Введение к работе
1.1. Актуальность
Многосегментные PIN-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 PIN-фотодиодов с охранным кольцом
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи
Разработать комплексную методику контроля качества и надежности фо
тодиодов (ФД) путем измерения вольт-амперных характеристик (ВАХ) и
дифференцнальаных т- и п-парамегров прямой и обратной ВАХ
dI„P/dUnp' V'Uo6
Создать контрольно-измерительную систему, алгоритмы и программное обеспечения обработки экспериментальных ВАХ и расчетов т- и п-парамегров
Разработать конструктивно-технологические способы повышения качества путем создания дополнительных активных и пассивных охранных ко-
лец (OK), 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 85СС и ресурсные испытания с обработкой результатов на основе уравнения Аррениуса
1.3. Методы исследования*
Экспериментальные исследования ВАХ и т- и п-парамегров 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 харак
теристикам 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, т- 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 p-n-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 темповых 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 КГ4 и 2,3 Ш"4, по-
видимому, вследствие наличия различных коэффициентов термического
расширения кремния и диоксида кремния, грубые заполированные цара
пины 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, т- 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
