ESD引起集成電路損壞原理模式及實例

1、ESD引起集成電路損壞原理模式 及實例ESD引起集成電路損傷的三種途徑（1）人體活動 引起的摩擦起電是重要的靜電來源，帶靜電的操作者與器 件 接觸并通過器件放電。（2）器件與用絕緣材料制作的 包裝 袋、傳遞盒和傳送帶等摩擦，使器件本身帶靜電，它 與人 體或地接觸時發(fā)生的靜電放電。（3）當(dāng)器件處在很 強的靜電場中時，因靜電感應(yīng)在器件內(nèi)部的芯片上將感應(yīng) 出很高的電位差，從而引起芯片內(nèi)部薄氧化層的擊穿?；?者某一管腳與地相碰也會發(fā)生靜電放電。根據(jù)上述三種 ESD的損傷途徑，建立了三種ESD損傷模型：人體帶 電模型、器件帶 電模型和場感應(yīng)模型。其中人體模型是 主要的。ESD損傷的失效模式（1）雙極型數(shù)

2、字電路&輸入 端漏電流增加b.參數(shù)退化c.失去功能，其中對帶有肖 特基管的STTL和LSTTL電路更為敏感。（2）雙極型線 性電路&.輸入失調(diào)電壓增大卜輸入失調(diào)電流增大 c.MOS電容（補償電容）漏電或短路d.失去功能 （3）MOS集成電路&輸入端漏電流增大b.輸出端漏電 流增大c.靜態(tài)功耗電流增大d.失去功能（4）雙極型單 穩(wěn)電路和振蕩器電路a.單穩(wěn)電路的單穩(wěn)時間 發(fā)生變化b.振蕩器的振蕩頻率發(fā)生變化c.R.C連接端對地出現(xiàn)反向 漏電。三.ESD對集成電路的損壞形式a.MOS電路輸入端保 護(hù)電路的二極管出現(xiàn)反向漏電流增大匕輸入端MOS管發(fā) 生柵穿c.MOS電路輸入保護(hù)電路中的保護(hù)電阻或接觸孔

3、 發(fā)生燒毀d.引起ROM電路或PAL電路中的熔斷絲熔斷集成電路內(nèi)部的MOS電容器發(fā)生柵穿f.運算放大器 輸入 端（對管）小電流放大系數(shù)減小g.集成電路內(nèi)部的 精密電阻的阻值發(fā)生漂移h.與外接端子相連的鋁條被熔 斷i.引起多層布線間的介質(zhì)擊穿（例如：輸入端鋁條與 n+、間的介質(zhì)擊穿）四.ESD損傷機理（1）電壓型損 傷a.柵氧化層擊穿（MOS電路輸入端、MOS電容）b. 氣體電弧放電引起的損壞（芯片上鍵合根部、金屬化條的 最窄間距處、聲表面波器件 的梳狀電極條間）c.輸入端 多晶硅電阻與鋁金屬化條間的介質(zhì)擊穿止輸入/輸出端 n+擴區(qū)與鋁金屬化條間的介質(zhì)擊穿。（2）電流型損傷 a.PN結(jié)短路（MO

4、S電路輸入端保護(hù)二極管、線性電路輸 入端保護(hù)網(wǎng)絡(luò)）b.鋁條和多晶硅條在大電流作用 下的損 傷（主要在多晶硅條拐彎處和多晶硅條與鋁的接觸 孔） c.多晶硅電阻和硅上薄膜電阻的阻值漂移（主要是高精 度運放和A/D、D/A電路）五.ESD損傷實例最容易受到 靜電放電損傷的集成電路有：CCD、EPROM、微波集成電路、高精度運算放大器、帶有MOS電容的放大器、HC、HCT、LSI、VLSI、精密穩(wěn)壓電路、A/D 和 D/A 電路、普通 MOS 和 CMOS、STTL、LSTTL 等。（1）國外實例a.Motorola公司生產(chǎn)的MOS大規(guī)模集 成電路一微處理器（CPU），在進(jìn)行老練試驗的11個 星期中仔

5、細(xì) 進(jìn)行了觀察和記錄。發(fā)現(xiàn)在試驗開始階段因為 沒有采用導(dǎo)電盒放置樣品，拒收數(shù)與被試驗元件總數(shù)相對 比例約為40 x10-n（n值為保密數(shù)字）。但從第四個星期 開始，樣品采用鍍鎳盒放置后，則降低15x10-n。此試 驗相繼跟蹤了 7個多星期，平均的拒收比例為18x10- n。說明MOS大規(guī) 模電路在使用過程中必須采取嚴(yán)格的 防ESD措施。某公司共進(jìn)行了 18700只MOS電路的老練，發(fā)現(xiàn) 失效率很高，經(jīng)分析和研究認(rèn)為大部分失效是由ESD引 起。于是該公司為此問題專門寫了一份有改正措施的報 告，并對全體有關(guān)人員進(jìn)行了防靜電放電損傷的技術(shù)培 訓(xùn)，器件采用防ESD包裝，加強了各項防ESD損傷的 措施，

6、后來 又老練了 18400只同種器件，拒收率降低到 原來的1/3。某一批“64位隨機存貯器”，從封裝到成品測試，其成品損失率為2%，該存貯器為肖特基-雙極型大 規(guī)模電路，經(jīng)調(diào)查，操作過程中曾使用過塑料盒傳遞器 件，由于靜電放電損傷了輸入端的肖特基二極管，使二極 管反向特性變 軟或短路。一批“雙極模擬開關(guān)”集成電路，在裝上印制電路 板，經(jīng)保形涂覆后，少數(shù)樣品出現(xiàn)輸入特性惡化。解剖 分析后，發(fā)現(xiàn)輸入端（基極）的鋁金屬化跨過n+保護(hù) 環(huán)擴散層處發(fā)生 短路或漏電，去除鋁后，可發(fā)現(xiàn)n+環(huán)上 的氧化層有很小的擊穿孔。由于n+擴區(qū)上的氧化層較 薄，并且光刻腐蝕的速度較快，因而容易發(fā)生ESD擊 穿，版圖設(shè)計時

7、，如果必須采用n+擴散層作埋層穿接 線，其位置應(yīng)慎重選擇，避免輸入端鋁金屬化跨過n+擴 區(qū)，對于輸入端鋁條跨過n+擴區(qū)的雙極電路，使用時應(yīng) 采取必要的防靜電措施。測試和傳遞中出現(xiàn)肖特基TTL電路（54S181、 54S420）電性能異常，輸入漏電增大。經(jīng)解剖分析，在 金相顯微鏡下觀察芯片表面未發(fā)現(xiàn)任何電損傷痕跡，但在 去除鋁和SiO2后，在輸入端的發(fā)射極接觸孔內(nèi)卻發(fā)現(xiàn)了 較輕的小坑，再用CP4溶液進(jìn)行腐蝕后小坑變得更加明 顯。用“靜電模擬器”進(jìn)行模擬試驗，出現(xiàn)的失效現(xiàn)象 與它十分類似。可見這種失效是由ESD損傷引起，也可 能是其它的輕度電損傷引起。某儀表系統(tǒng)輸入端使用的2N5179超高頻晶體管

8、多 次發(fā)生失效，失效模式為放大系數(shù)降低，特別是在小電流 下（例如Ic=100 u A的）放大系數(shù)下降到大約為1 左右，同時eb結(jié)出現(xiàn)較大反向漏電。解剖后，在金相顯 微鏡下觀察芯片表面，在eb極之間的鋁條上有一個很小 的變色區(qū)，它是由瞬間的電過應(yīng)力（電浪涌）引起的 過合金區(qū)，這種失效一般由靜電放電引起，對于輸入端為 超高頻小功率管基極的電子系統(tǒng)，輸入端應(yīng)設(shè)計輸入保護(hù) 網(wǎng)絡(luò)，如果系統(tǒng)特性不允許增加保護(hù)網(wǎng)絡(luò)，則必須采取防 靜電放電操作措施。帶有MOS電容器作為內(nèi)補償?shù)倪\算放大器，在使用 中常有失效，失效現(xiàn)象是輸出電壓在稍低于正電源電壓下 發(fā)生閉鎖。經(jīng)解剖分析證實，失效由MOS電容器出現(xiàn)大 漏電引起，

9、漏電電阻約為400 Q。因為作補償?shù)腗OS 電容器的一端直接與電路的外引線相連（V+端）。利用掃 描電鏡（SEM）觀察，發(fā)現(xiàn)MOS電容邊緣明顯有很小的擊 穿點，此特征表明失效由ESD損傷引起。在一次系統(tǒng)裝配完畢后的檢查中，發(fā)現(xiàn)6只101A 型雙極運算放大器失效，失效模式是輸入失調(diào)電壓增大到 40mV。用特性曲線圖示儀測試管腳-管腳間特性，出現(xiàn)輸 入端特性異常。解剖后，利用金相顯微鏡觀察芯片上的輸入端，發(fā)現(xiàn)有飛弧狀的電損傷痕跡，它是電瞬變引起的電 過應(yīng)力損傷，這種電瞬變可能是由ESD引起。經(jīng)調(diào)查， 在印制板的電裝工藝線上，用靜電電壓表檢測印制板上的 靜 電電壓，在開路區(qū)域上電壓達(dá)800V以上，特

10、別是在空 氣 干燥的冬季或進(jìn)行高溫烘烤時，印制板上的靜電電壓 更高。(2)國內(nèi)實例a.某廠生產(chǎn)的CMOS電路經(jīng)篩選入庫 后，在抽查中每次都發(fā)現(xiàn)有較大數(shù)量失效(約占5%)， 失效模式為輸入漏電增大，經(jīng)調(diào)查與分析，發(fā)現(xiàn)失效是 由ESD損傷引起的。因為該廠生產(chǎn)的CMOS電路在測試 前后都放置于 普通塑料盆內(nèi)，塑料上的靜電荷傳遞給 CMOS電路，在測試過程中，當(dāng)器件接觸人體或桌面上的 接地金屬時就會立即引起放電，導(dǎo)致ESD損傷而失效。后來采取了一系列防ESD措施，并將普通塑料盒改用 導(dǎo)電塑料盒，這一失效現(xiàn)象就立即消失了。b.在電子設(shè) 備的調(diào)試過程中，發(fā)現(xiàn)雙極集成電路中的單穩(wěn)電路和振蕩 電路常出現(xiàn)失效，

11、失效現(xiàn)象是單穩(wěn)電路已調(diào)整好了的單穩(wěn) 時間常發(fā)生漂移；振蕩器已調(diào)好的振蕩頻率也常發(fā)生漂 移。經(jīng) 解剖分析，發(fā)現(xiàn)失效是由ESD損傷或電瞬變損傷 引起。解 剖后，用金相和掃描電鏡檢查芯片表面，在外 接R.C的一端，管子eb結(jié)有很輕度的電損傷痕跡（有的樣品還無明顯 損傷痕跡）。測試該端eb結(jié)反向 特性已變壞，有較大反向漏電。由于它們是雙極型集成電 路，所以在調(diào)試過程中并未采取防ESD損傷措施。但這 兩種電路有一個共同特點，就是外接R、C的端子是晶 體管的基極，并且該管的發(fā)射極又是直接接地的，無任何 限流電阻。在機器調(diào)試時，要反復(fù)更換電容或電阻，將單 穩(wěn)寬度和振蕩頻率調(diào)整到滿足機器所需值。調(diào)機時機器是

12、接地的，當(dāng)更換R、C元件時，烙鐵和人體都要接觸該集 成電路外接R、C的端子，如果 人體帶靜電就會通過電 路對地放電，并且放電回路只有一個發(fā)射極二極管，因 此它們對ESD比較敏感。此外，如果 烙鐵的接地不良 或不當(dāng)。例如，烙鐵接的是交流地與機器不是同一地，兩 個地線之間的電位差引起的放電也會損壞電路。所以，雙 極電路中的單穩(wěn)和振蕩器也應(yīng)采取防ESD損傷措施，并且 要特別注意烙鐵的接地狀況。c.航天產(chǎn)品上應(yīng)用的一種 進(jìn)口的“隔離放大器”，在測試和機器調(diào)試中常有失 效，由于這種放大器是雙極型二次集成電路，說明書 上只 有功能方塊圖，無具體線路圖，所以使用者未采取任何防 靜電的措施。失效模式為輸出端對

13、地呈現(xiàn)低電阻或短 路， 經(jīng)解剖分析，發(fā)現(xiàn)每只電路內(nèi)部都有3只MOS電容 器， 其中有一只就是直接跨接在解調(diào)器的輸出與地之間。因此，該輸出端很怕靜電放電。由于使用者并不了解這一特 殊情況，所以未采取防靜電措施，結(jié)果ESD損傷失效常 有發(fā)生，經(jīng)濟(jì)損失很大。后來采取防靜電措施后，輸出對 地短路的失效現(xiàn)象就消？d.某航天電子產(chǎn)品用肖特基TTL 電路54LS10，在部件進(jìn)行老練和測試后失效，失效模式 為輸入端漏電流增大。經(jīng)分析表明，失效由ESD或電浪 涌損傷引起。解剖分析后發(fā)現(xiàn)芯片表面無任何電損傷痕 跡，也無任何工藝缺陷，經(jīng)過各項試驗證實，輸入漏電不 是氧化層內(nèi)的鈉離子沾污，也不是芯片表面的潮氣和可動

14、電荷沾污所引起。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，失效的輸入端恰好是該部 件的輸入端子，在測試和老練過程中該端子常與人體或設(shè) 備的機殼相碰，且操作現(xiàn)場并未采取防ESD措施，所以判斷 失效由ESD損傷引起。此外，輸入端碰上有漏電的機殼也會引起類 似失效。e.某星上用進(jìn)口的軍用CCD（電荷耦合器 件），在 使用過程中不知不覺就失效，這不僅造成了重 大經(jīng)濟(jì)損失，而且嚴(yán)重地影響了工作進(jìn)行。經(jīng)調(diào)查與分 析，判斷失效由ESD損傷引起。因為該CCD是超大規(guī)模 集成電路，又屬于MOS型器件，它對ESD特別敏感。 根據(jù)靜電敏感度，完全屬于靜電放電最敏感的器件之一， 只要100伏的靜電壓，就可能損壞（與MOS單管相差 不多，甚至還要敏

15、感）。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，工作間地板電阻 率為10131014Q/cm，它已不屬于防靜電地板（防靜 電地板應(yīng)為106108），工作人員采取了防ESD措 施，仍然有靜電荷積累。全面地采取了防靜電措施， 這一失效就得到了有效的控制。七雙極運算放大器 LF253在入廠檢收和二次篩選中均發(fā)現(xiàn)失效，失效比例 大約5%。經(jīng)解剖分析發(fā)現(xiàn)，補償端的鋁條上有一小區(qū)域 內(nèi)有“變色”現(xiàn)象，這種變色點是由瞬變電過應(yīng)力引起的 局部高溫造成，它可能是ESD損傷引起的，因為LF253 是雙 極型電路，使用者并未采取必要的防ESD損傷措 施，所以ESD操作的可能性很大。利用“靜電模擬 器”進(jìn)行模擬試驗，發(fā)現(xiàn)補償端與正電源之間的損傷電 壓僅有6KV而其他端可達(dá)5.0KV，可見，運算放大器 也要采取必要的防靜電措施。g.彩電高頻頭內(nèi)的MOS場效應(yīng)管常有失效發(fā)生。經(jīng)過 解剖分析，發(fā)現(xiàn)芯片表面有很小的“絲狀”擊穿通路。 這種失效是由ESD引起的，因為彩電熒光屏上有40 50KV的靜電電壓，如果不慎將這樣高的靜電壓通過天線 引入高頻頭，就很容易引起MOS管失效。h.某廠生產(chǎn) 的高頻晶體管3DG142在入廠檢驗和二次