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靜電可被定義為物質(zhì)表面累積的靜態(tài)電荷或靜態(tài)電荷之間交互作用累積的電荷。電氣過(guò)應力（EOS）和靜電放電（ESD）是電子行業(yè)面臨的重大挑戰之一。通常來(lái)說(shuō)，半導體行業(yè)中超過(guò)三分之一的現場(chǎng)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(huì )讓較薄的柵氧化層更容易在EOS/ESD情況下受到損壞。隨著(zhù)技術(shù)進(jìn)步，尺寸不斷減小的半導體芯片、較薄的柵氧化層、多個(gè)電源、復雜的芯片以及高速工作的電路，這些都會(huì )大幅提高ESD敏感性。柵氧化層厚度的減小意味著(zhù)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(guān)和宏觀(guān)物理層面上都會(huì )發(fā)生。ESD保護設計是IC設計人員的一大挑戰。隨著(zhù)技術(shù)不斷向深亞微米級發(fā)展，為了實(shí)現更高的質(zhì)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(lái)源于人工操作、機械臂操作和制造環(huán)境中的其它設備，也來(lái)源于封裝本身累積的電荷。ESD是EOS的子集�？赏ㄟ^(guò)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(huán)境中確保適當的人員操作和設備接地，以避免發(fā)生ESD問(wèn)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(pán)上的電壓。 現場(chǎng)返回器件的故障分析能通過(guò)顯示故障機制來(lái)協(xié)助設計開(kāi)發(fā)工作。芯片制造商按照工業(yè)標準確保產(chǎn)品的ESD質(zhì)量，不過(guò)他們無(wú)法控制客戶(hù)如何操作，因此要進(jìn)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?wù)勲姾赊D移機制、ESD測試模型、電氣特征和EOS/ESD相關(guān)機制，并給出一些故障分析與技術(shù)的實(shí)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(fā)生的，電荷轉移機制是什么。電荷生成過(guò)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(zhì)表面由于不同物質(zhì)之間摩擦而產(chǎn)生的電荷不平衡就被稱(chēng)為“摩擦起電”。電荷的極性和強度取決于物質(zhì)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(gè)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(shí)例。當人在地板上走，鞋底與地面的接觸和分離就會(huì )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(chǎn)生電火花。通過(guò)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(shí)人體才會(huì )有所感覺(jué)。ESD事件通常都會(huì )讓人感到輕微的電擊。不過(guò)，如果同等的ESD壓力注入設備，就可能對設備造成損害。 環(huán)境空氣中相對較低的濕度也會(huì )增加放電時(shí)的電壓，因為其提高了絕緣物質(zhì)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(kāi)車(chē)時(shí)，駕駛員、乘客的衣服與汽車(chē)皮制或塑料內飾的摩擦也會(huì )積累起電荷。積累的電荷在接觸金屬車(chē)身時(shí)可能產(chǎn)生電火花。 表1：摩擦電物質(zhì)的分類(lèi) 還有一個(gè)摩擦起電的實(shí)例就是當IC在運輸過(guò)程中滑動(dòng)時(shí)，由于IC引線(xiàn)和電子管之間摩擦而產(chǎn)生的電子管靜電。在正常的一天中，人體會(huì )產(chǎn)生巨大的靜電。表1根據物質(zhì)的摩擦電屬性將一些物質(zhì)進(jìn)行了分類(lèi)。 除了摩擦電之外，通過(guò)感應和傳導也能在物質(zhì)中生成靜電電荷。帶電物質(zhì)在環(huán)境中產(chǎn)生靜電場(chǎng)，如有導電物質(zhì)進(jìn)入靜電場(chǎng)，則會(huì )因感應產(chǎn)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(huì )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(guò)感應生成電荷 當兩個(gè)具有不同電勢的帶電物體彼此物理接觸時(shí)，電荷會(huì )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(zhì)的分類(lèi) 廣義地說(shuō)，物質(zhì)根據不同的ESD處理類(lèi)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(zhì)。防靜電物質(zhì)能抵抗摩擦電，因此在制造和裝配環(huán)境中防靜電和耗散性物質(zhì)可用來(lái)限制電荷累積。 電氣過(guò)應力（EOS） EOS是用來(lái)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(shí)可能出現的熱損壞。EOS事件會(huì )造成IC性能降低或永久性功能故障。EOS比ESD的進(jìn)程要慢得多，但相關(guān)能量卻很高。熱損壞是EOS事件期間生成過(guò)多熱量造成的結果。EOS事件的高電流會(huì )在低電阻路徑中生成局部高溫。高溫會(huì )造成柵氧化層、互聯(lián)、金屬燒毀等器件物質(zhì)損壞。一般說(shuō)來(lái)，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(guò)應力事件很像，但電流或電壓以及時(shí)間過(guò)應力條件不同。ESD電壓很高（＞500V），峰值電流一般（~1A到10A），發(fā)生時(shí)間很短。EOS的電壓較低（＜100V），峰值電流很高（＞10A），發(fā)生時(shí)間較長(cháng)。如閂鎖效應長(cháng)期持續，也會(huì )造成EOS損壞。 靜電放電（ESD） ESD是指兩個(gè)具有不同靜電電勢物體之間通過(guò)直接接觸或感應電場(chǎng)而發(fā)生瞬態(tài)靜電放電。ESD是靜電帶電物體通過(guò)IC靜電放電導致較大電流和能耗的結果，進(jìn)而損壞IC。任何物質(zhì)表面的電荷通常是中性的，如傳遞能量，就會(huì )出現電荷不平衡。 導體由于導電表面較高的電子流動(dòng)性不太容易帶電，因此會(huì )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(zhì)上就會(huì )積累大量局部電荷，最終通過(guò)外部路徑進(jìn)行放電。靜電的主要來(lái)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(huì )非常高（kV）。 此外，IC的ESD損壞也是熱現象。局部體積快速產(chǎn)生大量熱，很難消除，這就造成金屬互聯(lián)燒壞、聚酯損壞、柵氧化層破壞、接觸破壞、結點(diǎn)破壞等IC損壞。 當人走在合成樹(shù)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(zhì)產(chǎn)生的電壓可高達25kV。如果此人接觸接地物體，電荷會(huì )在極短時(shí)間（1到100納秒）內從人體移到該物體上，放電時(shí)間和電流具體取決于時(shí)間常數。 放電電流約為1到10A。從工廠(chǎng)到現場(chǎng)使用過(guò)程中隨時(shí)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(wèn)題，要能在短時(shí)間內承受高電流。舉例來(lái)說(shuō)，如果設備通過(guò)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(shí)間內承受1.3A的電流，或者在150納秒的下降時(shí)間內承受1.3A電流。不過(guò)，該產(chǎn)品不能在幾毫秒內承受100mA。如果該產(chǎn)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(guò)滿(mǎn)足數據表規范要求的量產(chǎn)ATE測試。這個(gè)缺陷會(huì )隨著(zhù)時(shí)間的推移而延伸，幾個(gè)小時(shí)后就會(huì )造成產(chǎn)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(jīng)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(chǎn)生，譬如欠佳的片上保護電路設計與布局、技術(shù)、生產(chǎn)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(chǎng)應用等。設計人員在應用過(guò)程中，可能會(huì )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(huán)境超出數據表規范，則最終會(huì )發(fā)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(huì )產(chǎn)生EOS損壞的，因此，EOS損壞只有在條件異常時(shí)才會(huì )出現。測試和處理設備時(shí)如果接地不正確就會(huì )積累靜電荷，這些電荷在接觸IC之后，立即通過(guò)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(mǎn)足JEDEC標準規定的有效性和可靠性要求，必須開(kāi)展ESD測試來(lái)檢查零部件是否合格。ESD測試主要有3個(gè)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(chǎn)生的ESD。人體被認為是主要的ESD來(lái)源，通常采用HBM描述ESD事件。CDM仿真帶電器件接觸導電物質(zhì)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(chǎn)設備。下文會(huì )對各個(gè)測試模型進(jìn)行詳細描述。 人體模型（HBM） 人在走路時(shí)會(huì )產(chǎn)生電，但這些電都會(huì )進(jìn)入地面。每走一步都會(huì )積累電荷，我們可以采用下列方程式來(lái)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(jiàn)情形，結果表明，每走一步ΔV就會(huì )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(jiǎn)單的串聯(lián)RC網(wǎng)絡(luò )，如圖3所示，用來(lái)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(jìn)行放電。大部分HBM事件都是破壞性的，而且上升時(shí)間快。因此，采用快速上升時(shí)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(chǎn)生的熱量取決于電容、DUT電阻以及ESD脈沖的峰值電壓。所產(chǎn)生的熱量會(huì )引發(fā)金屬線(xiàn)熔化等熱損壞。在HBM測試中，無(wú)論IC出現哪種形式的故障模式，柵氧化層、導電棒與結點(diǎn)一般都會(huì )損壞。圖3給出了測試設置和電流波形圖的特征。首先串聯(lián)1MΩ電阻和100pF電容器，然后施加高電壓。電容器充滿(mǎn)電后，通過(guò)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(wú)法仿真的現場(chǎng)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(guò)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(guò)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(chǎn)環(huán)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(jiàn)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(méi)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(shí)間一般在400皮秒左右，峰值電流為6A左右，峰值電流持續時(shí)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(chēng)為0歐模型，旨在仿真通過(guò)器件向地面放電的機器。MM測試中，故障模式類(lèi)似于HBM測試。在測試設置中，高壓（HV）電源與電阻串聯(lián)，給電容器充電，利用開(kāi)關(guān)將電容與高壓電源切斷，然后將電容器連接至電感器進(jìn)行放電。電感器產(chǎn)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(shí)，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(jìn)行放電。MM測試的應用沒(méi)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(gè)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(shí)間（即10秒左右）和總持續時(shí)間相似，因此，它們的焦耳熱效應相當，故障機制也因此類(lèi)似。MM測試中，故障特征和放電過(guò)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(wú)任何關(guān)聯(lián)。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(shí)間為400皮秒，總持續時(shí)間為2秒左右。 圖6：HBM、CDM與MM的電流波形圖 ESD抗擾度分類(lèi) 我們通過(guò)上文已經(jīng)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(guò)的最高ESD測試電壓和讓其產(chǎn)生故障的最低ESD測試電壓。每個(gè)模型都有自己的分類(lèi)，以便按照ESD靈敏度對器件進(jìn)行分類(lèi)。表2、3、4列出了HBM、CDM與MM的分類(lèi)情況。 表2：HBM的ESD抗擾度分類(lèi) 表3：CDM的ESD抗擾度分類(lèi) 表4：MM靜電放電擾度分類(lèi) 遭受ESD應力的IC有著(zhù)明顯的故障特征。高電流會(huì )融化半導體結構的不同區域（ESD-HBM），而高電場(chǎng)則會(huì )破壞電介質(zhì)（ESD-CDM）。ESD引發(fā)的最常見(jiàn)故障模式就是輸入/輸出引腳處漏電或電阻短路，通過(guò)測試臺或ATE測試檢測現場(chǎng)返修的產(chǎn)品就能發(fā)現這種情況。其它故障模式包括高關(guān)閉電流（IDDS）、供電電流（IDD）和無(wú)輸出等開(kāi)放引腳。開(kāi)路和短路可通過(guò)I-V曲線(xiàn)跟蹤測試臺觀(guān)察到。內部電路損壞檢測則需要高級故障分析技術(shù)。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(lèi)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(guān)： ● 熱損壞或燃燒金屬化 ● 氧化物或電介質(zhì)擊穿 ● 接觸損壞或結點(diǎn)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(xiàn)熔化變成開(kāi)路。EOS、ESD-HBM事件中會(huì )觀(guān)察到金屬熔化。不過(guò)，如果導體膜較厚，金屬會(huì )部分熔化，可能影響器件的功能。如果金屬線(xiàn)電阻為R，電流為IESD，那么產(chǎn)生的功耗為P=I2ESD*R。當局部熱量造成溫度上升到金屬線(xiàn)的熔點(diǎn)時(shí)，就會(huì )出現金屬熔化。以下給出了一些EOS和ESD-HBM的實(shí)例。 在圖7中，器件的引腳至引腳I/V曲線(xiàn)沒(méi)出現短路、開(kāi)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(zhì)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(zhì)上的高電阻電流路徑，而硬擊穿是指電解質(zhì)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(huì )發(fā)生很大變化。這時(shí)會(huì )發(fā)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?xún)�。在氧化物硬擊穿中，器件無(wú)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(jiàn)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(chǎng)會(huì )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(chǎng)計算如下：E=V/Tox 氧化物或電介質(zhì)擊穿 電介質(zhì)材料二氧化硅的擊穿電場(chǎng)為11x106V/cm。如氧化物厚度減為50A0，E=6.6x106V/cm且電介質(zhì)間的電場(chǎng)增加，就會(huì )趨近于擊穿。如V為常量不變，E.Tox=常量，這是一個(gè)雙曲線(xiàn)方程式（XY=C）。圖8給出了電場(chǎng)和氧化物厚度的曲線(xiàn)。 圖8：電場(chǎng)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(zhì)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(guò)氧化物（電介質(zhì)）的擊穿電壓（V>VB），這樣柵氧化層會(huì )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(guò)路徑的電阻減�。ㄑ趸锘螂娊橘|(zhì)擊穿），會(huì )出現電介質(zhì)的局部升溫。由于局部溫度較高，傳導位置熔化，形成細絲，進(jìn)而導致電介質(zhì)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(méi)有觀(guān)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(guān)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(diǎn)。 圖11顯示了沒(méi)有觀(guān)察到輸出的晶體振蕩器的ESD損壞情況。測試臺（I-V曲線(xiàn)跟蹤）顯示OE（輸出啟用）引腳處有4.3mA的漏電。故障點(diǎn)隔離用Hamamatsu emission/OBIRCH顯微鏡檢查實(shí)現，將問(wèn)題局部化。在故障引腳的輸入電路上檢測到熱點(diǎn)。隨后采用等離子/化學(xué)蝕刻進(jìn)行物理分析發(fā)現emission microcopy識別的熱點(diǎn)區域存在引腳孔。 圖11：I-V曲線(xiàn)跟蹤、熱點(diǎn)和引腳孔的圖示 接觸毛刺或結點(diǎn)損壞 接觸毛刺或結點(diǎn)損壞是指p-n結點(diǎn)因ESD事件造成的焦耳熱效應損壞。當芯片加熱后，共價(jià)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(zhù)溫度升高而降低。 圖12：接觸損壞的SEM圖 ESD脈沖作為一個(gè)電流源。當ESD脈沖突然施加到芯片上時(shí)，會(huì )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(diǎn)溫度，并超過(guò)芯片的熔點(diǎn)，從而造成結點(diǎn)熔化。圖12顯示ESD造成的接觸損壞。ESD產(chǎn)生的能耗引起接觸毛刺或結點(diǎn)損壞，其計算如下： 在絕熱條件下，ESD事件產(chǎn)生的能量等于結點(diǎn)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(diǎn)），那么就會(huì )出現結點(diǎn)熔化。 Wunsch & Bell模型采用以下熱擴散方程式，這是描述結點(diǎn)擊穿的最常用模型。在此模型中，結點(diǎn)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(diǎn)熔化溫度，而T0=初始溫度。 以上方程式說(shuō)明了溫度、ESD脈沖電壓、故障功率和材料熔點(diǎn)之間的關(guān)系。 參考文獻 1、靜電放電：了解、仿真和解決ESD問(wèn)題，M. 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