微電子器件工業(yè)生產(chǎn)中的靜電防護(hù)研究

劉軍霞，張新煥

（1．南京國博電子有限公司，江蘇南京 210016；2．中國電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所，江蘇南京 210016）

微電子器件工業(yè)生產(chǎn)中的靜電防護(hù)研究

劉軍霞1，張新煥2

（1．南京國博電子有限公司，江蘇南京 210016；2．中國電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所，江蘇南京 210016）

從ESD過程分析入手，對(duì)微電子器件工業(yè)生產(chǎn)中的靜電來源以及泄放途徑進(jìn)行了剖析，介紹了4種靜電放電模型，進(jìn)而闡述了微電子器件工業(yè)生產(chǎn)中的靜電防護(hù)技術(shù)以及靜電防護(hù)體系，以確保靜電防護(hù)的有效性。

靜電放電；微電子器件；可靠性

ESD是微電子器件工業(yè)生產(chǎn)中備受關(guān)注的一個(gè)重大問題，它嚴(yán)重威脅著微電子器件的質(zhì)量和可靠性，影響器件構(gòu)成的整機(jī)系統(tǒng)的正常工作，給器件及系統(tǒng)制造商造成不可低估的經(jīng)濟(jì)損失。盡管近幾十年來人們對(duì)ESD的防護(hù)意識(shí)不斷提高，但隨著一些電阻率很高的高分子材料制品的廣泛應(yīng)用、現(xiàn)代生產(chǎn)過程的高速化以及微電子技術(shù)和集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，靜電放電帶給相關(guān)工廠企業(yè)的危害也越來越突出，ESD防護(hù)的形勢(shì)依然嚴(yán)峻。筆者以ESD過程分析為基礎(chǔ)，對(duì)微電子器件工業(yè)生產(chǎn)中的ESD進(jìn)行了較為全面的分析，闡述了微電子器件ESD防護(hù)技術(shù)及建立ESD防護(hù)體系的必要性。

1 ESD過程分析

電荷在物體表面上累積就會(huì)使物體帶上靜電，當(dāng)靜電荷突然從一個(gè)物體表面移動(dòng)到另一個(gè)物體表面，就發(fā)生了ESD。ESD的發(fā)生即是平衡2個(gè)物體之間的電荷。通常，這些電荷移動(dòng)迅速隨機(jī)并產(chǎn)生較大的電流。為分析研究器件ESD問題，一個(gè)ESD事件一般被劃分為4個(gè)階段，見圖1。

圖1 ESD事件

第1個(gè)階段是電荷產(chǎn)生，電荷可能由摩擦起電、感應(yīng)或者傳導(dǎo)產(chǎn)生。對(duì)于摩擦起電，要求2種不同材料物理接觸或者互相摩擦，通常發(fā)生在絕緣體與絕緣體、絕緣體和導(dǎo)體之間；感應(yīng)帶電則是在導(dǎo)體接近帶電體然后移開時(shí)發(fā)生。傳導(dǎo)帶電發(fā)生在2個(gè)不同電勢(shì)的物體相互接觸時(shí)。

在第2個(gè)階段，電荷將從高電勢(shì)的物體轉(zhuǎn)移到低電勢(shì)的物體，直至兩者電勢(shì)平衡，放電電流可由2個(gè)物體間的電容及兩者間的阻抗來表征。

最后一個(gè)階段是對(duì)器件是否已失效及屬于何種失效進(jìn)行評(píng)估。微電子器件由ESD引發(fā)的失效模式有以下3種。

1）器件完全喪失規(guī)定功能有物理損壞的嚴(yán)重失效，如雙極型器件的射—基間短路，場效應(yīng)器件的柵—源間或柵—漏間短路或開路，集成電路的金屬化互連或鍵合引線的熔斷等。

2）軟失效，器件性能瞬時(shí)變差后又恢復(fù)正常。

3）潛在損傷，器件受到靜電作用后電參數(shù)僅有輕微變化但仍然合格，而器件的使用壽命明顯縮短。研究表明大多數(shù)情況下ESD損傷表現(xiàn)為潛在損傷［1］，短期內(nèi)器件性能正常，但器件的長期可靠性會(huì)受到嚴(yán)重影響［2］。

造成這3種失效模式的機(jī)理可分為過電壓場致失效和過電流熱致失效2種。

過電壓場致失效指的是靜電放電瞬間器件上產(chǎn)生高電壓，導(dǎo)致器件內(nèi)部因強(qiáng)電場損傷而發(fā)生失效。例如：對(duì)于MOS器件，柵電極受到靜電作用時(shí)因不斷接受高靜電放電電荷而呈現(xiàn)越來越高的電壓，當(dāng)柵氧化層電場超過其擊穿臨界電場時(shí)，柵氧化層介質(zhì)即發(fā)生擊穿而可能使MOSFET的柵—源或柵—漏短路，使器件喪失規(guī)定功能，若靜電放電能量不足以造成器件的永久性損壞，即擊穿后器件性能有可能恢復(fù)，但已引入潛在缺陷，繼續(xù)使用會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)低擊穿和漏電增加，不久也會(huì)出現(xiàn)不可恢復(fù)的嚴(yán)重失效。對(duì)于集成電路中兩條相距很近的微帶，如果受到靜電作用導(dǎo)致它們之間的電壓超過空氣擊穿電壓，微帶線間就有可能發(fā)生氣體電弧放電，致使微帶線熔斷。

過電流熱致失效指的是靜電通過器件泄放，在器件上某處產(chǎn)生很大的瞬間功率密度，形成局部過熱，當(dāng)局部結(jié)溫達(dá)到甚至超過材料的本征溫度即會(huì)熔化從而導(dǎo)致器件失效。對(duì)于半導(dǎo)體器件的pn結(jié)，根據(jù)WUNSCH D C和BELL R R的試驗(yàn)和分析研究［3］，pn結(jié)熔化所需的功率密度與ESD脈沖寬度和作用面積存在如下關(guān)系：

The protein cross-linking mechanism evidently requires much more research both with and without a photoinitiator, and such studies could yield different results depending on the relevant amino acids.

式中：P為pn結(jié)熔化所需的功率密度；A為結(jié)面積；κ，ρ和CP分別為半導(dǎo)體熱導(dǎo)率、密度和比熱；Tm和Ti分別為破環(huán)溫度和初始溫度（一般為室溫）；t為放電脈沖寬度。

2 微電子器件工業(yè)生產(chǎn)中的靜電

在微電子器件工業(yè)生產(chǎn)中，靜電有2個(gè)主要來源：人和機(jī)器設(shè)備。

人體自身的動(dòng)作或與其他物體的接觸、分離、摩擦或感應(yīng)等，可以產(chǎn)生高達(dá)幾萬伏的靜電勢(shì)。當(dāng)帶有靜電的人體接觸器件時(shí)，靜電荷就會(huì)通過器件快速泄放，可能造成器件瞬間損壞。生產(chǎn)中使用的機(jī)器設(shè)備同樣也會(huì)累積大量電荷。為提高生產(chǎn)效率，目前許多晶圓加工廠和芯片微組裝線都采用了自動(dòng)設(shè)備進(jìn)行工藝操作，對(duì)于自動(dòng)裝配設(shè)備，通常使用導(dǎo)軌、傳送帶、滑道和其他裝置來移動(dòng)器件使之按工藝要求的方向運(yùn)動(dòng)，傳送系統(tǒng)由于摩擦可能會(huì)累積大量電荷，這些累積的電荷就可能會(huì)在工藝過程中通過器件泄放。在自動(dòng)測試時(shí)，機(jī)器手在物料盤和測試系統(tǒng)間往返運(yùn)動(dòng)，如果帶電，也會(huì)通過器件將帶的電荷轉(zhuǎn)移。

除此之外，一些由高分子材料制作的工作服、工作桌椅、地板、包裝容器、器皿和工具等均為靜電源，這些物品相互摩擦或與人體摩擦都會(huì)產(chǎn)生很高的靜電勢(shì)。

3 ESD模型

靜電通過微電子器件放電通常有以下4種途徑：1）帶電人體接觸器件；2）帶電器件接觸一個(gè)接地的表面；3）帶電機(jī)器設(shè)備接觸器件；4）靜電場在器件電介質(zhì)上感應(yīng)了足夠?qū)е聯(lián)舸┑碾妷骸?/p>

為很好地描述不同途徑的靜電放電形式，人們提出了4種模型：人體模型（HBM）、機(jī)器模型（MM）、帶電器件模型（CDM）和電場感應(yīng)模型（FIM）。

HBM模型是ESD模型中應(yīng)用最廣泛的模型，靜電釋放可導(dǎo)致持續(xù)約100 ns安培量級(jí)的峰值泄放電流。該模型在幾個(gè)基本等效的標(biāo)準(zhǔn)中均有定義，如美國軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL－STD－883F［5］方法3015，ESD協(xié)會(huì)ANSI／ESD標(biāo)準(zhǔn)STM 5．1－2007［6］，電子工業(yè)聯(lián)盟EIA／JEDEC標(biāo)準(zhǔn)JESD 22－A114－E［7］以及自動(dòng)化電子委員會(huì)AEC標(biāo)準(zhǔn)AEC－Q 100－002－D［8］。在所有這些標(biāo)準(zhǔn)中，JESD標(biāo)準(zhǔn)是工業(yè)領(lǐng)域最廣泛使用的標(biāo)準(zhǔn)。

MM模型模擬器件和設(shè)備接觸時(shí)靜電泄放的情況，對(duì)地電容比HBM稍高，但接觸電阻比HBM要低得多，將產(chǎn)生相對(duì)更高的峰值電流。

CDM模型模擬帶有靜電的器件與一個(gè)不等電勢(shì)的表面相接觸，電荷通過器件上的導(dǎo)電部分泄放的情況。FIM模型與CDM模型放電過程類似，區(qū)別僅在于器件中電荷的來源不同。CDM模型中的靜電電荷來自摩擦起電或傳導(dǎo)，F(xiàn)IM模型中的靜電電荷來自電場感應(yīng)。

4 靜電防護(hù)

盡可能避免靜電的產(chǎn)生，盡可能使產(chǎn)生的靜電泄放出去，是ESD防護(hù)的基本原則。

1）通過靜電防護(hù)電路設(shè)計(jì)改善器件的抗靜電能力

靜電防護(hù)電路應(yīng)能在ESD發(fā)生時(shí)為輸入、輸出端到電源／地端之間提供一個(gè)低阻通路，同時(shí)還應(yīng)在正常工作條件下使輸入、輸出端到電源／地端之間成為一個(gè)高阻通路。MOS器件是對(duì)靜電極為敏感的器件之一，一般在其輸入端加入靜電防護(hù)電路。最基本的防護(hù)電路是在輸入端與電源／地端之間加pn結(jié)二極管，pn結(jié)二極管的反向擊穿電壓應(yīng)低于柵氧化層的耐壓。此外，還可采用MOS晶體管構(gòu)成靜電防護(hù)電路，一般基于MOS的靜電防護(hù)電路被設(shè)計(jì)成兩級(jí)（見圖2），兩級(jí)用隔離電阻連接。第1級(jí)由較大的晶體管構(gòu)成，響應(yīng)慢但能承載大電流；第2級(jí)由較小的晶體管構(gòu)成，響應(yīng)較快但電流承載能力有限。當(dāng)發(fā)生ESD時(shí)，第2級(jí)迅速導(dǎo)通，箝住電位，使核心電路受到保護(hù)，同時(shí)觸發(fā)第1級(jí)晶體管導(dǎo)通，使大部分電流流經(jīng)第1級(jí)晶體管。

圖2 兩級(jí)靜電防護(hù)電路方框圖

在靜電防護(hù)電路版圖設(shè)計(jì)中，金屬線應(yīng)盡可能寬，并應(yīng)避免直角拐彎，以避免通過大電流時(shí)被燒毀；金屬環(huán)路應(yīng)盡可能遠(yuǎn)，以避免尖端放電產(chǎn)生損傷；多層布線的版圖設(shè)計(jì)應(yīng)盡量避免金屬化層經(jīng)薄氧化層交迭；電路輸入端至防護(hù)網(wǎng)絡(luò)有源器件的距離與輸入端至內(nèi)部柵或pn結(jié)的距離之比盡可能小，以提高防護(hù)網(wǎng)絡(luò)對(duì)靜電電流的吸收速度。

為提高靜電防護(hù)電路設(shè)計(jì)的成功率，增強(qiáng)設(shè)計(jì)的靈活性和可移植性，目前器件的靜電防護(hù)設(shè)計(jì)過程可采用基于仿真模擬的設(shè)計(jì)技術(shù)。常用的工具是Synopsys公司的TCAD。為使仿真模擬結(jié)果與測試結(jié)果很好吻合，需要提取精確的ESD條件下的等效電路模型，該模型可在傳輸線脈沖（TLP）測試方法以及MATLAB數(shù)學(xué)工具的輔助下進(jìn)行實(shí)現(xiàn)［4］。

2）在器件制造、裝配、貯存、運(yùn)輸過程中采取防靜電措施，以避免靜電對(duì)器件可能產(chǎn)生的損傷

微電子器件加工制造的靜電防護(hù)區(qū)要連接防靜電地線，并將工作臺(tái)、設(shè)備、儀器和腕帶等與防靜電地線可靠連接。防靜電接地一般應(yīng)單獨(dú)使用一根地線，不要與避雷接地和交流地合并使用。操作人員在接觸微電子器件之前應(yīng)戴好防靜電腕帶，保證腕帶和皮膚接觸良好并接入防靜電接地系統(tǒng)。操作人員被安全接地，具有強(qiáng)破壞力的靜電就難以形成。每條腕帶等效為一個(gè)MΩ量級(jí)的電阻，使操作人員身上累積的靜電荷在短時(shí)間內(nèi)被泄放掉。除了配戴防靜電手腕，為更安全可靠地避免人體對(duì)器件的ESD損傷，在微電子器件工業(yè)生產(chǎn)中操作人員還被要求穿防靜電工作服及防靜電鞋。對(duì)于微電子器件生產(chǎn)廠房，應(yīng)采用靜電耗散材料制做的地板、工作臺(tái)，避免使用易產(chǎn)生靜電的材料。研究發(fā)現(xiàn)，靜電的產(chǎn)生及其大小與環(huán)境濕度和空氣中的離子濃度有著密切的關(guān)系，因此生產(chǎn)廠房溫度和濕度要適宜，以減少靜電產(chǎn)生。在測量和使用微電子器件時(shí)，適當(dāng)考慮對(duì)器件周圍的線路進(jìn)行靜電防護(hù)設(shè)計(jì)，可以避免或削弱靜電的損傷。在微電子器件配料、發(fā)料、貯存以及轉(zhuǎn)運(yùn)過程中必須使用防靜電包裝材料和容器、周轉(zhuǎn)車，嚴(yán)禁將其插放在泡沫上和裝在不具防靜電功能的容器或包裝袋中。

5 靜電防護(hù)體系的建立

從以上闡述可以看到，微電子器件的靜電防護(hù)涉及到設(shè)計(jì)、制造、裝配、處理、檢查、試驗(yàn)、包裝、運(yùn)輸、貯存、使用等各個(gè)環(huán)節(jié)，并且各環(huán)節(jié)以串聯(lián)模式影響器件靜電防護(hù)的可靠度，任何一方面的疏漏或失誤，都將導(dǎo)致靜電防護(hù)工作的失敗。因此，靜電防護(hù)與控制不僅僅只是一個(gè)防靜電用品配備的問題，而應(yīng)該是一個(gè)系統(tǒng)化的工作。系統(tǒng)化、標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化的靜電防護(hù)體系是做好靜電防護(hù)工作的客觀要求。

從某種意義上說，靜電防護(hù)體系是質(zhì)量管理體系在靜電防護(hù)方面的特定要求，它要求工廠不但要在硬件設(shè)施上有必要的投入，更重要的是保證各個(gè)環(huán)節(jié)的靜電防護(hù)措施能夠一直有效實(shí)施。它包括制定科學(xué)合理、充分可行、符合實(shí)際的靜電防護(hù)控制方案，制定實(shí)施程序文件、操作指導(dǎo)書、防護(hù)設(shè)施技術(shù)要求，制定人員培訓(xùn)計(jì)劃，制定確認(rèn)防護(hù)有效性的檢驗(yàn)計(jì)劃，在生產(chǎn)中按靜電防護(hù)方案和程序?qū)嵤?/p>

6 結(jié) 語

在微電子器件工業(yè)生產(chǎn)中，保證微電子器件不受靜電損傷，不僅僅是技術(shù)問題，還需工業(yè)生產(chǎn)中建立完善的ESD防護(hù)體系，使管理體系有效運(yùn)行。在體系中，制定并貫徹ESD防護(hù)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和使用守則，開展有關(guān)規(guī)章制度的宣傳和教育，加強(qiáng)人員的培訓(xùn)，建立嚴(yán)格的評(píng)審、認(rèn)證和監(jiān)督制度均是不可缺少的內(nèi)容。ESD防護(hù)體系的建立必將是做好靜電防護(hù)工作的有力保障。

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［7］ JESD 22－A114－E，Electrostatic Discharge（ESD）Sensitivity Testing Human Body Model（HBM）［S］．

［8］ AEC－Q 100－002－D，Human Body Model Electrostatic Discharge Test［S］．

TN406

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1008－1542（2011）07－0091－03

2011－06－20；責(zé)任編輯：張士瑩

劉軍霞（1980－），女，河南周口人，工程師，主要從事微電子器件和射頻模塊的可靠性研究等方面的工作。