電子器件在電磁脈沖下的損傷效應(yīng)研究

高蕾，遲雷，黃杰

（國家半導(dǎo)體器件質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，河北 石家莊 050200）

0 引言

隨著全球自動化、智能化水平的不斷提高，電子器件的集成度逐漸增加，尺寸持續(xù)減小，并向著大功率、高頻、高速、高靈敏度的方向發(fā)展。形形色色的電子器件構(gòu)成了復(fù)雜的電磁網(wǎng)，器件就是網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)，發(fā)出或接收的電磁波即是網(wǎng)線，網(wǎng)線里的信號能量不一，頻率各異，來來回回反反復(fù)復(fù)地穿梭，影響著網(wǎng)中的每一個器件。其中，電磁脈沖是電磁信號中對器件威脅最大的一種，其電場強(qiáng)度高、上升時間短、攜帶能量大，能夠瞬間使器件乃至整個系統(tǒng)失效和癱瘓。電磁脈沖強(qiáng)大的破壞力引起了世界各國的廣泛重視，成為現(xiàn)代信息戰(zhàn)的關(guān)鍵一環(huán)，因此也成為了軍方研究的熱點(diǎn)，越來越多的國家和機(jī)構(gòu)開始投入大量資金和精力開展相關(guān)研究。

雖然目前國內(nèi)外在電磁脈沖損傷方面已有不少研究，但大多只是說明了各種電磁脈沖單獨(dú)的作用，很少有文獻(xiàn)對這些不同種類的電磁脈沖信號的損傷效應(yīng)進(jìn)行全面地對比分析。本文研究和整理了不同種類的電磁脈沖信號對電子器件造成的損傷影響，包括浪涌脈沖、靜電放電、方波和連續(xù)波等，并對其進(jìn)行了較為詳細(xì)的對比分析，為電子器件的電磁脈沖試驗(yàn)及防護(hù)設(shè)計提供理論支撐，為進(jìn)一步研究電磁脈沖對電子設(shè)備或系統(tǒng)的損傷奠定基礎(chǔ)。

1 電磁脈沖損傷分析

1.1 浪涌脈沖

浪涌是一種發(fā)生在幾百萬分之一秒時間內(nèi)的一種劇烈脈沖，通常由劇烈變動或電力需求的增加而引起，如開關(guān)閘，打開大功率電器等引發(fā)電涌和峰值電壓。另外，雷擊產(chǎn)生的雷電脈沖也是浪涌的一種形式。

實(shí)驗(yàn)中通常采用標(biāo)準(zhǔn)雷擊浪涌脈沖源進(jìn)行脈沖注入。浪涌脈沖注入電子器件有三種途徑，可分別經(jīng)由輸入、輸出和電源三類管腳進(jìn)入器件內(nèi)部，研究發(fā)現(xiàn)，器件中的輸出-地端對，相比于電源-地和輸入-地，對微秒級浪涌脈沖更加敏感。從失效模式來說，雙極型器件的失效90%由結(jié)區(qū)擊穿引起，10%由敷金屬引線引起；而MOS器件的失效63%源于敷金屬引線，27%由于氧化物擊穿。TTL型器件各個端對在脈沖注入作用下?lián)p傷時都呈現(xiàn)電壓瞬降、電流上升的短路損傷，這種損傷主要是由器件中的二極管或晶體管在脈沖電壓下被損傷而造成的，是一個熱量導(dǎo)致?lián)p傷從而失效的過程；CMOS器件的電源-地和輸入-地端對呈現(xiàn)短路損傷而輸出-地端對呈現(xiàn)電壓瞬升、電流下降的開路損傷模式，同樣是一個能量主導(dǎo)器件局部發(fā)熱，產(chǎn)生熱點(diǎn)燒毀的過程。因此，從失效機(jī)理上看，微秒級浪涌持續(xù)時間下的脈沖損傷主要是能量的積累而不是瞬時效應(yīng)[1-2]。

1.2 靜電放電（ESD）

靜電放電是一個產(chǎn)生高電位、強(qiáng)場強(qiáng)、瞬時大電流的過程，屬于強(qiáng)電磁脈沖，是生產(chǎn)生活中一種主要的電磁危害源，具有峰值高、波形陡、延續(xù)時間短、頻帶寬等特點(diǎn)。

根據(jù)ESD產(chǎn)生的原因可將其劃分為人體放電模型（HBM）、機(jī)器放電模型（MM）、器件充電模型（CDM）和電場感應(yīng)模型（FIM）四種模型。不同模型對器件的損傷閾值會有些許不同，但對器件損傷閾值的影響在2倍以內(nèi)且同類參數(shù)處于同一數(shù)量級上。

根據(jù)器件損傷程度，可將ESD引起的失效分為兩種：破壞性失效和潛在性失效。破壞性失效，是一種完全失去功能的永久性失效，主要分為兩種情況：1、ESD產(chǎn)生的大電流造成瞬間高溫升，熱量無法散失，致使PN結(jié)或金屬引線燒毀；2、ESD引發(fā)的高電壓加在柵氧化層上，將柵氧化層擊穿。潛在性失效，一種造成功能降級和累積損傷的失效。當(dāng)器件積累的電荷很少時，ESD產(chǎn)生的電壓和電流不會很大，只會對器件造成輕微傷害，使其性能參數(shù)劣化，壽命縮短，更容易引起失效[3]。

ESD脈沖的主要特征參數(shù)有峰值、上升沿時間、下降時間和半峰值脈寬等。脈沖參數(shù)與器件損傷參數(shù)的關(guān)系模型：

其中，UF為損傷時的放電電壓，kV；tD為脈沖半峰值脈寬，ns；U0為偏置量，kV；A，B為損傷常數(shù)。

1.3 方波脈沖

實(shí)驗(yàn)通常采用升降法對器件進(jìn)行方波脈沖注入，該方法經(jīng)濟(jì)、有效，且便于進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和分析。與浪涌脈沖相同，輸出-地端對也是方波脈沖的敏感端對。

方波的主要特征參數(shù)有脈寬和幅度。當(dāng)方波脈沖寬度較短時，認(rèn)為器件的損傷模式為結(jié)區(qū)擊穿，PN結(jié)區(qū)被絕熱加熱，當(dāng)能量達(dá)到一定程度后，器件損傷。方波幅度越大，其包含的能量越高，對器件的損傷越大；在同樣幅值的情況下，注入脈寬大的器件通常更容易出現(xiàn)損傷，但在脈寬達(dá)到一定量值后，增加脈寬反而會使損傷減小。脈沖參數(shù)與器件損傷參數(shù)的關(guān)系模型：

其中，UF為損傷電壓，kV；τ為脈寬，ns；A，B為損傷常數(shù)；

其中，P為擊穿功率，kW；τ為脈寬，ns；1K，K2為損傷常數(shù)。

1.4 高斯脈沖

高斯脈沖也是一種常見的電磁脈沖形式，其表達(dá)式為：

在0～t0之間，溫度隨脈沖電壓而上升，在超過t0后的一段時間內(nèi)，脈沖電壓降低，但由于熱積累大于熱擴(kuò)散，器件溫度會繼續(xù)升高至峰值。因此，脈沖電壓峰值和溫度峰值之間存在著時延現(xiàn)象。

器件熱損傷概率P與器件溫度超過工作上限溫度TH的時間有關(guān)，即

高斯脈沖峰值電壓的變化對時延時間沒有影響，但峰值溫度呈近似線性改變；而隨著脈沖脈寬增大，峰值溫度升高，且熱損傷閾值電壓降低，器件熱損傷概率增大。

2 電磁脈沖損傷機(jī)理

2.1 電遷移

在器件向亞微米、深亞微米發(fā)展后，金屬化的寬度不斷減小，強(qiáng)電磁脈沖進(jìn)入器件后，產(chǎn)生大電流密度，大電流造成的強(qiáng)電勢差會在金屬互連線上產(chǎn)生很大的機(jī)械應(yīng)力梯度，引起金屬離子移動，在走線內(nèi)形成孔隙或裂紋，最終造成金屬化連線開路或短路，使器件的漏電流增加[4]。

2.2 二次擊穿

二次擊穿是電子器件最常見的電磁脈沖損傷現(xiàn)象。同樣地，強(qiáng)電磁脈沖進(jìn)入器件后，產(chǎn)生大的電流密度，引起局部溫度升高，這又進(jìn)一步使得電流密度增加，溫升繼續(xù)提高。當(dāng)器件的局部溫度超過半導(dǎo)體材料的熔融溫度時，會引起結(jié)失效。如果溫度足夠高能夠熔化鄰近接觸孔的金屬時，熔化的金屬就會在電場的作用下在結(jié)間遷移，導(dǎo)致結(jié)間的電阻短路。

2.3 熱載流子效應(yīng)

熱載流子注入效應(yīng)是MOS器件常見的故障機(jī)理。熱載流子指的是具有高能量的載流子，如載流子在強(qiáng)電場的作用下，沿電場方向加速而獲得高動能后，即成為熱載流子。圖1為NMOS器件襯底熱載流子效應(yīng)的原理示意圖。

圖1 NMOS器件中熱載流子注入示意圖

2.4 柵氧化層擊穿

當(dāng)電壓超過了柵氧化層的擊穿電壓時，會導(dǎo)致器件柵氧化層破裂。大電流通過擊穿點(diǎn)，導(dǎo)致局部加熱，且常常在柵破裂位置產(chǎn)生金屬硅合金，形成貫穿柵極的短路電阻。短路可以使柵極到漏極短路，也可以使柵極到源極短路或柵極到襯底短路，這取決于氧化層結(jié)構(gòu)和缺陷。

3 結(jié)語

不同脈沖波形造成的損傷均隨脈沖電壓峰值和脈沖寬度的增加而增大；靜電放電和方波脈沖的損傷電壓隨脈寬增加而呈指數(shù)衰減，但衰減量不同；連續(xù)三角波、正弦波和方波使器件產(chǎn)生的溫升主要發(fā)生在負(fù)半周期，正半周期溫度有所降低，但整體變化趨勢與高斯脈沖串一致，均隨脈沖數(shù)的增加而不斷升高，但幅度變化逐漸減小，最終達(dá)到穩(wěn)定，且器件損傷概率與超過工作極限溫度的時間成正比；各類電磁脈沖造成的器件損傷均屬于能量型損傷，損傷機(jī)理大致有電遷移、二次擊穿、熱載流子效應(yīng)、柵氧化層擊穿和過熱燒毀等。