Berndt -- ESD Schutz

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  • Quelle fr elektrostatische Auf- und Entladevorgnge sein. Dabei knnen Einzelbauelemente oder ganze Baugruppen geschdigt werden. Zwischen der direkten Entladung und einer speziellen Feldwirkung wird bei beiden Modellen unterschieden. Bisher gibt es keine speziel-len Modellaufbauten oder Schdigungsmodelle [91] .

    1.5. Allgemeine Fehlermodelle von elektronischen Bauelementen

    Fehler durch elektrostatische Ladungen werden allgemein durch einen ESD Impuls hervor-gerufen. Prinzipiell kann zwischen leichten oder harmlosen und schweren Fehlern unterscheiden werden. Entsprechend der englischsprachigen Literatur kann man auch von ,"soft" und "hard" Fehlern sprechen.

    Leichte Fehler sind das Ergebnis einer ESD Entladung im Inneren einer elektronischen Ein-richtung, ohne dass das elektronische Bauelement total zerstrt wird . Das bei der Entladung entstehende elektrostatische Feld erzeugt eine Beeinflussung der elektronischen Schaltung oder einzelner Schaltungselemente. ESD Entladungsimpulse knnen kapazitiv oder induktiv eingekoppelt werden . Der dabei entstehende Strom und das damit verbundene elektrische Feld existieren nur sehr kurz, knnen aber durch ihre Intensitt bedeutende Effekte im Gert hervorrufen . ESD Transienten sind nicht nur der Teil eines Signalproblems, sondern des ge-samten elektronischen Systems. Im Allgemeinen werden geringe Energien oder sehr kleine Spannungsnderungen bei hohen Impedanzen zum Schalten von Gerten oder Speichern von Daten gefordert. Damit sind diese elektronischen Systemkomponenten aber sehr emp-findlich gegenber ESD Ereignissen. Leichte Fehler knnen die Arbeit von elektronischen Einrichtungen beeinflussen. Die Einkopplung von ESD Impulsen in elektronische Einrichtun-gen kann zu Vernderungen der gespeicherten Daten fhren, eingeschlossen sind dabei smtliche Speichermedien, sowohl elektronische als auch magnetische Datentrger. Im Ver-gleich zu den schweren Fehlern sind sie nicht sofort erkennbar und knnen zu irgendeinem schwer vorher bestimmbaren Zeitpunkt auftreten. Kommen sie mehrfach vor, so knnen sie die Lebensdauer bestimmter Teile einer Einrichtung oder des gesamten Systems reduzieren . Als grundlegend schwere ESD Fehler werden die folgenden drei Fehlermechanismen be-zeichnet:

    Thermischer Durchbruch eines berganges (Thermischer Lawinendurchbruch) Dielektrischer Durchbruch Aufschmelzen der Metallisierung

    Die drei Beispiele fr schwere ESD Fehler, die zur Zerstrung der Bauelemente durch elekt-rostatische Fehler fhren knnen, verteilen sich wie folgt auf die Bauelementetechnologien [8]:

    90% aller bipolaren Bauelemente werden durch einen thermischen Durchbruch und nur 10 % durch das Aufschmelzen der Leitbahnen zerstrt. Bei MOS Schaltkreisen sieht es umge-kehrt aus, 63 % werden durch Aufschmelzen der Metallisierung und nur 27 % durch einen dielektrischen Durchbruch geschdigt. Hier ist wieder der Unterschied zwischen spannungs-gefhrdeten und energiegefhrdeten Bauelementen zu sehen.

    1.5.1 . Thermischer Durchbruch

    Elektrostatische Entladungsvorgnge verursachen vorrangig bei bipolaren Bauelementen thermische Durchbrche. Es kommt zum Kurzschluss des pn-berganges und damit zum Ausfall des Bauelementes sowie des gesamten Gertes. Zum Aufschmelzen des pn-

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  • am - chbruches . thermischen Dur hrt zu ein berganges kommt es aber nur, wenn die Schwelle des. t

    der Strom an und ffhrt zu einbergang berschritten wurde. Beim ersten Durchbruch steigt Ausbildung eines . rung d

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    Zur Reduzierung der ESD Empfindlichkeit werden von den Halbleiterherstellern integrierte Eingangsschutzschaltungen in die Bauelemente eingebaut. Diese zustzlichen Schaltungs-elemente bewirken einen begrenzten Gateschutz. ln vielen Fllen wird der Eingangstransis-tor des Schutznetzwerkes selbst durch einen ESD Impuls zerstrt. Dieser Fehlermechanis-mus schliet den Bereich der thermischen Schden der strombegrenzenden Widerstnde und der Schutzdiodenbergnge der Eingangsschutzschaltungen ein, sowie die Gate-oxidschden der Bauelemente. Wie in dem Fall des thermischen Durchbruches der bipolaren Transistoren werden auch MOS-Bauelemente bei einer Reduzierung der Strukturabmessun-gen sowie einer Erhhung der Packungsdichte empfindlicher gegenber ESD.

    1.5.3. Aufschmelzen der Metallisierung

    Fehler knnen sich auch ereignen, wenn durch einen ESD Transienten eine bedeutende Zunahme der Bauelementetemperatur hervorgerufen wird und diese zum Aufschmelzen der Metallisierung oder der Bonddrhte fhrt (vgl. Bild 1.25c). Mehrfach wurden theoretische Modelle aufgestellt, die die Berechnung der Strme, in Abhngigkeit vom Material und der stromdurchflossenen Querschnittsflche sowie der Dauer des Stromflusses, erlaubt. Das Aufschmelzen der Metallisierung ist hufig ein zweiter oder Folge-Fehlermechanismus. Er ereignet sich oft als Folge eines zweiten Durchbruches oder eines Gateoxiddurchgriffes. Zu-erst wird ein Kurzschluss verursacht, danach fl iet ein gengend groer Strom. Dieser bewirkt ein Aufschmelzen der metallisierten Leitbahnen. Bei diesem Fehler fllt zuerst der pn-bergang oder das Gateoxid aus und als zweites erfolgt das Aufschmelzen der Metalli-sierung. Nach einer ersten Vorschdigung fllt das Bauelement somit total aus.

    1.5.4. Unterschiede bei den verschiedenen Bauelementetechnologien

    Ausgehend von den unterschiedlichen Bauelementetechnologien wird unterschieden zwi-schen spannungs- und energieempfindlichen Bauelementen und Baugruppen. Bei der Zerstrung von elektronischen Bauelementen existieren danach zwei verschiedene Mecha-nismen: ein Strom- und ein Spannungsmodus. Frher waren nur MOS-Bauelemente gegenber elektrostatischen Entladungen gefhrdet, heute knnen alle Bauelementetypen zerstrt werden. MOS-Bauelemente sind typische Vertreter fr spannungsempfindliche Bau-elemente, bipolare dagegen sind stromempfindlich .

    Im Fall des Spannungsmodus, in einem MOS-Transistor, fliet kein Strom, fr den Moment wo die Spannung angelegt wurde. Der Strom ber dem Gateoxid (Dielektrikum) ist ann-hernd Null. Ist die elektrische Spannung unter dem Durchbruchpegel, dann passiert nichts, d.h. das Gateoxid wird nicht zerstrt. Die elektrostatischen Ladungen knnen aber vom Ga-te-oxid gespeichert werden. Fr den Spannungsmodus gibt es jetzt zwei Mglichkeiten, entweder das Gateoxid ist nicht vorgeladen, aber die elektrostatische Spannung ist ber dem Durchbruchpegel, dann wird das Gateoxid sofort zerstrt. Der andere Fall tritt ein, wenn das Gateoxid bereits elektrostatische Ladungen gespeichert hat und jetzt eine Spannung ange-legt wird, die sich zu den Ladungen addiert und jetzt insgesamt ber der Durchbruch-spannung liegt, dann wird das Gateoxid zerstrt. Bei dieser einfachen Erklrung wurden vie-le parasitre Effekte vernachlssigt, z.B. Leck- oder nichtlineare Strme, Tunnelstrme in sehr dnnen Gateoxiden.

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  • ausgegange t Hier wird davon rsche E Bipolare Transistoren sind energieempfindliche Baueieman efl' t. Eine elektrosta 1owga

    dass ber dem pn-Ubergang im Betrieb ein normaler Strom 1~en eigentlichen pn den. D< Iadung verursacht dann einen hheren Stro.m, der Wiederum Wrme umgesetzt wer ten . DJ hher belastet. Diese Belastung muss vm Ubergang ln z.Bh hen Strmen verd~l~g zerst fhrt dazu, dass die Materialien am pn-Ubergang. bel seh~ 0 Bauelement endgu 1 Folge ist wiederum, dass der Strom weiter anste1gt und as . Halble

    d ntilchen H Wir .: . .. . .. Neben den elge trostatis~: l Zukunft1g mussen d1ese Aspekte starker beachtet werden. mer mehr durch elek rnente tu terbauelementen sind auch andere passive Bauelemente 1m gen der Baueie Entladungen gefhrdet. Die weitere Reduzierung ?er Abmess~enmenten. zu Erhhung der ESD Empfindlichkeit von elektronischen Baue

    1.6. Wirkungen von ESD auf MOS-Strukturen

    1 .6.1. Aufbau und Wirkungsweise eines MOS-Transistors . spannunge

    d' durch kleine KanalE MOS- und CMOS-Transistoren sind Feldeffektanordnungen, ~OS-Transistor (n hes Feit gesteuert werden. Bild 1 .26 zeigt einen Querschnitt von eme~

    1 durch ein elektnsc

    hancement Transistor). Die Steuerung des Stromflusses erfo g dass ber dem Gate an den Transistor angelegt wird. _

    Source Gate Orom

    1 l St/tzt'urnoxtd(JiOz) ~V 6oft:oxid 7:1 ~ frbntaktfldlt:tJ l~ t' ~" :.:~.. ~ :,r~I"II,~.E:, .. :f,.~ 5:~ Sttiztum-n.,. ocbtet -Stlizium-p-SubJ'trof Bild 1.26: Querschnitt eines MOS-Transistors ET (tsolato

    . iGF Gate' . T ns1stors. deS Es g1bt verschiedene Mglichkeiten fr den Aufbau eines MOS- r~ ben der Art 1 5

    unteQ Gate-FET), JFET (Junction-FET), SFET (Sperrschicht-FET) usw. u~rnden Geble e 1st dB werden d1e Bauelemente nach der Art der Entstehung des zu ste ment) WP vera~ schieden: Verarmungs- (Depletion) oder Anreicherungs- (Enhanc~chl rnan vo~delt e~ eiekinsehe Kanal bereits im spannungslosen Zustand vorhanden, sp erzeugt, ha cM05 ~ungstyp .. Wird dieser Kanal durch Anlegen einer ueren Span~~~~~nd sein .. ~::118chniK. SICh u~ ~1nen Anreicherungstyp. Der Kanal selbst kann n~ oder P n slosen Dlg ncernen T~chnlk 1st e1ne Weiterentwicklung der MOS-Technik zu emer lelslu l einem Enhator-Halb Die CMOS-S~haltungsanordnung besteht aus einem ~eplellon- u~ Metall-lsola GateOX1' T~anslstor .. Fur d1e weiteren Betrachtungen stellt d1e Anordn~Jte dar. D.assehrgute~ leltermatenal ~Gate-Si02-Kanal) einen Plattenkondensator hoher umoxid ist eins SiliziU~~ besteht aus S102 mit einer Dicke von weniger als 10 nm. Das SIIIZI speichert da