静电放电对高频小功率硅晶体管的双重作用

杨洁,刘升,武占成,张希军

(1.军械工程学院静电与电磁防护研究所,河北石家庄 050003;2.河北广播电视大学教学指导中心,河北石家庄 050071)

静电放电对高频小功率硅晶体管的双重作用

杨洁1,刘升2,武占成1,张希军1

(1.军械工程学院静电与电磁防护研究所,河北石家庄 050003;2.河北广播电视大学教学指导中心,河北石家庄 050071)

为了深入研究静电放电对双极晶体管的作用效应是否发生改变,对目前广泛使用的高频小功率硅双极晶体管的静电放电失效进行了实验分析.采用相应的静电放电模拟器,进行不同电压的静电放电注入实验再配合加速寿命实验,一方面验证了低于失效阈值的静电放电注入可能在该类晶体管内部造成潜在性失效,另一方面发现静电放电的注入也可能类似退火,对部分该类晶体管起到了训练加固的作用.

硅双极晶体管;静电放电;潜在性失效;加固;高频小功率

随着器件生产制作工艺的进步,高频晶体管的特征频率fT不断升高(由最初的几M Hz发展到现在的几GHz),使得许多高频小功率硅双极晶体管跻身于静电放电(ESD)敏感器件行列.目前,研究多集中于MOS器件及GaA s器件的ESD失效,而对目前仍在广泛使用的硅双极结型晶体管的相关研究却很少[1-5].于是,对特征频率较高的高频小功率硅双极结型晶体管2SC3356进行较为系统的ESD失效研究,具有重要的现实意义和实际应用价值.

1 受试器件与实验设备

选取特征频率为7 GHz的商用高频低噪声小功率硅外延型三极管2SC3356作为实验样品.2SC3356属于贴片器件,由于其体积很小,为了便于进行实验和测量,将其固定于相应的电路衬板上,并将各管脚用铜导线引出.

实验中,ESD模拟器使用ESS 606A ESD Simulator,测试受试器件的电参数时使用QT2晶体管特性图示仪.ESD模型采用标准的人体模型(HBM ESD),受试器件ESD注入管脚为CB反偏结(C+B-)[6],注入电压均为正向.

2 实验结果与分析

目前,人们普遍认识到ESD能够造成各类微电子器件的明显失效,并且,研究人员也已经证实MOS器件中存在ESD造成的潜在性失效.然而,对静电敏感度较高的高频小功率硅双极晶体管的ESD潜在性失效还未形成定论.此外,ESD对微电子器件有破坏作用,然而,ESD是否对微电子器件也同样存在加固作用有待进一步的实验检验.针对上述2方面问题分别设计了相应的实验来进行详细的研究.

2.1 ESD潜在性失效实验

根据潜在性失效的定义,潜在性失效的存在会造成微电子器件使用寿命的缩短或是其使用可靠性的下降.为了验证高频小功率硅双极晶体管内部可能存在ESD引起的潜在性失效,对已注入了ESD但还未失效的受试器件进行加速寿命实验来验证其使用寿命是否缩短.

选取3组共60只同批次的2SC3356器件,每组各20只.第1组单次注入失效阈值75%的ESD,记为G1,第2组单次注入失效阈值50%的ESD,记为G2,第3组未注入ESD,记为G3.ESD注入完毕后,受试器件均未出现明显失效.随后,将3组器件同时进行功耗为500 mW的加速寿命实验.加速寿命实验进行了168 h,3组受试器件在加速寿命实验过程中的失效情况如表1所示.

表1 加速寿命实验中各组器件的失效个数Tab.1 Failure transistorsnumber during the accelerated life test

由表1可知,在注入过ESD的2组器件中,部分器件明显比未注入过ESD的一组器件提前出现失效.这说明部分注入过ESD器件的使用寿命短于未注入过ESD的器件,从而表明:达到失效阈值50%的ESD注入就可造成部分器件出现潜在性失效.

ESD的注入在高频小功率硅晶体管内部造成的潜在性失效的失效机理可从2个方面进行分析:一方面,HBM ESD的注入造成晶体管局部温度上升,使器件内金属化层的部分金属离子进入半导体极区,导致极区局部负载电流增大,从而出现微小的局部熔融损伤点,造成潜在性失效;另一方面,HBM ESD的注入可使半导体器件中已存在的各种缺陷、包括晶格缺陷,表面杂质等发生变化,当这种情况发展到一定程度时,也会出现潜在性失效.

2.2 ESD注入的训练加固作用实验

实验2.1验证了ESD的注入可在高频小功率硅双极晶体管内部造成潜在性失效,下面设计2种实验来验证ESD的注入是否对高频小功率硅双极晶体管产生训练加固的作用.

1)选取同批次的2组2SC3356器件,采用步进电压注入法测量它们的失效电压值.电压升高的步长为0.10 kV,每个电压连续3次注入.连续放电间隔时间为3.0 s.该批次器件的失效阈值大于1.30 kV.于是设定,第1组20只受试器件的初始注入电压为1.00 kV,第2组20只受试器件的初始注入电压为1.30 kV.所有受试器件的失效电压值见表2,从各组器件失效电压的平均值可见受试器件的失效电压与初始注入电压成反比.可见,低的初始注入电压导致所测得的受试器件的ESD失效阈值变大,进而表明低电压ESD的注入可对部分器件起到类似人为训练的作用,使得注入过低电压ESD的部分器件的抗ESD能力有所提高,从而对此部分器件的可靠性起到了防护加固的作用,造成此部分受试器件的失效电压值升高.

表2 注入步进电压时2SC3356器件的失效电压值Tab.2 Failure voltagesof 2SC3356 while stepped voltage ESD was in jected

2)另选取4组共80只同批次的2SC3356器件进行同一电压不同次数ESD注入的对比实验.ESD注入电压为+800 V,连续放电间隔时间为1.1 s.第1组器件(20只)连续注入3次ESD,第2组器件(20只)连续注入10次ESD,第3组器件(20只)连续注入30次ESD,第4组器件(20只)未注入ESD.随后将4组受试器件同时进行功耗为500 mW的加速寿命实验,统计各组受试器件在加速寿命实验过程中的失效率η,结果如表3所示.

表3 加速寿命实验中各组器件的失效率ηTab.3 ηof each group during accelerated life test

对比上述各组器件失效率的大小,可见,3次ESD的注入会导致器件出现提前失效,而10次与30次ESD的注入对器件的可靠性有一定的加固作用.

综合上述2个实验的结果可得,较低电压ESD的注入或者是ESD的连续多次注入,可能对高频小功率硅双极晶体管起到类似退火的训练加固作用.分析其原因可能是:高频低噪声器件结深浅,结面积小,本身结构中的很多部分都易受到ESD的作用而发生改变.譬如,ESD的注入可能使器件内部晶格重组,使本来分布不均匀的晶格或载流子、少子等在表面重新分布达到平衡,表面态均匀,也就是说ESD的瞬时热效应起到了退火的作用,使器件内部缺陷在某种程度上自我恢复,器件的可靠性得到增强.

3 结论

综上所述,注入的ESD电压越接近失效阈值,越容易在高频小功率硅双极晶体管内部造成轻微的损伤点,于是也就越容易造成高频小功率硅双极晶体管潜在性失效.同时,较低电压的ESD注入也可能对部分高频小功率硅晶体管起到类似退火的训练加固作用,使器件内部在制造过程中引起的部分缺陷得到一定程度的修复,从而造成晶体管抗ESD能力的提高或使用寿命的加长.

除此之外,不同次数ESD的注入对高频小功率硅双极晶体管2SC3356同样存在上述2种作用,3次ESD的注入更容易在晶体管2SC3356内部引起潜在性失效,而10次乃至更多次ESD的注入往往可对晶体管2SC3356的可靠性起到训练加固的作用.

[1]GU ITARD N,TREMOU ILLESD,BA FL EUR M.Low f requency noise measurements fo r ESD latent defect detection in high reliability app lications[J].M icroelectronics Reliability,2004,44(6):1781-1786.

[2]HUH Y,LEEM G,LEE J,et al.A study of ESD-induced latent damage in CMOS integrated circuits[Z].36th Annual International Reliability Physics Symposium.Reno,Nevada,1998.

[3]SONGM,ENGD C,MACW ILL IAMS K P.Quantifying ESD/EOS latent damage and integrated circuit leakage currents [Z].1995 Electrical Overstress/Electrostatic Discharge(EOS/ESD)Symposium.Phoenix,A rizona,1995.

[4]WU J,JUL IANO P,ROSENBAUM E.Breakdow n and Latent Damageof Ultra-Thin Gate Oxide under ESD Stress Conditions[Z].2000 Electrical Overstress/Electrostatic Discharge(EOS/ESD)Symposium.Anaheim,2000.

[5]HWANG YU-CHUL.Electrostatic discharge and electricaloverstress failuresof non-silicon devices[D].College Park: Department of Mechanical Engineering,University of M aryland,2005.

[6]杨洁,王长河,刘尚合.微波低噪声晶体管电磁脉冲敏感端对研究[J].强激光与粒子束,2007,19(1):99-102.

Double Effects of ESD on High-frequency Low-power Silicon Transistors

YANGJie1,LIU Sheng2,WU Zhan-cheng1,ZHANG Xi-jun1
(1.Electrostatic and Electromagnetic Protection Institute,Ordnance Engineering College,Shijiazhuang 050003, China;2.Education Guidence Center,Hebei Radio and Television University,Shijiazhuang 050071,China)

In o rder to research w hether the ESD effects on bipo lar transisto rs were changed or not, ESD failures were analyzed on high-frequency low-power silicon bipolar junction transisto rs w hich were still used w idely.ESD injected testsw ith different voltageswere carried on by the co rresponding ESD simulato r,and the life accelerated testswere made to test the lifetime of bipo lar transisto rs.It was confirmed that ESD injection,w hich vo ltagewas lower than the thresho ld,could cause latent damage in BJT.On the o ther side,it w as found that ESD injection m ight train and enhance o ther BJTs liked anneal to p ro long the life time of others transistors or enhance their antistatic ability.

silicon bipo lar transisto r;ESD;latent damage;enhance effect;high-f requency low-power

O 441

A

1000-1565(2010)05-0590-04

2009-10-28

国家自然科学基金资助项目(60871066;60971042)

杨洁(1980—),女,河北石家庄人,军械工程学院讲师,博士,主要从事微电子器件的静电放电失效与防护研究.

(责任编辑:王兰英)