61850 (Статическое электричество и полупроводниковая электроника)

Статическое электричество и полупроводниковая электроника

Митрофан Иванович Горлов, д.т.н., проф. каф. полупроводниковой электроники Воронежского государственного технического ун-та.

В 1966 г. Воронежский завод полупроводниковых приборов начал серийные поставки первых отечественных кремниевых интегральных схем (ИС) диодно-транзисторной логики серии 104 с диэлектрической изоляцией элементов. Но на Казанском заводе, производящем радиоэлектронную аппаратуру, жаловались на их низкое качество: на печатной плате, где размещалось 20 схем, проверенных по электрическим параметрам, после покрытия лаком и сушки одна или две выходили из строя. И это наблюдалось практически на каждой третьей плате. Будучи уверенными в высокой надежности своих схем, воронежцы решили посмотреть технологический процесс нанесения лака на печатные платы. В цехе они увидели: работница держала плату в одной руке, а воздушный краскораспылитель - в другой. Краскораспылитель был заземлен; руки работницы были в резиновых перчатках, которыми пользовались электрики. На вопрос, для чего такая защита, работница ответила, что “здорово бьет”. И только тогда изготовители догадались, что распыление лака создает большой электростатический заряд на плате, который может повреждать ИС. До того, выпуская в основном высоковольтные диоды, сплавные и диффузионные мощные и средней мощности транзисторы, они практически с этим не сталкивались. Здесь же фигурировали маломощные ИС, допускающие напряжение питания всего 5-12 В. Проведенные затем исследования подтвердили предположение, и практически с 1970 г. в отечественной и зарубежной литературе начали появляться статьи об отрицательном воздействии электростатических зарядов на полупроводниковые изделия (приборы и интегральные схемы). Конец истории оказался простым. Было предложено изменить технологию нанесения лака на печатную плату - погружать ее в объем лака - и отказы ИС прекратились.

Восприимчивые к электростатическим зарядам приборы и схемы подвергаются опасности в процессе как производства, так и эксплуатации. Неантистатическая упаковка, недостаточно грамотное обращение с устройствами на входном контроле, в ходе их монтажа при изготовлении электронных блоков и при работе аппаратуры - все эти факторы могут стать причиной выхода полупроводниковых изделий из строя.

Средние ежедневные потери электронной промышленности США от электростатических зарядов составляют от 10 до 18% продукции. За год затраты, обусловленные такими потерями и ремонтом или дополнительным обслуживанием оборудования, доходят до 10 млрд долл. [1].

Поэтому чрезвычайно важно знать причины образования заряда в процессе изготовления и применения приборов, виды их отказов и коллективные и индивидуальные меры защиты.

Как возникает заряд

Обычно носители зарядов обеих полярностей распределены в материале равномерно, поэтому он электрически нейтрален. Разрушение этого нейтрального состояния и локальное накопление частиц одной полярности приведет к тому, что тело станет заряженным. Статическое электричество определяется как явление, вызываемое электрическим зарядом в состоянии покоя. Такие заряды возникают при переносе электронов (или других видов носителей заряда) с одной части тела в другую (поляризация) или же при переходе заряда от одного тела к другому (переносимый заряд). Они могут быть как отрицательными, например, если на предмете электроны присутствуют в избытке, так и положительными, если, наоборот, имеется недостаток электронов [2].

Существует три основных процесса электризации материалов: добавление зарядов, удаление зарядов и разделение зарядов. Заряды на предмете могут появиться под действием электрического поля, но не только. Так, если привести в соприкосновение два тела из различных материалов, между ними произойдет обмен зарядами, приводящий к образованию двойных электрических слоев. Каждый из последних состоит из двух слоев зарядов противоположной полярности, расположенных на поверхности или вблизи от нее и удаленных друг от друга на несколько межатомных расстояний. После разъединения двух тел разделение зарядов может частично остаться: на одном теле будут преобладать положительные, а на другом - отрицательные заряды. Разделение зарядов наблюдается и между двумя одинаковыми поверхностями, если какой-либо участок одной из поверхностей трется о значительно большую часть другой.

Когда в контакте находятся материалы, обладающие высоким сопротивлением, только носители зарядов в непосредственной близости к области соприкосновения принимают участие в электризации, и они останутся в той же точке, в которой изначально сформировались, даже если материал будет заземлен. Статические же заряды на незаземленных проводниках распространяются практически мгновенно по всей поверхности контактирующих тел (с заземленного проводника заряд стечет на землю). Общее условие электризации какого-либо тела - электрический заряд при разделении (или другом способе получения) должен возрастать быстрее, чем компенсироваться из окружающей среды (компенсации заряда способствует, например, влажная атмосфера).

При производстве полупроводниковых изделий электростатический заряд чаще всего возникает из-за трения поверхностей различных материалов, что называется трибоэлектрическим эффектом. Если осуществить контакт двух материалов трибоэлектрической серии, то более высокий в серии материал заряжается положительно, другой получит такой же отрицательный заряд. Величина заряда зависит от силы сжатия при контакте и от способа и качества контакта между материалами. На рис.1 в качестве примера приведены некоторые трибоэлектрические материалы, способствующие образованию статических зарядов. Разность потенциалов при трении материалов трибоэлектрического ряда будет тем большей, чем дальше расположены материалы друг от друга в списке. Например, человек, идущий по сухому ковру, может заряжаться до 5 кВ.; автомобиль, движущийся по сухой дороге, - до 10 кВ., а ремень, движущийся по шкиву, - до 25 кВ.. На операторах, работающих с полупроводниками и одетых в одежду из синтетических материалов, могут возникать потенциалы, превышающие 6 кВ.. Максимальные значения потенциала, до которых может заряжаться тело человека при контактировании с различными материалами в условиях разной относительной влажности, показаны на рис.2, а также даны в табл.1 в сравнении с величинами для некоторых других “электроопасных” объектов.

Рис.2. Максимальные значения электрических напряжений, до которых может быть заряжено тело человека при контакте с различными материалами.

Чем он опасен

Накопление заряда человеком - не единственный источник опасного для приборов и схем электростатического разряда. Значительные по величине заряды могут возникать непосредственно на поверхности прибора. Такие заряды бывают подвижными, если они накапливаются на проводящих элементах конструкции, или неподвижными, когда они образуются на изолированных деталях. Собственно, наличие и накопление заряда на любом изделии, как правило, не ведет к его повреждению или изменению характеристик до тех пор, пока через это изделие не произойдет электростатический разряд, возникающий при соединении тел с различными электростатическими потенциалами. В момент, когда тот или иной вывод прибора касается проводящего тела, происходит импульсный разряд, который может полностью или частично повредить прибор. Характер воздействия разряда на полупроводниковые изделия в производственных условиях зависит от ряда случайных факторов: емкости, величины накопленного заряда, сопротивления человека, величины переходных сопротивлений в цепи разряда и др. В табл.2 сопоставляются параметры разряда с участием человека и полупроводниковых изделий, а на рис.3 показаны примеры воздействия разряда на ИС и формы импульсов токов разряда, протекающих через ИС при этом. Время нарастания тока зависит от сопротивления и емкости и обычно бывает меньше 10 нс, время спада - от 50 до 300 нс.

При технологических процедурах, сопровождающихся трением или нарушением контакта между различными материалами (например, на сборочных автоматах), возникают разности потенциалов, вызванные появлением электростатических зарядов. В табл.3 приведены приблизительные данные об уровнях разностей потенциалов при различных операциях. В сухом воздухе разности потенциалов могут достигать очень высоких значений. При обычной или повышенной влажности разности потенциалов значительно понижаются, но все же остаются достаточными, чтобы вызвать повреждение чувствительных полупроводниковых изделий [3].

Так, 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. Нужно помнить, что электронно-лучевые трубки телевизоров, осциллографов, дисплеев служат источниками большого электростатического поля. Поэтому оператор, случайно коснувшись экрана трубки, может зарядиться до десятков киловольт. Даже не касаясь экрана, оператор, находящийся перед включенным телевизором на некотором расстоянии, задев шину земли, может приобрести значительный заряд, противоположный по знаку заряду экрана. На полупроводниковые изделия, находящиеся вблизи экрана трубки, также будет воздействовать ее электрическое поле [4].

Миниатюризация в микроэлектронике заставляет делать металлизированные дорожки все более узкими, а оксидные слои - все более тонкими. Сегодня в основном применяются дорожки шириной 1 мкм, но уже сообщается об изготовлении ИС с шириной дорожки 0.5-0.2 мкм. Если для обычно используемой толщины затворного оксида 1000 A его пробой происходит при приложении к затвору напряжения 80-100 В, то при толщине оксида 400 A напряжение пробоя снижается до 28-45 В. Это еще более осложняет проблему отказов изделий из-за воздействия разрядов, с которой все чаще сталкиваются разработчики.

Рис.3. Примеры воздействия электростатического разряда на ИС и формы импульсов тока разряда, протекающих через устройство.

Обозначения на эквивалентных схемах: 1 - заземленная поверхность; 2 - емкость тела человека; 3 - сопротивление тела человека; 4 - сопротивление контакта; 5 - емкость ИС. В одном случае разряд происходит через тело человека (а), в другом - через заземленную поверхность (б; здесь используется модель “заряженного прибора”, поэтому учитываются все его элементы, в том числе индуктивность проводников).

Непосредственно перед разрядом и в течение первых десятков наносекунд разряда устройство попадает под наведенное высокое напряжение, т.е. на изделие действует и потенциал электрического заряда, и ток разряда. В итоге у полупроводниковых приборов и ИС могут иметь место два типа повреждений:

- катастрофические, которые обнаруживаются наиболее легко, потому что поврежденные изделия не выполняют своих функций;

- скрытые, которые затрагивают только один из параметров - усиление, утечку и т.д. - или вызывают некоторые изменения начальных характеристик, иногда не выходящие за рамки допустимых отклонений. Эти повреждения обнаружить труднее, так как зачастую они проявляются лишь в результате повторяющихся разрядов или уже в процессе эксплуатации.

Явные катастрофы

Катастрофические отказы можно разделить на отказы под действием напряжения, когда пробивается насквозь диэлектрик или разрушается поверхность кристалла, и отказы под действием мощности или тока, которые часто опознают по горячим точкам или расплавленным участкам на кристалле. Разряд может вызвать такую высокую плотность тока на границе оксид-полупроводник, что происходит локальное расплавление полупроводникового материала, а в оксиде образуется точечное отверстие диаметром около 1 мкм.

Элементы, чувствительные к напряжению (тонкий диэлектрик структур металл-диэлектрик-полупроводник, изолирующий оксид и т.д.), отказывают вследствие электрического пробоя. Отказы внутри прибора под действием напряжения происходят из-за разницы постоянных времени разряда в смежных или пересекающихся участках, что приводит к появлению напряжений, превышающих электрическую прочность диэлектрика. Другие элементы (р-n-переходы, металлизированные дорожки и т.д.) чувствительны к мощности. В этом случае критическими параметрами оказываются форма импульса тока, протекающего при разряде, его длительность и амплитуда, которые при соответствующем сочетании могут создать уровень мощности, приводящий к термическому пробою. Отказы под действием мощности или тока происходят обычно между схемной частью и землей или питающей шиной. Шины питания и заземления, как правило, являются проводниками с наибольшей площадью и способны хранить наибольший заряд, высвобождая при разряде максимальную энергию.

Считается, что есть шесть наиболее распространенных и связанных с электростатическим разрядом механизмов отказов: тепловой вторичный пробой, расплавление металлизации, объемный пробой, пробой диэлектрика, поверхностный пробой и газовый дуговой разряд. Первые три механизма определяются током (мощностью) разряда, остальные три - его напряжением. Главный виновник - выделяемое током разряда тепло, которого достаточно, чтобы расплавить используемые материалы. В момент разряда температура внутри микросхемы может достигать 1500°С, что выше точек плавления алюминия, меди и кремния.