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1、第一章 簡介 (Introduction)在互補式金氧半(CMOS)積體電路中，隨著量產製程 的演進，元件的尺寸已縮減到深次微米(deep-submicron)階 段，以增進積體電路(IC)的性能及運算速度，以及降低每 顆晶片的製造成本。但隨著元件尺寸的縮減，卻出現一些 可靠度的問題。 在次微米技術中，為了克服所謂熱載子(Hot-Carrier)問 題而發展出LDD(Lightly-Doped Drain)製程與結構; 為了降低 CMOS元件汲極(drain)與源極(source)的寄生電阻(sheet resistance) Rs 與 Rd，而發展出Silicide製程; 為了降低 CMOS
2、 元件閘級的寄生電阻 Rg，而發展出 Polycide 製程 ; 在更進 步的製程中把Silicide 與 Polycide 一起製造，而發展出所謂 Salicide 製程。 在 1.0微米(含)以下的先進製程都使用上述幾種重要的 製程技術，以提昇積體電路的運算速度及可靠度。CMOS 製程技術的演進如表1-1所示，其元件結構示意圖如圖1-1 所示。 表1-1 CMOS 製程技術的演進Feature Size(mm)3210.80.50.350.25Junction Depth(mm)0.80.50.350.30.250.20.15Gate-Oxide Thickness(A)500400200
3、1501007050LDDNoNoYesYesYesYesYesSalicide (Silicide)NoNoNoNoYesYesYes圖1-1但是，CMOS 元件因為上述先進的製程技術以及縮得 更小的元件尺寸，使得次微米CMOS積體電路對靜電放電 (Electrostatic Discharge ESD)的防護能力下降很多。但外界 環境中所產生的靜電並未減少，故CMOS積體電路因ESD 而損傷的情形更形嚴重。舉例來說，當一常用的輸出緩衝 級(output buffer)元件的通道寬度(channel width)固定在300 微米(mm)，用2微米傳統技術製造的NMOS元件可耐壓超過 3千伏
4、特(人體放電模式)；用1微米製程加上LDD技術來製 造的元件，其ESD耐壓度不到2 千伏特；用 1 微米製程加 上 LDD 及 Silicide 技術來製造的元件，其 ESD 耐壓度僅約 1 千伏特左右而已。由此可知，就算元件的尺寸大小不變 ，因製程的先進，元件的 ESD 防護能力亦大幅地滑落；就 算把元件的尺寸加大，其 ESD 耐壓度不見得成正比地被提 昇，元件尺寸增大相對地所佔的佈局面積也被增大，整個 晶片大小也會被增大，其對靜電放電的承受能力卻反而嚴 重地下降，許多深次微米 CMOS 積體電路產品都面臨了這 個棘手的問題。但是，CMOS 積體電路對靜電放電防護能 力的規格確沒有變化，積體
5、電路產品的 ESD 規格如表 1-2 所示。 表 1-2 積體電路產品的 ESD 規格人體放電模式 (Human-Body Model)機器放電模式 (Machine Model)元件充電模式 (Charged-Device Model)Okey2000V200V1000VSafe4000V400V1500VSuper10000V1000V2000V因此，在這個網站裡，我們將教導您有關積體電路的 ESD知識，並介紹積體電路的 ESD 規格標準以及積體電路 產品的ESD測試方法；再來，我們將教導您有關積體電路 的各種ESD防護設計，其相關技術含括製程 (Process)、元 件(Device)、
6、電路 (Circuits) 、系統 (Systems) 、以及測量 (Measurement) 。這些相關技術的介紹及設計實例的說明， 必能協助您解決貴公司積體電路產品所遭遇到的 ESD問題第二章 靜電放電的模式以及工業測試標準因ESD產生的原因及其對積體電路放電的方式不同， ESD目前被分類為下列四類: (1) 人體放電模式 (Human-Body Model, HBM) (2) 機器放電模式 (Machine Model, MM) (3) 元件充電模式 (Charged-Device Model, CDM) (4) 電場感應模式 (Field-Induced Model, FIM) 本章節
7、即對此四類靜電放電現象詳加說明，並比較各類放 電現象的電流大小 2.1 人體放電模式 (Human-Body Model, HBM) :人體放電模式(HBM)的ESD是指因人體在地上走動磨 擦或其他因素在人體上已累積了靜電，當此人去碰觸到IC 時，人體上的靜電便會經由IC的腳(pin)而進入IC內，再經 由IC放電到地去，如圖2.1-1(a)所示。此放電的過程會在短 到幾百毫微秒(ns)的時 間內產生數安培的瞬間放電電流， 此電流會把IC內的元件 給燒毀。 不同HBM靜電電壓相對產 生的瞬間放電電流與時間的關係 顯示於圖2.1-1(b)。對一般 商用IC的2-KV ESD放電電壓而言，其瞬間放
8、電電流的尖峰 值大約是1.33 安培。 圖2.1-1(a) HBM的ESD發生情形 圖2.1-1(b) 在不同HBM靜電電壓下，其靜電放電之電流與時間的關係 有關於HBM的ESD已有工業測試的標準，為現今各國 用來 判斷IC之ESD可靠度的重要依據。圖2.1-2顯示此工業 標準 (MIL-STD-883C method 3015.7)的等效電路圖，其中人 體的 等效電容定為100pF，人體的等效放電電阻定為1.5K 。另 外在國際電子工業標準(EIA/JEDEC STANDARD)中 ，亦對 此人體放電模式訂定測試規範(EIA/JESD22-A114-A) ，詳細 情形請參閱該工業標準。 Te
9、st Standard : MIL-STD-883C Method 3015.7 CLASSIFICATIONSensitivityClass 10 to 1,999 VoltsClass 22,000 to 3,999 VoltsClass 34,000 to 15,999 Volts圖2.1-2 人體放電模式(HBM)的工業標準測試等效電路及其耐壓能力等級分類2.2 機器放電模式 (Machine Model, MM)機器放電模式的ESD是指機器(例如機械手臂)本身累積 了靜電，當此機器去碰觸到IC時，該靜電便經由IC的pin放 電。此機器放電模式的工業測試標準為 EIAJ-IC-121
10、method 20，其等效電路圖如圖2.2-1所示。 Test Standard : EIAJ-IC-121 Method 20 CLASSSTRESS LEVELSM00 to 50VM150 to 100VM2100 to 200VM3200 to 400VM4400 to 800V圖2.2-1 機器放電模式(MM)的工業標準測試等效電路及其耐壓能力等級分類 的等效電阻為0，但其等效電容定為200pF。由於機器放 電模式的等效電阻為0，故其放電的過程更短，在幾毫微 秒到幾十毫微秒之內會有數安培的瞬間放電電流產生。有 關2-KV HBM與200-V MM的放電電流比較，顯示於圖2.2-2 中
11、。 雖然HBM的電壓2 KV比MM的電壓200V來得大，但是 200-V MM的放電電流卻比2-KV HBM的放電電流來得大很 多，因此機器放電模式對IC的破壞力更大。在圖2.2-2中， 該200-V MM的放電電流波形有上下振動(Ring)的情形，是 因為測試機台導線的雜散等效電感與電容互相耦合而引起 的。 圖2.2-2 人體放電模式(2-KV) 與機器放電模式(200V) 放電電流的比較圖 亦對此機器放電模式訂定測試規範 (EIA/JESD22-A115-A) ，詳細情形請參閱該工業標準。 2.3 元件充電模式 (Charged-Device Model, CDM)此放電模式是指IC先因磨
12、擦或其他因素而在IC內部累 積了靜電，但在靜電累積的過程中IC並未被損傷。此帶有 靜電的IC在處理過程中，當其pin去碰觸到接地面時，IC內 部的靜電便會經由pin自IC內部流出來，而造成了放電的現 象。 此種模式的放電時間更短，僅約幾毫微秒之內，而且 放電現象更難以真實的被模擬。因為IC內部累積的靜電會 因IC元件本身對地的等效電容而變，IC擺放的角度與位置 以及IC所用的包裝型式都會造成不同的等效電容。由於具 有多項變化因素難定，因此，有關此模式放電的工業測試 標準仍在協議中，但已有此類測試機台在銷售中。該元件 充電模式(CDM) ESD可能發生的原因及放電的情形顯示於 圖2.3-1(a)
13、與圖2.3-1(b)中。該元件充電模式靜電放電的等效 電路圖顯示於圖2.3-2(a)中。IC在名種角度擺放下的等效電 容值顯示於圖2.3-2(b)中，此電容值會導致不同的靜電電量 累積於IC內部。 圖2.3-1(a) Charged-Device Mode靜電放電可能發生的情形。IC自IC管中滑出後，帶電的IC腳接觸接到地面而形成放電現象。 圖2.3-1(b) Charged-Device Mode靜電放電可能發生的情形。IC自IC管中滑出後，IC腳朝上，但經由接地的金屬工具 而放電。 圖2.3-2(a) Charged-Device Model靜電放電的等效電路圖 圖2.3-2(b) IC在
14、各種角度下的等效雜散電容值 有關2-KV HBM, 200-V MM, 與1-KV CDM的放電電流 比較，顯示於圖2.3-3中。其中，該1-KV CDM的放電電流 在不到1ns的時間內，便已衝到約15安培的尖峰值，但其 放電的總時段約在10ns的時間內便結束。此種放電現象更 易造成積體電路的損傷。 圖2.3-3人體放電模式(2-KV)，機器放電模式(200V)， 與元件充電模式(1-KV)放電電流的比較圖。 2.4 電場感應模式(Field-Induced Model, FIM)此FIM模式的靜電放電發生是因電場感應而起的。當 IC因輸送帶或其他因素而經過一電場時，其相對極性的電 荷可能會自一些IC腳而排放掉，等IC通過電場之後，IC本 身便累積了靜電荷，此靜電荷會以類似CDM的模式放電出 來。有關FIM的放電模式早在雙載子(bipolar)電晶體時代就 已被發現，現今已有工業測試標準。在國際電子工業標準 (EIA/JEDEC STANDARD) 中，亦已對此電場感應模式訂定 測試規範 (JESD22-C101)，詳細情形請參閱該工業標準。另外在國際電子工業標準 (EIA/JEDEC STANDARD) 中， 因為大多數機器都是用金屬製造的，其機器放電模式 第三章 靜電放電的測試在了解靜電放電的模式後，正本清源的工作只做了一 半，接
