|
靜電可被定義為物質表面累積的靜態電荷或靜態電荷之間交互作用累積的電荷。電氣過應力（EOS）和靜電放電（ESD）是電子行業面臨的重大挑戰之一。通常來說，半導體行業中超過三分之一的現場故障都是由ESD引起的。ESD導致的半導體故障表現為漏電、短路、燒毀、接觸損傷、柵氧缺陷、電阻金屬接口損壞等。CMOS尺寸縮小的好處在于降低功耗，提高速度，但更小的尺寸會讓較薄的柵氧化層更容易在EOS/ESD情況下受到損壞。隨著技術進步，尺寸不斷減小的半導體芯片、較薄的柵氧化層、多個電源、復雜的芯片以及高速工作的電路，這些都會大幅提高ESD敏感性。柵氧化層厚度的減小意味著較低的電流就可能使其遭到損壞。 ESD預測是一項單調乏味的工作，因為ESD現象在微觀和宏觀物理層面上都會發生。ESD保護設計是IC設計人員的一大挑戰。隨著技術不斷向深亞微米級發展，為了實現更高的質量標準，CAD流程設計驗證中具有增強功能的高穩健性高級預測模型，是應對ESD所必需的。 ESD損壞通常來源于人工操作、機械臂操作和制造環境中的其它設備，也來源于封裝本身累積的電荷。ESD是EOS的子集。可通過兩種方法減少ESD引起的IC故障，一是在制造、運輸和應用IC的環境中確保適當的人員操作和設備接地，以避免發生ESD問題；二是為封裝IC的引腳添加保護電路，在出現ESD應力情況下轉移內部電路的高電流并鉗制高電壓。ESD保護電路設計用于在ESD事件中接通，從而鉗制焊盤上的電壓。 現場返回器件的故障分析能通過顯示故障機制來協助設計開發工作。芯片制造商按照工業標準確保產品的ESD質量，不過他們無法控制客戶如何操作，因此要進行片上有效的保護電路集成和測試。 本文將對EOS/ESD做基本介紹，并談談電荷轉移機制、ESD測試模型、電氣特征和EOS/ESD相關機制，并給出一些故障分析與技術的實例。 電荷生成和轉移機制 在介紹EOS/ESD之前，我們先應了解物體之間的電荷轉移是如何發生的，電荷轉移機制是什么。電荷生成過程主要有三種：摩擦起電（接觸和分離機制）、感應和傳導等。 物質表面由于不同物質之間摩擦而產生的電荷不平衡就被稱為“摩擦起電”。電荷的極性和強度取決于物質的摩擦電屬性、表面粗糙度、施加的壓力大小、溫度、張力等。圖1給出了兩個不同電負性物體X和Y之間電荷轉移的情況。我們假定物體之間有接觸（摩擦），物體X失去電荷e，而物體Y獲得電荷e。因此，物體X相對于物體Y而言帶正電。這一現象就是摩擦電。 圖1：電荷生成機制 讓我們看看日常生活中有哪些摩擦電的實例。當人在地板上走，鞋底與地面的接觸和分離就會生成靜電。如果人在地毯上走，就可能積累起數千伏特的電荷，足以產生電火花。通過接地放電，電荷平衡能夠得以恢復。放電速度極快，只需幾納秒就能完成。通常靜電放電電壓要達到3kV時人體才會有所感覺。ESD事件通常都會讓人感到輕微的電擊。不過，如果同等的ESD壓力注入設備，就可能對設備造成損害。 環境空氣中相對較低的濕度也會增加放電時的電壓，因為其提高了絕緣物質保持電荷的能力，而且由于空氣傳導性下降而導致積累的電荷難以逐漸消散。開車時，駕駛員、乘客的衣服與汽車皮制或塑料內飾的摩擦也會積累起電荷。積累的電荷在接觸金屬車身時可能產生電火花。 表1：摩擦電物質的分類 還有一個摩擦起電的實例就是當IC在運輸過程中滑動時，由于IC引線和電子管之間摩擦而產生的電子管靜電。在正常的一天中，人體會產生巨大的靜電。表1根據物質的摩擦電屬性將一些物質進行了分類。 除了摩擦電之外，通過感應和傳導也能在物質中生成靜電電荷。帶電物質在環境中產生靜電場，如有導電物質進入靜電場，則會因感應產生內部電荷分布。圖2給出了未帶電物體B接近帶電物體A的情況，物體B會得到分布電荷。近端為負電荷，而遠端為正電荷。ESD充電器件模型（CDM）則基于靜電感應。 圖2：通過感應生成電荷 當兩個具有不同電勢的帶電物體彼此物理接觸時，電荷會從較高電勢物體傳遞到較低電勢物體，直到二者電勢相同。這種機制就是傳導。 物質的分類 廣義地說，物質根據不同的ESD處理類別可分為絕緣體（ρ＞1012Ω/□（每平方面積上的歐姆值））、慢電荷耗散性防靜電（109＜ρ＜1012Ω/□）、電荷耗散性防靜電（106＜ρ＜109Ω/□）以及導電（ρ＜106Ω/□）物質。防靜電物質能抵抗摩擦電，因此在制造和裝配環境中防靜電和耗散性物質可用來限制電荷累積。 電氣過應力（EOS） EOS是用來描述當IC遭遇超出器件數據表規范限制的電流或電壓影響時可能出現的熱損壞。EOS事件會造成IC性能降低或永久性功能故障。EOS比ESD的進程要慢得多，但相關能量卻很高。熱損壞是EOS事件期間生成過多熱量造成的結果。EOS事件的高電流會在低電阻路徑中生成局部高溫。高溫會造成柵氧化層、互聯、金屬燒毀等器件物質損壞。一般說來，EOS和ESD被歸為一種故障機制，即“ESD和EOS故障”。這是因為EOS和ESD故障模式很像。ESD和EOS的過應力事件很像，但電流或電壓以及時間過應力條件不同。ESD電壓很高（＞500V），峰值電流一般（~1A到10A），發生時間很短。EOS的電壓較低（＜100V），峰值電流很高（＞10A），發生時間較長。如閂鎖效應長期持續，也會造成EOS損壞。 靜電放電（ESD） ESD是指兩個具有不同靜電電勢物體之間通過直接接觸或感應電場而發生瞬態靜電放電。ESD是靜電帶電物體通過IC靜電放電導致較大電流和能耗的結果，進而損壞IC。任何物質表面的電荷通常是中性的，如傳遞能量，就會出現電荷不平衡。 導體由于導電表面較高的電子流動性不太容易帶電，因此會出現電荷重組并保持中性表面。另一方面，摩擦很容易讓絕緣體帶電。傳遞能量到不導電物質上就會積累大量局部電荷，最終通過外部路徑進行放電。靜電的主要來源就是絕緣體，如塑料表面、絕緣鞋、木材、泡沫包裝等。由于絕緣體的電荷分布不均勻，因此其生成的電壓會非常高（kV）。 此外，IC的ESD損壞也是熱現象。局部體積快速產生大量熱，很難消除，這就造成金屬互聯燒壞、聚酯損壞、柵氧化層破壞、接觸破壞、結點破壞等IC損壞。 當人走在合成樹脂地板上，生成的電壓可能高達20kV。干燥空氣中摩擦尼龍和聚酯物質產生的電壓可高達25kV。如果此人接觸接地物體，電荷會在極短時間（1到100納秒）內從人體移到該物體上，放電時間和電流具體取決于時間常數。 放電電流約為1到10A。從工廠到現場使用過程中隨時都有可能出現電子設備的靜電損壞。半導體設備的設計需考慮ESD保護問題，要能在短時間內承受高電流。舉例來說，如果設備通過ESD-HBM認證，能承受2kV的規范電壓，那么該設備就能在10納秒的上升時間內承受1.3A的電流，或者在150納秒的下降時間內承受1.3A電流。不過，該產品不能在幾毫秒內承受100mA。如果該產品遭受較弱的ESD脈沖而部分損壞，或許仍能繼續工作，并足以通過滿足數據表規范要求的量產ATE測試。這個缺陷會隨著時間的推移而延伸，幾個小時后就會造成產品故障。這種缺陷就是潛在缺陷，由此形成的故障為潛在ESD故障。潛在缺陷難以檢測，特別在器件已經裝配到成品中的情況下更是如此。 有許多因素都可導致EOS和靜電放電（ESD/EOS）產生，譬如欠佳的片上保護電路設計與布局、技術、生產工具、制造和裝配工藝、運輸以及設計人員電路板設計等現場應用等。設計人員在應用過程中，可能會因瞬變、接地不正確、電源電壓與地面之間的低電阻路徑、電源引腳或地面短路、內部電路受損等原因出現ESD/EOS現象。對于IC而言，如果其所處環境超出數據表規范，則最終會發生故障。如果IC在數據表規范范圍內工作，則其組件的內部條件是不會產生EOS損壞的，因此，EOS損壞只有在條件異常時才會出現。測試和處理設備時如果接地不正確就會積累靜電荷，這些電荷在接觸IC之后，立即通過IC傳遞。 ESD測試模型 雖然半導體器件包括EOS保護電路，但是為了確保其滿足JEDEC標準規定的有效性和可靠性要求，必須開展ESD測試來檢查零部件是否合格。ESD測試主要有3個測試模型：HBM（人體模型）、CDM（充電器件模型）與MM（機器模型）。HBM仿真人體放電產生的ESD。人體被認為是主要的ESD來源，通常采用HBM描述ESD事件。CDM仿真帶電器件接觸導電物質后放電。MM則仿真物體向組件放電。該物體可以是任何工具，也可以是生產設備。下文會對各個測試模型進行詳細描述。 人體模型（HBM） 人在走路時會產生電，但這些電都會進入地面。每走一步都會積累電荷，我們可以采用下列方程式來表示該電荷：ΔV/Δt = n Δq/C，其中，n表示每秒的步伐數，C表示人體電容。請設想一下絕緣地面上的常見情形，結果表明，每走一步ΔV就會增加300V，10秒內達到3kV左右（注：部分電荷泄漏）。 在HBM測試中，我們采用了簡單的串聯RC網絡，如圖3所示，用來仿真人體放電。我們使用1MΩ的電阻給100pF電容器充電，然后使用1.5kΩ電阻對其進行放電。大部分HBM事件都是破壞性的，而且上升時間快。因此，采用快速上升時間脈沖可以更加精確地仿真HBM放電事件。 圖3：ESD--HBM測試設置與電流波形圖 所產生的熱量取決于電容、DUT電阻以及ESD脈沖的峰值電壓。所產生的熱量會引發金屬線熔化等熱損壞。在HBM測試中，無論IC出現哪種形式的故障模式，柵氧化層、導電棒與結點一般都會損壞。圖3給出了測試設置和電流波形圖的特征。首先串聯1MΩ電阻和100pF電容器，然后施加高電壓。電容器充滿電后，通過1.5kΩ電阻放電至DUT引腳。 充電器件模型（CDM） CDM可仿真HBM測試無法仿真的現場故障損壞。CDM仿真的情形是：利用摩擦起電效應直接給器件充電，或者通過靜電感應間接給器件充電（靜電荷存儲于零部件本體之中，通過外部地面放電）。 圖4：ESD--CDM測試設置與電流波形圖 本測試旨在仿真生產環境下的各種情形，譬如處理機械器件等等，器件沿輸送管道或測試處理機滑下，積累電荷，隨后該電荷又被放電至地面。CDM ESD測試和典型的電流波形圖參見圖4。外部地面接觸被充電器件的DUT引腳之后，器件則將所存儲的電荷放電至外部地面。在CDM測試中，器件在測試固定裝置上，背面始終朝上，如圖4所示。 CDM電流高于HBM，因為路徑中并沒有限流電阻器限制放電。對于500V的測試電壓而言，電流波形上升時間一般在400皮秒左右，峰值電流為6A左右，峰值電流持續時間為1.5至2納秒。對于1000V的測試電壓而言，峰值電流強度為12A。 機器模型（MM） 機器模型又被稱為0歐模型，旨在仿真通過器件向地面放電的機器。MM測試中，故障模式類似于HBM測試。在測試設置中，高壓（HV）電源與電阻串聯，給電容器充電，利用開關將電容與高壓電源切斷，然后將電容器連接至電感器進行放電。電感器產生振蕩電流波形。MM所采用的基本測試電路和HBM一樣，但R=0Ω、C=200pF，如圖5所示。充電時，200pF的電容器充當金屬處理器等導電性物體，使用1MΩ電阻和0.5μH電感器進行放電。MM測試的應用沒有HBM測試普遍。MM電流特征波形由正向正弦波峰和負向正弦波峰組成，這兩個波峰均呈指數衰變。 圖5：ESD--MM測試設置與電流波形圖 HBM、CDM與MM的對比 HBM與MM的上升時間（即10秒左右）和總持續時間相似，因此，它們的焦耳熱效應相當，故障機制也因此類似。MM測試中，故障特征和放電過程與HBM測試大體相同。因此，HBM測試可以保證MM的ESD穩健性。通常而言，MM ESD的應力水平比HBM ESD低10倍左右。HBM保護電壓通常是2kV左右，而MM則為200V左右，CDM為500V左右。CDM與HBM和MM截然不同，因此，CDM與它們無任何關聯。目前，普遍采用CDM和HBM測試ESD保護電路。圖6給出了HBM、MM和CDM的電流波形。CDM波形對應最短的已知ESD事件，上升時間為400皮秒，總持續時間為2秒左右。 圖6：HBM、CDM與MM的電流波形圖 ESD抗擾度分類 我們通過上文已經了解了不同模型的ESD測試步驟與設置。器件的ESD靈敏度度可定義為：該器件能夠通過的最高ESD測試電壓和讓其產生故障的最低ESD測試電壓。每個模型都有自己的分類，以便按照ESD靈敏度對器件進行分類。表2、3、4列出了HBM、CDM與MM的分類情況。 表2：HBM的ESD抗擾度分類 表3：CDM的ESD抗擾度分類 表4：MM靜電放電擾度分類 遭受ESD應力的IC有著明顯的故障特征。高電流會融化半導體結構的不同區域（ESD-HBM），而高電場則會破壞電介質（ESD-CDM）。ESD引發的最常見故障模式就是輸入/輸出引腳處漏電或電阻短路，通過測試臺或ATE測試檢測現場返修的產品就能發現這種情況。其它故障模式包括高關閉電流（IDDS）、供電電流（IDD）和無輸出等開放引腳。開路和短路可通過I-V曲線跟蹤測試臺觀察到。內部電路損壞檢測則需要高級故障分析技術。在本節中，我們將詳細介紹ESD/EOS損壞器件的電氣和物理分析。 HBM和CDM代表不同的EOS類型。EOS和ESD可以多種方式損壞半導體器件。大多數EOS和ESD造成的故障都跟以下故障機制有關： ● 熱損壞或燃燒金屬化 ● 氧化物或電介質擊穿 ● 接觸損壞或結點損壞 熱損壞 熱損壞是一種EOS和ESD機制。由于EOS-ESD事件中生成大量熱量，金屬導體或電阻接頭熔化。作為保險絲的金屬線熔化變成開路。EOS、ESD-HBM事件中會觀察到金屬熔化。不過，如果導體膜較厚，金屬會部分熔化，可能影響器件的功能。如果金屬線電阻為R，電流為IESD，那么產生的功耗為P=I2ESD*R。當局部熱量造成溫度上升到金屬線的熔點時，就會出現金屬熔化。以下給出了一些EOS和ESD-HBM的實例。 在圖7中，器件的引腳至引腳I/V曲線沒出現短路、開路等不正常情況，但取下后SEM出現燃燒金屬化。 圖7：EOS造成的燃燒金屬化圖示 氧化物或電介質擊穿 氧化物擊穿可分為軟擊穿或硬擊穿。軟擊穿是指電介質上的高電阻電流路徑，而硬擊穿是指電解質層上的高傳導性路徑。在氧化物軟擊穿中，器件仍能良好工作，晶體管性能不會發生很大變化。這時會發現漏電情況比正常器件略高，但仍可能在數據表限制范圍以內。在氧化物硬擊穿中，器件無法工作，從柵極到通道形成電流路徑，晶體管被破壞。 柵氧化層損壞是ESD事件中最常見的。柵氧化層擊穿取決于氧化物的厚度、偏置電壓、氧化物材料的擊穿電壓、氧化物膜的均勻度和粗糙度等。如氧化物膜有尖銳邊緣，那么感應電場會高度集中在邊緣上，很可能被擊穿。 假設氧化物層厚度為100A0而氧化物層上的電壓為3.3V，那么氧化物層上的平均電場計算如下：E=V/Tox 氧化物或電介質擊穿 電介質材料二氧化硅的擊穿電場為11x106V/cm。如氧化物厚度減為50A0，E=6.6x106V/cm且電介質間的電場增加，就會趨近于擊穿。如V為常量不變，E.Tox=常量，這是一個雙曲線方程式（XY=C）。圖8給出了電場和氧化物厚度的曲線。 圖8：電場和氧化物厚度 圖9：（a）ESD脈沖前的柵氧化層、（b）受到破壞的氧化物形成的細絲和（c）V>VB電介質短路等原理圖 氧化物擊穿有以下機制：氧化物層上的電壓超過氧化物（電介質）的擊穿電壓（V>VB），這樣柵氧化層會被擊穿，氧化物層上形成較低電阻或傳導路徑。由于電流流過路徑的電阻減小（氧化物或電介質擊穿），會出現電介質的局部升溫。由于局部溫度較高，傳導位置熔化，形成細絲，進而導致電介質上的金屬層短路，如圖9所示。氧化物擊穿是CDM的主要擊穿機制。 圖10：柵氧化層破裂 圖10給出了ESD-CDM事件中出現氧化物破裂的情況。在故障部件中，測試臺沒有觀察到輸出。在電隔離情況下，振蕩器電路的參考輸入引腳處觀察到高漏電。振蕩器模塊的參考輸入引腳電容處也檢測到熱點。 圖11顯示了沒有觀察到輸出的晶體振蕩器的ESD損壞情況。測試臺（I-V曲線跟蹤）顯示OE（輸出啟用）引腳處有4.3mA的漏電。故障點隔離用Hamamatsu emission/OBIRCH顯微鏡檢查實現，將問題局部化。在故障引腳的輸入電路上檢測到熱點。隨后采用等離子/化學蝕刻進行物理分析發現emission microcopy識別的熱點區域存在引腳孔。 圖11：I-V曲線跟蹤、熱點和引腳孔的圖示 接觸毛刺或結點損壞 接觸毛刺或結點損壞是指p-n結點因ESD事件造成的焦耳熱效應損壞。當芯片加熱后，共價鍵被破壞并生成電荷載體，而芯片的電阻率和熱傳導性隨著溫度升高而降低。 圖12：接觸損壞的SEM圖 ESD脈沖作為一個電流源。當ESD脈沖突然施加到芯片上時，會加熱不均勻。局部區域在絕熱條件下加熱，較高電流提升結點溫度，并超過芯片的熔點，從而造成結點熔化。圖12顯示ESD造成的接觸損壞。ESD產生的能耗引起接觸毛刺或結點損壞，其計算如下： 在絕熱條件下，ESD事件產生的能量等于結點吸收的能量：Q1=Q2 其中， 假設Q1=Q2 Csp=具體熱容量，ρ=密度，T0=初始溫度 如果T≥Tm（熔點），那么就會出現結點熔化。 Wunsch & Bell模型采用以下熱擴散方程式，這是描述結點擊穿的最常用模型。在此模型中，結點擊穿現象由脈沖寬度和器件施加的功率密度決定。 其中，P=以瓦特為單位的故障功耗，A=以平方厘米為單位的面積，Cp=以J/gcm-K為單位的熱容量，ρ=以g/cm3為單位的密度，κ=以W/cm-K為單位的熱傳導，t=矩形脈沖寬度，Tm=結點熔化溫度，而T0=初始溫度。 以上方程式說明了溫度、ESD脈沖電壓、故障功率和材料熔點之間的關系。 參考文獻 1、靜電放電：了解、仿真和解決ESD問題，M. Mardiguian，Wiley出版。 2、步行充電，Compliance Engineering雜志，2011年3月/4月刊，Niels Jonassen。 3、靜電放電（ESD）教程，Ata Khan編寫的白皮書，賽普拉斯半導體公司，www.cypress.com/?docID=35736 4、面向高級CMOS技術的ESD保護電路，Jung-Hoon Chun，2006年。 5、靜電放電保護，Fei Yuan，加拿大瑞爾森大學，2012年。 6、電氣測試造成的器件損壞調查，Rosa Croughwell和John McNeill，伍斯特理工學院。 7、半導體器件的靜電放電概述，James E. Vinson和Juin J. Liou，1997年。 8、高速混合信號電路的靜電放電保護電路，Hossein Sarbishaei，2007年。 9、www.esda.org/documents/FundamentalsPart1.pdf 10、www.analog.com/static/imported.../eos_esd_chapter_091400b_103.pdf 11、超薄電介質膜在靜電放電應力下的擊穿電壓，Hao Jin等，《應用物理》雜志，110，054516（2011年）。 12、非芯片器件的靜電放電和電氣過應力故障，Yu-Chul Hwang，2004年。 13、電氣過應力，www.cypress.com/?docID=20619 |
