浅谈半导体集成电路中的静电放电与防护

 浅谈半导体集成电路中的静电放电与防护

黄伊曌,张跃

西安微晶微电子有限公司  陕西省西安市  710000

摘要：随着电子技术的飞速发展，半导体器件、集成电路的应用也越来越广泛。静电放电ESD在电子元件生产、包装、运输及使用的整个过程中都可能会发生，严重的会造成集成电路失效。本文分析了静电和静电放电产生的机理，探讨其危害及如何进行有效的防护，为电子产品的生产和安全使用提供参考。

关键词：半导体器件；静电放电；损害；防护

前言：一切半导体器件都可能遭受静电的损害，尤其是CMOS集成电路及MOSFET对静电更为敏感。工业调查表明：大约有40%的集成电路失效与ESD有关。静电放电的能量虽然对传统的分立器件影响甚微，但是静电产生的静电场和静电流成为它们的致命杀手，使其功能失效或造成难以让人发现的“软击穿”， 形成潜在失效给电子产品留下隐患，造成产品硬件损坏或功能紊乱。随着超大规模集成电路工艺的高速发展，芯片尺寸持续缩小， ESD问题表现更加突出，已成为当今MOS集成电路中最重要的可靠性问题之一。

一、静电的成因

静电是一种处于静止状态的电荷，聚集停留于物体表面。任何两个不同材质的物体接触再分离，电荷难以中和，就会积累使物体带上静电。摩擦就是一个不断接触与分离的过程，所以各类物体都可能由于移动或摩擦而产生静电。即使是干燥气体甚至高纯水流过物体表面时，物体表面上都会带电荷，因此器件制造过程中加工工艺或器件所接触到的物体都可能产生静电。

二、静电的危害

静电的基本物理特性为：吸引或排斥，与大地有电位差，会产生放电电流。以上特性能使得电子元件在生产制造、封装、测试、组装及运输中会产生静电吸附和静电放电。

静电放电是具有不同静电电位的物体互相靠近或直接接触引起的电荷转移 (GB/T4365-1995)，一般用ESD表示。电荷流动，在高速电量的传送过程中，短时间内将产生潜在的破坏电压、电流以及电磁场。放电中电流脉冲增加的速度极快，同时释放大量的电磁辐射形成电磁干扰，从而造成器件失效。

因此，静电放电对半导体器件大致造成两类损伤。一种是ESD电流过大产生热量导致的热失效，使器件局部金属互连线熔化或芯片出现热斑从而引起二次击穿。如：PN结损伤和烧坏(包括接触孔)，铝条和多晶电阻的损伤熔断。一种是ESD感应出过高电压直接引起的介质层击穿或表面击穿，又称为电失效。如：栅氧化层击穿和电容击穿。两种损伤也可能在一个设备中同时发生，介质层击穿可能激发大的电流，又进一步导致热失效。

四、静电放电对半导体器件的危害

从静电损伤机理来说，对于结型器件多表现为热失效损伤。损伤部位多在PN结边缘的Si-SiO2 界面或接触孔边缘。ESD引起局部高温造成杂质微扩散，形成的杂质管道导致PN结严重漏电和电流增益显著下降。对于肖特基器件和浅结器件，静电损伤失效类似热效应二次击穿，多集中在结区边缘。

对于CMOS电路的静电失效，主要是介质击穿损伤。如输入端铝条与输入保护电阻周围N+保护环之间的介质击穿短路，输入对地保护二极管的P阱击穿等。对于采用MOS电容器作为内补偿的运算放大器，ESD感应的过电压引起电容器的薄氧化层被击穿。

静电放电引起的半导体器件损伤中，使器件严重损坏功能丧失的约占10%，如短路/开路/无功能/参数不符合要求。而90%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。但这种损伤减弱了器件抗过电应力的能力，在使用当中使产品变得不稳定，对产品可靠性构成更大的危害。也就是说90%的静电损伤无法检测到，只有到了用户手里使用时才会发现。比如手机使用中出现的经常死机、自动关机、话音质量差、杂音大、信号时好时差、按键出错等问题多与静电损伤相关。

五、静电放电的防护

静电放电造成的产品失效，属偶然事件，无法用加强筛选的方式剔除。本文重点讲从制造和使用过程中采取措施，以减少静电及其带来的损伤。

1、环境控制：

一般将工作间环境控制为恒温、相对湿度在40%或更高。在工作间铺设防静电地板，增加防静电工作台面，配备防静电周转器具（车、架、盘）等，同时配置接地装置、离子枪等。

空气的相对湿度受温度影响很大，湿度提高，电阻率下降，电荷的泄漏速度加快，不仅有助于防止静电产生，还有助于耗散静电荷。接地就是将静电通过一条线的连接放入大地，以实现静电泄露，这也是防静电措施中最直接最有效的。然而绝缘体带电后，电荷不能在物体表面移动，用接地方法是无效的，一般采用离子中和的方式消除静电。

2、人员控制：

工作人员需穿戴防静电工作服、鞋、袜、帽，手套或指套等，操作时佩戴防静电腕带将其接地，从而实现静电泄露，防止人体带电。

3、包装材料：

如静电敏感器件在包装、运输中，需要装入防静电包装盒，并使用防静电泡沫材、静电屏蔽袋等做保护。将屏蔽措施应用于静电防护处理中，目的就是降低或者消除所产生的电磁干扰。

4、人员管理

①宣导防静电知识严格现场管理

宣传静电防护制度及注意事项，普及静电放电失效知识。做好工作现场的“6S”管理，定期检查防护区内或附近是否存放非防静电物料，在防护区内是否将各种静电防护品定点放置等，避免对生产环境的污染干扰。

②做好静电防护系统状态监测工作

编制详细的静电测量文件，配备必要的静电测量工具，如表面电阻测量仪、静电测量仪等，由专人管理、鉴定、定期测量，对测量数据进行统计分析并作为后续改进的依据，定期检查如防静电腕带等防护品的有效性，完善现有的静电防护系统。

③重视产品静电失效原因的分析

大多数静电损伤不易被传统显微镜发现，通常需要扫描电镜进行分析确认，成本较高。但是通过分析产品静电失效原因、规律，建立静电失效案例数据库，可以为在产品设计、制造过程中改进静电防护手段与措施提供依据，也可以为分析质量事故提供参考，提高企业工作的效能。

结束语：静电会对电子设备产生极大的破坏性，静电防护工作已成为一项长期的系统工程。我们在充分认识到静电放电的危害性和静电防护的必要性后，采用合理的方法将静电带来的危害减小到最低限度，维护电子设备处于一个相对稳定的使用状态。

参考文献

[1]刘尚合,刘直承,魏光辉等.静电理论与防护[M]北京:兵器工业出版社，1999.

[2]刘尚合,武占成.静电放电及危害防护[M].北京:北京邮电大学出版社，2004.

[3]黄能斌.实用静电防护工艺[J];电子工艺技术;1991年03期