[논문]반도체소자의 정전기방전(ESD)에 의한 장해

김상렬; 김두현; 김상철; 이종호

반도체소자의 정전기방전(ESD)에 의한 장해 원문보기

김상렬 (안동과학대학 산업보건과) , 김두현 (충북대학교 안전공학과) , 김상철 (세명대학교 안전공학과) , 이종호 (충북대학교 안전공학과)

정전기 장해대책의 기본은 정전기의 발생을 억제하는 것과 축적된 전하를 될 수 있는 대로 조속히 완화시키는 것이다. 정전기로 인한 장해는 여러 분야에서 발생되고 있으며 그 중요성 및 심각성을 간과할 수 없다. 그 중에서 반도체 분야는 경제성, 고성능화, 고신뢰성화의 실현을 위하여 반도체소자가 점차 LSI화되고 그 때문에 기술경향은 미세화, 집적화가 매년 진행되어 미크론의 시대에 이르렀으며 접합깊이, 게이트 산화막, 트랜지스터의 길이 등이 상당히 작아지고 있다. (중략)

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문제 정의

본 연구에서는 반도체소자의 정전기 완화특성 실험에서 나타난 반도체소자의 완화특성을 이용하여 반도체소자의 정전기방전 특성을 해석하고자 한다. 반도체소자의 대전방지 및 방전으로 인한 피해를 줄이기 위하여 소자의 전기장유도에 의한 대전현상인 유도대전소자모델(FCDM)실험을 통하여 반도체소자의 위험성을 파악하고자 한다
반도체소자의 대전에 대한 위험성은 정전기방전(ESD) 현상을 분석함으로서 평가할 수 있다. 본 실험에서는 정전기방전(ESD)현상을 분석하기 위하여 소자의 전기장유도에 의한 대전현상인 유도대 전소자모델(FCDM)에 의한 실험을 통하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
본 연구에서는 반도체소자의 정전기 완화특성 실험에서 나타난 반도체소자의 완화특성을 이용하여 반도체소자의 정전기방전 특성을 해석하고자 한다. 반도체소자의 대전방지 및 방전으로 인한 피해를 줄이기 위하여 소자의 전기장유도에 의한 대전현상인 유도대전소자모델(FCDM)실험을 통하여 반도체소자의 위험성을 파악하고자 한다

제안 방법

본 실험에서 사용한 반도체소자에 대한 FCDM tester는 AT&T Bell Laboratories에서 고안 한 실험장치로서 package형 반도체소자의 정전기방전 메카니즘을 연구하는데 유용한 장치이다. Fig.l에서 보는 바와 같이 구리판(전극)에 전압을 인가하여 전계를 형성시켜 DUT(Device Under Test)에 대전시킨 후 AD( Approaching Discharge) 방법으로 정전기방전(ESD) 시킨 다음 반도체소자의 위험성을 측정하여 그 결과를 Fig.2~9에 나타내었다.
본 실험에서는 반도체소자의 정전기방전(ESD)에 의한 위험성을 알아보기 위하여 OP Amp로 시 중에서 판매되고 있는 Package(DIP)형 소자를 선정하였으며, 대전방지의 관점에서는 외부 전계에 의한 소자의 대전여부와 방전시의 소자의 위험성 정도를 아는 것이 중요하다. 따라서 본 실험에서 는 FCDM테스터를 이용하여 소자에 전계를 형성하여 소자 Lead에 AD(Approaching Discharge) 방법으로 방전시킨 다음 소자의 특성 변화와 파괴여부를 측정하였다.
반도체소자는 DPDual In-line Package)형태가 주로 사용되며, 그 외에 SIP, SOJ, SOP, TSOP, QFP, ZIP, GTO 등의 형태가 많이 제조되고 있다. 본 실험에서는 Packa绍e형 8pin, 14pin DIP Device를 선정하여 인가전압에 따른 정전기방전(ESD)에 의한 반도체소자의 위험성을 파악하였다.

대상 데이터

본 실험에서는 반도체소자의 정전기방전(ESD)에 의한 위험성을 알아보기 위하여 OP Amp로 시 중에서 판매되고 있는 Package(DIP)형 소자를 선정하였으며, 대전방지의 관점에서는 외부 전계에 의한 소자의 대전여부와 방전시의 소자의 위험성 정도를 아는 것이 중요하다. 따라서 본 실험에서 는 FCDM테스터를 이용하여 소자에 전계를 형성하여 소자 Lead에 AD(Approaching Discharge) 방법으로 방전시킨 다음 소자의 특성 변화와 파괴여부를 측정하였다.

성능/효과

1) 인가전압(전극전압)이 높을수록 정전기방전(ESD)에 의한 방전전류는 크다.
2) 정전기방전(ESD)은 l, 000[V]~4, 000[V]까지 전압에서는 접촉방전이지만, 5,000[V]~25,000 [V] 전압에서는 소자 lead와 방전전극 사이의 공기절연파괴에 의한 공기방전이 일어난다.
3) 8pin 소자의 경우 인가전압이 11,000[V]~ 14, 000[V]에서는 특성변화만 나타났으며, 15,000 [V]~25,000[V]에서는 소자의 파괴가 일어났다.
4) 14pin 소자의 경우 인가전압이 11,000[V]~17, 000[V]에서는 특성변화가 없었으며, 18, 000 [V]~25,000[V]에서는 소자의 파괴가 일어났다.
5) 8pin 소자의 경우 CMRR올 측정한 결과 인가전압이 11, 00어胡~14, 000[巧에서는 특성변화 만 나타났으며, 15, 00이巧~25, 00이巧에서는 소자의 파괴가 일어났다.
6) 14pin 소자의 경우 CMRR을 측정한 결과 인가전압이 11, 00이V]~ 17, 000[V]에서는 특성변화 만 나타났으며, 18, 000[V]~25,000[V]에서는 소자의 파괴가 일어났다.
2와 3은 FCDM테스터를 이용하여 반도체소자의 정전기방전(ESD)시의 방전전류를 측정한 결과를 나타내었다. 인가전압이 클수록 방전전류값이 크게 나타나는 경향을 보였다. Fig.

후속연구

이상의 유도대전소자모델(FCDM)실험 결과로부터 정전기방전(ESD)으로 인한 반도체소자 위 험성의 판단기준이 되는 특성변화와 파괴여부를 알 수 있었다 향후 손상된 소자에 대한 보다 정확한 특성변화와 파괴여부를 판단하기 위해서는 소자내부의 상태분석과 다양한 소자에 대한 실험 및 분석이 필요한 것으로 판단된다.

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