第10章半導體器件的靜電損傷及防護

1、第1頁共14頁第十章半導體器件的靜電損傷及防護半導體器件在制造存儲運輸及裝配過程中，儀器設備材料及操作者都很容易因摩擦而產(chǎn)生幾千伏的靜電電壓。當器件與這些帶電體接觸時，帶電體就會通過器件引出腿放電，引起器件失效。靜電放電（ESD）損傷不僅對MOS器件很敏感，而且在雙極器件和混合集成電路中同樣存在ESD損傷問題。目前，國際上對EDS損傷及防護問題非常重視。從80年代初開始，由美國可靠性分析中心和羅姆航空發(fā)展中心聯(lián)合發(fā)起，每年召開一次國際性

2、的專題年會，交流ESD方面的研究成果。半導體器件的ESD損傷，在我國的電子工業(yè)中也十分嚴重。例如，對上海十多個器件廠和儀器廠進行調(diào)查結(jié)果表明，平均有410%的MOS器件因ESD損傷而失效，因ESD失效造成的儀器返修損失更為可觀?？梢姡瑢Π雽w器件的靜電損傷及防護進行研究具有很大的現(xiàn)實意義。1靜電的產(chǎn)生靜電現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)較早，但對它的研究卻是近幾十年來隨著一些新技術的發(fā)展才開始大量進行的，有些問題至今仍沒有完全解決，還有待進一步試驗和研究。靜電

3、是同性束縛電荷的積累，這些電荷不能很快同異性電荷重新結(jié)合。兩種物質(zhì)互相摩擦是產(chǎn)生靜電的主要方式，但不是唯一的方式。除摩擦以外，兩種物質(zhì)緊密接觸后再分離物質(zhì)受壓或破裂物質(zhì)發(fā)生電解以及物質(zhì)受到其它帶電體的感應等均可能產(chǎn)生靜電。一摩擦起電正常物體的正負電荷相互平衡（不帶電），當電荷發(fā)生轉(zhuǎn)移時物體上的正負電荷失去平衡，物體變成帶電體。例如，兩種物質(zhì)緊密接觸（間距小于25108cm），由于不同原子得失電子的能力不同以及不同原子的外層電子有不同能級

4、，它們之間會發(fā)生電子轉(zhuǎn)移；因此，接觸界面兩側(cè)會出現(xiàn)大小相等符號相反的兩層電荷，當它們分離時就會產(chǎn)生靜電。兩種物質(zhì)互相摩擦之所以產(chǎn)生靜電，就是通過摩擦實現(xiàn)了它們多次接觸分離的過程。但摩擦起電是一個比較復雜的過程，它還包括壓電效應和熱效應起電的過程。一般說壓電效應產(chǎn)生的電荷密度是及小的，不足以引起人們的注意，但是某些高分子材料（如有機玻璃聚乙烯聚苯乙烯等）的壓電效應是不可忽略的。摩擦起電還與摩擦材料表面發(fā)生機械破碎有關。二感應起電導體或電介

5、質(zhì)處在靜電場中均會感應起電。導體在靜電場的作用下，表面不同部位將感應出不同電荷或者使導體表面上原有的電荷發(fā)生重新分布，引起帶電。在電場中電介質(zhì)會發(fā)生極化，極化后的電介質(zhì)在電力線方向相對的兩面出現(xiàn)大小相等而極性相反的束縛電荷，并成為新的電場源。當外部電場取消后，電解質(zhì)上的束縛電荷將逐漸消失，最后恢復為中性電介質(zhì)。如果束縛電荷之一，因某中原因而消失，則電介質(zhì)上剩余的束縛電荷將使它處于帶電狀態(tài)。三固體靜電固體物質(zhì)間大面積摩擦；固體物質(zhì)在壓力下

6、接觸而后分離；固體物質(zhì)在擠壓時的摩擦；固體物質(zhì)的粉碎研磨和拋光過程等，均可能產(chǎn)生靜電。四人體帶電從毛衣外面脫下合成纖維衣服時，或經(jīng)頭部脫下毛衣時，在衣服之間或衣服與人體之間，均可能發(fā)生放電現(xiàn)象，它說明人體及衣服在一定條件下是會產(chǎn)生靜電的。因為人體活動范圍大，而人體靜電又容易被人們忽視，所以人體靜電放電往往是引起半導體器件靜電損傷的主要原因之一，它對半導體器件的危害最大。人在活動過程中，衣服鞋以及所隨帶的用具與其它材料摩擦或接觸—分離時，

7、即可產(chǎn)生靜電。例如，人穿化纖的衣服坐在人造革面的椅子上，如果人和椅子對地的絕緣都很好，第3頁共14頁Ri—Li—Ci表示。三電場感應模型（FIM）當器件處于靜電場環(huán)境中時，在器件內(nèi)部將感應出電位差，從而引起器件ESD失效，這就是電場感應模型（FIM）。一般情況，靜電場感應出來的電位差不致使器件失效，但由于器件管腳相當于接收天線，它引起與管腳相連導電部分的電場發(fā)生畸變，導致SiO2內(nèi)場強增加，有可能引起MOS器件的柵氧化物被擊穿。例如，一

8、個MOS器件放入6000Vcm的電場中，就可能引起柵擊穿失效。RsRbR1R2RNCbKL1L2LNC1C2CN圖101HBM模型圖102CDM模型3靜電放電敏感度一靜電放電敏感度半導體器件抗靜電能力用靜電放電敏感度（ESDS）表示，實質(zhì)上就是器件抗過電應力的能力。它取決于器件種類輸入端靜電保護電路的形式版圖設計制造工藝和生產(chǎn)廠家等。不同器件的ESDS如表102所示。表102不同器件的ESD敏感度（ESDS）器件種類ESDS范圍（V）M

9、OSFET100300JFET1407000CMOS2502000肖特基TTL3001500VMOS301800GaAsFET100300雙極型晶體管3807000ECL電路5001000SCR（可控硅）6801000二ESDS的測量方法（MILSTD883C，方法3015.2）采用人體模型對半導體器件的靜電放電敏感度（ESDS）進行測量，ESES的測試線路及放電波形要求如圖103所示。人體模型方法已得到廣泛的認可和應用，但放電波形應嚴

10、格控制，波形測量用記憶示波器加以記錄，對每種型號的器件均應拍攝照片，以備查用。大量測試及研究表明，如果放電波形沒有得到很好控制，不同測試設備對同樣的樣品測試出的ESDS存在一個很寬的分布范圍，因此不能得出正確結(jié)論。因為：（1）測試線路中的寄生參數(shù)對高頻（100MHz）高壓（Kv）響應有強烈影響，容易引起波形出現(xiàn)過沖和高頻振蕩。（2）MOS集成電路的輸入保護電路實現(xiàn)低阻狀態(tài)（擊穿）需要一個建立時間，如果波形中出現(xiàn)過陡的電壓上升，保護電路將