CDM的测试与失效分析

三.CDM测试

目前针对CDM的测试规模主要有：ANSI/ESDA/JEDEC JS-002-2018 /IEC 60749-28/AEC-Q100-11。这三个详规都是针对封装后的芯片。

与HBM类似，CDM的测试仪器也只能提供一个静态结果，并不能得到芯片在ESD电流下的动态结果。所以采用VF-TLP对CDM波形进行近似，但是目前VF-TLP的近似程度较差，只能起到参考作用。

目前主流CDM的测试方法有两种：一种是直接接触测试。一种是电场测试。
 

图二.不同CDM测试方法，A.直接接触测试，B.电场充放电测试。

直接接触测试就是将探针直接与芯片引脚或者衬底接触，提高探针的电势从而对待测芯片进行充电，然后待测引脚连接另一根探针进行放电，实现CDM防护能力验证。电场充放电检测是将待测芯片放置到充电平板上，抬升充电平板的电势能，从而对待测芯片进行充电。笔者所经手项目多以FI-CDM（电场放电测试）为主。

图三.CDM脉冲校验参数与波形。

测试前需要对脉冲波形进行检测，满足要求后才能对待测芯片进行测试。而针对待测芯片在测试前和测试后都需要进行ATE测试，从而校验芯片是否失效。笔者也曾遇到在ESD测试后多次ATE结果不一的情况，ESD测试后即刻ATE结果表明芯片已经失效，而一段时间后的ATE又与之前的ATE结果相左，芯片似乎恢复正常了。这种情况笔者也是较为头疼，从System ESD的角度来看，这种情况类似于Class C失效，其内部元器件肯定发生了损伤。
 

图四.IEC 60749-28/AEC-Q100-11ANSI/ESDA/JEDEC JS-002-2018 对CDM防护等级。

不同标准针对CDM防护等级的分类大同小异，都是以125V，250V，500V，750V，1000V进行划定。但是车规级AEC-Q100中单独提到了Corner Pin的问题。Corner Pin是指位于封装角落处的引脚，在DIP，SOIC，QFP，PLCC等封装方式中较为常见，其它的封装形式则需要工程师根据封装方案进行判断，这类引脚与GND的接触概率较大，所面对的风险较高，所以需要格外关注其CDM防护能力。

四.CDM失效分析

CDM的失效基本都集中在栅级，尤其是随着工艺线宽的缩减，栅氧化层的厚度越来越薄，其失效风险也显著增加。像.35这种大线宽工艺，笔者在电路设计中未考虑CDM防护，其CDM测试结果反倒出人意料的好。所以越先进的工艺越需要重视CDM风险。

图五.GCNMOS的ESD失效分析SEM图像，②处为CDM损伤。

图六.GGNMOS和SCR的ESD失效分析SEM图像。

图七.45nm工艺下不同类型ESD失效SEM图像，a,c)HBM失效，b,d)CDM失效。

大量的实例都能看出CDM的失效全部集中在栅极。针对NMOS，正向电场下大量非平衡载流子（空穴）集中于衬底中，而当栅极接地后，栅电容两侧就会集聚大量正电荷，这部分载流子会抬高两边的电势差，当电势差过高时栅电容就会被击穿。

图八.NMOS-CDM示意图。

而如果NMOS的源端或者漏端接地，因为衬底与有源区构成寄生二极管。衬底（P-WeLL）在CDM测试中为高电位，N+有源区为低电位，载流子就会从寄生二极管流出。
 

图九.PMOS-CDM示意图。

PMOS与NMOS类似，不过就是PMOS是在负场下发生CDM，其衬底内会集聚大量电子。

从电路的角度分析，CDM对栅极造成了损伤，使得电路功能发生异常。从器件物理的角度分析，CDM电荷积聚会对栅氧化层会造成物理上的破坏，图中可以看出CDM脉冲造成了栅氧化层出现了空洞。

图十.AFM下CDM失效图像。
 

所以CDM防护需要重点关注对于栅极的保护，但是并不一定所有的栅极损伤都是由CDM造成，尤其是输入端口的ESD事件，HBM和MM也会对栅极造成损伤。