第10章半导体器件的静电损伤及防护

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1、第14页共14页第十章半导体器件的静电损伤及防护半导体器件在制造/存储/运输及装配过程中，仪器设备/材料及操作者都很容易因摩擦而产生几千伏的静电电压。当器件与这些带电体接触时，带电体就会通过器件引出腿放电，引起器件失效。静电放电（ESD）损伤不仅对MOS器件很敏感，而且在双极器件和混合集成电路中同样存在ESD损伤问题。目前，国际上对EDS损伤及防护问题非常重视。从80年代初开始，由美国可靠性分析中心和罗姆航空发展中心联合发起，每年召开一次国际性的专题年会，交流ESD方面的研究成果。半导体器件的ESD损伤，在我国的电子工业中也十分严重。例如，对上海十多

2、个器件厂和仪器厂进行调查结果表明，平均有4-10%的MOS器件因ESD损伤而失效，因ESD失效造成的仪器返修损失更为可观。可见，对半导体器件的静电损伤及防护进行研究具有很大的现实意义。1*静电的产生静电现象发现较早，但对它的研究却是近几十年来随着一些新技术的发展才开始大量进行的，有些问题至今仍没有完全解决，还有待进一步试验和研究。静电是同性束缚电荷的积累，这些电荷不能很快同异性电荷重新结合。两种物质互相摩擦是产生静电的主要方式，但不是唯一的方式。除摩擦以外，两种物质紧密接触后再分离/物质受压或破裂/物质发生电解以及物质受到其它带电体的感应等均可能产生

3、静电。一．摩擦起电正常物体的正负电荷相互平衡（不带电），当电荷发生转移时物体上的正负电荷失去平衡，物体变成带电体。例如，两种物质紧密接触（间距小于25*10-8cm），由于不同原子得失电子的能力不同以及不同原子的外层电子有不同能级，它们之间会发生电子转移；因此，接触界面两侧会出现大小相等/符号相反的两层电荷，当它们分离时就会产生静电。两种物质互相摩擦之所以产生静电，就是通过摩擦实现了它们多次接触分离的过程。但摩擦起电是一个比较复杂的过程，它还包括压电效应和热效应起电的过程。一般说压电效应产生的电荷密度是及小的，不足以引起人们的注意，但是某些高分子材料

4、（如有机玻璃/聚乙烯/聚苯乙烯等）的压电效应是不可忽略的。摩擦起电还与摩擦材料表面发生机械破碎有关。二．感应起电导体或电介质处在静电场中均会感应起电。导体在静电场的作用下，表面不同部位将感应出不同电荷或者使导体表面上原有的电荷发生重新分布，引起带电。在电场中电介质会发生极化，极化后的电介质在电力线方向相对的两面出现大小相等而极性相反的束缚电荷，并成为新的电场源。当外部电场取消后，电解质上的束缚电荷将逐渐消失，最后恢复为中性电介质。如果束缚电荷之一，因某中原因而消失，则电介质上剩余的束缚电荷将使它处于带电状态。三．固体静电固体物质间大面积摩擦；固体物质

5、在压力下接触而后分离；固体物质在挤压时的摩擦；固体物质的粉碎/研磨和抛光过程等，均可能产生静电。四．人体带电从毛衣外面脱下合成纤维衣服时，或经头部脱下毛衣时，在衣服之间或衣服与人体之间，均可能发生放电现象，它说明人体及衣服在一定条件下是会产生静电的。因为人体活动范围大，而人体静电又容易被人们忽视，所以人体静电放电往往是引起半导体器件静电损伤的主要原因之一，它对半导体器件的危害最大。人在活动过程中，衣服/鞋以及所随带的用具与其它材料摩擦或接触—分离时，即可产生静电。例如，人穿化纤的衣服坐在人造革面的椅子上，如果人和椅子对地的绝缘都很好，当人起立时，由于

6、衣服和椅面之间的摩擦和接触—第14页共14页分离，人体静电可高达一万付以上；又如，穿塑料底的鞋在高绝缘地面上迅速行走时，人体静电电压可高达数千伏。表10-1列出了人体身上的典型电压。表10-1活动人体身上的典型静电压人体活动电压（V）电压（V）相对湿度10%---20%相对湿度65%--90%在地毯上行走8500015000在聚乙烯地板上走动12000250在工作台上工作6000100拿乙烯包7000600拾起乙烯袋200001200坐在人造革椅上180001500对静电来说，人体相当于良导体，因此，人体处在静电场中会感应起电，甚至成为独立的带电体。

7、人体是导体，人体某一部位带电即将造成全身带电。人体静电电压与人体对地电容成反比，电容越小，电压越高。人体对地电容的60%是脚底对地电容。一个双脚站立着的人，人体电容约为100PF。因此单脚站立时人体电压远远大于双脚站立地面时的人体电压。2*静电放电（ESD）的损伤模型半导体器件的生产/封装/传递/试验/运输/整机调试及现场运行时，都可能因静电放电（ESD）损伤而失效，对MOS电路尤其如此。静电放电（ESD）是两个具有不同电位（由静电引起）物体之间的电流流动。随着高分子材料日益增多，所以半导体器件因静电放电引起的损伤日益严重，特别是大规模集成电路的发展

8、，器件尺寸进一步减小，对ESD也更加敏感。为了防止ESD引起的器件失效，器件输入端往往设计有保护网络，但它的