ESD失效分析

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。

电子元器件的失效分析随着人们对电子产品质量可靠性的要求不断增加，电子元器件的可靠性不断引起人们的关注，如何提高可靠性成为电子元器件制造的热点问题。

例如在卫星、飞机、舰船和计算机等所用电子元器件质量可靠性是卫星、飞机、舰船和计算机质量可靠性的基础。

这些都成为电子元器件可靠性又来和发展的动力，而电子元器件的实效分析成为其中很重要的部分。

一、失效分析的定义及意义可靠性工作的目的不仅是为了了解、评价电子元器件的可靠性水平，更重要的是要改进、提高电子元器件的可靠性。

所以，在从使用现场或可靠性试验中获得失效器件后，必须对它进行各种测试、分析，寻找、确定失效的原因，将分析结果反馈给设计、制造、管理等有关部门，采取针对性强的有效纠正措施，以改进、提高器件的可靠性。

这种测试分析，寻找失效原因或机理的过程，就是失效分析。

失效分析室对电子元器件失效机理、原因的诊断过程，是提高电子元器件可靠性的必由之路。

元器件由设计到生产到应用等各个环节，都有可能失效，从而失效分析贯穿于电子元器件的整个寿命周期。

因此，需要找出其失效产生原因，确定失效模式，并提出纠正措施，防止相同失效模式和失效机理在每个元器件上重复出现，提高元器件的可靠性。

归纳起来，失效分析的意义有以下5点：（1）通过失效分析得到改进设计、工艺或应用的理论和思想。

（2）通过了解引起失效的物理现象得到预测可靠性模型公式。

（3）为可靠性试验条件提供理论依据和实际分析手段。

（4）在处理工程遇到的元器件问题时，为是否要整批不用提供决策依据。

（5）通过实施失效分析的纠正措施可以提高成品率和可靠性，减小系统试验和运行工作时的故障，得到明显的经济效益。

二、失效的分类在实际使用中，可以根据需要对失效做适当的分类。

按失效模式，可以分为开路、短路、无功能、特性退化（劣化）、重测合格；按失效原因，可以分成误用失效、本质失效、早期失效、偶然失效、耗损失效、自然失效；按失效程度，可分为完全失效、部分（局部）失效；按失效时间特性程度及时间特性的组合，可以分成突然失效、渐变失效、间隙失效、稳定失效、突变失效、退化失效、可恢复性失效；按失效后果的严重性，可以分为致命失效、严重失效、轻度失效；按失效的关联性和独立性，可以分为关联失效、非关联失效、独立失效、从属失效；按失效的场合，可分为试验失效、现场失效（现场失效可以再分为调试失效、运行失效）；按失效的外部表现，可以分为明显失效、隐蔽失效。

1.3静电放电模型
静电放电是一个复杂多变的随机过程，同时静电放电有许多不同的放电形式，产生静电放电的静电源多种多样，而且同一静电源对不同的物体放电时产生的结果也不一样，会受气候、环境等条件的影响，不利于得到具有重复性的放电结果，难以有效地对ESD的效应和危害进行止确的评估。但是根据不同场合静电放电的主要特点可以建立相应的静电放电模型，模拟静电放电的主要特征。
基于ESD产生的原因及其对集成电路放电的不同方式，通常将静电放电事件分为以下几类模型：人体模型(HBM)、机器模型(MM)、带电器件模型(CDM)、传输线脉冲模型(TLPM)等。
(1)人体模型(Human Body Mode--HBM)
当带有静电的人体或其他物体与IC管脚接触，储存于人体之中的电荷将转移到IC上，使其带电，或通过IC对地放电，这种ESD用人体放电模型来描述。该放电过程会在几百ns时间内产生数安培的瞬间放电电流，将IC内的器件烧毁。
静电是一种电能，它存在于物体表面，是正负电荷在局部失衡时产生的一种现象。静电现象是指电荷在产生与消失过程中所表现出的现象的总称，如摩擦起电就是一种静电现象。静电产生原因放电危害
由于物体间的接触分离(如摩擦、剥离、撕裂和搬运中的碰撞等)或电场感应，都会因物体之间或物体内部带电粒子的扩散、转移或迁移而形成物体表面电荷的积聚，即呈现带电现象。这种现象的存在，有可能导致物体表面电荷对空气中带异性电荷的微粒子尘埃的吸引造成电子敏感元器件绝缘性能的降低、结构腐蚀或破坏。当外界条件适宜时，这种积聚电荷还会产生静电放电，使元器件局部破损或击穿，严重时，还会引起火灾、爆炸等。曾报道某厂在修理程控交换机上的半导体集成电路时因静电引起爆炸事故的文章[1]。应当指出，静电引起电子元器件局部结构破损和性能降低，是对元器件使用寿命的一种潜在威胁，因为它难于检验，故造成事故的随机性更大，并且易于与其他失效原因混淆而被掩盖。

由版图引起的CMO S ESD保护电路失效的分析陶剑磊,方培源,王家楫(复旦大学国家微分析中心,上海200433)摘要:ES D保护电路已经成为C MOS集成电路不可或缺的组成部分,在当前C MOS IC特征尺寸进入深亚微米时代后,如何避免由ES D应力导致的保护电路的击穿已经成为C MOS IC设计过程中一个棘手的问题。

光发射显微镜利用了IC芯片失效点所产生的显微红外发光现象可以对失效部位进行定位,结合版图分析以及微分析技术,如扫描电子显微镜SE M、聚焦离子束FI B等的应用可以揭示ES D保护电路的失效原因及其机理。

通过对两个击穿失效的C MOS功率ICES D保护电路实际案例的分析和研究,提出了改进ES D保护电路版图设计的途径。

关键词:C MOS IC;静电放电;失效分析中图分类号:T N306 文献标识码:A 文章编号:10032353X(2007)1121003204Study of Layout2I nduced F ailure in ESD Protection Circuit in CMOS ICT AO Jian2lei,FANG Pei2yuan,WANGJia2ji(National Micro2Analysis Center,Fudan Univer sity,Shanghai200433,China)Abstract:ES D(electrostatic discharge)protection circuit is an indispensable part in C MOS IC.It is a hard problem to av oid over2ES D2stress2induced breakdown in the protection circuit with the deep sub2micron characteristic dimensions of C MOS IC.Photon emission microscopy(PE M)is an efficient tool to localize the y out analysis and micro2analysis methods such as scanning electron microscopy(SE M)and focused ion beam(FI B)were used to find out the cause and the m ode of the failure in ES D protection circuit.T w o cases of breakdown in ES D protection circuit in C MOS power IC were studied,and s ome methods to im prove the lay out design of ES D protection circuit were proposed.K ey w ords:C MOS IC;ES D;failure analysis1　引言静电放电(ES D)是两个靠近的带电体之间电荷再次平衡的过程,当带静电的人或物体与MOS 器件的引脚接触,并通过器件向地或者其他物体放电时,高电压及其产生的大电流可能造成器件的损伤。