Behavior of silicon and gallium nitride devices under electrical overstress conditions

Abstract

Durch die Miniaturisierung von integrierten Schaltkreisen sind mikroelektronische Vorrichtungen hinsichtlich deren Integrierbarkeit als auch deren Leistung und Preisverhältnis immer besser geworden. Ein Nachteil bei diesem Trend stellt jedoch die Tatsache dar, dass diese Geräte auf Grund von unvorhergesehenen, von steigender Energiedichte verursachten Spannungsdurchschlägen immer mehr zum Durchbruch neigen. So wird manchmal bis zu der Hälfte der verfügbaren Fläche als Schutz für die aktiven Vorrichtungen eingesetzt. Somit wird übrigens die Leistungsfähigkeit der Vorrichtungen beeinträchtigt. Diese Arbeit befasst sich zuerst mit elektrostatischer Entladung (ESD) als erste Ursache eines unvorhergesehenen Spannungsdurchschlags. Dabei wurden die Effekte der ESD auf Silizium-Germanium-Heterobipolartransistoren (SiGe HBT) in rauscharmen Verstärkern erforscht. Es konnten zwei verschiedene Arten athermalen Spannungsdurchschlags bemerkt und analysiert werden, d.h. der Durchbruch von Silizium für lange Anstiegszeiten und die parasitäre Transistorwirkung für kurze Anstiegszeiten und/oder Substratkopplungen. Es wurden zwei Typen von gesteuerten Silizium-Gleichtrichtern (SCR) mittels transienten interferometrischen Abbildungverfahren beobachtet, welche als ESD-Schutz benutzt wurden. Besondere Aufmerksamkeit wurde auf deren Wirkung bei der Auslösung der Triggerspannung sowie bei der Ausbreitung in einem und in den darauffolgenden Fingern während der Durchlassphase geschenkt. Die Rolle von Abgriffen wurde in Durchbruchsituationen durch Emissionsmikroskopie, bei der Auslösung durch TIM analysiert. Darüber hinaus wurde die Beständigkeit von Galliumnitrid-Transistoren mit hoher Elektronenbeweglichkeit gegen vertikalen Durchbruch, Funktionsbeeinträchtigung im Sperr- und Durchlasszustand bei höheren Temperaturen und Kurzschluss getestet. Das Verhalten von HEMTs unter gepulster Belastung (ESD und Kurzschluss) wurde mit der TIM-Technik untersucht, welche es ermöglicht, die Wärmeabfuhr und die freie Ladungsträgerkonzentration durch deren Wirkung auf den Brechungsindex vom Material zu beweisen. Dabei wurden neue Techniken zur Analyse der Phasenverschiebung – etwa Datengewinnung aus dem verzerrten Signal oder der indirekten Beobachtung außerhalb desaktiven Bereichs – entwickelt.

The miniaturization of integrated circuits has made microelectronics devices better and better whether in terms of integrability, speed or cost. One of the drawbacks of this trend is that the devices are more and more prone to failure caused by unwanted electrical stresses, as power density increases. This has gone to the point where half of the available area is sometimes used for protecting the active device. In general, the protection also hinder the performance of the device. The first type of unwanted stress whose effects have been studied in this thesis is electrostatic discharge (ESD). ESD effects on Silicon-Germanium hetero-junction bipolar transistors (SiGe HBT) used in low noise amplifiers have been studied. Two different types of athermal failure behaviors have been identified and explained in terms of silicon breakdown for long rise time and transistor parasitic action for short rise time and/or substrate coupling. Two types of Silicon controlled rectifiers (SCR) used as ESD protection were studied. The SCR action was studied in terms of initial triggering, on-state spreading (OSS) in one finger, and sequential finger triggering was studied using Transient Interferometric Mapping (TIM). The role of trigger taps was investigated in breakdown with Emission Microscopy (EMMI) and during triggering using TIM. The reliability of Gallium Nitride High Electron Mobility Transistors (GaN HEMTs) has been investigated in terms of vertical breakdown, degradation of the conducting and blocking performance at high temperature and short circuit load conditions. The behavior of HEMT devices under pulsed stress conditions (ESD and short circuit load) was studied with the TIM technique, which allows to probe the heat dissipation and the free carrier concentration through their effect on the refractive index of the material. New methods to analyze of the phase shift were developed, also enabling to work with distorted signal, or indirect probing outside the active region.