ESD（静電気放電）とは
ESD（Electrostatic Discharge、静電気放電）とは、静電気が半導体製品へ放電し、劣化や損傷を起こす現象です。 キオクシアは、微細化が進むにつれてESDによる劣化と損傷が重要な問題になっているとしています1。相手は作業中に日常的に起きる静電気で、人が感じる電圧と素子が壊れる電圧は大きくずれています。しかも検査を通った製品が後から壊れることもあるので、ESD対策は「気をつける」では済まず、工程と装置と人の動きすべてに組み込まれます。
酸化膜は40〜50Vで壊れ、人が感じるのは数千Vから
Section titled “酸化膜は40〜50Vで壊れ、人が感じるのは数千Vから”静電気は多くの場合、絶縁物の表面どうしがこすれたり離れたりしたときに、片方が電子を得て、もう片方が電子を失うことで生まれます2。放電が起きるのは、2つの面の電位差が間の媒質の絶縁耐力を破るほど大きくなったときだけです。
酸化膜の絶縁破壊強度は一般に8〜10MV/cmとされ、50nm厚の酸化膜なら40〜50Vで絶縁破壊を起こす計算になります1。人が指先で「パチッ」と感じる静電気は数千Vの水準で、感覚が届くのは数千Vからです。40〜50Vと数千Vを比べると、開きは数十倍から2桁あまりになります。素子の側から見れば、人が気づかない放電でも十分に過大な電圧です。
ESDは数nsの大電流パルスで、小さな領域を壊す
Section titled “ESDは数nsの大電流パルスで、小さな領域を壊す”ESDは、帯電した導体からの放電です。電流のピークは数Aから数十Aに達し、パルス幅は数nsの桁ですが、全体のエネルギーは比較的小さいのが特徴です3。
大電流が一瞬だけ流れるので、電流の通り道で加熱された部分は急に温度が上がり、材料が溶けることがあります。ただし熱が周りへ伝わる前に放電が終わるので、損傷は小さな領域に現れます3。大電流が流れるあいだは素子の中に高い電圧も生じ、絶縁膜の破壊も起こります。
HBMは人体から、CDMは製品自身から放電する
Section titled “HBMは人体から、CDMは製品自身から放電する”試験のモデルは、電荷が人体側と製品側のどちらに溜まっているかでHBMとCDMに分かれます。ここを取り違えると、対策の向きも間違えます。
HBM（人体帯電モデル）は、人体が静電気の発生源となり、そこからの静電気放電で半導体製品に損傷を起こすモデルです。試験は100pF・1500Ωに設定したコンデンサ放電法で行います。コンデンサの電荷が典型的な人体の電荷を、抵抗が皮膚の抵抗を表します3。外から製品へ、電荷が入ってくる形です。
CDM（デバイス帯電モデル）は、半導体製品が帯電した物体に近づいたり、スティックなどと摩擦したりして製品自身が静電気の発生源となり、リードを伝って急激な放電が起きるモデルです。製造装置や工程の中で起きる帯電と放電を模擬する2部品単位の試験で、専用のCDM試験装置で行います。CDMの損傷は、溜まった電荷のすべてが放電するピンのパッドを通って抜けるときの電流集中3で起こります。中から外へ、電荷が出ていく形です。
向きが逆なので、対策の当て先も違います。人を接地すればHBMは減りますが、製品自身が搬送中に帯電するのを抑えるには、製品側の対策が別に要ります。同じ「静電気対策」という言葉が、まったく別の作業を指します。
この2つのほかに、MOSなどの絶縁構造の製品が高電界にさらされて誘導帯電を起こし、そこから放電する誘導電界モデルもあります。部品単位のHBMとCDMより強いストレスとしては、IEC規格が定めるESDストレスがあります2。
HBMの100pFは、壊し方を再現するための定数
Section titled “HBMの100pFは、壊し方を再現するための定数”HBMの「100pF・1500Ω」は、壊し方を再現するために選ばれた試験の定数です。ルネサス エレクトロニクスが実際の人体からの放電と試験機の放電を比べると3、人体の静電容量は直流測定法で約300pFでしたが、放電波形を解析すると、素子を壊す大電流が流れる期間の実効的な容量は数pFから数十pF程度でした。同じ人体でも、何を測るかで値が1桁以上変わります。
そのため試験結果は、HBM合格・CDM合格のように、そのモデルが再現しようとしている壊れ方とセットで読む必要があります。TDDBの寿命が外挿の式とセットで読まれるのと、同じ構造です。
絶縁膜破壊は電圧で、熱破壊はパルス幅と電力密度で決まる
Section titled “絶縁膜破壊は電圧で、熱破壊はパルス幅と電力密度で決まる”ESDの損傷は、接合と絶縁膜の破壊、そして酸化膜への電荷注入による特性の劣化に分けられます3。主な破壊メカニズムは前の2つです。
絶縁膜破壊は、ゲート酸化膜や層間配線間の絶縁膜が短絡して起こり、MOS構造のゲート酸化膜を持つ半導体製品で多く発生します。熱伝導性が低い酸化膜に限界以上の電圧が印加され、損傷を起こすのに必要なエネルギーが消費されたときに生じる現象です。
熱破壊（接合破壊）は、接合部を過度の電流が流れて局部的に温度が上昇し、その熱で接合部が破壊される壊れ方です。この壊れ方を表すモデルはWunsch & Bellのモデルが最も一般的で、印加されるパルス幅と素子にかかる電力密度から接合破壊現象が決まります。同じ静電気でも、絶縁膜破壊なら電圧が、熱破壊ならパルス幅と電力密度が合否を左右します。試験のモデルが複数ある理由は、ここにもあります。
検査を通っても、弱い放電の積み重ねで後から壊れる
Section titled “検査を通っても、弱い放電の積み重ねで後から壊れる”ESDは組立の歩留まりを下げるだけでなく、工場のテストでは見つからない損傷を残し、それが後の潜在故障の原因になることがあります2。よくあるのは、接合のリーク電流が増えたり逆方向の降伏電圧が下がったりしながら、製品は動き続け、データシートの規格にも収まっている状態です。
弱いESDパルスを何度も受けると、そのたびに劣化が進み、最後に壊滅的な故障に至ることがあります2。Texas Instrumentsは、こうした傷を負ったまま動いている製品を選別する実用的な方法は知られていないとし、損傷を避けるには途切れないESD保護が要るとしています。検査で拾えない傷なので、ESD対策は製品が触れるすべての場面で途切れずに続けるものになります。
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よくある質問（FAQ）
Section titled “よくある質問（FAQ）”ESDとは何ですか？
静電気が半導体製品へ放電し、劣化や損傷を起こす現象です。微細化が進むにつれて、半導体製品の信頼性で重要な問題になっています。
どのくらいの電圧で壊れるのですか？
酸化膜の絶縁破壊強度は一般に8〜10MV/cmとされ、50nm厚の酸化膜なら40〜50Vで絶縁破壊を起こす計算になります。人が感じる数千Vの静電気よりはるかに低い電圧です。
HBMとは何ですか？
人体帯電モデル（Human Body Model）です。人体が静電気の発生源となって放電するモデルで、試験は100pF・1500Ωに設定したコンデンサ放電法で行い、コンデンサが人体の電荷を、抵抗が皮膚の抵抗を表します。
CDMとは何ですか？
デバイス帯電モデル（Charged Device Model）です。製品自身が静電気の発生源となり、リードを伝って急激な放電が起きるモデルで、製造装置や工程の中で起きる帯電と放電を模擬します。試験には専用のCDM試験装置を使います。
HBMとCDMの違いは何ですか？
電荷がどちらに溜まっているかが逆です。HBMでは人体側に溜まった電荷が製品へ入り、CDMでは製品自身に溜まった電荷が放電するピンのパッドから一度に出ていきます。
人体の静電容量は本当に100pFなのですか？
100pFは試験の定数です。人体の静電容量は直流測定法で約300pFですが、放電波形を解析すると、素子を壊す大電流が流れる期間の実効的な容量は数pFから数十pF程度です。
どんな壊れ方をしますか？
主に2種類です。ゲート酸化膜や層間膜が短絡する絶縁膜破壊と、接合部を過度の電流が流れて局部的に温度が上がり壊れる熱破壊で、ほかに酸化膜への電荷注入による特性の劣化もあります。
比較・違いを学ぶ
Section titled “比較・違いを学ぶ”- TDDB（経時絶縁破壊）とは── 時間をかけて絶縁膜が壊れる側