1.前言
随着技术的发展，纳米尺度的器件需求越来越多，生产制程中需要对纳米尺度的产品进行相应防护，这就需要对纳米尽度击穿特性的进行研究。在这个领城其中，主要的研究学者包括日本大阪大学的Y.Hirata、印度理工学院的N.S.Ra-jiput、西安交通大学的Y.Cheng 以及瑞典乌普萨拉大学的V.Ziemann等。这些专家学者在对纳米尺度的击穿特性进行研究时，一般采用两种方法。第一种方法是基于 MEMS结构的纳米尺度介电系统，它通过聚焦离子束 (Focused Ion Beam, FIB)的Milling 功能对 MEMS平面电极结构进行加工，形成最小间隙为几十纳米尺度的固定间隙结构；第二种试验基于纳米压电位移平台的纳米尺度介电系统，通过压电陶瓷纳米位移平台精确控制运动电极的位置，与对面的静止电极形成最小10纳米尺度的间隙结构。
当前的研究发现，基于MEMS结构的，纳米尺度介电系统的预击穿电流包括场致电子发射电流和基底泄漏电流，其中，基底泄漏电流是主要组成部分，不同的基底材料会对此类型介电系统有不同的影响。基于纳米位移平台的纳米尺度介电系统，无论是空气还是但其环境下，当局部场强大于3.50×108V/m 时，阴极表面产生场致电子发射，场发射电子引起场发射体以及对面阳极材料温度升高，产生金属原子蒸气，金属原子与电子碰撞形成等离子体，导致击穿产生。这与真空击穿场强范围(2x 108~1×109V/m)基本一致。另外，电极间隙距离、阴极曲率半径、外施电压波形等对纳米尺度真空击穿特性都有影响。
本文尝试通过对已经封装好的产品进行相应的静电击穿试验的方法，获取不同纳米尺度下的击穿电压，从而作为击穿电压阈值的参考。隧道式磁头传感器是一个理想的选择。
2.测试方案
本节选取了不同间隙尺寸的隧道式磁阻头进行机器模型(MM)放电试验,记录其 MM放电前后的电阻变化，鉴于隧穿式磁头传感器的电阻变化较大，选择其电阻变化基础值的50%作为失效统计值。
2.1 隧道式磁阻头
磁隧道电阻TMR是基于磁隧道结 MTJs在外磁场的控制下电阻的切换。磁隧道结MTJs是指在两块铁磁薄片之间夹一层厚度约为0.1nm的极薄绝缘层，构成三明治结构元件。两个铁磁薄片一个为钉扎层,磁畴的方向不容易改变,另外一侧的铁磁薄皮为自由层，一般自有层的矫顽力较小，在外加磁场的作用下容易发生方向翻转。
当钉扎层的磁畴方向以外磁场方向一致时，由于自由层的磁畴方向以外磁场一致，此时电流从钉扎层通过氧化层再到自由层的隧道电流最大;当钉扎层的磁畴方向以外磁场方向不一致时，钉扎层的磁畴方向与自由层的磁畴方向相反，此时电流通过就很难通过自由层，展现出很大的隧道磁电阻。
2.2 测试方法
此试验采用QST-2002静态测试仪作为试验测试设备，对选定的磁头样品进行机器模型(MM)放电试验,试验的方法是采用步进式升压+测试电阻变化的方式进行,QST-2002静电测试仪的初始电压设置为100mv,按照20mv步进升压方式上升放电电压,每次测试完成中,测试其内部电阻变化，分别记录其内部电阻变化超过5%、10%和 50%的电压数值。选取的磁头样品的间隙为78nm、60nm、47nm 和38nm四个规格。
参照试验流程，可以观察隧道式磁阻磁头的机器模型放电击穿过程。通过不同间隙的击穿电压对比，可以清晰看出随着间隙的降低,电阻变化超过50%的时候,其对应电压的变化。
3.测试结果及分析
试验中,6种间隙尺寸的隧道式磁阻磁头样品各20片,每种样品的10片用于正向放电试验，其他10片用于反向放电试验。为了更清晰的展示其ESD击穿规律，本文将正向放电试验的数据和反向放电试验的结果如下。
3.1 78nm 间隙样品
根据测试结果,绘制78nm间隙下磁头内阻 50%降低的击穿电压。
综上可以看出，同样为78nm间隙尺寸的隧道式磁阻磁头的电阻数值偏差较大,其中,最大值为417.42Ω,最小值为337.00Ω，电阻偏差率为23.86%;引起电阻变化50%的机器模型正向击穿电压最大值为1.02v，最小值为0.88v,电压偏差率为15.91%;反向击穿电压最大值为-0.86v，最小值为 -1.08v,电压偏差率为25.58%;无论正向击穿还是反向击穿电压均和初始电阻无明显关联关系,但二者击穿场强分布在1.1~1.38*10e7。
3.2 60nm 间隙样品
根据测试结果,绘制60nm间隙下磁头内阻 50%降低的击穿电压，
60nm的样品情况与78nm间隙尺寸的隧道式磁阻磁头类似，电阻数值偏差较大，其中,最大值为410.86Ω,最小值为316.85Ω，电阻偏差率为29.67%;引起电阻变化50%的机器模型正向击穿电压最大值为0.96v，最小值为0.82v,电压偏差率为17.07%;反向击穿电压最大值为-0.76v,最小值为-0.96v，电压偏差率为26.31%;无论正向击穿还是反向击穿电压均和初始电阻无明显关联关系,二者击穿场强分布在1.26~1.6*10e7。
3.3 47nm 间隙样品
根据测试结果,绘制47nm间隙下磁头内阻 50%降低的击穿电压。
47nm 的样品情况与60和78nm 间隙尺寸的隧道式磁阻磁头类似，电阻数值偏差较大,其中,最大值为521.39Ω，最小值为 458.68Ω,电阻偏差率为13.67%;但其最小电阻仍然大于60nm的最大电阻数值。引起电阻变化50%的机器模型正向击穿电压最大值为0.84v,最小值为0.76v,电压偏差率为10.52%;反向击穿电压最大值为 -0.74v,最小值为-0.90v,电压偏差率为21.62%;无论正向击穿还是反向击穿电压均和初始电阻无明显关联关系，但二者击穿场强分布在1.57~1.9*10e7，击穿场强有所提升。
3.4 38nm 间隙样品
绘制 38nm间隙下磁头内阻50%降低的击穿电压。
38nm的样品情况仍然和之前三个间隙尺寸的隧道式磁阻磁头类似，电阻数值偏差较大,其中,最大值为629.53Ω，最小值为440.99Ω,平均值为553.2Ω，最大最小电阻偏差率为42.75%;但其电阻仍呈现整体上升趋势。引起电阻变化50%的机器模型正向击穿电压最大值为0.82v,最小值为0.68v,电压偏差率为20.59%;反向击穿电压最大值为-0.72v，最小值为-0.88v,电压偏差率为22.22%;相比前三种间隙,电压整体呈现下移趋势。无论正向击穿还是反向击穿电压均和初始电阻无明显关联关系，但二者击穿场强分布在1.79~2.32*10e7，击穿场强有所提升。
3.5 四种间隙样品电压对比
汇总4种间隙尺寸样本的ESD MM击穿损伤的最小、最大和平均值的数据。
从上图可以看到,随着间隙尺寸的持续降低，无论是正向电压还是反向电压的绝对值,都呈现下降趋势。最高的击穿损伤电压也仅仅为1v左右,最低的击穿损伤电压为 0.68V,这表明此类产品的静电防护要求非常严苛。
4.总结
本文通过实验的方式，利用机器模型(MM)静电放电方式对78nm、60nm、47nm和 38nm 间隙的磁头样品测试其击穿特性。通过试验数据可以发现:可以清晰看到其间隙越小,击穿电压持续明显走低的趋势。具体而言,在 38nm 时,其最低击穿电压仅为 0.68V，在78nm时，最高击穿电压为1.08V,需要非常良好的静电防护，才可能确保产品不受损。此阈值研究对于提升精准静电防护水平有良好的参考作用。
