浅析微电子器件静电损伤的测试

摘 要：随着现代科学技术的发展，电子、通讯等高新技术产业也在迅速崛起，电子仪器和电子设备正在朝着小型化、智能化、多功能化方面发展，而微电子器件成为当下电子产品实现小型化、智能化、多功能的必要原件。这种微电子器件具有外部结构简单、集成度高、功率低的特点，这些特点导致了这种微电子器件对静电比较敏感。本文立足于微电子器件特征和静电放电特点，通过实验分析出静电放电对微电子器件的影响，并提出相应的防护措施。

关键词：微电子器件；静电损伤；放电模型

中图分类号：TN406 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2018）08-0066-03

Abstract：With the development of modern science and technology，the high and new technology industries such as electronic and communication are rising rapidly. Electronic instruments and electronic equipment are developing towards miniaturization，intellectualization and multi-function. Microelectronic devices have become the necessary original parts for the realization of the miniaturization，intellectualization and multi-function of electronic products. This kind of microelectronic device has the characteristic of simple external structure，high integration and low power. These characteristics make the microelectronic devices more sensitive to static electricity. In this paper，based on the characteristics of microelectronic devices and the characteristics of electrostatic discharge，the effects of electrostatic discharge on microelectronic devices are analyzed by experiments，and the corresponding protective measures are put forward.

Keywords：microelectronic devices；electrostatic damage；discharge model

0 引 言

微電子器件业内称之为静电敏感器件，一般而言，场效应器件、双极器件等微电子器件的抗静电能力更加弱，人体或者器件本身的静电都足以对器件造成损伤，如果不加以防护，微电子器件很可能因为静电受损，导致器件失去本身的功能，影响了产品的质量。因此，提高微电子器件在包装、运输、储存、使用等方面的防静电措施至关重要。

1 静电放电特性

1.1 静电放电类型

静电放电（ESD）在本质上是一种电磁兼容问题，通常情况下，静电放电所释放的能量比较小，是一种常温状态下对气体的击穿现象。从静电放电类型上进行分析，可大致分为三种不同类型：（1）电晕放电，这是一种气体放电的形式，多发生在电极相距比较远，同时带电物体和接地表面有突出的地方。这种地方易形成较强的电场强度，使气体发生电离现象，并伴有“嘶嘶”声音，这种情况称之为电晕放电。（2）刷形放电。当两个电极之间存在的气体为非均匀介子，在电极的作用下形成通路，形成的静电放电不集中在某一点上，而是形成很多分叉。刷形放电伴有发声、发光形象，易发生在绝缘体上。（3）火花放电。不同于刷形放电，火花放电有明显的放电集中点，两极之间的气体被击穿，伴有短时间的爆裂声，危险性比较大。

1.2 静电放电失效敏感电压

所谓的静电放电失效敏感电压是指电器所能够抗受最大的静电电压，也被称之为静电放电敏感度（ESDS）。所产生的静电一旦触碰到微电子器件的敏感部位，在瞬间最大电流可达到10A，这个电流值，极易导致电器失效或者受损。据统计，因静电受损的电子器件，10%会立即失效，90%为潜在性损失。潜在性损失虽然不会使器件立刻失效，但是会引起器件参数变化，影响产品的稳定性，也降低了器件抗过电应力的能力。

1.3 静电放电模型

静电放电模型共有四种，分别为人体模型、场感应模型、带电器件模型和传输线模型。人体模型引起的静电损伤一般比较严重，研究表明，人体可携带20-30MJ的静电能量，放电时间极为短暂，只有几微秒，但其最高峰值电压可达到15～20kV，流量可达到10A。场感应模型中，半导体场效应晶体管等电子器件当处于强带电环境中，器件的栅极就会感应到电压的存在，场感应电压达到一定数值时，会发生器件的栅源和栅漏间击穿现状，使器件受损失效。传输线模型的原理，传输线网络可获得很高的峰值电压，在器件与网络匹配的情况下，器件上的电压可跃变为最大，当此峰值电压足够高时也可使器件失效。带电器件模型，半导体器件获取的电荷大部分都附在表面，如果相邻的金属线条靠得比较近，就会引起静电放电现象，导致器件时效。目前，我国对电子器件的静电放电失效敏感电压的测试采用的方式是人体模型。

2 实验

2.1 原理与方法

对微电子器件静电损伤测试的时候，采用的方法是注入法。具体原理是将电磁能量通过特定的电子装置注入到微电子器件相应的管脚上，通过对管脚的测量，可以比较精准地得知损伤阈值。此次实验需要用到的装置有：ESS-200AX型ESD模拟器、TDS680B数字存储示波器、Tek P6041（5mV/mA，25kHz～1GHz，匹配电阻50Ω）电流探头。

2.2 CG392实验结果

通常情况下，微电子器件对静电放电是非常敏感的，由于体积小，在外观上很难判断微电子器件是否失效，唯一的方式就是通过技术测量，检测其具体的参与，判断微电子器件是否完好。本次实验测量的对象为晶体三极管，在测量过程中，所需要的设备有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。

首先对三极管进行分析。三极管具有放大、调制、谐振、开关等作用，共有3个管脚，分别为基极（B）、发射机（E）、集电极（C），放电途径也是三个管脚之间的相互组合，对三极管测量判断是否受到静电放电损伤，其依照的标准是《半导体分立器件总规范》中对有关数值的规定。通常的情况下，如果器件的敏感参数的变化起伏比比较大，超过实验前的数值的20%，就可以判断此微电子器件有损伤。或者在实验后其数值也超过了所规定的范围值，也可以判定为损伤。

实验的具体过程：此次实验将每三个器件分为一组，其中器件是否损伤未知，也不做标明。在实验中，会选取不同的三极管，同时选取三极管中相同的管脚，对所选用的管脚做一次静电放电。实验需要对每个管脚做三次放电，每次放电所采用的电压是不一样的。在本次实验中，我们采用了800V、1200V和1600V三个电压。在每次静电放电结束后，都要认真分析关键测量的数值。在程序上，首先判断800V静电放电后的结构，结果如果一组内的三个器件所呈现的静电放电失效敏感电压均在标准的范围，那么就采用1200V电压进行实验，直到出现某一个器件损伤或者失效，则此器件放电结束，停止对该管脚继续静电放電。

实验结果如下：一是本次实验中所采用的样本三极管，均通过了800V的注入电压，这也就意味着800V电压下的静电放电对器件的损伤很小，可以忽略。二是对其中一组进行1200V电压注入实验中，在对其中一个三极管CB结反向注入时，测量数字超过标准范围，该器件出现损伤情况，该组中的其他两个三极管顺利通过。再重新测量一组器件，仍然会有一个器件出现损伤。由此可见，CB结对静电产生的电压更加敏感，也更加容易出现损伤。三是对同一个结来说，注入方式对结果也是有影响的，具体而言，正向注入静电和反向注入静电对器件的损伤阈值是不同的，前者要高于后者。四是当注入端对为CB结时，对应的敏感参数包括集电极-发射极之间的击穿电压和三极管直流电流放大系数（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。

2.3 其他三极管实验结果

为了让实验结果更加精准，本次实验采用了步进法。所谓的步进法，就是将步骤分为三个部分，分别为部进点、动作和转移条件，随后再依照原来的动作顺序串接起来，完成整个过程。具体而言，此次实验的器件样本数量在20个以上，注入的电压步长数值比较稳定，通过对其他三极管实验得出以下结论：（1）器件的结构、质量、工艺影响器件本身对抗静电的能力。（2）在器件不变的情况下，不同的静电放电模型，对其静电敏感度也会有所不同。（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 静电损伤防护措施

3.1 提高器件抗静电干扰能力

提高器件的抗静电能力，其最主要的办法就是增加器件本身的抗干扰能力。例如针对MOS器件，为了增加该器件的抗静电干扰能力，通常会在输入端增加一个防静电的保护网，根据器件的不同，其保护网作用的结构也不同，可以是二极管保护、扩散电阻保护、薄栅MOS管保护等。除此以外，通常还会采用增加器件栅的总宽度，这样也可以提高器件的抗静电能力。

3.2 建立无静电的工作环境

电子产品在生产和使用的过程中，经常会遭遇静电，实际上，很多静电的产生是可以避免的。例如，微电子器件在制造的过程中，工作人员可以通过设备仪器消除或者减少身体上的静电，在进入工作区内，要随时对温度、湿度、静电电压进行检测，工作区内埋设底线等。

3.3 器件在包装、运输和储存过程中采取周密的防静电措施

器件在包装、运输和储存过程中也是极容易遭遇到静电的。因此必须采取措施，减少静电给微电子器件带来的影响。在包装过程中，器件切勿堆放，不要随意拆除，拆装时不要在静电的环境下。在运输的过程中，将器件装包装盒内，避免与包装盒接触摩擦等，储存的环境最宜在5℃～30℃。

4 结 论

本文重点研究微静电放电对微电子器件的损伤，通过实验，在不同的静电放电模型下，测量了几种较为常见和使用的微电子器件，旨在研究器件的静电敏感端对应的静电放电情况和灵敏参数。实验证明，不同的器件由于其结构、材料、外部环境的不同，其对抗静电放电的能力也是不同的。通过实验可知，反向CB结的静电敏感度要高于反向EB结的静电敏感度，注入器件不同端对时，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。

参考文献：

[1] EN 61340-3-1-2002，Electrostatics-Part3-1：methods for simulation of electrostatic effects-Human body model（HBM）-component testing [S].2002.

[2] GJB 33A-1997半导体分立器件总规范 [S].机械电子工业部电子标准化研究所，1997.

[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，2005.

作者简介：杨嗣帅（1991-），男，汉族，安徽淮北人，本科。研究方向：微电子科学与工程。