分析半導體器件中的EOS和ESD故障詳解-KIA MOS管

靜電可以定義為累積在材料表面的固定電荷。靜電荷之間的相互作用（稱為靜電）導致兩個關鍵問題：靜電過應力（EOS）和靜電放電（ESD）。

通常，ESD會導致半導體行業中超過三分之一的現場故障。ESD引起的半導體故障可以通過泄漏，短路，燒毀，接觸損壞，柵極氧化物破裂以及電阻器-金屬界面損壞的形式看到。

CMOS縮放可降低功耗并提高速度，但是較小的尺寸會增加由于EOS / ESD條件而導致薄柵極氧化物損壞的敏感性。

半導體芯片尺寸的縮小，柵極氧化物的稀薄，多個電源，芯片的復雜性以及高速電路的運行，都對ESD敏感度做出了重要貢獻。縮小柵氧化層的厚度需要較少的電壓來損壞。

預測ESD非常繁瑣，因為ESD現象同時發生在微觀和宏觀的物理水平上。ESD保護設計是IC設計人員面臨的主要挑戰。隨著深亞微米級技術的進步并達到更高的質量標準，需要先進的預測性和魯棒性模型以及增強的CAD流程設計驗證來應對ESD。

當生產環境中的人員，機械臂和其他設備搬運設備時，會發生ESD損壞。它還來自包裝本身的電荷存儲。ESD是EOS的子集。可以通過兩種方法減少由于ESD引起的IC故障：

?在IC的制造，運輸和使用過程中，確保人員和設備的正確搬運和接地。

?在封裝IC的引腳上添加保護電路，以在ESD應力事件期間將高電流從內部電路轉移出去并鉗位高電壓。

ESD保護電路設計為響應ESD事件而導通，將焊盤上的電壓鉗位。

現場返回設備的故障分析可以通過揭示故障機制來協助設計和開發過程。芯片制造商遵循行業標準，以使其產品具有ESD資格。但是，他們無法控制客戶的操作，因此需要有效的片上電路保護和測試。

電荷產生與轉移機制

電荷產生過程主要有三個：摩擦帶電（接觸和分離機制），感應和傳導。

由于不同材料之間的摩擦，材料表面上e–的電荷不平衡稱為摩擦帶電。產生的電荷的極性和強度取決于材料的摩擦電性能，表面粗糙度，施加的壓力，溫度，應變和其他因素。

圖1顯示了來自兩個不同的負電對象X和Y的電荷轉移。讓我們假設當對象之間發生接觸（摩擦）時，對象X損失e–，對象Y獲得e–。因此，與對象Y相比，對象X將帶正電。這種現象稱為摩擦電。

1.電荷轉移取決于運動和材料的摩擦電特性。

當人在地板上行走時，地板和鞋底之間的接觸和分離會產生靜電。在地毯上行走的人可能會積累數千伏的電荷，足以產生火花。通過向地面放電可以恢復電荷平衡。放電非常快，約為納秒。

通常，人們需要約3 kV的電壓才能通過靜電放電感到電擊。ESD事件通常會輕度震撼人們。但是，如果將相同數量的ESD應力注入設備，則可能是有害的。

通過增加絕緣材料保持電荷的能力，環境空氣中的低相對濕度會增加發生放電的電壓。通過降低空氣的電導率，電荷積累也很難逐漸消散。

由于駕駛員的衣服與車輛內部的皮革或塑料內飾之間的摩擦，汽車行駛會導致駕駛員和乘客積聚電荷。所存儲的電荷在與金屬車身接觸時會散發出火花。

當IC在運輸管中滑動時，由于管與IC引線之間的摩擦會產生靜電，因此也會產生摩擦帶電。

除了摩擦電，材料還可以通過感應和傳導產生靜電荷。帶電的材料具有靜電場。當任何導電材料進入靜電場時，由于感應會發生內部電荷分布。

圖2示出了何時使不帶電的物體B靠近帶電的物體A，并且B獲得分布的電荷。近端帶負電荷，而遠端帶正電荷。ESD充電設備模型（CDM）基于靜電感應。

當兩個不同電位的帶電體相互接觸時，電荷從較高電位的體流向較低電位的體，直到它們都具有相同的電位。這種機制稱為傳導。

概括地說，材料可在ESD處理類別被分類，例如絕緣體（ρ> 10 12 Ω/平方），慢速充電耗散防靜電（10 9 <ρ> 10 12 Ω/平方），電荷耗散防靜電（10 6 <ρ> 10 9 Ω/平方），和導電性（ρ<10 6 Ω/平方）。

防靜電材料可防止摩擦，因此防靜電和耗散材料可用于限制制造和組裝環境中的電荷積累。

電氣過應力

EOS是一個術語，用于描述當IC承受超過器件數據手冊規格限制的電流或電壓時可能發生的熱損壞。EOS事件可能會使IC降級或導致永久性功能故障。EOS比ESD慢得多，但是相關能量很高。

熱損壞是EOS事件期間產生的過多熱量的結果。EOS事件中的高電流會在低電阻路徑中產生局部高溫。高溫會損壞器件材料，例如柵極氧化物和互連，導致金屬燒壞。由于EOS和ESD故障模式的相似性，EOS和ESD通常歸類為單項故障機制，即“ ESD和EOS”。

關于應力事件，ESD和EOS相似，但電流或電壓以及時間應力條件不同。ESD是一個非常高的電壓（> 500 V）和中等的峰值電流（?1 A至10 A）事件，在短時間內發生。

EOS是發生在較長時間范圍內的低電壓（<100 V）和大峰值電流（> 10 A）事件。如果長時間持續，閂鎖也會導致EOS損壞。

2.當使不帶電的物體B靠近帶電的物體A時，B會獲得分布式電荷。

靜電放電

ESD是兩個物體之間通過直接接觸或感應電場以不同的靜電勢瞬時釋放靜電荷的過程。這是帶靜電的物體的結果。通過IC釋放靜電荷會產生大電流并耗散能量，從而損壞IC。任何材料表面的電荷通常是中性的。當能量傳遞給它時，會發生電荷不平衡。

由于導電表面中的高電子遷移率，導體不易通過摩擦來充電，因此會發生電荷復合并保留中性表面。另一方面，絕緣子可以容易地通過摩擦來充電。將能量傳遞給不導電的材料會導致大量的局部堆積電荷，直到它通過外部路徑放電為止。

靜電的主要來源包括絕緣體，例如塑料表面，絕緣鞋，木質材料和氣泡包裝。由于絕緣體中的電荷分布不均勻，這些源所產生的電壓電平可能會很高，達到總計千伏。

IC中的ESD損壞也可能來自熱現象。局部體積中會以非常快的速率產生大量熱量，而這太快了，無法去除。因此，IC會以金屬互連燒壞，多晶硅損壞，柵氧化層破裂或擊穿，接觸尖峰或結擊穿的形式損壞。

當人們在合成地板上行走時，它們可以累積高達20 kV的電壓。在干燥的空氣中摩擦（摩擦）尼龍和聚酯可產生25 kV。當人觸摸接地物體時，電荷會在很短的時間內（1到100 ns）從人移動到物體。放電時間和電流取決于時間常數。

放電電流總計約為1 A至10A。從工廠到現場的任何地方都可能對電子設備造成靜電損壞。半導體器件設計用于ESD保護，可在短時間內承受高電流。

例如，如果某個設備符合ESD-HBM的規定，可以承受2kV的指定電壓，則該設備可以以1.3ns的上升時間和10ns的下降時間承載1.3A電流。但是，該同一設備在幾毫秒內無法傳輸100 mA的電流。

如果設備暴露于弱ESD脈沖中并受到部分損壞，則它可能會繼續發揮足夠的作用，并通過符合數據表規格的生產自動化測試設備（ATE）測試。

然后，該缺陷可能會隨著時間的流逝而擴展，并且幾個小時后設備就會發生故障。這些類型的缺陷稱為潛在缺陷，而故障稱為潛在的ESD故障。潛在缺陷很難檢測到，尤其是在將設備組裝成最終產品之后。

從概念上講，ESD（Electro-Static discharge），靜電釋放，EOS （Electrical Over Stress），電氣過應力。廣義上講ESD也屬于EOS，為了便于分析，這里將靜電導致的應力失效認為是ESD失效，其余電氣應力失效認為是EOS失效。

有統計表明，ESD和EOS失效比例分別占3%和97%。

ESD是兩種材料互相位移，導致靜電釋放，ESD事件需要滿足下列條件：

（1）大電壓，＞500V，峰值電流不高；（2）低能量，放電曲線是脈沖型，時間作用時間短，小于1μs。

如下圖所示：

ESD失效通常在顯微鏡下能觀測到穿孔，如下圖：

EOS失效是在EOS事件發生后，由于過熱導致芯片失效。過熱是芯片內部連接電阻發熱的結果。在低電阻路徑中，在EOS事件期間經歷的高電流會產生局部的高溫，從而對芯片結構造成破壞性損壞。

EOS事件需要滿足下列條件：

（1）低電壓，＜100V，峰值電流高；（2）高能量，事件作用時間通常大于1ms。

如下圖所示：

EOS失效顯微鏡下觀測如下：

ESD防護方法：

（1）做好接地，在生產過程中注意帶防靜電手腕及工作表面接地；

（2）芯片在儲存或運輸過程中，用靜電屏蔽袋作為保護；

（3）芯片焊接時，盡量使用離子風機，離子氣槍；

（4）PCB增加保護器件。

治理EOS事件時，首先需要明白多數EOS事件最終并未得到解決。EOS最關鍵是注意芯片規格書的極值范圍，治理方法可以通過下列：

（1） 測試設備有無接地不良；

（2） 接地回路電流是否過大；

（3） 是否存在高電感/電容負載；

（4） 是否存在交流電源線浪涌（大開關電流）；

（5） 是否將長電纜連接到有源電路。

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