微電子器件工業生產中的靜電防護研究

劉軍霞，張新煥

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

微電子器件工業生產中的靜電防護研究

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．中國電子科技集團公司第五十五研究所，江蘇南京 210016）

從ESD過程分析入手，對微電子器件工業生產中的靜電來源以及泄放途徑進行了剖析，介紹了4種靜電放電模型，進而闡述了微電子器件工業生產中的靜電防護技術以及靜電防護體系，以確保靜電防護的有效性。

靜電放電；微電子器件；可靠性

ESD是微電子器件工業生產中備受關注的一個重大問題，它嚴重威脅著微電子器件的質量和可靠性，影響器件構成的整機系統的正常工作，給器件及系統制造商造成不可低估的經濟損失。盡管近幾十年來人們對ESD的防護意識不斷提高，但隨著一些電阻率很高的高分子材料制品的廣泛應用、現代生產過程的高速化以及微電子技術和集成電路產業的發展，靜電放電帶給相關工廠企業的危害也越來越突出，ESD防護的形勢依然嚴峻。筆者以ESD過程分析為基礎，對微電子器件工業生產中的ESD進行了較為全面的分析，闡述了微電子器件ESD防護技術及建立ESD防護體系的必要性。

1 ESD過程分析

電荷在物體表面上累積就會使物體帶上靜電，當靜電荷突然從一個物體表面移動到另一個物體表面，就發生了ESD。ESD的發生即是平衡2個物體之間的電荷。通常，這些電荷移動迅速隨機并產生較大的電流。為分析研究器件ESD問題，一個ESD事件一般被劃分為4個階段，見圖1。

圖1 ESD事件

第1個階段是電荷產生，電荷可能由摩擦起電、感應或者傳導產生。對于摩擦起電，要求2種不同材料物理接觸或者互相摩擦，通常發生在絕緣體與絕緣體、絕緣體和導體之間；感應帶電則是在導體接近帶電體然后移開時發生。傳導帶電發生在2個不同電勢的物體相互接觸時。

在第2個階段，電荷將從高電勢的物體轉移到低電勢的物體，直至兩者電勢平衡，放電電流可由2個物體間的電容及兩者間的阻抗來表征。

最后一個階段是對器件是否已失效及屬于何種失效進行評估。微電子器件由ESD引發的失效模式有以下3種。

1）器件完全喪失規定功能有物理損壞的嚴重失效，如雙極型器件的射—基間短路，場效應器件的柵—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，器件性能瞬時變差后又恢復正常。

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

造成這3種失效模式的機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生高電壓，導致器件內部因強電場損傷而發生失效。例如：對于MOS器件，柵電極受到靜電作用時因不斷接受高靜電放電電荷而呈現越來越高的電壓，當柵氧化層電場超過其擊穿臨界電場時，柵氧化層介質即發生擊穿而可能使MOSFET的柵—源或柵—漏短路，使器件喪失規定功能，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，但已引入潛在缺陷，繼續使用會經常出現低擊穿和漏電增加，不久也會出現不可恢復的嚴重失效。對于集成電路中兩條相距很近的微帶，如果受到靜電作用導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，在器件上某處產生很大的瞬間功率密度，形成局部過熱，當局部結溫達到甚至超過材料的本征溫度即會熔化從而導致器件失效。對于半導體器件的pn結，根據WUNSCH D C和BELL R R的試驗和分析研究［3］，pn結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結熔化所需的功率密度；A為結面積；κ，ρ和CP分別為半導體熱導率、密度和比熱；Tm和Ti分別為破環溫度和初始溫度（一般為室溫）；t為放電脈沖寬度。

2 微電子器件工業生產中的靜電

在微電子器件工業生產中，靜電有2個主要來源：人和機器設備。

人體自身的動作或與其他物體的接觸、分離、摩擦或感應等，可以產生高達幾萬伏的靜電勢。當帶有靜電的人體接觸器件時，靜電荷就會通過器件快速泄放，可能造成器件瞬間損壞。生產中使用的機器設備同樣也會累積大量電荷。為提高生產效率，目前許多晶圓加工廠和芯片微組裝線都采用了自動設備進行工藝操作，對于自動裝配設備，通常使用導軌、傳送帶、滑道和其他裝置來移動器件使之按工藝要求的方向運動，傳送系統由于摩擦可能會累積大量電荷，這些累積的電荷就可能會在工藝過程中通過器件泄放。在自動測試時，機器手在物料盤和測試系統間往返運動，如果帶電，也會通過器件將帶的電荷轉移。

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產生很高的靜電勢。

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）帶電器件接觸一個接地的表面；3）帶電機器設備接觸器件；4）靜電場在器件電介質上感應了足夠導致擊穿的電壓。

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）、機器模型（MM）、帶電器件模型（CDM）和電場感應模型（FIM）。

HBM模型是ESD模型中應用最廣泛的模型，靜電釋放可導致持續約100 ns安培量級的峰值泄放電流。該模型在幾個基本等效的標準中均有定義，如美國軍用標準MIL－STD－883F［5］方法3015，ESD協會ANSI／ESD標準STM 5．1－2007［6］，電子工業聯盟EIA／JEDEC標準JESD 22－A114－E［7］以及自動化電子委員會AEC標準AEC－Q 100－002－D［8］。在所有這些標準中，JESD標準是工業領域最廣泛使用的標準。

MM模型模擬器件和設備接觸時靜電泄放的情況，對地電容比HBM稍高，但接觸電阻比HBM要低得多，將產生相對更高的峰值電流。

CDM模型模擬帶有靜電的器件與一個不等電勢的表面相接觸，電荷通過器件上的導電部分泄放的情況。FIM模型與CDM模型放電過程類似，區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，FIM模型中的靜電電荷來自電場感應。

4 靜電防護

盡可能避免靜電的產生，盡可能使產生的靜電泄放出去，是ESD防護的基本原則。

1）通過靜電防護電路設計改善器件的抗靜電能力

靜電防護電路應能在ESD發生時為輸入、輸出端到電源／地端之間提供一個低阻通路，同時還應在正常工作條件下使輸入、輸出端到電源／地端之間成為一個高阻通路。MOS器件是對靜電極為敏感的器件之一，一般在其輸入端加入靜電防護電路。最基本的防護電路是在輸入端與電源／地端之間加pn結二極管，pn結二極管的反向擊穿電壓應低于柵氧化層的耐壓。此外，還可采用MOS晶體管構成靜電防護電路，一般基于MOS的靜電防護電路被設計成兩級（見圖2），兩級用隔離電阻連接。第1級由較大的晶體管構成，響應慢但能承載大電流；第2級由較小的晶體管構成，響應較快但電流承載能力有限。當發生ESD時，第2級迅速導通，箝住電位，使核心電路受到保護，同時觸發第1級晶體管導通，使大部分電流流經第1級晶體管。

圖2 兩級靜電防護電路方框圖

在靜電防護電路版圖設計中，金屬線應盡可能寬，并應避免直角拐彎，以避免通過大電流時被燒毀；金屬環路應盡可能遠，以避免尖端放電產生損傷；多層布線的版圖設計應盡量避免金屬化層經薄氧化層交迭；電路輸入端至防護網絡有源器件的距離與輸入端至內部柵或pn結的距離之比盡可能小，以提高防護網絡對靜電電流的吸收速度。

為提高靜電防護電路設計的成功率，增強設計的靈活性和可移植性，目前器件的靜電防護設計過程可采用基于仿真模擬的設計技術。常用的工具是Synopsys公司的TCAD。為使仿真模擬結果與測試結果很好吻合，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數學工具的輔助下進行實現［4］。

2）在器件制造、裝配、貯存、運輸過程中采取防靜電措施，以避免靜電對器件可能產生的損傷

微電子器件加工制造的靜電防護區要連接防靜電地線，并將工作臺、設備、儀器和腕帶等與防靜電地線可靠連接。防靜電接地一般應單獨使用一根地線，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。操作人員被安全接地，具有強破壞力的靜電就難以形成。每條腕帶等效為一個MΩ量級的電阻，使操作人員身上累積的靜電荷在短時間內被泄放掉。除了配戴防靜電手腕，為更安全可靠地避免人體對器件的ESD損傷，在微電子器件工業生產中操作人員還被要求穿防靜電工作服及防靜電鞋。對于微電子器件生產廠房，應采用靜電耗散材料制做的地板、工作臺，避免使用易產生靜電的材料。研究發現，靜電的產生及其大小與環境濕度和空氣中的離子濃度有著密切的關系，因此生產廠房溫度和濕度要適宜，以減少靜電產生。在測量和使用微電子器件時，適當考慮對器件周圍的線路進行靜電防護設計，可以避免或削弱靜電的損傷。在微電子器件配料、發料、貯存以及轉運過程中必須使用防靜電包裝材料和容器、周轉車，嚴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 靜電防護體系的建立

從以上闡述可以看到，微電子器件的靜電防護涉及到設計、制造、裝配、處理、檢查、試驗、包裝、運輸、貯存、使用等各個環節，并且各環節以串聯模式影響器件靜電防護的可靠度，任何一方面的疏漏或失誤，都將導致靜電防護工作的失敗。因此，靜電防護與控制不僅僅只是一個防靜電用品配備的問題，而應該是一個系統化的工作。系統化、標準化、規范化的靜電防護體系是做好靜電防護工作的客觀要求。

從某種意義上說，靜電防護體系是質量管理體系在靜電防護方面的特定要求，它要求工廠不但要在硬件設施上有必要的投入，更重要的是保證各個環節的靜電防護措施能夠一直有效實施。它包括制定科學合理、充分可行、符合實際的靜電防護控制方案，制定實施程序文件、操作指導書、防護設施技術要求，制定人員培訓計劃，制定確認防護有效性的檢驗計劃，在生產中按靜電防護方案和程序實施。

6 結 語

在微電子器件工業生產中，保證微電子器件不受靜電損傷，不僅僅是技術問題，還需工業生產中建立完善的ESD防護體系，使管理體系有效運行。在體系中，制定并貫徹ESD防護相關的標準、規范和使用守則，開展有關規章制度的宣傳和教育，加強人員的培訓，建立嚴格的評審、認證和監督制度均是不可缺少的內容。ESD防護體系的建立必將是做好靜電防護工作的有力保障。

［1］ AMERASEKERA E A，CAMPBELL D S．An investigation of the nature and mechanismsof ESD damage in NMOS transistors［J］．Solidstate Electron，1998，32（3）：199－206．

［2］ COLVIN J．The identification and analysis of latent ESD damages on CMOS input gates［J］．Journal of Electrostatics，1994，33：291－311．

［3］ WUNSCH D C，BELL R R．Determination of threshold failure levels of semiconductor diodes and transistors due to pulse voltages［J］．IEEE Trans Nucl Sci，1968，15：244－259．

［4］ ABHISHEK R，MONCEF K，JEAN T．Modeling IC snapback characteristics under electrostatic discharge stress［J］．IEEE transactions on Electromagnetic Compatibility，2009，51（4）：901－907．

［5］ MIL－STD－883F，Test Methods and Procedures for Microelectronics［S］．

［6］ STM 5．1－2007，Standand Test Method for Electrostatic Discharge Sensitivity Testing－Human Body Model（HBM）－Component Level［S］．

［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。