微电子器件静电损伤测试问题研究

王征

【摘 要】一般而言，薄栅氧MOS器件、场效应器件和浅结、细条、细间距的双极器件的抗静电放电能力更弱。在微电子器件及电子产品的生产、运输和存储过程中，所产生的静电电压远远超过其受损阈值，人体或器具上所带静电若不加以适度防护，会使器件产生硬或软损伤现象，使之失效或严重影响产品可靠性。因此，研究静电放电对微电子器件的作用效应及损伤机理具有重要的科学意义和工程应用前景。

【关键词】微电子器件；静电损伤；放电模型

随着科学技术的飞速发展，电子、通信、航天航空等高新产业的迅速崛起，电子仪器仪表和设备等电子产品日趋小型化、多功能及智能化，高性能微电子器件已成为满足上述要求中不可缺少的核心元件。这种器件具有线间距短、线细、栅氧薄、集成度高、运算速度快、低功率和输入阻抗高等特点，因而导致这类器件对静电越来越敏感，业内把这类器件称之为静电敏感器件（ESDS）。

1.静电放电特性

1.1静电放电类型

静电放电有多种形态，根据其特点，并从防止静电危害方面来考虑，可分为7种：电晕放电、火花放电、刷形放电、传播型刷形放电、大型料仓内粉堆放电、雷状放电以及电场辐射放电。

1.2静电放电模型

静电模型包括人体模型（HBM）、人体-金属模型（BMM）、带电器件模型、家具模型、机器模型及场感应模型。国内对电子器件ESD敏感度的测试标准采用的是人体模型，用于模拟带电人体指尖与接地物体之间产生的静电放电。IEC61340-3-1规定了短路电流波形，其中，上升时间tri小于10ns，衰减时间tdi为150±20ns，振荡电流Ir应小于峰值电流Ip的15%，且脉冲开始100ns后不应被观察到。

2.实验

2.1原理与方法

研究半导体器件的静电放电效应时，一般采用注入法，即把电磁能量通过一定的装置注入电子元器件的相应管脚，这样可以精确而方便地得到损伤阈值。实验装置包括ESS-200AX型ESD模拟器、TDS680B数字存储示波器、TekP6041（5mV/mA，25kHz～1GHz，匹配电阻50Ω）电流探头。

2.2 CG392实验结果

根据积累的经验，高频小功率器件尤其是微波小功率器件对静电非常敏感。

对于晶体三极管，从外观上很难判断是否遭受损伤，只能通过测量反映其质量的有关参数来确定。用于测试电子元气件电参数的设备包括XJ4810晶体管特性图示仪、8970B噪声系数测试仪、CTG-1型高频C-V特性电容测试仪和漏电流测试仪等。

损伤判据主要根据GJB33A-1997《半导体分立器件总规范》有关条款制定，一般情况下以器件敏感参数变化超过试验前测量值20%或试验后数值超出规定的产品极限值判为器件损伤。

三极管具有3个管脚，共6个管脚对组合，放电途径为：基极→发射极（BE）、发射极→基极（EB）、基极→集电极（BC）、集电极→基极（CB）、发射极→集电极（EC）、集电极→发射极（CB）。

实验中将每三个器件分为一组，在相等的放电电压下，对相同的管脚对进行ESD单次放电。放电电压分为800、1200、1600 V三个档次，如果三个器件同时通过相同的电压档次，则继续提高放电电压；如果其中一个器件失效或损伤，则中止针对该管脚对的实验。

实验结果如下：①所有器件都通过800V的注入电压；②对于1 200V的注入电压，只有一个从CB结反向注入的器件（4号）出现损伤情况，其余各组器件均顺利通过。重新测试一组，仍然有一个器件（26号）出现损伤，初步说明CB结比EB结对静电更加敏感，这与现存的看法相反；③对于同一个结来说，正向注入时的损伤阈值要高于反向注入时的损伤阈值；④当注入端对为CB结时，对应的敏感参数包括VBRCEO、VBRCBO和hFE。对于反向击穿电压来说，主要表现为数值下降及出现软击穿情况；而对于正向直流传输比hFE来说，表现为数值下降和曲线的畸变。

为了更精细地判断CB结和EB结对静电放电敏感程度的相对大小，采用步进法更加合理。记录管子的损伤情况，其中V1表示最大未损伤电压，V2表示最小损伤电压，CB结平均最小损伤电压为900 V， EB结平均最小损伤电压为1700V，可以认为CB结比EB结对ESD更加敏感。

2.3其他三极管实验结果

实验采用步进法，每种器件的样本量不小于20，注入的电压步长不超过前一次注入电压的5%，首次注入即损伤的实验数据无效。①不同的器件因结构不同、工艺不同，它们的抗ESD的能力不同；②同一端对对于不同ESD模型的静电敏感度不同，例如3358（F32）的CB结，在HBM模型下，损伤电压平均值为3025V，在BMM模型下，损伤电压的平均值为2330V，这是由于BMM模拟器的储能电容（150pF）较大，而与之串连的放电电阻（330Ω） 又较小，在相等的放电电压条件下，储能电容上的能量较大，产生的放电电流峰值较大，放电持续时间又较短，因此对器件的危害更大；③对于3358（F32）、2SC3356等高频低噪声晶体管来说，反向CB结的静电敏感度要高于反向EB结的静电敏感度。

3.结论

在不同的静电放电模型下，通过实验研究了几种典型的半导体器件的静电敏感端对的静电放电情况和灵敏参数，由于外部环境、材料、结构和加工工艺不同，器件的静电损伤模式不同，其最大未损伤阈值和最小损伤阈值也不尽相同。实验结果表明，对于高频低噪声npn型硅三极管来说，反向CB结的静电敏感度要高于反向EB结的静电敏感度； ESD电流注入硅器件不同端对时，灵敏参数一般包括反向击穿电压、直流电流放大系数和反向漏电流，而极间电容和噪声系数对静电不敏感。对于高频低噪声晶体管来说，由于其自身结构上的原因，即功率容量小、击穿电压低、结浅，因而对静电非常敏感。ESD注入损伤的最灵敏端对是反向CB结，最敏感参数是VBRCEO，器件失效到击穿有一击穿变软的过程，正向注入时的损伤阈值要高于反向注入时的损伤阈值。

【参考文献】

[1]IEC61340-3-1：2002，Electrostatics-Part3-1：methods for simulation of electrostatic effects-Human body model （HBM）-component testing[S].

[2]GJB33A-1997，半导体分立器件总规范[S].

[3]杨士亮.半导体器件电磁脉冲效应实验研究[D].石家庄：军械工程学院硕士学位论文，2005：17-20.