Latente ESD-Schäden

Häufig wird Halbleiterherstellern die Frage nach dem Risiko von Feldausfällen ihrer Produkte infolge einer möglichen ESD-Vorschädigung gestellt. Leider gibt es nur wenige Veröffentlichungen zu diesem Thema, was nicht zuletzt auch an den Schwierigkeiten liegt, einen derartigen Ausfall nachzuweisen.

Grundsätzlich lassen sich Ausfallmechanismen durch elektrische Belastungen, zu denen auch ESD gehört, entsprechend der verursachenden Größe unterteilen in:

  • Ausfälle von Halbleitern durch überhöhte Verlustleistungen bzw. -energien
  • Ausfälle von Leitbahnen durch überhöhte Ströme
  • Ausfälle von Dielektrika durch überhöhte Spannungen

Unter den Dielektrika reagieren die Gate-Oxide am empfindlichsten auf Überspannungen. Dies liegt an der besonders geringen Dicke der Gate-Oxide, die typischerweise durch hochenergetische Ladungsträger geschädigt werden, welche zuvor in hohen elektrischen Feldern beschleunigt wurden. Diese Ladungsträger können lokale, geladene Störstellen im Oxid erzeugen, deren Ladung zwar wieder entfernt werden kann die aber nicht ausheilen. Bei späterem Beschuss werden so immer mehr Störstellen erzeugt, bis sich ein Leckstrompfad durch das Gate-Oxid hindurch bildet und es schließlich zu einem Versagen der Isolation des Gate-Oxids kommt. Die Anzahl der erzeugten Störstellen hängt dabei sowohl von der Dicke des Gate-Oxids als auch von der Höhe und Dauer der angelegten Überspannung ab. Grundsätzlich ist es also möglich, dass Gate-Oxide aufgrund von ESD-Überlastungen unbemerkt beschleunigt altern und später vorzeitig ausfallen.

Leitbahnen, die überhöhtem Stromfluss ausgesetzt werden, sind anfällig für Elektromigration. Dabei kommt es infolge eines hohen Elektronenstroms zum Transport von Metallatomen in Richtung des Elektronenstroms. Dies kann zu einer Anhäufung von Metallatomen auf der einen Seite einer Leitbahn und zu einem Abbau von Metallatomen auf der anderen Seite der Leitbahn führen. Während erstere bei wiederholter Überlastung Kurzschlüsse zu benachbarten Metallbahnen verursachen kann, kann es durch letzteren im schlimmsten Fall zu einer Unterbrechung der überlasteten Leitbahn kommen. Der Materialtransport durch Elektromigration hängt sowohl von der Materialbeschaffenheit der jeweiligen Leitbahn als auch von der Zeitabhängigkeit (Höhe, Polarität, Dauer) des fließenden Stromes ab. Grundsätzlich ist es also möglich, dass Leitbahnen aufgrund von überhöhten ESD-Strömen unbemerkt beschleunigt altern und später vorzeitig ausfallen.

Halbleiter, in denen überhöhte Verlustleistungen entstehen und -energien freigesetzt werden, erwärmen sich. Mit zunehmender Temperatur steigt auch die Eigenleitungsdichte, die für den Halbleitercharakter entscheidend ist. Überschreitet die Eigenleitungsdichte dabei die Konzentration der verwendeten Dotierungen, so verlieren betroffene pn-Übergänge ihre Sperreigenschaften und verhalten sich zunehmend wie metallische Leiter. In der Folge steigt die freigesetzte Energie weiter an, der Halbleiterkristall erwärmt sich noch mehr, die Eigenleitungsdichte nimmt weiter zu und bei von außen eingeprägtem ESD-Strom nimmt der Spannungsabfall über dem betroffenen Teil des Halbleiters ab. Dieser Mechanismus führt schließlich zum Aufschmelzen des Halbleiters und wird als thermische Instabilität bzw. Second Breakdown bezeichnet. Abhängig von der Dauer dieser Überlastung kann es im Halbleiter zu mehr oder weniger kleinen Leckströmen bis hin zu Kurzschlüssen kommen. Die überhöhten Verlustleistungen bzw. -energien, welche eine thermische Instabilität auslösen, können entweder durch Einprägen überhöhter Ströme und/oder Spannungen von außen verursacht werden, oder aber durch Zünden instabiler Zustände (z.B. Snapback oder Oszillationen) entstehen.

In der Vergangenheit haben verschiedene Halbleiterhersteller Untersuchungen durchgeführt, um die Folgen von ESD-Vorschädigungen zu beurteilen. Ein latenter ESD-Ausfall konnte dabei nicht nachgewiesen werden. Dies schließt die Möglichkeit eines latenten ESD-Ausfalls zwar nicht zwangsläufig aus, legt aber nahe, dass derartige Ausfälle sehr selten sind. Letzteres erscheint plausibel, wenn man bedenkt, dass ESD-Überlastungen in ESD-geschützten Fertigungsbereichen ohnehin sehr selten auftreten.

Höher ist dagegen das Risiko latenter EOS-Schäden zu bewerten, da diese jegliche elektrische Überlastung beinhalten.  Daher ist es so wichtig, sich über die Absolute Maximum Ratings eines Produkts zu informieren und eine Verletzung seiner Grenzwerte unter allen Umständen zu vermeiden.