ESD对微波半导体器件损伤的物理机理分析

吴东岩，谭志良

(军械工程学院静电与电磁防护研究所，河北石家庄 050003)

ESD对微波半导体器件损伤的物理机理分析

吴东岩，谭志良

(军械工程学院静电与电磁防护研究所，河北石家庄 050003)

为了得到电磁脉冲对微波半导体器件的损伤规律，进而研究器件的静电放电损伤机理，首先对半导体器件静电放电的失效模式即明显失效和潜在性失效进行了介绍；其次分析了器件ESD损伤模型；最后通过对器件烧毁的物理机理进行分析，得到器件在静电放电应力下内在损伤原因。在ESD电磁脉冲作用下，器件会产生击穿效应，使内部电流密度、电场强度增大，导致温度升高，最终造成微波半导体器件的烧毁。

静电放电；半导体器件；损伤；模式；物理机理

随着电子技术的迅速发展，电子系统面临的电磁环境日益复杂，各种形式的电磁脉冲可以通过孔缝或者天线耦合等方式进入电子设备内部，影响电子设备的正常工作[1-3]。静电放电(ESD)作为近场电磁危害源，是造成大多数电子元器件或电路系统破坏的主要因素。作为电子系统核心和基本单元的微波半导体器件，它们在电应力下的生存能力比较弱，因此研究ESD电磁脉冲对电子系统的损伤机理，进而研究微波半导体器件烧毁的物理机理，具有十分重要的意义。

本文将从微波半导体器件的静电放电损伤机理出发，根据ESD对半导体器件的影响，将半导体器件ESD失效模式分为明显失效和潜在性失效；通过介绍静电放电损伤模型即解析模型、数值计算模型和经验模型，说明了各模型的适用情况，并对电-热物理模型在存在功率反射的条件下进行改进；最后通过分析器件烧毁的物理机理，得到了器件在静电放电应力下其内在损伤原因。

1 器件烧毁的失效模式分析

静电放电是一种常见的近场电磁危害源，静电放电过程可形成高电压、强电场、瞬时大电流，并伴随有强电磁辐射，形成静电放电电磁脉冲[4-5]。ESD的危害有很多，但它对电子元器件的作用效应主要体现在4个方面：1) 磁效应。ESD的强电流能够产生强磁场，使电磁能量直接耦合到系统内部，干扰电子设备的正常工作，影响电子系统的安全性。2) 热效应。ESD的热效应是在ns或μs量级完成的，是一种绝热过程。ESD可以使电子元器件过热，造成局部热损伤，导致电路性能变坏或失效。3)电磁辐射和浪涌效应。ESD形成的强电磁脉冲及其浪涌效应既可造成电子元器件或电路性能参数的劣化或完全失效，也可形成累积效应。4)强电场效应。ESD危害源产生的强电场可以使器件形成潜在性失效，对电子系统和敏感器件的工作可靠性造成影响。

ESD对微波半导体器件的危害具有随机性、普遍性和隐蔽性的特点。微波半导体器件的损伤大体可分为明显失效和潜在性失效。明显失效一般可以在成品测试中检测出来，而潜在性失效难以事先检测，从而造成电子器件本身、设备乃至整个系统使用可靠性的降低。

1.1明显失效

明显失效是指当电子器件暴露在电磁环境中时，性能参数发生明显变化，遭到永久性的破坏[6]。根据器件失效前功能或参数的变化性质，又可分为退化失效和致命失效。退化失效指电子器件一个或几个基本参数值逐渐发生变化或漂移而引起的一类失效。致命失效包括完全失效和突然失效两方面，完全失效是指器件完全失去预定功能作用的一类失效；突然失效是指电子产品的一个或多个基本参数值突然发生飞跃式变化而引起的一类失效[7-8]。

明显失效的表现形式有以下几种：金属互连线损伤与烧熔、介质击穿、硅片局部区域熔化、扩散电阻与多晶电阻损伤、pn结损伤与热破坏短路、噪声系数增大，导致器件被大电流烧毁、晶体管放大倍数减小等。

1.2潜在性失效

潜在性失效是指由低于失效阈值的ESD造成器件内部产生一些轻微的、不易发现的损伤，此时器件的功能仍满足指标要求，但是器件的使用寿命大大缩短。这种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。潜在性失效具有积累性，随着注入ESD次数增加，器件的损伤阈值电压会逐渐降低，器件的电参数逐渐劣化[9-10]。据有关资料统计[11-12]，潜在性损伤占电子器件ESD失效总数的90%，由于这种损伤无法通过应力筛选等方法在使用前进行剔除，从而给系统、设备的使用带来很大隐患。

2 损伤模型分析

ESD环境下的微波半导体器件的电热特性可由电子与空穴连续性方程、泊松方程和热流方程描述，对于主要参量(如迁移率、热导率、电离率等)，还应考虑高温和强电场的影响，因此要用一组耦合、非线性、刚性偏微分方程来描述器件的行为。由于耦合和非线性的缘故，方程组也没有解析解，刚性方程组的数值解也较难，所以便设法使其简化，达到能用解析或数值的方法来解方程组的目的。

为了模拟ESD电磁脉冲注入微波半导体器件的过程，分析静电放电应力下其内在损伤原因，介绍了3种模型：解析模型、数值计算模型和经验模型。

2.1解析模型

要想得到方程组的解析解，就必须对复杂的方程组进行简化。国外大多数研究[13]建立的模型都是基于一维热流方程的解，但是忽略了所有其他方程。这类模型为Wunsch-Bell模型，它不考虑结区的厚度，并且假定热产生激发为单一电能方波脉冲，认为热量产生于无限薄的结区，并流到一维无限介质，这种模型仅能在低功率水平给出合理的结果，比较适应于功率型损伤器件的损伤阈值计算。实际上许多类型器件的损伤模式并不完全相同，所以这种建模的方法存在一定的局限性。

2.2数值计算模型

数值计算模型通常采用数值技术简化来求解方程组。与解析模型以及经验模型那样仅仅预测最终的实验结果相比，它能够完整地模拟加有ESD电磁脉冲而引起的依赖于时间的行为。所以数值计算模型能够预见微波半导体器件在ESD的电磁环境下所发生的具体行为，可以根据这个过程制定器件和线路设计规则，达到以提高系统在ESD环境下的生存能力为目的。数值计算模型一般又可分为电模型、热模型和热电模型。

电模型完全忽略热效应，主要依赖于场的迁移率、速度饱和及雪崩产生，主要对电效应方程进行详细计算，所以无法处理ESD电磁脉冲环境下的强电场效应；对于热模型，KUSNEZOV等利用有限差分法求解一维和二维传导方程，但是忽略了其他电效应，对电效应的处理完全依赖于稳态电阻率温度曲线，这种模型不能产生可靠的瞬态电效应效果，同时也无法模拟任何电流二次击穿效应；而热电模型则是同时考虑电方程和热流方程。

2.3经验模型

经验模型主要是根据解析解的形式，构造数学函数，进而拟合实验数据来模拟微波半导体器件损伤的过程，因此本质上也属于热模式范畴。

当半导体器件受到ESD脉冲冲击时，会在pn结上产生大量的热量，通过求解热扩散方程，可以得到器件在ESD脉冲作用下的温度特性。下面将主要研究器件的电-热物理模型，并在此基础上进一步研究半导体器件的ESD损伤机理。

2.3.1 失效功率与脉宽的关系

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：a，b，c分别为矩形热源体(pn结区域)的长、宽、高；ta=a2/(4πD)，tb=b2/(4πD)，tc=c2/(4πD)分别为矩形热源体相应方向上的热扩散时间；T为器件失效温度；T0为器件初始温度，π为圆周率。

以上模型均是依据热扩散方程得出：

(5)

式中：T(x,t)为温度；D=k/ρcp为热扩散系数；ρ为半导体材料的密度；cp为比热容；k为热传导率。

2.3.2 存在功率反射时的影响

在分析pn结的电热特性时，通常的模型是将器件吸收的功率等效为输入功率。但是在进行半导体器件的脉冲注入试验时，由于脉冲模拟器和器件之间阻抗不匹配，经常会出现反射现象，在下面的分析中将考虑这一因素。

器件在进行脉冲注入时，假设 pn 结的长度为L，则热扩散方程仍为式(5)所示，初始条件为

T(x,0)=T0=const。

(6)

其物理意义为器件在遭受ESD前，pn结温度是处处相同的，均为环境温度T0。

边界条件为

(7)

(8)

式中，f(t)为与脉冲能量密度相关的函数，不同的脉冲对应不同的表达形式，依据傅里叶定律，功率密度与温度梯度成比例，故上述表达式是合理的。β为注入脉冲的反射系数，式(8)右边的负号表示脉冲从pn结反射出去，τ0=L2/D为热流的延迟时间，与半导体材料特性和pn结的长度有关。

当注入的脉冲为方波时，f(t)=At，其中A=V/Sk，V为方波能量增长率[16]，S为pn结面积。解热扩散方程，得到

式(9)描述了存在功率反射时，器件pn结的温度变化规律。通过考虑ESD脉冲注入下功率反射的因素，改进了电热模型的不足，进一步提高了模型精度。

3 器件烧毁的物理机理分析

失效机理就是微波半导体器件失效的实质原因，即引起器件失效的物理或化学过程[17]。半导体器件在电磁脉冲的作用下，器件的每一部分都可能失效，表现出很多失效物理机理，主要体现在以下3方面：1)在有源结区，可产生导致强流和高温的二次击穿；2)在电子元器件的绝缘材料、氧化区或器件表面，可产生导致局部高温的电击穿；3)敷金属和引线被熔化，电迁移使金属膜导体变薄，甚至导致开路。据统计对双极型器件，90%的失效是由结区击穿引起的，敷金属失效仅占10%。

由ESD电磁脉冲造成微波半导体器件损伤的原因大体可分为两类：一类是与电压有关的场致失效，如氧化层和介质击穿、结表面击穿和气体电弧放电等；另一类是与电流有关的热致失效，如二次击穿与体击穿、金属导电层熔融和金属、多晶硅互连线或电阻烧坏等。具体可以分为如下几种方式。

3.1二次击穿与体击穿

二次击穿和体击穿是微波半导体器件最常见的ESD损伤现象。当发生静电放电时，pn结尤其是浅pn结会发生雪崩击穿，进而可以发展为二次击穿甚至是体击穿。这种情况下，热模式击穿占有主导地位，雪崩击穿产生的强流将电子元器件加热到600～800 K时，器件进入热-电流失控状态，瞬态大电流产生的焦耳热会导致器件内部的局部温度急剧上升，这会导致热载流子的产生速度增加，大量产生的热载流子则会进一步增大瞬态大电流。如果半导体材料的热半导体材料时间常数小于ESD的瞬变时间，热量几乎不会从功率耗损面上向外扩散，导致在器件内部形成较大的温度梯度。当器件的局部温度超过半导体材料的熔融温度时，会引起合金钉穿pn结而失效。如果产生的热量能够熔化邻近接触孔的金属时，熔化的金属会在电场的作用下在结间迁移，从而导致结间的电阻短路。

3.2金属导电层熔融

现代的微波半导体器件中含有大量的金属条结构，用于器件与引脚的连接或者器件内部的连接。所以金属导电层的烧毁在半导体器件损伤中扮演着重要的角色。ESD过程中产生的电流和能量能够促使微波半导体器件的温度迅速升高，当温度足够高时，可以让金属薄膜、键合引线烧熔甚至汽化，从而导致开路。有理论模型可以计算引起各种材料的失效电流[18]，该模型假设金属薄膜或互连线具有均匀的截面积，与面积和电流的持续时间有关。但保证均匀面积在现实工艺上是很难实现的，其不均匀性会在金属化层引起局部电流聚集和过热。

3.3氧化层和介质击穿

氧化层在微波半导体器件中主要起着绝缘和隔离的作用。随着电子元器件的微型化，氧化层和介质的厚度越来越小，在氧化层或介质两侧有一定电压存在时，当绝缘区两端施加的电位差超过该区域固有的击穿电压时，将会发生介质击穿。这种形式的损伤是基于电压而非能量，但会引起与脉冲能量有关的器件性能参数退化[19]。主要过程如下：1) 在器件内部介质层的某个强电场点，ESD电磁脉冲产生的高压超过了介质的绝缘度；2)介质击穿形成的大电流流过击穿点，并在击穿点相邻的区域产生热斑；3) 器件的局部高温熔化了多晶硅栅，形成多晶硅熔化丝状物。由于制造工艺的缺陷,当栅氧化层存在针孔时，ESD电压会首先在针孔处发生击穿。

3.4结表面击穿

当双极型晶体管E-B结发生雪崩击穿时，雪崩倍增产生的电子-空穴对能从耗尽层的电场中获得足够的能量，轰击势垒区及附近的SiO2-Si界面，会使界面晶格损伤，产生大量的复合中心，造成小电流增益下降。而对于垂直结，表面击穿是因结表面的电荷层间距比较窄而造成局部雪崩积累，在结周围形成高泄漏通道，从而导致结失效。这种作用和大多数电压效应如介质击穿一样[20]，与脉冲的上升时间有关系。表面失效的另一种模式则是在绝缘材料周围电弧放电，类似于金属层的电弧放电。

3.5气体电弧放电

当微波半导体器件中未被钝化的薄层电极间的距离很小时，由于静电电荷积累而导致的气体电弧放电能够使器件的性能参数退化，电弧放电产生的高温会引起金属层的汽化，从而使半导体器件上的金属层离开电极而移动[21]。 在熔融和熔断时，金属会聚拢而流动，或沿电极方向而断开。

以上几种微波半导体器件静电放电损伤机理都是通过失效分析得出的。由于静电放电过程的复杂性，器件最终的损伤机理可能是由于其中的一种或是由于其中的几种混合作用造成的。

4 结 语

随着电子元器件尺寸的减小，使得器件对静电放电变得更加敏感。与无源器件电阻和电容相比，微波半导体器件是电子系统中最容易受到静电电磁脉冲损坏的部件。对于微波半导体器件，无论是热模式的损伤还是电-热物理模式的损伤，最终都是表现为器件的缺陷区温度达到材料熔点而使器件烧毁。当ESD电磁脉冲注入器件内部时，会产生击穿效应，从而使器件内部电流密度、电场强度增大，最终导致温度升高造成了微波半导体器件的烧毁。

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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；责任编辑：陈书欣

国家自然科学基金(51277179)

吴东岩(1989-)，男，河南商丘人，硕士研究生，主要从事电磁防护理论与技术方面的研究。

E-mail：wdy1989@163.com