CC BY
77
УДK 621.382
ЗАВИСИМОСТЬ НИЗКОЧАСТОТНОГО ШУМА ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ ОТ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИМИ РАЗРЯДАМИ М.И. Г орлов, Д.М. Жуков
Представлены результаты исследования влияния электростатических разрядов на величину низкочастотного шума интегральных схем с последующим циклом хранения и отжига
Ключевые слова: низкочастотный шум, электростатический разряд, отжиг электростатических дефектов
В настоящее время развитие электронной техники предъявляет все более высокие требования к функциональности полупроводниковых изделий (ППИ) (диодов, транзисторов и интегральных схем (ИС)). В связи с этим все сильнее и сильнее усложняется конструкция ППИ, увеличивается степень интеграции, уменьшаются топологические размеры элементов схем. ^к следствие, возникает потребность в более жестком и эффективном контроле качества изготавливаемых изделий.
Одним из способов диагностических испытаний ППИ на надежность по параметрам низкочастотного шума(КЧШ) является измерение HЧШ до и после воздействия электростатическим разрядом (ЭСР)[1]. Чтобы правильно интерпретировать результаты, полученные таким способом, нужно иметь представление о том, как ЭСР влияет на параметры ППИ. Работ в данной области достаточно много, но в большинстве из них рассматривается влияние ЭСР на электрические параметры ППИ. Те же работы, в которых рассматривается влияние ЭСР на HЧШ ППИ, в основном ограничиваются изучением влияния ЭСР на дискретные приборы. В тех работах, которые рассматривают влияние ЭСР на HЧШ ИС в большинстве своем не дают физического объяснения возникающих явлений. В связи с этим можно утверждать, что изучение влияния ЭСР на HЧШ ИС актуально в настоящее
время.
ИССЛЕДОВАИИЕ ИС ТИПА Ю55ЛЕ1
Для исследования были отобраны две партии ИС транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) серии K1SS в количестве по 1O штук в каждой партии, такие как Ю55ЛЕ1 и Ю55ЛШ. HЧШ на данных ИС измерялся по выводам, приведенным в таблице 1.
Горлов Митрофан Иванович - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. (473) 243-76-95
Жуков Дмитрий Михайлович - ВГТУ, аспирант, e-mail: ddimochka@mail. ru
Таблица 1
Выводы ИС серии K1SS, выбранные для измерения
тш
Ю55ЛЕ1 Ю55ЛШ
14-7 14-7
1-3 1-2
№мера 2-7 2-7
выводов 1-7 1-7
1-14 2-14
2-14 1-14
В начале эксперимента на всех парах выводов, приведенных в таблице 1, было измерено среднеквадратичное значение шумового напряжения (в дальнейшем «значение НЧШ») при различных значениях тока. Результаты измерений показали, что на ИС обоих типов наибольший уровень НЧШ наблюдается на выводах «вход -выход», «вход - питание» и «выход - питание». Наименьший уровень НЧШ наблюдается на выводах «питание - общая точка». Очевидно, такое различие в уровнях НЧШ на разных выводах может объясняться разным количеством элементов, входящих в цепь между этими выводами. Кроме того, из полученных результатов видно, что на выводах, между которыми не может течь большой ток (в данном случае это выводы 1-2 на ИС К155ЛН1 и 1-3 на ИС К155ЛЕ1), шумы намного больше, т. е. величина шума зависит от сопротивления цепи между двумя выводами. Сопротивление цепи, в свою очередь, будет зависеть от величины сопротивления резисторов, в неё входящих, и от свойств транзисторов (таких как токи утечки), а так же от того, какие конкретно области транзисторной структуры и р-п-переходы входят в состав данной цепи.
Далее на все ИС обеих партий был подан ЭСР. Величина потенциала ЭСР была выбрана
следующим образом. Выбирался максимальный потенциал ЭСР, который не приводил бы к катастрофическому отказу ИС. Для ИС типа К155ЛЕ1 такой потенциал ЭСР равнялся 7,5 кВ, для ИС типа К155ЛН1 - 7 кВ. Причем по ТУ для данной серии ИС максимально допустимый статический потенциал не должен превышать 200 В. ЭСР подавался на выводы «питание - общая точка» и «вход - выход». Выводы «вход - выход» выбирались те, на которых был измерен НЧШ в начале измерений. На каждую пару выводов всех ИС подавалось по пять ЭСР обеих полярностей.
После воздействия ЭСР снова была измерена величина НЧШ. Оказалось, что квадрат шумового напряжения на различных парах выводов после воздействия ЭСР изменяется неодинаково. На одних парах выводов НЧШ увеличился, на других - уменьшился. Для ИС К155ЛЕ1 НЧШ увеличился по выводам 14 - 7, 2 - 7, НЧШ уменьшился по выводам 3 - 1 , 1 - 7, 2 - 14, 1 - 14, причем на выводах 3-1 уровень НЧШ уменьшился в значительной степени. Так же через эту пару выводов возрос максимально возможный ток. Т.е. если до воздействия ЭСР ток не превышал значения 5 мА, то после воздействия он легко достигал значения 10 мА и выше. Этот факт говорит о том, что после воздействия ЭСР параметры транзисторов, входящих в цепь между выводами «вход - выход», сильно изменились. В частности, могла возрасти утечка по поверхности каких-либо транзисторов, что и вызвало уменьшение сопротивления цепи. Так же каналы утечки могут шунтировать некоторые участки цепи. Эти участки, соответственно, перестают делать вклад в общий шумовой фон и значение НЧШ уменьшается.
Далее все исследуемые ИС хранились при нормальных условиях в течение 72 часов. После этого ИС отжигались при Т=100°С. И после хранения, и после отжига проводились измерения величины НЧШ.
Для наглядности характер изменения величины НЧШ на разных стадиях исследования можно представить в виде графиков.
Из полученных результатов видно, что существует два варианта зависимости НЧШ от этапа исследования. Первый вариант зависимости -зависимость с максимумом (рис.1).
Такой вид поведения НЧШ характерен для выводов 14-7, 2-7 ИС. Максимум зависимости наблюдается в точке «после ЭСР на 14-7, 1-3». Таким образом, получается, что на этих парах выводов уровень НЧШ после воздействия ЭСР потенциалом 7,5 кВ увеличивается. Далее наблюдается спад зависимости, т. е. НЧШ уменьшается.
Выводы 14-7, ток 7,5 мА
14,6
В / к
э э 14,4 4 9
14,2
14 начало после ЭСР после после измеренийна 14-7 и 1- хранения отжига в 3 теч 1 ч
Рис.1. Вариант зависимости с максимумом уровня НЧШ от этапа исследования
После отжига, как видно из графиков, значение квадрата шумового напряжения становится меньше, чем было в начале эксперимента. Такой вид зависимости, по-видимому, можно объяснить следующим образом. После воздействия ЭСР в структуре ИС появляются новые дефекты, которые увеличивают уровень НЧШ[2]. К таким дефектам можно отнести неразвитые пробои по поверхности, захват заряда оксидом[2]. После хранения в течение 72 ч привнесенные дефекты самоустраняются (релаксируют) и НЧШ, соответственно, уменьшается приблизительно до первоначального уровня. Далее, после отжига происходит релаксация и части тех дефектов-источников шума, которые существовали до воздействия ЭСР. НЧШ еще более уменьшается.
Теперь рассмотрим второй вариант зависимости НЧШ от этапа исследования. Это зависимость с минимумом (рис.2).
18,00
16,00
14.00
12.00 10,00
Выводы 1-7, ток 7,5 мА
начало после ЭСР после после
измерений на 14-7 и хранения отжига в 1-3 теч 1 ч
Рис. 2. Вариант зависимости с минимумом уровня НЧШ от этапа исследования
Такой вариант характерен для пар выводов 17, 1-14, 2-14. Минимум наблюдается в точке «после хранения». После воздействия ЭСР уровень НЧШ на этих парах выводов, в отличие от 14-7 и 2-7, уменьшается. Такое поведение значения квадрата шумового напряжения можно объяснить только
тем, что после ЭСР из электрической цепи между данной парой выводов частично изымается какой-либо участок. Этот участок перестает делать вклад в общий шумовой фон и уровень НЧШ, соответственно, снижается. Такое явление может произойти, предположительно в следствии закороток, образования диодов Шоттки, а так же утечек по поверхности, которые резко возрастают из-за захвата заряда окислом. Закоротки могут появляться вследствие выброса небольшого количества металла из алюминиевых дорожек[2], что при потенциале ЭСР в 7,5 кВ имеет достаточно большую вероятность. Токи утечки могут шунтировать отдельные участки транзисторной структуры.
Объяснить уменьшение уровня НЧШ после хранения можно теми же явлениями, что и для первого варианта зависимости, а именно: после ЭСР, помимо того, что из цепи изымается какой-либо участок, в структуру ИС привносятся дефекты, которые НЧШ увеличивают. После хранения эти дефекты релаксируют и шум уменьшается. После отжига дефекты частично самоустраняются. Причем релаксируют и те дефекты, которые шум увеличивают, и те, которые его понижают. Судя по графикам, получается, что в большей степени отжигаются дефекты, которые понижают уровень НЧШ. В пользу этого говорит то, что уровень НЧШ повышается после отжига.
Таким образом, после исследования зависимости уровня НЧШ биполярных ИС типа К155ЛЕ1 от воздействия ЭСР, ясно, что ЭСР влияет на ИС несколько иначе, чем на дискретные транзисторы. Это связано с тем, что структура ИС намного более сложная, чем структура дискретного прибора. ЭСР может как понижать, так и повышать уровень НЧШ ИС, и это зависит от того, какой дефект и в каком месте структуры возникает. Также видно, что уровень шума может изменяться после отжига.
ИССЛЕДОВАНИЕ ИС ТИПА К155ЛН1
Теперь рассмотрим зависимость от ЭСР шумов ИС типа К155ЛН1. Исследование данного типа ИС включало в себя больше этапов, чем исследование ИС типа К155ЛЕ1. Так после хранения и отжига проводился еще один цикл хранения и отжига.
Для данного типа ИС тоже имеет место разнообразие вариантов поведения НЧШ после воздействия ЭСР. Рассмотрим пару выводов 14-7 (рис. 3).
Из рисунка видно, что здесь, как и в случае с ИС типа К155ЛЕ1, имеет место увеличение уровня НЧШ после воздействия ЭСР. Но после хранения НЧШ не уменьшается в отличие от предыдущего случая, а увеличивается. Далее, после отжига при Т=100°С уровень шума опять уменьшается, но после хранения вновь увеличивается до уровня, выше, чем после предыдущего хранения. После второго отжига НЧШ снова уменьшается. Таким
образом, видим пилообразную зависимость,
которая имеет место после воздействия ЭСР при последующих циклах хранения-отжига.
Рис.3. График зависимости НЧШ от этапа исследования выводов 14-7 ИС типа К155ЛН1
Теперь рассмотрим пару выводов 2-7 (рис.4).
Рис. 4. График зависимости НЧШ от этапа исследования выводов 2-7 ИС типа К155ЛН1
В этом случае имеем понижение уровня НЧШ после воздействия ЭСР, но далее видим ту же пилообразную зависимость с увеличением шума после хранения и уменьшением после отжига. Аналогичная зависимость наблюдается и на выводах 1-7 с тем лишь отличием, что на этой паре выводов НЧШ уменьшается сильнее, чем на 2-7.
Объяснить повышение и понижение НЧШ на ИС типа К155ЛН1после воздействия ЭСР можно так же, как и для ИС типа К155ЛЕ1. Но далее, после хранения независимо от того, повышался или понижался уровень НЧШ после ЭСР, шум возрастает. Этот эффект можно объяснить следующим образом. ЭСР привносит в структуру ИС некоторое количество дефектов, которые, как уже говорилось, могут по-разному влиять на
поведение НЧШ. Это зависит как от свойств самого дефекта, так и от того, в каком месте структуры данный дефект образовался. Но, вероятно, ЭСР может порождать и такие дефекты ИС, которые либо никак не проявляют себя сразу после воздействия, либо делают вклад в шумовой фон на частоте, отличной от той, на которой измерялся НЧШ в данной работе. Во время хранения такие дефекты по какой-либо причине меняют свои свойства и проявляют себя в виде НЧШ с частотой, попадающей в полосу частот измерений.
Основываясь на результатах, полученных на ИС типа К155ЛЕ1, можно оспаривать существование описанного эффекта, т.к. для предыдущих ИС увеличение НЧШ после хранения объяснялось только лишь релаксированием понижающих его дефектов, внесенных ЭСР. Но имеется два факта, говорящих в пользу обратного.
Во-первых, как уже говорилось выше, НЧШ после хранения увеличивается независимо от того, снижался он или увеличивался после ЭСР. Если посмотреть на график, приведенный на рисунке 4.3, то можно увидеть, что после хранения НЧШ на выводах 14-7 не только не снизился, как на К155ЛЕ1, но и стал значительно выше. То есть, если после хранения некоторое количество дефектов и релаксировало и перестало давать вклад в общий шумовой фон, то этот эффект, судя по результатам измерений, перекрылся другим эффектом, по всей видимости тем, существование которого мы и пытаемся доказать.
Во-вторых, на графике, представленном на рисунке 4, видно, что после хранения уровень НЧШ стал больше, чем был в начале измерений. Это тоже можно объяснить тем, что не только релаксировали дефекты, понижающие шум, но и стали вносить свой вклад дефекты, его порождающие. Если посмотреть на график зависимости НЧШ от этапа исследований построенного для пары выводов 1-7, то можно подумать что такого эффекта здесь не наблюдается. Но это можно объяснить тем, что в данном случае эффект понижения НЧШ после воздействия ЭСР настолько силен, что не может быть перекрыт другими эффектами. Этим, собственно, можно
объяснить так же и отсутствие эффекта позднего проявления дефектов на ИС типа К155ЛЕ1.
Далее, после отжига, как и для предыдущих ИС, дефекты частично релаксируют и уровень шума снижается, но после последующего хранения их свойства опять восстанавливаются и НЧШ поднимается приблизительно до прежнего уровня.
Таким образом, в ходе исследования зависимости НЧШ биполярных логических ИС, изготовленных по ТТЛ технологии, от воздействия ЭСР были выявлены следующие закономерности. После воздействия ЭСР уровень НЧШ может как увеличиваться, так и уменьшаться, что, скорее всего, зависит от свойств привнесенных дефектов и от того, в каком месте ИС они появляются. После хранения может наблюдаться эффект релаксации дефектов, что ведет к изменению уровня НЧШ в сторону значений, которые были в начале измерений, а так же эффект позднего проявления дефектов, который всегда повышает уровень НЧШ. Во время отжига, дефекты релаксируют и уровень шума снижается. Причем релаксируют дефекты как привнесенные ЭСР, так и имевшие место в структуре ИС к началу измерений. После последующего хранения уровень НЧШ опять возрастает. Конечный результат воздействия ЭСР на ИС определяется суммой всех эффектов ослабления и увеличения НЧШ вызванных электростатическими дефектами. При большой степени интеграции ИС эта сумма складывается из огромного числа таких эффектов, соотношение и свойства которых могут сильно варьировать от схемы к схеме.
Литература
1. Диагностика твердотельных полупроводни-
ковых структур по параметрам низкочастотного шума / М.И. Горлов, Л.П. Ануфриев, А.П. Достанко, Д.Ю. Смирнов. - Минск:
Интегралполиграф, 2006. - 112 с.
2. Горлов М. И. Электростатические заряды в электронике / М. И. Горлов, А. В. Емельянов, В. И. Плебанович. - Мн.: Бел наука, 2006. - 295 с.
Воронежский государственный технический университет
THE DEPENDENCE OF INTEGRATED CIRCUITS LOW-FREQUENCY NOSE ON ELECTROSTATIC DESCHARGES M.I. Gorlov, D.M. Zhukov
The results of investigation of the influence of electrostatic discharges on the low-frequency nose of IC’s with subsequent storage-joke cycle are presented
Key words: low-frequency noise, electrostatic discharge, annealing of electrostatic defects
