CC BY
10Information about the author:
Vladimir V. Urumov - PhD student of North-Caucasian Institute of Mining and Metallurgy (State Technological University) (Russia, Republic of North Ossetia - Alania, 362021, Vladikavkaz, Nikolaev st., 44), Employee of the Nuclear Research Laboratory of North Ossetian State University named after Kosta Levanovich Khetagurov (Russia, Republic of North Ossetia - Alania, 362025, Vladikavkaz, Vatutin st., 43), m.o.r.b.i.u.s@mail.ru
УДК 621.382 DOI: 10.24151/1561-5405-2020-25-6-568-572
Релаксация глубоких центров в транзисторах и интегральных микросхемах
В.П. Крылов, А.М. Богачев
Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых, г. Владимир, Россия
v_p_krylov@vlsu.ru
Для обеспечения надежности полупроводниковой электронной компонентной базы, предназначенной для аппаратуры ответственного применения, необходимо оптимальное сочетание статистической (групповой) и физико-технологической (индивидуальной) оценок надежности. В работе в качестве перспективного средства индивидуальной отбраковки потенциально ненадежной электронной компонентной базы предложен термодинамический подход на базе методов релаксационной спектроскопии глубоких центров в полупроводниках. Для транзисторов и интегральных микросхем получены зависимости амплитуды релаксации емкости от частоты следования электрических импульсов заполнения глубоких уровней, обусловленных объемными и поверхностными дефектами различной природы. Для многовыводных КМОП ИС предложены схемы двухполюсного подключения к спектрометру. Определены индивидуальные различия исследуемых образцов разных производителей, а также отдельных образцов из одной производственной партии. Показана перспективность использования методов релаксационной спектроскопии глубоких уровней в качестве средств дополнительного контроля качества полупроводниковых приборов и КМОП-микросхем как в процессе производства, так и при отбраковке изделий с потенциальными дефектами, не предусмотренными проектом инженерного дефектообразования.
Ключевые слова: полупроводниковые приборы; интегральные микросхемы; глубокие центры; релаксация глубоких уровней; частотное сканирование
Для цитирования: Крылов В.П., Богачев А.М. Релаксация глубоких центров в транзисторах и интегральных микросхемах // Изв. вузов. Электроника. 2020. Т. 25. № 6. С. 568-572. DOI: 10.24151/1561-5405-2020-25-6-568-572
© В.П. Крылов, А.М. Богачев, 2020
Deep Trapping Centers Relaxation in Transistors and Integrated Circuits
V.P. Krylov, A.M. Bogachev
Vladimir State University named after Alexander and Nikolay Stoletovs, Vladimir, Russia
v_p_krylov@vlsu.ru
Abstract. For ensuring the efficiency of the semiconductor electronic component base for apparatus, responsible for application, an optimal combination of statistical (group) and physical-technological (individual) reliability assessments is required. In the paper a thermodynamic approach, based on the deep-level transient spectroscopy in semiconductors promising means of individual rejection of potentially unreliable electronic component base has been proposed. For transistors and integrated circuits, the dependences of the amplitude of capacitance transient, caused by the bulk and surface defects of various nature on the repetition rate of electric filling pulses of deep levels, have been obtained. For multi-pin CMOS IC, the two-pole connection schemes to the spectrometer have been proposed. The obtained dependences show individual differences of studied specimens of various manufacturers as well as individual specimens from the same production batch. The performed studies have shown the promises of using the methods of the relaxation spectroscopy of deep level as the means of additional quality control of semiconductor devices and CMOS microcircuits both in the production process and in rejection of the items with potential defects, not specified by the project of engineering defect formation.
Keywords: semiconductor devices; integrated circuits; deep trapping centers; relaxation of deep level; frequency scanning
For citation: Krylov V.P., Bogachev A.M. Deep trapping centers relaxation in transistors and integrated circuits. Proc. Univ. Electronics, 2020, vol. 25, no. 6, pp. 568-572. DOI: 10.24151/15615405-2020-25-6-568-572
Анализ процессов релаксации емкости полупроводниковых барьерных структур, таких как p-n-переходы, барьеры Шоттки, МОП-структуры, после стрессового воздействия (скачка постоянного напряжения, импульса ионизирующего воздействия и т.п.) привел к появлению нового метода исследования дефектов в полупроводниках - емкостной релаксационной спектроскопии глубоких уровней (РСГУ, DLTS) [1, 2]. Термин «релаксация» определяет относительно медленную стадию нестационарного (переходного) процесса восстановления исходного состояния барьерной структуры, которая обусловлена глубокими центрами - объемными и поверхностными дефектами различного происхождения. Указанные дефекты проявляют себя в запрещенной зоне полупроводника в виде одного или нескольких (в пределе компактного множества) энергетических уровней, более удаленных от границ запрещенной зоны по сравнению с мелкими уровнями основных примесей, определяющих тип проводимости. Установлено, что незначительные концентрации глубоких центров могут оказывать существенное влияние, как положительное, так и отрицательное, на качество полупроводниковых приборов и интегральных микросхем [3-5]. Данное обстоятельство обусловливает практический интерес технологов полупроводникового производства к внедрению методов РСГУ в практику обеспечения качества изделий [6, 7], несмотря на существование известных проблем интерпретации экспериментальных данных в теории РСГУ [8].
Для транзисторов КТ-117Б, изготовленных на советском заводе «Старт» (г. Москва), и современных интегральных КМОП-микросхем IN74VHC02D производства АО «Интеграл» (г. Минск) в режиме двухполюсного подключения получены частотные зависимости преобразованного сигнала релаксации емкости при постоянной температуре (далее - частотные зависимости). Экспериментальная установка представляет собой измерительно-вычислительный комплекс на базе модернизированного спектрометра DLS-82E фирмы SemiLab и климатиче-
ской испытательной камеры S-1.2B-3200 фирмы Thermotron Industries с автоматическим поддержанием заданной температуры от -70 до +170 °С в рабочем объеме 30 л. Указанный температурный диапазон перекрывает требования большинства технических условий на применение исследуемых образцов, обеспечивая неразрушающий характер контроля.
Модернизация спектрометра свелась к замене внутреннего задающего генератора блока формирования временных диаграмм внешним генератором с управлением от компьютера. В состав измерительно-вычислительного комплекса входят ПК с прикладным программным обеспечением собственной разработки, а также управляемые компьютером генератор прямоугольных импульсов АКИП-3305 фирмы «ПРИСТ», мультиметр 34450А фирмы Keysight Technologies и 16-разрядный аналого-цифровой преобразователь собственной разработки для регистрации DLTS-сигнала. Точность поддержания температуры внутри рабочего объема климатической камеры обеспечивается на уровне ±1 K встроенной автоматикой. Дополнительно стабилизируется температура в помещении лаборатории с помощью кондиционера.
Частотные зависимости перехода эмиттер - база 1 транзистора КТ117-Б (а) и двухполюсника
на микросхеме IN74VHC02D (б) Frequency dependences of the emitter-base 1 junction of the KT117-B transistor (a) and ICIN74VHC02D
in the two-pole connection mode (b)
В работе [8] приведены экспериментальные частотные зависимости для быстродействующих импульсных диодов, p-n-переходы которых сформированы по эпитаксиально-планарной технологии с легированием золотом для повышения быстродействия. Наличие атомов золота приводит к появлению хорошо изученного дискретного глубокого уровня с энергией активации порядка 0,54 эВ, располагающегося практически в середине запрещенной зоны кремния. Экспериментальные данные показали существенный разброс частотных зависимостей, что связано с проблемами контроля диффузии золота.
На рисунке а представлены частотные зависимости перехода эмиттер - база 1 транзистора КТ-117Б в металлическом корпусе при трех температурах образца. Здесь количество экспериментальных точек не требует интерполяции и аппроксимации. Барьерная структура эмиттер -база 1 по форме и взаимному расположению частотных зависимостей близка по свойствам к диодам с глубокими центрами золота. Значение параметра p зависимостей приближается к 1, что указывает на объемные глубокие центры золота, появление которых в базе «-типа можно объяснить посадкой кристалла со стороны эмиттера на основание металлического корпуса с использованием эвтектики золото - кремний. Обработав три зависимости по методике [2], получим Ea = (0,557 ± 0,012) эВ, что однозначно указывает на присутствие глубоких центров золота в базе. В данных низкочастотных приборах нет необходимости повышать быстродействие за счет таких центров, но превышение их концентрации, которое фиксируется по величине амплитуды пика, может привести к повышению обратного тока перехода.
На рисунке б представлены частотные зависимости мультибарьерной структуры двухполюсного подключения КМОП-микросхемы IN74VHC02D. Показатель p указывает на неэкспоненциальную релаксацию емкости, обусловленную медленными поверхностными состояниями, которые характеризуются непрерывным спектром глубоких уровней. В работе [9, с. 154-155] показано, что эти виды глубоких центров приводят к нестабильности электрических параметров приборов, постепенным и внезапным отказам. Тем не менее наличие слабовыраженного пика на частотной зависимости позволяет и здесь определить эквивалентное значение Ea = (0,720 ± 0,121) эВ. Снижение точности определения эквивалентной энергии активации легко объясняется менее выраженными пиками на частотных зависимостях.
Таким образом, использование методов РСГУ в качестве средств дополнительного контроля качества полупроводниковых приборов и КМОП-микросхем как в процессе производства, так и при отбраковке изделий с потенциальными дефектами, не предусмотренными проектом инженерного дефектообразования, целесообразно и перспективно.
Литература
1. Lang D.V. Deep level transient spectroscopy: A new method to characterize traps in semiconductors // J. of Applied Physics. 1974. Vol. 45. No 7. P.3023-3032.
2. ASTM F 978-02 Standard test method for characterizing semiconductor deep levels by transient capacitance techniques // Annual Book of ASTM Standards. 2002. Vol. 10.05. P. 489-496.
3. Берман Л. С., Лебедев А.А. Емкостная спектроскопия глубоких центров в полупроводниках. Л.: Наука, 1981.
176 с.
4. Литвинов В.Г., Гудзев В.В., Милованова О.А., Рыбин Н.Б. Релаксационная спектроскопия глубоких уровней и ее применение для исследования полупроводниковых структур микро- и наноэлектроники // Датчики и системы. 2009. № 9. С. 71-78.
5. Крылов В.П. Квалигенетика полупроводниковой ЭКБ: фантастика или необходимость? Некоторые аспекты обеспечения качества полупроводниковой ЭКБ // Электронные компоненты. 2015. № 10. С. 22-25.
6. Ma Y., Xu P., Guanetal M. Analysis of deep level defects in bipolar junction transistor sirradiated by 2 MeV electrons // Microelectronics Reliability. 2017. Vol. 79. P. 149-152.
7. Li X., Yang J., Liu Ch. Evolution of activation energy of interface traps in LPNP transistors characterized by deep-level transient spectroscopy // IEEE Transactions on Nuclear Science. 2017. Vol. 64. No. 7. P. 1905-1911.
8. Крылов В.П., Богачев АМ., Пронин Т.Ю. Релаксационная спектроскопия глубоких уровней и неразрушаю-щий контроль потенциальных дефектов полупроводниковой электронной компонентной базы // Радиопромышленность. 2019. Т. 29. № 2. C.35-44.
9. Чернышев А.А. Основы надежности полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. М.: Радио и связь, 1988. 256 с.
Поступило в редакцию 02.06.2020 г.; после доработки 02.06.2020 г.; принято к публикации 22.09.2020 г.
Крылов Владимир Павлович - доктор технических наук, профессор кафедры биомедицинских и электронных средств и технологий, руководитель Научно-образовательного центра «CALS в электронике» Владимирского государственного университета имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых (Россия, 600014, г. Владимир, пр. Строителей, 3/7), krylov_vp@mail.ru
Богачев Алексей Михайлович - аспирант кафедры биомедицинских и электронных средств и технологий Владимирского государственного университета имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых (Россия, 600014, г. Владимир, пр. Строителей, 3/7), bogachev-al2012@yandex.ru
References
1. Lang D.V. Deep level transient spectroscopy: A new method to characterize traps in semiconductors. Journal of Applied Physics, 1974, vol. 45, no. 7, p. 3023-3032.
2. ASTM F 978 - 02. Standard test method for characterizing semiconductor deep levels by transient capacitance techniques. Current edition approved Jan. 10, 2002. Originally published as F 978 - 86. Last previous edition F 978 - 90. Annual Book of ASTM Standards, 2002, vol. 10.05, pp. 489-496.
3. Berman L.S., Lebedev A.A. Capacitance deep level transient spectroscopy in semiconductors. Saint-Petersburg, Nauka Publ., 1981, 176 p. (in Russian).
4. Litvinov V.G., Gudzev V.V., Milovanova O.A., Rybin N.B. Deep-level transient spectroscopy and its application for studying the semiconductor structures of micro- and nanoelectronics. Datchiki i sistemy = Sensors and systems, 2009, no. 9, pp. 71 -78 (in Russian).
5. Krylov V.P. Qualigenetics of semiconductor components: science fiction or necessity? Some aspects of quality assurance of semiconductor components. Elektronnyye komponenty = Electronic component, 2015, no. 10, pp. 22-25 (in Russian).
6. Ma Y., Xu P., Guan M. et al. Analysis of deep level defects in bipolar junction transistors irradiated by 2 MeV electrons. Microelectronics Reliability, 2017, vol. 79, pp. 149-152.
7. Li X., Yang J., Liu Ch. Evolution of activation energy of interface traps in LPNP transistors characterized by deep-level transient spectroscopy. IEEE Transactions on Nuclear Science, 2017, vol. 64, no. 7, pp. 1905-1911.
8. Krylov V.P., Bogachev A.M., ProninT.Yu. Deep level relaxation spectroscopy and nondestructive testing of potential defects in the semiconductor electronic component base. Radiopromyshlennost' = Radio Industry, 2019, vol. 29, no. 2, pp. 35-44. (in Russian).
9. Chernyshev A.A. Fundamentals of the reliability of semiconductor devices and integrated circuits. Moscow, Radio i svyaz' Publ., 1988, 256 p. (in Russian).
Received 02.06.2020; Revised 02.06.2020; Accepted 22.09.2020.
Information about the authors:
Vladimir P. Krylov - Dr. Sci. (Eng.), Prof. of the Biomedical and Electronic Means and Technologies Department, Head of the Scientific and Educational Center «CALS in Electronics», Vladimir State University named after Alexander and Nikolay Stoletovs (Russia, 600014, Vladimir, Stroiteley Ave., 3/7), krylov_vp@mail.ru
Aleksey M. Bogachev - PhD student of the Biomedical and Electronic Means and Technologies Department, Vladimir State University named after Alexander and Nikolay Stoletovs (Russia, 600014, Vladimir, Stroiteley Ave., 3/7), bogachev-al2012@yandex.ru
