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微電子器件靜電損傷測試問題
微電子器件靜電損傷測試問題【1】
【摘 要】一般而言，薄柵氧MOS器件、場效應(yīng)器件和淺結(jié)、細條、細間距的雙極器件的抗靜電放電能力更弱。
在微電子器件及電子產(chǎn)品的生產(chǎn)、運輸和存儲過程中，所產(chǎn)生的靜電電壓遠遠超過其受損閾值，人體或器具上所帶靜電若不加以適度防護，會使器件產(chǎn)生硬或軟損傷現(xiàn)象，使之失效或嚴重影響產(chǎn)品可靠性。
因此，研究靜電放電對微電子器件的作用效應(yīng)及損傷機理具有重要的科學(xué)意義和工程應(yīng)用前景。
【關(guān)鍵詞】微電子器件;靜電損傷;放電模型
隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，電子、通信、航天航空等高新產(chǎn)業(yè)的迅速崛起，電子儀器儀表和設(shè)備等電子產(chǎn)品日趨小型化、多功能及智能化，高性能微電子器件已成為滿足上述要求中不可缺少的核心元件。
這種器件具有線間距短、線細、柵氧薄、集成度高、運算速度快、低功率和輸入阻抗高等特點，因而導(dǎo)致這類器件對靜電越來越敏感，業(yè)內(nèi)把這類器件稱之為靜電敏感器件(ESDS)。
1.靜電放電特性
1.1靜電放電類型
靜電放電有多種形態(tài)，根據(jù)其特點，并從防止靜電危害方面來考慮，可分為7種：電暈放電、火花放電、刷形放電、傳播型刷形放電、大型料倉內(nèi)粉堆放電、雷狀放電以及電場輻射放電。
1.2靜電放電模型
靜電模型包括人體模型(HBM)、人體-金屬模型(BMM)、帶電器件模型、家具模型、機器模型及場感應(yīng)模型。
國內(nèi)對電子器件ESD敏感度的測試標準采用的是人體模型，用于模擬帶電人體指尖與接地物體之間產(chǎn)生的靜電放電。
IEC61340-3-1規(guī)定了短路電流波形，其中，上升時間tri小于10ns，衰減時間tdi為150±20ns，振蕩電流Ir應(yīng)小于峰值電流Ip的15%，且脈沖開始100ns后不應(yīng)被觀察到。
2.實驗
2.1原理與方法
研究半導(dǎo)體器件的靜電放電效應(yīng)時，一般采用注入法，即把電磁能量通過一定的裝置注入電子元器件的相應(yīng)管腳，這樣可以精確而方便地得到損傷閾值。
實驗裝置包括ESS-200AX型ESD模擬器、TDS680B數(shù)字存儲示波器、TekP6041(5mV/mA，25kHz～1GHz，匹配電阻50Ω)電流探頭。
2.2 CG392實驗結(jié)果
根據(jù)積累的經(jīng)驗，高頻小功率器件尤其是微波小功率器件對靜電非常敏感。
對于晶體三極管，從外觀上很難判斷是否遭受損傷，只能通過測量反映其質(zhì)量的有關(guān)參數(shù)來確定。
用于測試電子元氣件電參數(shù)的設(shè)備包括XJ4810晶體管特性圖示儀、8970B噪聲系數(shù)測試儀、CTG-1型高頻C-V特性電容測試儀和漏電流測試儀等。
損傷判據(jù)主要根據(jù)GJB33A-1997《半導(dǎo)體分立器件總規(guī)范》有關(guān)條款制定，一般情況下以器件敏感參數(shù)變化超過試驗前測量值20%或試驗后數(shù)值超出規(guī)定的產(chǎn)品極限值判為器件損傷。
三極管具有3個管腳，共6個管腳對組合，放電途徑為：基極→發(fā)射極(BE)、發(fā)射極→基極(EB)、基極→集電極(BC)、集電極→基極(CB)、發(fā)射極→集電極(EC)、集電極→發(fā)射極(CB)。
實驗中將每三個器件分為一組，在相等的放電電壓下，對相同的管腳對進行ESD單次放電。
放電電壓分為800、1200、1600 V三個檔次，如果三個器件同時通過相同的電壓檔次，則繼續(xù)提高放電電壓;如果其中一個器件失效或損傷，則中止針對該管腳對的實驗。
實驗結(jié)果如下：①所有器件都通過800V的注入電壓;②對于1 200V的注入電壓，只有一個從CB結(jié)反向注入的器件(4號)出現(xiàn)損傷情況，其余各組器件均順利通過。
重新測試一組，仍然有一個器件(26號)出現(xiàn)損傷，初步說明CB結(jié)比EB結(jié)對靜電更加敏感，這與現(xiàn)存的看法相反;③對于同一個結(jié)來說，正向注入時的損傷閾值要高于反向注入時的損傷閾值;④當注入端對為CB結(jié)時，對應(yīng)的敏感參數(shù)包括VBRCEO、VBRCBO和hFE。
對于反向擊穿電壓來說，主要表現(xiàn)為數(shù)值下降及出現(xiàn)軟擊穿情況;而對于正向直流傳輸比hFE來說，表現(xiàn)為數(shù)值下降和曲線的畸變。
為了更精細地判斷CB結(jié)和EB結(jié)對靜電放電敏感程度的相對大小，采用步進法更加合理。
記錄管子的損傷情況，其中V1表示最大未損傷電壓，V2表示最小損傷電壓，CB結(jié)平均最小損傷電壓為900 V， EB結(jié)平均最小損傷電壓為1700V，可以認為CB結(jié)比EB結(jié)對ESD更加敏感。
2.3其他三極管實驗結(jié)果
實驗采用步進法，每種器件的樣本量不小于20，注入的電壓步長不超過前一次注入電壓的5%，首次注入即損傷的實驗數(shù)據(jù)無效。
�、俨煌钠骷蚪Y(jié)構(gòu)不同、工藝不同，它們的抗ESD的能力不同;②同一端對對于不同ESD模型的靜電敏感度不同，例如3358(F32)的CB結(jié)，在HBM模型下，損傷電壓平均值為3025V，在BMM模型下，損傷電壓的平均值為2330V，這是由于BMM模擬器的儲能電容(150pF)較大，而與之串連的放電電阻(330Ω) 又較小，在相等的放電電壓條件下，儲能電容上的能量較大，產(chǎn)生的放電電流峰值較大，放電持續(xù)時間又較短，因此對器件的危害更大;③對于3358(F32)、2SC3356等高頻低噪聲晶體管來說，反向CB結(jié)的靜電敏感度要高于反向EB結(jié)的靜電敏感度。
3.結(jié)論
在不同的靜電放電模型下，通過實驗研究了幾種典型的半導(dǎo)體器件的靜電敏感端對的靜電放電情況和靈敏參數(shù)，由于外部環(huán)境、材料、結(jié)構(gòu)和加工工藝不同，器件的靜電損傷模式不同，其最大未損傷閾值和最小損傷閾值也不盡相同。
實驗結(jié)果表明，對于高頻低噪聲npn型硅三極管來說，反向CB結(jié)的靜電敏感度要高于反向EB結(jié)的靜電敏感度; ESD電流注入硅器件不同端對時，靈敏參數(shù)一般包括反向擊穿電壓、直流電流放大系數(shù)和反向漏電流，而極間電容和噪聲系數(shù)對靜電不敏感。
對于高頻低噪聲晶體管來說，由于其自身結(jié)構(gòu)上的原因，即功率容量小、擊穿電壓低、結(jié)淺，因而對靜電非常敏感。
ESD注入損傷的最靈敏端對是反向CB結(jié)，最敏感參數(shù)是VBRCEO，器件失效到擊穿有一擊穿變軟的過程，正向注入時的損傷閾值要高于反向注入時的損傷閾值。
【參考文獻】
[1]IEC61340-3-1：2002，Electrostatics-Part3-1：methods for simulation of electrostatic effects-Human body model (HBM)-component testing[S].
[2]GJB33A-1997，半導(dǎo)體分立器件總規(guī)范[S].
[3]楊士亮.半導(dǎo)體器件電磁脈沖效應(yīng)實驗研究[D].石家莊：軍械工程學(xué)院碩士學(xué)位論文，2005：17-20.
微電子器件靜電損傷的測試【2】
【摘 要】隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，電子、通信、航天航空等高新產(chǎn)業(yè)的迅速崛起，電子儀器儀表和設(shè)備等電子產(chǎn)品日趨小型化、多功能及智能化，高性能微電子器件已成為滿足上述要求中不可缺少的核心元件。
這種器件具有線間距短、線細、柵氧薄、集成度高、運算速度快、低功率和輸入阻抗高等特點，因而導(dǎo)致這類器件對靜電越來越敏感，業(yè)內(nèi)把這類器件稱之為靜電敏感器件(ESDS)。
一般而言，薄柵氧MOS器件、場效應(yīng)器件和淺結(jié)、細條、細間距的雙極器件的抗靜電放電能力更弱。
在微電子器件及電子產(chǎn)品的生產(chǎn)、運輸和存儲過程中，所產(chǎn)生的靜電電壓遠遠超過其受損閾值，人體或器具上所帶靜電若不加以適度防護，會使器件產(chǎn)生硬或軟損傷現(xiàn)象，使之失效或嚴重影響產(chǎn)品可靠性。
因此，研究靜電放電對微電子器件的作用效應(yīng)及損傷機理具有重要的科學(xué)意義和工程應(yīng)用前景。
【關(guān)鍵詞】微電子器件;靜電損傷;放電模型
1 靜電放電特性
1.1 靜電放電類型
靜電放電有多種形態(tài)，根據(jù)其特點，并從防止靜電危害方面來考慮，可分為7種：電暈放電、火花放電、刷形放電、傳播型刷形放電、大型料倉內(nèi)粉堆放電、雷狀放電以及電場輻射放電。
1.2 靜電放電模型
靜電模型包括人體模型(HBM)、人體-金屬模型(BMM)、帶電器件模型、家具模型、機器模型及場感應(yīng)模型。
國內(nèi)對電子器件ESD敏感度的測試標準采用的是人體模型，用于模擬帶電人體指尖與接地物體之間產(chǎn)生的靜電放電。
IEC61340-3-1規(guī)定了短路電流波形，其中，上升時間tri小于10 ns，衰減時間tdi為150±20 ns，振蕩電流Ir應(yīng)小于峰值電流Ip的15%，且脈沖開始100 ns后不應(yīng)被觀察到。
2 實驗
2.1 原理與方法
研究半導(dǎo)體器件的靜電放電效應(yīng)時，一般采用注入法，即把電磁能量通過一定的裝置注入電子元器件的相應(yīng)管腳，這樣可以精確而方便地得到損傷閾值。
實驗裝置包括ESS-200AX型ESD模擬器、TDS680B數(shù)字存儲示波器、Tek P6041 (5 mV/mA，25 kHz～1 GHz，匹配電阻50Ω)電流探頭。
2.2 CG392實驗結(jié)果
根據(jù)積累的經(jīng)驗，高頻小功率器件尤其是微波小功率器件對靜電非常敏感。
對于晶體三極管，從外觀上很難判斷是否遭受損傷，只能通過測量反映其質(zhì)量的有關(guān)參數(shù)來確定。
用于測試電子元氣件電參數(shù)的設(shè)備包括XJ4810晶體管特性圖示儀、8970B噪聲系數(shù)測試儀、CTG-1型高頻C-V特性電容測試儀和漏電流測試儀等。
損傷判據(jù)主要根據(jù)GJB33A-1997《半導(dǎo)體分立器件總規(guī)范》有關(guān)條款制定，一般情況下以器件敏感參數(shù)變化超過試驗前測量值20%或試驗后數(shù)值超出規(guī)定的產(chǎn)品極限值判為器件損傷。
三極管具有3個管腳，共6個管腳對組合，放電途徑為：基極→發(fā)射極(BE)、發(fā)射極→基極(EB)、基極→集電極(BC)、集電極→基極(CB)、發(fā)射極→集電極(EC)、集電極→發(fā)射極(CB)。
實驗中將每三個器件分為一組，在相等的放電電壓下，對相同的管腳對進行ESD單次放電。
放電電壓分為800、1200、1600 V三個檔次，如果三個器件同時通過相同的電壓檔次，則繼續(xù)提高放電電壓;如果其中一個器件失效或損傷，則中止針對該管腳對的實驗。
實驗結(jié)果如下：①所有器件都通過800 V的注入電壓;②對于1 200 V的注入電壓，只有一個從CB結(jié)反向注入的器件(4號)出現(xiàn)損傷情況，其余各組器件均順利通過。
重新測試一組，仍然有一個器件(26號)出現(xiàn)損傷，初步說明CB結(jié)比EB結(jié)對靜電更加敏感，這與現(xiàn)存的看法相反;③對于同一個結(jié)來說，正向注入時的損傷閾值要高于反向注入時的損傷閾值;④當注入端對為CB結(jié)時，對應(yīng)的敏感參數(shù)包括VBRCEO、VBRCBO和hFE。
對于反向擊穿電壓來說，主要表現(xiàn)為數(shù)值下降及出現(xiàn)軟擊穿情況;而對于正向直流傳輸比hFE來說，表現(xiàn)為數(shù)值下降和曲線的畸變。
為了更精細地判斷CB結(jié)和EB結(jié)對靜電放電敏感程度的相對大小，采用步進法更加合理。
記錄管子的損傷情況，其中V1表示最大未損傷電壓，V2表示最小損傷電壓，CB結(jié)平均最小損傷電壓為900V， EB結(jié)平均最小損傷電壓為1700 V，可以認為CB結(jié)比EB結(jié)對ESD更加敏感。
2.3 其他三極管實驗結(jié)果
實驗采用步進法，每種器件的樣本量不小于20，注入的電壓步長不超過前一次注入電壓的5%，首次注入即損傷的實驗數(shù)據(jù)無效。
�、俨煌钠骷蚪Y(jié)構(gòu)不同、工藝不同，它們的抗ESD的能力不同;②同一端對對于不同ESD模型的靜電敏感度不同，例如3358(F32)的CB結(jié)，在HBM模型下，損傷電壓平均值為3 025 V，在BMM模型下，損傷電壓的平均值為2 330 V，這是由于BMM模擬器的儲能電容(150 pF)較大，而與之串連的放電電阻(330Ω) 又較小，在相等的放電電壓條件下，儲能電容上的能量較大，產(chǎn)生的放電電流峰值較大，放電持續(xù)時間又較短，因此對器件的危害更大;③對于3358(F32)、2SC3356等高頻低噪聲晶體管來說，反向CB結(jié)的靜電敏感度要高于反向EB結(jié)的靜電敏感度。
3 結(jié)論
在不同的靜電放電模型下，通過實驗研究了幾種典型的半導(dǎo)體器件的靜電敏感端對的靜電放電情況和靈敏參數(shù)，由于外部環(huán)境、材料、結(jié)構(gòu)和加工工藝不同，器件的靜電損傷模式不同，其最大未損傷閾值和最小損傷閾值也不盡相同。
實驗結(jié)果表明，對于高頻低噪聲npn型硅三極管來說，反向CB結(jié)的靜電敏感度要高于反向EB結(jié)的靜電敏感度; ESD電流注入硅器件不同端對時，靈敏參數(shù)一般包括反向擊穿電壓、直流電流放大系數(shù)和反向漏電流，而極間電容和噪聲系數(shù)對靜電不敏感。
對于高頻低噪聲晶體管來說，由于其自身結(jié)構(gòu)上的原因，即功率容量小、擊穿電壓低、結(jié)淺，因而對靜電非常敏感。
ESD注入損傷的最靈敏端對是反向CB結(jié)，最敏感參數(shù)是VBRCEO，器件失效到擊穿有一擊穿變軟的過程，正向注入時的損傷閾值要高于反向注入時的損傷閾值。
【參考文獻】
[1]IEC61340-3-1： 2002， Electrostatics-Part3-1： methods for simulation of electrostatic effects-Human body model (HBM)-component testing[S].
[2]GJB33A-1997 半導(dǎo)體分立器件總規(guī)范[S].
[3]楊士亮・半導(dǎo)體器件電磁脈沖效應(yīng)實驗研究[D].石家莊：軍械工程學(xué)院，2005：17-20.
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