Установка для исследования стойкости полупроводниковых приборов к воздействию электростатического разряда методом импульса линии передачи

详细

Представлена экспериментальная установка для исследования стойкости полупроводниковых приборов к воздействию электростатического разряда методом импульса линии передачи. Данная установка позволяет измерять импульсные вольт-амперные характеристики полупроводниковых приборов и защитных элементов, а также проводить исследование стойкости микроэлектронных устройств к электростатическому разряду, в том числе и без их разрушения. Установка обеспечивает создание испытательных импульсов напряжения прямоугольной формы длительностью 100 нс, согласно стандарту IEC62615, и обеспечивает амплитуду импульса тока разряда до 10 А.

全文:

1. Введение

Стойкость к воздействию электростатического разряда (ЭСР) является важной характеристикой электронных компонентов [1, 2]. Для определения стойкости полупроводниковых приборов и интегральных микросхем (ИМС) к воздействию ЭСР применяется несколько моделей воздействия ЭСР в зависимости от источника разряда. Наиболее употребительными являются модель тела человека (human body model, HBM) и модель заряженного компонента (charged device model, CDM), которые имитируют ситуацию, когда носителем заряда является человек или непосредственно электронный компонент [2, 3]. Промышленность выпускает установки для испытания электронных компонентов согласно данным моделям. Результатом испытаний при помощи данного оборудования является заключение о том, выдержал ли электронный компонент разряд с заданным напряжением. Для конструирования новой защиты от ЭСР или улучшения существующей зачастую недостаточно данной информации. Требуется исследовать вольт-амперные характеристики (ВАХ) полупроводниковых приборов при воздействии достаточно мощного импульса тока малой длительности. Также подобные измерения требуются для схемотехнического моделирования воздействия ЭСР на ИМС [4].

Поведение электронного компонента при воздействии импульса тока с большой амплитудой (до нескольких ампер) и малой длительностью (порядка 100 нс) не может быть промоделировано, если известны только ВАХ, полученные при традиционной методике измерений на постоянном токе [5], либо экстраполяцией ВАХ, измеренных при малом токе. Под воздействием больших импульсных токов в полупроводниковых приборах проявляются различные нелинейные эффекты. Также в паразитных биполярных транзисторах, образующихся между областями стока, истока и канала МОП-транзисторов, проявляется тиристорный эффект. На данном эффекте основана работа защиты на МОП-транзисторах с заземленным затвором, применяемой в схемотехнике современных цифровых и аналоговых ИМС.

Существенно более информативный метод исследования стойкости полупроводниковых приборов к воздействию ЭСР и протекающих при этом физических процессов основан на использовании прямоугольного импульса линии передачи (transmission line pulse, TLP) [6, 7]. Методику испытаний TLP регламентирует международный стандарт IEC 62615:2010. Принцип действия TLP-установок хорошо известен, но их конструктивные исполнения, которые в значительной мере определяют точность измерений, практически не описаны в открытых источниках. Зарубежная промышленность (фирмы ThermoFisher и HPPI GmbH) выпускает установки для измерения ВАХ полупроводниковых приборов методом TLP, предназначенные для применения в микроэлектронном производстве. Но отечественные аппаратные решения, реализующие данные методы, отсутствуют. Установка, предложенная в работе [8], использует импульсы микросекундного диапазона, что недостаточно для определения стойкости ИМС к воздействию ЭСР. Существующие зарубежные решения также требуют применения дорогостоящего дополнительного оборудования, такого как согласованные 50-омные датчики тока и напряжения для цифрового осциллографа. Предлагаемая в данной работе экспериментальная установка позволяет проводить исследование импульсных ВАХ методом TLP, используя стандартное измерительное оборудование, как правило, имеющееся в исследовательских лабораториях и на приборостроительных предприятиях. Результаты данных измерений могут быть использованы для комплексного исследования стойкости полупроводниковых приборов и ИМС к воздействию ЭСР.

2. Измерение импульсной ВАХ методом импульсного разряда от длинной линии

Типичная ВАХ элемента защиты от ЭСР, основанного на тиристорном эффекте [9], показана на рис. 1.

Рис. 1. Типичная ВАХ защитного элемента тиристорного типа.

При достижении порогового напряжения V_t1 активируется тиристорный эффект, и напряжение на защитном элементе скачком уменьшается до V_h. Если ток через защитный элемент превышает величину I_t2, то происходит необратимый тепловой пробой. В результате измерения импульсной ВАХ требуется определить данные параметры, а также дифференциальное сопротивление R_diff защитного элемента:

$R_{diff}=\frac{V_{t2}-V_h}{I_{t2}-I_h}.$ (1)

Кроме того, метод TLP позволяет исследовать не только ВАХ полупроводниковых приборов, но и изменения вольт-фарадных характеристик (ВФХ) подзатворного диэлектрика под воздействием повторяющихся импульсов ЭСР. В работе [10] указано, что имеется следующая зависимость числа зарядовых ловушек Q_N, генерируемых в подзатворном диэлектрике, от количества импульсов N_ESD ЭСР:

$Q_N=k\ln N_{ESD}+C,$ (2)

где k, C – эмпирические безразмерные коэффициенты. Генерация зарядовых ловушек в подзатворном диэлектрике может приводить к параметрическому отказу ИМС. Разработанная установка позволяет проводить подобные исследования, этим она отличается от промышленно выпускаемых TLP-установок.

Разработанная установка реализует измерение импульсных ВАХ методом TLP [6–8]. Данный метод основан на том, что коаксиальный кабель, заряженный от источника постоянного тока до некоторого напряжения, затем разряжается в согласованную цепь, в которую включен исследуемый полупроводниковый компонент (device under test, DUT). При разряде длинной линии в согласованную нагрузку, сопротивление которой равно волновому сопротивлению линии, форма импульса тока разряда будет близкой к прямоугольной. Длительность импульса зависит от длины кабеля, а амплитуда тока разряда – от напряжения высоковольтного источника. Длительность импульса τ определяется из следующего выражения [7]:

$\tau =\frac{2L}{c{K}_{\text{short}}},$ (3)

где L – длина кабеля, c – скорость распространения электромагнитных волн в вакууме, а K_short – коэффициент укорочения кабеля. Для кабелей со сплошной полиэтиленовой изоляцией, подобных RG-58, К_short=0.66.

Блок-схема установки показана на рис. 2.

Рис. 2. Блок-схема установки для исследования стойкости полупроводниковых приборов к воздействию электростатического разряда методом TLP.

Отрезок коаксиального кабеля TL заряжается от источника постоянного напряжения V₀ через зарядный резистор R₁ до напряжения, определяемого этим источником. Длина кабеля установлена равной L=10 м, что, согласно выражению (2), соответствует длительности импульса 100 нс. Такая длительность импульса рекомендована стандартом IEC 62615:2010. При необходимости можно подключить отрезок кабеля другой длины и получить длительность импульса в пределах от 50 нс до 500 нс. При этом нижняя граница определяется паразитными параметрами (индуктивностью и емкостью) печатной платы и контактирующего устройства, которые начинают вносить существенные искажения в форму импульса. Верхняя граница длительности импульса ограничена габаритными показателями катушки кабеля, которая подключается к установке, и затуханием в кабеле. Для импульсов микросекундной длительности целесообразно использовать генераторы, подобные решению, описанному в работе [8], как более компактные. В данной установке используется 50-омный коаксиальный кабель RG-58 либо RG-316. При замыкании контактов реле K₁ происходит разряд кабеля. Фильтр нижних частот (ФНЧ) формирует фронт импульса тока разряда. В составе установки используется П-образный LC-фильтр на компонентах для поверхностного монтажа с входным и выходным импедансом 50 Ом. Частота среза ФНЧ 100 МГц соответствует времени нарастания импульса тока разряда 10 нс. После фильтра включен аттенюатор (АТТ) с затуханием 10 дБ и импедансом 50 Ом. Аттенюатор позволяет согласовать волновое сопротивление кабеля и исследуемого полупроводникового прибора DUT, который подключается между выходом аттенюатора и землей. Использование простой схемы с нагрузкой линии на сопротивление 50 Ом в данном случае не рекомендуется к применению, так как тестируемый компонент будет включен параллельно нагрузке, и таким образом нагрузка длинной линии будет сильно отличаться от 50 Ом, что приведет к искажению формы импульса. В данной конструкции установки объектом испытаний являются ИМС в керамических корпусах с планарным расположением выводов, установленные в специальном контактирующем устройстве. Датчиком тока служит безындукционный резистор сопротивлением 1 Ом, включаемый в разрыв цепи тока разряда. Датчиком напряжения служит делитель напряжения (ДН) на безындукционных резисторах с коэффициентом деления 1:40 и согласованным выходным сопротивлением 50 Ом. К выходам измерения тока и напряжения подключается цифровой осциллограф в режиме однократной развертки, который фиксирует форму импульсов тока и напряжения на исследуемом полупроводниковом приборе.

Установка выполнена в виде модуля на печатной плате, на которой смонтированы контактирующее устройство, ФНЧ, реле, управляемое кнопкой, аттенюатор и делители напряжения. Внешний вид установки показан на рис. 3. Осциллограф и источник высокого напряжения на фото не показаны. Совместно с установкой может быть использован любой источник высокого напряжения, например, приведенный в работе [8]. Рекомендуется использовать цифровой осциллограф с полосой пропускания не менее 200 МГц и частотой дискретизации не менее 1 Г_выб/с. Подключение кабеля осуществляется при помощи коаксиальных разъемов типа BNC. Подключение осциллографа осуществляется короткими (200 мм) отрезками кабеля RG-316 через коаксиальные соединители SMA, установленные на плате.

Рис. 3. Установка для исследования стойкости полупроводниковых приборов к воздействию электростатического разряда методом TLP: 1 – отрезок кабеля RG-316 длиной L=10 м, 2 – разъемы для подключения источника высокого напряжения, 3 – контактирующее устройство с установленной ИМС, 4 – модуль на печатной плате, 5 – разъемы для подключения осциллографа.

Измерение ВАХ начинаются с того, что на источнике высокого напряжения выставляется минимальное напряжение. Затем инициируется разряд и снимаются осциллограммы тока и напряжения на исследуемом объекте. Определяются значения тока и напряжения в окне 70–90 нс для прямоугольного импульса длительностью 100 нс (рис. 4). Таким образом получаются значения, соответствующие одной точке на ВАХ. Затем напряжение высоковольтного источника повышается последовательно ступенями по 10–25 В до тех пор, пока не произойдет пробой исследуемого компонента или не будет достигнуто предельное напряжение источника. Таким образом получается ВАХ исследуемого электронного компонента. При этом фиксируют предельное значение тока I_t2, протекающего через защитный элемент. Данное значение может быть пересчитано в напряжение отказа при тестировании по методике модели тела человека HBM с использованием способа, представленного в работе [11].

Рис. 4. Форма разрядного импульса тока и окно для измерения.

Пример осциллограммы тока и напряжения на исследуемом электронном компоненте показан на рис. 5. Амплитуда импульса тока ограничена максимальным напряжением на высоковольтном источнике, она составляет 6 А для напряжения 1000 В при разряде в короткозамкнутую нагрузку.

Рис. 5. Осциллограмма импульса напряжения на выходе измерения напряжения (канал 1) и на выходе измерения тока (канал 2).

3. Пример измерения импульсной ВАХ при помощи установки

В качестве объектов исследования были выбраны цифровые КМОП ИМС в металлокерамических корпусах с планарным расположением выводов, имеющие напряжение питания 5 В, выполненные согласно техпроцессам 3 мкм и 0.6 мкм, выпускаемые отечественными предприятиями. Данные ИМС имеют защиту на основе полевых транзисторов с заземленным затвором [12]. Принцип действия данной защиты основан на тиристорном эффекте. Для правильной работы защитного компонента требуется, чтобы напряжение включения V_t1 (см. рис. 1) не превышало напряжение пробоя подзатворного диэлектрика [13], но было больше напряжения высокого логического уровня с некоторым запасом, чтобы исключить самопроизвольное срабатывание защиты от ЭСР при нормальном функционировании ИМС. Защита от ЭСР на основе МОП-транзисторов с заземленным затвором обычно имеет напряжение включения не менее 5 В для ИМС с напряжением питания 3.3 В. Также дифференциальное сопротивление защитного элемента во включенном состоянии должно быть минимально возможным.

Измеренные с использованием описанной установки импульсные ВАХ для данных ИМС с элементами защиты показаны на рис. 6 и 7. Испытания проводились импульсом положительной полярности, который прикладывался между выводами входа и минусовым выводом питания ИМС (земля V_SS). При этом импульсный ток протекает через защитный элемент напрямую на минусовую шину питания, что позволяет исследовать ВАХ защиты от ЭСР.

Рис. 6. ВАХ защитного элемента для ИМС по технологии 3 мкм.

Рис. 7. ВАХ защитного элемента для ИМС по технологии 0.6 мкм.

Из полученных ВАХ можно определить напряжение включение V_t1 и дифференциальное сопротивление защитного элемента. Напряжение включения составило 18 В для ИМС, изготовленных по технологии 3 мкм, и 8.5 В для ИМС, полученных по техпроцессу 0.6 мкм. Дифференциальное сопротивление защитного элемента во включенном состоянии для ИМС по технологии 3 мкм составляло около 4 Ом, а для ИМС по технологии 0.6 мкм имело значение 1 Ом.

В результате испытаний был достигнут ток около 1 А, протекающий через защитный элемент, без разрушения защитного элемента. Это значение соответствует эквивалентному испытательному напряжению около 1.3–1.5 кВ при разряде по модели HBM, согласно методике пересчета результатов испытаний, приведенной в работе [11]. Таким образом результаты TLP-испытаний можно использовать для оценки стойкости ИМС к ЭСР по модели HBM без дополнительного проведения HBM-испытаний на специальном оборудовании. Данное значение соответствует требованиям по стойкости к ЭСР, предъявляемым к современным цифровым ИМС.

4. Выводы

Разработана установка для исследования стойкости полупроводниковых приборов к воздействию электростатического разряда методом импульса линии передачи. Установка имеет компактные размеры, не требует применения дополнительного дорогостоящего измерительного оборудования, но позволяет производить измерения с точностью, достаточной для определения стойкости изделий микроэлектронной техники к воздействию ЭСР. Установка обеспечивает импульс тока прямоугольной формы амплитудой до 10 A и длительностью 100 нс, что позволяет проводить измерения по методике TLP согласно рекомендациям стандарта IEC 62615:2010. Путем коммутации отрезков кабеля различной длины можно устанавливать длительность испытательного импульса от 50 нс до 500 нс. При этом возможно проведение как неразрушающего, так и разрушающего теста. Проведена экспериментальная апробация установки при исследовании стойкости к ЭСР цифровых КМОП ИМС в металлокерамических корпусах с планарным расположением выводов, изготовленных по техпроцессам с проектными нормами 3 мкм и 0.6 мкм. Измерены импульсные вольт-амперные характеристики испытуемых ИМС, характеризующие входные защитные цепи.

Финансирование работы

Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ в рамках Госзадания FSFN-2024-0027