從對二次崩潰點的了解可知，二次崩潰電流(It₂)代表了

元件到達p-n接面所能承受的最大電流值，在過了此點後，

元件就會出現永久性的破壞而有相當大的漏電電流，無法

回復原來特性。由此可知，當以人體靜電放電模型來對元

件做防護能力測試時，元件所能承受的最大靜電放電電流

應大約相當於該元件的It₂，由於在MIL-STD 883 Method

3015.7 [1]中定義了人體放電電阻的大小為1500歐姆，因此

可知元件的最大ESD承受電壓V_ESD為

靜電放電模型的測試方式下，由於量到的 V_ESD已在二次

崩潰點後，此時之元件接面已呈現導體性質，因此R_device

幾乎可以省略[2]。而從人體靜電放電模型(HBM)來看，若

把充電電壓源的部份當作是提供定額能量的能源供應處，

由能源供應處提供的能量送入待測元件，在不斷提供更高

的定額能量下，量測元件的電壓/電流值，將可得到待測元

件的完整電壓/電流特性曲線，如圖5.0-1所示。在這特性曲

線中，可以得到所謂的二次崩潰點。

排放的防護元件，以有效地排放由靜電放電所產生的電流

。一些常見的靜電放電防護電路已顯示在圖4.3-1中[3]，在

這些防護電路中的防護元件，其運作原理大致可分為以下

幾種元件：逆偏二極體、雙載子電晶體(Bipolar)、金氧半(

MOS)元件以及矽控制整流器(Silicon-Controlled Rectifier,

SCR)等。在這些靜電放電保護電路中，大多是利用該元件

工作在其一次崩潰(First Breakdown)區來排放ESD電流，元

件在其一次崩潰區內仍不會被損傷，然而此崩潰區域是有

其極限存在，這極限就是所謂的二次崩潰(Secondary

Breakdown)的特性，當元件因為外加過壓的(Overstress)電

壓或電流而進入二次崩潰區後，元件會造成永久性的損壞

。

　　至於用來量測二次崩潰電流的儀器設備方面，在1985

年Intel公司之T. J. Maloney和N. Khurana首先利用傳輸線觸波

技術來量測元件之二次崩潰電流[4]，其設計上的原理及組

裝顯示於圖5.0-2及圖5.0-3中。一方面為了要了解靜電放電

防護元件(ESD Protection Device)之物理特性，另一方面更為

了能在晶片製作完成之初，即能先預測產品之靜電放電的

承受能力，以降低包裝及測試成本並增加產品的研發效率

，在先進的IC公司或半導體廠中，傳輸線觸波產生器(

TLPG, Transmission Line Pulse Generator)已被架設用來量測

元件之二次崩潰點(Secondary Breakdown Point)，並和靜電

放電標準測試模式互相參照比較。由理論的探討及實際的

量測結果，可得知元件的ESD耐壓能力與其二次崩潰點的

電流成線性的正比關係，因此元件的二次崩潰電流(It₂)，

已被認定為靜電放電防護能力的表示方式之一。

壞的情形越來越嚴重，傳統的防護設計已不敷使用，必需

要有新的防護設計才能使積體電路安全地被運送、測試及

組裝，而新的保護電路在測試的過程中，所遇到的最大問

題不外乎時效與成本的考量，一顆積體電路從晶圓生產，

到晶片測試、切割、包裝，然後才能檢驗其靜電放電防護

能力。若這積體電路之ESD防護能力不符合工業應用安全

標準則需重新修改設計，這來回過程不知耗掉多少時間及

金錢。為解決這時效性的問題以及降低研發成本，且又能

有效地測試出積體電路的靜電放電防護能力，傳輸線觸波

產生器(TLPG)的架設已成為ESD防護技術研發中的一項重

要測量系統。由最近幾年所刊登的國際論文中就可看出，

在一些研究積體電路靜電放電防護能力的文章中，已有許

多研究論文是以二次崩潰電流做為判定ESD防護能力的實

驗數據，而能精確量測二次崩潰電流的工具，只有傳輸線

觸波產生器才能達成。目前，除了在先進的大公司(例如

Intel, TI…等)有這些自行組裝的TLPG設備外，國內的IC及

半導體廠尚無此種設備。鑑於要提昇台灣本土在ESD方面

的設計能力及實力，我們已在國立交通大學的積體電路及

系統實驗室(ICS Lab.)架設完成國內第一套這種傳輸線觸波

產生器(TLPG)系統，並已應用到元件的實際測試上。

5.1 傳輸線觸波原理

在裝設傳輸線觸波產生器之前，必需對此設備之原理做一

理論的解析，如此在裝設時才能充分掌握問題之所在，另

一方面也才知道本設備所能應用的範圍在那裏。

一個晶圓量測型式(Wafer-Level)的傳輸線觸波產生器顯示

在圖5.1-1中，由電磁波的理論分析來看，可分成兩部份，

一個是實際產生觸波的傳輸線區段，另一部份為傳送觸波

的傳輸線部份，其等效電路經過簡化後如圖5.1-2所示，而

其中電磁波在傳輸線中的傳送速度為

，　(2)

以下對這二個電路稍做說明，之後再對整個傳輸觸波產生

器的運作原理加以說明。

圖5.1-1

圖5.1-2

5.1.1 具有電阻負載的傳輸線

在圖5.1-2的右側電路中，其主要功能為傳送觸波訊號，為

了使訊號不受干擾，因此使用同軸傳輸線傳送。此段迴路

由於負載阻抗與傳輸線阻抗不可能完全匹配，因而會造成

電磁波的反射，而其反射情形又因負載阻抗的大小而會造

成正向或反向的反射電磁波，這是由於反射係數是由負載

電阻(Load Resistance, R_d)及傳輸線特性阻抗(Characteristic

Resistance, R₀)而定。反射係數定義為

，　(3)

當負載電阻大於傳輸線特性阻抗時，將造成正向的反射電

壓，在經過2L₂ /u的時間後將傳至開關處，此反射電壓將進

入另一端電路，因而造成由L₁段傳輸線所產的觸波並不會

在一個週期完成後馬上結束，而會呈階梯狀的波形產生。

以下接著討論L₁傳輸線產生觸波的原理，以了解如何控制

觸波的寬度(即控制模擬靜電的能量)，以及了解為何在負

載電阻大於傳輸線特性阻抗時會有階梯狀的波形產生。

5.1.2 終端開路且具初始充電的傳輸線

在圖5.1-2的左側電路中，由於終端接上了高功率的反偏

Schottky二極體，而傳輸線的初始充電電壓 (V₀)於儀器的設

計中不會大於其崩潰電壓，因此一開始可視為終端開路的

傳輸線。此段的電路分析，可參考圖5.1-3。圖5.1-3(a)的等

效電路可用圖5.1-3(b)來表示，又圖5.1-3(b)可以等效於圖5.

1-3(c)與圖5.1-3(d)的相加。其中圖5.1-3(c)之電路不會有暫

態行為，因此這電路的電磁波暫態行為主要由圖5.1-3(d)所

決定。在繼電器開關開啟後，會有一負電壓入射波進入 L₁

傳輸線，而與原先初始充電電波做疊加(Superposition)，而

使得電壓在L₁傳輸線上成為

，　(4)

此電壓波以u的速度向兩側入射，當經 t = T₁=L₁/u 的時間

後到達終端，而由於終端為開路，反射係數為１，因此會

再產生一負電壓電磁波反射回開關處，在做疊加的結果剩

下

， (5)

的電壓值。基本上在開關另一端的輸入阻抗約為R₀，因此

這時的電壓值約為0，其電壓/電流波形如圖5.1-3(e)及圖5.1

-3(f)所示。

討論至此，可看出主要的觸波產生之時間為2T₁，即觸波

的脈衝寬度為2L₁ /u。所以，可用不同長度的 L₁傳輸線產

生不同脈衝寬度的觸波。然而，若看整個晶圓量測型式的

傳輸線觸波產生器時，就必需考慮另一端的反射波所造成

的影響，以下討論整個傳輸線觸波產生器的運作原理。

圖5.1-3

5.1.3 傳輸線觸波產生器的基本原理

由上兩個小節的討論中得知，在繼電器開關開啟後，是以

一個如方程式(4)的電壓向兩側傳送，在右側電路( L₂傳輸線

)所造之反射波是影響觸波的主要因素，當右側反射波進入

左側L₁傳輸線後，若為負向反射波，則傳送至L₁左側終端

時，會造成Schottky二極體正偏，此時只要終端電阻與 L₁傳

輸線有匹配，將形成零反射，而終止反射波，其波形變化

可參考圖5.1-4。但右側反射波若為正向反射波時，其到達

L₁終端時，此反射波依然會再一次的反射回來，從反射至

開關處算起，所經歷的時脈依然為2T₁ ，所以此觸波產生

器所形成的波型為階梯狀的波形。

，　(4)

也因此欲得到較完整的方形觸波之條件為：

１、L₂越短越好

２、待測元件之負載阻抗需小於傳輸線特性阻抗。

而要產生完整方形觸波的原因，是因為在量測時，二次崩

電流的量測不易判斷，若有較完整的方形觸波，有助於量

測上的精確判讀。原理了解清楚後，接著便著手進行傳輸

線觸波產生器的組裝。

圖5.1-4

5.2 傳輸線觸波產生器(TLPG)的組裝

在傳輸線觸波產生器的組裝方面，大致可分兩大部份：儀

器設備的組合及證証。

5.2.1 傳輸線觸波產生器的組合

整個晶圓量測型式的傳輸線觸波產生器已顯示在圖5.1-1中

，其中大約可分為以下幾個部份：

一、終端極化區(Polarized Termination)

二、傳輸線區(Transmission Line Region)

三、傳輸線觸波產生器控制盒(TLPG Control Box)

四、電源供應器(Power Supplies)

五、待測元件探測區(DUT Probe)

六、量測儀器(Measurement Equipment)

以下將針對此六個區域逐一詳加解說。

圖5.1-1

5.2.1.1 終端極化區

參考圖5.2-1所示，由理論中得知此區域的目的有以下兩點

：

1. Schottky二極體需能承受高的逆向偏壓，以便能夠承

   L₁傳輸線上預先充電的電壓；

2. 匹配阻抗，終止反射波的行進，以產生觸波之方形脈

   衝。

其中，由於傳輸線上的充電電壓可能高達上千伏特，因此

必需使用崩潰電壓大於充電電壓的高功率Schottky二極體。

又Schottky二極體在順向偏壓時的開啟電壓較低，因此才能

很快將負向反射波消除。至於阻抗匹配部份，由於必需與

傳輸線的特性阻抗匹配，而一般傳輸線的特性阻抗約在50

歐姆左右，因此以一個27歐姆的電阻搭配一個50歐姆的可

變電阻來做調整。

此外在設計此終端極化電路時，為了考慮整個迴路的遮蔽

(Shield)效應，整個極化電路要放入一鋁或銅製的金屬盒內

。另一方面要將待測元件中需接地的接腳以同軸傳輸線連

接到此盒的接地端上，因此必需用到BNC接頭及連接器做

連接。

圖5.2-1

5.2.1.2 傳輸線區

由理論的部份可看出，傳輸線區分兩部份，一為控制產生

觸波的L₁部份，另一個為傳送觸波的L₂部份。其中L₁傳輸

線的長度可用來調整觸波的脈寬，每公尺長的傳輸線長度

約可產生10奈秒的觸波脈寬。一般而言愈小的元件需用愈

短的L₁傳輸線，因為在此系統中，觸波脈寬即代表了在某

一測試電壓下每次所提供測試能量的大小，欲避免元件在

二次崩潰點附近偏壓太久而導致損毀，因此必需小心選擇

L₁傳輸線的長度。至於 L₂傳輸線的部份，在前面的理論中

知道是影響觸波波形的因素，因此當然是能愈短愈好。

在於傳輸線材質的部份，如欲考慮減少雜訊(Noise)的干擾

而使觸波有較完善的波形產生，可使用遮蔽效應較佳的材

質。另外一點，由於L₁傳輸線需做預先充電的動作，因此

其中的介電質必需要能承受充電電壓的電位而不至崩潰或

漏電。

5.2.1.3 傳輸線觸波產生器控制盒

如圖5.2-2所示，此控制盒為本系統的核心，其必需有良好

的遮蔽效果，才不致影響傳送出去的觸波。其接觸必需良

好，以降低高頻雜訊的影響。繼電器開關的選擇很特別，

不能使用一般的繼電器，因一般的繼電器很容易產生雜訊

。為了要能維持高頻的切換動作而且能耐高電壓/電流的

通過下運作，且避免雜訊之產生，此特殊的繼電器必要採

用水銀式繼電器(Mercury Relay)。

整個控制電路以特製的厚鋁(銅)盒完全包住，以達成完整

的遮蔽效應。其中水銀繼電器是以5伏特的電壓源來作開

關控制。另外在L₁ 軸心處的接點除了接到繼電器外，尚

串聯了一個10Ｍ歐姆的高電阻再連接到高電壓的直流電源

供應器正端，以對傳輸線做充電之用。而為提供較完整之

迴路及遮蔽效應，L₁及L₂ 傳輸線的遮蔽層必需用良好的導

線連接在一起。

圖5.2-2

5.2.1.4 電源供應器

在傳輸線觸波產生器中的電源供應器有兩個，一個是用來

對傳輸線預先充電的充電電源，另一個是用來控制水銀繼

電器開關的控制電源。這充電電源，必需要能提供可調且

高的電壓(約數千伏)，以產生不同的觸波脈衝電壓,一般常

用的電源儀器是Keithley 237或2410，它可提供高達±1100

伏特的電壓源，並有幾種波形輸出方式，可用電腦控制。

而用來控制水銀繼電器的控制電源，必需可程式化，因為

在操作傳輸線觸波產生器時，欲產生一個觸波時，開關的

控制必須分成三個階段：首先在充電電源開始充電時，控

制電源必需先供應0伏特的電源10毫秒(Millisecond)以關閉

水銀繼電器；接著才提供5伏特的電壓3毫秒以打開水銀繼

電器，在此時即會產生觸波；最後回到0伏特維持20毫秒

以再度關閉水銀繼電器。如此即完成一個觸波的產生，控

制電源只開啟水銀繼電器3毫秒是為了要避免充電電源持

續提供直流電源而造成待測元件因過度偏壓而隕壞。

5.2.1.5 待測元件探測區

待測元件探測區當然是架設在晶圓探測站(Probe Station)上

，如圖5.2-3所示。傳輸線觸波產生器的控制盒被黏掛在探

測機械手臂(Probe Manipulator)旁，如此可使 L₂的長度最短

。L₂同軸傳輸線要延伸到探針 (Probe Needle)處，其軸心與

探針接線連接。探針最好是採用鎢合金(Tungsten)材質，以

承受瞬間的高放電電流。L₂軸心所連接的探針由於必須穿

過電流轉換探測器(Current Probe)，必須稍微折彎，也因此

這探針的長度需較長。L₂的遮蔽線必須與待測元件之接

地端的探針相連接，以確保整個待測元件在一個單一封閉

的區域路徑中。待測元件的接地探針也必需以同軸傳輸線

連接到終端極化盒上。電流轉換探測器可選用 Tektronix的

CT-1或CT-2，它們可提供每毫安培產生5毫伏特或1毫伏特

的轉換，但需考慮其最大電流及頻率範圍的限制。最後由

於所產生的觸波為高電壓觸波，因此在量測電壓時，是以

HP 10440A 100:1, 10Mohm 2.5pF的電壓探測器 (Voltage Probe)

接上迷你探測接頭(Mini Probe Socket)來使用，而使電壓下降

100倍來量測。

圖5.2-3

5.2.1.6 量測儀器

最後對於量測儀器方面，必需是一臺可收集單極觸波訊號

的高頻數位儲存式示波器。將HP 10440A電壓探測器及

Tektronix CT-1 (或CT-2)電流探測器連接到示波器上時，要

注意阻抗的匹配，示波器必需選擇單極觸波(Single-pulse

trigger)的抓取方式，才能夠觀測到瞬間的電壓/電流變化關

係,如此即可完成一套傳輸線觸波產生器。

5.2.2 傳輸線觸波產生器的驗證

在架設完傳輸線觸波產生器後，當然要對此系統做一驗證

，至於要如何驗證呢？從傳輸線的理論中可知，這個系統

有兩個主要的控制變因可影響到觸波的變化。首先是待測

負載電阻，其影響為：

1. 在小於或等於傳輸線特性阻抗時為單一觸波，在其

   約等於特性阻抗時，觸波電壓的大小約為充電電源

   的一半；

2. 在大於傳輸線特性阻抗時為階梯狀觸波，其主觸波

   電壓值由方程式(4)所決定，而接著會有再一個2T₁

   週期的階梯波。

， (4)

以10公尺的L₁傳輸線搭配50歐姆和100歐姆的負載電阻，在

100伏特充電電壓測試下，得到圖5.2-4的結果，所產生的波

形變化完全與理論符合。

圖5.2-4

其次影響到觸波變化的另一項因素為L₁ 傳輸線長度，它也

是控制觸波脈寬的重要因素，由理論中可知，約每公尺的

L₁可產生10奈秒的脈寬。圖5.2-5 是以三條不同長度的同軸

傳輸線搭配50歐姆阻抗，在100伏特充電電壓下，所得的觸

波波形。三條傳輸線的長度分別為1.8公尺、10公尺以及15

公尺，它們應可產18奈秒、100奈秒以及150奈秒脈寬的觸

波。實驗量測所得完全與理論相符合。

圖5.2-5

藉由上述的驗證，可知這臺傳輸線觸波產生器已架設成功

，接著就是將這傳輸線觸波產生器應用於元件的實際量測

及分析上。

5.3 傳輸線觸波產生器的應用

將傳輸線觸波產生器應用來量測元件時，其中有幾個因素

須先處理，首先必需先將待測元件以HP 4145之類的儀器

量測出元件的第一崩潰點電壓，以做為起始充電電壓的參

考值。

開始量測元件時，改變充電電壓為變數，逐步增加充電電

壓，而在示波器上觀測元件上的電壓/電流值。元件在各

偏壓區域下的觸波電壓/電流波形量測於圖5.3-1中。圖5.3-

1(a)的波形，是元件在驟迴崩潰(Snapback Breakdown)區的

特性。到二次崩潰點時，會有電流突升而電壓突降的波形

產生，如圖5.3-1(b)所示。最後充電電壓再增大時，電流會

再度增大而電壓會下降更多，此時元件已進入二次崩潰的

狀態，如圖5.3-1(c)所示。

圖5.3-1

利用一點一點的觀測可描繪出元件在崩潰區的電壓/電流

特性曲線，如圖5.3-2所示。

圖5.3-2

然而在量測時尚有一情況需考慮，若一開始就發現量測時

的觸波波形為階梯狀時，表示待測元件的內阻值已大於傳

輸線特性阻抗，此時在量測儀器上必需做一些改變，以因

應量測系統的準確性。由所提供的充電電壓及量測到的觸

波電壓，利用方程式(4)，可大約計算出元件的內阻值。可

並聯一相當的電阻，使並聯後的總電阻小於傳輸線特性阻

抗，但並聯點必需在電流量測點之外，且在電壓量測點之

內，如此即可做一校正性的量測。

，　(4)

另外，藉由謹慎控制觸波脈寬，當量測到元件的二次崩潰

點時，即停止更高充電電壓的量測，只要觸波脈寬(觸波能

量)不是很大(得視元件本身的特性而定)，在二次崩潰點偏

壓下元件依然不致損壞。然而一旦進入了二次崩潰區後，

元件可能因過大的能量衝擊而損傷，由此可知只要小心量

測，元件在量測後是不致於損毀的。而在考慮脈寬的因素

下，當使用較寬的觸波(L₁較長)時，

在量測二次崩潰點是比較容易判斷，然而其缺點是容易造

元件的隕壞，而且超過150奈秒的觸波，已不是正確之靜電

放電的波形。但若使用太小脈寬的觸波時，所需提供的電

壓要更高，量測所需花費的時間要更長，因此如何選用適

當的脈寬，除了需搭配元件的特性外，更需要實際經驗的

累積。

此套TLPG系統，可藉由電腦及其它Switch Box的輔助而架

設成自動測量的系統。一套自動量測的TLPG系統示意圖

顯示於圖5.3-3中。

圖5.3-3

由以上的實際測量中，可看出此量測系統的作用，不外乎

是利用可控制的有限能量以量測元件的電壓/電流特性曲線

，然而這個可以量測元件二次崩潰現象的量測系統，這並

不是市面上的一些量測儀器所能做到的。此TLPG系統亦可

用來做其它方面的測量應用，例如可以用來量測閘極氧化

層(Gate-Oxide)的脈衝崩潰電壓，甚至測量深次微米製程下

閘極氧化層所能承受的最大ESD電壓。