半导体器件的电气过应力和静电放电故障——第一部分 静电放电, 半导体

Bazinga

静电可被定义为物质表面累积的静态电荷或静态电荷之间交互作用累积的电荷。电气过应力（EOS）和静电放电（ESD）是电子行业面临的重大挑战之一。通常来说，半导体行业中超过三分之一的现场故障都是由ESD引起的。ESD导致的半导体故障表现为漏电、短路、烧毁、接触损伤、栅氧缺陷、电阻金属接口损坏等。CMOS尺寸缩小的好处在于降低功耗，提高速度，但更小的尺寸会让较薄的栅氧化层更容易在EOS/ESD情况下受到损坏。随着技术进步，尺寸不断减小的半导体芯片、较薄的栅氧化层、多个电源、复杂的芯片以及高速工作的电路，这些都会大幅提高ESD敏感性。栅氧化层厚度的减小意味着较低的电流就可能使其遭到损坏。ESD预测是一项单调乏味的工作，因为ESD现象在微观和宏观物理层面上都会发生。ESD保护设计是IC设计人员的一大挑战。随着技术不断向深亚微米级发展，为了实现更高的质量标准，CAD流程设计验证中具有增强功能的高稳健性高级预测模型，是应对ESD所必需的。
ESD损坏通常来源于人工操作、机械臂操作和制造环境中的其它设备，也来源于封装本身累积的电荷。ESD是EOS的子集。可通过两种方法减少ESD引起的IC故障，一是在制造、运输和应用IC的环境中确保适当的人员操作和设备接地，以避免发生ESD问题；二是为封装IC的引脚添加保护电路，在出现ESD应力情况下转移内部电路的高电流并钳制高电压。ESD保护电路设计用于在ESD事件中接通，从而钳制焊盘上的电压。
现场返回器件的故障分析能通过显示故障机制来协助设计开发工作。芯片制造商按照工业标准确保产品的ESD质量，不过他们无法控制客户如何操作，因此要进行片上有效的保护电路集成和测试。
本文将对EOS/ESD做基本介绍，并谈谈电荷转移机制、ESD测试模型、电气特征和EOS/ESD相关机制，并给出一些故障分析与技术的实例。
电荷生成和转移机制
在介绍EOS/ESD之前，我们先应了解物体之间的电荷转移是如何发生的，电荷转移机制是什么。电荷生成过程主要有三种：摩擦起电（接触和分离机制）、感应和传导等。
物质表面由于不同物质之间摩擦而产生的电荷不平衡就被称为“摩擦起电”。电荷的极性和强度取决于物质的摩擦电属性、表面粗糙度、施加的压力大小、温度、张力等。图1给出了两个不同电负性物体X和Y之间电荷转移的情况。我们假定物体之间有接触（摩擦），物体X失去电荷e，而物体Y获得电荷e。因此，物体X相对于物体Y而言带正电。这一现象就是摩擦电。



图1：电荷生成机制

让我们看看日常生活中有哪些摩擦电的实例。当人在地板上走，鞋底与地面的接触和分离就会生成静电。如果人在地毯上走，就可能积累起数千伏特的电荷，足以产生电火花。通过接地放电，电荷平衡能够得以恢复。放电速度极快，只需几纳秒就能完成。通常静电放电电压要达到3kV时人体才会有所感觉。ESD事件通常都会让人感到轻微的电击。不过，如果同等的ESD压力注入设备，就可能对设备造成损害。
环境空气中相对较低的湿度也会增加放电时的电压，因为其提高了绝缘物质保持电荷的能力，而且由于空气传导性下降而导致积累的电荷难以逐渐消散。开车时，驾驶员、乘客的衣服与汽车皮制或塑料内饰的摩擦也会积累起电荷。积累的电荷在接触金属车身时可能产生电火花。


表1：摩擦电物质的分类


还有一个摩擦起电的实例就是当IC在运输过程中滑动时，由于IC引线和电子管之间摩擦而产生的电子管静电。在正常的一天中，人体会产生巨大的静电。表1根据物质的摩擦电属性将一些物质进行了分类。
除了摩擦电之外，通过感应和传导也能在物质中生成静电电荷。带电物质在环境中产生静电场，如有导电物质进入静电场，则会因感应产生内部电荷分布。图2给出了未带电物体B接近带电物体A的情况，物体B会得到分布电荷。近端为负电荷，而远端为正电荷。ESD充电器件模型（CDM）则基于静电感应。



图2：通过感应生成电荷

当两个具有不同电势的带电物体彼此物理接触时，电荷会从较高电势物体传递到较低电势物体，直到二者电势相同。这种机制就是传导。
物质的分类
广义地说，物质根据不同的ESD处理类别可分为绝缘体（ρ＞1012Ω/□（每平方面积上的欧姆值））、慢电荷耗散性防静电（109＜ρ＜1012Ω/□）、电荷耗散性防静电（106＜ρ＜109Ω/□）以及导电（ρ＜106Ω/□）物质。防静电物质能抵抗摩擦电，因此在制造和装配环境中防静电和耗散性物质可用来限制电荷累积。

电气过应力（EOS）
EOS是用来描述当IC遭遇超出器件数据表规范限制的电流或电压影响时可能出现的热损坏。EOS事件会造成IC性能降低或永久性功能故障。EOS比ESD的进程要慢得多，但相关能量却很高。热损坏是EOS事件期间生成过多热量造成的结果。EOS事件的高电流会在低电阻路径中生成局部高温。高温会造成栅氧化层、互联、金属烧毁等器件物质损坏。一般说来，EOS和ESD被归为一种故障机制，即“ESD和EOS故障”。这是因为EOS和ESD故障模式很像。ESD和EOS的过应力事件很像，但电流或电压以及时间过应力条件不同。ESD电压很高（＞500V），峰值电流一般（~1A到10A），发生时间很短。EOS的电压较低（＜100V），峰值电流很高（＞10A），发生时间较长。如闩锁效应长期持续，也会造成EOS损坏。

静电放电（ESD）
ESD是指两个具有不同静电电势物体之间通过直接接触或感应电场而发生瞬态静电放电。ESD是静电带电物体通过IC静电放电导致较大电流和能耗的结果，进而损坏IC。任何物质表面的电荷通常是中性的，如传递能量，就会出现电荷不平衡。
导体由于导电表面较高的电子流动性不太容易带电，因此会出现电荷重组并保持中性表面。另一方面，摩擦很容易让绝缘体带电。传递能量到不导电物质上就会积累大量局部电荷，最终通过外部路径进行放电。静电的主要来源就是绝缘体，如塑料表面、绝缘鞋、木材、泡沫包装等。由于绝缘体的电荷分布不均匀，因此其生成的电压会非常高（kV）。
此外，IC的ESD损坏也是热现象。局部体积快速产生大量热，很难消除，这就造成金属互联烧坏、聚酯损坏、栅氧化层破坏、接触破坏、结点破坏等IC损坏。
当人走在合成树脂地板上，生成的电压可能高达20kV。干燥空气中摩擦尼龙和聚酯物质产生的电压可高达25kV。如果此人接触接地物体，电荷会在极短时间（1到100纳秒）内从人体移到该物体上，放电时间和电流具体取决于时间常数。
放电电流约为1到10A。从工厂到现场使用过程中随时都有可能出现电子设备的静电损坏。半导体设备的设计需考虑ESD保护问题，要能在短时间内承受高电流。举例来说，如果设备通过ESD-HBM认证，能承受2kV的规范电压，那么该设备就能在10纳秒的上升时间内承受1.3A的电流，或者在150纳秒的下降时间内承受1.3A电流。不过，该产品不能在几毫秒内承受100mA。如果该产品遭受较弱的ESD脉冲而部分损坏，或许仍能继续工作，并足以通过满足数据表规范要求的量产ATE测试。这个缺陷会随着时间的推移而延伸，几个小时后就会造成产品故障。这种缺陷就是潜在缺陷，由此形成的故障为潜在ESD故障。潜在缺陷难以检测，特别在器件已经装配到成品中的情况下更是如此。