浅谈微电子器件静电损伤的测试

周小刚

（河南农业大学 理学院，河南 郑州450002）

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10 ns,衰减时间tdi为150±20 ns,振荡电流Ir 应小于峰值电流Ip的15%,且脉冲开始100 ns 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、Tek P6041 (5 mV/mA,25 kHz～1 GHz,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800 V 的注入电压； ②对于1 200 V 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900V,EB 结平均最小损伤电压为1700 V,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3 025 V,在BMM 模型下,损伤电压的平均值为2 330 V,这是由于BMM 模拟器的储能电容(150 pF)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。

［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,2005：17-20.