原创 　　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。

一，国外实例
1.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. 

2.一批“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。

二，国内实例
1.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。

2.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

3.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。
4.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。