分析半導(dǎo)體器件中的EOS和ESD故障詳解-KIA MOS管

靜電可以定義為累積在材料表面的固定電荷。靜電荷之間的相互作用（稱為靜電）導(dǎo)致兩個(gè)關(guān)鍵問題：靜電過應(yīng)力（EOS）和靜電放電（ESD）。

通常，ESD會(huì)導(dǎo)致半導(dǎo)體行業(yè)中超過三分之一的現(xiàn)場(chǎng)故障。ESD引起的半導(dǎo)體故障可以通過泄漏，短路，燒毀，接觸損壞，柵極氧化物破裂以及電阻器-金屬界面損壞的形式看到。

CMOS縮放可降低功耗并提高速度，但是較小的尺寸會(huì)增加由于EOS / ESD條件而導(dǎo)致薄柵極氧化物損壞的敏感性。

半導(dǎo)體芯片尺寸的縮小，柵極氧化物的稀薄，多個(gè)電源，芯片的復(fù)雜性以及高速電路的運(yùn)行，都對(duì)ESD敏感度做出了重要貢獻(xiàn)。縮小柵氧化層的厚度需要較少的電壓來?yè)p壞。

預(yù)測(cè)ESD非常繁瑣，因?yàn)镋SD現(xiàn)象同時(shí)發(fā)生在微觀和宏觀的物理水平上。ESD保護(hù)設(shè)計(jì)是IC設(shè)計(jì)人員面臨的主要挑戰(zhàn)。隨著深亞微米級(jí)技術(shù)的進(jìn)步并達(dá)到更高的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，需要先進(jìn)的預(yù)測(cè)性和魯棒性模型以及增強(qiáng)的CAD流程設(shè)計(jì)驗(yàn)證來應(yīng)對(duì)ESD。

當(dāng)生產(chǎn)環(huán)境中的人員，機(jī)械臂和其他設(shè)備搬運(yùn)設(shè)備時(shí)，會(huì)發(fā)生ESD損壞。它還來自包裝本身的電荷存儲(chǔ)。ESD是EOS的子集。可以通過兩種方法減少由于ESD引起的IC故障：

?在IC的制造，運(yùn)輸和使用過程中，確保人員和設(shè)備的正確搬運(yùn)和接地。

?在封裝IC的引腳上添加保護(hù)電路，以在ESD應(yīng)力事件期間將高電流從內(nèi)部電路轉(zhuǎn)移出去并鉗位高電壓。

ESD保護(hù)電路設(shè)計(jì)為響應(yīng)ESD事件而導(dǎo)通，將焊盤上的電壓鉗位。

現(xiàn)場(chǎng)返回設(shè)備的故障分析可以通過揭示故障機(jī)制來協(xié)助設(shè)計(jì)和開發(fā)過程。芯片制造商遵循行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以使其產(chǎn)品具有ESD資格。但是，他們無法控制客戶的操作，因此需要有效的片上電路保護(hù)和測(cè)試。

電荷產(chǎn)生與轉(zhuǎn)移機(jī)制

電荷產(chǎn)生過程主要有三個(gè)：摩擦帶電（接觸和分離機(jī)制），感應(yīng)和傳導(dǎo)。

由于不同材料之間的摩擦，材料表面上e–的電荷不平衡稱為摩擦帶電。產(chǎn)生的電荷的極性和強(qiáng)度取決于材料的摩擦電性能，表面粗糙度，施加的壓力，溫度，應(yīng)變和其他因素。

圖1顯示了來自兩個(gè)不同的負(fù)電對(duì)象X和Y的電荷轉(zhuǎn)移。讓我們假設(shè)當(dāng)對(duì)象之間發(fā)生接觸（摩擦）時(shí)，對(duì)象X損失e–，對(duì)象Y獲得e–。因此，與對(duì)象Y相比，對(duì)象X將帶正電。這種現(xiàn)象稱為摩擦電。

半導(dǎo)體靜電過應(yīng)力 EOS 靜電放電 ESD

1.電荷轉(zhuǎn)移取決于運(yùn)動(dòng)和材料的摩擦電特性。

當(dāng)人在地板上行走時(shí)，地板和鞋底之間的接觸和分離會(huì)產(chǎn)生靜電。在地毯上行走的人可能會(huì)積累數(shù)千伏的電荷，足以產(chǎn)生火花。通過向地面放電可以恢復(fù)電荷平衡。放電非常快，約為納秒。

通常，人們需要約3 kV的電壓才能通過靜電放電感到電擊。ESD事件通常會(huì)輕度震撼人們。但是，如果將相同數(shù)量的ESD應(yīng)力注入設(shè)備，則可能是有害的。

通過增加絕緣材料保持電荷的能力，環(huán)境空氣中的低相對(duì)濕度會(huì)增加發(fā)生放電的電壓。通過降低空氣的電導(dǎo)率，電荷積累也很難逐漸消散。

由于駕駛員的衣服與車輛內(nèi)部的皮革或塑料內(nèi)飾之間的摩擦，汽車行駛會(huì)導(dǎo)致駕駛員和乘客積聚電荷。所存儲(chǔ)的電荷在與金屬車身接觸時(shí)會(huì)散發(fā)出火花。

當(dāng)IC在運(yùn)輸管中滑動(dòng)時(shí)，由于管與IC引線之間的摩擦?xí)a(chǎn)生靜電，因此也會(huì)產(chǎn)生摩擦帶電。

除了摩擦電，材料還可以通過感應(yīng)和傳導(dǎo)產(chǎn)生靜電荷。帶電的材料具有靜電場(chǎng)。當(dāng)任何導(dǎo)電材料進(jìn)入靜電場(chǎng)時(shí)，由于感應(yīng)會(huì)發(fā)生內(nèi)部電荷分布。

圖2示出了何時(shí)使不帶電的物體B靠近帶電的物體A，并且B獲得分布的電荷。近端帶負(fù)電荷，而遠(yuǎn)端帶正電荷。ESD充電設(shè)備模型（CDM）基于靜電感應(yīng)。

當(dāng)兩個(gè)不同電位的帶電體相互接觸時(shí)，電荷從較高電位的體流向較低電位的體，直到它們都具有相同的電位。這種機(jī)制稱為傳導(dǎo)。

概括地說，材料可在ESD處理類別被分類，例如絕緣體（ρ> 10 12 Ω/平方），慢速充電耗散防靜電（10 9 <ρ> 10 12 Ω/平方），電荷耗散防靜電（10 6 <ρ> 10 9 Ω/平方），和導(dǎo)電性（ρ<10 6 Ω/平方）。

防靜電材料可防止摩擦，因此防靜電和耗散材料可用于限制制造和組裝環(huán)境中的電荷積累。

電氣過應(yīng)力

EOS是一個(gè)術(shù)語(yǔ)，用于描述當(dāng)IC承受超過器件數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)格限制的電流或電壓時(shí)可能發(fā)生的熱損壞。EOS事件可能會(huì)使IC降級(jí)或?qū)е掠谰眯怨δ芄收稀OS比ESD慢得多，但是相關(guān)能量很高。

熱損壞是EOS事件期間產(chǎn)生的過多熱量的結(jié)果。EOS事件中的高電流會(huì)在低電阻路徑中產(chǎn)生局部高溫。高溫會(huì)損壞器件材料，例如柵極氧化物和互連，導(dǎo)致金屬燒壞。由于EOS和ESD故障模式的相似性，EOS和ESD通常歸類為單項(xiàng)故障機(jī)制，即“ ESD和EOS”。

關(guān)于應(yīng)力事件，ESD和EOS相似，但電流或電壓以及時(shí)間應(yīng)力條件不同。ESD是一個(gè)非常高的電壓（> 500 V）和中等的峰值電流（?1 A至10 A）事件，在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生。

EOS是發(fā)生在較長(zhǎng)時(shí)間范圍內(nèi)的低電壓（<100 V）和大峰值電流（> 10 A）事件。如果長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)，閂鎖也會(huì)導(dǎo)致EOS損壞。

半導(dǎo)體靜電過應(yīng)力 EOS 靜電放電 ESD

2.當(dāng)使不帶電的物體B靠近帶電的物體A時(shí)，B會(huì)獲得分布式電荷。

靜電放電

ESD是兩個(gè)物體之間通過直接接觸或感應(yīng)電場(chǎng)以不同的靜電勢(shì)瞬時(shí)釋放靜電荷的過程。這是帶靜電的物體的結(jié)果。通過IC釋放靜電荷會(huì)產(chǎn)生大電流并耗散能量，從而損壞IC。任何材料表面的電荷通常是中性的。當(dāng)能量傳遞給它時(shí)，會(huì)發(fā)生電荷不平衡。

由于導(dǎo)電表面中的高電子遷移率，導(dǎo)體不易通過摩擦來充電，因此會(huì)發(fā)生電荷復(fù)合并保留中性表面。另一方面，絕緣子可以容易地通過摩擦來充電。將能量傳遞給不導(dǎo)電的材料會(huì)導(dǎo)致大量的局部堆積電荷，直到它通過外部路徑放電為止。

靜電的主要來源包括絕緣體，例如塑料表面，絕緣鞋，木質(zhì)材料和氣泡包裝。由于絕緣體中的電荷分布不均勻，這些源所產(chǎn)生的電壓電平可能會(huì)很高，達(dá)到總計(jì)千伏。

IC中的ESD損壞也可能來自熱現(xiàn)象。局部體積中會(huì)以非常快的速率產(chǎn)生大量熱量，而這太快了，無法去除。因此，IC會(huì)以金屬互連燒壞，多晶硅損壞，柵氧化層破裂或擊穿，接觸尖峰或結(jié)擊穿的形式損壞。

當(dāng)人們?cè)诤铣傻匕迳闲凶邥r(shí)，它們可以累積高達(dá)20 kV的電壓。在干燥的空氣中摩擦（摩擦）尼龍和聚酯可產(chǎn)生25 kV。當(dāng)人觸摸接地物體時(shí)，電荷會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)（1到100 ns）從人移動(dòng)到物體。放電時(shí)間和電流取決于時(shí)間常數(shù)。

放電電流總計(jì)約為1 A至10A。從工廠到現(xiàn)場(chǎng)的任何地方都可能對(duì)電子設(shè)備造成靜電損壞。半導(dǎo)體器件設(shè)計(jì)用于ESD保護(hù)，可在短時(shí)間內(nèi)承受高電流。

例如，如果某個(gè)設(shè)備符合ESD-HBM的規(guī)定，可以承受2kV的指定電壓，則該設(shè)備可以以1.3ns的上升時(shí)間和10ns的下降時(shí)間承載1.3A電流。但是，該同一設(shè)備在幾毫秒內(nèi)無法傳輸100 mA的電流。

如果設(shè)備暴露于弱ESD脈沖中并受到部分損壞，則它可能會(huì)繼續(xù)發(fā)揮足夠的作用，并通過符合數(shù)據(jù)表規(guī)格的生產(chǎn)自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備（ATE）測(cè)試。

然后，該缺陷可能會(huì)隨著時(shí)間的流逝而擴(kuò)展，并且?guī)讉€(gè)小時(shí)后設(shè)備就會(huì)發(fā)生故障。這些類型的缺陷稱為潛在缺陷，而故障稱為潛在的ESD故障。潛在缺陷很難檢測(cè)到，尤其是在將設(shè)備組裝成最終產(chǎn)品之后。

從概念上講，ESD（Electro-Static discharge），靜電釋放，EOS （Electrical Over Stress），電氣過應(yīng)力。廣義上講ESD也屬于EOS，為了便于分析，這里將靜電導(dǎo)致的應(yīng)力失效認(rèn)為是ESD失效，其余電氣應(yīng)力失效認(rèn)為是EOS失效。

有統(tǒng)計(jì)表明，ESD和EOS失效比例分別占3%和97%。

ESD是兩種材料互相位移，導(dǎo)致靜電釋放，ESD事件需要滿足下列條件：

（1）大電壓，＞500V，峰值電流不高；（2）低能量，放電曲線是脈沖型，時(shí)間作用時(shí)間短，小于1μs。

如下圖所示：

半導(dǎo)體靜電過應(yīng)力 EOS 靜電放電 ESD