автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Влияние рентгеновского излучения на параметры полупроводниковых изделий

На правах рукописи

005531913

АНТОНОВА Екатерина Александровна

ВЛИЯНИЕ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ПАРАМЕТРЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ИЗДЕЛИЙ

Специальность: 05.27.01 -

Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

-8 АВГ 2013

Воронеж — 2013

005531913

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»

Научный руководитель

Официальные оппоненты

Ведущая организация

Горлов Мнтрофан Иванович,

доктор технических наук, профессор, Воронежский государственный технический университет, профессор кафедры полупроводниковой электроники и наноэлектроники

Петров Борис Константинович,

доктор технических наук, профессор, Воронежский государственный университет, профессор кафедры физики полупроводников и микроэлектроники

Удовик Анатолий Павлович, кандидат технических наук, заместитель главного конструктора Научно-исследовательский институт электронной техники

ОАО «Воронежский завод полупроводниковых приборов - Сборка»

Защита состоится «17» сентября 2013 г. в 14- часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета Д 212.037.06 ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» по адресу: 394026, г. Воронеж, Московский просп., 14.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет».

Автореферат разослан «6» июля 2013 г.

Ученый секретарь ______--£?

диссертационного совета Горлов М.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В современном производстве повышаются требования к качеству и надежности полупроводниковых изделий (ППИ) -полупроводниковых приборов (диодов, тиристоров, транзисторов) и интегральных схем (ИС). Чтобы отбраковать потенциально ненадежные изделия необходимо создать диагностические методы в дополнение к существующим технологическим отбраковочным испытаниям. Данные методы уже применяются предприятиями-изготовителями ППИ на выходном контроле и предприятиями-потребителями ППИ на входном контроле. Они могут заменять трудоемкие технологические отбраковочные испытания на диагностический контроль.

Надежность конкретных изделий определяется количеством содержащихся в них внутренних дефектов (дислокаций, неконтролируемых примесей и других точечных дефектов). Наличие дефектов в структуре ППИ неизбежно отражается на характере процессов, связанных с переносом тока через структуру, что приводит к флуктуациям проводимости и воспринимается во внешней цепи как низкочастотный шум (НЧШ), уровень которого пропорционален скорости деградации структуры.

Широкое распространение получили методы измерения параметров НЧШ при использовании внешних воздействий (рентгеновского излучения, электростатических разрядов (ЭСР), механических, температурных воздействий и др.).

Опубликованные теоретические и экспериментальные данные по исследованию влияния рентгеновского излучения на электрические параметры ППИ показывают недостаточность этих исследований в разработке способов диагностики надежности ППИ. Практически не исследовался вопрос диагностики по параметрам НЧШ при рентгеновском облучении, поэтому тема диссертации в настоящее время является актуальной.

Цель работы: исследование влияния различных доз рентгеновского излучения на электрические параметры и параметры НЧШ ППИ, а также разработка новых диагностических способов отбраковки потенциально ненадежных ППИ.

Для достижения этих целей в работе поставлены следующие задачи:

1. Экспериментально исследовать зависимость электрических параметров и параметров НЧШ ППИ от разных доз рентгеновского облучения.

2. Разработать новые методы диагностирования потенциально ненадежных ППИ, основанные на измерении параметров НЧШ до и после рентгеновского облучения.

3. Разработать способы разделения ППИ по надежности, основанные на измерении информативных параметров до и после дополнительных внешних воздействий: температуры, механических воздействий, ЭСР.

4. Провести сравнительный анализ диагностических методов по их достоверности.

Научная новизна работы. В работе получены следующие новые научные и технические результаты:

1. Показано, что возможна разбраковка ППИ по надежности по характеру изменения параметров НЧШ при рентгеновском облучении.

2. Разработан «Способ разбраковки полупроводниковых изделий» по надежности с использованием среднеквадратичного напряжения НЧШ при воздействии рентгеновским излучением дозой порядка 10 кР. На способ получен патент на изобретение № 2472171.

3. Разработан «Способ разделения полупроводниковых изделий по надежности», с вычислением параметра НЧШ у при воздействии рентгеновским излучением дозой порядка 10 кР. На способ подана заявка на изобретение № 2010130606/28(043379).

4. Разработано четыре способа разделения ППИ по надежности, основанных на измерении информативных параметров при дополнительных внешних воздействиях: механических воздействий, воздействий ЭСР с последующим отжигом, измерением КНП при нормальной и повышенной температурах, механическим воздействием с последующим воздействием ЭСР. На способы получены патенты на изобретения № 2365930, 2374658, 2381514, 2465612.

Практическая значимость. Полученные патенты РФ на изобретения по надежности могут быть использованы предприятиями-изготовителями и потребителями ППИ для сравнения и разделения нескольких партий ППИ по потенциальной надежности:

1. Экспресс-метод выделения ИС повышенной надежности с

использованием относительной величины изменения критического

£

напряжения питания (КНП), равной К = *Р"°РМ — 1, который имеет

высокую производительность, низкие энергозатраты, значительно более меньшую стоимость процесса по сравнению с электротермотренировкой (ЭТТ), поэтому данный метод может заменить ЭТТ в технологических процессах отбраковочных испытаний.

2. Впервые предложены методики разделения ППИ по надежности на основе измерения параметров НЧШ до и после ^рентгеновского облучения и расчетов относительных коэффициентов: К={/£р кон/^ш.нач и М=у2/у1.

Основные результаты, выносимые на защиту:

1. Влияние дозы рентгеновского излучения на электрические параметры и параметры НЧШ следующих полупроводниковых изделий: диодов (КД521Г, Ш5817М1С), транзисторов (КТ3102ЖМ, КТ602БМ, КП728Е1), тиристоров (КУ208А), аналоговых ИС (ЬМР2015,ТЬС27) и цифровых ИС (К555ЛАЗ, К561ТР2).

2. Способы разделения ППИ по надежности на основе измерения параметров НЧШ до и после рентгеновского облучения дозой 10 кР:

а) с последующим расчетом величины относительного изменения шума ИС до и после облучения кон/^ш_нач- На способ получен патент на изобретение № 2472171;

б) по выводам ИС «питание - общая точка» на частотах ^=200Гц и f2=1000Гц с последующим расчетом величин, характеризующих вид спектра НЧШ - у/, у2 и коэффициента М= у/у1. На способ подана заявка на изобретение № 2010130606/28(043379).

3. Способ выделения ИС повышенной надежности с использованием

измерения КНП при нормальной и повышенной температуре и вычисления £

коэффициента К = кр'норм — 1. На способ получен патент на изобретение №

Екр.пов

2365930.

4. Способ разделения ППИ по надежности на основе расчета коэффициента относительного изменения информативного параметра, измеренного четыре раза: до, после механических воздействий, после

А —А

воздействия ЭСР и после температурного отжига: К = °™ нач. На способ

"эср Амех

получен патент на изобретение № 2374658.

5. Способ сравнительной оценки надежности партий ППИ на основе сравнения минимального, среднего и максимального значения информативного параметра до и после механических испытаний и после испытаний на воздействие ЭСР. На способ получен патент на изобретение №2381514.

6. Способ сравнительной оценки партий транзисторов по надежности на основе измерения интенсивности шума по различным переходам транзисторов после воздействия ЭСР четырех напряжений с числом воздействий 5, 4, 2, 1, различной полярности. На способ получен патент на изобретение № 2465612.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на 40 - 43 международном научно-методическом семинаре «Флуктуационные и деградационные процессы в полупроводниковых приборах» (Москва, 2010-2013); XVI, XVII международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь» (Воронеж, 2010, 2011); XVII международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современная техника и технология» (Томск, 2011); девятнадцатой ежегодной международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2013); 50 - 53 научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, аспирантов, магистрантов и студентов

Воронежского государственного технического университета (Воронеж, 2010-2013).

Публикации. Основные результаты диссертации изложены в 25 публикациях, в том числе в 7 работах, опубликованных в журналах, рекомендованных ВАК, и в 5 патентах РФ на изобретение.

Все исследования, представленные в диссертации, проведены соискателем. В работах, опубликованных с соавторами и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежит: [3, 5, 7, 14, 20 - 25] -получение и обработка экспериментальных данных; [1, 2, 4, 6, 17, 18] -анализ полученных результатов; [13, 15, 16, 19] - обобщение и формирование выводов; [8 -12] - написание заявок на изобретения

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы из 70 наименований и приложения. Основная часть работы изложена на 105 страницах, содержит 36 рисунка и 32 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформирована цель и поставлены основные задачи исследования, показаны научная новизна и практическая значимость полученных результатов, сформулированы основные положения, выносимые на защиту, приведены сведения о публикациях по теме диссертации, личном вкладе автора в совместных работах, структуре и объеме работы.

В первой главе приведен литературный обзор по теме диссертации. Дано описание влияния рентгеновского излучения на параметры ППИ, изготовленных по биполярной и МДП технологиям. Приведены сведения о существующих неразрушающих методах диагностики полупроводниковых изделий по качеству и надежности с использованием рентгеновского излучения. Указаны преимущества и недостатки методов.

Во второй главе представлен рентгеновский аппарат для рентгеноструктурного анализа УРС-55 с рентгеновской трубкой типа БСВ-2. Приведена общая модульная схема для измерения среднеквадратичного напряжения НЧШ, по которой проводились измерения для диагностики ППИ. Описана установка имитации воздействия ЭСР по модели тела человека, позволяющая в автоматизированном режиме проводить испытания на ППИ на стойкость к импульсным воздействиям ЭСР.

Приведены экспериментальные данные о влиянии различных доз облучения рентгеновского излучения на параметры ППИ. Воздействие проводилось мягким рентгеновским излучением на установке УРС-55 с рентгеновской трубкой БСВ-2 (Си) мощностью 0,5 Р/с в течение 3 - 8 ч, что составило дозы 3600_- 14400 Р. Измерение выходного среднеквадратичного напряжения НЧШ и^ проводилось методом прямого усиления на частоте f = 1000 Гц при полосе частот ДГ = 200 Гц при прямом рабочем токе 10 мА через ППИ. Также был посчитан для всех изделий относительный

коэффициент, показывающий во сколько раз изменилось значение среднеквадратичного напряжения НЧШ после конечной дозы облучения относительно начального значения.

К-г/,?,р кон/^ш_нач' (1)

У импульсных диодов КД521Г измеряли прямое падение напряжения ипр, которое уменьшилось у 90 % диодов после дозы 3600 Р и практически не изменилось после облучения дозой 9000 Р. Значение НЧШ после облучения общей дозой 9000 Р у всех диодов уменьшилось относительно начального значения, что видно на рис. 1 а: значения коэффициента К всех диодов меньше единицы. Также можно предположить, что чем меньше значение коэффициента К, тем потенциально более надежны приборы. Диоды, имеющие максимальное значение К - № 5, 8, можно отнести к потенциально наименее надежным приборам, диод № 2, имеющий минимальное значение К, можно отнести к потенциально более надежным приборам.

У диодов Шоттки типа Ш5817М1С измеряли прямое падение напряжения ипр, которое увеличилось у 40 % приборов после дозы 5400 Р, а затем вернулось к начальному после общей дозы 10800 Р (№ 3-5, 9). Диоды № 1, 6 - 8 не изменили значение 11ир после 5400 Р, а после 10800 Р уменьшили. Значение НЧШ после облучения Э = 5400 Р у 40 % диодов (№ 1, 6, 7, 10) увеличилось, а у 60% (№ 2 - 5, 8, 9) уменьшилось. После

0 = 10800 Р у 90 % приборов значение и^, уменьшилось по отношению к первоначальному значению за исключением прибора № 4, что видно на рис.

1 б. Максимальное значение К - диод № 4 можно отнести к приборам пониженной надежности, а прибор № 2, имеющий минимальное значение К, можно отнести к приборам повышенной надежности.

0,990 0,985 0,980 0,975 0,970 0,965 0,960 0,955

0123456789 10

№ диода КД521Г

1,02 1,00 0,98 Ь< 0,96 0,94 0,92 0,90

П§Г

У

123456789 № диода Ш5817М1С

10

а) б)

Рис. 1

На биполярные транзисторы воздействовали рентгеновским излучением дозой 3600 Р и общей дозой 9000 Р, низкотемпературным отжигом (хранение при комнатной температуре 21 сут.), ЭСР напряжением 1700 В по 5 воздействий положительной и отрицательной полярности на

каждый переход транзистора, отжига 100 С в течение 1ч половины партии и повторного рентгеновского излучения общей дозой 14400 Р.

Значение /г21Э транзисторов КТ3102ЖМ в процессе экспериментов и увеличивалось, и уменьшалось (в среднем на 1,6%), а после повторного рентгеновского излучения общей дозой 14400 Р уменьшилось у 40 % приборов (№ 3, 4, 8, 9). Значение НЧШ и£ изменилось незначительно и уменьшилось у 100 % приборов относительно начальных значений после Э = 14400 Р. Транзисторы КТ3102ЖМ с максимальным значения К - № 4 на переходе эмиттер-база (рис. 2 а) и № 10 на переходе коллектор-база (рис. 2 б), можно отнести к потенциально менее надежным приборам, транзистор № 6, имеющий минимальное значение К на обоих переходах, можно отнести к потенциально более надежным приборам.

1,000 0,995 0,990 0,985 0,980

0123456789 10 № тр. КТ3102ЖМ

0,995 0,990 0,985 0,980 0,975

0123456789 10 № тр. КТ3102ЖМ

переход эмиттер-база

переход коллектор-база

Рис. 2

Значение /г21Э транзисторов КТ602БМ в процессе экспериментов и увеличивалось, и уменьшалось (в среднем на 1,6%), а после повторного рентгеновского излучения общей дозой 14400Р уменьшилось у приборов № 2 - 7. Так как значения h213 транзисторов КТ602БМ не вышли за пределы ТУ, можно сделать вывод, что эти приборы имеют высокую стойкость к рентгеновскому облучению дозами 3600 Р, 9000 Р и 14400 Р. Значение НЧШ изменялось незначительно и уменьшилось у 100 % приборов относительно начальных значений после D = 14400 Р. Приборы № 1,4, 6, 7, имеющие коэффициент К больше 1 хотя бы по одному из переходов, можно отнести к потенциально менее надежным приборам (рис. 3).

Пороговое напряжение полевых транзисторов типа КП728Е1 линейно уменьшается при рентгеновском облучении общей дозой D = 9000 Р. При этом значение U3U „„,, всех транзисторов вышло за пределы заданного порога (U3„ пор min = 2 В), следовательно, все приборы можно охарактеризовать как потенциально ненадежные к дозе 9000 Р. После дозы D = 3600 Р значение напряжения НЧШ у 80 % практически не изменилось, кроме приборов № 1, 9, у которых резко увеличилось. После дозы D=9000 Р значение Ujh

увеличилось практически вдвое относительно первоначального у всех оставшихся приборов (рис. 4 а).

переход эмиттер-база

Рис. 3

переход коллектор-база

1,95 1,90 1,85

1,75 1,70 1,65

0 1 2 3 4 5 6 7

№ тр. КП728Е1

10

123456789 10 № тиристоров КУ208А

а)

б)

Рис. 4

Измерение напряжения НЧШ тиристоров КУ208А проводили на ^=200 Гц и Г2=1000 Гц и вычисляли параметр у равный

У =

(2)

До облучения рентгеновским излучением максимальное значение параметра у имели тиристоры № 5, 7, после облучения - приборы № 3, 7. Можно сделать предположение, что наиболее надежным тиристором в партии является тиристор № 2 как имеющий минимальное значение параметра у до и после облучения, что также видно на рис. 4 б.

Для каждой аналоговой ИС были измерены значения НЧШ методом прямого измерения по выводам «питание - общий» на частотах 200 и 1000 Гц до и после рентгеновского облучения 10 кР. По результатам измерений были рассчитаны значения параметра НЧШ - у каждой ИС по формуле (2). Максимальные значения у до и после облучения имеют ИС

типа ЬМР2015 (изготовленные по биполярной технологии) № 3, 6. Эти ИС можно отнести к потенциально менее надежным изделиям. И С № 4, имеющая минимальные значения у до и после облучения, можно отнести к потенциально более надежным изделиям.

Максимальные значения у до и после облучения имеют ИС типа ТЪС27 (изготовленные по КМОП — технологии) № 6, 8. Эти ИС можно отнести к потенциально менее надежным изделиям. ИС № 10, имеющая минимальные значения у до и после облучения, можно отнести к потенциально более надежным изделиям (рис. 5 б).

1,2 1,1 1

0,9

123456789 10 № ИС ЬМР2015

1,5 I

0,5 0

| $ нам обл

123456789 10 № ИС типа Т1Х27

а) б)

Рис. 5

Цифровые ИС типа К555ЛАЗ, изготовленные по биполярной технологии, подвергали воздействию рентгеновским излучением дозами 5.4 кР и 10,8 кР и вычисляли относительный коэффициент К по формуле (1). Максимальное значение коэффициента К имеет ИС № 2, которую можно отнести к потенциально менее надежным изделиям. Минимальное (из максимальных по 4 выходам ИС) значение К у ИС № 10 позволяет ее отнести к ИС повышенной надежности (рис. 6 а).

1,06 1,04 1,02 1

0,98 0,96

0123456789 10 № ИС типа К555ЛАЗ

4.5 4 3,5 3 2,5 2

23456789 10 № И С типа К561ТР2

а) б)

Рис. 6

Цифровые ИС типа К561ТР2, изготовленные по КМОП - технологии, подвергали воздействию рентгеновским излучением дозой 5.4 кР. Значение и01_ после облучения у 70 % ИС (№ 1 - 4, 7, 8, 10) увеличилось на несколько

порядков относительно начального значения и вышло за пределы, указанные в ТУ (исключение ИС № 5, 6, 9). После отжига у 90 % ИС значение исл уменьшилось относительно начального в несколько раз. Значение НЧШ резко увеличилось после облучения и еще немного после отжига, при этом оно превысило начальное значение в 2-3 раза. ИС типа К561ТР2 имеют малую стойкость к облучению рентгеновским излучением дозой 5400Р, так как КМАХ> 3 (рис. 6 б).

Разделение полупроводниковых изделий по надежности с использованием рентгеновского излучения и значения НЧШ.

Первый способ достигается тем, что до и после воздействия рентгеновским излучением проводят измерение напряжения НЧШ изделия и по относительному увеличению величины НЧШ судят о потенциальной надежности изделий. Время воздействия и доза устанавливаются экспериментально для каждого типа изделия.

Предложенный способ был опробован на 15 схемах случайной выборки типа ОР64 (операционный усилитель выполненный по биполярной технологии), измерено значение НЧШ на частоте 1000 Гц методом прямого измерения в цепи питания до и после воздействия рентгеновским излучением дозой 10 кР, не приводящей к отказу изделий. ИС №5 имеет максимальное относительное изменение шума. При испытании на безотказность (500ч, 85°С) эта ИС имела параметрический отказ.

Второй способ основан на том, что до и после воздействия рентгеновским излучением предельной дозы, допустимой техническими условиями, измеряется интенсивность шума на двух частотах ^ и ПРИ положительном напряжении питания и одинаковом значении ширины полосы измерения Д£ По полученным данным рассчитывается значение коэффициента у, до испытаний и у2 после испытаний по формуле (2). По значениям у, и у2 находят коэффициент М=у2/уь по которому разделяют изделия на надежные и потенциально ненадежные.

Способ осуществляется следующим образом: методом случайной выборки было отобрано 10 аналоговых ИС типа ТЬС27, выполненных по МОП технологии. Для каждой ИС были измерены значения НЧШ методом прямого измерения по выводам «питание — общая точка» на частотах ^ = 200 Гц и Г2 = 1000 Гц. Ширина полосы измерения частот Д1=200Гц, время усреднения т = 2с. По результатам измерений были рассчитаны значения параметра у1 по формуле (2). После измерений было проведено воздействие рентгеновским излучением общей дозой 10 кР. По значениям у] и у2 найден коэффициент М= у2/уь

Если выбрать критерий для потенциально ненадежных схем М> 1,05, то схема №6 будет потенциально ненадежной. Можно выделить ИС повышенной надежности со значением М < 1,01 (схема № 10)

В третьей главе предложены новые диагностические способы контроля полупроводниковых изделий по надежности при использовании

различных внешних воздействий (повышенной температуры, механическом воздействии и воздействии электростатического разряда) и проведен сравнительный анализ их достоверности.

Способ выделения интегральных схем повышенной надежности методом критического напряжения питания (КНП) при измерении в нормальной и повышенной температуре.

Отбор интегральных схем проводят по относительной величине изменения КНП, рассчитанной по формуле:

К = (3)

^кр.пов

где Екр нор, Екр поа - значения критического напряжения питания при нормальной и повышенной температуре соответственно.

В зависимости от критерия К, устанавливаемого для каждого типа ИС экспериментально, можно не только выделить партию ИС повышенной надежности, но и разделить оставшуюся часть партии на две и более группы по надежности.

Методом случайной выборки у 10-ти ИС 106ЛБ1 измерили значение КНП при нормальной и повышенной температуре и вычислили критерий К. При использовании критерия К<0,63 к схемам повышенной надежности можно отнести ИС №7. Установив второй критерий К<0,66, можно считать, что ИС №1-6 будут более надежными по сравнению со схемами №8-10.

Способ разделения полупроводниковых изделий по надежности с использованием механического воздействия и воздействия электростати ческого разряда.

Предлагается на выборке ППИ избирать информативный параметр, например коэффициент усиления, обратный ток, напряжение логического нуля. Осуществляют измерение информативного параметра изделия до, после механических воздействий, после ЭСР и после температурного отжига. Разделение ППИ по надежности осуществляют на основании значения коэффициента относительного изменения величины информативного параметра, рассчитываемого по формуле:

^ _ Артж~Анач ^^

Акр — Амех

где Анач, Аэср, Амех, Аотж - измерение величины информативного параметра до (в начальном состоянии), после воздействия ЭСР, после механических воздействий, после температурного отжига соответственно. Чем ниже значение коэффициента, тем большую нестабильность проявляет информативный параметр ППИ под воздействием внешних дестабилизирующих факторов, тем, соответственно, ниже его потенциальная надежность.

Способ был опробован на 10 интегральных схемах типа КР537РУ13 (статические ОЗУ емкостью 4096 бит, выполненные по КМОП-технологии). В качестве информативного параметра было выбрано выходное напряжение

логического нуля U0l- Значения U0l до испытаний, после 1000 многократных ударов с ускорением 150 g, после ЭСР с потенциалом 500В положительной и отрицательной полярности и после температурного отжига, проводимого 6ч, при температуре 100 °С.

Установим значение критерия 0,6 < К < 1. На основании данных, представленных в таблице, видно, что ППИ № 2, 7 можно отнести к изделиям, обладающим повышенной надежностью, ППИ № 3, 8 можно считать потенциально ненадежными.

Способ сравнительной оценка надежности партий полупроводниковых изделий с использованием механического воздействия и воздействия электростатического разряда.

Из каждой партии (количество партий неограниченно) методом случайной выборки отбирают несколько приборов, у которых измеряют наиболее критичный информативный параметр в исходном состоянии (до проведения испытания), после механических испытаний и после испытаний на воздействие ЭСР. Затем составляют таблицу минимальных, средних и максимальных значений информативных параметров приборов до, после механических испытаний и после воздействия ЭСР для каждой партии. Сравнивая эти значения для каждой партии можно выделить наиболее надежные, а также определить предрасположенность партии к определенному виду отказов (например, стойкость к ЭСР, стойкость к механическим воздействиям).

Способ был опробован на выборках из партий ИС типа КР537РУ13 (статическое ОЗУ емкостью 4096 бит, выполненные по КМОП технологии). Случайным образом было отобрано по 10 ИС от 2-х партий. В качестве информативного параметра выбрано выходное напряжение логического нуля U0l- Был измерен параметр U0l до испытаний, после 10 одиночных ударов с ускорением 1000 g, после воздействия пяти ударов ЭСР с потенциалом 500 В положительной и отрицательной полярности. После чего в таблицу занесли минимальное, среднее и максимальное значения информативного параметра U0l, определенное на каждом этапе испытаний.

Сравнивая значения информативного параметра, можно утверждать, что партия № 2 обладает большей надежностью, чем партия № 1, так как минимальные, средние и максимальные значения U0l до испытаний и после одиночных ударов меньше у приборов партии № 2, а после воздействия ЭСР максимальные значения также меньше у приборов партии № 2.

Способ сравнительной оценки партий транзисторов по надежности.

В предлагаемом способе ЭСР подается отдельно на переходы эмиттер-база и коллектор-база потенциалом, начиная с допустимого, а затем увеличивая его, но не более чем в два раза, с числом воздействий соответственно 5, 4, 2, 1 различной полярности. Значения величины низкочастотного шума 11щ измеряются на различных переходах до

испытаний и после каждого последующего воздействия ЭСР. По разности значений интенсивности шума на переходах коллектор-эмиттер и коллектор-база судят о потенциальной надежности сравниваемых партий транзисторов.

Способ апробирован на 10 транзисторах типа КТ838А, у которых измеряли величину интенсивности шума 11щ при прямом рабочем токе 3 мА до и после воздействия ЭСР. Воздействие ЭСР осуществляли по модели тела человека с потенциалом 500 В (допустимое значение по ТУ), 650 В, 850 В, 1000 В с числом воздействий ЭСР соответственно 5, 4, 2, 1 различной полярности. После воздействий ЭСР вычисляли разность напряжения шума эмиттерного и коллекторного перехода Л=ищЭб-11щКб. На второй партии замеры проведены только после воздействия ЭСР напряжением 1000 В.

Так как в этом способе воздействие ЭСР осуществляют напряжением больше допустимого, то он может применяться только для выборочной оценки партий транзисторов по потенциальной надежности.

Разработанные способы можно использовать для выборочных сравнительных оценок двух или более партий ППИ одного типа по надежности.

Сравнительный анализ диагностических методов по их достоверности.

В основе метода определения достоверности диагностических методов положен расчет коэффициента корреляции полученных значений информативных параметров со взятыми за эталон результатами испытаний на надежность.

Представим результаты разбраковки ППИ каждым из диагностических методов в виде двух уровней надежности в числовой форме: потенциально менее надежные изделия символом - "-1", приборы средней надежности - "0". Получим совокупность данных по исследуемому методу разбраковки ППИ Х=(Х!,...ХП), где п - количество изделий в рассматриваемой выборке, и по методу, взятому за эталон (в нашем случае эталонным методом является испытание на надежность) Y=(Yl...Yn), коэффициент корреляции между совокупностями X и Y будет иметь вид:

р = (5)

где X, Y - математические ожидания, рассчитываемые по формуле

(6); Sx, Sy - среднеквадратичные отклонения, рассчитываемые по формуле

(7).

(7)

Рассчитанные коэффициенты корреляции по формулам (5) с помощью электронных таблиц Excel приведены в таблице.

Метод (вид воздействия) Ко эф. Коэффициент корреляции, р

Разбраковка (рентген, облуч.) К- ^Апркон /*^ш_нач -0,45

Разделение (рентген, облуч.) М=у2/У1 -0,48

Разделение (КНП) в 1Г -крнпм , Е '-'кр.пов -0,93

Разделение (ЭСР и мех. возд.) Аотж Анач Аэср Амех 0,38

Сравнительная оценка (ЭСР и мех. возд.) Сравнение двух партий -1

Сравнительная оценка (ЭСР) д = ^шэб " Ишкб -1

По мнению авторов, наиболее перспективными из рассмотренных методов разделения ППИ следует считать методы " Разделение (КНП)", "Сравнительная оценка (ЭСР и мех. возд.)" и " Сравнительная оценка (ЭСР)". Достоверность этих методов фактически равна достоверности испытаний на надежность. Данные способы могут претендовать на замену электротермотренировки в технологических процессах отбраковочных испытаний, так как имеют ряд преимуществ: невысокие энергозатраты, высокая производительность, значительно более низкая стоимость процесса по сравнению с электротермотренировкой. Другие методы можно применять при оценке влияния конструктивно технологических изменений.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Из диагностики с использованием рентгеновского излучения, проведенной на полупроводниковых изделиях (диодах, транзисторах, тиристорах, цифровых и аналоговых ИС), изготовленных по биполярной и МДП - технологии, следует, что после анализа коэффициента у НЧШ и относительного коэффициента К, показывающего во сколько раз изменилось значение среднеквадратичного напряжения НЧШ после итоговой дозы облучения относительно начального, можно судить о надежности изделий для каждой партии приборов отдельно.

2. Разработан «Способ разбраковки полупроводниковых изделий», включающий измерение значения НЧШ каждой ИС методом прямого измерения по выводам «питание - общая точка» на частоте Г=1000 Гц до и после облучения рентгеновским излучением дозой 10 кР с последующим расчетом величины относительного коэффициента К. По коэффициенту К определяют потенциальную надежность изделий. На способ получен патент №2472171 [12].

3. Разработан «Способ разделения полупроводниковых изделий по надежности», включающий измерение значения НЧШ каждой ИС методом прямого измерения по выводам «питание - обшая точка» на частотах ^=200 Гц и Г2=1000 Гц до и после облучения рентгеновским излучением дозой 10 кР с последующим расчетом величин уь у2 и коэффициента М = у2/у,. По коэффициенту М определяют потенциальную надежность изделий. На данный способ подана заявка на изобретение.

4. Разработан «Способ выделения интегральных схем повышенной надежности» с использованием измерения критического напряжения питания при нормальной и повышенной температуре. Отбор ИС проводят по относительной величине изменения КНП, рассчитанной по формуле

К = На способ получен патент на изобретение 1Ш 2365930 С1

Екр.пов

СОН*. 31/26, опубл.27.08.2009 Бюл.№24 [8].

5. Разработан «Способ разделения полупроводниковых изделий по надежности» на основе расчета коэффициента относительного изменения информативного параметра, измеренного четыре раза: до, после механических воздействий, после воздействия ЭСР и после температурного

А —А

отжига, рассчитываемого по формуле: К = °1Ж нач. На способ получен

"эср Амех

патент на изобретение Яи 2 374 658 С1 вОЖ 31/26, опубл.27.11.2009 Бюл.№33 [9].

6. Разработан «Способ сравнительной оценки надежности партий полупроводниковых изделий» на основе сравнения минимального, среднего и максимального значения информативного параметра партий ППИ до, после механических испытаний и после испытаний на воздействие ЭСР. Получен патент на изобретение 1Ш 2 381 514 С1, С01Я 31/26, опубл. 10.02.2010 Бюл. №4 [10].

7. Разработан «Способ сравнительной оценки партий транзисторов по надежности» на основе измерения интенсивности шума по различным переходам транзисторов после воздействия ЭСР четырех напряжений с числом воздействий 5, 4, 2, 1 различной полярности. Вычисляют разность напряжения шума эмиттерного и коллекторного перехода после воздействий ЭСР Д = и^эб - 11щКб, по величине которой судят о потенциальной надежности одной партии относительно другой партии. На способ получен патент на изобретение 1Ш 2465612 С2, 00111 31/26, опубл. 27.02.2012 Бюл. №30 [11].

8. При сравнительном анализе разработанных способов по их достоверности выявлены наиболее перспективные методы разделения ППИ: «Способ выделения интегральных схем повышенной надежности», «Способ сравнительной оценки надежности партий полупроводниковых изделий» и «Способ сравнительной оценки партий транзисторов по надежности». Достоверность этих методов фактически равна достоверности испытаний на

надежность, но с учетом ряда преимуществ предлагаемых методов они могут претендовать на то, чтобы заменить электротермотренировку в технологических процессах отбраковочных испытаний. Другие методы можно применять при оценке влияния конструктивно-технологических изменений.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Горлов М.И Влияние рентгеновского излучения на низкочастотный шум ИС / М.И. Горлов, Д.Ю. Смирнов, Е.А. Золотарева // Известия вузов. Электроника. - 2010. — № 4(84). - С. 8 - 13.

2. Горлов М.И. Способы разделения тиристоров по надежности с использованием низкочастотного шума и рентгеновского облучения / М.И. Горлов, Д.Ю. Смирнов, Е.А. Золотарева // Дефектоскопия. - 2010. - № 12. -С. 23 - 26.

3. Горлов М.И. Влияние рентгеновского излучения на электрические параметры транзисторов КТ602 / М.И. Горлов, Д.Ю. Смирнов, Е.А. Антонова // Вестник Воронежского государственного технического университета. -2011.-Т. 7.-№ 1.-С. 170- 173.

4. Горлов М.И. Способы разделения полупроводниковых приборов по надежности с использованием низкочастотного шума и рентгеновского облучения / М.И. Горлов, Д.Ю. Смирнов, Е.А. Золотарева // Микроэлектроника. - 2011. — Т. 40. — № 1. — С. 52 — 56.

5. Горлов М.И. Способы сравнительной оценки партий полупроводниковых изделий по качеству и надежности / М.И. Горлов, Е.А. Антонова, P.M. Тихонов // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2011. - Т. 7. - № 6. - С. 18 - 20.

6. Gorlov M.I. The Influence of X-Ray Radiation on the Low-Frequency Noise of Integrated Circuits / M.I. Gorlov, D.Yu. Smirnov, and E.A. Zolotareva // Russian Microelectronics. - 2011, Vol. 40, No. 7, pp. 97-101.

7. Горлов М.И. Влияние рентгеновского излучения на электрические параметры и низкочастотный шум цифровых интегральных схем / М.И. Горлов, Р.Н. Антонов, Е.А. Антонова // Дефектоскопия. - 2013. - № 5. - С. 39-43.

Патенты на изобретения

8. Пат. 2365930 Российская Федерация, МПК G01R 31/26 Способ выделения интегральных схем повышенной надежности / Горлов М.И., Козьяков H.H., Золотарева Е.А.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО Воронежский государственный технический университет. № 2008114996/28; заявл. 16.04.2008; опубл. 27.08.2009, Бюл. № 24. 3 с.

9. Пат. 2374658 Российская Федерация, МПК G01R 31/26 Способ разделения полупроводниковых изделий по надежности / Горлов М. И.,

Золотарева Е. А., Козьяков Н. Н.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО Воронежский государственный технический университет. № 2008122153/28; заявл. 02.06.2008; опубл. 27.11.2009, Бюл. № 33. 3 с.

10. Пат. 2381514 Российская Федерация, МПК G01R 31/26 Способ сравнительной оценки надежности партий полупроводниковых изделий // Горлов М.И., Золотарева Е.А., Козьяков H.H.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО Воронежский государственный технический университет. № 2008124486/28; заявл. 16.06.2008; опубл. 10.02.2010, Бюл. № 4. 3 с.

11. Пат. 2465612 Российская Федерация, МПК G01R 31/26 Способ сравнительной оценки партий транзисторов по надежности // Горлов М.И., Смирнов Д.Ю., Золотарева Е.А.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО Воронежский государственный технический университет. № 2009142349/28; заявл. 17.11.2009; опубл. 27.10.2012, Бюл. № 30. 4 с.

12. Пат. 2472171 Российская Федерация, МПК G01R 31/26, Способ разбраковки полупроводниковых изделий / Горлов М.И., Смирнов Д.Ю.,. Золотарева Е.А.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО Воронежский государственный технический университет. № 2009144815/28; заявл. 02.12.2009; опубл. 10.01.2013 Бюл. №1. 3 с.

Статьи и материалы конференций

13. Горлов М.И. Способ выделения интегральных схем повышенной надежности / М.И. Горлов, Е.А. Золотарева, Е.П. Николаева // Твердотельная электроника и микроэлектроника: межвуз. сб. науч. тр. -Воронеж: ВГТУ, 2009. - Вып. 8. - С. 37 - 39.

14. Горлов М.И. Способ разделения транзисторов по надежности / М.И. Горлов, Е.А. Антонова, Д.Ю. Смирнов // Твердотельная электроника и микроэлектроника: межвуз. сб. науч. тр. - Воронеж: ВГТУ, 2010. - Вып. 9. -С. 40-43.

15. Горлов М.И. Способ разделения полупроводниковых изделий по надежности / М.И. Горлов, Е.А. Антонова, Д.Ю. Смирнов // Твердотельная электроника и микроэлектроника: межвуз. сб. науч. тр. - Воронеж: ВГТУ, 2010.-Вып. 9.-С. 44-47.

16. Модель прогнозирования низкочастотного шума / М.И. Горлов, Д.Ю. Смирнов, Е.А. Золотарева, И.А. Шишкин // Радиолокация, навигация, связь: сб. докл. XVI между нар. науч.-техн. конф. - Воронеж, 2010, С 524527.

17. Способ разделения полупроводниковых приборов по надежности с использованием шумовых параметров / М.И. Горлов, Д. Ю. Смирнов, Е. А. Золотарева // Флуктационные и деградационные процессы в полупроводниковых приборах: материалы докл. междунар. науч.-методич. семин. - Москва: МНТОРЭС им. A.C. Попова, МЭИ, 2010, - С. 63-70.

18. Способ разделения тиристоров по надежности с использованием шумовых параметров и рентгеновского облучения / М.И. Горлов, Д.Ю.

Смирнов, Е.А. Золотарева // Флуктуационные и деградационные процессы в полупроводниках: материалы докл. междунар. науч.-методич. семин. -Москва: МНТОРЭС им. A.C. Попова, МЭИ, 2011. - С. 61-65.

19. Способы разделения полупроводниковых изделий по надежности/ М.И. Горлов, Д.Ю. Смирнов, И.А. Шишкин, Е.А. Антонова // Радиолокация, навигация, связь: сб. докл. XVII междунар. науч.-техн. конф. - Воронеж, 2011. - С. 668-671.

20. Влияние рентгеновского излучения на полевые транзисторы / М.И. Горлов, Д.Ю. Смирнов, Е.А. Антонова // Современная техника и технология: сб. труд. XVII междунар. науч. - практ. конф. - Томск, 2011. - С.

21. Горлов М.И. Влияние рентгеновского облучения на полупроводниковые диоды / М.И. Горлов, Д.Ю. Смирнов, Е.А. Антонова // Твердотельная электроника и микроэлектроника: межвуз. сб. науч. тр. -Воронеж: ВГТУ, 2011. - Вып. 10. - С. 99 - 103.

22. Метод разделения транзисторов по надежности/ М.И. Горлов, Д.Ю. Смирнов, Е.А. Золотарева // Флуктуационные и деградационные процессы в полупроводниках: материалы докл. междунар. науч.-методич. семин. - Москва: МНТОРЭС им. A.C. Попова, МЭИ, 2012. - С. 97-100.

23. Горлов М.И. Влияние рентгеновского облучения на электрические параметры полупроводниковых изделий / М.И. Горлов, Р.Н. Антонов, Е.А. Антонова // Технологии в электронной промышленности (ТвЭП). 2012. -№6.-С.76-81.

24. Горлов М.И. Влияние рентгеновского облучения на цифровые ИС / М.И. Горлов, Е.А. Антонова // Твердотельная электроника и микроэлектроника: межвуз. сб. науч. тр. - Воронеж: ВГТУ, 2012. - Вып. 10. -С. 99-103.

25. Влияние рентгеновского облучения на полупроводниковые диоды / Е.А. Антонова, М.И. Горлов // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: тез. докл. девятнадцатой междунар. науч. - техн. конф. студ. и аспир. В 4 т. Т. 1. М.: Издательский дом МЭИ, 2013. -С. 238 - 239.

Подписано в печать 02.07.2013 г. Формат 60x84/16. Бумага для множительных аппаратов. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 80 экз. Зак. № /У? ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» 394026 Воронеж, Московский просп., 14

147-148.

воронежским государственный технический университет

На правах рукописи

04201361360 ^

Антонова Екатерина Александровна

ВЛИЯНИЕ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ПАРАМЕТРЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ИЗДЕЛИЙ

Специальность 05.27.01 Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н., проф. Горлов м.и.

Воронеж - 2013

Содержание

ВВЕДЕНИЕ 4

Глава 1

ВОЗДЕЙСТВИЕ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ИЗДЕЛИЯ 9

1.1. Влияние рентгеновского излучения на электрофизические параметры полупроводников и электрические параметры полупроводниковых изделий 12

1.1.1. Диоды 16

1.1.2. Биполярные транзисторы 19

1.1.3. Полевые транзисторы 23

1.1.4. Интегральные схемы 26

1.2. Прогнозирование качества и надежности полупроводниковых изделий с использованием рентгеновского излучения и низкочастотного шума 28

Выводы к главе 1 39

Глава 2

ВЛИЯНИЕ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ И НИЗКОЧАСТОТНЫЙ ШУМ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ИЗДЕЛИЙ 40

2.1. Установки, используемые для исследования полупроводниковых изделий

2.1.1. Рентгеновская установка УРС-55 40

2.1.2. Установка для измерения низкочастотного шума 42

2.1.3. Установка для имитации воздействия электростатических разрядов 43

2.2. Диоды 45

2.2.1. Импульсные диоды типа КД521Г 45

2.2.2. Диоды Шоттки типа Ш5817М1С 48

2.3. Транзисторы 51 2.3.1. Биполярные транзисторы малой мощности КТЗ102ЖМ 51

2.3.2. Биполярные транзисторы средней мощности КТ602БМ 56

2.3.3. МОП - транзисторы типа КП728Е1 60

2.4. Тиристоры типа КУ208А 64

2.5. Аналоговые ИС 66

2.5.1. ИС типа ЬМР2015, изготовленные по биполярной технологии 66

2.5.2. ИС типа ТЪС27, изготовленные по КМОП технологии 68

2.6. Цифровые ИС 70

2.6.1. ИС типа К555ЛАЗ, изготовленные по биполярной технологии 70

2.6.2. ИС типа К561ТР2, изготовленные по КМОП технологии 72

2.7. Диагностические способы разделения полупроводниковых изделий

по надежности с использованием параметров низкочастотного шума при облучении рентгеновским излучением 76

2.7.1. Способ разбраковки полупроводниковых изделий 76

2.7.2. Способ разделения полупроводниковых изделий

по надежности 78

Выводы к главе 2 81

Глава 3

ДИАГНОСТИЧЕСКИЕ СПОСОБЫ КОНТРОЛЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ИЗДЕЛИЙ И ИХ ДОСТОВЕРНОСТЬ 82

3.1. Способ выделения интегральных схем повышенной надежности 82

3.2. Способ разделения полупроводниковых изделий по надежности 84

3.3. Способ сравнительной оценки надежности партий полупроводниковых изделий 86

3.4. Способ сравнительной оценки партий транзисторов по надежности 87

3.5. Сравнительный анализ диагностических методов по их достоверности 90

Выводы к главе 3 92

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ 94

Список литературы 97

Приложение на 3 листах

ВВЕДЕНИЕ

В современном производстве повышаются требования к качеству и надежности полупроводниковых изделий (ПЛИ) - полупроводниковых приборов (диодов, тиристоров, транзисторов) и интегральных схем (ИС). Чтобы отбраковать потенциально ненадежные изделия необходимо создать диагностические методы в дополнение к существующим технологическим отбраковочным испытаниям. Данные методы уже применяются предприятиями-изготовителями ПЛИ на выходном контроле и предприятиями-потребителями 1111И на входном контроле. Они могут заменять трудоемкие технологические отбраковочные испытания на диагностический контроль.

Надежность конкретных изделий определяется количеством содержащихся в них внутренних дефектов (дислокаций, неконтролируемых примесей и других точечных дефектов). Наличие дефектов в структуре ПЛИ неизбежно отражается на характере процессов, связанных с переносом тока через структуру, что приводит к флуктуациям проводимости и воспринимается во внешней цепи как низкочастотный шум (НЧШ), уровень которого пропорционален скорости деградации структуры.

Широкое распространение получили методы измерения параметров НЧШ при использовании внешних воздействий (рентгеновского излучения, электростатических разрядов (ЭСР), механических, температурных воздействий и др.).

Опубликованные теоретические и экспериментальные данные по исследованию влияния рентгеновского излучения на электрические параметры ПЛИ показывают недостаточность этих исследований в разработке способов диагностики надежности ПЛИ. Практически не исследовался вопрос диагностики по параметрам НЧШ при рентгеновском облучении, поэтому тема диссертации в настоящее время является актуальной.

Цель и задачи работы: исследование влияния различных доз рентгеновского излучения на электрические параметры и параметры НЧТТТ ППИ, а также разработка новых диагностических способов отбраковки потенциально ненадежных ППИ.

Для достижения этих целей в работе поставлены следующие задачи:

1. Экспериментально исследовать зависимость электрических параметров и параметров НЧШ ППИ от разных доз рентгеновского облучения;

2. Разработать новые методы диагностирования потенциально ненадежных ППИ, основанные на измерении параметров НЧШ до и после рентгеновского облучения;

3. Разработать способы разделения ППИ по надежности, основанные на измерении информативных параметров до и после дополнительных внешних воздействий: температуры, механических воздействий, ЭСР;

4. Провести сравнительный анализ диагностических методов по их достоверности.

Научная новизна работы. В работе получены следующие новые научные и технические результаты:

1. Показано, что возможна разбраковка ППИ по надежности по характеру изменения параметров НЧШ при рентгеновском облучении.

2. Разработан «Способ разбраковки полупроводниковых изделий» по надежности с использованием среднеквадратичного напряжения НЧШ при воздействии рентгеновским излучением дозой порядка 10 кР. На способ получен патент на изобретение № 2472171.

3. Разработан «Способ разделения полупроводниковых изделий по надежности», с вычислением параметра НЧШ у при воздействии рентгеновским излучением дозой порядка 10 кР. На способ подана заявка на изобретение № 2010130606/28(043379).

4. Разработаны четыре способа разделения ППИ по надежности, основанных на измерении информативных параметров при дополнительных внешних воздействиях: механическом воздействии, воздействии ЭСР с последующим отжигом, измерением КПП при нормальной и повышенной температурах, механическом воздействии с последующим воздействием ЭСР. На способы получены патенты на изобретения № 2365930, 2374658, 2381514, 2465612.

Практическая значимость.

Полученные патенты РФ на изобретения по надежности могут быть использованы предприятиями-изготовителями и потребителями ППИ для сравнения и разделения нескольких партий ППИ по потенциальной надежности:

1. Экспресс-метод выделения ИС повышенной надежности с использованием относительной величины изменения КНП, равной

К =Екрнорм — 1 } который имеет высокую производительность, низкие

Екр.пов

энергозатраты, значительно более меньшую стоимость процесса по сравнению с электротермотренировкой (ЭТТ), поэтому данный метод может заменить ЭТТ в технологических процессах отбраковочных испытаний;

2. Впервые предложены методики разделения ППИ по надежности на основе измерения параметров НЧШ до и после рентгеновского облучения

V1

шр _ кон

и расчетов относительных коэффициентов: К= 2 ~ и М— у1 /у2•

У ш _нач

Основные результаты, выносимые на защиту:

1. Влияние дозы рентгеновского излучения на электрические параметры ППИ и параметры НЧШ ППИ.

2. Способы разделения ППИ по надежности на основе измерения параметров НЧШ до и после рентгеновского облучения дозой 10 кР:

а) с последующим расчетом величины относительного изменения НЧТТТ

ИС до и после облучения К= Т к°" . На способ получен патент на

и

ш_нач

изобретение № 2472171;

б) по выводам ИС «питание - общая точка» на частотах ^=200Гц и f2= 1000Гц с последующим расчетом величин, характеризующих вид спектра НЧШ - уь у2 , и коэффициента М— Уг/Уг • На способ подана заявка на изобретение № 2010130606/28(043379);

3. Способ выделения ИС повышенной надежности с использованием измерения критического напряжения питания (КНП) при

нормальной и повышенной температуре и вычисление коэффициента £

К = кр-норм — 1. На способ получен патент на изобретение № 2365930;

Ькр.пов

4. Способ разделения ПЛИ по надежности на основе расчета коэффициента относительного изменения информативного параметра, измеренного четыре раза: до, после механических воздействий, после

воздействия ЭСР и после температурного отжига: К = Аотж Анач. На способ

Аэср-Амех

получен патент на изобретение № 2374658;

5. Способ сравнительной оценки надежности партий ПЛИ на основе сравнения минимального, среднего и максимального значения информативного параметра до и после механических испытаний и после испытаний на воздействие ЭСР. На способ получен патент на изобретение №2381514;

6. Способ сравнительной оценки партий транзисторов по надежности на основе измерения интенсивности НЧШ по различным переходам транзисторов после воздействия ЭСР четырех напряжений с числом воздействий 5, 4, 2, 1, различной полярности. На способ получен патент на изобретение № 2465612.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на: международных научно-методических семинарах

«Флуктационные и деградационные процессы в полупроводниковых приборах» (Москва, 2010 - 2013 гг.); международных научно-технических конференциях «Радиолокация, навигация, связь» (Воронеж, 2010, 2011 гг.); семнадцатой международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современная техника и технология» (Томск, 2011г.); девятнадцатой ежегодной международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2013 г.); научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, аспирантов, магистрантов и студентов ВГТУ (Воронеж, 2010-2013 гг.).

Публикации. Основные результаты диссертации изложены в 25 публикациях, в том числе в 7 работах, опубликованных в журналах, рекомендованных ВАК, и в 5 патентах РФ на изобретение.

Все исследования, представленные в диссертации, проведены соискателем. В работах, опубликованных с соавторами, диссертанту принадлежит получение и обработка экспериментальных данных [32, 34 -36,40, 45,50, 51], анализ полученных результатов [33, 39, 41 - 44, 46], обобщение и формирование выводов [37, 47 - 49,], а также в написание заявок на изобретения [58, 63, 65, 67, 68].

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Работа содержит 104 страницы текста, включая 36 рисунков, 32 таблицы, список литературы из 70 наименований.

Глава 1

ВОЗДЕЙСТВИЕ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ИЗДЕЛИЯ

Все излучения, распространяющиеся в вакууме со скоростью света, называются электромагнитными. Рентгеновское излучение электромагнитные волны, энергия фотонов которых лежит на энергетической шкале между ультрафиолетовым излучением и гамма-излучением, что соответствует длинам волн от Ю-4 до 102 А (от 10~14 до 10~8 м) [1]. Наиболее распространённый источник рентгеновского излучения - рентгеновская трубка, в которой электроны, вырывающиеся из катода в результате термоэлектронной или автоэлектронной эмиссии, ускоряются электрическим полем и бомбардируют металлический анод. Атомы анода, возбуждаемые электронным ударом, и электроны, теряющие кинетическую энергию при торможении в веществе, испускают рентгеновское излучение [2]. В энергию рентгеновского излучения превращается лишь малая доля энергии тормозящихся электронов (при напряжениях до 200 кВ - менее 1 %) [3]. Излучение рентгеновской трубки называется первичным и состоит из двух частей: линейчатой (характеристическое излучение) и непрерывной (тормозное излучение).

Тормозное излучение вызывается торможением ускоренных электронов в поле ядра атома мишени и имеет сплошной спектр с резкой границей со стороны коротких длин волн (рис. 1.1).

Характеристическое излучение дает линейчатый спектр (рис. 1.2) и возникает только при напряжении не меньшем, чем некоторое минимальное, характерное для атомов вещества мишени. При этом линейчатый спектр накладывается на непрерывный спектр. Частота характеристического излучения определяется законом Мозли [1]:

где V - частота спектральной линии характеристического излучения; Я -постоянная Ридберга; 2 - порядковый номер элемента; 5 - постоянная экранирования; п - главное квантовое число (п= 1,2,3,... соответствующее сериям К, Ь, М)

Рис. 1.1. Распределение интенсивности в непрерывном рентгеновском

спектре [3]

К

М

3 4 5 6 7 8 9 ^.А

Рис. 1.2. Спектр характеристического излучения вольфрама [3]

Энергия характеристического спектра гораздо меньше энергии спектра торможения. Поэтому при использования всего излучения в целом действие характеристического спектра в больней части случаев можно не учитывать.

Опытами установлено, что интенсивность излучения прямо пропорциональна атомному номеру 2 вещества, в котором происходит торможение электронов.

Максимальная энергия или жесткость рентгеновского излучения зависит от анодного напряжения, анодного тока, и от материала, из которого сделан анод трубки и равна [3]:

^mSK=eUa=hvmsK=h-^-, (1.2)

min

где h - постоянная Планка, равная 6,62-10"34 Дж/с; с - скорость света, равная 3-Ю8 м/с.

Для количественного описания рентгеновского излучения также как и гамма-излучения применяются такие понятия как доза и мощность излучения.

Источники и уровни радиации описываются экспозиционной дозой излучения, представляющей собой количество излучения, создающее вследствие ионизации в одном килограмме сухого атмосферного воздуха заряд, равный одному кулону каждого знака. В качестве единицы экспозиционной дозы принята физическая величина, называемая кулон на килограмм (Кл/кг). В ряде случаев для описания экспозиционной дозы применяется внесистемная единица, называемая рентген, равная 2,58-104Кл/кг или 0,88 рад [4].

Интенсивность излучения описывается физической величиной, называемой мощность экспозиционной дозы, представляющая собой приращение экспозиционной дозы в единицу времени. Единица измерения -ампер на килограмм (А/кг) или рентген в секунду (Р/с) - равняется мощности излучения, передающего сухому атмосферному воздуху дозу излучения в 1 Кл/кг за 1 с.

Для количественного описания высокоэнергетических частиц применяются такие физические величины, как поток и плотность потока ионизирующих частиц. Потоком ионизирующих частиц называется физическая величина, равная числу частиц, падающих на данную поверхность в единицу времени. Единицей потока частиц является секунда в минус первой степени (с"1), равная потоку ионизирующих частиц, при котором через данную поверхность за 1 с проходит одна частица.

Плотностью потока ионизирующих частиц называется физическая величина, равная отношению потока ионизирующих частиц, проникающих в

объем элементарной сферы, к площади поперечного сечения этой сферы. Единицей плотности потока является секунда в минус первой степени на метр в минус второй степени, равная плотности равномерного потока ионизирующих частиц, при которой через поверхность 1 м2, перпендикулярной к потоку, за 1 с проходит одна ионизирующая частица [4].

В современной практике широкое распространение получила внесистемная единица, называемая интегральным потоком частиц, представляющая собой произведение плотности потока на время экспозиции и имеющая размерность метр в минус второй степени (м"2).

1.1. Влияние рентгеновского излучения на электрофизические параметры полупроводников и электрические параметры полупроводниковых изделий

При прохождении рентгеновского и гамма-излучения через полупроводник существенны следующие процессы [4-6]:

а) фотоэлектрическое поглощение квантов излучения;

б) комптоновское рассеяние квантов;

в) образование электрон-позитронных пар.

При фотоэлектрическом поглощении квант излучения взаимодействует с одним из электронов оболочки атома и полностью передает ему свою энергию, выбивая его за пределы атома. Вылетающий электрон имеет энергию, равную разности энергии поглощенного кванта излучения и энергии связи электрона в атоме. В результате происходит образование вакантного состояния на соответствующем энергетическом уровне электронной оболочки. На этот вакантный уровень может перейти электрон с более высокого энергетического уровня с испусканием характеристического излучения. Таким образом, при фотоэффекте квант рентгеновского излучения исчезает, а его энергия расходуется на выбивание из атомов фотоэлектронов и образование характеристического излучения [4].

Комптоновское рассеяние происходит, если энергия квантов излучения, взаимодействующего с веществом, намного превышает энергию связи электрона в атоме. При компто�