[논문]Flyback 방식을 이용한 on-wafer용 HBM ESD 테스터 구현

박창근; 염기수

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반도체 소자의 정전기 내성을 알아보기 위해 필요한 HBM ESD 테스터를 작자하였다 .HBM ESD 테스트는 MMIC의 정전기 내성을 측정하는 데 가장 많이 사용하는 방식이다. 고전압의 ESD 신호론 얻기 위하여 DC-DC converter의 일종인 flyback 방식온 도입하였다. Flyback 방식으로 제자된 HBM ESD 테스터는 고전압 부분과 저전압 부분을 서로 격리시킬 수 있는 장점이 있다 스위치로 사용된 relay의 air gap을 이용하여 정전기의 rise time이 국제 규격에 맡도록 설계하였다. 결과적으로, flyback 방식과 relay의 air gap을 이용하여 기생 성분이 최소화된 ESD 테스터를 제작하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

We made ESD tester to measure ESD threshold voltage of semiconductor devices. The HBM ESD test is the most popular method to measure the ESD threshold voltage of MMSIC. We use flyback method which is one of the DC-DC converter to get high ESD voltage. With flvback method, we can isolate the 1ow volt...

We made ESD tester to measure ESD threshold voltage of semiconductor devices. The HBM ESD test is the most popular method to measure the ESD threshold voltage of MMSIC. We use flyback method which is one of the DC-DC converter to get high ESD voltage. With flvback method, we can isolate the 1ow voltage part from the high voltage part of HBM ESD tester. We use an air gap of the relay which is used for switch to satisfy the rise time of ESD standard(MIL-STD). As a result, with the flyback method and the air gap of relay, we can make ESD tester whose parasitic components are minimized.

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문제 정의

본 논문에서는 국제 규격을 만족시키는 정전기 발생기를 저렴하게 구현 가능한 방법을 제시하고, 구현된 정전기 발생기의 출력 파형이 국제규격에 맞음을 확인하였다.

제안 방법

이는 HBM(Human Body Model), MM(Machine Model), CDM(Charged Device Model) 이다. HBMe 사람 몸에서 발생하는 정전기를 모델화한 것이고, MMe 측정장비를 비롯한 기계에서 발생하는 정전기를, CDMe 칩 내부에서 전하가 충전되어 발생하게 되는 정전기를 모델화한 것이다. 이중에서 정전기 내성 테스트로서 국제적으로 가장 많이 사용되는 것이 HBM이고, MMe 보조적으로 사용된다.
따라서 상대적으로 구현이 쉽게 가능한 HBM 을 이용한 테스트가 널리 사용된다. 본 논문에서도 HBM을 이용한 정전기 발생기를 제작하였다.
집적회로의 설계에 있어서 필수적인 ESD 보호회로의 특성을 측정할 수 있는 ESD 테스트용 정전기 발생기를 설계/제작하였다. 본 논문에서 제시한 flyback 방식과 릴레이의 air gap을 이용한다면, 상용장비에 비하여 매우 저렴하면서도 국제 규격을 만족시키는 ESD 테스터의 구현이 가능함을 확인할 수 있었다.
5kQ에 흐르는 전류 값이, rise time이 lOnsec 이하, delay time이 130 - 170 nsec이다. 하지만, 위의 1.5k©에 걸리는 전압 파형으로 전류 값을 계산 할 수 있으므로 다음의 표와 같이 rise time과 delay time를 비교해보았다.
5kS에 걸리는 전압이다. 하지만, 측정에 사용한 오실로스코프가 최대 800V의 입력까지 견딜 수 있기 때문에 1.5k々을 IkQ과 5*2 0( 의 직렬로 바꾸어서 실제로는 500Q양단에 걸리는 전압을 측정하였다. 아래의 결과는 1.

대상 데이터

이 때문에 S/W1에 걸리는 스트레스는 S/W2에 걸리는 스트레스보다 낮다. 따라서 S/W1은 일반적으로 많이 사용하는 MOSFET 으로 제작하였다. 그리고 S/W2는 capacitor 에 걸리는 전압만큼의 내압을 가지고 있어야 하므로 매우 높은 고압용 스위치를 사용해야 한다.

이론/모형

현재 실리콘 기반의 반도체 회로의 경우 2000V 이상의 HBM ESD를 견딜 수 있도록 설계 되고 있다. 하지만 본 논문에서 소개하는 ESD 테스터는 4000V 이상의 HBM 전압을 얻을 수 있도록 설계되었으며, 이를 위하여 고전압 부분은 그림 4와 같이 Flyback 방식을 이용하였다.

성능/효과

발생기를 설계/제작하였다. 본 논문에서 제시한 flyback 방식과 릴레이의 air gap을 이용한다면, 상용장비에 비하여 매우 저렴하면서도 국제 규격을 만족시키는 ESD 테스터의 구현이 가능함을 확인할 수 있었다. 특히 flyback 방식으로 저전압 부분을 고전압 부분과 완전히 분리시킴으로써 매우 안정적으로 동작하는 것을 확인하였으며 릴레이의 air gap을 이용하여 ESD 파형의 rise time0] 수 nsec내에 들어 올 수 있도록 국제 규격을 만족시킬 수 있었다.
본 논문에서 제시한 flyback 방식과 릴레이의 air gap을 이용한다면, 상용장비에 비하여 매우 저렴하면서도 국제 규격을 만족시키는 ESD 테스터의 구현이 가능함을 확인할 수 있었다. 특히 flyback 방식으로 저전압 부분을 고전압 부분과 완전히 분리시킴으로써 매우 안정적으로 동작하는 것을 확인하였으며 릴레이의 air gap을 이용하여 ESD 파형의 rise time0] 수 nsec내에 들어 올 수 있도록 국제 규격을 만족시킬 수 있었다.

참고문헌 (3)

J. K. Keller, 'Protection of MOS integrated circuits from destruction by electrostatic discharge,' EOS/ESD Symposium Proc., 1980
B. Kleveland, et al.,'Distributed ESD Protection for High-Speed Integrated Circuits'IEEE Electron Device Lett., vol. 21, no. 8, pp. 390-392, 2000

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K. Bock., 'ESD issues in compound semiconductor high-frequency devices and circuits' Microelectronics Reliability., vol. 38, pp. 1781-1793, 1998

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