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1、半导体器件的静电损伤及防护航空航天部半导体器件失效分析中心邓永孝摘要:静电放 电(ESD)损伤失效是半导体器件的重要失效原因。本文从静电产生、EsD损伤模型、抗静电能力分类、EsD的失效模式、使用中的防静电损伤措施等五方面加以介绍。其目的是为器件用户提供防静电损伤的科学依据。一、前言随着工业的不断发展,防静电危害的有关研究也日益受到人们的普遍重视。在电子工业中,随着大规模MOS集成 电路和微波器件等的大量生产和广范应用,静 电放电(简称E SD)损伤的间题也越来越突出。随着电路集成度和速度的迅速提高,器件尺寸进一步缩小,氧化层进一步减薄,因此对静电放电损伤变得更加敏感。另一方面是当前在生产和工
2、作的环境中高分子材料的应用比较普遍,因此静电荷的产生与积累也比较严重。静电放 电(E SD)损伤的时有发生还 与人 们对静 电的认识程度有关,有许多静电放电损伤还没有被人们认识到:() l有些人错误地认为在MOS集成 电路中已设计了保护电路,静 电放电就不会对它造成损伤(实际上保护作用很有限)。(2 )如果人体所带静电压在1一ZK v范围,发生静电放电时人体感受不到,但是却能使电子器件受到损伤。所以静电放电损伤半导体器件是在人们不知不觉的过程中发生的.(3)半导体器件发生静电放 电损伤后,出现的失效现象比较轻微,分析起来也十分复杂,没有深人的分析是很难与其它的电损伤失效区分开来。(月)半导体器
3、件受到电损伤后,绝大多数只表现为电参数劣化,只给器件留下了隐患,降低 了可靠性。但这种器件在使用些时候发生失效时,就很难判断该器件在某时某地某种情况下曾遭受过静电放电损伤。(5 )目前,电子工业中的防静电损伤教育还没有得到普及,人们还没有认识到静电损伤的严重危害性。目前,国际上对静电放电(E SD)损 伤及防护间题非常重视。从八十年代初开始,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E SD方面的研究成果。半导体器件的E sD损伤,在我国的电子工业中也十分严重。现在已引起有关部门的重视,在防静电损伤方面也开展了不少研究工作,并已取得了不少科研成果二、静电
4、荷的产生静电现象是十分普遍的电现象。用胶木梳子梳头可能听到轻微的放电声,脱下毛衣或26化纤衣服时除可能听到放电声外,在黑暗的地方还可能看到静电放电的闪光、穿着塑料底鞋行走,在地毯上的人与地毯以外的 人或物接触时还能发生静电放电。在生产过程中,传递或分离固体绝缘材料、流动或冲刷中的绝缘液体等均会产生大量静电荷积累。静电是通过电子或离子的转移形成的,它是正电荷和负电荷在局部范围内失去平衡的结果。具有不同静电位的物体,由于直接接触或静电感应引起物体间静电荷的转移,这种静电荷通过器件引出腿(端子)放电所引起的损伤,称之为静电放电损伤。静电现象的特征是高电位及小电量,以下仅介绍几种对半导体器件危害极大的
5、静电:1、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、负电荷就会失去平衡,使物体变成带电体.例如:两种物质紧密接 触(间距小于2 5X10一厘米),由于不同原子得失电子的能力不同,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地程。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是极小的,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
6、是不可忽略的。摩擦起电还与摩擦材料面发生机械破碎有关。半导体器件在制造、存贮、运输及装配过程中以及仪器、设备、材料或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E (SD)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E SD损伤问题.2、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 电场的作用不,表面不同部位将感应出不同电荷或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
7、源。当外部电场取消后,电介质上的束缚电荷将逐渐消失,最后恢复到中性电介质。如果束缚电荷之一,因某种原因而消失。则电介质上剩余的束缚电荷将使它处于带电状态。3、固体静电固体物质问大面积摩擦;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。4、人体静电在电子工业中,人体是重要的静电来源,使人体带电的方式大致有三种:1 )人的行动和工作将使穿的衣服与其它物体、穿的鞋与地面发生摩擦,从而使衣服和鞋带上静电荷,通过传导或静 电感应,最终使人体呈带电状态。2 )人的行动和工作将 使工作服、帽子、手套等相互摩擦产生静电,通过传导或静 电感应,最终也使人体
8、呈带电状态.3 )脱衣服、袜子或帽子、手套等,在剥离时也会引入体带电。27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。实验证明人体静电电压可高达数千伏。表t列出了活动人体身上的典型电压。表1活动中的人、人体身上的典型静电压人人体体电压(伏) ) )活活动动相对湿度10%一20纬相对湿度65%一90纬纬在在地毯上走动动85,0001,500 0 0在在聚乙烯地板上走动动12,000250 0 0在在工作台上工作作6,000100 0 0拿拿起普通塑料袋袋2 0000600 0 0拾拾起乙烯袋袋20,00
9、01 200 0 0坐坐在人造 革椅上上18,0001500 0 0在在合成纤维地毯上行走走3,5 000150 0 0 0在在塑料工作台上滑动动18,0001,500 0 0塑塑料盒盒12,0001,500 0 0从从印制电路板上拉下下15,0005,000 0 0胶胶带带带用用氟里昂喷洒清洗洗洗电电路或 电路板板板对静 电来说,人体相当于良导体,因此,人体处在静电场中也会感应起电,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。.人体静电还与下列 因素有关:) l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 6 0%是脚底对地电容,钓环是人身其
10、他部分对地的电容。一个双脚站立着的人,人体 电容约为1 0P 0F.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 )操作速度越快,人体静电压也越高。3 )空气湿度越低,人体静 电压越高。4 )衣服、鞋、地面等物的表面电阻越高、静电电压越高三、静电放电(E SD)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(E SD)损伤而失效,对MS o电路尤其如此。28ESD引起半导体器件损伤,使器件立即失效的几率约 1 0 %(短路、开路、无功能、参数不 符合要求),而9 0写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
11、件抗过电应力的能力,在使用现场容易出现早期失效。因而静电损伤不仅不易发现,而且还会严重危害器件的加靠性.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,一适当地传递,老练设备不适当地连接等反而会提高E SD失效的百分比。由于E sD看不见,感觉不到,器件不知不觉就失效了,所以E s。损伤不易被发现,很容易被人们忽视。根据E sD引起器件失效的三种途径,建立了三种等效的E sD模型,其中人体等效模型应用最广。1、人体等效模型(H BM)H BM是根据带静电的操作者与器 件的管脚接触,通过器件对地放电使器件失效而建立的,因此又
12、叫人体带电模型,其等效电路如图1所示:E一高压直流电源(O一SKv )刀刀UT T TOR b一人体等效电阻(l.SKO士1%)C b一人体等效电容(10 0P F士1 0%)R s一充电限流电阻( l一IOM助DUT一被试器件K l一高压继电器(无跳动型继电器、湿汞继电器或等效的)人体带电模型的方法已得到 广泛的认可图1HM B模型和应用,但放电波形则应严格控制,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出的静电放电敏感度(E sD s)存在一个很宽的分布范围,因此很难得出正确结论。因为
13、:( ) l测试线路 中的寄生参数对高频(10OMHz)、高压K (v)响应有强烈影响。它容易起波形出现过冲和高频振荡。(2 )M0 s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,测试结果就会不准确。波形测试方法如下:被测器件用1.SKQ无感 电阻代替,用记忆示波器测试 电流波形,其上升时间t r应小于IOn s,特征延迟时间d t=15 0士20 ns。示波器、探头、放大器的频宽应大于3 5OMHz,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5秒。2、器件带电模型C (DM )半导体器件主要采用三
14、种封装型式(金属、陶瓷、塑料o )它们在装配、传递、试验、测试、运输及存贮过程中,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。就会使管壳带电.cDM模型就是基于已带电的器件通过管脚对地放电引起器件失效而建立的,模型如图2所示:币比肠,n | | ” 了|t净上下R2L2C2_、以付“f上下上切c l 一?f上下土一K|匕图2C DM模型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R i一L i一a一表尔。例如:当器件放在未经采取防静电措施 的容器中就可能带 电,如果人体去接触器件的引脚或将器件腿直接碰地,就会造成器件的静电放电损伤。必须指出的是,对子
15、同一器件,器件带 电模型的损伤闭值要比人体带电模型的损伤阂值要低得多,这是由于器件带电模型的放电电阻小,瞬时功率大(约 3 00倍)。3、电场感应模型F (M I)当器件处于静 电场环境中时,在器件内部将感应出电位差,当某一管脚与地相碰时就会引起器件E SD的失效,这就是电场感应模型(F IM)。一般情况,静电场感应出来的电位差不会使器件失效,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份的电场发生畸变,导致二氧化硅内场强增加,在这种情况下就有可能引起MO S器件的栅氧化物被击穿.例如,一个Mo s器件放入6000/cm静电场中,就可能引起栅穿失效四、电子元器件抗静 电能力的分类:1、
16、按抗静电能力的大小,电子元器件可分为静电敏感性器件和非敏感性器件。根据QJ169 3航天部标准,电子元器件中的静电放电敏感器件可分为两类:1)、I类器件一静电放电损伤闭值在100Ov以下的器件。例如:微波半导体器件、不带输入保护的Mos器件、带有Mos电序但无保护电阻的运算放大器、无输入保护网络的微处理器( cP u)、有金属化复盖N+保护环的微电路、某些大规模集成电路和精密稳压电路等。2 )、I类器件一静 电放电损伤闭值在1000一4000v范围的器件。例如:Mos电路、肖特基器件、低功耗肖特基T rL电路、vMo s功率器件、结型场效应器件、高输入阻抗的线性微电路、大规模集成电路、声表面波器件和精密电阻网络等.2、半导体器件中大多数属于微功耗器件,它们都有可能受到静电放电的损伤,只是敏感度不同而已。半导体器件的抗静电能力用静电放电敏感度(E SD S)表示。它实质上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、制造工艺和不同生产厂家等。不同器件的E SD s如表2所示:3 0表2不同器件的Es。敏感度(EsD S)器器件种类类ESDs范
