ESD對微波半導體器件損傷的物理機理分析

吳東巖，譚志良

(軍械工程學院靜電與電磁防護研究所，河北石家莊 050003)

ESD對微波半導體器件損傷的物理機理分析

吳東巖，譚志良

(軍械工程學院靜電與電磁防護研究所，河北石家莊 050003)

為了得到電磁脈沖對微波半導體器件的損傷規(guī)律，進而研究器件的靜電放電損傷機理，首先對半導體器件靜電放電的失效模式即明顯失效和潛在性失效進行了介紹；其次分析了器件ESD損傷模型；最后通過對器件燒毀的物理機理進行分析，得到器件在靜電放電應力下內(nèi)在損傷原因。在ESD電磁脈沖作用下，器件會產(chǎn)生擊穿效應，使內(nèi)部電流密度、電場強度增大，導致溫度升高，最終造成微波半導體器件的燒毀。

靜電放電；半導體器件；損傷；模式；物理機理

隨著電子技術的迅速發(fā)展，電子系統(tǒng)面臨的電磁環(huán)境日益復雜，各種形式的電磁脈沖可以通過孔縫或者天線耦合等方式進入電子設備內(nèi)部，影響電子設備的正常工作[1-3]。靜電放電(ESD)作為近場電磁危害源，是造成大多數(shù)電子元器件或電路系統(tǒng)破壞的主要因素。作為電子系統(tǒng)核心和基本單元的微波半導體器件，它們在電應力下的生存能力比較弱，因此研究ESD電磁脈沖對電子系統(tǒng)的損傷機理，進而研究微波半導體器件燒毀的物理機理，具有十分重要的意義。

本文將從微波半導體器件的靜電放電損傷機理出發(fā)，根據(jù)ESD對半導體器件的影響，將半導體器件ESD失效模式分為明顯失效和潛在性失效；通過介紹靜電放電損傷模型即解析模型、數(shù)值計算模型和經(jīng)驗模型，說明了各模型的適用情況，并對電-熱物理模型在存在功率反射的條件下進行改進；最后通過分析器件燒毀的物理機理，得到了器件在靜電放電應力下其內(nèi)在損傷原因。

1 器件燒毀的失效模式分析

靜電放電是一種常見的近場電磁危害源，靜電放電過程可形成高電壓、強電場、瞬時大電流，并伴隨有強電磁輻射，形成靜電放電電磁脈沖[4-5]。ESD的危害有很多，但它對電子元器件的作用效應主要體現(xiàn)在4個方面：1) 磁效應。ESD的強電流能夠產(chǎn)生強磁場，使電磁能量直接耦合到系統(tǒng)內(nèi)部，干擾電子設備的正常工作，影響電子系統(tǒng)的安全性。2) 熱效應。ESD的熱效應是在ns或μs量級完成的，是一種絕熱過程。ESD可以使電子元器件過熱，造成局部熱損傷，導致電路性能變壞或失效。3)電磁輻射和浪涌效應。ESD形成的強電磁脈沖及其浪涌效應既可造成電子元器件或電路性能參數(shù)的劣化或完全失效，也可形成累積效應。4)強電場效應。ESD危害源產(chǎn)生的強電場可以使器件形成潛在性失效，對電子系統(tǒng)和敏感器件的工作可靠性造成影響。

ESD對微波半導體器件的危害具有隨機性、普遍性和隱蔽性的特點。微波半導體器件的損傷大體可分為明顯失效和潛在性失效。明顯失效一般可以在成品測試中檢測出來，而潛在性失效難以事先檢測，從而造成電子器件本身、設備乃至整個系統(tǒng)使用可靠性的降低。

1.1明顯失效

明顯失效是指當電子器件暴露在電磁環(huán)境中時，性能參數(shù)發(fā)生明顯變化，遭到永久性的破壞[6]。根據(jù)器件失效前功能或參數(shù)的變化性質(zhì)，又可分為退化失效和致命失效。退化失效指電子器件一個或幾個基本參數(shù)值逐漸發(fā)生變化或漂移而引起的一類失效。致命失效包括完全失效和突然失效兩方面，完全失效是指器件完全失去預定功能作用的一類失效；突然失效是指電子產(chǎn)品的一個或多個基本參數(shù)值突然發(fā)生飛躍式變化而引起的一類失效[7-8]。

明顯失效的表現(xiàn)形式有以下幾種：金屬互連線損傷與燒熔、介質(zhì)擊穿、硅片局部區(qū)域熔化、擴散電阻與多晶電阻損傷、pn結(jié)損傷與熱破壞短路、噪聲系數(shù)增大，導致器件被大電流燒毀、晶體管放大倍數(shù)減小等。

1.2潛在性失效

潛在性失效是指由低于失效閾值的ESD造成器件內(nèi)部產(chǎn)生一些輕微的、不易發(fā)現(xiàn)的損傷，此時器件的功能仍滿足指標要求，但是器件的使用壽命大大縮短。這種失效模式既降低了器件抗ESD的能力，也降低了器件的使用可靠性。潛在性失效具有積累性，隨著注入ESD次數(shù)增加，器件的損傷閾值電壓會逐漸降低，器件的電參數(shù)逐漸劣化[9-10]。據(jù)有關資料統(tǒng)計[11-12]，潛在性損傷占電子器件ESD失效總數(shù)的90%，由于這種損傷無法通過應力篩選等方法在使用前進行剔除，從而給系統(tǒng)、設備的使用帶來很大隱患。

2 損傷模型分析

ESD環(huán)境下的微波半導體器件的電熱特性可由電子與空穴連續(xù)性方程、泊松方程和熱流方程描述，對于主要參量(如遷移率、熱導率、電離率等)，還應考慮高溫和強電場的影響，因此要用一組耦合、非線性、剛性偏微分方程來描述器件的行為。由于耦合和非線性的緣故，方程組也沒有解析解，剛性方程組的數(shù)值解也較難，所以便設法使其簡化，達到能用解析或數(shù)值的方法來解方程組的目的。

為了模擬ESD電磁脈沖注入微波半導體器件的過程，分析靜電放電應力下其內(nèi)在損傷原因，介紹了3種模型：解析模型、數(shù)值計算模型和經(jīng)驗模型。

2.1解析模型

要想得到方程組的解析解，就必須對復雜的方程組進行簡化。國外大多數(shù)研究[13]建立的模型都是基于一維熱流方程的解，但是忽略了所有其他方程。這類模型為Wunsch-Bell模型，它不考慮結(jié)區(qū)的厚度，并且假定熱產(chǎn)生激發(fā)為單一電能方波脈沖，認為熱量產(chǎn)生于無限薄的結(jié)區(qū)，并流到一維無限介質(zhì)，這種模型僅能在低功率水平給出合理的結(jié)果，比較適應于功率型損傷器件的損傷閾值計算。實際上許多類型器件的損傷模式并不完全相同，所以這種建模的方法存在一定的局限性。

2.2數(shù)值計算模型

數(shù)值計算模型通常采用數(shù)值技術簡化來求解方程組。與解析模型以及經(jīng)驗模型那樣僅僅預測最終的實驗結(jié)果相比，它能夠完整地模擬加有ESD電磁脈沖而引起的依賴于時間的行為。所以數(shù)值計算模型能夠預見微波半導體器件在ESD的電磁環(huán)境下所發(fā)生的具體行為，可以根據(jù)這個過程制定器件和線路設計規(guī)則，達到以提高系統(tǒng)在ESD環(huán)境下的生存能力為目的。數(shù)值計算模型一般又可分為電模型、熱模型和熱電模型。

電模型完全忽略熱效應，主要依賴于場的遷移率、速度飽和及雪崩產(chǎn)生，主要對電效應方程進行詳細計算，所以無法處理ESD電磁脈沖環(huán)境下的強電場效應；對于熱模型，KUSNEZOV等利用有限差分法求解一維和二維傳導方程，但是忽略了其他電效應，對電效應的處理完全依賴于穩(wěn)態(tài)電阻率溫度曲線，這種模型不能產(chǎn)生可靠的瞬態(tài)電效應效果，同時也無法模擬任何電流二次擊穿效應；而熱電模型則是同時考慮電方程和熱流方程。

2.3經(jīng)驗模型

經(jīng)驗模型主要是根據(jù)解析解的形式，構(gòu)造數(shù)學函數(shù)，進而擬合實驗數(shù)據(jù)來模擬微波半導體器件損傷的過程，因此本質(zhì)上也屬于熱模式范疇。

當半導體器件受到ESD脈沖沖擊時，會在pn結(jié)上產(chǎn)生大量的熱量，通過求解熱擴散方程，可以得到器件在ESD脈沖作用下的溫度特性。下面將主要研究器件的電-熱物理模型，并在此基礎上進一步研究半導體器件的ESD損傷機理。

2.3.1 失效功率與脈寬的關系

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：a，b，c分別為矩形熱源體(pn結(jié)區(qū)域)的長、寬、高；ta=a2/(4πD)，tb=b2/(4πD)，tc=c2/(4πD)分別為矩形熱源體相應方向上的熱擴散時間；T為器件失效溫度；T0為器件初始溫度，π為圓周率。

以上模型均是依據(jù)熱擴散方程得出：

(5)

式中：T(x,t)為溫度；D=k/ρcp為熱擴散系數(shù)；ρ為半導體材料的密度；cp為比熱容；k為熱傳導率。

2.3.2 存在功率反射時的影響

在分析pn結(jié)的電熱特性時，通常的模型是將器件吸收的功率等效為輸入功率。但是在進行半導體器件的脈沖注入試驗時，由于脈沖模擬器和器件之間阻抗不匹配，經(jīng)常會出現(xiàn)反射現(xiàn)象，在下面的分析中將考慮這一因素。

器件在進行脈沖注入時，假設 pn 結(jié)的長度為L，則熱擴散方程仍為式(5)所示，初始條件為

T(x,0)=T0=const。

(6)

其物理意義為器件在遭受ESD前，pn結(jié)溫度是處處相同的，均為環(huán)境溫度T0。

邊界條件為

(7)

(8)

式中，f(t)為與脈沖能量密度相關的函數(shù)，不同的脈沖對應不同的表達形式，依據(jù)傅里葉定律，功率密度與溫度梯度成比例，故上述表達式是合理的。β為注入脈沖的反射系數(shù)，式(8)右邊的負號表示脈沖從pn結(jié)反射出去，τ0=L2/D為熱流的延遲時間，與半導體材料特性和pn結(jié)的長度有關。

當注入的脈沖為方波時，f(t)=At，其中A=V/Sk，V為方波能量增長率[16]，S為pn結(jié)面積。解熱擴散方程，得到

式(9)描述了存在功率反射時，器件pn結(jié)的溫度變化規(guī)律。通過考慮ESD脈沖注入下功率反射的因素，改進了電熱模型的不足，進一步提高了模型精度。

3 器件燒毀的物理機理分析

失效機理就是微波半導體器件失效的實質(zhì)原因，即引起器件失效的物理或化學過程[17]。半導體器件在電磁脈沖的作用下，器件的每一部分都可能失效，表現(xiàn)出很多失效物理機理，主要體現(xiàn)在以下3方面：1)在有源結(jié)區(qū)，可產(chǎn)生導致強流和高溫的二次擊穿；2)在電子元器件的絕緣材料、氧化區(qū)或器件表面，可產(chǎn)生導致局部高溫的電擊穿；3)敷金屬和引線被熔化，電遷移使金屬膜導體變薄，甚至導致開路。據(jù)統(tǒng)計對雙極型器件，90%的失效是由結(jié)區(qū)擊穿引起的，敷金屬失效僅占10%。

由ESD電磁脈沖造成微波半導體器件損傷的原因大體可分為兩類：一類是與電壓有關的場致失效，如氧化層和介質(zhì)擊穿、結(jié)表面擊穿和氣體電弧放電等；另一類是與電流有關的熱致失效，如二次擊穿與體擊穿、金屬導電層熔融和金屬、多晶硅互連線或電阻燒壞等。具體可以分為如下幾種方式。

3.1二次擊穿與體擊穿

二次擊穿和體擊穿是微波半導體器件最常見的ESD損傷現(xiàn)象。當發(fā)生靜電放電時，pn結(jié)尤其是淺pn結(jié)會發(fā)生雪崩擊穿，進而可以發(fā)展為二次擊穿甚至是體擊穿。這種情況下，熱模式擊穿占有主導地位，雪崩擊穿產(chǎn)生的強流將電子元器件加熱到600～800 K時，器件進入熱-電流失控狀態(tài)，瞬態(tài)大電流產(chǎn)生的焦耳熱會導致器件內(nèi)部的局部溫度急劇上升，這會導致熱載流子的產(chǎn)生速度增加，大量產(chǎn)生的熱載流子則會進一步增大瞬態(tài)大電流。如果半導體材料的熱半導體材料時間常數(shù)小于ESD的瞬變時間，熱量幾乎不會從功率耗損面上向外擴散，導致在器件內(nèi)部形成較大的溫度梯度。當器件的局部溫度超過半導體材料的熔融溫度時，會引起合金釘穿pn結(jié)而失效。如果產(chǎn)生的熱量能夠熔化鄰近接觸孔的金屬時，熔化的金屬會在電場的作用下在結(jié)間遷移，從而導致結(jié)間的電阻短路。

3.2金屬導電層熔融

現(xiàn)代的微波半導體器件中含有大量的金屬條結(jié)構(gòu)，用于器件與引腳的連接或者器件內(nèi)部的連接。所以金屬導電層的燒毀在半導體器件損傷中扮演著重要的角色。ESD過程中產(chǎn)生的電流和能量能夠促使微波半導體器件的溫度迅速升高，當溫度足夠高時，可以讓金屬薄膜、鍵合引線燒熔甚至汽化，從而導致開路。有理論模型可以計算引起各種材料的失效電流[18]，該模型假設金屬薄膜或互連線具有均勻的截面積，與面積和電流的持續(xù)時間有關。但保證均勻面積在現(xiàn)實工藝上是很難實現(xiàn)的，其不均勻性會在金屬化層引起局部電流聚集和過熱。

3.3氧化層和介質(zhì)擊穿

氧化層在微波半導體器件中主要起著絕緣和隔離的作用。隨著電子元器件的微型化，氧化層和介質(zhì)的厚度越來越小，在氧化層或介質(zhì)兩側(cè)有一定電壓存在時，當絕緣區(qū)兩端施加的電位差超過該區(qū)域固有的擊穿電壓時，將會發(fā)生介質(zhì)擊穿。這種形式的損傷是基于電壓而非能量，但會引起與脈沖能量有關的器件性能參數(shù)退化[19]。主要過程如下：1) 在器件內(nèi)部介質(zhì)層的某個強電場點，ESD電磁脈沖產(chǎn)生的高壓超過了介質(zhì)的絕緣度；2)介質(zhì)擊穿形成的大電流流過擊穿點，并在擊穿點相鄰的區(qū)域產(chǎn)生熱斑；3) 器件的局部高溫熔化了多晶硅柵，形成多晶硅熔化絲狀物。由于制造工藝的缺陷,當柵氧化層存在針孔時，ESD電壓會首先在針孔處發(fā)生擊穿。

3.4結(jié)表面擊穿

當雙極型晶體管E-B結(jié)發(fā)生雪崩擊穿時，雪崩倍增產(chǎn)生的電子-空穴對能從耗盡層的電場中獲得足夠的能量，轟擊勢壘區(qū)及附近的SiO2-Si界面，會使界面晶格損傷，產(chǎn)生大量的復合中心，造成小電流增益下降。而對于垂直結(jié)，表面擊穿是因結(jié)表面的電荷層間距比較窄而造成局部雪崩積累，在結(jié)周圍形成高泄漏通道，從而導致結(jié)失效。這種作用和大多數(shù)電壓效應如介質(zhì)擊穿一樣[20]，與脈沖的上升時間有關系。表面失效的另一種模式則是在絕緣材料周圍電弧放電，類似于金屬層的電弧放電。

3.5氣體電弧放電

當微波半導體器件中未被鈍化的薄層電極間的距離很小時，由于靜電電荷積累而導致的氣體電弧放電能夠使器件的性能參數(shù)退化，電弧放電產(chǎn)生的高溫會引起金屬層的汽化，從而使半導體器件上的金屬層離開電極而移動[21]。 在熔融和熔斷時，金屬會聚攏而流動，或沿電極方向而斷開。

以上幾種微波半導體器件靜電放電損傷機理都是通過失效分析得出的。由于靜電放電過程的復雜性，器件最終的損傷機理可能是由于其中的一種或是由于其中的幾種混合作用造成的。

4 結(jié) 語

隨著電子元器件尺寸的減小，使得器件對靜電放電變得更加敏感。與無源器件電阻和電容相比，微波半導體器件是電子系統(tǒng)中最容易受到靜電電磁脈沖損壞的部件。對于微波半導體器件，無論是熱模式的損傷還是電-熱物理模式的損傷，最終都是表現(xiàn)為器件的缺陷區(qū)溫度達到材料熔點而使器件燒毀。當ESD電磁脈沖注入器件內(nèi)部時，會產(chǎn)生擊穿效應，從而使器件內(nèi)部電流密度、電場強度增大，最終導致溫度升高造成了微波半導體器件的燒毀。

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Analysis of failure mechanism of microwave semiconductor devices caused by ESD

WU Dongyan, TAN Zhiliang

(Institute of Electrostatic and Electromagnetic Protection, Ordnance Engineering College, Shijiazhuang Hebei 050003, China)

In order to obtain the damage rule of microwave semiconductor devices caused by electromagnetic pulse and study the electrostatic damage mechanism of the devices, the failure mode of semiconductor devices caused by ESD, such as apparent failure and potential failure, is introduced. The damage modeling is analyzed. Finally, the inherent damage reason of the device under electrostatic discharge stress is obtained by analyzing the physics mechanism of the burned device. Breakdown may happen under the action of ESD EMP, the internal electric field and the current density of the device increase, which cause the temperature rise and result in microwave semiconductor device burned.

electrostatic discharge; semiconductor device; failure; mode; physics mechanism

1008-1542(2013)04-0308-05

10.7535/hbkd.2013yx04010

TN385

A

2013-04-15；

2013-05-30；責任編輯：陳書欣

國家自然科學基金(51277179)

吳東巖(1989-)，男，河南商丘人，碩士研究生，主要從事電磁防護理論與技術方面的研究。

E-mail：wdy1989@163.com