靜電放電對(duì)高頻小功率硅晶體管的雙重作用

楊潔,劉升,武占成,張希軍

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

靜電放電對(duì)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(xué)院靜電與電磁防護(hù)研究所,河北石家莊 050003;2.河北廣播電視大學(xué)教學(xué)指導(dǎo)中心,河北石家莊 050071)

為了深入研究靜電放電對(duì)雙極晶體管的作用效應(yīng)是否發(fā)生改變,對(duì)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(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析.采用相應(yīng)的靜電放電模擬器,進(jìn)行不同電壓的靜電放電注入實(shí)驗(yàn)再配合加速壽命實(shí)驗(yàn),一方面驗(yàn)證了低于失效閾值的靜電放電注入可能在該類晶體管內(nèi)部造成潛在性失效,另一方面發(fā)現(xiàn)靜電放電的注入也可能類似退火,對(duì)部分該類晶體管起到了訓(xùn)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(chǎn)制作工藝的進(jìn)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(xiàn)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(duì)目前仍在廣泛使用的硅雙極結(jié)型晶體管的相關(guān)研究卻很少[1-5].于是,對(duì)特征頻率較高的高頻小功率硅雙極結(jié)型晶體管2SC3356進(jìn)行較為系統(tǒng)的ESD失效研究,具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值.

1 受試器件與實(shí)驗(yàn)設(shè)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(shí)驗(yàn)樣品.2SC3356屬于貼片器件,由于其體積很小,為了便于進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和測(cè)量,將其固定于相應(yīng)的電路襯板上,并將各管腳用銅導(dǎo)線引出.

實(shí)驗(yàn)中,ESD模擬器使用ESS 606A ESD Simulator,測(cè)試受試器件的電參數(shù)時(shí)使用QT2晶體管特性圖示儀.ESD模型采用標(biāo)準(zhǔn)的人體模型(HBM ESD),受試器件ESD注入管腳為CB反偏結(jié)(C+B-)[6],注入電壓均為正向.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

目前,人們普遍認(rèn)識(shí)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(jīng)證實(shí)MOS器件中存在ESD造成的潛在性失效.然而,對(duì)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(duì)微電子器件有破壞作用,然而,ESD是否對(duì)微電子器件也同樣存在加固作用有待進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn).針對(duì)上述2方面問(wèn)題分別設(shè)計(jì)了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行詳細(xì)的研究.

2.1 ESD潛在性失效實(shí)驗(yàn)

根據(jù)潛在性失效的定義,潛在性失效的存在會(huì)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(yàn)證高頻小功率硅雙極晶體管內(nèi)部可能存在ESD引起的潛在性失效,對(duì)已注入了ESD但還未失效的受試器件進(jìn)行加速壽命實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)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(xiàn)明顯失效.隨后,將3組器件同時(shí)進(jìn)行功耗為500 mW的加速壽命實(shí)驗(yàn).加速壽命實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了168 h,3組受試器件在加速壽命實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的失效情況如表1所示.

表1 加速壽命實(shí)驗(yàn)中各組器件的失效個(gè)數(shù)Tab.1 Failure transistorsnumber during the accelerated life test

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

ESD的注入在高頻小功率硅晶體管內(nèi)部造成的潛在性失效的失效機(jī)理可從2個(gè)方面進(jìn)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(nèi)金屬化層的部分金屬離子進(jìn)入半導(dǎo)體極區(qū),導(dǎo)致極區(qū)局部負(fù)載電流增大,從而出現(xiàn)微小的局部熔融損傷點(diǎn),造成潛在性失效;另一方面,HBM ESD的注入可使半導(dǎo)體器件中已存在的各種缺陷、包括晶格缺陷,表面雜質(zhì)等發(fā)生變化,當(dāng)這種情況發(fā)展到一定程度時(shí),也會(huì)出現(xiàn)潛在性失效.

2.2 ESD注入的訓(xùn)練加固作用實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)2.1驗(yàn)證了ESD的注入可在高頻小功率硅雙極晶體管內(nèi)部造成潛在性失效,下面設(shè)計(jì)2種實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證ESD的注入是否對(duì)高頻小功率硅雙極晶體管產(chǎn)生訓(xùn)練加固的作用.

1)選取同批次的2組2SC3356器件,采用步進(jìn)電壓注入法測(cè)量它們的失效電壓值.電壓升高的步長(zhǎng)為0.10 kV,每個(gè)電壓連續(xù)3次注入.連續(xù)放電間隔時(shí)間為3.0 s.該批次器件的失效閾值大于1.30 kV.于是設(shè)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(jiàn)表2,從各組器件失效電壓的平均值可見(jiàn)受試器件的失效電壓與初始注入電壓成反比.可見(jiàn),低的初始注入電壓導(dǎo)致所測(cè)得的受試器件的ESD失效閾值變大,進(jìn)而表明低電壓ESD的注入可對(duì)部分器件起到類似人為訓(xùn)練的作用,使得注入過(guò)低電壓ESD的部分器件的抗ESD能力有所提高,從而對(duì)此部分器件的可靠性起到了防護(hù)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(jìn)電壓時(shí)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(jìn)行同一電壓不同次數(shù)ESD注入的對(duì)比實(shí)驗(yàn).ESD注入電壓為+800 V,連續(xù)放電間隔時(shí)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(shí)進(jìn)行功耗為500 mW的加速壽命實(shí)驗(yàn),統(tǒng)計(jì)各組受試器件在加速壽命實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的失效率η,結(jié)果如表3所示.

表3 加速壽命實(shí)驗(yàn)中各組器件的失效率ηTab.3 ηof each group during accelerated life test

對(duì)比上述各組器件失效率的大小,可見(jiàn),3次ESD的注入會(huì)導(dǎo)致器件出現(xiàn)提前失效,而10次與30次ESD的注入對(duì)器件的可靠性有一定的加固作用.

綜合上述2個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)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(duì)高頻小功率硅雙極晶體管起到類似退火的訓(xùn)練加固作用.分析其原因可能是:高頻低噪聲器件結(jié)深淺,結(jié)面積小,本身結(jié)構(gòu)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(nèi)部晶格重組,使本來(lái)分布不均勻的晶格或載流子、少子等在表面重新分布達(dá)到平衡,表面態(tài)均勻,也就是說(shuō)ESD的瞬時(shí)熱效應(yīng)起到了退火的作用,使器件內(nèi)部缺陷在某種程度上自我恢復(fù),器件的可靠性得到增強(qiáng).

3 結(jié)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(nèi)部造成輕微的損傷點(diǎn),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(shí),較低電壓的ESD注入也可能對(duì)部分高頻小功率硅晶體管起到類似退火的訓(xùn)練加固作用,使器件內(nèi)部在制造過(guò)程中引起的部分缺陷得到一定程度的修復(fù),從而造成晶體管抗ESD能力的提高或使用壽命的加長(zhǎng).

除此之外,不同次數(shù)ESD的注入對(duì)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(nèi)部引起潛在性失效,而10次乃至更多次ESD的注入往往可對(duì)晶體管2SC3356的可靠性起到訓(xùn)練加固的作用.

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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(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(60871066;60971042)

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

(責(zé)任編輯:王蘭英)