ESD引起集成电路损坏原理模式及实例

一.ESD引起集成电路损伤的三种途径(1)人体活动引起的摩擦起电是重要的静电来源，带静电的操作者与器件接触并通过器件放电。(2)器件与用绝缘材料制作的包装袋、传递盒和传送带等摩擦，使器件本身带静电，它与人体或地接触时发生的静电放电。(3)当器件处在很强的静电场中时，因静电感应在器件内部的芯片上将感应出很高的电位差，从而引起芯片内部薄氧化层的击穿。或者某一管脚与地相碰也会发生静电放电。根据上述三种ESD的损伤途径，建立了三种ESD损伤模型：人体带电模型、器件带电模型和场感应模型。其中人体模型是主要的。二.ESD损伤的失效模式(1)双极型数字电路a.输入端漏电流增加b.参数退化c.失去功能,其中对带有肖特基管的STTL和LSTTL电路更为敏感。(2)双极型线性电路a.输入失调电压增大b.输入失调电流增大c.MOS电容(补偿电容)漏电或短路d.失去功能(3)MOS集成电路a.输入端漏电流增大b.输出端漏电流增大c.静态功耗电流增大d.失去功能(4)双极型单稳电路和振荡器电路a.单稳电路的单稳时间发生变化b.振荡器的振荡频率发生变化c.R.C连接端对地出现反向漏电三.ESD对集成电路的损坏形式a.MOS电路输入端保护电路的二极管出现反向漏电流增大b.输入端MOS管发生栅穿c.MOS电路输入保护电路中的保护电阻或接触孔发生烧毁d.引起ROM电路或PAL电路中的熔断丝熔断e.集成电路内部的MOS电容器发生栅穿f.运算放大器输入端(对管)小电流放大系数减小g.集成电路内部的精密电阻的阻值发生漂移h.与外接端子相连的铝条被熔断i.引起多层布线间的介质击穿(例如：输入端铝条与n+、间的介质击穿)四.ESD损伤机理(1)电压型损伤a.栅氧化层击穿(MOS电路输入端、MOS电容)b.气体电弧放电引起的损坏(芯片上键合根部、金属化条的窄间距处、声表面波器件的梳状电极条间)c.输入端多晶硅电阻与铝金属化条间的介质击穿d.输入/输出端n+扩区与铝金属化条间的介质击穿。(2)电流型损伤a.PN结短路(MOS电路输入端保护二极管、线性电路输入端保护网络)b.铝条和多晶硅条在大电流作用下的损伤(主要在多晶硅条拐弯处和多晶硅条与铝的接触孔)c.多晶硅电阻和硅上薄膜电阻的阻值漂移(主要是高运放和A/D、D/A电路)五.ESD损伤实例容易受到静电放电损伤的集成电路有：CCD、EPROM、微波集成电路、高运算放大器、带有MOS电容的放大器、H

　　C、HCT、LSI、VLSI、精密稳压电路、A/D和D/A电路、普通MOS和CMOS、STTL、LSTTL等。

　　(1)国外实例a.Motorola公司生产的MOS大规模集成电路─微处理器(CPU)，在进行老练试验的11个星期中仔细进行了观察和记录。发现在试验开始阶段因为没有采用导电盒放置样品，拒收数与被试验元件总数相对比例约为40×10-n(n值为保密数字)。但从第四个星期开始，样品采用镀镍盒放置后，则降低15×10-n。此试验相继跟踪了7个多星期，平均的拒收比例为18×10-n。说明MOS大规模电路在使用过程中必须采取严格的防ESD措施。

　　b.某公司共进行了18700只MOS电路的老练，发现失效率很高，经分析和研究认为大部分失效是由ESD引起。于是该公司为此问题专门写了一份有改正措施的，并对全体有关人员进行了防静电放电损伤的技术培训，器件采用防ESD包装，加强了各项防ESD损伤的措施，后来又老练了18400只同种器件，拒收率降低到原来的1/3。

　　c.某一批“64位随机存贮器”，从封装到成品测试，其成品损失率为2％，该存贮器为肖特基-双极型大规模电路，经调查，操作过程中曾使用过塑料盒传递器件，由于静电放电损伤了输入端的肖特基二极管，使二极管反向特性变软或短路。

　　d.一批“双极模拟开关”集成电路，在装上印制电路板，经保形涂覆后，少数样品出现输入特性恶化。解剖分析后，发现输入端(基极)的铝金属化跨过n+保护环扩散层处发生短路或漏电，去除铝后，可发现n+环上的氧化层有很小的击穿孔。由于n+扩区上的氧化层较薄，并且光刻腐蚀的速度较快，因而容易发生ESD击穿，版图设计时，如果必须采用n+扩散层作埋层穿接线，其位置应慎重选择，避免输入端铝金属化跨过n+扩区，对于输入端铝条跨过n+扩区的双极电路，使用时应采取必要的防静电措施。

　　e.测试和传递中出现肖特基TTL电路(54S181、54S420)电性能异常，输入漏电增大。经解剖分析，在金相显微镜下观察芯片表面未发现任何电损伤痕迹，但在去除铝和SiO2后，在输入端的发射极接触孔内却发现了较轻的小坑，再用CP4溶液进行腐蚀后小坑变得更加明显。用“静电模拟器”进行模拟试验，出现的失效现象与它十分类似。可见这种失效是由ESD损伤引起，也可能是其它的轻度电损伤引起。

　　f.某仪表系统输入端使用的2N5179超高频晶体管多次发生失效，失效模式为放大系数降低，特别是在小电流下(例如Ic＝100μA)的放大系数下降到大约为1左右，同时eb结出现较大反向漏电。解剖后，在金相显微镜下观察芯片表面，在eb极之间的铝条上有一个很小的变色区，它是由瞬间的电过应力(电浪涌)引起的过合金区，这种失效一般由静电放电引起，对于输入端为超高频小功率管基极的电子系统，输入端应设计输入保护网络，如果系统特性不允许增加保护网络，则必须采取防静电放电操作措施。

　　g.带有MOS电容器作为内补偿的运算放大器，在使用中常有失效，失效现象是输出电压在稍低于正电源电压下发生闭锁。经解剖分析证实，失效由MOS电容器出现大漏电引起，漏电电阻约为400Ω。因为作补偿的MOS电容器的一端直接与电路的外引线相连(V+端)。利用扫描电镜(SEM)观察，发现MOS电容边缘明显有很小的击穿点，此特征表明失效由ESD损伤引起。

　　h.在系统装配完毕后的检查中，发现6只101A型双极运算放大器失效，失效模式是输入失调电压增大到40mV。用特性曲线图示仪测试管脚-管脚间特性，出现输入端特性异常。解剖后，利用金相显微镜观察芯片上的输入端，发现有飞弧状的电损伤痕迹，它是电瞬变引起的电过应力损伤，这种电瞬变可能是由ESD引起。经调查，在印制板的电装工艺线上，用静电电压表检测印制板上的静电电压，在开路区域上电压达800V以上，特别是在空气干燥的冬季或进行高温烘烤时，印制板上的静电电压更高。

　　(2)国内实例a.某厂生产的CMOS电路经筛选入库后，在抽查中每次都发现有较大数量失效(约占5％)，失效模式为输入漏电增大，经调查与分析，发现失效是由ESD损伤引起的。因为该厂生产的CMOS电路在测试前后都放置于普通塑料盆内，塑料上的静电荷传递给CMOS电路，在测试过程中，当器件接触人体或桌面上的接地金属时就会立即引起放电，导致ESD损伤而失效。

　　后来采取了一系列防ESD措施，并将普通塑料盒改用导电塑料盒，这一失效现象就立即消失了。b.在电子设备的调试过程中，发现双极集成电路中的单稳电路和振荡电路常出现失效，失效现象是单稳电路已调整好了的单稳时间常发生漂移；振荡器已调好的振荡频率也常发生漂移。经解剖分析，发现失效是由ESD损伤或电瞬变损伤引起。解剖后，用金相和扫描电镜检查芯片表面，在外接R.C的一端，管子eb结有很轻度的电损伤痕迹(有的样品还无明显损伤痕迹)。测试该端eb结反向特性已变坏，有较大反向漏电。由于它们是双极型集成电路，所以在调试过程中并未采取防ESD损伤措施。但这两种电路有一个共同特点，就是外接R、C的端子是晶体管的基极，并且该管的发射极又是直接接地的，无任何限流电阻。在机器调试时，要反复更换电容或电阻，将单稳宽度和振荡频率调整到满足机器所需值。调机时机器是接地的，当更换R、C元件时，烙铁和人体都要接触该集成电路外接R、C的端子，如果人体带静电就会通过电路对地放电，并且放电回路只有一个发射极二极管，因此它们对ESD比较敏感。此外，如果烙铁的接地不良或不当。例如，烙铁接的是交流地与机器不是同一地，两个地线之间的电位差引起的放电也会损坏电路。所以，双极电路中的单稳和振荡器也应采取防ESD损伤措施，并且要特别注意烙铁的接地状况。c.航天产品上应用的一种进口的“隔离放大器”，在测试和机器调试中常有失效，由于这种放大器是双极型二次集成电路，说明书上只有功能方块图，无具体线路图，所以使用者未采取任何防静电的措施。失效模式为输出端对地呈现低电阻或短路，经解剖分析，发现每只电路内部都有3只MOS电容器，其中有一只就是直接跨接在解调器的输出与地之间。因此，该输出端很怕静电放电。由于使用者并不了解这一特殊情况，所以未采取防静电措施，结果ESD损伤失效常有发生，经济损失很大。后来采取防静电措施后，输出对地短路的失效现象就消?d.某航天电子产品用肖特基TTL电路54LS10，在部件进行老练和测试后失效，失效模式为输入端漏电流增大。经分析表明，失效由ESD或电浪涌损伤引起。解剖分析后发现芯片表面无任何电损伤痕迹，也无任何工艺缺陷，经过各项试验证实，输入漏电不是氧化层内的钠离子沾污，也不是芯片表面的潮气和可动电荷沾污所引起。经现场调查，失效的输入端恰好是该部件的输入端子，在测试和老练过程中该端子常与人体或设备的机壳相碰，且操作现场并未采取防ESD措施，所以判断失效由ESD

　　损伤引起。此外，输入端碰上有漏电的机壳也会引起类似失效。e.某星上用进口的军用CCD(电荷耦合器件)，在使用过程中不知不觉就失效，这不仅造成了重大经济损失，而且严重地影响了工作进行。经调查与分析，判断失效由ESD损伤引起。因为该CCD是超大规模集成电路，又属于MOS型器件，它对ESD特别敏感。根据静电敏感度，完全属于静电放电敏感的器件之一，只要100伏的静电压，就可能损坏(与MOS单管相差不多，甚至还要敏感)。经现场调查，工作间地板电阻率为1013~1014Ω/cm，它已不属于防静电地板(防静电地板应为106~108)，工作人员采取了防ESD措施，仍然有静电荷积累。全面地采取了防静电措施，这一失效就得到了有效的控制。f.双极运算放大器LF253在入厂检收和二次筛选中均发现失效，失效比例大约5％。经解剖分析发现，补偿端的铝条上有一小区域内有“变色”现象，这种变色点是由瞬变电过应力引起的局部高温造成，它可能是ESD损伤引起的，因为LF253是双极型电路，使用者并未采取必要的防ESD损伤措施，所以ESD操作的可能性很大。利用“静电模拟器”进行模拟试验，发现补偿端与正电源之间的损伤电压仅有6KV而其他端可达5.0KV，可见，运算放大器也要采取必要的防静电措施。

　　g.彩电高频头内的MOS场效应管常有失效发生。经过解剖分析，发现芯片表面有很小的“丝状”击穿通路。这种失效是由ESD引起的，因为彩电荧光屏上有40～50KV的静电电压，如果不慎将这样高的静电压通过天线引入高频头，就很容易引起MOS管失效。h.某厂生产的高频晶体管3DG142在入厂检验和二次筛选中常有失效发生，失效模式是eb结漏电或短路。经解剖分析，发现eb结有轻微的烧毁痕迹。由于这种管子是双极器件，使用者未采取防静电措施。但这种高频晶体管是浅结器件，易受静电放电损伤。例如，当测试人员刚走进工作室在测试台前坐下来时，人体上的静电压可能是比较高的，此时去拿晶体管进行测试就很可能引起ESD损伤。由于eb结的面积很小，并且是浅结，所以损伤部位一般都是eb结(bc结不会损伤)。可见，对于高频，特别是超高频的小功率管，在使用过程中也应适当采取防静电损伤措施。

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