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了解半导体设备中的ESD和EOS故障
发布时间:2020-10-20 11:00浏览次数:

静电可以定义为累积在材料表面的固定电荷。静电荷之间的相互作用(称为静电)导致两个关键问题:静电过应力(EOS)和静电放电(ESD)。静电可以定义为累积在材料表面的固定电荷。静电荷之间的相互作用(称为静电)导致两个关键问题:静电过应力(EOS)和静电放电(ESD)。静电可以定义为累积在材料表面的固定电荷。静电荷之间的相互作用(称为静电)导致两个关键问题:静电过应力(EOS)和静电放电(ESD)。

通常,ESD会导致半导体行业中超过三分之一的现场故障。ESD引起的半导体故障可以通过泄漏,短路,烧毁,接触损坏,栅极氧化物破裂以及电阻器-金属界面损坏的形式看到。CMOS缩放可降低功耗并提高速度,但是较小的尺寸会增加由于EOS / ESD条件而导致薄栅极氧化物损坏的敏感性。

半导体芯片尺寸的缩小,栅极氧化物的稀薄,多个电源,芯片的复杂性以及高速电路的运行,都对ESD敏感度做出了重要贡献。缩小栅氧化层的厚度需要较少的电压来损坏。

预测ESD非常繁琐,因为ESD现象同时发生在微观和宏观的物理水平上。ESD保护设计是IC设计人员面临的主要挑战。随着深亚微米级技术的进步并达到更高的质量标准,需要先进的预测性和鲁棒性模型以及增强的CAD流程设计验证来应对ESD。

当生产环境中的人员,机械臂和其他设备搬运设备时,会发生ESD损坏。它还来自包装本身的电荷存储。ESD是EOS的子集。可以通过两种方法减少由于ESD引起的IC故障:

•在IC的制造,运输和使用过程中,确保人员和设备的正确搬运和接地。

•在封装IC的引脚上添加保护电路,以在ESD应力事件期间将高电流从内部电路转移出去并钳位高电压。

ESD保护电路设计为响应ESD事件而导通,将焊盘上的电压钳位。

现场返回设备的故障分析可以通过揭示故障机制来协助设计和开发过程。芯片制造商遵循行业标准,以使其产品具有ESD资格。但是,他们无法控制客户的操作,因此需要有效的片上电路保护和测试。

电荷产生与转移机制

电荷产生过程主要有三个:摩擦带电(接触和分离机制),感应和传导。

由于不同材料之间的摩擦,材料表面上e–的电荷不平衡称为摩擦带电。产生的电荷的极性和强度取决于材料的摩擦电性能,表面粗糙度,施加的压力,温度,应变和其他因素。

图1显示了来自两个不同的负电对象X和Y的电荷转移。让我们假设当对象之间发生接触(摩擦)时,对象X损失e–,对象Y获得e–。因此,与对象Y相比,对象X将带正电。这种现象称为摩擦电。

静电荷

1.电荷转移取决于运动和材料的摩擦电特性。

当人在地板上行走时,地板和鞋底之间的接触和分离会产生静电。在地毯上行走的人可能会积累数千伏的电荷,足以产生火花。通过向地面放电可以恢复电荷平衡。放电非常快,约为纳秒。通常,人们需要约3 kV的电压才能通过静电放电感到电击。ESD事件通常会轻度震撼人们。但是,如果将相同数量的ESD应力注入设备,则可能是有害的。

通过增加绝缘材料保持电荷的能力,环境空气中的低相对湿度会增加发生放电的电压。通过降低空气的电导率,电荷积累也很难逐渐消散。由于驾驶员的衣服与车辆内部的皮革或塑料内饰之间的摩擦,汽车行驶会导致驾驶员和乘客积聚电荷。所存储的电荷在与金属车身接触时会散发出火花。

当IC在运输管中滑动时,由于管与IC引线之间的摩擦会产生静电,因此也会产生摩擦带电。正常情况下,一个人会产生大量静电。下表根据材料的摩擦电特性从正到负对材料进行分类。

  • 干燥的空气

  • 胶木

  • 玻璃

  • 云母

  • 人的头发

  • 尼龙

  • 羊毛

  • 毛皮

  • 涤纶

  • 铁氟龙

除了摩擦电,材料还可以通过感应和传导产生静电荷。带电的材料具有静电场。当任何导电材料进入静电场时,由于感应会发生内部电荷分布。图2示出了何时使不带电的物体B靠近带电的物体A,并且B获得分布的电荷。近端带负电荷,而远端带正电荷。ESD充电设备模型(CDM)基于静电感应。

当两个不同电位的带电体相互接触时,电荷从较高电位的体流向较低电位的体,直到它们都具有相同的电位。这种机制称为传导。

概括地说,材料可在ESD处理类别被分类,例如绝缘体(ρ> 10 12 Ω/平方),慢速充电耗散防静电(10 9 <ρ> 10 12 Ω/平方),电荷耗散防静电(10 6 <ρ> 10 9 Ω/□),和导电性(ρ<10 6 Ω/平方)。防静电材料可防止摩擦,因此防静电和耗散材料可用于限制制造和组装环境中的电荷积累。

电气过应力

EOS是一个术语,用于描述当IC承受超过器件数据手册规格限制的电流或电压时可能发生的热损坏。EOS事件可能会使IC降级或导致永久性功能故障。EOS比ESD慢得多,但是相关能量很高。

热损坏是EOS事件期间产生的过多热量的结果。EOS事件中的高电流会在低电阻路径中产生局部高温。高温会损坏器件材料,例如栅极氧化物和互连,导致金属烧坏。由于EOS和ESD故障模式的相似性,EOS和ESD通常归类为单项故障机制,即“ ESD和EOS”。

关于应力事件,ESD和EOS相似,但电流或电压以及时间应力条件不同。ESD是一个非常高的电压(> 500 V)和中等的峰值电流(〜1 A至10 A)事件,在短时间内发生。EOS是发生在较长时间范围内的低电压(<100 V)和大峰值电流(> 10 A)事件。如果长时间持续,闩锁也会导致EOS损坏。

2.当使不带电的物体B靠近带电的物体A时,B会获得分布式电荷。

静电放电

ESD是两个物体之间通过直接接触或感应电场以不同的静电势瞬时释放静电荷的过程。这是带静电的物体的结果。通过IC释放静电荷会产生大电流并耗散能量,从而损坏IC。任何材料表面的电荷通常是中性的。当能量传递给它时,会发生电荷不平衡。

由于导电表面中的高电子迁移率,导体不易通过摩擦来充电,因此会发生电荷复合并保留中性表面。另一方面,绝缘子可以容易地通过摩擦来充电。将能量传递给不导电的材料会导致大量的局部堆积电荷,直到它通过外部路径放电为止。静电的主要来源包括绝缘体,例如塑料表面,绝缘鞋,木质材料和气泡包装。由于绝缘体中的电荷分布不均匀,这些源所产生的电压电平可能会很高,达到总计千伏。

IC中的ESD损坏也可能来自热现象。局部体积中会以非常快的速率产生大量热量,而这太快了,无法去除。因此,IC会以金属互连烧坏,多晶硅损坏,栅氧化层破裂或击穿,接触尖峰或结击穿的形式损坏。

当人们在合成地板上行走时,它们可以累积高达20 kV的电压。在干燥的空气中摩擦(摩擦)尼龙和聚酯可产生25 kV。当人触摸接地物体时,电荷会在很短的时间内(1到100 ns)从人移动到物体。放电时间和电流取决于时间常数。

放电电流总计约为1 A至10A。从工厂到现场的任何地方都可能对电子设备造成静电损坏。半导体器件设计用于ESD保护,可在短时间内承受高电流。例如,如果某个设备符合ESD-HBM的规定,可以承受2kV的指定电压,则该设备可以以1.3ns的上升时间和10ns的下降时间承载1.3A电流。但是,该同一设备在几毫秒内无法传输100 mA的电流。

如果设备暴露于弱ESD脉冲中并受到部分损坏,则它可能会继续发挥足够的作用,并通过符合数据表规格的生产自动化测试设备(ATE)测试。然后,该缺陷可能会随着时间的流逝而扩展,并且几个小时后设备就会发生故障。这些类型的缺陷称为潜在缺陷,而故障称为潜在的ESD故障。潜在缺陷很难检测到,尤其是在将设备组装成最终产品之后。

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