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、金属化条的最窄间距处、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(主要是高精度运放和a/d、d/a电路)五.esd损伤实例最容易受到静电放电损伤的集成电路有:ccd、eprom、微波集成电路、高精度运算放大器、带有mos电容的放大器、hc、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报告,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

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发布日期:2019年07月02日  所属分类:参考设计