 1955. Выгао4ю С.678-687.

27. Михайлова М.П., Стусь И.М., Слободчиков C.B., Зотова И.В., Матвеева Б.А., Талалакин Г.Н. Фотодиоды на основе твердых растворов InAsixSbx для спектрального диапазона 3-5 мкм//ФТП 1996. Вып.9. СЛ 613-1621.

28. Жуков А.Г., Горюнов А.Н., Кальфа А.А Тепловизионные приборы и их применение//М.: Радио и связь. 1983.

29. Тымкул В.М., Ананич М.И. Системы тепловидения. Новосибирск: СГТА. 1995.

30. Ллойд Дж. Системы тепловидения. Перевод с англ. под. ред. Василь-ченко Н.В. М.: Мир. 1978.

31. Жуков А.Г. Создание быстродействующих тепловизоров для применения в медицине и народном хозяйстве. Автореф.докт.дисс. М. 1993.

32. Драгун B.JL, Филатов С.А. Вычислительная термография: применение в медицине. Минск: Навука i тэхшка. 1992.

33. Савиных В.П., Соломатин В.А. Оптико-электронные системы дистанционного зондирования. М.: Недра. 1995.

34. Мирошников М.М. Инфракрасная техника в России/Юптический журнал. 1992. № 12. С. 18-24.

35. Гуляев Ю.В., Марков А.Г., Коренева Д.Г., Фишер A.M. Система динамической термографии человека// Зарубежная РЭ. 1966. № 2. С.75-80.

36. Гуляев Ю.В., Марков А.Г., Захаров П.В., Коренева Л.Г. Система динамической термографии для биологии и медицины//3арубежная РЭ. 1996. № 3. С.76-80,

37. Прокопило С.А. Адаптивные оптико-электронные средства дистанционного зондирования//Зарубежная РЭ. 1994. № 6. С.37-48.

38. Data Book. Optoeleecrtoybcs//1986. Р.101-123/

39. Lazer Focus Buyers Guides. 1983. 18 th Edition, Detectors, semiconductors. P. 52-59.

40. Фотоприемники видимого и ИК-диапазонов (пер. с англ. Под ред. Р.Дж.Кисса). M.: Радио и связь. 1985. 328 с.

41. Godfrey L&F&Silicon photodiodes making and right choice//The photonics design and application handbook//1985. P.l 140-1142.

42. Solid state detectors//l 986. 8 p.

43. Ya-min, See J. Reductors on leakage current of large-area//IEEE transaction on electron devices//1984. V.ED. 28. N4. P.412-416.

44. Рыжиков И.В., Куроедов A.B. Анализ интегральных и дифференциальных ВАХ PIN-фотодиодов с охранным кольцом//В сб. «Моделирование и исследование сложных систем»//М.: МГАПИ. 1998. С. 1220.

45. Куроедов A.B., Рыжиков И.В. Диагностика PIN-фотодиодов с охранным кольцом по дифференциальным и интегральным параметрам// В сб. «Моделирование и исследование сложных систем»//М.: МГАПИ. 1998. С.21-25.

46. Шокли В. Теория электронных полупроводников. М.: Изд-во иностр. литер.-1053.-714 с.

47. Sah S.T., Noyce R.N., Schokley W. "Carrier generation and recombination in p-n-junctions and p-n-junction characteristics." // Proc. IRE.-1957-V.45-P. 1228-1235.

48. Hall R.N. Powerr ectifiers and transistors.//Proc.TRE.-1952.-P.1512-1518.

49. Карагеоргий-Алкалаев П.М., Лейдерман А.Ю. Глубокие примесные уровни в широкозонных полупроводниках. Ташкент: «Фан». Узбекской ССР.-1971-204с.

50. Shokley W., et. al. Mobile electric charges in insulating oxides with application to oxide coverod p-n-junctions//Surfage Science, 1964, v. 2, p.277-288.

51. Schroen W. Reliability improvement by process control//10 th Ann. proc.1. reliability/Phys. Symp. 1972, p. 42-48.Schroen W. Failure analysis of Surfage inversion//« ann. Proc. Reliability/ Phys. Symp. 1973, p. 111-123.

52. Евстропов B.B., Калинин Б.Н., Царенков Б.В. Неклассический тер-мо-инжекционный ток в GaP р-п-структурах/ ФТП.-1983.-Т. 17.-с.599-606.

53. Евстропов В.В., Киселев К.В., Петрович И.Л., Царенков Б.В. Ток, обусловленный рекомбинацией через многоуровневый центр в слое объемного заряда р-п-структуры//ФТП.-1984.-Т. 18-Вып. Ю.-с. 18521858.

54. Евстропов В.В., Киселев К.В., Петрович И.Л., Царенков Б.В. Скорость рекомбинации через многоуровневый (многозарядный) центр//ФТП-984.-Т. 18.-С.902-912.

55. Ламперт М., Марк П. Инжекционные токи в твердых телах. Москва: Мир, 1973.416 с.

56. Rose A., Lampert M.//Phys. Rev. 1959. 113. Р.1227-1232.

57. Бонч-Бруевич В.Л., Калашников С.Г. Физика полупроводников. М.: Наука. 1977.672 с.

58. Виктор П.А., Зотов В.В. Сердюк В.В. Формирование неоднородно-стей в монокристаллах CdS при пропускании фототока вследствие дрейфа заряженных рекомбинационных центров//ФТП. 1979. Т. 13. № 11. С. 2259-2262.

59. Бродовой В.А., Гозак А.Ч., Пека Г.А., Смоляр А.Н. Исследование распределения поля в симметричных структурах из арсенида галлия с S-образной вольт-амперной характеристикой//ФТП. 1981. Т.15. № 5. С.988-990.

60. Бойко В.А., Рыбин В.Н. Исследование неоднородностей полупроводников импульсным методом темнового зонда//Укр.физ.журн. 1983. Т. 28. № 11. С.1705-1710.

61. Беляев Л.В., Горячев Д.Н., Сресели О.М. Определение некоторых физических параметров полупроводников фотоэлектрическим мето-дом//Тезисы докладов X Всесоюзной конференции по физике полупроводников, 17-19 сентября 1985 г., г. Минск. 1985. С. 150-151.

62. Кузнецов Г.Ф. Неразрушающий рентгенотопографический контроль монокристаллических материалов А1ИВу//Электронная техника. Сер.8. Управление качеством и стандартизация. 1978. Вып. 3(65). С.39-65.