Защита от электро статического разряда

ESD (ElectroStatic Discharge)

Защита СБИС от электростатического разряда 

1. Введение

2. Материалы и методы для контроля за ЭСР

3. Методы построения элементов защиты аналоговых ИС от воздействия ЭСР 

4. Примеры схемотехнических и технологических реализаций схем защиты от ЭСР 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Введение

ESD – ElectroStatic Discharge (электростатический разряд, ЭСР) - разряд статического электричества. Электростатический разряд представляет собой существенную опасность для ИС, и разработка защитных элементов от него - важная ступень проектирования устройства. Тенденции развития полупроводниковой промышленности непосредственно связаны с уменьшением минимальных топологических размеров проектирования ИС, что приводит к большей чувствительности устройств по отношению к внешним факторам и, в частности, к ЭСР. Природа ЭСР может быть различной, поэтому невозможно обеспечить защиту компонентов во всех возможных ситуациях. Известен факт, что после внедрения на производстве комплекса программ по ESD-защите, ведущие производители телекоммуникационного оборудования снизили потери от брака в два раза.

Несмотря на то, что  электростатический разряд является переносчиком небольшого количества энергии, большая  разность потенциалов и высокая  скорость их изменения влекут образование  токов, достаточных для мгновенного  выхода из строя чувствительной электроники  или нанесения кристаллу изначально незаметных повреждений. Следствием таких  повреждений является деградация параметров — постепенный отказ, крайне сложный  для локализации..   

2. Материалы и методы для контроля за ЭСР

Как упоминалось  ранее, при обращении с небольшим количеством МОП_ транзисторов, ЭСР может казаться небольшой проблемой. Результатом в этом случае будут случайные необъяснимые отказы. При работе с очень большими количествами, когда качество является одним из главных показателей, ЭСР может стать реальной проблемой. График на рис.4 дает хорошую графическую иллюстрацию размеров проблемы и ее решения. Этот график построен на основе данных производственных линеек International Rectifier. За время от апреля 1982 года до октября 1983 года отказы, связанные с затвором, упали в 7 раз как прямой результат внедрения защитных мер от ЭСР. Существенный интерес представляет сильный рост отказов в период «ведьминых ветров» с октября по декабрь 1982г. в Эль Сегундо, Калифорния. Эти ветры вызывают экстремально низкую относительную влажность, которая приводит к обострению проблемы ЭСР. Эффективный контроль за ЭСР во время аналогичного погодного периодаоктября по декабрь 1983г. не показывает существенного увеличения отказов. 

Рис.4. Распределение  отказов, связанных с затвором при  операционном производственном контроле 

Метод прямой защиты

При защите любого силового МОП_транзистора от ЭСР или другого превышения напряжения затвора основной задачей является обеспечение напряжения затвор_

исток,не превышающего максимального указанного

значения (±20 В для  МОП ПТ). Это справедливо и для рабочих схем и вне их. Прямая защита МОП_транзистора может включать такие методы, как закорачивание затвора на исток или применение зенеровской защиты затвор_исток. Будучи эффективным для внутрисхемных применений и при

малом количестве, эти  методы практически бесполезны в условиях производства из-за большого количества участвующих в процессе МОП_транзисторов. Основной концепцией полной защиты от статического электричества для силовых МОП_транзисторов является исключение условий создания его, где только возможно, и быстрое удаление существующих зарядов. Материалы в окружающей среде могут или помогать, или мешать контролю за статическим электричеством. Они могут быть поделены на четыре категории по поверхностному сопротивлению: изолирующие (> 1014 Ом/квадрат), антистатические (109 _ 1014 Ом/квадрат), рассеивающее статическое электричество (105 _ 109 Ом/квадрат) и проводящие (< 105 Ом/квадрат). Идеально, чтобы защитить МОП_транзистор, достаточно заземлить проводящие тела в производстве. Дополнительно, весь персонал, участвующий в производственном процессе, должен быть хорошо заземлен. К сожалению, люди, участвующие в производственном процессе, становятся уязвимыми к поражению электричеством при неисправном электрическом оборудовании. Кроме того, при перемещении на большие расстояния может оказаться трудным поддерживать хорошее заземление. Следовательно, защитные материалы и методы должны выбираться,

основываясь на ситуации. 

Изолирующие материалы

Из-за склонности к накоплению статических зарядов необходимо держать предметы, сделанные из изолирующих материалов, подальше от силовых МОП_транзисторов и, если возможно, вне рабочей среды. Так как электрический ток не может протекать через изолятор, электрические соединения от изолятора на землю бесполезны при защите от статического заряда. Изолирующие материалы включают в себя: полиэтилен (обычные пластиковые мешки), полистирен (упаковочные коробки), майлар, твердую резину, винил, слюду, керамику, большинство пластмасс и некоторые органические материалы.

Когда пластмассовые предметы должны использоваться в работе с силовыми МОП_транзисторами, используйте только те, которые пропитаны проводящими материалами и/или обработаны антистатическими компаундами.

Антистатические материалы

Антистатические материалы  обладают сопротивлением к созданию зарядов трением, но не обеспечивают защиты от электрических полей. Коронный разряд может проходить через антистатическую оболочку и выводить из строя любые МОП_транзисторы, находящиеся внутри. Из-за высокого поверхностного сопротивления антистатического материала, заземление его не очень эффективно для удаления заряда. Некоторые пластмассовые изоляторы могут обрабатываться антистатическими реагентами, которые химически снижают их способность к электризации трением и делают меньше их поверхностное сопротивление. Большинство антистатических реагентов требуют относительно высокой влажности, чтобы работать эффективно. Следовательно, относительная влажность производственных помещений, где работают с силовыми, должна поддерживаться выше 40 %.Кроме того антистатические реагенты после некоторого периода времени утрачивают свойства антистатика, а также большинство из них используют активные химические вещества, которые могут корродировать металл. Антистатические пластмассы должны ограничиваться кратким сроком использования только в разовых ситуациях. 

Материалы, рассеивающие статическое  электричество

Материалы, рассеивающие статический заряд, эффективны для применения на любой поверхности для удаления статических зарядов путем контакта с землей. В материалах, рассеивающих статическое электричество, возможно создание зарядов трением, но они рассеиваются по материалу и могут легко разряжаться на землю. Материалы, рассеивающие статический заряд, удобны для использования на полах, поверхностях столов и одежде. 

Проводящие  материалы

Проводящие материалы  удобны в использовании для создания средств для хранения и транспортировки  силовых МОП_транзисторов. Подобно материалам, рассеивающим статический заряд, проводящие материалы подвержены электризации трением, но могут легко разряжаться на землю. Пластмассы, обычно являющиеся хорошими изоляторами, могут быть сделаны проводящими, когда они изготавливаются из базового материала с добавками углерода или металла. Контейнеры должны быть сконструированы так, чтобы проводящие элементы не отделялись и не мигрировали, иначе они будут загрязнять окружающую среду. Силовые МОП_транзисторы, помещенные в закрытые проводящие контейнеры, находятся в безопасности от коронного разряда, так как электрический ток проводится поверхностью контейнера. Содержимое контейнера экранируется. 

Ионизаторы

В дополнение к пассивному контролю за статическими зарядами путем выбора подходящих материалов, иногда могут быть необходимы активные формы контроля, которые  дают дополнительные преимущества. Ионизаторы являются активной формой контроля статических  зарядов. Существуют три основных типа ионизаторов: переменного  тока, постоянного  тока и ядерные. Ионизаторы предназначены для  создания больших  и равных количеств  положительных и  отрицательных ионов. Когда требуется  нейтрализовать конкретный объект, то он стремится  притягивать только те ионы, которые  необходимы для нейтрализации. Избыток же положительных  или отрицательных  ионов нейтрализуется заземленными предметами. При использовании ионизаторов постоянного тока применяйте только ионизаторы балансного типа. Ионизаторы постоянного тока не балансного типа могут создавать разбаланс в концентрации ионов различной полярности, создавая точно такой же фактор опасности, который пытаются исключить. Объекты и даже воздух могут иногда получать заряд от ионизатора.

Следовательно, нужно  избегать применения ионизаторов любого типа в общем помещении. Никогда не пользуйтесь ионизаторами, когда имеется возможность контакта с влагой. 

Для снижения возможности  возникновения ESD должна регулярно проводиться работа с обслуживающим персоналом и пройти соответствующую подготовку помещение. Особое внимание следует уделить: полам, покрытию столов, заземлению и т.д. Но наиболее эффективная защита от ЭСР наступает тогда, когда под контролем находится вся окружающая среда. Замена только полов и покрытий столов недостаточна. Когда все подходящие для защиты от ЭСР средства используются совместно с обученным персоналом, отказы из-за ЭСР могут быть снижены до пренебрежимо низкого уровня. 

Подготовка  рабочих помещений:

Полы;

Покрытие  столов;

Контейнеры;

Персонал;

Заземление;

Тестовое  оборудование. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3. МЕТОДЫ ПОСТРОЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ЗАЩИТЫ АНАЛОГОВЫХ ИС

ОТ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭСР 

 Цепи защиты от воздействия электростатического разряда (ЭСР) пропускают избыточный заряд, препятствуя возникновению катастрофических для внутренних уз-лов микросхемы напряжений и токов. При проектировании цепей защиты важно обес-печить равномерное растекание избыточного тока, своевременное включение защит-ного элемента и быстрый отвод тока с наименьшим рассеиванием тепла. Среди множества существующих методов построения элементов защиты от ЭСР необходимо выделить методы, удовлетворяющие как специальным требованиям АИС, так и обладающие достаточным потенциалом к достижению уровня 4 кВ по мо-дели человеческого тела. Важным свойством схемы защиты является "прозрачность", т.е. минимальное влияние на полезный аналоговый сигнал. На "прозрачность" оказывают влияние сле-дующие составляющие:

      1. Емкость. Схема защиты не должна  иметь большую паразитную емкость. 

      2. Утечки. Через элементы защиты  не должен протекать сквозной  ток как при высоком, так  и низком потенциале на выводе  ИС.

      Кроме того, скорость включения схемы защиты также является критичным фак-тором при проектировании входных и выходных КП.  

       Рис. 1. Комплексная схема защиты выводов ИС от ЭСР.

Как правило, схемы защиты основаны на отводе стрессового тока от некоторой КП на шину питания или  земли, а от них  − на другую КП (рис. 1).

Наиболее  распространены схемы  защиты, состоящие  из двух каскадов −  основ-ного и вспомогательного, а также изолирующего резистора между ними [3]. Вспомога-тельный каскад необходим для первоначального отвода тока до включения основного защитного элемента.

Изоляционный  резистор, выполненный на n-кармане  имеет следующий недос-таток. Во время ЭСР через паразитный диод отводится часть тока, что приводит к уменьшению падения напряжения на резисторе, и, как следствие, к несвоевременному включению основного элемента защиты. Уменьшение этих утечек достигается тополо-гическими методами.

Распространенными схемами защиты от ЭСР являются: на n-МОП транзисторе с толстым подзатворным окислом и n-МОП транзисторе с заземлённым затвором; на диодах с изолирующим резистором; с использованием кремниевого управляемого диода (КУД).

Схема на n-МОП транзисторе с толстым подзатворным окислом и n-МОП тран-зисторе с заземлённым затвором приведена на рис. 2. В качестве основного элемента здесь выступает толстоокисный транзистор, а в качестве вспомогательного − транзистор с заземленным затвором.

Рис. 2. Схема  защиты от ЭСР на основе транзистора  с толстым окислом.

      При ЭСР первым пробивается  транзистор с заземленным затвором, что приводит к локальному увеличению потенциала подложки толстоокисного транзистора, через который начинает отводиться основной ток.

      Напряжение  срабатывания толстоокисного транзистора достаточно велико (около 40 В), поэтому с точки зрения увеличения уровня защиты до 4 кВ такая схема не является перспективной. Кроме того, использование транзистора на толстом окисле в субмикронных технологиях затруднено из-за неравномерной плотности тока при его срабатывании.

      Схема защиты от ЭСР на основе диодов и изолирующего резистора между ними является одной из самых распространенных схем, которая может гарантированно держать уровень ЭСР до 2 кВ (рис. 3).

      Для обеспечения более  высокого уровня защиты нужно увеличивать  площади защитных диодов, что топологически реализуется в виде многопальцевого транзистора. Во время ЭСР все секции такого транзистора не могут открыться одновременно, что приводит к повышению локальной плотности тока и, в конечном счете, к пробою. Поэтому часто получается низкий уровень стойкости к ЭСР даже при большой площади защитных диодов.

      Рис. 3. Схема защиты выводов ИС на основе диодов. 

      Если  в качестве защитного  элемента применяется  КУД (рис. 4), то в роли вспомогательного каскада можно использовать n-МОП транзистор с заземленным затвором. Однако напряжение включения КУД достаточно высоко, что приводит к необходимости вводить дополнительные элементы в схему защиты для уменьшения времени его срабатывания [4]. Это, в свою очередь, увеличивает площадь интерфейсной схемы и вносит дополнительные паразитные элементы.

      Для высокочастотных АИС использование  изоляционного резистора в схеме  защиты неприемлемо. Вместо резистора  возможно применение транзистора с  зазем-ленным затвором, имеющего увеличенную ширину канала. Но увеличение ширины ка-нала транзистора приводит к росту паразитной емкости стока, подключенного ко вход-ной КП. Эта паразитная емкость pn-перехода может значительно исказить аналоговый сигнал.

      Рис. 4. Кремниевый управляемый диод.

      Одним из недостатков всех схем защиты от ЭСР  является невозможность  их применения не только в различных технологиях, но и в разных классах  аналоговых схем, выполненных  по одинаковой технологии. На механизм работы защитной схемы оказывает  влияние защищаемая схема, что приводит к ситуации, когда изделие успешно проходит тест на 4 кВ, но не проходит на 2 кВ. Поэтому при проектировании схем защиты необходимо принимать во внимание внутреннюю структуру изделия.

      На  рис. 6 приведены сравнительные  характеристики различных  элементов за-щиты. Оптимальным для применения в аналоговых схемах является КУД (максимальная степень защиты при умеренной паразитной емкости).

      . Рис. 6. Сравнительные характеристики некоторых элементов защиты.  

      Схема с использованием КУД является перспективной  для получения  высокого уровня защиты от ЭСР при соответствующем  уменьшении времени срабатывания. Если вспомогательные элементы, вводимые для этого в схему, не очень значительно увеличат площадь схемы, то такая схема может стать основной при проектировании защиты входных КП аналоговых ИС от ЭСР уровня 4 кВ.

Схему на основе КУД необходимо модифицировать следующим образом: избавиться от изолирующего резистора и сделать ее симметричной относительно выводов земли и питания (рис. 7). Для увеличения скорости включения КУД вводится схема управления (СУ). В качестве вспомогательных элементов предлагается использовать транзисторы в диодном включении для первоначального токоотвода перед запуском основного защитного элемента.

      Рис. 7. Модифицированная схема защиты на основе КУД.  

      Таким образом, рассмотрев типовые схемы  защиты выводов аналоговых ИС от ЭСР можно  выделить схемы, основанные на применении кремниевого  управляемого диода  как перспективные  с точки зрения повышения уровня стойкости к ЭСР  до 4 кВ.

Схемы на кремниевом управляемом  диоде необходимо модифицировать с  це-лью увеличения скорости включения и исключения изолирующего резистора. 
 
 
 
 
 
 
 

4. Примеры схемотехнических и технологических реализаций схем защиты от ESD

Важно обеспечить равномерное  распределение стрессового  тока после пробоя, своевременное включение  защитного элемента и быстрый отвод  тока с наименьшим рассеиванием тепла. Схема защиты должна иметь минимальное  паразитное сопротивление  и емкость, чтобы  минимизировать падение  напряжения на этом элементе и уменьшить  дополнительную нагрузочную  емкость защищаемого  устройства в случае её использования  в выходном буфере.

Всего этого можно добиться различными путями, один из которых - совмещение в защитном элементе управляемого диода  с низким напряжением  защелкивания (Low-Voltage-Threshold Silicon-Controlled Rectifier, LVTSCR) и n-МОП транзистора с затвором, связанным с контактной площадкой через конденсатор (Gate-Coupled NMOS, GCNMOS). Использование LVTSCR позволяет минимизировать площадь защитного элемента, снижает напряжение защелкивания до напряжения вступления в низкоомную область n-МОП транзистора входного/выходного буфера. Использование этого варианта обеспечивает равномерное распределение тока после защелкивания, что дела-ет возможным использование такого элемента в силицидных технологиях. GCNMOS не стоит использовать как основной элемент ESD-защиты, так как для пропускания большого стрессового тока через устройство необходимо делать его слишком большим по сравнению, например, с SCR.

Описание  устройства GC-NTLSCR/PTLSCR: 

Реализация  защитного элемента, объединяющего SCR и GCNMOS, представлена на рис. 1a.

На  рис. 1б представлена комплементарная защита входной/выходной площадки с помощью LVTSCR n- и p-типа. Затворы n-МОП и p-МОП связаны с контактной площадкой через конденсаторы Cn и Cp, образованные поликремнием и самой контактной площадкой. Поэтому создание конденсаторов не требует дополнительного пространства, что является большим преимуществом. Напряжения защелкивания двух управляемых диодов равны напряжениям пробоя между диффузионной n+ областью и подложкой и диффузионной p+ областью и n-карманом для NTLSCR и PLTSCR, соответственно. Это напряжение соответствует напряжению вступления в snapback-область ВАХ для n-МОП и p-МОП. Использование n-кармана дополнительно к n+ диффузии для катодов NTLSCR и PTLSCR увеличивает эффективность соответствующих эмиттеров, то есть позволяет пропускать через устройство больший стрессовый ток.

Принцип работы устройства GC-NTLSCR/PTLSCR

Описание  элемента PDNMOS

Описание  устройства WCFOD