半导体器件的电气过应力和静电放电故障——第二部分 静电放电, 半导体

Bazinga

有许多因素都可导致EOS和静电放电（ESD/EOS）产生，譬如欠佳的片上保护电路设计与布局、技术、生产工具、制造和装配工艺、运输以及设计人员电路板设计等现场应用等。设计人员在应用过程中，可能会因瞬变、接地不正确、电源电压与地面之间的低电阻路径、电源引脚或地面短路、内部电路受损等原因出现ESD/EOS现象。对于IC而言，如果其所处环境超出数据表规范，则最终会发生故障。如果IC在数据表规范范围内工作，则其组件的内部条件是不会产生EOS损坏的，因此，EOS损坏只有在条件异常时才会出现。测试和处理设备时如果接地不正确就会积累静电荷，这些电荷在接触IC之后，立即通过IC传递。ESD测试模型
虽然半导体器件包括EOS保护电路，但是为了确保其满足JEDEC标准规定的有效性和可靠性要求，必须开展ESD测试来检查零部件是否合格。ESD测试主要有3个测试模型：HBM（人体模型）、CDM（充电器件模型）与MM（机器模型）。HBM仿真人体放电产生的ESD。人体被认为是主要的ESD来源，通常采用HBM描述ESD事件。CDM仿真带电器件接触导电物质后放电。MM则仿真物体向组件放电。该物体可以是任何工具，也可以是生产设备。下文会对各个测试模型进行详细描述。

人体模型（HBM）

人在走路时会产生电，但这些电都会进入地面。每走一步都会积累电荷，我们可以采用下列方程式来表示该电荷：ΔV/Δt = n Δq/C，其中，n表示每秒的步伐数，C表示人体电容。请设想一下绝缘地面上的常见情形，结果表明，每走一步ΔV就会增加300V，10秒内达到3kV左右（注：部分电荷泄漏）。
在HBM测试中，我们采用了简单的串联RC网络，如图3所示，用来仿真人体放电。我们使用1MΩ的电阻给100pF电容器充电，然后使用1.5kΩ电阻对其进行放电。大部分HBM事件都是破坏性的，而且上升时间快。因此，采用快速上升时间脉冲可以更加精确地仿真HBM放电事件。



图3：ESD--HBM测试设置与电流波形图





所产生的热量取决于电容、DUT电阻以及ESD脉冲的峰值电压。所产生的热量会引发金属线熔化等热损坏。在HBM测试中，无论IC出现哪种形式的故障模式，栅氧化层、导电棒与结点一般都会损坏。图3给出了测试设置和电流波形图的特征。首先串联1MΩ电阻和100pF电容器，然后施加高电压。电容器充满电后，通过1.5kΩ电阻放电至DUT引脚。
充电器件模型（CDM）
CDM可仿真HBM测试无法仿真的现场故障损坏。CDM仿真的情形是：利用摩擦起电效应直接给器件充电，或者通过静电感应间接给器件充电（静电荷存储于零部件本体之中，通过外部地面放电）。



图4：ESD--CDM测试设置与电流波形图


本测试旨在仿真生产环境下的各种情形，譬如处理机械器件等等，器件沿输送管道或测试处理机滑下，积累电荷，随后该电荷又被放电至地面。CDM ESD测试和典型的电流波形图参见图4。外部地面接触被充电器件的DUT引脚之后，器件则将所存储的电荷放电至外部地面。在CDM测试中，器件在测试固定装置上，背面始终朝上，如图4所示。
CDM电流高于HBM，因为路径中并没有限流电阻器限制放电。对于500V的测试电压而言，电流波形上升时间一般在400皮秒左右，峰值电流为6A左右，峰值电流持续时间为1.5至2纳秒。对于1000V的测试电压而言，峰值电流强度为12A。

机器模型（MM）

机器模型又被称为0欧模型，旨在仿真通过器件向地面放电的机器。MM测试中，故障模式类似于HBM测试。在测试设置中，高压（HV）电源与电阻串联，给电容器充电，利用开关将电容与高压电源切断，然后将电容器连接至电感器进行放电。电感器产生振荡电流波形。MM所采用的基本测试电路和HBM一样，但R=0Ω、C=200pF，如图5所示。充电时，200pF的电容器充当金属处理器等导电性物体，使用1MΩ电阻和0.5μH电感器进行放电。MM测试的应用没有HBM测试普遍。MM电流特征波形由正向正弦波峰和负向正弦波峰组成，这两个波峰均呈指数衰变。



图5：ESD--MM测试设置与电流波形图
HBM、CDM与MM的对比

HBM与MM的上升时间（即10秒左右）和总持续时间相似，因此，它们的焦耳热效应相当，故障机制也因此类似。MM测试中，故障特征和放电过程与HBM测试大体相同。因此，HBM测试可以保证MM的ESD稳健性。通常而言，MM ESD的应力水平比HBM ESD低10倍左右。HBM保护电压通常是2kV左右，而MM则为200V左右，CDM为500V左右。CDM与HBM和MM截然不同，因此，CDM与它们无任何关联。目前，普遍采用CDM和HBM测试ESD保护电路。图6给出了HBM、MM和CDM的电流波形。CDM波形对应最短的已知ESD事件，上升时间为400皮秒，总持续时间为2秒左右。



图6：HBM、CDM与MM的电流波形图


ESD抗扰度分类

我们通过上文已经了解了不同模型的ESD测试步骤与设置。器件的ESD灵敏度度可定义为：该器件能够通过的最高ESD测试电压和让其产生故障的最低ESD测试电压。每个模型都有自己的分类，以便按照ESD灵敏度对器件进行分类。表2、3、4列出了HBM、CDM与MM的分类情况。



表2：HBM的ESD抗扰度分类




表3：CDM的ESD抗扰度分类





表4：MM静电放电扰度分类