М. Горлов, А. Строгонов, А. Адамян

ВОЗДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИХ РАЗРЯДОВ НА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ИЗДЕЛИЯ

Восприимчивые к электростатическим зарядам полупроводниковые изделия подвергаются опасности как в процессе производства, так и в процессе их применения. Неантистатическая упаковка, недостаточно грамотное обращение с ИЭТ на входном контроле, в процессе их монтажа при изготовлении электронных блоков и при эксплуатации РЭА — эти факторы могут быть причиной выхода полупроводниковых приборов и ИС из строя под действием ЭСЗ.

Разработчики и изготовители первых отечественных интегральных схем (ИС) в 1966 году впервые столкнулись с явлением отказов ИС из-за воздействия электростатических зарядов (ЭСЗ) в процессе изготовления радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), в частности, в процессе лакирования печатных плат с ИС методом распыления. Оказалось, что распыление лака создаёт большой электростатический заряд на плате, который может выводить из строя логические ИС с допустимым питанием до 6 В. [1]. Дальнейшие исследования это подтвердили, и с 1970 года в отечественной и зарубежной литературе начали появляться статьи об отрицательном воздействии электростатических зарядов на полупроводниковые изделия электронной техники (ИЭТ).

Американская фирма Лир Сиглер осознала опасность для ИЭТ со стороны ЭСЗ в 1973 году [2], то есть за несколько лет до первого семинара, проведённого центром анализа надёжности (США), по теме “Контроль эффектов статического электричества”.

Средние ежедневные потери электронной промышленности США от ЭСЗ в конце 70-х годов составляли от 10 до 18% [3]. Затраты, обусловленные потерями от воздействия ЭСЗ на ИЭТ, ремонтом и дополнительным обслуживанием оборудования, составили около 10 млрд. долларов в год.

По мнению исследователей США [4], воздействие электростатических разрядов вызывает 16–22% всех отказов у изготовителей ИС; 9–15% — у различных субподрядчиков; 8–14% — у изготовителей РЭА и 27–33% — у потребителей аппаратуры.

Проведённый на заводе “Сплав” анализ ИС серии К561, изготовленных по МОП-технологии и отказавших у потребителей за период 1986–1990 гг., показал, что около 35% общего числа возвращённых по рекламациям ИС потеряли свою работоспособность вследствие воздействия электрических зарядов [1].

Приведённые данные показывают, насколько важно знать причины образования ЭСЗ в процессе изготовления и применение ИЭТ в РЭА, виды отказов ИЭТ под действием электростатических зарядов и коллективные и индивидуальные меры защиты ИЭТ от их воздействия. Необходимо отметить, что наличие и накопление ЭСЗ на любом изделии не ведёт, как правило, к его повреждению или изменению характеристик до тех пор, пока не произойдёт электростатический разряд (ЭСР) через это изделие.

Природа возникновения электростатических зарядов при производстве и эксплуатации полупроводниковых изделий и радиоэлектронной аппаратуры

Чаще всего в производстве ИЭТ и РЭА электростатические заряды возникают вследствие трения поверхностей различных материалов. Причиной возникновения ЭСЗ является передвижение свободных электронов или ионов в результате соприкосновения двух поверхностей, разности диэлектрических постоянных, тепловых пьезоэлектрических эффектов и т. п.

Генерация ЭСЗ посредством трения двух материалов называется трибоэлектрическим эффектом. ЭСЗ возникает и в случаях, когда два различных материала входят в контакт, а затем разъединяются. Если осуществить контактное соединение двух материалов трибоэлектрической серии, то стоящий выше в серии материал заряжается положительным электричеством, а другой получит такой же отрицательный заряд (табл. 1) [5].

Разность потенциалов при трении материалов трибоэлектрического ряда будет тем больше, чем дальше расположены материалы друг от друга в табл. 1. Уровень электростатического потенциала зависит не только от расстояния между материалами в ряду, но и способа и качества контакта и трения материалов.

На рис. 1 показаны максимальные значения напряжений, наводимых ЭСЗ на теле человека при контакте с различными материалами.

При обычном хождении по земле и даже если человек просто делает движение рукой в воздухе, конденсатор, одной из обкладок которого является человеческое тело, а другой — поверхность земли, заряжается количеством энергии от 0,1 до 5 мкКл.

Если подсчитать напряжение (U = Q/C), принимая среднюю ёмкость человеческого тела равной 150 пФ, то тело человека может заряжаться до напряжений около 20 кВ. Наличие эффекта электростатической короны и наличие минимальной ёмкости человеческого тела (40 пФ) ограничивают напряжение заряда человека примерно 10–15 кВ.

Максимальные значения напряжений, наводимых ЭСЗ в различных случаях показаны в табл. 2.

Величина ЭСЗ оператора, идущего по рабочему помещению, зависит от пройденного расстояния. Например, оператором достигнуто предельное напряжение ЭСЗ, равное 8 кВ, после 20–30 шагов. После остановки оператора наблюдается утечка ЭСЗ.

Накопление заряда человеком — не единственная причина опасного для ИЭТ и РЭА электростатического разряда. Значительные по величине заряды могут возникать непосредственно на поверхности прибора. Такие заряды могут быть подвижными, если они накапливаются на проводящих элементах конструкции ИЭТ, или неподвижными, если возникают на изолированных деталях. В момент, когда тот или иной вывод ИЭТ касается проводящего тела, происходит исключительно быстрый импульсный ЭСР, который может полностью или частично повредить прибор.

В табл. 3 даны параметры ЭСР человека и изделий электронной техники.

Установлено, что в процессе работы конвейера вращающиеся фторопластовые ролики заряжаются до потенциалов порядка 3000 В, фторопластовая и пенопластовая тара может заряжаться до 8000 В, а пластмассовая — до 2500 В. Электроннолучевые трубки телевизоров, осциллографов, дисплеев являются источниками большого электростатического поля. Поэтому оператор, случайно коснувшись экрана трубки, может зарядится до десятков кВ. Даже не касаясь экрана, оператор, находящийся перед включенным телевизором (осциллографом) на некотором расстоянии, случайно коснувшись шины земли, может приобрести значительный заряд, противоположный по знаку заряда экрана. На ИЭТ и РЭА, находящихся вблизи трубки экрана, также будет воздействовать её электрическое поле.

Таким образом, существуют три основных источника, накапливающих статическое электричество и являющихся причинами отказов ИЭТ вследствие его воздействия:

• человек, заряженный статическим электричеством, — касается изделия и разряжается на него и через него на землю;
• само изделие, выполняющее роль одной из обкладок конденсатора и накапливающее заряд; его контакт с заземлённым предметом может привести к ЭСР и отказу;
• электрическое поле, формируемое заряженными предметами; в определённых условиях изделие, помещённое в такое поле, может приобрести значительную разность потенциалов на противоположных поверхностях.

В первом случае, если “заряженный” человек касается ИЭТ, например, при операции ручной сборки, то часть энергии, содержащейся на поверхности его тела, передаётся на ИЭТ и через него на землю. В большинстве случаев в импульсе содержится достаточно энергии, чтобы изменить характеристики ИЭТ и даже расплавить области в материале p-n-перехода.

Второй случай может возникнуть, например, при лакировке непроводящих крышек ИС методом распыления. Электрический заряд, возникающий при трении капель жидкости о крышку (трибоэлектричество), накапливается на крышке и может разрядится на заземлённую подложку либо наводится на незаземлённой части металлизации и разряжается на заземлённую часть [6].

При опробовании системы автоматизированного контроля электрических параметров ИС калькуляторов, изготовляемых по МОП-технологии на полиимидной основе в виде непрерывной ленты, практически каждая вторая схема оказалась пробитой электростатическим разрядом.

Внешнее электрическое поле может воздействовать на ИЭТ двумя способами.

Во-первых, в p-n-переходах прибора, помещённого в поле, могут создаваться потенциалы, величина которых зависит от величины разделительной ёмкости. При потенциалах источника до 5000 В вероятность данного события мала до тех пор, пока p-n-переход расположен между плоскостью источника поля и заземлённой плоскостью при суммарном зазоре не менее 2,5 мм.

Во-вторых, в присутствии поля подвижные заряды на теле прибора смещаются в разные стороны и накапливаются. Если затем заземлить тело прибора, находящегося в поле, то произойдет либо перераспределение зарядов, либо ЭСР, так как дисбаланс, созданный полем, должен быть устранён.

Требования нормативно-технических документов по стойкости ИЭТ и РЭА к ЭСР

В отечественной практике полупроводниковые изделия, например, ИС, делятся на две категории чувствительности к ЭСР и пять степеней жёсткости (табл. 4).

По предложению МО США, в 1980 году были пересмотрены военные стандарты на радиоэлектронные системы, что заставило изготовителей ИЭТ контролировать уровень статического электричества на промышленных предприятиях и непосредственно на сборочных линиях. При контроле уровня статического электричества принимаются во внимание все электрически не проводящие предметы (вплоть до листов бумаги), находящиеся на рабочем месте оператора, так как на них может накапливаться большой ЭСЗ.

В стандарте и справочнике МО США (DOD-STД-1686 и DOD-HDBK-263) указаны три класса для устройств с повышенной чувствительностью к ЭСР, а именно устройств, выходящих из строя при напряжениях до 1, 1–4 и более 4 кВ (до 15 кВ). В общих технических условиях MIL-M-385-10E указаны два класса: до 2 и свыше 2 кВ [7].

Фирма АТ&Т (США), пользуясь своими стандартами, установила 5 классов чувствительности элементов и аппаратуры к уровням потенциала ЭСР, который они должны безотказно выдерживать при испытаниях. К классу 0 относятся компоненты и аппаратура, безотказно выдерживающая потенциалы в пределах 0–199 В. Класс I охватывает диапазон 200–499 В; класс II — 500–1999 В; класс III — свыше 2 кВ; класс IV не должен содержать компонентов или других частей, чувствительных к ЭСР.

В документе Международной электротехнической комиссии (МЭК) испытательное напряжение на РЭА установлено равным 15 кВ, американская ассоциация НЕМА предложила испытательные напряжения от 15 до 20 кВ. Некоторое оборудование, производимое фирмой Тектроникс, испытывается при напряжении 20 кВ. В различных спецификациях НАТО указаны напряжения 25 и 40 кВ.

На фирме Мацусита электрик (Япония) существует стандарт на проведения испытаний ЭСР видеомагнитофона (ВМ). С помощью источника постоянного тока подаются различные напряжения к испытуемым точкам ВМ. После каждого разряда при помощи зонда, соединённого с “землей”, снимается статическое электричество. Согласно стандарту следует прикладывать напряжение 5–16 кВ ступенями через 1 кВ к следующим точкам ВМ: верхняя крышка, передняя панель, винты крепления верхней крышки, розетка силового шнура, вход “звук”, вход “видео”, переключатель “тест/авто/цвет”, вход и выход по низкой и высокой частотам. Каждая точка ВМ тестируется 10 раз.

Отечественные требования к бытовой РЭА по стойкости к ЭСР следующие. При воздействии ЭСР аппаратура должна сохранять работоспособность, не должно наблюдаться ложного срабатывания органов управления, в аппаратуре видео- и звукозаписи не должно нарушаться качество записанной видео- и фонограммы. Устанавливают следующую предельно допустимую норму воздействия ЭСР на аппаратуру: максимальное напряжение заряда 8 кВ при относительной влажности 45 – 75 %.

Разряды статического электричества должны быть приложены к таким точкам и (или) поверхностям аппарата, которые доступны потребителю. Каждая выбранная точка подвергается испытанию десятью единичными разрядами с интервалом не менее 1 с.

Воздействие электростатических разрядов на полупроводниковые изделия

Развитие технологического прогресса в микроэлектронике приводит к тому, что металлизированные дорожки разводки на кристалле становятся всё более узкими, а оксидные слои — всё более тонкими. Например, если при обычно используемой толщине затворного оксида 1000 A его пробой происходит при приложении к затвору постоянного напряжения 80–100 В, то при толщине оксида 400 A напряжение его пробоя лежит в пределах 28–45 В. Это ещё более осложняет проблему отказов ИЭТ из-за воздействия ЭСР, с которой всё чаще сталкиваются разработчики ИЭТ и РЭА.

Непосредственно перед ЭСР и в течение первых десятков нс разряда на ИЭТ действует наведённое высокое напряжение, являющееся источником тока. В связи с этим на изделие действует и потенциал электрического заряда, и ток разряда. У полупроводниковых приборов и ИС, на которые воздействовали ЭСР, могут иметь место два типа повреждений:

• катастрофические повреждения, обнаруживаемые наиболее легко, так как повреждённые изделия не выполняют своих функций;
• скрытые повреждения, затрагивающие только один из параметров: усиление, утечку и так далее, — или вызывающие некоторые изменения начальных характеристик, которые могут тем не менее не выходить за рамки допустимых отклонений. Эти повреждения обнаружить труднее, так как зачастую они проявляются лишь в результате повторяющихся разрядов или в процессе эксплуатации.

Катастрофические отказы ИЭТ при воздействии ЭСР можно разделить на отказы под действием мощности или тока, обычно обнаруживаемые по горячим точкам или расплавленным участкам на кристалле, и отказы под действием напряжения, пробивающего диэлектрик насквозь или разрушающего поверхность кристалла.

Скрытые дефекты, возникающие от воздействия ЭСР и проявляющиеся в период эксплуатации, можно разбить на три категории:

• нанесённый ущерб настолько мал, что изделие полностью соответствует паспортным характеристикам. Вероятность безотказной работы в течение всего срока службы достаточно велика;
• повреждённый элемент изделия соответствует техническим условиям либо слегка выходит за установленные пределы и вполне способен выполнять свои функции в системе. В этом случае велика вероятность преждевременного отказа;
• изделие работоспособно, но не соответствует всем предъявляемым к нему требованиям. Надёжность изделия существенно понижена.

Общеизвестно, что отрицательное влияние ЭСР в первую очередь сказывается на МОП- и КМОП-приборах. Однако перечень полупроводниковых ИЭТ, особо чувствительных к воздействию ЭСР, не ограничивается указанными типами. Некоторые биполярные приборы также чувствительные к ЭСР. По вине ЭСР в цифровых ИС наблюдалась деградация входных диодов. Особенно опасны ЭСР для ТТЛ ИС с барьером Шоттки, которые пробиваются при энергии ЭСР в 2–3 раза меньшей, чем необходимо для пробоя ТТЛ ИС. Это происходит вследствие меньшего размера барьера Шоттки.

Пороги чувствительности полупроводниковых приборов и ИС приведены в табл. 5,

относительная чувствительность различныхтипов ИС к ЭСР — в табл. 6.

Большой разброс значений порога чувствительности объясняется его зависимостью от размеров испытуемых элементов ИЭТ, технологии изготовления, выбора параметров, характеризующих годность ИЭТ, и от их величин. Например, МОП-приборы с металлическим затвором почти в 9 раз восприимчивее к ЭСР, чем такие же приборы с кремниевым затвором.

При исследовании биполярных ТТЛ ИС с изоляцией p-n-переходом (серия 133) и оксидом (серия 106) по результатам сравнительных испытаний на надёжность после воздействия ЭСР, выявлено, что схемы с диэлектрической изоляцией обладают большей стойкостью (табл. 7).

Данные испытаний МОП ИС типа К178ЛР1 на надёжность в течение 1000 часов после воздействия ЭСР различного потенциала (табл. 8) показывает, что с увеличением напряжения ЭСР надёжность ИС падает [9]. При этом основной вид отказов ИС серии 178 — пробой тонкого оксида.

Для полупроводниковых ИЭТ опасность представляет не только однократное воздействие ЭСР больших потенциалов, но и многократное воздействие низких потенциалов (рис. 2).

Результаты эксперимента по установлению величин ЭСР соответствующей полярности, влияющих на изменение вольтамперных характеристик и отказ биполярных БИС серии 1005,

В стандарте и справочнике МО США (DOD-STД-1686 и DOD-HDBK-263) указаны три клас представлены в табл. 9.

Анализ представленных в табл. 9 данных показывает, что воздействие ЭСР разной полярности на ИЭТ не всегда одинаково. Замечено, что зачастую воздействие отрицательной полярности приводит к отказам ИЭТ при меньшем потенциале ЭСР. Различные переходы ИС реагируют на воздействие ЭСР по разному. Для кремниевых МОП ИС типа К561ЛН2 найдено, что наиболее чувствительным путём прохождения ЭСР через ИС является вход — общая точка. Построенные зависимости числа импульсов ЭСР, приводящих к отказам ИС, от величины ЭСР для импульсов различной полярности показывают, что наиболее опасным для ИС типа К561ХН2 является чередование полярности воздействующих ЭСР (на рис. 3 обозначено как “+/–”) [10].

Аналогичным образом с использованием чередования импульсов “+/–” построены зависимости при различной температуре окружающей среды (рис. 4). Видно, что с повышением температуры увеличивается вероятность повреждения ИС разрядами статического электричества.

Результаты составных испытаний ИС, состоящих из воздействия ЭСР и термоциклирования (-60; +125оС с выдержкой ИС по 15 мин. при каждой температуре и времени переноса не более 30 с) показаны на рис. 5 и 6 [8].

Из рисунков видно, что термоциклирование снижает стойкость ИС к ЭСР так же, как воздействие ЭСР снижает стойкость ИС к теромоциклированию.

Продолжение следует.

Литература

1. Горлов М.И., Андреев А.В., Воронцов И.В. Воздействие электростатических зарядов на изделие полупроводниковой электроники и радиоэлектронной аппаратуры. — Воронеж: Изд. Воронежского государственного университета. — 1997. — 160 с.

2. Worker R.C. ESD Control: problems and solutions in the real world // Microcontamination. 1983/84. — № 4. — P. 14–15.

3. Lyman J., Rosenblatt. A special report the drive for quality and reliability, part 1 // Electronics. — 1981. — № 10. — P. 125–131.

4. Обеспечение качества микроэлектронных устройств: Обзор по материалам зарубежной печати // Радиоэлектроника. — 1983. — C. II – 32 – II – 34.

5. Hatfield P. A. Electronic package and production. — 1984. — № 2. — P. 61–73.

6. Greason W.D., Castle G.S.P. The effects of electronic discharge on microelectronic devices – a review // IEEE Trans. Ind. Apl. — 1984. — V. 20. — №2. — P. 147–252.

7. Greason W.D. Review of the effect of electrostatic discharge and protection techniques for electronic system // IEEE Trans Ind. Appl. — 1987. — V. 23. — № 2. — P. 205–216.

8. Горлов М.И., Бойко В.И., Баторская Л.П. Воздействие статического электричества на ИС типа КР142ЕН12 // Электронная промышленность. — 1995. — № 2. — C. 26–27.

9. Нойверт Л.М., Лабецкая Н.А., Рыбалов О.Я. Воздействие разрядов статического электричества на микросхемы // Электронная техника. Сер. 8. — 1978. — Вып 3. — C. 133–139.

10. Горлов М.И., Каехтин А.А., Пахомова Е.А. Влияние электростатических разрядов на интегральные схемы типа К561ЛН2 // Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах: Матер. докл. науч.– техн. семинара. — М.: МНТОРЭС им. А. С. Попова. — МЭИ. — 2000. — С. 340–342.