微電子器件靜電損傷測試問題研究

王征

【摘 要】一般而言，薄柵氧MOS器件、場效應器件和淺結(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及損傷機理具有重要的科學意義和工程應用前景。

【關鍵詞】微電子器件；靜電損傷；放電模型

隨著科學技術(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應小于峰值電流Ip的15%，且脈沖開始100ns后不應被觀察到。

2.實驗

2.1原理與方法

研究半導體器件的靜電放電效應時，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)量的有關參數(shù)來確定。用于測試電子元氣件電參數(shù)的設備包括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《半導體分立器件總規(guī)范》有關條款制定，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。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】

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