搜索
第1页共14页第十章半导体器件的静电损伤及防护半导体器件在制造/存储/运输及装配过程中，仪器设备/材料及操作者都很容易因摩擦而产生几千伏的静电电压。当器件与这些带电体接触时，带电体就会通过器件引出腿放电，引起器件失效。静电放电（ESD）损伤不仅对MOS器件很敏感，而且在双极器件和混合集成电路中同样存在ESD损伤问题。目前，国际上对EDS损伤及防护问题非常重视。从80年代初开始，由美国可靠性分析中心和罗姆航空发展中心联合发起，每年召开一次国际性的专题年会，交流ESD方面的研究成果。半导体器件的ESD损伤，在我国的电子工业中也十分严重。例如，对上海十多个器件厂和仪器厂进行调查结果表明，平均有4-10%的MOS器件因ESD损伤而失效，因ESD失效造成的仪器返修损失更为可观。可见，对半导体器件的静电损伤及防护进行研究具有很大的现实意义。1*静电的产生静电现象发现较早，但对它的研究却是近几十年来随着一些新技术的发展才开始大量进行的，有些问题至今仍没有完全解决，还有待进一步试验和研究。静电是同性束缚电荷的积累，这些电荷不能很快同异性电荷重新结合。两种物质互相摩擦是产生静电的主要方式，但不是唯一的方式。除摩擦以外，两种物质紧密接触后再分离/物质受压或破裂/物质发生电解以及物质受到其它带电体的感应等均可能产生静电。一．摩擦起电正常物体的正负电荷相互平衡（不带电），当电荷发生转移时物体上的正负电荷失去平衡，物体变成带电体。例如，两种物质紧密接触（间距小于25*10-8cm），由于不同原子得失电子的能力不同以及不同原子的外层电子有不同能级，它们之间会发生电子转移；因此，接触界面两侧会出现大小相等/符号相反的两层电荷，当它们分离时就会产生静电。两种物质互相摩擦之所以产生静电，就是通过摩擦实现了它们多次接触分离的过程。但摩擦起电是一个比较复杂的过程，它还包括压电效应和热效应起电的过程。一般说压电效应产生的电荷密度是及小的，不足以引起人们的注意，但是某些高分子材料（如有机玻璃/聚乙烯/聚苯乙烯等）的压电效应是不可忽略的。摩擦起电还与摩擦材料表面发生机械破碎有关。二．感应起电导体或电介质处在静电场中均会感应起电。导体在静电场的作用下，表面不同部位将感应出不同电荷或者使导体表面上原有的电荷发生重新分布，引起带电。在电场中电介质会发生极化，极化后的电介质在电力线方向相对的两面出现大小相等而极性相反的束缚电荷，并成为新的电场源。当外部电场取消后，电解质上的束缚电荷将逐渐消失，最后恢复为中性电介质。如果束缚电荷之一，因某中原因而消失，则电介质上剩余的束缚电荷将使它处于带电状态。三．固体静电固体物质间大面积摩擦；固体物质在压力下接触而后分离；固体物质在挤压时的摩擦；固体物质的粉碎/研磨和抛光过程等，均可能产生静电。四．人体带电从毛衣外面脱下合成纤维衣服时，或经头部脱下毛衣时，在衣服之间或衣服与人体之间，均可能发生放电现象，它说明人体及衣服在一定条件下是会产生静电的。因为人体活动范围大，而人体静电又容易被人们忽视，所以人体静电放电往往是引起半导体器件静电损伤的主要原因之一，它对半导体器件的危害最大。人在活动过程中，衣服/鞋以及所随带的用具与其它材料摩擦或接触—分离时，即可产生静电。例如，人穿化纤的衣服坐在人造革面的椅子上，如果人和椅子对地的绝缘都很好，当人起立时，由于衣服和椅面之间的摩擦和接触—分离，人体静电可高达一万付以上；又如，第2页共14页穿塑料底的鞋在高绝缘地面上迅速行走时，人体静电电压可高达数千伏。表10-1列出了人体身上的典型电压。表10-1活动人体身上的典型静电压人体活动电压（V）电压（V）相对湿度10%---20%相对湿度65%--90%在地毯上行走8500015000在聚乙烯地板上走动12000250在工作台上工作6000100拿乙烯包7000600拾起乙烯袋200001200坐在人造革椅上180001500对静电来说，人体相当于良导体，因此，人体处在静电场中会感应起电，甚至成为独立的带电体。人体是导体，人体某一部位带电即将造成全身带电。人体静电电压与人体对地电容成反比，电容越小，电压越高。人体对地电容的60%是脚底对地电容。一个双脚站立着的人，人体电容约为100PF。因此单脚站立时人体电压远远大于双脚站立地面时的人体电压。2*静电放电（ESD）的损伤模型半导体器件的生产/封装/传递/试验/运输/整机调试及现场运行时，都可能因静电放电（ESD）损伤而失效，对MOS电路尤其如此。静电放电（ESD）是两个具有不同电位（由静电引起）物体之间的电流流动。随着高分子材料日益增多，所以半导体器件因静电放电引起的损伤日益严重，特别是大规模集成电路的发展，器件尺寸进一步减小，对ESD也更加敏感。为了防止ESD引起的器件失效，器件输入端往往设计有保护网络，但它的保护作用是有限的，仍可能遭受到静电势的破坏。EDS引起半导体器件损伤，使器件立即失效的几率约10%（短路/开路/无功能/参数不符合要求；而90%的器件则是引入潜在性损伤，损伤后电参数仍符合规定要求，但减弱了器件抗过电应力的能力，在使用现场容易出现早期失效，因而，严重危害了器件的可靠性。静电损伤是一种偶然事件，一般讲是与时间无关的，所以不能通过老练等筛选方法加以剔除。相反，在老练过程中，由于器件接地不良/不适当地传递/与老练设备不适当地连接等反而会提高ESD失效的百分比。由于ESD看不见/感觉不到，器件不知不觉就失效了，所以ESD损伤不容易被发现，很容易被人们忽视。根据ESD引起器件失效的三种途径，建立了三种等效的ESD模型。其中人体等效模型应用最广。一．人体等效模型（HBM）HBM是根据带电的操作者与器件的管脚接触，通过器件对地放电，至使器件失效而建立的。其等效电路如图10-1所示。人体等效模型中，放电时间τ=1/2CbV02是主要参数，它决定了放电功率。图中忽略了人体电感Lb，但此模型已被人们普遍采用和接受，并作为评估半导体器件ESD敏感度的标准（例如美军标准MIL-STD-883c，3015.2）。二．充电器件模型（CDM）半导体器件主要采用三种封装形式（金属/陶瓷/塑料）。它们在装配/传递/试验/测试/运输/及存储过程中，由于管壳与其它绝缘材料（如包装用的塑料袋/传递用的塑料容器等）相互摩擦，使管壳带电。CDM模型就是基于已带电的器件通过管脚对地放电引起失效，模型如图10-2所示。当带电器件有几个管脚同时与地接触时，就有几个放电通路，分别用Ri—Li—Ci表示。三．电场感应模型（FIM）第3页共14页当器件处于静电场环境中时，在器件内部将感应出电位差，从而引起器件ESD失效，这就是电场感应模型（FIM）。一般情况，静电场感应出来的电位差不致使器件失效，但由于器件管脚相当于接收天线，它引起与管脚相连导电部分的电场发生畸变，导致SiO2内场强增加，有可能引起MOS器件的栅氧化物被击穿。例如，一个MOS器件放入6000V/cm的电场中，就可能引起栅击穿失效。RsRbR1R2RNCbKL1L2------LNC1C2CN图10-1HBM模型图10-2CDM模型3*静电放电敏感度一．静电放电敏感度半导体器件抗静电能力用静电放电敏感度（ESDS）表示，实质上就是器件抗过电应力的能力。它取决于器件种类/输入端静电保护电路的形式/版图设计/制造工艺和生产厂家等。不同器件的ESDS如表10-2所示。表10-2不同器件的ESD敏感度（ESDS）器件种类ESDS范围（V）MOSFET100---300JFET140---7000CMOS250---2000肖特基TTL300---1500VMOS30---1800GaAs/FET100---300双极型晶体管380---7000ECL电路500---1000SCR（可控硅）680---1000二．ESDS的测量方法（MIL-STD-883C，方法3015.2）采用人体模型对半导体器件的静电放电敏感度（ESDS）进行测量，ESES的测试线路及放电波形要求如图10-3所示。人体模型方法已得到广泛的认可和应用，但放电波形应严格控制，波形测量用记忆示波器加以记录，对每种型号的器件均应拍摄照片，以备查用。大量测试及研究表明，如果放电波形没有得到很好控制，不同测试设备对同样的样品测试出的ESDS存在一个很宽的分布范围，因此不能得出正确结论。因为：（1）测试线路中的寄生参数对高频（100MHz）/高压（Kv）响应有强烈影响，容易引起波形出现过冲和高频振荡。（2）MOS集成电路的输入保护电路实现低阻状态（击穿）需要一个建立时间，如果波形中出现过陡的电压上升，保护电路将不起作用，测试结果也不正确。波形测试方法如下：被测器件用1.5KΩ无感电阻代替，用记忆示波器测试波形，其上升时间应小于15ns，特征延迟时间Td=300ns。在每一电压水平上均对器件进行正负各5次放电，，相邻两次放电的时间间隔为5s。试验时的引线组合如表10-3所示（A/B为图10-3中的A端和B端）。EDUT第4页共14页表10-3静电放电试验的引线组合功能说明功能说明数字型线性型1．输入端（A）到公共端（B）1．输入端（A）到公共端（B）2．输出端（B）到公共端（A）2．输入端到输入端3．输入端（A）到公共端（B）3．输出端（B）到公共端（A）4．V+（A）到公共端（B）4．V-（B）到公共端（B）5．V+（B）到公共端（A）5．V-（B）到公共端（A）10MΩRb（1.5KΩ±5%）+A_Cb(100PF)BRb----人体电阻Cb----人体电容（a）V100%90%36.8%10%tsttd（b）图10-3ESDS测试线路及放电波形根据大量试验结果，MOS电路输入端的损伤阈值电压远远低于输出端和电源端，因此MOS电路的试验仅对输入端进行。失效判据为输入端漏电流1uA或功能失效（部分器件表现为输入端开路，这类失效只能用逻辑功能是否正常加以判断）。三．ESDS的测试结果几种国产CMOS电路的ESD失效阈值电压测量结果如表10-4所示。根据表10-4中的高压电源电压表控制网络高压继电器受试器件ESD波形检测第5页共14页数据，可以得出以下结论：1．不同厂家生产的CMOS电路，ESD失效阈值相差较大，有的甚至低于1000V。在没有严格防静电措施的环境中，人体/容器/工具/设备等物体上很容易带有大于1000V的静电压，这将造成CMOS电路的ESD失效。2．集成度高的器件（如C183，C274）抗静电能力比集成度低的器件小（主要原因是元器件尺寸小）。3．不同厂家生产的集成度相近的电路，其抗静电能力有很大的差别，主要原因是各厂的版图设计及工艺水平有较大的差别。四．电子元器件抗静电能力的分类半导体器件按抗静电能力的大小可分为静电放电敏感器件和非敏感器件。静电放电敏感器件是指利用图10-3所示的电路进行静电放电试验，损伤阈值电压在2000V以下的器件。美国海军系统，根据器件对ESD的敏感程度，又将静电敏感器件分为三类。1.甚敏感的：例如：微波半导体器件/不带输入保护电路的MOS器件/带有MOS电容但无保护电路的运算放大器/无输入保护网络的微处理器及部分LSI电路/采用金属化覆盖N+保护环的微电路/精密稳压电路等。2．敏感的：低功耗肖特基器件/高输入阻抗的线性微电路/MOS电路/LSI电路/结型场效应器件/精密电阻网络。3．中等敏感的：小功率晶体管/厚膜电路/10W以下的微电路等。表10-4CMOS电路的ESOS测试结果器件型号生产厂in/Vssin/VDDNV平均（KV）σ（KV）NV平均（KV）σ（KV）C033A172.260.57172.491.2C063B142.80.34C066C161.140.53151.110.44CC4011D160.910.19210.70.22C31C201.720.59151.430.29C183B120.730.19C274A351.940.56注：V平均值-----失效阈值电压平均值，σ-----失效阈值电压的标准方差，N-----测试输入端数。4*静电损伤的失效模式半导体器