RU2009517C1

RU2009517C1 - Method for flaw detection in semiconductor instruments and large scale circuits based on structure metal-dielectric-semiconductor

Info

Publication number: RU2009517C1
Authority: RU
Inventors: Д.Г. Крылов; Е.А. Ладыгин; Н.Н. Горюнов; А.В. Паничкин; А.П. Галеев
Original assignee: Московский институт стали и сплавов
Priority date: 1991-04-29
Filing date: 1991-04-29
Publication date: 1994-03-15

Abstract

FIELD: microelectronics. SUBSTANCE: method involves illumination of tested instruments by pulse laser beam, measuring electric parameters of tested instruments, comparison of measured parameters to reference ones. Wave length λ is in the following range: 1,24/E_d<λ<1,24 E_s and radiant emittance l is less than Q_m=I_d/T_m(1-R)κ·T_max and pulse duration is less than Q_m=1/α² k, where E_d and E_s are width prohibited zone of dielectric and semiconductor correspondingly, I_d is threshold radiant emittance J/m², R is metal layer albedo, κ is ratio of radiation absorption in layers of metal and dielectric, T_m and T_max are corresponding temperatures for semiconductor melting point and for non-reversible changes in structure metal-dielectric-semiconductor caused by laser beam, k and α are values of temperature conductivity and absorption correspondingly. EFFECT: increased functional capabilities.

Description

Изобретение относится к микроэлектронике, а именно к способам обеспечения надежности и качества полупроводниковых приборов и интегральных схем. The invention relates to microelectronics, and in particular to methods for ensuring the reliability and quality of semiconductor devices and integrated circuits.

Изобретение может быть использовано для отбраковки приборов на этапе производства изделий электронной техники. The invention can be used for rejection of devices at the stage of production of electronic equipment.

Известен способ отбраковки полупроводниковых приборов [1] , состоящий в том, что между полупроводниковым кристаллом и изолирующим покрытием в условиях повышенной температуры прикладывается электрическое поле, за счет чего ускоряется время перемещения и накопления зарядов в диэлектрике и на поверхности полупроводникового кристалла и выявляются приборы с аномальным поведением параметров. A known method of rejecting semiconductor devices [1], which consists in the fact that an electric field is applied between the semiconductor crystal and the insulating coating at elevated temperatures, due to which the time of movement and accumulation of charges in the dielectric and on the surface of the semiconductor crystal is accelerated and devices with anomalous behavior are detected parameters.

Недостатком метода является необходимость разработки специальной кассеты с электродами для создания электрического поля в зависимости от конструкции конкретных корпусов приборов. The disadvantage of this method is the need to develop a special cassette with electrodes to create an electric field, depending on the design of specific instrument housings.

Известен способ отбраковки полупроводниковых приборов и интегральных схем, включающий облучение испытуемых приборов гамма-излучением дозой 10⁵ рад, измерение электрических параметров, сравнение измерений электрических параметров испытуемых приборов с эталонным значением [2] .A known method of rejecting semiconductor devices and integrated circuits, including irradiating the tested devices with gamma radiation at a dose of 10 ⁵ rad, measuring electrical parameters, comparing measurements of electrical parameters of the tested devices with a reference value [2].

Основным недостатком этого способа отбраковки является использование вредного для человека гамма-излучения, что усложняет аппаратурное оформление способа из-за необходимости сложной системы защиты и наличие в случае сплошного контроля партии остаточных радиационных дефектов, которое приводит к снижению выхода годного и требует дополнительного восстановительного отжига. The main disadvantage of this rejection method is the use of gamma radiation that is harmful to humans, which complicates the hardware design of the method due to the need for a complex protection system and the presence of residual radiation defects in the case of complete control of the batch, which reduces the yield and requires additional recovery annealing.

Цель изобретения - повышение безопасности, упрощение способа и повышение выхода годного. The purpose of the invention is to increase safety, simplify the method and increase yield.

Цель достигается тем, что в известном способе отбраковки, включающем облучение испытуемых приборов, измерение электрических параметров, сравнение измерений электрических параметров испытуемых приборов с эталонным значением, согласно изобретению, испытуемые приборы облучают пучком импульсного лазерного излучения с длиной волны λ в интервале 1.24/E_д < λ < 1.24/Е_п, мкм, плотностью энергии I_п не более величины
I_m=

T_max и длительностью импульса не более величины:
τ_m=

где Е_д и Е_п - ширина запрещенной зоны диэлектрика и полупроводника соответственно, эВ;
I_п - пороговая плотность энергии, Дж/м²;
R - коэффициент отражения слоя металла;
κ - коэффициент поглощения излучения в слоях металла и диэлектрика;
Т_м и Т_мах - соответственно температуры плавления полупроводника и начала необратимых изменений МДП-структуры под действием лазерного излучения;
К, α - коэффициенты температуропроводности и поглощения соответственно.The goal is achieved by the fact that in the known method of rejection, including irradiation of the tested devices, measuring electrical parameters, comparing measurements of the electrical parameters of the tested devices with a reference value, according to the invention, the tested devices are irradiated with a beam of pulsed laser radiation with a wavelength λ in the range of 1.24 / E _d < λ <1.24 / E _p , μm, energy density I _p not more than
I _m =

T _max and pulse duration not more than:
τ _m =

where E _d and E _p - the band gap of the dielectric and semiconductor, respectively, eV;
I _p - threshold energy density, J / m ² ;
R is the reflection coefficient of the metal layer;
κ is the radiation absorption coefficient in the layers of the metal and dielectric;
T _m and T _max - respectively, the melting temperature of the semiconductor and the onset of irreversible changes in the MIS structure under the influence of laser radiation;
K, α are the thermal diffusivity and absorption coefficients, respectively.

Сущность изобретения заключается в том, что отбраковка полупроводниковых приборов и интегральных схем на основе структур металл-диэлектрик-полупроводник (МДП) достигается выявлением скрытых физико-технологических дефектов в объеме диэлектрика и на границе раздела полупроводник-диэлектрик за счет контроля изменения электрических параметров, обусловленного воздействием импульсного лазерного излучения. The essence of the invention lies in the fact that the rejection of semiconductor devices and integrated circuits based on metal-dielectric-semiconductor (MIS) structures is achieved by revealing hidden physical and technological defects in the volume of the dielectric and at the semiconductor-dielectric interface by controlling the change in electrical parameters due to exposure pulsed laser radiation.

Воздействие импульса лазерного излучения приводит к быстрому нагреву тонких пленок металла и диэлектрика и приграничной области полупроводника и росту концентрации подвижных носителей заряда (электронов в металле, электронов и дырок в полупроводнике), способных преодолеть потенциальные барьеры на границе раздела металл-диэлектрик- и полупроводник-диэлектрик соответственно и инжектироваться в диэлектрик. Часть этих носителей заряда рекомбинируют, остальные захватываются на ловушки в диэлектрике. Одновременно с этим на границе раздела полупроводник-диэлектрик вблизи скрытых физико-технологических дефектов образуется большое число поверхностных состояний. После окончания импульса лазерного излучения испытуемый прибор быстро охлаждается и часть захваченных в диэлектрике носителей заряда замораживается на ловушках. Изменение электрических параметров испытуемых приборов (пороговое напряжение для МДП транзисторов или напряжение плоских зон для МДП конденсаторов) определяется величинами зарядов диэлектрика и поверхностных состояний на границе раздела полупроводник-диэлектрик, накопленных при воздействии импульсного лазерного излучения. Структуры с физико-технологическими дефектами в объеме диэлектрика и на границе раздела полупроводник-диэлектрик показывают увеличение изменения электрических параметров. Отбраковываются приборы, изменение электрических параметров которых превышает эталонное. The action of a laser pulse leads to the rapid heating of thin films of metal and dielectric and the semiconductor boundary region and an increase in the concentration of mobile charge carriers (electrons in the metal, electrons and holes in the semiconductor) that can overcome potential barriers at the metal-insulator-semiconductor-insulator interface respectively, injected into the dielectric. Some of these charge carriers recombine, the rest are trapped in a dielectric. At the same time, a large number of surface states are formed at the semiconductor-insulator interface near hidden physical and technological defects. After the end of the laser pulse, the device under test is rapidly cooled and some of the charge carriers trapped in the dielectric are frozen on traps. The change in the electrical parameters of the tested devices (threshold voltage for MIS transistors or the voltage of flat zones for MIS capacitors) is determined by the values of the dielectric charges and surface states at the semiconductor-insulator interface accumulated by pulsed laser radiation. Structures with physical and technological defects in the volume of the dielectric and at the semiconductor-dielectric interface show an increase in the change in electrical parameters. Appliances are rejected whose change in electrical parameters exceeds the reference.

Существуют физические ограничения на основные параметры импульсного лазерного излучения:
1. Длина волны λ должна соответствовать критерию:
1,24/E_д < λ < 1,24/Е_п, мкм, т. е. при воздействии лазерного излучения генерация свободных носителей заряда идет в полупроводнике и металле и отсутствует в диэлектрике.There are physical limitations on the basic parameters of pulsed laser radiation:
1. The wavelength λ must meet the criterion:
1.24 / E _d <λ <1.24 / E _p , μm, i.e., when exposed to laser radiation, free charge carriers are generated in the semiconductor and metal and are absent in the dielectric.

2. Плотность энергии:
Температура слоя полупроводника, поглощающего энергию лазерного излучения, определяется выражением
T =

I_o(1-R)κ (1) где I_o и I_п - падающая и пороговые плотности энергии излучения; Т_м - температура плавления полупроводника; R - коэффициент отражения полупрозрачного слоя металла; κ - коэффициент, учитывающий поглощение энергии излучения в слоях металла и диэлектрика. Величина Т ограничена сверху условием обратимости процессов, протекающих в МДП-структуре при отбраковке. Следовательно, не должно быть так называемого лазерного отжига. Кроме того, при повышенных температурах могут идти нежелательные реакции между металлом и диэлектриком, металлом и полупроводником, разрушающие приборную структуру. Например, для структур золото-оксид кремния-кремний максимальная температура нагрева не должна превышать 643 К (температура эвтектики золото-кремний); для структур алюминий-оксид кремния-кремний - 843 К (температура эвтектики алюминий-кремний), кроме того, при температуре выше 750 К в таких структурах интенсивно идет реакция взаимодействия алюминия с оксидом кремния.2. Energy density:
The temperature of the semiconductor layer absorbing the energy of laser radiation is determined by the expression
T =

I _o (1-R) κ (1) where I _o and I _p are the incident and threshold radiation energy densities; T _m - the melting temperature of the semiconductor; R is the reflection coefficient of the translucent metal layer; κ - coefficient taking into account the absorption of radiation energy in the layers of the metal and dielectric. The value of T is limited from above by the condition of reversibility of the processes occurring in the MIS structure during rejection. Therefore, there should be no so-called laser annealing. In addition, at elevated temperatures, undesirable reactions between a metal and a dielectric, a metal and a semiconductor can occur, which destroy the instrument structure. For example, for gold-silicon oxide-silicon structures, the maximum heating temperature should not exceed 643 K (eutectic temperature of gold-silicon); for structures aluminum-silicon oxide-silicon - 843 K (eutectic temperature aluminum-silicon), in addition, at temperatures above 750 K in these structures the reaction of interaction of aluminum with silicon oxide is intense.

Таким образом, плотность энергии импульсного лазерного излучения не должна превышать величины I_m:
I_m= T

(2)
3. Длительность импульса лазерного излучения τ ограничена сверху условием отсутствия разогрева объема полупроводниковой подложки (адиабатическое поглощение), т. е. диффузионная длина распространения тепла должна быть меньше ширины области поглощения:

≅

(3) где К и α - коэффициенты температуропроводности и поглощения соответственно.Thus, the energy density of pulsed laser radiation should not exceed the value of I _m :
I _m = T

(2)
3. The duration of the laser pulse τ is limited from above by the condition that there is no heating of the volume of the semiconductor substrate (adiabatic absorption), that is, the diffusion length of the heat propagation should be less than the width of the absorption region:

≅

(3) where K and α are the thermal diffusivity and absorption coefficients, respectively.

Абсолютные значения пределов параметров импульсного лазерного излучения определяются для конкретной МДП-структуры. Так для использованных в примере реализации способа отбраковки структур алюминий-оксид кремния-кремний получим
0,14 ≅α≅ 1,13 мкм, I_o < 2,2 Дж/см², τ< 40 нс.The absolute values of the limits of the parameters of pulsed laser radiation are determined for a particular MIS structure. So for used in the example implementation of the method of rejection of structures of aluminum-silicon oxide-silicon we get
0.14 ≅α≅ 1.13 μm, I _o <2.2 J / cm ² , τ <40 ns.

Расчет плотности энергии и длительности импульса проведен для λ = 0,53 мкм. The energy density and pulse duration were calculated for λ = 0.53 μm.

С помощью импульсного лазерного излучения можно проводить отбраковку полупроводниковых приборов и интегральных микросхем на основе МДП-структуры как на пластине, так и в корпусе перед операцией герметизации. Использование пучка импульсного лазерного излучения с пятном прямоугольной формы позволяет проводить отбраковку испытуемых приборов на пластине, обрабатывая не всю пластину, а часть кристаллов в соответствии со статистической выборкой. Это позволяет сохранить основную часть кристаллов на пластине и не подвергать ее операции восстановления (низкотемпературный отжиг или облучение вакуумным ультрафиолетом с целью перезарядить ловушки в диэлектрике). Using pulsed laser radiation, it is possible to reject semiconductor devices and integrated circuits based on the MIS structure both on the wafer and in the housing before the sealing operation. The use of a beam of pulsed laser radiation with a rectangular spot allows the rejection of the tested devices on the plate, processing not the entire plate, but part of the crystals in accordance with a statistical sample. This allows you to save the bulk of the crystals on the wafer and not to subject it to reduction operations (low-temperature annealing or irradiation with vacuum ultraviolet in order to recharge traps in the dielectric).

В качестве исследуемых образцов выбраны две партии КМОП микросхем типа 164ЛП1 в количестве 20 штук каждая. С целью контроля качества (степени) отбраковки часть микросхем (по 3 штуки) предварительно подвергнута облучению электронами дозой 0,2 Мрад и последующему отжигу при 200^оС в течение 60 мин с полным восстановлением электрических параметров в нормах технических условий. Первая партия отбраковывалась с помощью гамма-излучения в соответствии с прототипным способом, вторая - с помощью импульсного лазерного излучения с длиной волны 0,53 мкм, плотностью энергии 0,5 Дж/м² и длительностью импульса 15 нс. В обоих случаях были выявлены по 5 дефектных микросхем - предварительно подготовленные и две из состава исходных. Затем испытуемые приборы отжигались при 300^оС в течение 20 мин с целью восстановления до исходных значений параметров микросхем первой партии. Вторая партия отжигалась для сохранения идентичности. Повторная отбраковка выявила в первой партии дополнительно еще 2 дефектные микросхемы. Обнаруженное снижение числа годных образцов обусловлено остаточными дефектами, введенными гамма-излучением при первой отбраковке. Число дефектных микросхем во второй партии не изменилось. Последующая отбраковка этой партии с помощью гамма-излучения в соответствии с прототипным способом выявила те же дефектные микросхемы.Two batches of CMOS 164LP1 type microchips in the amount of 20 pieces each were selected as the studied samples. In order to control the quality (degree) cull part chips (3 pieces) previously subjected to electron irradiation dose of 0.2 Mrad, and subsequent annealing at 200 ^C for 60 minutes to complete reduction of the electrical parameters in standards specifications. The first batch was rejected using gamma radiation in accordance with the prototype method, the second using pulsed laser radiation with a wavelength of 0.53 μm, an energy density of 0.5 J / m ² and a pulse duration of 15 ns. In both cases, 5 defective microcircuits were identified - pre-prepared and two of the original ones. Then, the test devices were annealed at ³⁰⁰ ° C for 20 min in order to restore to the initial values of the parameters of the first batch of chips. The second batch was annealed to maintain identity. Re-rejection revealed in the first batch an additional 2 more defective microcircuits. The detected decrease in the number of suitable samples is due to residual defects introduced by gamma radiation during the first rejection. The number of defective microcircuits in the second batch did not change. Subsequent rejection of this batch using gamma radiation in accordance with the prototype method revealed the same defective microcircuits.

Таким образом, из приведенных данных очевидно, что предлагаемый способ позволяет повысить безопасность, упростить операцию отбраковки и повысить выход годного. (56) Авторское свидетельство СССР N 605488, кл. H 01 L 21/66, 1976. Thus, from the above data it is obvious that the proposed method can improve security, simplify the rejection operation and increase the yield. (56) Copyright certificate of the USSR N 605488, cl. H 01 L 21/66, 1976.

Патент США N 3723873, кл. G 01 R 31/22, 1973. U.S. Patent No. 3,723,873, cl. G 01 R 31/22, 1973.

Claims

METHOD FOR DISPATCHING SEMICONDUCTOR DEVICES AND INTEGRAL CIRCUITS BASED ON METAL - DIELECTRIC - SEMICONDUCTOR (MIS) STRUCTURES, including irradiation of the tested devices, measurement of the electrical parameters of the tested devices, comparison of the measured electrical parameters of the tested devices with the reference values that increase the to simplify the method and increase the yield, the tested devices are irradiated with a beam of pulsed laser radiation with a wavelength of λ in the range of 1.24 / E _d <λ <1.24E _p , density th energy I no more than
I _m =

T max
and pulse duration not more than
r _m =

,
where E _d and E _p - the band gap of the dielectric and semiconductor, respectively, eV;
I _p - threshold energy density, J / m ² ;
R is the reflection coefficient of the metal layer;
ν is the absorption coefficient of radiation in the layers of the metal and dielectric;
T _m and T _max - respectively, the melting temperature of the semiconductor and the onset of irreversible changes in the MIS structure under the influence of laser radiation;
K, α are the thermal diffusivity and absorption coefficients, respectively.