Статическое электричество и полупроводниковая электроника (стр. 2 из 4)

Миниатюризация в микроэлектронике заставляет делать металлизированные дорожки все более узкими, а оксидные слои - все более тонкими. Сегодня в основном применяются дорожки шириной 1 мкм, но уже сообщается об изготовлении ИС с шириной дорожки 0.5-0.2 мкм. Если для обычно используемой толщины затворного оксида 1000 A его пробой происходит при приложении к затвору напряжения 80-100 В, то при толщине оксида 400 A напряжение пробоя снижается до 28-45 В. Это еще более осложняет проблему отказов изделий из-за воздействия разрядов, с которой все чаще сталкиваются разработчики.

Рис.3. Примеры воздействия электростатического разряда на ИС и формы импульсов тока разряда, протекающих через устройство.

Обозначения на эквивалентных схемах: 1 - заземленная поверхность; 2 - емкость тела человека; 3 - сопротивление тела человека; 4 - сопротивление контакта; 5 - емкость ИС. В одном случае разряд происходит через тело человека (а), в другом - через заземленную поверхность (б; здесь используется модель “заряженного прибора”, поэтому учитываются все его элементы, в том числе индуктивность проводников).

Непосредственно перед разрядом и в течение первых десятков наносекунд разряда устройство попадает под наведенное высокое напряжение, т.е. на изделие действует и потенциал электрического заряда, и ток разряда. В итоге у полупроводниковых приборов и ИС могут иметь место два типа повреждений:

- катастрофические, которые обнаруживаются наиболее легко, потому что поврежденные изделия не выполняют своих функций;

- скрытые, которые затрагивают только один из параметров - усиление, утечку и т.д. - или вызывают некоторые изменения начальных характеристик, иногда не выходящие за рамки допустимых отклонений. Эти повреждения обнаружить труднее, так как зачастую они проявляются лишь в результате повторяющихся разрядов или уже в процессе эксплуатации.

Явные катастрофы

Катастрофические отказы можно разделить на отказы под действием напряжения, когда пробивается насквозь диэлектрик или разрушается поверхность кристалла, и отказы под действием мощности или тока, которые часто опознают по горячим точкам или расплавленным участкам на кристалле. Разряд может вызвать такую высокую плотность тока на границе оксид-полупроводник, что происходит локальное расплавление полупроводникового материала, а в оксиде образуется точечное отверстие диаметром около 1 мкм.

Элементы, чувствительные к напряжению (тонкий диэлектрик структур металл-диэлектрик-полупроводник, изолирующий оксид и т.д.), отказывают вследствие электрического пробоя. Отказы внутри прибора под действием напряжения происходят из-за разницы постоянных времени разряда в смежных или пересекающихся участках, что приводит к появлению напряжений, превышающих электрическую прочность диэлектрика. Другие элементы (р-n-переходы, металлизированные дорожки и т.д.) чувствительны к мощности. В этом случае критическими параметрами оказываются форма импульса тока, протекающего при разряде, его длительность и амплитуда, которые при соответствующем сочетании могут создать уровень мощности, приводящий к термическому пробою. Отказы под действием мощности или тока происходят обычно между схемной частью и землей или питающей шиной. Шины питания и заземления, как правило, являются проводниками с наибольшей площадью и способны хранить наибольший заряд, высвобождая при разряде максимальную энергию.

Считается, что есть шесть наиболее распространенных и связанных с электростатическим разрядом механизмов отказов: тепловой вторичный пробой, расплавление металлизации, объемный пробой, пробой диэлектрика, поверхностный пробой и газовый дуговой разряд. Первые три механизма определяются током (мощностью) разряда, остальные три - его напряжением. Главный виновник - выделяемое током разряда тепло, которого достаточно, чтобы расплавить используемые материалы. В момент разряда температура внутри микросхемы может достигать 1500°С, что выше точек плавления алюминия, меди и кремния.

Тепловой вторичный пробой известен как выгорание (выжигание) перехода. В этом случае температура на переходе приближается к точке плавления кремния, и начинают плавиться неоднородные “горячие” точки, что приводит к локальному расплавлению участка кремния. Если импульс разряда достаточно продолжителен, горячие точки увеличиваются до возникновения короткого замыкания на переходе. Однако термический или тепловой вторичный пробой может не проявиться немедленным коротким замыканием, а развиться позднее как результат миграции электронов и ионов.

Расплавление металлизации происходит, если разряд обладает достаточной мощностью для расплавления металла соединительных дорожек, так как толщина, а зачастую и ширина металлизированных дорожек настолько малы, что металл расплавляется, как у плавких предохранителей под действием повышенного значения тока.

Объемный пробой возникает в результате изменения параметров перехода из-за воздействия высоких температур под влиянием тока разряда, что приводит в конце концов к быстрой диффузии примесей и замыканию переходов в объеме (рис.4, 5).

Пробой диэлектрика возникает тогда, когда значение электрического поля превышает значение поля, связывающего электроны с ядрами атомов. Освобожденные электроны формируют внутренний ток, который дает лавинный эффект, разрушающий диэлектрик, - в нем образуется отверстие.

Поверхностный пробой, как следует из названия, реализуется на поверхности; он зависит от целого ряда параметров поверхности кристалла изделия. Явление закономерно приводит к утечке на переходе.

Газовый дуговой разряд аналогичен газовому разряду в вакуумных лампах; в конечном счете он вызывает испарение металлических частей изделия.

В большинстве случаев отказы приборов под воздействием разряда происходят не по одной из перечисленных причин, а от совокупности нескольких. Разрушение перехода носит очень сложный характер, и ни напряжение, ни ток по отдельности не играют решающей роли. Их совместное действие влияет на переход, изменяя его состояние, что, в свою очередь, сопровождается воздействием на ток и напряжение. В результате возникает точечное повышение температуры и расплавление кремния.

Анализ биполярных ИС, получивших повреждение из-за разряда, показывает, что у 90% схем были повреждены переходы, у остальных 10% была повреждена металлизация. Одновременно у 27% схем имел место пробой диэлектрика.

Скрытые угрозы

При разряде возможно также возникновение небольшого повреждения, которое тем не менее приводит к отказу устройства при эксплуатации в начальный период. Испытания на принудительный отказ (например, электротермотренировка) не исключают возникновения “электростатических” отказов. Дополнительные манипуляции с изделием при проведении испытаний на принудительный отказ способны увеличить число ранних отказов, если не приняты соответствующие меры для предотвращения возникновения статического электричества. Скрытые дефекты могут проявиться не сразу после воздействия разряда, а спустя месяцы или годы. Их можно разбить на три категории:

- нанесенный ущерб настолько мал, что прибор полностью соответствует паспортным характеристикам. Вероятность безотказной работы в течение всего срока службы высока;

- поврежденный элемент прибора по параметрам слегка выходит за установленные пределы и вполне способен выполнять свои функции в системе. Однако имеется достаточная вероятность преждевременного отказа;

- прибор работоспособен, но не отвечает всем предъявляемым к нему требованиям. Надежность прибора существенно ослаблена.

По физическому принципу скрытые дефекты делятся тоже на три группы.

Дефекты оксида. Прежде всего это проколы, приводящие обычно либо к закороткам, либо к образованию паразитных диодов. В некоторых случаях подобные дефекты могут долго оставаться незамеченными и начинают сказываться лишь при значительном повышении температуры.

Дефекты металлизации, проявляющиеся в виде выброса металла. В результате таких дефектов возрастают токи утечки либо появляются закоротки. Зачастую возникающие проводящие перемычки не влиют на нормальную работу схемы и даже исчезают (плавятся) при перегрузках по напряжению. Но все же считается, что дефекты подобного рода сокращают срок службы: они, в частности, делают приборы более восприимчивыми к импульсным перегрузкам в процессе эксплуатации.

Дефекты, связанные с расплавлением объемных участков кремния, не влияющие на выходные параметры изделия. Пример - пробой диффузионного резистора в месте соединения с алюминиевой дорожкой. Импульс разряда может проплавить дорожку из алюминия через диффузионный резистор.

Испытания на прочность

В отечественной практике устойчивость полупроводниковых устройств к воздействию разряда принято характеризовать опасным (критическим) потенциалом и допустимым потенциалом [1].

Опасный потенциал - это потенциал разряда, при котором происходит отказ изделия, т.е. выход параметров за нормы, указанные в технических условиях (ТУ). В зарубежной технической литературе данный параметр называется порогом чувствительности или напряжением повреждения.

Допустимый потенциал - это потенциал разряда, не превышающий половины опасного, причем он выбирается равным ближайшему из меньших значений: 10; 30; 100; 200; 500; 1000; 2000 В.

Искомые потенциалы находят в две стадии. На первой стадии определяется предварительное значение опасного потенциала. Для каждого типа изделия перед началом эксперимента находят наиболее уязвимое место и электрические параметры, его характеризующие. Перед началом работы измеряют основные электрические параметры, а также специфические для уязвимого места. Далее на испытуемый прибор воздействуют импульсами напряжения, и после каждого воздействия разряда снова проводят электрические измерения. Величина минимального потенциала воздействующего разряда и последовательность его увеличения для каждого типа изделия устанавливаются индивидуально. За опасный потенциал принимается такое значение, при котором у 50% выборки параметры выходят за нормы ТУ.