ESD引起集成電路損壞原理模式及實(shí)例

　　一.ESD引起集成電路損傷的三種途徑（1）人體活動(dòng)引起的摩擦起電是重要的靜電來(lái)源，帶靜電的操作者與器件接觸并通過(guò)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(shí)發(fā)生的靜電放電。（3）當(dāng)器件處在很強(qiáng)的靜電場(chǎng)中時(shí)，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。或者某一管腳與地相碰也會(huì)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(chǎng)感應(yīng)模型。其中人體模型是主要的。

二.ESD損傷的失效模式（1）雙極型數(shù)字電路a.輸入端漏電流增加b.參數(shù)退化c.失去功能，其中對(duì)帶有肖特基管的STTL和LSTTL電路更為敏感。（2）雙極型線性電路a.輸入失調(diào)電壓增大b.輸入失調(diào)電流增大c.MOS電容（補(bǔ)償電容）漏電或短路d.失去功能（3）MOS集成電路a.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(shí)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(duì)地出現(xiàn)反向漏電。

三.ESD對(duì)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b.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)電阻或接觸孔發(fā)生燒毀d.引起ROM電路或PAL電路中的熔斷絲熔斷e.集成電路內(nèi)部的MOS電容器發(fā)生柵穿f.運(yùn)算放大器輸入端（對(duì)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(jī)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d.輸入/輸出端n+擴(kuò)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（MOS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(yùn)放和A/D、D/A電路）五.ESD損傷實(shí)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(yùn)算放大器、帶有MOS電容的放大器、H

　　C、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。

　?。?）國(guó)外實(shí)例a.Motorola公司生產(chǎn)的MOS大規(guī)模集成電路─微處理器（CPU），在進(jìn)行老練試驗(yàn)的11個(gè)星期中仔細(xì)進(jìn)行了觀察和記錄。發(fā)現(xiàn)在試驗(yàn)開(kāi)始階段因?yàn)闆](méi)有采用導(dǎo)電盒放置樣品，拒收數(shù)與被試驗(yàn)元件總數(shù)相對(duì)比例約為40×10-n（n值為保密數(shù)字）。但從第四個(gè)星期開(kāi)始，樣品采用鍍鎳盒放置后，則降低15×10-n。此試驗(yàn)相繼跟蹤了7個(gè)多星期，平均的拒收比例為18×10-n。說(shuō)明MOS大規(guī)模電路在使用過(guò)程中必須采取嚴(yán)格的防ESD措施。

　　b.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(wèn)題專門(mén)寫(xiě)了一份有改正措施的報(bào)告，并對(duì)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(qiáng)了各項(xiàng)防ESD損傷的措施，后來(lái)又老練了18400只同種器件，拒收率降低到原來(lái)的1/3。

　　c.某一批“64位隨機(jī)存貯器”，從封裝到成品測(cè)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(guò)程中曾使用過(guò)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。

　　d.一批“雙極模擬開(kāi)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(guò)n+保護(hù)環(huán)擴(kuò)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(kuò)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(jì)時(shí)，如果必須采用n+擴(kuò)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(guò)n+擴(kuò)區(qū)，對(duì)于輸入端鋁條跨過(guò)n+擴(kuò)區(qū)的雙極電路，使用時(shí)應(yīng)采取必要的防靜電措施。

　　e.測(cè)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(yàn)，出現(xiàn)的失效現(xiàn)象與它十分類似?？梢?jiàn)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。

　　f.某儀表系統(tǒng)輸入端使用的2N5179超高頻晶體管多次發(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＝100μA）的放大系數(shù)下降到大約為1左右，同時(shí)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(gè)很小的變色區(qū)，它是由瞬間的電過(guò)應(yīng)力（電浪涌）引起的過(guò)合金區(qū)，這種失效一般由靜電放電引起，對(duì)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(jì)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。

　　g.帶有MOS電容器作為內(nèi)補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)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(shí)，失效由MOS電容器出現(xiàn)大漏電引起，漏電電阻約為400Ω。因?yàn)樽餮a(bǔ)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(diǎn)，此特征表明失效由ESD損傷引起。

　　h.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(yùn)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(cè)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(guò)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(cè)印制板上的靜電電壓，在開(kāi)路區(qū)域上電壓達(dá)800V以上，特別是在空氣干燥的冬季或進(jìn)行高溫烘烤時(shí)，印制板上的靜電電壓更高。

　?。?）國(guó)內(nèi)實(shí)例a.某廠生產(chǎn)的CMOS電路經(jīng)篩選入庫(kù)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?yàn)樵搹S生產(chǎn)的CMOS電路在測(cè)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(cè)試過(guò)程中，當(dāng)器件接觸人體或桌面上的接地金屬時(shí)就會(huì)立即引起放電，導(dǎo)致ESD損傷而失效。