半導體器件的電氣過應力和靜電放電故障

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。電氣過應力(EOS)和靜電放電(ESD)是電子行業(yè)面臨的重大挑戰(zhàn)之一。通常來說，半導體行業(yè)中超過三分之一的現(xiàn)場故障都是由ESD引起的。ESD導致的半導體故障表現(xiàn)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(diào)乏味的工作，因為ESD現(xiàn)象在微觀和宏觀物理層面上都會發(fā)生。ESD保護設計是IC設計人員的一大挑戰(zhàn)。隨著技術不斷向深亞微米級發(fā)展，為了實現(xiàn)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(wěn)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(huán)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?？赏ㄟ^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?shù)娜藛T操作和設備接地，以避免發(fā)生ESD問題;二是為封裝IC的引腳添加保護電路，在出現(xiàn)ESD應力情況下轉移內(nèi)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(xiàn)場返回器件的故障分析能通過顯示故障機制來協(xié)助設計開發(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(fā)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(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(xiàn)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(shù)千伏特的電荷，足以產(chǎn)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(huán)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(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。開車時，駕駛員、乘客的衣服與汽車皮制或塑料內(nèi)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(chǎn)生電火花。

表1：摩擦電物質(zhì)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(chǎn)生的電子管靜電。在正常的一天中，人體會產(chǎn)生巨大的靜電。表1根據(jù)物質(zhì)的摩擦電屬性將一些物質(zhì)進行了分類。

除了摩擦電之外，通過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，如有導電物質(zhì)進入靜電場，則會因感應產(chǎn)生內(nèi)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(zhì)的分類

廣義地說，物質(zhì)根據(jù)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(109ρ1012Ω/□)、電荷耗散性防靜電(106ρ109Ω/□)以及導電(ρ106Ω/□)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(shù)據(jù)表規(guī)范限制的電流或電壓影響時可能出現(xiàn)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(lián)、金屬燒毀等器件物質(zhì)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(fā)生時間很短。EOS的電壓較低(100V)，峰值電流很高(>10A)，發(fā)生時間較長。如閂鎖效應長期持續(xù)，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(fā)生瞬態(tài)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(zhì)表面的電荷通常是中性的，如傳遞能量，就會出現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(zhì)產(chǎn)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(nèi)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(shù)。

放電電流約為1到10A。從工廠到現(xiàn)場使用過程中隨時都有可能出現(xiàn)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(nèi)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(guī)范電壓，那么該設備就能在10納秒的上升時間內(nèi)承受1.3A的電流，或者在150納秒的下降時間內(nèi)承受1.3A電流。不過，該產(chǎn)品不能在幾毫秒內(nèi)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(xù)工作，并足以通過滿足數(shù)據(jù)表規(guī)范要求的量產(chǎn)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(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、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(xiàn)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(nèi)部電路受損等原因出現(xiàn)ESD/EOS現(xiàn)象。對于IC而言，如果其所處環(huán)境超出數(shù)據(jù)表規(guī)范，則最終會發(fā)生故障。如果IC在數(shù)據(jù)表規(guī)范范圍內(nèi)工作，則其組件的內(nèi)部條件是不會產(chǎn)生EOS損壞的，因此，EOS損壞只有在條件異常時才會出現(xiàn)。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(guī)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(chǎn)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(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(chǎn)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(shù)，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(nèi)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(lián)RC網(wǎng)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(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)生的熱量會引發(fā)金屬線熔化等熱損壞。在HBM測試中，無論IC出現(xiàn)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(lián)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(xiàn)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(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(xù)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(lián)，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(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，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(shù)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(xù)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(wěn)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(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，上升時間為400皮秒，總持續(xù)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(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(qū)域(ESD-HBM)，而高電場則會破壞電介質(zhì)(ESD-CDM)。ESD引發(fā)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(xiàn)場返修的產(chǎn)品就能發(fā)現(xiàn)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(nèi)部電路損壞檢測則需要高級故障分析技術。在本節(jié)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(shù)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(zhì)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(chǎn)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(xiàn)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(xiàn)短路、開路等不正常情況，但取下后SEM出現(xiàn)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，晶體管性能不會發(fā)生很大變化。這時會發(fā)現(xiàn)漏電情況比正常器件略高，但仍可能在數(shù)據(jù)表限制范圍以內(nèi)。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(zhì)擊穿

電介質(zhì)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(zhì)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(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氧化物(電介質(zhì))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(zhì)擊穿)，會出現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)，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(fā)現(xiàn)emission microcopy識別的熱點區(qū)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(qū)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(chǎn)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(chǎn)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(xiàn)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(xiàn)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。