《系统与芯片ESD防护的协同设计》 —2.5　HMM测试仪相关

2.5　HMM测试仪相关

　　HMM实践标准文件[30]概述了系统级应力如何施加到元器件上的方法。“元器件”定义为单一器件或集成电路。该文件提出了两个主要的测试仪概念：采用IEC 61000-4-2标准放电电路的HMM测试装置，以及50ΩHMM脉冲发生器。通过传输线和滤波器对矩形脉冲进行整形，50ΩHMM脉冲发生器产生应力波形。对于标准和先进的低压CMOS技术，尽管已报道50Ω HMM（HMM-50）与基于ESD枪的测试仪之间有较好的相关性[50]，本节展示了一个非关联案例的研究。与采用IEC 61000-4-2型放电电路的测试仪相比，HMM-50测试仪的阻抗可引起错误的结果。

2.5.1　测试装置和器件表征

　　用于比较的HMM测试仪连接到晶圆级测试装置。基于放电枪的HMM测试仪是HANWA HED-5000M（HMM-IEC，图2.51a）测试仪，使用IEC 61000-4-2 RC型的放电电路以产生应力电流[51]。按照设计，这个HMM-IEC测试仪的放电模块在放电期间不会产生ESD枪产生的那种典型电磁场。测试仪的尺寸和形状与晶圆级ESD装置的整合兼容，可以使晶圆上的DUT放电模块之间的连线较短。第二个测试仪是50Ω HMM测试仪 HPPI 3010C/3011C（HMM-50，图2.51b），它是基于修正的传输线脉冲测试仪[52]。以某种方式修改传输线和上升时间滤波器，使得应力电流源的形状符合IEC 61000-4-2标准的规格。

　　尽管输出阻抗不同，两种测试仪都提供进入短路负载的电流波形，其与IEC 61000-4-2标准兼容。一般地，由于产生ESD应力电流的方法不同，真实的预充电电压不能用于失效水平的比较。HMM 电流波形第一峰的使用也不是一个进行比较的适当品质因子。第一峰的振幅强烈依赖于测量装置的寄生负载、DUT阻抗和脉冲源的精度。此外，当在相同应力水平和同一测试装置中重复冲击时，脉冲到脉冲也可能会有不同。对于测试仪的比较，30 ns后的电流是一个更可靠的品质因子。为与标准一致，要求30 ns后的电流水平达到约2 A/kV，尽管可能会有30%的浮动。

图2.51　连接电压和电流探针的HMM-IEC和HMM-50片上测试装置模块图，以及在1 kV HMM 等效

应力下的短路电流波形比较　a）HMM-IEC　b）HMM-50　c）短路电流波形比较

　　为使波形失真最小，电压波形用Kelvin装置捕获。挑选的DUT是典型ESD防护器件，应用于模拟、高压和智能电源（表2.4）。

表2.4　测试的器件和使用的工艺技术

　　从所有器件得到的实验结果，基于它们在HMM-IEC和HMM-50测试之间的相关性，可以细分为3组（图2.52）。横向PNP和ggNMOS对两种测试表现出相似的失效水平（组3）。当使用HMM-50 测试仪时，二极管（diode）和高压SCR（HV N-SCR）器件在1/2左右的合格水平处失效（组2，图2.52）。相反，低压N-SCR（LV N-SCR）器件，当使用HMM-IEC测试仪时，是在较低的水平下失效。

　　LV N-SCR失效水平的差异（0.5 kV对1.8 kV）可以用栅氧化层击穿效应来解释，这一击穿归因于HMM-IEC测试仪的快速上升时间。为支持这些结论，进行了DECIMM[19]混合模式仿真。在实现器件TCAD模型的同时实现了两个HMM测试仪的模型。相同等效应力水平的仿真电压波形（图2.53）显示了HMM-50测试仪较低的电压幅值和较慢的上升时间，表明栅氧化层应力较小。

　　为比较HMM测试仪对栅氧化层（GOX）应力的影响，也从器件-电路混合模式仿真中提取了GOX上的垂直电场。LV N-SCR仿真横截面（图2.54a）用于提取不同应力水平下的GOX最大垂直电场。对于HMM-IEC测试仪脉冲，电场明显超过相同应力水平的HMM-50测试仪的值。500 V HMM-IEC的峰值相关性与1.8 kV HMM应力的相应值相匹配，这支持了失效原因的结论。GOX击穿的发生是因为HMM-IEC测试仪的快速上升时间。

图2.54　a）LV N-SCR仿真横截面　b）不同HMM测试仪和等效应力等级下通过GOX的垂直电场仿真

　　 对于100 V应用的HV ESD防护二极管，推导出了一个不同的非关联原因。器件通过了

8 kV HMM-IEC测试仪应力，但在HMM-50测试仪应力期间，约3.7 kV以下就失效了。这个意外的结果可通过检查电流波形进行解释。由于50Ω HMM传输线的反射，在脉冲末端可观察到通过二极管的负电流。较低的二极管导通电阻，导致与测试仪50Ω源阻抗的阻抗失配。通过DUT的部分电流反射回HMM-50测试仪[52]。观察到的负电流迫使二极管从正偏状态快速切换进反偏状态。从正偏向反偏转换时，正偏导电期间扩散电容收集并储存的过剩少数载流子需要被放掉。这需要花费一定的反向恢复时间。在测得的负电流波形部分可以看到不变的负电流（图2.55）。在这一反向恢复时间内，尽管器件上的电压比150 V的反向击穿电压低得多，但二极管是导通的。反向恢复电流的幅值可能会大到足以引起二极管失效，因为反偏二极管仅能承受很小的电流密度。

　　对相同几何参数和掺杂分布进行了混合模式的TCAD仿真，以理解和可视化反向恢复及对器件造成的应力。在反向恢复期间，二极管处于向反偏状态过渡阶段。外部负电压强制在结上建立了高电场（图2.56a），电场激发碰撞离化（图2.56b），在某一HMM应力水平下，碰撞离化引发雪崩击穿。所引起的电流导致超过反偏二极管极限的电流密度，使器件

失效。

图2.56　ESD二极管混合模式仿真　a）用HMM-50测试仪施加HMM应力期间的电流和电压　b）在HMM 应力等级3.7 kV（等效）下的电流和碰撞离化率

　　100 V耐压的HV nLDMOS-SCR在5.6 kV HMM-50及在7.5 kV HMM-IEC应力处失效。类似于上述ESD二极管的情形，非关联的原因可能是HMM-50测试仪产生的负电流（图2.57）和相应的反向恢复效应。

　　用DECIMM[19]中的混合模式仿真，对nLDMOS-SCR器件横截面（图2.58a）在HMM-50应力期间失效水平较低的事件进行分析。仿真的HMM电流和nLDMOS-SCR在失效应力水平下的碰撞离化率（图2.58b）表明，在 t 约等于150 ns处碰撞离化率极快增加，尽管HMM电流已经完全衰减殆尽。衰减后的碰撞离化率反映了nLDMOS-SCR器件的反向恢复特性。

　　HMM应力期间正向导通模式下，最大的碰撞离化位于器件漏极侧（图2.59a）。反向恢复期间，碰撞离化主要集中于源极侧（图2.59b）。负的外部电压迫使nLDMOS-SCR的源极侧n+对p型体区结进入了反向偏置，从而构建了一个强电场。这一强电场激发沿着结的碰撞电离。碰撞电离在结区并不均匀分布，而是有两个热点，此处的碰撞离化率是局部较高的（图2.60）。这引起局部的较高载流子及电流密度。

　　碰撞离化也集中在nLDMOS-SCR栅氧化层附近。在反向恢复期间，一些自由热载流子朝着栅移动。当进入栅氧化层时被陷住。随着HMM应力水平的增加，有更多的载流子被氧化层陷住，导致栅氧化层的退化和器件泄漏电流的增加，这类似于正常工作条件下长时间的应力引起的热载流子退化效应。

　　nLDMOS-SCR在HMM应力期间，对于HMM-50和HMM-IEC这两种测试仪，器件泄漏电流的演变是不同的（图2.61）。相反，在HMM-IEC测试器施加应力的过程中观察到了突然失效。这支持了这一结论，即：当用这两种不同的HMM测试仪对HV nLDMOS施加应力时，会出现不同的失效模式。当用HMM-IEC测试仪时，器件热失效；在HMM-50测试仪应力期间，反向恢复所致的热载流子应力导致栅氧化层失效。