電子元器件抗ESD損傷基礎(chǔ)知識

1、引言 (4第1 章電子元器件抗ESD損傷的基礎(chǔ)知識 (51.1 靜電和靜電放電的定義和特點 (51.2 對靜電認識的發(fā)展歷史 (61.3 靜電的產(chǎn)生 (61.4 靜電的來源 (101.5 靜電放電的三種模式 (121.6 靜電放電失效 (15第2章制造過程的防靜電損傷技術(shù) . 錯誤!未定義書簽。2.1 靜電防護的作用和意義. 錯誤!未定義書簽。2.2 靜電對電子產(chǎn)品的損害. 錯誤!未定義書簽。2.3 靜電防護的目的和總的原則. 錯誤!未定義書簽。2.4 靜電防護材料. 錯誤!未定義書簽。2.5 靜電防護器材. 錯誤!未定義書簽。2.6 靜電防護的具體措施. 錯誤!未定義書簽。3.1 抗靜電檢測

2、的作用和意義. 錯誤!未定義書簽。3.2 靜電放電的標(biāo)準(zhǔn)波形. 錯誤!未定義書簽。3.3 抗ESD檢測標(biāo)準(zhǔn) . 錯誤!未定義書簽。書簽。定義書簽。3.4 實際ESD檢測的結(jié)果統(tǒng)計及分析 . 錯誤!未定義書簽。3.5 關(guān)于ESD檢測中經(jīng)常遇到的一些問題 . 錯誤!未定義書簽。3.6 ESD損傷的失效定位分析技術(shù) . 錯誤!未定義書簽。3.7 ESD和EOS的判別方法討論. 錯誤!未定義書簽。4.1 元器件抗ESD設(shè)計基礎(chǔ) . 錯誤!未定義書簽。4.2元器件基本抗ESD保護電路 . 錯誤!未定義書簽。4.3 CMOS電路ESD失效模式和機理. 錯誤!未定義書簽。4.4 CMOS電路ESD可靠性設(shè)計

3、策略. 錯誤!未定義書簽。4.5 CMOS電路基本ESD保護電路的設(shè)計. 錯誤!未定義書簽。4.6 工藝控制和管理. 錯誤!未定義書簽。參考文獻:. 錯誤!未定義書簽。引言隨著電子元器件技術(shù)的發(fā)展,靜電對元器件應(yīng)用造成的危害越來越明顯。一方面,電子元器件不斷向輕、薄、短、小、高密度、多功能等方向發(fā)展,因而元器件的尺寸越來越小,尤其是微電子器件,COMS IC中亞微米柵已進入實用化,柵條寬度達到0.18um,柵氧厚度為幾個nm或幾十個Å,柵氧的擊穿電壓小于20V。尺寸的減小,就使電子元器件對靜電變得更加敏感。而大量新發(fā)展起來的特種器件如GaAs 單片集成電路(MMIC、新型的納米器件以

4、及高頻聲表面波器件(SAW等多數(shù)也都是靜電敏感元器件;另一方面,在電子元器件制造和應(yīng)用環(huán)境中,作為靜電主要來源的各種高分子材料被廣泛采用,使得靜電的產(chǎn)生更加容易和廣泛。因此,必須應(yīng)用各種抗靜電放電損傷的技術(shù),使靜電對電子元器件的危害減小到最低的程度。編寫本講義的主要目的是對電子元器件制造和應(yīng)用行業(yè)的有關(guān)技術(shù)和管理人員進行“電子元器件抗靜電放電損傷技術(shù)”的基礎(chǔ)培訓(xùn)。本講義主要分為4個章節(jié)的內(nèi)容。第1 章“電子元器件抗ESD損傷的基礎(chǔ)知識”,介紹有關(guān)靜電和靜電放電的基本原理,以及對元器件損傷的主要機理和模式;第2章“制造過程的防靜電損傷技術(shù)”,重點介紹在電子元器件制造和裝配過程中,對環(huán)境和人員的靜

5、電防護要求,以保證電子元器件在制造和裝配過程中的靜電安全;第3章“抗靜電檢測及分析技術(shù)”,主要介紹對電子元器件的抗ESD水平進行檢測的技術(shù)。包括國內(nèi)外抗ESD檢測的主要標(biāo)準(zhǔn),檢測的模型和方法以及實際的一些檢測結(jié)果和遇到的問題;并介紹了對ESD損傷的元器件進行失效分析的技術(shù),包括一些常用和有效的分析技術(shù)及其適用的條件和技巧。還討論了ESD損傷和過電(EOS損傷的幾種判別方法和技術(shù)。第4章“電子元器件抗ESD 設(shè)計技術(shù)”,介紹電子元器件抗ESD損傷的設(shè)計技術(shù),主要包括抗ESD設(shè)計的主要原則、基本保護電路和最先進的大規(guī)模CMOS電路中保護電路的設(shè)計技術(shù)。本講義的內(nèi)容既有通用的基本理論和知識,也收集了

6、國內(nèi)外的相關(guān)資料和數(shù)據(jù),還有我們自己在工作中遇到和解決的實際案例、數(shù)據(jù)和圖片等。講義的內(nèi)容既有理論性,更注重實用性,希望能為從事電子元器件制造和應(yīng)用行業(yè)的有關(guān)技術(shù)和管理人員提供較為具體的技術(shù)指導(dǎo)和幫助。第1 章電子元器件抗ESD損傷的基礎(chǔ)知識本章主要介紹有關(guān)靜電和靜電放電的基本原理,產(chǎn)生的危害以及對元器件損傷的主要機理和模式。1.1 靜電和靜電放電的定義和特點什么是靜電(Electrostatic,static electricity?通俗地來說,靜電就是靜止不動的電荷。它一般存在于物體的表面。是正負電荷在局部范圍內(nèi)失去平衡的結(jié)果。靜電是通過電子或離子轉(zhuǎn)移而形成的。靜電可由物質(zhì)的接觸和分離、靜

7、電感應(yīng)、介質(zhì)極化和帶電微粒的附著等物理過程而產(chǎn)生。那什么是靜電放電(Electrostatic Discharge,ESD呢?處于不同靜電電位的兩個物體間的靜電電荷的轉(zhuǎn)移就是靜電放電。這種轉(zhuǎn)移的方式有多種,如接觸放電、空氣放電。一般來說,靜電只有在發(fā)生靜電放電時,才會對元器件造成傷害和損傷。如人體帶電時只有接觸金屬物體、或與他人握手時才會有電擊的感覺。對電子元器件來說,靜電放電(ESD是廣義的過電應(yīng)力的一種。那么什么是過電應(yīng)力呢?其中的ESD又有什么特點?廣義的過電應(yīng)力(Electrical Over Stress,EOS是指元器件承受的電流或電壓應(yīng)力超過其允許的最大范圍。表1.1是三種過電應(yīng)

8、力現(xiàn)象的特點比較。表1.1 三種過電應(yīng)力現(xiàn)象的特點比較 從表中可以看到,靜電放電現(xiàn)象是過電應(yīng)力一種,但與通常所說的過電應(yīng)力相比有其自身的特點:首先其電壓較高,至少都有幾百伏,典型值在幾千伏,最高可達上萬伏;其次,持續(xù)時間短,多數(shù)只有幾百納秒;第三是相對于通常所說的EOS,其釋放的能量較低,典型值在幾十個到幾百個微焦耳;另外,ESD電流的上升時間很短,如常見的人體放電,其電流上升時間短于10ns。1.2 對靜電認識的發(fā)展歷史人類對靜電放電危害的認識也是經(jīng)歷了一段漫長的歷史,電子行業(yè)認識到ESD的危害只是最近幾十年。表1.2列出了人類尤其是電子行業(yè)對ESD認識的發(fā)展過程,。表1.2 對ESD認識的

9、發(fā)展 1.3 靜電的產(chǎn)生通常物體保持電中性狀態(tài),這是由于它所具有的正負電荷量相等的緣故。如果兩種不同材料的物件因直接接觸或靜電感應(yīng)而導(dǎo)致相互間電荷的轉(zhuǎn)移,使之存在過剩電荷,這樣就產(chǎn)生了靜電。帶有靜電電荷的物體之間或者它們與地之間有一定的電勢差,稱之為靜電勢。靜電產(chǎn)生的方式有很多,如接觸、摩擦、沖流、冷凍、電解、壓電、溫差等,但主要是兩種形式,即摩擦產(chǎn)生靜電和感應(yīng)產(chǎn)生靜電,如圖1.1所示。前者是兩種物體直接接觸后形成的,通常發(fā)生于絕緣體與絕緣體之間或者絕緣體與導(dǎo)體之間;后者則發(fā)生于帶電物體與導(dǎo)體之間,兩種物體無需直接接觸。當(dāng)兩種具有不同的電子化學(xué)勢或費米能級的材料相互接觸時,電子將從化學(xué)勢高的材

10、料向化學(xué)勢低的材料轉(zhuǎn)移。當(dāng)接觸后又快速分離時,總有一部分轉(zhuǎn)移出來的電子來不及返回到它們原來所在的材料,從而使化學(xué)勢低的材料因電子過剩而帶負電,化學(xué)勢高的材料因電子不足而帶正電。對絕緣體而言,由于電子不易移動,過剩電荷將在接觸表面附近累積。顯然,這種方式產(chǎn)生的靜電荷與相互接觸的兩個物體分離的速度有關(guān)。實際上,只要兩種不同的物體接觸再分離就會有靜電產(chǎn)生。但由于摩擦產(chǎn)生的熱能為電子轉(zhuǎn)移提供了足夠的能量,因此使靜電產(chǎn)生作用大大增強。當(dāng)兩種物體相互摩擦的時候,接觸和分離幾乎同時進行,是一個不斷接觸又不斷分離的過程。分離速度快、接觸面積大,使得摩擦所產(chǎn)生的靜電荷比固定接觸后再分離所產(chǎn)生的靜電荷的數(shù)量要大得

11、多。摩擦生電主要發(fā)生在絕緣體之間,因為絕緣體不能把所產(chǎn)生的電荷迅速分布到物體整個表面,或迅速傳給它所接觸的物體,所以能產(chǎn)生相當(dāng)高的靜電勢。表1.3是常見物體帶電順序表,從帶正電依次排列到帶負電,其中任何兩種物體摩擦?xí)r,可以按此表來判斷它們帶電的極性,還可以大致估計所帶電荷的多寡程度。排在前面的材料與排在后面的材料相互摩擦?xí)r,前者帶正電,后者帶負電。同種材料與不同材料相互摩擦?xí)r所帶電荷的極性可能不同,如棉布與玻璃棍摩擦帶負電,但與硅片摩擦?xí)r帶正電。棉布與玻璃摩擦后所帶電量大于它與尼龍摩擦所帶電量。摩擦產(chǎn)生靜電的大小除了與摩擦物體本身的材料性質(zhì)有關(guān)之外,還要受到許多因素的影響,如環(huán)境的濕度、摩擦的

12、面積、分離速度、接觸壓力、表面潔凈度等。表1.3是常見物體帶電順序表 (a 摩擦生電(b 感應(yīng)生電圖1.1 靜電產(chǎn)生的兩種形式靜電產(chǎn)生的另一個重要來源是感應(yīng)生電。當(dāng)一個導(dǎo)體靠近帶電體時,會受到該帶電體形成的靜電場的作用,在靠近帶電體的導(dǎo)體表面感應(yīng)出異種電荷.遠離帶電體的表面出現(xiàn)同種電荷。盡管這時導(dǎo)體所帶凈電荷量仍為零,但出現(xiàn)了局部帶電區(qū)域。顯然,非導(dǎo)體不能通過感應(yīng)產(chǎn)生靜電。靜電的實質(zhì)是存在剩余電荷。電荷是所有的有關(guān)靜電現(xiàn)象本質(zhì)方面的物理量。電位、電場、電流等有關(guān)的量都是由于電荷的存在或電荷的移動而產(chǎn)生的物理量。在科研院所、高等院校、檢測站和工礦企業(yè)等部門經(jīng)常需要測量物體的電荷量或電荷密度。表示

13、靜電電荷量的多少用電量Q表示,其單位是庫侖C,由于庫侖的單位太大通常用微庫或納庫1庫侖(C=16微庫(C1微庫(C =13納庫(C雖然靜電電荷是表征靜電的最直接的參量,但人們又常說靜電電壓幾千伏或幾萬伏。其含義是什么呢?與那些因素有關(guān)?下面討論這個問題。前面已經(jīng)提到,帶有靜電電荷的物體之間或者它們與地之間有一定的電勢差,這就稱之為靜電勢,也叫靜電電壓。實際環(huán)境中產(chǎn)生的靜電電壓通常是指帶電體與大地之間的電位差。如果將大地作為零電位,靜電帶電體的靜電電壓顯然有正負之別,通常說靜電電壓幾千伏或幾萬伏是指其絕對值。靜電帶電體與另一個物體或大地之間的電位差與哪些因素有關(guān)呢?通常把靜電帶電體與另一個物體或

14、大地看成一個電容器。電容器的電容量C 、電容器一個電極上的電荷量Q 和電容器兩個極間的電位差V 之間有如下關(guān)系:V=CQ(1.1 從式1.1可以知道,靜電帶電物體的電容對其靜電勢有顯著影響。帶電物體與另一個物體或地之間的靜電電壓與它們之間的電容量成反比,即電容量越小,靜電電壓越大。靜電荷相同,靜電勢可能有數(shù)量級的差別。如將式1.1中的電容等效成平板電容器,其電容量C 可表示為: C=dA (1.2 A 為電容器面積、為兩板之間物質(zhì)的介電常數(shù)、d 為兩板之間的距離。將(1.2帶入(1.1得:V=A dQ (1.3 從(1.3式也可以了解與靜電電壓有關(guān)的各因素。例:人體帶靜電,其靜電電壓與所帶的電

15、荷量Q 和人腳與地面的距離d 成正比,與兩腳的面積A (如果人是站立的和腳底面與地間的物質(zhì)的介電常數(shù)成反比。靜電的產(chǎn)生及其大小與環(huán)境濕度和空氣中的離子濃度有密切的關(guān)系。在高濕度環(huán)境中由于物體表面吸附有一定數(shù)量雜質(zhì)離子的水分子,形成弱導(dǎo)電的濕氣薄層,提高了絕緣體的表面電導(dǎo)率,可將靜電荷散逸到整個材料的表面,從而使靜電勢降低。所以,在相對濕度高的場合,如海洋性氣候地區(qū)(如我國的東南沿海地區(qū)或潮濕的梅雨季節(jié),靜電勢較低。在相對濕度低的場合,如大陸性氣候地區(qū)(如我國的北方地區(qū)或干燥的冬季,靜電勢就高。與普通場所相比,在空氣純凈的場所(如超凈車間內(nèi),因空氣中的離子濃度低,所以靜電更加容易產(chǎn)生。表1.4是

16、電子生產(chǎn)中產(chǎn)生的靜電勢的典型值。從中可以看到,同樣的動作在不同的濕度下,產(chǎn)生的靜電電壓可以相差一個量級以上。表1.4 電子生產(chǎn)中產(chǎn)生的靜電勢的典型值(單位:V 1.4 靜電的來源在電子制造業(yè)中,靜電的來源是多方面的,如人體、塑料制品、有關(guān)的儀器設(shè)備以及電子元器件本身。人體是最重要的靜電源,這主要有三個方面的原因。其一,人體接觸面廣,活動范圍大,很容易與帶有靜電荷的物體接觸或摩擦而帶電,同時也有許多機會將人體自身所帶的電荷轉(zhuǎn)移到器件上或者通過器件放電。其二,人體與大地之間的電容低,約為50一250pF,典型值為150PF,故少量的人體靜電荷即可導(dǎo)致很高的靜電勢。其三,人體的電阻較低,相當(dāng)于良導(dǎo)體

17、,如手到腳之間的電阻只有幾百歐姆,手指產(chǎn)生的接觸電阻為幾千至幾十千歐姆,故人體處于靜電場中也容易感應(yīng)起電,而且人體某一部分帶電即可造成全身帶電。影響人體靜電的因素十分復(fù)雜,主要體現(xiàn)在以下幾個方面:(1 人體靜電與人體所接觸的環(huán)境以及活動方式有關(guān)表1.4列出了在幾種活動中人體的靜電勢,圖1.2則給出了操作人員在做不同的動作時手上靜電勢的變化曲線。 圖1.2 操作者手上的靜電(2 人體靜電與環(huán)境濕度有關(guān),濕度越低則靜電勢越高。從表1.4可以清楚地看到這一點。(3 人體靜電與所著衣物和鞋帽的材料有關(guān),化纖和塑料制品較之棉制品更容易產(chǎn)生靜電。工作服和內(nèi)衣摩擦?xí)r產(chǎn)生的靜電是人體靜電的主要起因之一,表1.

18、5列出了質(zhì)地不同的工作服和內(nèi)衣摩擦?xí)r人體所帶的靜電勢。表1.5 質(zhì)地不同的工作服和內(nèi)衣摩擦?xí)r人體的靜電勢(kV (4 人體靜電與個體人的體質(zhì)有關(guān),主要表現(xiàn)在人體等效電容與等效電阻上。人體電容越小,則因摩擦而帶電越容易,帶電電壓越高,人體電阻越小,則因感應(yīng)帶電越容易。人體電容與所穿戴的衣服和鞋的材料以及周圍所接觸的環(huán)境(特別是地板有關(guān),人體電阻則與皮膚表面水分、鹽和油脂的含量、皮膚接觸面積和壓力等因素有關(guān)。由于人體電容的60%是腳底對地電容,而電容量正比于人體與地之間的接觸面積,所以單腳站立的人體靜電勢遠大于雙腳站立的人體靜電勢。(5人體靜電與人的操作速度有關(guān),操作速度越快,人體靜電勢越高。由圖

19、1.2可以看出這一點。(6 人體各部位所帶的靜電電荷不是均等的,一般認為手腕側(cè)的靜電勢最高。儀器和設(shè)備也會由于摩擦或靜電感應(yīng)而帶上靜電。如傳輸帶在傳動過程中由于與轉(zhuǎn)軸的接觸和分離產(chǎn)生的靜電,或是接地不良的儀器金屬外殼在電場中感應(yīng)產(chǎn)生靜電等。儀器設(shè)備帶電后,與元器件接觸也會產(chǎn)生靜電放電,并造成靜電損傷。電子元器件的外殼(主要指陶瓷、玻璃和塑料封裝管殼與絕緣材料相互摩擦,也會產(chǎn)生靜電。器件外殼產(chǎn)生靜電后,會通過某一接地的管腳或外接引線釋放靜電,也會對器件造成靜電損傷。除上述三種靜電來源外,在電子元器件的制造、安裝、傳遞、運輸、試驗、儲存、測量和調(diào)試等過程中,會遇到各種各樣的由絕緣材料制成的物品,如

20、表1.6所列。這些物品相互摩擦或與人體摩擦都會產(chǎn)生很高的靜電勢。表1.6 電子元器件操作環(huán)境的其它靜電源 1.5 靜電放電的三種模式由于人體會與各種物體間發(fā)生接觸和磨擦,又與元器件接觸,所以人體易帶靜電,也容易對元器件造成靜電損傷。普遍認為大部分元器件靜電損傷是由人體靜電造成的。帶靜電的人體可以等效為圖 1.5的等效電路,這個等效電路又稱人體靜電放電模型(Human Body Model。其中,Vp帶靜電的人體與地的電位差,Cp帶靜電的人體與地之間的電容量,一般 為50-250pF ;Rp 人體與被放電體之間的電阻值,一般為102-105。 圖1.3 人體放電實例 圖1.4 充電器件放電實例圖

21、1.5 帶電人體的靜電放電模型 圖1.6帶電機器的放電模型人體與被放電體之間的放電有兩種。即接觸放電和電弧放電。接觸放電時人體與被放電之間的電阻值是個恒定值。電弧放電是在人體與被放電體之間有一定距離時,它們之間空間的電場強度大于其介質(zhì)(如空氣的介電強度,介質(zhì)電離產(chǎn)生電弧放電,暗場中可見弧光。電弧放電的特點是在放電的初始階段,因為空氣是不良導(dǎo)體,放電通道的阻抗較高,放電電 流較小;隨著放電的進行,通道溫度升高,引起局部電離,通道阻抗逐漸降低,電流增大,直至達到一個峰值;然后,隨著人體靜電能量的釋放,電流逐漸減少,直至電弧消失。機器因為摩擦或感應(yīng)也會帶電。帶電機器通過電子元器件放電也會造成損傷。機

22、器放電的模型(Machine Model 如圖1.6所示。與人體模式相比,機器沒有電阻,電容則相對要大。在元器件裝配、傳遞、試驗、測試、運輸和儲存的過程中由于殼體與其它材料磨擦,殼體會帶靜電。一旦元器件引出腿接地時,殼體將通過芯體和引出腿對地放電。這種形式的放電可用所謂帶電器件模型(Charged-Device Model ,CDM來描述。下面以雙極型和MOS 型半 導(dǎo)體器件為例給出靜電放電的等效電路。雙極型器件的CDM 等效電路如圖1.7(a所示,Cd 為器件與周圍物體及地之間的電容,Ld 為器件導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的等效電感,Rd 為芯片上放電電流通路的等效電阻。串聯(lián)著的Rd 、Cd 和Ld 等效于帶

23、電器件。開關(guān)S 合上表示器件與地的放電接觸,接觸電阻為Rc 。(a(b 圖1.7 帶電器件的靜電放電模型(a 雙極型器件 (b MOS 器件 MOS 器件的CDM 等效電路如圖1.7(b所示。由于MOS 器件各個管腿的放電時間長短相差很大,所以要用不同的放電通路來模擬,每條放電通路都用其等效電容、電阻和電感來表示。當(dāng)開關(guān)S 閉合而且有任一個管腿接地時,各通路存儲的電荷將要放電。若在放電過程中,各個通路的放電特性不同,就會引起相互間的電勢差。這一電勢差也會造成器件的損壞,如柵介質(zhì)擊穿等。器件放電等效電容Cd 的大小和器件與周圍物體之間的位置及取向有關(guān),表1.7給出了雙列直插封裝器件在不同取向時的

24、等效電容值,可見管殼的取向不同,電容可相差十幾倍,因而其靜電放電閾值可以有顯著差別。表1.7 雙列直插封裝器件在不同取向時的電容值(pF1.6 靜電放電失效電子元器件由靜電放電引發(fā)的失效可分為突發(fā)性失效和潛在性失效兩種模式。突發(fā)性失效是指元器件受到靜電放電損傷后,突然完全喪失其規(guī)定的功能,主要表現(xiàn)為開路、短路或參數(shù)嚴(yán)重漂移,具體模式如:雙極型器件的射一基間短路,場效應(yīng)器件的柵一源間或柵一漏間短路或開路,集成電路的金屬化互連或鍵合引線的熔斷,多晶硅電阻開路,MOS電容介質(zhì)擊穿短路等。潛在性失效是指靜電放電能量較低,僅在元器件內(nèi)部造成輕微損傷,放電后器件電參數(shù)仍然合格或略有變化,但器件的抗過電應(yīng)力

25、能力已經(jīng)明顯削弱,或者使用壽命已明顯縮短,再受到工作應(yīng)力或經(jīng)過一段時間工作后將進一步退化,直至造成徹底失效。在使用環(huán)境中出現(xiàn)的靜電放電失效大多數(shù)為潛在失效。據(jù)統(tǒng)計,在由靜電放電造成的使用失效中,潛在性失效約占90%,而突發(fā)性失效僅占10%。而且,潛在性失效比突發(fā)性失效具有更大的危險性,這一方面是因為潛在失效難以檢測、而器件在制造和裝配過程中受到的潛在靜電損傷會影響它裝入整機后的使用壽命;另一方面,靜電損傷具有積累性,即使一次靜電放電未能使器件失效,多次靜電損傷累積起來最終必然使之完全失效。靜電放電失效機理可分為過電壓場致失效和過電流熱致失效。過電壓場致失效多發(fā)生于MOS器件,包括含有MOS電容

26、或鉭電容的雙極型電路和混合電路;過電流熱致失效則多發(fā)生于雙極器件,包括輸入用pn結(jié)二極管保護的MOS電路、肖持基二極管以及含有雙極器件的混合電路。實際元器件發(fā)生哪種失效,取決于靜電放電回路的絕緣程度。如果放電回路阻抗較低,絕緣性差,元器件往往會因放電期間產(chǎn)生強電流脈沖導(dǎo)致高溫損傷,這屬于過電流損傷。如果放電回路阻抗較高,絕緣性好,則元器件會因接受了高電荷而產(chǎn)生高電壓,導(dǎo)致強電場損傷,這屬于過電壓損傷。(1 過電壓場致失效過電壓場致失效是指高阻抗的靜電放電回路中,絕緣介質(zhì)兩端的電極因接受了高靜電放電電荷而呈現(xiàn)高電壓,有可能使電極之間的電場超過其介質(zhì)臨界擊穿電場,使電極之間的介質(zhì)發(fā)生擊穿失效。高靜

27、電電荷和高電壓的來源既可以是靜電源直接接觸放電、也可以是由于場感應(yīng)而產(chǎn)生的。影響過壓失效的主要因素是累積的靜電電荷量和高電壓。對于MOS器件(包括MOS電容和固體鉭電容,電極間介質(zhì)的電場超過其擊穿臨界電場(對于SiO2,臨界場強為(7-10×106V/cm時,介質(zhì)層就會發(fā)生擊穿而使MOS器件的柵一源或柵一漏之間或電容的電極之間短路。計算表明,當(dāng)人體電容為100pF、放電電阻為200時,作為靜電放電源的人體的靜電勢,只要有1100V就可使62.5nm厚度的氧化層被破壞。電子元器件抗 ESD 技術(shù)講義 第 16 頁 氧化層越薄或者氧化層電場越強， 則越容易出現(xiàn)這種失效， 所以具有強氧化層

28、電場的 VMOS 功率器件以及具有更薄的柵氧化層的 VLSl MOS 電路 （柵氧厚度已達幾個 nm） 比常規(guī) M0S ， 器件更容易受到過電壓損傷。無論是 MOS 器件或電容，當(dāng)介質(zhì)層有針孔或缺陷時，擊穿將 首先在針孔或缺陷處發(fā)生。而對 MOS 器件來說，柵介質(zhì)擊穿常常發(fā)生在柵一漏或柵一漏交 接處，因該處不僅電場集中，而且作為薄厚氧化層交接的臺階所在，應(yīng)力也集中，故介質(zhì)擊 穿強度較低。 如果靜電放電能量不足以造成器件的永久性損壞，即擊穿后器件性能有可能恢復(fù)，但 已引入潛在缺陷，繼續(xù)使用會經(jīng)常出現(xiàn)低電壓擊穿和漏電增加，不久即會出現(xiàn)致命失效。對 于 CMOS 硅柵器件，靜電放電造成的潛在損傷會使

29、 n 溝道器件出現(xiàn)柵一源管道漏電，使 p 溝道器件柵一源間呈現(xiàn)二極管特性，對電路的正常工作造成不良影響，如圖 1.8 所示。 圖 1.8 CMOS 硅柵器件的柵一源管道漏電 對于雙極型器件，過電壓場致?lián)p傷沒有 MOS 器件那樣顯著，靜電放電常常在 pn 結(jié)擴 散窗口邊緣處的表面附近形成電場，形成局部損傷使 pn 結(jié)反向電流增大。 在集成電路中，如果鍵合引線與芯片的電源線之間距離太近，或者相鄰鋁條之間的距 離很近，則當(dāng)靜電導(dǎo)致它們之間的電壓超過空氣擊穿電壓時，就有可能發(fā)生氣體電弧放電， 形成電火花，導(dǎo)致鋁條或金屬引線的熔化、結(jié)球或流動。在具有高密度和細間距金屬化互連 的超大規(guī)模集成電路、 具有梳

30、狀電極的超高頻晶體管以及具有小間距薄層電極的聲表面波器 件中，容易發(fā)生這種失效。 （2）過電流熱致失效 過電流熱致失效是由于較低阻抗的放電回路中， 由于靜電放電電流過大使局部區(qū)域溫升 超過材料的熔點， 導(dǎo)致材料發(fā)生局部熔融使元器件失效。 影響過流失效的主要因素是功率密 度。 靜電放電形成的是短時大電流，放電脈沖的時間常數(shù)遠小于器件散熱的時間常數(shù)。因 此，當(dāng)靜電放電電流通過面積很小的 pn 結(jié)或肖特基結(jié)時，將產(chǎn)生很大的瞬間功率密度，形 成局部過熱，有可能使局部結(jié)溫達到甚至超過材料的本征溫度(如硅的熔點 1415，使結(jié)區(qū) 局部或多處熔化導(dǎo)致 pn 結(jié)短路，器件徹底失效。這種失效的發(fā)生與否，主要取決

31、于器件內(nèi) 部區(qū)域的功率密度，功率密度越小，說明器件越不易受到損傷。而器件內(nèi)部的功率密度大小 除與器件自身的材料有關(guān)外，還與靜電放電的電流幅度、脈沖寬度和作用的面積密切相關(guān)。 在總能量（總靜電電荷）不變的情況下，使 pn 結(jié)熔化所需的功率密度可由下式表示: 信息產(chǎn)業(yè)部電子第五研究所元器件可靠性研究分析中心 電子元器件抗 ESD 技術(shù)講義 第 17 頁 (1.4 式中，P 為功率，A 為結(jié)面積， 、 和 Cp 分別為半導(dǎo)體的熱導(dǎo)率、密度和比熱，Tm 和 Ti 分別為破壞溫度和初始溫度(一般為室溫，為施加功率的持續(xù)時間即放電脈沖的寬度。 t 對于硅而言， 2.33gcmJ，Cp0.755J8·K， 0306Wcm： K，Tm1688K。 由實際測量得到的