微电子器件工业生产中的静电防护研究

刘军霞，张新焕

（1．南京国博电子有限公司，江苏南京 210016；2．中国电子科技集团公司第五十五研究所，江苏南京 210016）

微电子器件工业生产中的静电防护研究

刘军霞1，张新焕2

（1．南京国博电子有限公司，江苏南京 210016；2．中国电子科技集团公司第五十五研究所，江苏南京 210016）

从ESD过程分析入手，对微电子器件工业生产中的静电来源以及泄放途径进行了剖析，介绍了4种静电放电模型，进而阐述了微电子器件工业生产中的静电防护技术以及静电防护体系，以确保静电防护的有效性。

静电放电；微电子器件；可靠性

ESD是微电子器件工业生产中备受关注的一个重大问题，它严重威胁着微电子器件的质量和可靠性，影响器件构成的整机系统的正常工作，给器件及系统制造商造成不可低估的经济损失。尽管近几十年来人们对ESD的防护意识不断提高，但随着一些电阻率很高的高分子材料制品的广泛应用、现代生产过程的高速化以及微电子技术和集成电路产业的发展，静电放电带给相关工厂企业的危害也越来越突出，ESD防护的形势依然严峻。笔者以ESD过程分析为基础，对微电子器件工业生产中的ESD进行了较为全面的分析，阐述了微电子器件ESD防护技术及建立ESD防护体系的必要性。

1 ESD过程分析

电荷在物体表面上累积就会使物体带上静电，当静电荷突然从一个物体表面移动到另一个物体表面，就发生了ESD。ESD的发生即是平衡2个物体之间的电荷。通常，这些电荷移动迅速随机并产生较大的电流。为分析研究器件ESD问题，一个ESD事件一般被划分为4个阶段，见图1。

图1 ESD事件

第1个阶段是电荷产生，电荷可能由摩擦起电、感应或者传导产生。对于摩擦起电，要求2种不同材料物理接触或者互相摩擦，通常发生在绝缘体与绝缘体、绝缘体和导体之间；感应带电则是在导体接近带电体然后移开时发生。传导带电发生在2个不同电势的物体相互接触时。

在第2个阶段，电荷将从高电势的物体转移到低电势的物体，直至两者电势平衡，放电电流可由2个物体间的电容及两者间的阻抗来表征。

最后一个阶段是对器件是否已失效及属于何种失效进行评估。微电子器件由ESD引发的失效模式有以下3种。

1）器件完全丧失规定功能有物理损坏的严重失效，如双极型器件的射—基间短路，场效应器件的栅—源间或栅—漏间短路或开路，集成电路的金属化互连或键合引线的熔断等。

2）软失效，器件性能瞬时变差后又恢复正常。

3）潜在损伤，器件受到静电作用后电参数仅有轻微变化但仍然合格，而器件的使用寿命明显缩短。研究表明大多数情况下ESD损伤表现为潜在损伤［1］，短期内器件性能正常，但器件的长期可靠性会受到严重影响［2］。

造成这3种失效模式的机理可分为过电压场致失效和过电流热致失效2种。

过电压场致失效指的是静电放电瞬间器件上产生高电压，导致器件内部因强电场损伤而发生失效。例如：对于MOS器件，栅电极受到静电作用时因不断接受高静电放电电荷而呈现越来越高的电压，当栅氧化层电场超过其击穿临界电场时，栅氧化层介质即发生击穿而可能使MOSFET的栅—源或栅—漏短路，使器件丧失规定功能，若静电放电能量不足以造成器件的永久性损坏，即击穿后器件性能有可能恢复，但已引入潜在缺陷，继续使用会经常出现低击穿和漏电增加，不久也会出现不可恢复的严重失效。对于集成电路中两条相距很近的微带，如果受到静电作用导致它们之间的电压超过空气击穿电压，微带线间就有可能发生气体电弧放电，致使微带线熔断。

过电流热致失效指的是静电通过器件泄放，在器件上某处产生很大的瞬间功率密度，形成局部过热，当局部结温达到甚至超过材料的本征温度即会熔化从而导致器件失效。对于半导体器件的pn结，根据WUNSCH D C和BELL R R的试验和分析研究［3］，pn结熔化所需的功率密度与ESD脉冲宽度和作用面积存在如下关系：

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为pn结熔化所需的功率密度；A为结面积；κ，ρ和CP分别为半导体热导率、密度和比热；Tm和Ti分别为破环温度和初始温度（一般为室温）；t为放电脉冲宽度。

2 微电子器件工业生产中的静电

在微电子器件工业生产中，静电有2个主要来源：人和机器设备。

人体自身的动作或与其他物体的接触、分离、摩擦或感应等，可以产生高达几万伏的静电势。当带有静电的人体接触器件时，静电荷就会通过器件快速泄放，可能造成器件瞬间损坏。生产中使用的机器设备同样也会累积大量电荷。为提高生产效率，目前许多晶圆加工厂和芯片微组装线都采用了自动设备进行工艺操作，对于自动装配设备，通常使用导轨、传送带、滑道和其他装置来移动器件使之按工艺要求的方向运动，传送系统由于摩擦可能会累积大量电荷，这些累积的电荷就可能会在工艺过程中通过器件泄放。在自动测试时，机器手在物料盘和测试系统间往返运动，如果带电，也会通过器件将带的电荷转移。

除此之外，一些由高分子材料制作的工作服、工作桌椅、地板、包装容器、器皿和工具等均为静电源，这些物品相互摩擦或与人体摩擦都会产生很高的静电势。

3 ESD模型

静电通过微电子器件放电通常有以下4种途径：1）带电人体接触器件；2）带电器件接触一个接地的表面；3）带电机器设备接触器件；4）静电场在器件电介质上感应了足够导致击穿的电压。

为很好地描述不同途径的静电放电形式，人们提出了4种模型：人体模型（HBM）、机器模型（MM）、带电器件模型（CDM）和电场感应模型（FIM）。

HBM模型是ESD模型中应用最广泛的模型，静电释放可导致持续约100 ns安培量级的峰值泄放电流。该模型在几个基本等效的标准中均有定义，如美国军用标准MIL－STD－883F［5］方法3015，ESD协会ANSI／ESD标准STM 5．1－2007［6］，电子工业联盟EIA／JEDEC标准JESD 22－A114－E［7］以及自动化电子委员会AEC标准AEC－Q 100－002－D［8］。在所有这些标准中，JESD标准是工业领域最广泛使用的标准。

MM模型模拟器件和设备接触时静电泄放的情况，对地电容比HBM稍高，但接触电阻比HBM要低得多，将产生相对更高的峰值电流。

CDM模型模拟带有静电的器件与一个不等电势的表面相接触，电荷通过器件上的导电部分泄放的情况。FIM模型与CDM模型放电过程类似，区别仅在于器件中电荷的来源不同。CDM模型中的静电电荷来自摩擦起电或传导，FIM模型中的静电电荷来自电场感应。

4 静电防护

尽可能避免静电的产生，尽可能使产生的静电泄放出去，是ESD防护的基本原则。

1）通过静电防护电路设计改善器件的抗静电能力

静电防护电路应能在ESD发生时为输入、输出端到电源／地端之间提供一个低阻通路，同时还应在正常工作条件下使输入、输出端到电源／地端之间成为一个高阻通路。MOS器件是对静电极为敏感的器件之一，一般在其输入端加入静电防护电路。最基本的防护电路是在输入端与电源／地端之间加pn结二极管，pn结二极管的反向击穿电压应低于栅氧化层的耐压。此外，还可采用MOS晶体管构成静电防护电路，一般基于MOS的静电防护电路被设计成两级（见图2），两级用隔离电阻连接。第1级由较大的晶体管构成，响应慢但能承载大电流；第2级由较小的晶体管构成，响应较快但电流承载能力有限。当发生ESD时，第2级迅速导通，箝住电位，使核心电路受到保护，同时触发第1级晶体管导通，使大部分电流流经第1级晶体管。

图2 两级静电防护电路方框图

在静电防护电路版图设计中，金属线应尽可能宽，并应避免直角拐弯，以避免通过大电流时被烧毁；金属环路应尽可能远，以避免尖端放电产生损伤；多层布线的版图设计应尽量避免金属化层经薄氧化层交迭；电路输入端至防护网络有源器件的距离与输入端至内部栅或pn结的距离之比尽可能小，以提高防护网络对静电电流的吸收速度。

为提高静电防护电路设计的成功率，增强设计的灵活性和可移植性，目前器件的静电防护设计过程可采用基于仿真模拟的设计技术。常用的工具是Synopsys公司的TCAD。为使仿真模拟结果与测试结果很好吻合，需要提取精确的ESD条件下的等效电路模型，该模型可在传输线脉冲（TLP）测试方法以及MATLAB数学工具的辅助下进行实现［4］。

2）在器件制造、装配、贮存、运输过程中采取防静电措施，以避免静电对器件可能产生的损伤

微电子器件加工制造的静电防护区要连接防静电地线，并将工作台、设备、仪器和腕带等与防静电地线可靠连接。防静电接地一般应单独使用一根地线，不要与避雷接地和交流地合并使用。操作人员在接触微电子器件之前应戴好防静电腕带，保证腕带和皮肤接触良好并接入防静电接地系统。操作人员被安全接地，具有强破坏力的静电就难以形成。每条腕带等效为一个MΩ量级的电阻，使操作人员身上累积的静电荷在短时间内被泄放掉。除了配戴防静电手腕，为更安全可靠地避免人体对器件的ESD损伤，在微电子器件工业生产中操作人员还被要求穿防静电工作服及防静电鞋。对于微电子器件生产厂房，应采用静电耗散材料制做的地板、工作台，避免使用易产生静电的材料。研究发现，静电的产生及其大小与环境湿度和空气中的离子浓度有着密切的关系，因此生产厂房温度和湿度要适宜，以减少静电产生。在测量和使用微电子器件时，适当考虑对器件周围的线路进行静电防护设计，可以避免或削弱静电的损伤。在微电子器件配料、发料、贮存以及转运过程中必须使用防静电包装材料和容器、周转车，严禁将其插放在泡沫上和装在不具防静电功能的容器或包装袋中。

5 静电防护体系的建立

从以上阐述可以看到，微电子器件的静电防护涉及到设计、制造、装配、处理、检查、试验、包装、运输、贮存、使用等各个环节，并且各环节以串联模式影响器件静电防护的可靠度，任何一方面的疏漏或失误，都将导致静电防护工作的失败。因此，静电防护与控制不仅仅只是一个防静电用品配备的问题，而应该是一个系统化的工作。系统化、标准化、规范化的静电防护体系是做好静电防护工作的客观要求。

从某种意义上说，静电防护体系是质量管理体系在静电防护方面的特定要求，它要求工厂不但要在硬件设施上有必要的投入，更重要的是保证各个环节的静电防护措施能够一直有效实施。它包括制定科学合理、充分可行、符合实际的静电防护控制方案，制定实施程序文件、操作指导书、防护设施技术要求，制定人员培训计划，制定确认防护有效性的检验计划，在生产中按静电防护方案和程序实施。

6 结 语

在微电子器件工业生产中，保证微电子器件不受静电损伤，不仅仅是技术问题，还需工业生产中建立完善的ESD防护体系，使管理体系有效运行。在体系中，制定并贯彻ESD防护相关的标准、规范和使用守则，开展有关规章制度的宣传和教育，加强人员的培训，建立严格的评审、认证和监督制度均是不可缺少的内容。ESD防护体系的建立必将是做好静电防护工作的有力保障。

［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

A

1008－1542（2011）07－0091－03

2011－06－20；责任编辑：张士莹

刘军霞（1980－），女，河南周口人，工程师，主要从事微电子器件和射频模块的可靠性研究等方面的工作。