半导体器件的电气过应力和静电放电故障——第一部分

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