靜電放電器件充電模型CDM失效機(jī)理分析

陸 堅(jiān)，姜汝棟

（1.江南大學(xué)，江蘇 無錫 214122 ；2.中國電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

靜電放電器件充電模型CDM失效機(jī)理分析

陸 堅(jiān)1，2，姜汝棟2

（1.江南大學(xué)，江蘇 無錫 214122 ；2.中國電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

CMOS集成電路進(jìn)入納米時(shí)代，電路的功能日趨復(fù)雜，面積也不斷增加，電路自身存儲(chǔ)的靜電電荷對電路造成的損傷將不可忽視，在失效分析中，這種失效模型稱為器件充電模型。詳細(xì)介紹了器件充電模型與人體模型及機(jī)器模型在電路原理和電流波形上的不同之處，分析電路上存儲(chǔ)電荷的機(jī)理和原因，主要是由于電路在生產(chǎn)和使用環(huán)境中受到靜電源的感應(yīng)以及電路和其他物體或空氣的摩擦等造成。詳細(xì)分析器件充電模型引起電路損傷的失效機(jī)理，器件充電模型作為一個(gè)電荷驅(qū)動(dòng)型，其電流方向主要是由電路內(nèi)部向外部流動(dòng)，其電流大、上升速度快，會(huì)對電路的柵極造成損傷。

靜電放電；器件充電模型；人體模型；機(jī)器模型

1　引言

在金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）集成電路中，隨著工藝水平的不斷提升，器件的尺寸縮小至深亞微米以上，器件的性能和速度不斷提升，以降低成本。但在縮小工藝尺寸的同時(shí)，也帶來了一些可靠性方面的問題，靜電放電損傷就是其中一個(gè)比較突出的問題。

在現(xiàn)實(shí)使用環(huán)境中，到處都存在電容效應(yīng)，靜電電荷可以存儲(chǔ)在任何物體中，靜電放電現(xiàn)象隨處可見。針對集成電路，當(dāng)前業(yè)界比較公認(rèn)的三種靜電放電模型是人體放電模型（Human body Model，以下簡稱HBM）、機(jī)器放電模型（Machine Model，以下簡稱MM）和器件充電模型（Charged Device Mode，以下簡稱CDM）。這三種模型中，HBM和MM由于提出較早而被人們熟知，工程師們也有針對性地設(shè)計(jì)了各種各樣的靜電保護(hù)結(jié)構(gòu)來提升器件的靜電放電防護(hù)水平。但隨著工藝水平和器件功能的復(fù)雜度提升，器件的體積和面積越來越大，另一種靜電放電模型CDM逐漸成為一個(gè)凸出的問題。

2　CDM與HBM/MM的區(qū)別

HBM是指人因走動(dòng)摩擦或其他原因在身體上積累了靜電電荷，當(dāng)人體接觸器件時(shí)，人體上積累的電荷就會(huì)經(jīng)過器件的某一個(gè)引腳進(jìn)入器件內(nèi)部，再經(jīng)過器件放電到大地。這個(gè)放電過程會(huì)在短到幾百毫秒的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生數(shù)安培的放電電流，從而燒毀器件。其等效電阻為1 500 Ω，電容100 pF，等效電路如圖1所示。

圖1　ESD人體模型網(wǎng)絡(luò)

MM是指機(jī)器或測試機(jī)的金屬機(jī)械手臂自身積累了靜電電荷，當(dāng)機(jī)器碰到器件時(shí)，就會(huì)通過器件的某個(gè)引腳放電，造成器件損傷。因?yàn)榻饘俚牡刃щ娮铻? Ω，其等效電容定為200 pF，其放電的過程比HBM的放電過程更短，在幾毫微秒到幾十毫微秒之內(nèi)會(huì)有數(shù)安培的瞬間放電電流產(chǎn)生，造成器件損傷；MM的等效電路如圖2所示。

圖2　ESD機(jī)器模型網(wǎng)絡(luò)

CDM是指器件由于摩擦或電場感應(yīng)等原因，在器件內(nèi)部積累了大量的靜電電荷，在積累靜電電荷的過程中，因?yàn)闆]有通路，所以還未造成器件的損傷。當(dāng)帶有大量電荷的器件接觸地面或接地良好物體時(shí)，器件內(nèi)部的電荷就會(huì)從器件自身向外流出，造成放電現(xiàn)象。器件面積越大，積累的電荷越多，釋放的電流就越大。這種放電模型的放電時(shí)間更短，在實(shí)際測試中也很難被模擬，不同的放置方式、不同的封裝形式都會(huì)導(dǎo)致不同的放電電流。CDM示意圖如圖3所示。

圖3　ESD器件充電模式示意圖

在這三種靜電放電模型中，CDM的峰值電流是HBM和MM的40倍，放電速度是HBM和MM的100倍，CDM是三種模型中造成損傷最嚴(yán)重的一種。三種不同放電模式的放電電流如圖4所示。

圖4　三種放電模型的電流波形比較

3　CDM的產(chǎn)生原因

在集成電路的整個(gè)生產(chǎn)與制造過程中，能夠產(chǎn)生靜電電荷的場所與物體非常多，與HBM和MM相比，CDM的靜電電荷來源無法預(yù)見，CDM非常難以控制和防護(hù)。能夠產(chǎn)生靜電電荷的常見物品和場合有晶圓夾具、晶圓探針、輸送帶傳送系統(tǒng)、干燥箱、顯微鏡及檢驗(yàn)試驗(yàn)設(shè)備、封裝過程、測試過程、測試座和燒寫器等，特別是帶有玻璃、塑料和陶瓷等材質(zhì)的物體。當(dāng)器件與這些物體接觸時(shí)，由于電場感應(yīng)或摩擦帶電的方式導(dǎo)致電路自身附著大量電荷而發(fā)生典型的CDM失效。

在CDM模型中，靜電電荷是存儲(chǔ)在器件自身上的。由于器件是處于懸空狀態(tài)，積累在器件體內(nèi)的靜電電荷因同性相斥，在器件內(nèi)部的電場是均勻分布的，但是集成電路的器件都是制作在硅片表面幾個(gè)微米的厚度內(nèi)。如圖5所示，在一0.8 μm的CMOS制程技術(shù)中，其N阱的深度約2 μm，N+或P+擴(kuò)散層的深度僅約0.17 μm，但硅片的厚度約有250～300 μm，因此大部分的靜電電荷是儲(chǔ)存在器件的襯底之中。

當(dāng)一個(gè)積聚CDM靜電電荷的器件突然接觸大地，累積在器件體內(nèi)的電荷便會(huì)突然向這個(gè)接地的引腳集中，而產(chǎn)生放電電流。這時(shí)靜電電荷能在很短的時(shí)間內(nèi)從器件本體流出，在輸入級(jí)電路的柵極上瞬時(shí)產(chǎn)生過高的電壓，這個(gè)電壓跨接在柵極氧化層上，導(dǎo)致柵極氧化層損傷。雖然該輸入級(jí)的PAD旁都放置了靜電防護(hù)電路，但由于CDM的電流泄放速度快、能量大，靜電保護(hù)電路來不及導(dǎo)通泄放的CDM電流，仍導(dǎo)致輸入級(jí)電路的柵極損傷。如圖5所示，在器件本體內(nèi)積累的正電荷可能產(chǎn)生的靜電電流路徑與積累的負(fù)電荷所產(chǎn)生的靜電電流路徑相同、方向相反。

圖5　器件充電模式靜電電荷示意圖

因?yàn)殪o電電荷是累積在器件內(nèi)部的，不像HBM或MM的靜電電荷是由器件的外部經(jīng)器件的引腳而進(jìn)入器件內(nèi)。因此即使該輸入級(jí)靜電放電防護(hù)電路能夠承受很高的HBM或MM靜電放電電壓，其CDM的靜電放電耐受能力不一定高。如圖6所示，某個(gè)器件的HBM的靜電放電能力達(dá)到4 000 V，在生產(chǎn)過程中操作人員都做了嚴(yán)格的靜電防護(hù)，但是損傷仍然發(fā)生，經(jīng)過失效分析是其內(nèi)部器件的柵遭到了損傷，測試其CDM放電能力只有500 V而已。也就是說，我們在關(guān)注HBM和MM兩種靜電放電能力的同時(shí)，不能忽視CDM的防護(hù)能力。

圖6　內(nèi)部單元柵氧擊穿

4　CDM的失效機(jī)理分析

在HBM或者M(jìn)M靜電事件中，ESD電流是沿著器件溝道的公共接觸點(diǎn)，由漏端到源端流動(dòng)的。在這個(gè)電流路徑中，由于ESD電流和能量較大，可能產(chǎn)生的失效機(jī)理有多晶損傷、柵氧損傷、源/漏穿通和漏接觸孔針孔等。而在CDM靜電事件中，電流路徑不同于HBM和MM靜電電流路徑，典型的失效現(xiàn)象是器件內(nèi)部單元靠近接地輸入/輸出PAD的部分發(fā)生柵氧損傷，如圖7所示。

圖7　HBM、MM和CDM可能的失效部位

CDM靜電事件是一個(gè)電荷驅(qū)動(dòng)的現(xiàn)象，由于摩擦等原因產(chǎn)生的靜電電荷存儲(chǔ)于器件自身。如果這個(gè)存儲(chǔ)有靜電電荷的器件的某一個(gè)引腳接觸到接地良好的金屬表面，最初均勻分散在整個(gè)器件中的電荷會(huì)集中起來，在很短的時(shí)間內(nèi)通過接地引腳泄放掉。

CDM事件中，器件的寄生電容就是不同大小體積芯片的等效電容。所以不同的電路有不同的峰值電流和CDM靜電水平。因?yàn)镃DM的放電電流要比HBM和MM的大而且放電速度快，在CDM靜電事件中，當(dāng)設(shè)置在端口的ESD保護(hù)電路打開之前，內(nèi)部電路就發(fā)生損傷。CDM這種電容性結(jié)構(gòu)在高頻條件下，靜電電流最有可能流過柵氧，柵氧在CDM靜電事件中最容易遭到損傷。引起這種失效現(xiàn)象的失效機(jī)理是大電流密度和強(qiáng)電場；電流引起的失效模式是：大電流損傷產(chǎn)生焦耳熱，融化了器件的某個(gè)區(qū)域。與強(qiáng)電場有關(guān)的失效模式有兩種：一種是絕緣層斷裂或損傷，另一種是電荷注入。絕緣層損傷是由于施加于絕緣層的電場強(qiáng)度超過了該絕緣材料可承受的最大電場強(qiáng)度；電荷注入是由于結(jié)表面的強(qiáng)電場加速了電子，使電子獲得了足夠的能量，克服了氧硅的能量勢壘。圖8是CDM事件導(dǎo)致的柵極開裂。

5　結(jié)束語

CMOS制程已進(jìn)入納米時(shí)代，柵氧厚度變得越來越薄，導(dǎo)致寄生電容的增加，因此納米CMOS制程中的MOS管的柵氧更易受到CDM靜電事件的損傷?，F(xiàn)在更多功能和系統(tǒng)都集成到單個(gè)芯片中，例如SOC，這也同時(shí)增加了器件的尺寸和寄生電容，導(dǎo)致更多的電荷可以貯存在器件中，誘發(fā)更多的CDM靜電電流。

圖8　CDM事件后導(dǎo)致反向器的柵極開裂

由于靜電電荷在生活中大量存在且無法避免，所以CDM靜電模型的防護(hù)工作要比HBM/MM的困難。目前比較常用的方法是控制兩端，一是從設(shè)計(jì)上進(jìn)行加固，研究有效的防護(hù)線路，提高器件自身的CDM防護(hù)能力，但是設(shè)計(jì)的技術(shù)難度高、成本大；另一種就是在器件的生產(chǎn)等過程中加強(qiáng)ESD控制，將積累在器件體內(nèi)的靜電電荷降到最少，減少CDM可能造成的損傷，這種方式由于其經(jīng)濟(jì)性和靈活性而被普遍采用。

[1] Steven H Voldman. ESD: Physics and Devices [M]. John Wiley & Sons, Ltd, 2004.

[2] Steven H Voldman. ESD: Failure Mechanisms and Models[M]. John Wiley & Sons, Ltd, 2004.

[3] Alburt Z H Wang. On chip protectiong for integrate circuits[C]. Illinois Institute of Technology, 2002.

[4] Jerry Soden, Jaume Segura, Charles F Hawkins. Electronics and Failure Analysis[C]. Sandia National Labs, 2011.

征稿啟事

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ESD’s CDM Failure Mechanism Analysis

LU Jian1,2, JIANG Rudong2

（1.Jiangnan University,Wuxi214122,China; 2.China Electronics Technology Group Corporation No.58Research Institute,Wuxi214035,China）

In nano-scale CMOS process, integrate circuit’s area become larger, and it’s function complicated. Because device’s stored charges make device failed,which should be taken into consideration. This failure model is charged device model. The paper introduces the difference of circuit diagram and electric current between the human body model, the machine model and the charged device model. It explains the mechanism and the reasons how the device stored charges: in processes of the ICs, charges can be induced by the ESD source and device rub with other substances and air. Finally, it analysis the failure mechanism made by CDM. CDM is driven by charges, the direction of the ESD current is from device’s inner to outer, it’s high current and quick rise time will make the oxygen gate fail.

electrostatics discharge; charged device model; human body model; machine model

TN306

A

1681-1070（2014）10-0039-04

陸 堅(jiān)（1973—），男，江蘇無錫人，江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院集成電路工程專業(yè)工程碩士，研究方向?yàn)閬單⒚證MOS集成電路的ESD測試技術(shù)，目前在中國電子科技集團(tuán)公司第58研究所從事集成電路可靠性技術(shù)研究和管理工作；

姜汝棟（1989—），男，江蘇溧陽人，本科，在中國電子科技集團(tuán)公司第58研究所從事集成電路失效分析工作。

2014-09-15