半导体器件的电气过应力和静电放电故障

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(109ρ1012Ω/□)、电荷耗散性防静电(106ρ109Ω/□)以及导电(ρ106Ω/□)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