I/V特性掃描在靜電放電試驗中的應用

王 瑜，盧禮兵，姜汝棟

（中國電子科技集團公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

1 引言

隨著超大規(guī)模集成電路工藝的高速發(fā)展，特征尺寸已經(jīng)達到深亞微米階段，大大提高了集成電路的性能及運算速度，同時降低了單個芯片的制造成本。但隨著器件尺寸的減小，對可靠性的要求也越來越高。而靜電放電（Electrostatic Discharge）對器件可靠性的危害變得越來越顯著。

為了減少靜電放電對集成電路的損壞，目前主要有兩種方法：（1）提高電路本身對ESD的保護能力，也就是ESD保護器件及電路的設計。（2）加強制造、封裝、測試、組裝及運輸?shù)拳h(huán)境的靜電放電防護，減少靜電來源。在靜電放電試驗的前后，需要對樣品進行接觸測試，以保證樣品和設備接觸良好，保證試驗順利進行。本文從I/V特性掃描的目的、特性、程序、掃描過程中遇到的問題及I/V特性掃描的應用幾個方面闡述了I/V特性掃描方法和I/V特性掃描方法對電路的影響。

2 I/V特性掃描的目的

靜電放電試驗前后，會對電路進行接觸掃描，即I/V特性掃描，掃描的目的主要有兩方面：

試驗前，I/V特性掃描是為了檢測電路和設備是否接觸良好，I/V特性是否正常，如無異常，試驗順利進行；如有異常，聯(lián)系委托方，和委托方的技術人員進行溝通，確保電路在試驗前均正常。

試驗后，I/V特性掃描是為了檢測電路在試驗后是否與試驗前有不同，判別試驗結(jié)果。靜電放電試驗分三類：摸底、考核和分析。摸底試驗在靜電試驗前后都需進行I/V特性掃描，以掃描結(jié)果來判斷電路好壞；考核試驗僅在試驗前進行I/V特性掃描，僅僅檢測接觸是否良好，對結(jié)果不予判斷；分析試驗在靜電試驗前后也需進行I/V特性掃描，以掃描結(jié)果來判斷電路好壞。

3 I/V特性掃描的波形

靜電放電試驗前，I/V特性掃描的特性大概有3種：二極管特性（正向、反向和雙向）、電阻特性、開路特性（參見圖1～圖5）。

圖1 靜電放電試驗前的二極管（正向）特性

圖2 靜電放電試驗前的二極管（反向）特性

圖3 靜電放電試驗前的二極管（雙向）特性

靜電放電試驗后，若I/V特性掃描未發(fā)生變化，則靜電放電試驗通過；反之，則靜電放電試驗失效。靜電放電試驗后，I/V特性可能發(fā)生的變化有：漂移、短路和開路；另外，試驗前I/V特性為開路特性，試驗后可能發(fā)生短路特性，具體圖形如圖6～圖8。

圖4 靜電放電試驗前的電阻特性

圖5 靜電放電試驗前的開路特性

4 I/V特性掃描的程序

在靜電放電試驗開始前，要先對電路進行接觸測試，檢測電路是否和設備接觸良好。接觸測試程序如下：

（1）把電路安裝在夾具上，把夾具安裝在設備上。（2）打開靜電放電測試程序進行編程，設置電路掃描信息。首先要對電路進行編程，把電路的具體信息列出來，通常分4類：電源、地、I/O引腳和空腳。其次，對引腳掃描范圍進行編程：電壓范圍（±3 V）、限流范圍（10 μA）、掃描判別范圍（30%），這3個范圍可根據(jù)不同的電路進行調(diào)整。再次，對電壓、地和I/O引腳分別進行接地設置，空腳懸空，不進行試驗。（3）打開掃描程序，選擇掃描項。（4）打開設備電源，進行I/V特性掃描。

5 I/V特性掃描過程中的問題

常規(guī)I/V特性掃描設置的范圍為：電壓范圍：-3～+3 V；限流范圍：10 μA；掃描范圍：30%。常規(guī)I/V特性掃描范圍能滿足絕大部分電路的需求，但是往往在掃描過程中需要不斷調(diào)節(jié)掃描范圍，以達到最佳效果。當試驗前電路的掃描特性呈現(xiàn)為短路特性時，一般有兩種情況：第一，該特性為電阻特性，加大限流范圍后，呈現(xiàn)為電阻特性，這種特性不論限流加大到多少，始終保持電阻特性；第二，該特性為二極管特性，由于限流范圍太小，無法顯示出特性，只要加大限流范圍，即可呈現(xiàn)二極管特性。當電路的掃描波形呈現(xiàn)為開路特性時，有三種情況：第一，該電路和設備接觸不好，重新安裝電路直至可掃描出特性；第二，該電路的開啟電壓不夠，無法顯示出特性，需要加大電壓范圍，同時要降低限流范圍，保護電路不被燒壞，直至出現(xiàn)特性曲線為止；第三，按以上兩種情況進行特性掃描，假如始終掃描不出特性曲線，首先要檢查設備，排除設備問題導致的接觸不良，其次需要和客戶溝通，確認該電路究竟本身是開路特性，還是由于電路的開啟電壓偏大，掃描范圍無法滿足客戶要求造成的開路特性。

圖6 靜電放電試驗后正常的漂移特性

圖7 靜電放電試驗后正常的短路特性

圖8 靜電放電試驗后正常的開路特性

靜電放電試驗后電路失效的特征有3種：電路的I/V特性曲線發(fā)生變化，輸入輸出端漏電流增大，功能失效。除了I/V特性曲線發(fā)生變化是可以通過靜電放電測試儀觀察到，另外兩種特征都要通過測試設備對電路的功能和電性能參數(shù)進行測試才能知道結(jié)果。但I/V特性曲線發(fā)生變化，并不表示電路就失效，只能初步判斷電路的ESD失效，最終還是要通過測試設備對電路進行測試才能判斷電路失效與否。實際工作中常遇到以下兩種情況：I/V特性曲線發(fā)生變化而參數(shù)和功能測試正常；參數(shù)或功能失效而I/V特性曲線未發(fā)生變化。所以，通常在摸底試驗中通過I/V特性曲線對結(jié)果進行判斷，但對于考核試驗，只對電路進行試驗而不對其進行判斷，試驗結(jié)果通過測試進行判斷。

圖9 試驗前I/V特性為開路特性，試驗后發(fā)生短路的特性

I/V特性掃描會不會對電路造成影響，這是個一直在研究的問題。先對電路進行I/V特性掃描，再進行常溫電特性測試，看電路的參數(shù)和功能是否發(fā)生變化。對20批次的電路進行I/V特性掃描，然后進行常溫參數(shù)和功能測試，結(jié)果20例中有2例測試超標，其余18例測試正常，失效率為0.5%。當然，這個結(jié)果并不能代表I/V特性掃描對所有電路的影響。不同的電壓范圍和限流范圍可能會有不同的結(jié)果，這將是今后研究的目標。

6 I/V特性掃描的應用

現(xiàn)有的ESD測試系統(tǒng)可以在試驗前后和過程中隨時進行任意端口的I/V特性掃描，雖然根據(jù)標準，ESDS等級評價必須以常規(guī)功能和參數(shù)測試為依據(jù)，但對許多電子器件如CMOS IC，引腳端口之間的I/V特性的變化情況也能反映器件對ESD損傷的抵抗能力。當I/V特性掃描可以在試驗前后和過程中隨時進行時，對分析器件的靜電敏感通道、敏感脈沖極性等非常方便和有利。

實時I/V特性掃描的適用情況有以下幾種：

（1）器件規(guī)模大、管腳數(shù)多以及常規(guī)功能參數(shù)測試復雜困難時，利用I/V特性掃描可以較快地測出器件的特性，尤其是對于失效器件的失效引腳，非常容易定位。

（2）僅需要對器件的抗ESD水平有一個定性的了解。由于標準的等級評價必須進行常規(guī)功能參數(shù)測試， 因此I/V掃描結(jié)果只能作為補充和參考。

（3）特別適用于不同廠家生產(chǎn)的或同一廠家不同批次可相互替代的器件的抗ESD能力的比較。

（4）I/V特性掃描還是失效分析的有效手段。雖然I/V特性掃描是直流特性測試，但對失效模式和失效管腳的確定非常有效。由于I/V特性掃描不是常規(guī)功能測試，用I/V特性掃描進行抗ESD水平評價的結(jié)果與采用標準測試方法進行測試的結(jié)果之間存在一定的可比性。不過在實際檢測時，也確實存在I/V特性變化明顯而功能測試正常，或是功能失效而I/V特性沒有變化的情況。在對任意管腳之間用I/V特性掃描進行對比測試，必須具有一定的經(jīng)驗積累。如果判別準確，不僅可以對器件的好壞進行判別、評價， 還能幫助委托方分析、鑒別ESD敏感管腳并進行失效定位，是非常有用的失效分析技術手段。

7 結(jié)束語

靜電放電測試已經(jīng)成為對器件可靠性評估的一個重要項目。I/V特性掃描是靜電放電敏感度測試的重要判別依據(jù)，是失效定位非常有效的技術手段。本文對I/V特性掃描進行了比較詳細的闡述。通過I/V特性掃描，可以初步了解電路的狀況，可以反映器件對ESD損傷的抵抗能力，也可以對器件的敏感管腳進行失效定位，是非常有用的技術手段。

[1]徐駿華，向宏莉，令文生.CMOS集成電路的ESD模型和測試方法探討[J].現(xiàn)代電子技術，2004.

[2]來萍，鐘征宇，祁賢軍.電子元器件靜電放電敏感度（ESDS）檢測[J].電子質(zhì)量，2003.