ESD引起集成電路損壞原理模式及實(shí)例

　　本文蔣介紹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)當器件處在很強的靜電場(chǎng)中時(shí)，因靜電感應在器件內部的芯片上將感應出很高的電位差，從而引起芯片內部薄氧化層的擊穿?；蛘吣骋还苣_與地相碰也會(huì )發(fā)生靜電放電。根據上述三種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)雙極型數字電路a.輸入端漏電流增加b.參數退化c.失去功能，其中對帶有肖特基管的STTL和LSTTL電路更為敏感。(2)雙極型線(xiàn)性電路a.輸入失調電壓增大b.輸入失調電流增大c.MOS電容(補償電容)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)雙極型單穩電路和振蕩器電路a.單穩電路的單穩時(shí)間發(fā)生變化b.振蕩器的振蕩頻率發(fā)生變化c.R.C連接端對地出現反向漏電。

　　三.ESD對集成電路的損壞形式a.MOS電路輸入端保護電路的二極管出現反向漏電流增大b.輸入端MOS管發(fā)生柵穿c.MOS電路輸入保護電路中的保護電阻或接觸孔發(fā)生燒毀d.引起ROM電路或PAL電路中的熔斷絲熔斷e.集成電路內部的MOS電容器發(fā)生柵穿f.運算放大器輸入端(對管)小電流放大系數減小g.集成電路內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(xiàn)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+擴區與鋁金屬化條間的介質(zhì)擊穿。(2)電流型損傷a.PN結短路(MOS電路輸入端保護二極管、線(xiàn)性電路輸入端保護網(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、高精度運算放大器、帶有MOS電容的放大器、H

　　C、HCT、LSI、VLSI、精密穩壓電路、A/D和D/A電路、普通MOS和CMOS、STTL、LSTTL等。

　　(1)國外實(shí)例a.Motorola公司生產(chǎn)的MOS大規模集成電路─微處理器(CPU)，在進(jìn)行老練試驗的11個(gè)星期中仔細進(jìn)行了觀(guān)察和記錄。發(fā)現在試驗開(kāi)始階段因為沒(méi)有采用導電盒放置樣品，拒收數與被試驗元件總數相對比例約為40×10-n(n值為保密數字)。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大規模電路在使用過(guò)程中必須采取嚴格的防ESD措施。

　　b.某公司共進(jìn)行了18700只MOS電路的老練，發(fā)現失效率很高，經(jīng)分析和研究認為大部分失效是由ESD引起。于是該公司為此問(wèn)題專(zhuān)門(mén)寫(xiě)了一份有改正措施的報告，并對全體有關(guān)人員進(jìn)行了防靜電放電損傷的技術(shù)培訓，器件采用防ESD包裝，加強了各項防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位隨機存貯器”，從封裝到成品測試，其成品損失率為2%，該存貯器為肖特基-雙極型大規模電路，經(jīng)調查，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，少數樣品出現輸入特性惡化。解剖分析后，發(fā)現輸入端(基極)的鋁金屬化跨過(guò)n+保護環(huán)擴散層處發(fā)生短路或漏電，去除鋁后，可發(fā)現n+環(huán)上的氧化層有很小的擊穿孔。由于n+擴區上的氧化層較薄，并且光刻腐蝕的速度較快，因而容易發(fā)生ESD擊穿，版圖設計時(shí)，如果必須采用n+擴散層作埋層穿接線(xiàn)，其位置應慎重選擇，避免輸入端鋁金屬化跨過(guò)n+擴區，對于輸入端鋁條跨過(guò)n+擴區的雙極電路，使用時(shí)應采取必要的防靜電措施。

　　e.測試和傳遞中出現肖特基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(guān)察芯片表面未發(fā)現任何電損傷痕跡，但在去除鋁和SiO2后，在輸入端的發(fā)射極接觸孔內卻發(fā)現了較輕的小坑，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，出現的失效現象與它十分類(lèi)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降低，特別是在小電流下(例如Ic=100μA)的放大系數下降到大約為1左右，同時(shí)eb結出現較大反向漏電。解剖后，在金相顯微鏡下觀(guān)察芯片表面，在eb極之間的鋁條上有一個(gè)很小的變色區，它是由瞬間的電過(guò)應力(電浪涌)引起的過(guò)合金區，這種失效一般由靜電放電引起，對于輸入端為超高頻小功率管基極的電子系統，輸入端應設計輸入保護網(wǎng)絡(luò )，如果系統特性不允許增加保護網(wǎng)絡(luò )，則必須采取防靜電放電操作措施。

　　g.帶有MOS電容器作為內補償的運算放大器，在使用中常有失效，失效現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電容器出現大漏電引起，漏電電阻約為400Ω。因為作補償的MOS電容器的一端直接與電路的外引線(xiàn)相連(V+端)。利用掃描電鏡(SEM)觀(guān)察，發(fā)現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.在一次系統裝配完畢后的檢查中，發(fā)現6只101A型雙極運算放大器失效，失效模式是輸入失調電壓增大到40mV。用特性曲線(xiàn)圖示儀測試管腳-管腳間特性，出現輸入端特性異常。解剖后，利用金相顯微鏡觀(guān)察芯片上的輸入端，發(fā)現有飛弧狀的電損傷痕跡，它是電瞬變引起的電過(guò)應力損傷，這種電瞬變可能是由ESD引起。經(jīng)調查，在印制板的電裝工藝線(xiàn)上，用靜電電壓表檢測印制板上的靜電電壓，在開(kāi)路區域上電壓達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。

　　(2)國內實(shí)例a.某廠(chǎng)生產(chǎn)的CMOS電路經(jīng)篩選入庫后，在抽查中每次都發(fā)現有較大數量失效(約占5%)，失效模式為輸入漏電增大，經(jīng)調查與分析，發(fā)現失效是由ESD損傷引起的。因為該廠(chǎng)生產(chǎn)的CMOS電路在測試前后都放置于普通塑料盆內，塑料上的靜電荷傳遞給CMOS電路，在測試過(guò)程中，當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，導致ESD損傷而失效。

　　后來(lái)采取了一系列防ESD措施，并將普通塑料盒改用導電塑料盒，這一失效現象就立即消失了。b.在電子設備的調試過(guò)程中，發(fā)現雙極集成電路中的單穩電路和振蕩電路常出現失效，失效現象是單穩電路已調整好了的單穩時(shí)間常發(fā)生漂移;振蕩器已調好的振蕩頻率也常發(fā)生漂移。經(jīng)解剖分析，發(fā)現失效是由ESD損傷或電瞬變損傷引起。解剖后，用金相和掃描電鏡檢查芯片表面，在外接R.C的一端，管子eb結有很輕度的電損傷痕跡(有的樣品還無(wú)明顯損傷痕跡)。測試該端eb結反向特性已變壞，有較大反向漏電。由于它們是雙極型集成電路，所以在調試過(guò)程中并未采取防ESD損傷措施。但這兩種電路有一個(gè)共同特點(diǎn)，就是外接R、C的端子是晶體管的基極，并且該管的發(fā)射極又是直接接地的，無(wú)任何限流電阻。在機器調試時(shí)，要反復更換電容或電阻，將單穩寬度和振蕩頻率調整到滿(mǎn)足機器所需值。調機時(shí)機器是接地的，當更換R、C元件時(shí)，烙鐵和人體都要接觸該集成電路外接R、C的端子，如果人體帶靜電就會(huì )通過(guò)電路對地放電，并且放電回路只有一個(gè)發(fā)射極二極管，因此它們對ESD比較敏感。此外，如果烙鐵的接地不良或不當。例如，烙鐵接的是交流地與機器不是同一地，兩個(gè)地線(xiàn)之間的電位差引起的放電也會(huì )損壞電路。所以，雙極電路中的單穩和振蕩器也應采取防ESD損傷措施，并且要特別注意烙鐵的接地狀況。c.航天產(chǎn)品上應用的一種進(jìn)口的“隔離放大器”，在測試和機器調試中常有失效，由于這種放大器是雙極型二次集成電路，說(shuō)明書(shū)上只有功能方塊圖，無(wú)具體線(xiàn)路圖，所以使用者未采取任何防靜電的措施。失效模式為輸出端對地呈現低電阻或短路，經(jīng)解剖分析，發(fā)現每只電路內部都有3只MOS電容器，其中有一只就是直接跨接在解調器的輸出與地之間。因此，該輸出端很怕靜電放電。由于使用者并不了解這一特殊情況，所以未采取防靜電措施，結果ESD損傷失效常有發(fā)生，經(jīng)濟損失很大。后來(lái)采取防靜電措施后，輸出對地短路的失效現象就消?d.某航天電子產(chǎn)品用肖特基TTL電路54LS10，在部件進(jìn)行老練和測試后失效，失效模式為輸入端漏電流增大。經(jīng)分析表明，失效由ESD或電浪涌損傷引起。解剖分析后發(fā)現芯片表面無(wú)任何電損傷痕跡，也無(wú)任何工藝缺陷，經(jīng)過(guò)各項試驗證實(shí)，輸入漏電不是氧化層內的鈉離子沾污，也不是芯片表面的潮氣和可動(dòng)電荷沾污所引起。經(jīng)現場(chǎng)調查，失效的輸入端恰好是該部件的輸入端子，在測試和老練過(guò)程中該端子常與人體或設備的機殼相碰，且操作現場(chǎng)并未采取防ESD措施，所以判斷失效由ESD

　　損傷引起。此外，輸入端碰上有漏電的機殼也會(huì )引起類(lèi)似失效。e.某星上用進(jìn)口的軍用CCD(電荷耦合器件)，在使用過(guò)程中不知不覺(jué)就失效，這不僅造成了重大經(jīng)濟損失，而且嚴重地影響了工作進(jìn)行。經(jīng)調查與分析，判斷失效由ESD損傷引起。因為該CCD是超大規模集成電路，又屬于MOS型器件，它對ESD特別敏感。根據靜電敏感度，完全屬于靜電放電最敏感的器件之一，只要100伏的靜電壓，就可能損壞(與MOS單管相差不多，甚至還要敏感)。經(jīng)現場(chǎng)調查，工作間地板電阻率為1013~1014Ω/cm，它已不屬于防靜電地板(防靜電地板應為106~108)，工作人員采取了防ESD措施，仍然有靜電荷積累。全面地采取了防靜電措施，這一失效就得到了有效的控制。f.雙極運算放大器LF253在入廠(chǎng)檢收和二次篩選中均發(fā)現失效，失效比例大約5%。經(jīng)解剖分析發(fā)現，補償端的鋁條上有一小區域內有“變色”現象，這種變色點(diǎn)是由瞬變電過(guò)應力引起的局部高溫造成，它可能是ESD損傷引起的，因為L(cháng)F253是雙極型電路，使用者并未采取必要的防ESD損傷措施，所以ESD操作的可能性很大。利用“靜電模擬器”進(jìn)行模擬試驗，發(fā)現補償端與正電源之間的損傷電壓僅有6KV而其他端可達5.0KV，可見(jiàn)，運算放大器也要采取必要的防靜電措施。

　　g.彩電高頻頭內的MOS場(chǎng)效應管常有失效發(fā)生。經(jīng)過(guò)解剖分析，發(fā)現芯片表面有很小的“絲狀”擊穿通路。這種失效是由ESD引起的，因為彩電熒光屏上有40～50KV的靜電電壓，如果不慎將這樣高的靜電壓通過(guò)天線(xiàn)引入高頻頭，就很容易引起MOS管失效。h.某廠(chǎng)生產(chǎn)的高頻晶體管3DG142在入廠(chǎng)檢驗和二次篩選中常有失效發(fā)生，失效模式是eb結漏電或短路。經(jīng)解剖分析，發(fā)現eb結有輕微的燒毀痕跡。由于這種管子是雙極器件，使用者未采取防靜電措施。但這種高頻晶體管是淺結器件，易受靜電放電損傷。例如，當測試人員剛走進(jìn)工作室在測試臺前坐下來(lái)時(shí)，人體上的靜電壓可能是比較高的，此時(shí)去拿晶體管進(jìn)行測試就很可能引起ESD損傷。由于eb結的面積很小，并且是淺結，所以損傷部位一般都是eb結(bc結不會(huì )損傷)?？梢?jiàn)，對于高頻，特別是超高頻的小功率管，在使用過(guò)程中也應適當采取防靜電損傷措施。