靜電在自然界中無處不在。從芯片制造、封裝測試、運輸存儲到組裝使用，靜電可能在任一環(huán)節(jié)對芯片造成不可逆損。

半導體ESD失效的四大特征

1. 隱蔽性

（1）人體通常需2~3KV靜電才能感知，而現(xiàn)代半導體器件可能僅需不到20V即會受損。（2）在無塵室中，技術(shù)人員身著防靜電服時，仍可能攜帶足以損傷芯片的靜電。

2. 潛在性

（1）部分受損元器件外觀完好，初始功能正常，卻已留下“內(nèi)傷”。

（2）此類產(chǎn)品可通過常規(guī)檢測出廠，但在實際使用中（1周至6個月內(nèi)）易提前失效。

3.隨機性

（1）從芯片生產(chǎn)到使用壽命結(jié)束，靜電威脅可能來自人體、設(shè)備、環(huán)境等各方面。

（2）靜電產(chǎn)生的不確定性導致質(zhì)量問題難以系統(tǒng)性預防與追蹤。

4. 復雜性

（1）靜電損傷的失效分析需借助掃描電鏡等高精密儀器，耗時耗力。

（2）部分損傷特征易被誤判為“早期失效”或“原因不明失效”，掩蓋真相。

先進工藝下的ESD防護困境

1. 技術(shù)進步帶來的負面影響

（1）隨著晶體管特征尺寸縮小，芯片ESD防護能力持續(xù)減弱。

（2）65nm至90nm工藝節(jié)點下，柵氧化層厚度小于2nm，擊穿電壓降低，對ESD保護電路提出更高要求。

2. 工藝特性加劇ESD風險

（1）輕摻雜漏技術(shù)易引發(fā)尖端放電，使MOS管更易被靜電擊穿。

（2）硅化物工藝為靜電電流提供進入芯片內(nèi)部的路徑，增加損壞風險。

3. 防護成本不斷攀升

（1）市場對防護等級要求提升，迫使設(shè)計人員開發(fā)更優(yōu)異的ESD防護方案。

（2）從0.18微米工藝節(jié)點開始，專用定制方案比例增加，顯著推高設(shè)計成本。

ESD防護電路設(shè)計的核心原則

面對日益嚴峻的靜電挑戰(zhàn)，ESD防護電路設(shè)計需要遵循五個基本原則，這些原則共同定義了ESD防護的設(shè)計窗口。

1. 正常狀態(tài)下的關(guān)閉特性。

在無ESD事件發(fā)生時，保護器件必須保持關(guān)閉狀態(tài)，任何誤觸發(fā)都可能導致核心電路功能異常。

2. 快速響應(yīng)能力。

當芯片遭遇ESD事件時，保護器件必須在納秒級時間內(nèi)迅速開啟，特別是應(yīng)對快速的器件充電模型事件。響應(yīng)速度的絲毫延遲都可能導致核心電路損毀。

3. 電壓鉗位能力。

ESD事件期間，芯片管腳上的總電壓（包括保護器件上的電壓與金屬互連線上的電壓）必須不超過核心電路的耐受極限，否則將造成不可逆損傷。

4. 魯棒性。

在設(shè)計的ESD保護等級下，防護電路本身必須能夠承受靜電沖擊而不損壞，這關(guān)系到器件在真實環(huán)境中的生存能力。

5. 自恢復功能。

確保系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定運行。ESD事件結(jié)束后，保護器件應(yīng)能自動返回關(guān)閉狀態(tài)，避免進入閂鎖狀態(tài)而導致電路故障?；谶@些原則，可以明確ESD防護電路的安全設(shè)計窗口：防護電路的開啟電壓必須低于內(nèi)部器件柵氧化層的擊穿電壓；保持電壓需高于電路正常工作電壓，防止誤開啟；工作電流應(yīng)小于器件的熱失效電流，避免二次擊穿。隨著工藝節(jié)點不斷縮小，ESD設(shè)計窗口日益狹窄，芯片抗擊靜電能力持續(xù)減弱，這對防護設(shè)計提出了更高要求。

結(jié)語

靜電放電已成為半導體器件最常見的失效機理之一。在芯片設(shè)計階段，必須充分考慮被防護器件的抗靜電能力，合理選擇ESD防護方案，以保障芯片在貼裝、測試、轉(zhuǎn)運及最終應(yīng)用過程中免受ESD損傷。