淺談微電子器件靜電損傷的測(cè)試

周小剛

（河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，河南 鄭州450002）

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(diǎn), 并從防止靜電危害方面來(lái)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(cāng)內(nèi)粉堆放電、雷狀放電以及電場(chǎng)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(jī)器模型及場(chǎng)感應(yīng)模型。國(guó)內(nèi)對(duì)電子器件ESD 敏感度的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)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(shí)間tri小于10 ns,衰減時(shí)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(kāi)始100 ns 后不應(yīng)被觀察到。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 原理與方法

研究半導(dǎo)體器件的靜電放電效應(yīng)時(shí),一般采用注入法,即把電磁能量通過(guò)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(shí)驗(yàn)裝置包括ESS-200AX 型ESD 模擬器、TDS680B數(shù)字存儲(chǔ)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(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)積累的經(jīng)驗(yàn),高頻小功率器件尤其是微波小功率器件對(duì)靜電非常敏感。

對(duì)于晶體三極管,從外觀上很難判斷是否遭受損傷,只能通過(guò)測(cè)量反映其質(zhì)量的有關(guān)參數(shù)來(lái)確定。用于測(cè)試電子元?dú)饧妳?shù)的設(shè)備包括XJ4810 晶體管特性圖示儀、8970B 噪聲系數(shù)測(cè)試儀、CTG-1 型高頻C-V 特性電容測(cè)試儀和漏電流測(cè)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(guò)試驗(yàn)前測(cè)量值20%或試驗(yàn)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(gè)管腳,共6 個(gè)管腳對(duì)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(shí)驗(yàn)中將每三個(gè)器件分為一組,在相等的放電電壓下,對(duì)相同的管腳對(duì)進(jìn)行ESD 單次放電。放電電壓分為800、1200、1600 V 三個(gè)檔次,如果三個(gè)器件同時(shí)通過(guò)相同的電壓檔次,則繼續(xù)提高放電電壓；如果其中一個(gè)器件失效或損傷,則中止針對(duì)該管腳對(duì)的實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下： ①所有器件都通過(guò)800 V 的注入電壓； ②對(duì)于1 200 V 的注入電壓,只有一個(gè)從CB 結(jié)反向注入的器件(4 號(hào))出現(xiàn)損傷情況,其余各組器件均順利通過(guò)。重新測(cè)試一組,仍然有一個(gè)器件(26號(hào))出現(xiàn)損傷,初步說(shuō)明CB 結(jié)比EB 結(jié)對(duì)靜電更加敏感,這與現(xiàn)存的看法相反；③對(duì)于同一個(gè)結(jié)來(lái)說(shuō),正向注入時(shí)的損傷閾值要高于反向注入時(shí)的損傷閾值；④當(dāng)注入端對(duì)為CB 結(jié)時(shí),對(duì)應(yīng)的敏感參數(shù)包括VBRCEO、VBRCBO和hFE。對(duì)于反向擊穿電壓來(lái)說(shuō),主要表現(xiàn)為數(shù)值下降及出現(xiàn)軟擊穿情況；而對(duì)于正向直流傳輸比hFE 來(lái)說(shuō),表現(xiàn)為數(shù)值下降和曲線的畸變。

為了更精細(xì)地判斷CB 結(jié)和EB 結(jié)對(duì)靜電放電敏感程度的相對(duì)大小,采用步進(jìn)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(rèn)為CB 結(jié)比EB 結(jié)對(duì)ESD 更加敏感。

2.3 其他三極管實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)采用步進(jìn)法,每種器件的樣本量不小于20,注入的電壓步長(zhǎng)不超過(guò)前一次注入電壓的5%,首次注入即損傷的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)無(wú)效。①不同的器件因結(jié)構(gòu)不同、工藝不同,它們的抗ESD 的能力不同；②同一端對(duì)對(duì)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(chǔ)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(chǔ)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(shí)間又較短,因此對(duì)器件的危害更大；③對(duì)于3358(F32)、2SC3356 等高頻低噪聲晶體管來(lái)說(shuō),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(guò)實(shí)驗(yàn)研究了幾種典型的半導(dǎo)體器件的靜電敏感端對(duì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,對(duì)于高頻低噪聲npn 型硅三極管來(lái)說(shuō), 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(duì)時(shí), 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(duì)靜電不敏感。對(duì)于高頻低噪聲晶體管來(lái)說(shuō),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(duì)靜電非常敏感。ESD 注入損傷的最靈敏端對(duì)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(guò)程,正向注入時(shí)的損傷閾值要高于反向注入時(shí)的損傷閾值。

［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(shí)驗(yàn)研究[D].石家莊：軍械工程學(xué)院,2005：17-20.