楊潔,劉升,武占成,張希軍

(1.軍械工程學院靜電與電磁防護研究所,河北石家莊 050003;2.河北廣播電視大學教學指導中心,河北石家莊 050071)

靜電放電對高頻小功率硅晶體管的雙重作用

楊潔1,劉升2,武占成1,張希軍1

(1.軍械工程學院靜電與電磁防護研究所,河北石家莊 050003;2.河北廣播電視大學教學指導中心,河北石家莊 050071)

為了深入研究靜電放電對雙極晶體管的作用效應是否發(fā)生改變,對目前廣泛使用的高頻小功率硅雙極晶體管的靜電放電失效進行了實驗分析.采用相應的靜電放電模擬器,進行不同電壓的靜電放電注入實驗再配合加速壽命實驗,一方面驗證了低于失效閾值的靜電放電注入可能在該類晶體管內部造成潛在性失效,另一方面發(fā)現靜電放電的注入也可能類似退火,對部分該類晶體管起到了訓練加固的作用.

硅雙極晶體管;靜電放電;潛在性失效;加固;高頻小功率

隨著器件生產制作工藝的進步,高頻晶體管的特征頻率fT不斷升高(由最初的幾M Hz發(fā)展到現在的幾GHz),使得許多高頻小功率硅雙極晶體管躋身于靜電放電(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,而對目前仍在廣泛使用的硅雙極結型晶體管的相關研究卻很少[1-5].于是,對特征頻率較高的高頻小功率硅雙極結型晶體管2SC3356進行較為系統(tǒng)的ESD失效研究,具有重要的現實意義和實際應用價值.

1 受試器件與實驗設備

選取特征頻率為7 GHz的商用高頻低噪聲小功率硅外延型三極管2SC3356作為實驗樣品.2SC3356屬于貼片器件,由于其體積很小,為了便于進行實驗和測量,將其固定于相應的電路襯板上,并將各管腳用銅導線引出.

實驗中,ESD模擬器使用ESS 606A ESD Simulator,測試受試器件的電參數時使用QT2晶體管特性圖示儀.ESD模型采用標準的人體模型(HBM ESD),受試器件ESD注入管腳為CB反偏結(C+B-)[6],注入電壓均為正向.

2 實驗結果與分析

目前,人們普遍認識到ESD能夠造成各類微電子器件的明顯失效,并且,研究人員也已經證實MOS器件中存在ESD造成的潛在性失效.然而,對靜電敏感度較高的高頻小功率硅雙極晶體管的ESD潛在性失效還未形成定論.此外,ESD對微電子器件有破壞作用,然而,ESD是否對微電子器件也同樣存在加固作用有待進一步的實驗檢驗.針對上述2方面問題分別設計了相應的實驗來進行詳細的研究.

2.1 ESD潛在性失效實驗

根據潛在性失效的定義,潛在性失效的存在會造成微電子器件使用壽命的縮短或是其使用可靠性的下降.為了驗證高頻小功率硅雙極晶體管內部可能存在ESD引起的潛在性失效,對已注入了ESD但還未失效的受試器件進行加速壽命實驗來驗證其使用壽命是否縮短.

選取3組共60只同批次的2SC3356器件,每組各20只.第1組單次注入失效閾值75%的ESD,記為G1,第2組單次注入失效閾值50%的ESD,記為G2,第3組未注入ESD,記為G3.ESD注入完畢后,受試器件均未出現明顯失效.隨后,將3組器件同時進行功耗為500 mW的加速壽命實驗.加速壽命實驗進行了168 h,3組受試器件在加速壽命實驗過程中的失效情況如表1所示.

表1 加速壽命實驗中各組器件的失效個數Tab.1 Failure transistorsnumber during the accelerated life test

由表1可知,在注入過ESD的2組器件中,部分器件明顯比未注入過ESD的一組器件提前出現失效.這說明部分注入過ESD器件的使用壽命短于未注入過ESD的器件,從而表明:達到失效閾值50%的ESD注入就可造成部分器件出現潛在性失效.

ESD的注入在高頻小功率硅晶體管內部造成的潛在性失效的失效機理可從2個方面進行分析:一方面,HBM ESD的注入造成晶體管局部溫度上升,使器件內金屬化層的部分金屬離子進入半導體極區(qū),導致極區(qū)局部負載電流增大,從而出現微小的局部熔融損傷點,造成潛在性失效;另一方面,HBM ESD的注入可使半導體器件中已存在的各種缺陷、包括晶格缺陷,表面雜質等發(fā)生變化,當這種情況發(fā)展到一定程度時,也會出現潛在性失效.

2.2 ESD注入的訓練加固作用實驗

實驗2.1驗證了ESD的注入可在高頻小功率硅雙極晶體管內部造成潛在性失效,下面設計2種實驗來驗證ESD的注入是否對高頻小功率硅雙極晶體管產生訓練加固的作用.

1)選取同批次的2組2SC3356器件,采用步進電壓注入法測量它們的失效電壓值.電壓升高的步長為0.10 kV,每個電壓連續(xù)3次注入.連續(xù)放電間隔時間為3.0 s.該批次器件的失效閾值大于1.30 kV.于是設定,第1組20只受試器件的初始注入電壓為1.00 kV,第2組20只受試器件的初始注入電壓為1.30 kV.所有受試器件的失效電壓值見表2,從各組器件失效電壓的平均值可見受試器件的失效電壓與初始注入電壓成反比.可見,低的初始注入電壓導致所測得的受試器件的ESD失效閾值變大,進而表明低電壓ESD的注入可對部分器件起到類似人為訓練的作用,使得注入過低電壓ESD的部分器件的抗ESD能力有所提高,從而對此部分器件的可靠性起到了防護加固的作用,造成此部分受試器件的失效電壓值升高.

表2 注入步進電壓時2SC3356器件的失效電壓值Tab.2 Failure voltagesof 2SC3356 while stepped voltage ESD was in jected

2)另選取4組共80只同批次的2SC3356器件進行同一電壓不同次數ESD注入的對比實驗.ESD注入電壓為+800 V,連續(xù)放電間隔時間為1.1 s.第1組器件(20只)連續(xù)注入3次ESD,第2組器件(20只)連續(xù)注入10次ESD,第3組器件(20只)連續(xù)注入30次ESD,第4組器件(20只)未注入ESD.隨后將4組受試器件同時進行功耗為500 mW的加速壽命實驗,統(tǒng)計各組受試器件在加速壽命實驗過程中的失效率η,結果如表3所示.

表3 加速壽命實驗中各組器件的失效率ηTab.3 ηof each group during accelerated life test

對比上述各組器件失效率的大小,可見,3次ESD的注入會導致器件出現提前失效,而10次與30次ESD的注入對器件的可靠性有一定的加固作用.

綜合上述2個實驗的結果可得,較低電壓ESD的注入或者是ESD的連續(xù)多次注入,可能對高頻小功率硅雙極晶體管起到類似退火的訓練加固作用.分析其原因可能是:高頻低噪聲器件結深淺,結面積小,本身結構中的很多部分都易受到ESD的作用而發(fā)生改變.譬如,ESD的注入可能使器件內部晶格重組,使本來分布不均勻的晶格或載流子、少子等在表面重新分布達到平衡,表面態(tài)均勻,也就是說ESD的瞬時熱效應起到了退火的作用,使器件內部缺陷在某種程度上自我恢復,器件的可靠性得到增強.

3 結論

綜上所述,注入的ESD電壓越接近失效閾值,越容易在高頻小功率硅雙極晶體管內部造成輕微的損傷點,于是也就越容易造成高頻小功率硅雙極晶體管潛在性失效.同時,較低電壓的ESD注入也可能對部分高頻小功率硅晶體管起到類似退火的訓練加固作用,使器件內部在制造過程中引起的部分缺陷得到一定程度的修復,從而造成晶體管抗ESD能力的提高或使用壽命的加長.

除此之外,不同次數ESD的注入對高頻小功率硅雙極晶體管2SC3356同樣存在上述2種作用,3次ESD的注入更容易在晶體管2SC3356內部引起潛在性失效,而10次乃至更多次ESD的注入往往可對晶體管2SC3356的可靠性起到訓練加固的作用.

[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.

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[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]楊潔,王長河,劉尚合.微波低噪聲晶體管電磁脈沖敏感端對研究[J].強激光與粒子束,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

國家自然科學基金資助項目(60871066;60971042)

楊潔(1980—),女,河北石家莊人,軍械工程學院講師,博士,主要從事微電子器件的靜電放電失效與防護研究.

(責任編輯:王蘭英)