CC BY
170198
www.finestreet.ru
технологии I методы контроля
Митрофан ГОРЛОВ Антон ЕМЕЛЬЯНОВ Дмитрий СМИРНОВ
dmitry.box@mail.ru
Возможность отбраковки полупроводниковых приборов
по уровню низкочастотного шума
Низкочастотные шумы полупроводниковых изделий, как наиболее специфические для этих изделий, могут служить для прогнозирования их качества и надежности.
Мечтой производственников является нахождение такого метода отбраковки полупроводниковых изделий (ППИ) в процессе их производства, который позволял бы, во-первых, находить потенциально ненадежные изделия, то есть такие изделия, которые на момент проверки соответствуют всем техническим требованиям на них, но, будучи установленными в аппаратуру, через какое-то время (меньше установленного времени гарантированной работы) отказывают, и, во-вторых, заменить длительные и дорогие испытания, в первую очередь электротермотренировку, на диагностические методы контроля, которые были бы не менее эффективными [1].
В этом случае целесообразно использовать косвенные методы выявления скрытых дефектов, среди которых большой интерес представляют методы, связанные с анализом шумовых характеристик ППИ [2].
Анализ спектра шумов ППИ показывает, что в зависимости от физической природы наблюдаются тепловые и избыточные шумы. Среди различных видов избыточных шумов в литературе наиболее широко рассматриваются генерационно-рекомбинационный шум и шум вида 1^ (или низкочастотный, или фликкер-шум), а также шум в виде случайных телеграфных сигналов [3]. Для выявления скрытых дефектов используют шум вида 1/£ а потому он и наиболее изучен [4-7].
Способы определения потенциально ненадежных полупроводниковых приборов по шумам
Как правило, способы отбраковки ППИ по шумам основаны на том, что исследуемые изделия сравниваются по уровню шума с контрольным бездефектным изделием и по разности значений шумов изделие оценивается на надежность. Недостатком этих способов является их низкая достоверность, так как можно отбраковать до 15% надежных изделий [8]. Был предложен следующий способ
определения потенциально ненадежных транзисторов [9]: измерение шумов проводилось в режиме диода переходов Э-Б и К-Б при прямом токе 10 мА с помощью установки прямого измерения на частоте 1 кГц, после чего сигнал детектировался квадратичным детектором и измерялся на цифровом вольтметре.
Для достаточной выборки транзисторов из партии одного типа находят разность значений шумов переходов Э-Б и К-Б для каждого транзистора. Критерий оценки разности значений шумов выбирается, исходя из разности минимального, среднего и максимального значений для двух переходов. Транзисторы, у которых разность значений шумов переходов Э-Б и К-Б будет больше установленного критерия, считаются потенциально надежными.
На 15 транзисторах КТ3107А методом случайной выборки измерили значение шумов на переходах Э-Б и К-Б и определили минимальное, среднее и максимальное значения и их разности (табл. 1).
По таблице 1 примем, что для надежных транзисторов разность значений шумов переходов Д = - ДЦШКБ должна быть не бо-
лее 5. Поэтому транзисторы № 2, 3, 7, у которых разность значений шумов равнялась 6, 9, 6 мВ2 соответственно, будут потенциально ненадежными.
Это объясняется тем, что в едином технологическом цикле изготовления партии транзисторов шумовые параметры, зависящие от поверхностных и объемных дефектов, у транзисторов различаются значительно, что говорит о наличии в структуре транзисторов больших нарушений, снижающих их надежность.
Таблица 1. Обработанные данные иЩ для каждого перехода
Значение
Переход
минимальное среднее максимальное
Э-Б 65 68,8 73
К-Б 60 64,7 69
Значение разности шумов 5 4,1 4
Для подтверждения достоверности данного способа проведено испытание на долговечность при нормальной температуре 15 транзисторов КТ3107А в режиме при подаваемой мощности 300 мВт (икб = 30 В, 1к = 10 мА) в течение 2000 ч. Оценка проводилась по значениям коэффициента усиления и обратных токов коллектора и эмиттера (нормы: 4бо < 0,1 мкА, !эбо < 0,1 мкА). Замеры проводились через 0, 250, 500, 1000, 1500, и 2000 ч. Получены следующие результаты: коэффициент усиления по току при всех измерениях был в нормах технических условий (ТУ); обратный ток перехода коллектор — база 4бо увеличивался у всех транзисторов, кроме № 2, 3, 7, в 1,2—1,5 раза по сравнению с начальным, а значение !кбо у транзисторов № 2, 3, 7 увеличилось в 2-5 раз, оставаясь в нормах ТУ; обратный ток перехода эмиттер — база !эбо увеличился у транзисторов № 2, 3, 7 в 10-15 раз после 2000 ч, выйдя за нормы ТУ; у остальных транзисторов увеличился в 3-8 раз, оставаясь в нормах ТУ. Таким образом, транзисторы № 2, 3, 7 имеют большую нестабильность электрических параметров и являются потенциально ненадежными.
При снятии зависимости шумовых характеристик транзисторов от тока наблюдается большой разброс значений как на малых токах, так и на больших. На этом наблюдении предложено два способа разделения транзисторов на группы по надежности.
Первый способ основан на том, что шум типа 1^ при малых значениях тока перехода эмиттер — коллектор образован флуктуациями концентрации зарядов на поверхности, флуктуациями скорости поверхностей рекомбинации в области эмиттерного перехода и флуктуациями поверхностной утечки по периметру коллекторного перехода [8]. Таким образом, применение зависимости значений шума от тока дает более объективные результаты по разбраковке ППИ по надежности, чем вольт-амперная характеристика (ВАХ).
Критерий отбраковки потенциально ненадежных ППИ находят следующим образом:
методы контроля технологии
199
Рис. 1. Зависимость значения шума от тока для двух транзисторов типа КТ3102
из партии приборов, подлежащих разбраковке, отбирают представительную выборку и для каждого прибора из выборки измеряют значение шума (и2Ш или ІШ) при различных малых значениях тока, например 0,05, 0,1, 0,5, 1 мА, строят зависимости значений шума от тока для максимального случая (как наихудшего) и минимального случая (наилучшего). По этим зависимостям определяют значение тока, при котором расхождение между характеристиками шума для максимального и минимального случаев было бы наибольшим. Для этого значения тока находят среднее значение шума. Приборы, имеющие при данном токе значение шума больше найденного среднего значения, относятся к первой группе — менее надежных приборов. Приборы со значением шума меньше среднего значения относятся ко второй группе — более надежных приборов.
Предлагаемый способ разбраковки был опробован на транзисторах КТ3102. Из партии транзисторов более 500 штук методом случайной выборки было отобрано 20 транзисторов, на которых измерено значение шума (и2ш) при токах эмиттера, равных 0,05, 0,1, 0,5, 1 мА. Наихудшее значение шума наблюдалось у транзистора № 9, наилучшее — у транзистора № 4. Построены зависимости значений шума для транзисторов № 9 и № 4 (рис. 1).
Видно, что при токе 0,5 мА разность значений шума (Д) у транзисторов наибольшая:
д = и
Ш.№9
- и
Ш.№4 '
16 - 19 = 6 (мВ2).
таний проверялись обратные токи эмиттера и коллектора. Хотя значения обратных токов у транзисторов обеих групп не вышли за нормы технических условий, обратные токи транзисторов первой группы выросли в среднем в 3 раза по сравнению с начальными значениями, а у транзисторов второй группы — не более чем в 1,1 раза, то есть транзисторы первой группы менее надежные, чем транзисторы второй группы.
Известно, что повышенный низкочастотный (НЧ) шум (типа 1/А создают как поверхностные, так и объемные дефекты структуры [8].
При увеличении дефектности в структуре ППИ уровень НЧ-шума возрастает, а с ростом величины протекающего через прибор тока возрастает скорость его деградации, следовательно, и уровень НЧ-шума [10].
Второй способ основан на том, что по значениям тангенса угла наклона зависимости значений шума от величины тока для каждого прибора можно судить о потенциальной надежности изделия:
1есх =
Цщ-Цщ
/2-/1 .
мерялся на частоте 1 кГц, полосе пропускания 160 Гц при значениях тока эмиттер — коллектор 5 и 10 мА. Данные значения токов выбраны потому, что зависимости значений шума, определенные при токах, равных 5, 10, 20, 30, 40 мА, показали, что наибольший разброс по НЧ-шуму происходит при токах 5 и 10 мА (рис. 2).
Экспериментально по испытаниям на надежность 15 транзисторов КТ3102Г показано, что при значениях tga < 3 надежность транзисторов повышена, а при tga > 3 — понижена. Поэтому, например, в данной партии менее надежными будут транзисторы № 1, 2. В общем случае критерий оценки будет tga; < tgaкр для транзисторов повышенной надежности и tga; > tgaкр для транзисторов пониженной надежности. Значение tgaкр определяется экспериментально на представительной выборке для каждого типа приборов.
Способы контроля качества и надежности ППИ с использованием шумов и воздействия электростатических разрядов
Зачастую о потенциальной ненадежности полупроводниковых изделий (диодов, транзисторов и интегральных схем) судят по относительной величине информативного электрического параметра до и после какого-либо определенного внешнего дестабилизирующего воздействия (радиации, импульса тока или мощности, механических воздействий и т. п.). Например, по относительной величине изменения значения шума до и после пропускания через полупроводниковый прибор импульса тока, в 1,5-5 раз превышающего по амплитуде предельно допустимое значение, определяют потенциальную нестабильность приборов, что характеризуется отношением [11]:
и ■
ІГ= шк
ІЇ
Предложенный способ разбраковки был опробован на транзисторах КТ3102Г. НЧ-шум перехода эмиттер — коллектор из-
(1)
где иШн и и2
ШК '
значения интенсивности
шума соответственно до и после подачи тока.
Для этого значения тока (0,5 мА) подсчитано среднее значение шума по данным 20 транзисторов. Оно равно 12,7 мВ2. Тогда те транзисторы, у которых ЦЩ > 12,7 мВ2, относят к первой группе (менее надежных) транзисторов. Транзисторы со значением шума ЦЩ при токе 0,5 мА менее значения 12,7 мВ2 относят ко второй группе (более надежных) транзисторов.
Для подтверждения данного положения транзисторы первой и второй группы были подвергнуты термотренировке в течение 100 ч при температуре 125±5 °С. До и после испы-
1200
технологии I методы контроля
Таблица 2. Значение шума транзисторов КТ3107А
Значение шума, UШ, мВ2 начения параметро
начальное после ЭСР после отжига M K
1 75 80 78 0,066 2,5 1,66
2 62 71 65 0,145 1,5 3
3 73 79 75 0,082 1,5 3
4 51 62 55 0,216 1,57 2,75
5 63 67 65 0,063 2,0 2,0
6 72 77 74 0,069 1,66 2,5
7 53 58 56 0,094 2,5 1,66
8 58 63 61 0,086 2,5 1,66
9 61 67 65 0,098 3,0 1,5
10 72 78 74 0,083 1,5 3
11 68 73 71 0,073 2,5 1,66
12 73 79 75 0,082 1,5 3,0
13 71 75 74 0,056 4,0 1,33
14 81 85 83 0,049 2,0 2,0
15 65 71 69 0,092 3,0 1,5
Таблица 3. Значение шума транзисторов КТ133А
Значение шума, мВ2 Вычисленные значения
начальное после ЭСР после отжига F1 F2 F3 F4 К М
1 55 62 57 0,127 0,088 0,091 0,036 3,5 1,4
2 57 61 57 0,070 0,070 0,070 0 ? 1,0
3 59 68 60 0,156 0,133 ,0136 0,016 9 1,125
4 69 77 70 0,116 0,1 0,101 0,014 8 1,14
5 67 78 68 0,164 0,147 0,149 0,015 11 1,1
6 59 67 59 0,136 0,136 0,136 0 ? 1,0
7 60 68 60 0,133 0,133 0,133 0 ? 1,0
8 50 55 51 0,1 0,078 0,08 0,02 5 1,25
9 62 69 63 0,113 0,095 0,097 0,016 7 1,16
10 65 73 68 0,123 0,074 0,077 0,046 2,7 1,6
По превышению результата второго измерения над первым, например, более чем в два раза, выявляют потенциально нестабильные (потенциально ненадежные) приборы.
К сожалению, в работе [11] нет примера с данными по практическим измерениям полупроводниковых приборов.
Недостатком способа является подача импульса, в 1,5-5 раз превышающего по амплитуде предельно допустимые значения по техническим условиям на прибор, что может вызвать необратимые изменения в структуре прибора, которые могут, в свою очередь, привести к недостаточной достоверности результатов и к преждевременным отказам приборов в эксплуатации, например по проколу базы.
Эксперимент, проведенный на 15 транзисторах типа КТ3107А (кремниевые, эпитаксиально планарные, р-п-р типа), показал, что по относительной величине изменения значения шума до и после воздействия электростатических разрядов (ЭСР) величиной 1500 В различной полярности по критерию (1) при Р>0,09 потенциально ненадежными будут транзисторы № 2, 4, 7, 9, 15 (табл. 2).
Дополнительно проведено измерение значений шума после термического отжига в течение трех часов при температуре 100 °С. Тогда для оценки потенциальной надежности приборов можно ввести отношения:
М =
и - и
^шэср ^шн
и;
ШЭСР
■2
и\
шотж
-2
К -
и -
и ШЭСР шн
и2 - и2
^ шотж ^шн
(2)
(3)
ные транзисторы в пластмассовом корпусе) [12]. Данные представлены в таблице 3.
Потенциальную надежность можно характеризовать следующими отношениями:
и2 - и2
р\— Ш.ЭСР ^ш.н
иі
Р2 — ш-эср
■и\
шотж
и:
ш.оюк
г2
тт* _ ту2 ^ Ш.ЭСР ^ ш.отж
и
ІТ
и\
■иі
■иі
и
м= ШЭСР
■ и
С/ тт
ттА - и
Ш.ЭСР ^ ш.отж
ЦЩЭсР, ЦШОТЖ — значения шума соответственно после воздействия ЭСР и отжига.
При этом потенциально ненадежными будут приборы, у которых М>2 или К<2 (табл. 2).
Получилось, что по критериям (1) и (2, 3) совпадение имеется только у транзисторов № 7, 9, 15.
Тогда возникает вопрос: какой из критериев более достоверно предсказывает потенциальную ненадежность для конкретных транзисторов?
Несомненно, критерий (2, 3) должен быть более достоверным, так как он включает в себя изменение информативного параметра после внешнего воздействия, сравнение с начальным, и восстановление параметра после отжига, а после внешнего воздействия значение параметра не восстанавливается. Если иметь в виду глубину (по времени наработки или хранения) предсказания потенциальной ненадежности конкретного прибора, то можно предположить, что транзисторы № 7, 9, 15 по критериям (1), (2), (3) откажут раньше других.
Испытания на надежность (Цкб = 25 В, 1э = 3,2 мА) в течение 1000 ч при температуре + 100 °С оказались недостаточными для выявления потенциально ненадежных транзисторов, но при этом наблюдалось некоторое большее изменение параметров у транзисторов № 1, 7, 8, 9, 11, 13, 15, не выходящих за нормы технических условий.
Проведено опробование различных критериев для определения потенциально ненадежных транзисторов типа КТ133А (кремниевые эпитаксиально планарные однопереход-
При установлении числовых критериев потенциально ненадежными могут быть:
• при Б1 >0,15 — транзисторы № 3, 5;
• при Б2 >0,13 — транзисторы № 3, 5, 6, 7;
• при Бз > 0,135 — транзисторы № 3, 5, 6;
• при Б4 > 0,02 — транзисторы № 1, 10;
• при К < 4 — транзисторы № 1, 10;
• при М > 1,25 — транзисторы № 1, 10.
Заметим, что установление числовых значений критериев будет тем достовернее, чем больше будет измерено приборов. Установление более жестких или менее жестких числовых значений критериев также будет повышать достоверность отбраковки потенциально ненадежных приборов при условии, что сам критерий выбран правильно. На наш взгляд, критерии Б4, К, М более достоверны, так как связывают значение информативного параметра после отжига, следовавшего за воздействием ЭСР, и его начальных значений.
Таким образом, на наш взгляд, установление критериев типа Б1, Б2, связывающих практические изменения параметра после единичного внешнего воздействия с его исходным значением (ЭСР для Б1 и отжиг для Б2), недостаточно для объективной оценки потенциально ненадежных приборов. Критерий Б3 выбран неправомерно, так как изменение значения шума после отжига по сравнению с его изменением после ЭСР физически необъяснимо. Только критерии Б4, К и М можно объяснить физически: полное или почти полное восстановление значения шума до первоначального при отжиге приборов после воздействия ЭСР.
Установив вторую более жесткую норму, например М = 1, можно считать, что транзисторы № 2, 6, 7 имеют повышенную надежность, а транзисторы № 3, 4, 5, 8, 9 имеют надежность, соответствующую значению, указанному в технических условиях на данные транзисторы. Для проверки эффективности определения потенциально ненадежных транзисторов и транзисторов с повышенной надежностью на каждый транзистор воздейст-
методы контроля
Таблица 4. Проверка надежности транзисторов
Оценка транзисторов № транзистора Цэср» приводящее к катастрофическому отказу, В
Потенциально ненадежен 10 1900
Потенциально ненадежен 1 2100
Надежность соответствует ТУ 8 2400
Надежность соответствует ТУ 3 2800
Надежность соответствует ТУ 9 3200
Надежность соответствует ТУ 4 3300
Надежность соответствует ТУ 5 3500
Повышенная надежность 2 4200
Повышенная надежность 6 4000
Повышенная надежность 7 3900
вовали ЭСР, начиная с 1500 В со ступенчато повышающимся на 100 В напряжением до появления катастрофического отказа (табл. 4).
Как видно из таблицы 4, с увеличением надежности транзистора увеличивается напряжение ЭСР, приводящее его к катастрофическому отказу.
Заключение
Изучение природы шумов в ППИ и на этой основе разработку способов прогнозирования их качества и надежности необходимо продолжать.
Но уже сейчас можно сделать выводы по известным способам прогнозирования по шумам: в зависимости от способа и установленного критерия достоверность прогнозирования по шумам потенциально ненадежных изделий, сочетание измерение шумов — внешнее воздействие — измерение шумов дает более достоверные результаты прогнозирования конструктивно ненадежных изделий, чем простое измерение шумов. ■
Литература
1. Горлов М. И., Емельянов В. А., Адамян А. Г. Диагностические методы контроля и прогнозирующей оценки надежности полупроводниковых изделий. Минск: Бел. навука, 2003.
2. Карба Л. П., Ульман Н. Н. О выборе шумовых параметров для прогнозирования отказов транзисторов // Электронная техника. Сер. 8. 1978. Вып. 7.
3. Жигальский Г. П. Избыточные шумы в структурах — металл — диэлектрик— полупроводник // Радиотехника и электроника. 1999. Т. 44. № 12.
4. Врачев А. С. О связи низкочастотного шума с устойчивостью неравновесных структур // Известия вузов. Радиофизика. 1989. Т. 32. № 7.
5. Карпов Ю. С. Шумы транзисторов на звуковых частотах // Известия вузов. Приборостроение. 1967. № 2.
6. Нарышкин А. К., Врачев А. С. Теория низкочастотных шумов. М.: Энергия, 1972.
7. Жолуд В. О., Кулешов В. Н. Шумы в полупроводниковых устройствах. М.: Сов. радио, 1977.
8. Горлов М. И., Жарких А. П. Влияние ЭСР на значения низкочастотных шумов транзисторов КТ209 // Сб. научн. трудов «Твердотельная электроника и микроэлектроника». Воронеж: ВГТУ, 2001.
9. Горлов М. И., Ануфриев Л. П., Бордюжа О. Л. Обеспечение и повышение надежности полупроводниковых приборов и интегральных схем в процессе серийного производства. Минск: Интеграл, 1997.
10. Горлов М. И., Емельянов В. А., Николаева А. П., Жарких А. П. Способы определения потенциально ненадежных полупроводниковых приборов // Межв. сб. науч. трудов «Твердотельная электроника и микроэлектроника». Воронеж: ВГТУ, 2003.
11. Врачев А. С. Возможности низкочастотного шума как прогнозирующего параметра при оценке качества и надежности изделий электронной техники // Мат. докл. научн.-техн. семинара. «Шумовые и дегра-дационные процессы в полупроводниковых приборах». М., 1996.
12. Горлов М. И., Андреев А. В. Отжиг электростатических дефектов // Известия вузов. Электроника. 2001. № 2.
