微电子产品可靠性

1、1二二 两种不同工作条件下的再结构现象两种不同工作条件下的再结构现象 1 1，高温少循环，高温少循环( (例如：合金、烧结、热压等例如：合金、烧结、热压等工艺过程工艺过程) )再结构再结构 再结构表面出现的小丘、晶须和空洞往再结构表面出现的小丘、晶须和空洞往往覆盖了整个晶粒或分布在晶间三相点处往覆盖了整个晶粒或分布在晶间三相点处; ; 小丘和空洞产生的原因小丘和空洞产生的原因 压缩和膨胀压缩和膨胀应力下，应力下，AlAl原子的扩散蠕变原子的扩散蠕变 ; ; 2 SiO SiO2 2上小晶粒上小晶粒(1m)Al(1m)Al膜高温少循环表面再结构的膜高温少循环表面再结构的SEMSEM照片照片 左图

2、为热处理前左图为热处理前, ,右图为热处理后右图为热处理后( (T=400T=400, 10 10次循环每次次循环每次1515分钟分钟) )32 2，低温多循环再结构，低温多循环再结构电极温度低、变化电极温度低、变化大，变化次数多。大，变化次数多。 特点：金属化表面粗糙不平，出现皱纹；特点：金属化表面粗糙不平，出现皱纹； 皱纹产生原因：压缩疲劳引起的塑性形变；皱纹产生原因：压缩疲劳引起的塑性形变； 后果：使后果：使AlAl膜的晶粒长大，变胖，长出晶膜的晶粒长大，变胖，长出晶瘤，常常是短间距的金属化器件极间瞬时短瘤，常常是短间距的金属化器件极间瞬时短路的主要原因之一。路的主要原因之一。 4 大晶

3、粒大晶粒(8)的的1mil宽宽Al膜在低温膜在低温 (T=70)36000次电脉冲作用下表面再结构的次电脉冲作用下表面再结构的SEM照片照片5三，防止表面再结构的措施三，防止表面再结构的措施 1, 1,提高蒸发时的衬底温度以增大晶粒直径，提高蒸发时的衬底温度以增大晶粒直径，可以减弱以至完全防止高温少循环再结构；可以减弱以至完全防止高温少循环再结构； 2,2,薄膜合金化，可以增加膜的降服强度，滞薄膜合金化，可以增加膜的降服强度，滞缓金属的流动；缓金属的流动； 3,3,铝膜上覆盖铝膜上覆盖 PECVD SiOPECVD SiO2 2，可大大减小铝与，可大大减小铝与SiOSiO2 2( (或或Si)

4、Si)之间膨胀系数之差和铝的线膨胀系之间膨胀系数之差和铝的线膨胀系数，这对防止两种再结构都很有效。数，这对防止两种再结构都很有效。6小结小结: :半导体器件金属电极系统的主要失效机理半导体器件金属电极系统的主要失效机理 蒸发自掩蔽效应造成氧化层台阶处金属膜的断路；蒸发自掩蔽效应造成氧化层台阶处金属膜的断路； 因电迁移造成金属电极系统表面出现小丘、空洞、因电迁移造成金属电极系统表面出现小丘、空洞、晶须造成开路或短路。晶须造成开路或短路。 金属与硅的共熔金属与硅的共熔, ,导致硅表面出现腐蚀坑导致硅表面出现腐蚀坑, ,使使ebeb结结 特性变软特性变软, ,甚至穿通；甚至穿通； 温度循环过程中温度

5、循环过程中, ,金属膜表面再结构造成表面粗金属膜表面再结构造成表面粗糙化糙化, ,出现小丘出现小丘, ,在变薄处加速了电迁移现象的发生；在变薄处加速了电迁移现象的发生； 高温下高温下, ,电极金属与电极金属与SiOSiO2 2相互作用相互作用, ,使金属膜变薄，使金属膜变薄，SiOSiO2 2受到侵蚀受到侵蚀, ,造成极间短路或开路；造成极间短路或开路； 潮湿气氛下潮湿气氛下, ,电极系统的电化学腐蚀现象造成极电极系统的电化学腐蚀现象造成极间开路；间开路；7静电效应静电效应3.3 3.3 静电效应静电效应3.3.1 3.3.1 静电的产生静电的产生 静电的产生主要有两种形式，即摩擦产生静电和静

6、电的产生主要有两种形式，即摩擦产生静电和感应产生静电。感应产生静电。静电产生的两种形式静电产生的两种形式8一，产生静电的过程一，产生静电的过程 1, 1, 摩擦产生静电摩擦产生静电v因两种物质摩擦或接触后又快速分离而产生静电的因两种物质摩擦或接触后又快速分离而产生静电的过程称为摩擦生电；过程称为摩擦生电；v两种材料表面单位体积所含可动电荷密度不等，或两种材料表面单位体积所含可动电荷密度不等，或者说两种不等电子化学势或费米能级的材料相接触，者说两种不等电子化学势或费米能级的材料相接触，则电子从化学势高的材料运动到低的材料，接触处则电子从化学势高的材料运动到低的材料，接触处便形成了电偶层，一般接触

7、电势差为便形成了电偶层，一般接触电势差为 0.01V0.01V0.1V0.1V。 当两种不同材料的物体接触后又迅速分开时，电当两种不同材料的物体接触后又迅速分开时，电子来不及跑回原材料，则电子化学势高的材料将荷子来不及跑回原材料，则电子化学势高的材料将荷正电，反之荷负电，这即静电产生的原因。正电，反之荷负电，这即静电产生的原因。92,2,若接触物体理想地分离，即无任何电子在分离瞬若接触物体理想地分离，即无任何电子在分离瞬间越过接触面而复合，则在分开过程中间越过接触面而复合，则在分开过程中 Q QCVCV常数常数Av 若电偶层厚度为若电偶层厚度为1010-8-8cmcm（1 1 ），接触电势为）

8、，接触电势为 0.01V0.01V时，则分离时，则分离1cm1cm，静电势可达，静电势可达10106 6V V；实际上静；实际上静电势远小于此值，因为两物体分开时，总有些电子电势远小于此值，因为两物体分开时，总有些电子要越过接触面而复合，所以残存的电荷量取决于分要越过接触面而复合，所以残存的电荷量取决于分开速度。开速度。10二二 摩擦生电的电势摩擦生电的电势1,1,两种物体摩擦时，接触点增加，接触面积大，接两种物体摩擦时，接触点增加，接触面积大，接触和分离几乎同时进行，分离速度快，残存的电荷触和分离几乎同时进行，分离速度快，残存的电荷量多，所以，产生的电势高。量多，所以，产生的电势高。2,2,

9、两种不同组合的材料，摩擦后产生静电势的高低两种不同组合的材料，摩擦后产生静电势的高低是不同的，各种材料，按其相互摩擦后产生的电势是不同的，各种材料，按其相互摩擦后产生的电势高低可以排成次序高低可以排成次序: : 摩擦生电主要发生在绝缘体之间，由于绝缘体不摩擦生电主要发生在绝缘体之间，由于绝缘体不能把所产生的电荷迅速分布到物体整个表面，或迅能把所产生的电荷迅速分布到物体整个表面，或迅速传给它所接触的物体，所以能产生相当高的静电速传给它所接触的物体，所以能产生相当高的静电势；势；11 常见材料磨擦生电顺序表常见材料磨擦生电顺序表v 排在前面的材料与排在后面的材料相互摩擦时，前排在前面的材料与排在后

10、面的材料相互摩擦时，前者带正电，后者带负电；者带正电，后者带负电；v同种材料与不同材料相互摩擦时，所带电荷的极性同种材料与不同材料相互摩擦时，所带电荷的极性可能不同，可能不同，如玻璃棒与棉相摩擦，玻棒带正电，棉带如玻璃棒与棉相摩擦，玻棒带正电，棉带负电；而棉和硅片相摩擦，则棉带正电，硅片带负电。负电；而棉和硅片相摩擦，则棉带正电，硅片带负电。122 2 感应产生静电感应产生静电 当一个导体靠近带电体时，会受到该带电体形成的当一个导体靠近带电体时，会受到该带电体形成的静电场的作用，在靠近带电体的导体表面感应出异种静电场的作用，在靠近带电体的导体表面感应出异种电荷，远离带电体的表面出现同种电荷。尽

11、管这时导电荷，远离带电体的表面出现同种电荷。尽管这时导体所带净电荷量仍为零，但出现了局部带电区域，这体所带净电荷量仍为零，但出现了局部带电区域，这一过程称为感应生电；一过程称为感应生电；v 显然，非导体不能通过感应产生静电。显然，非导体不能通过感应产生静电。v 静电的产生及其大小与环境湿度和空气中的离子浓静电的产生及其大小与环境湿度和空气中的离子浓度密切相关：度密切相关：在相对湿度高的场合静电势较低；在相在相对湿度高的场合静电势较低；在相对湿度低的场合静电势就高。空气纯净的场所内，由对湿度低的场合静电势就高。空气纯净的场所内，由于离子浓度低，所以静电更易产生。于离子浓度低，所以静电更易产生。1

12、3一，构成对半导体器件损伤的各种静电源一，构成对半导体器件损伤的各种静电源 对半导体电路产生影响的静电源主要有绝缘体、人对半导体电路产生影响的静电源主要有绝缘体、人造材料和人体，其中人体是最重要的静电源。造材料和人体，其中人体是最重要的静电源。 1 1 人体是最重要的静电源人体是最重要的静电源v 人体接触面广，活动范围大，很容易与带有静电人体接触面广，活动范围大，很容易与带有静电荷的物体接触或摩擦而带电；同时也有许多机会将人荷的物体接触或摩擦而带电；同时也有许多机会将人体自身所带的电荷转移到电路上或者通过电路放电；体自身所带的电荷转移到电路上或者通过电路放电；v 人体与地之间的电容较小，少量的

13、静电荷转移到人体与地之间的电容较小，少量的静电荷转移到人体上，可导致很高的静电势人体上，可导致很高的静电势( Q = CV )( Q = CV )；v 人体的电阻较低，处于静电场中容易感应起电；人体的电阻较低，处于静电场中容易感应起电；3.3.2 3.3.2 静电源静电源14在各种活动中人体的静电势在各种活动中人体的静电势v 人体静电与人体所接触的环境及活动方式有关人体静电与人体所接触的环境及活动方式有关15操作者手上的静电势操作者手上的静电势v 可见，人体静电与人的操作速度有关，操作速度可见，人体静电与人的操作速度有关，操作速度越快，人体静电势越高；越快，人体静电势越高；16质地不同工作服和

14、内衣摩擦时人体的静电势质地不同工作服和内衣摩擦时人体的静电势(KV)(KV)v 可见，人体静电与所着衣物和鞋帽的材料有关，可见，人体静电与所着衣物和鞋帽的材料有关，一般化纤和塑料制品较之棉制品更容易产生静电。一般化纤和塑料制品较之棉制品更容易产生静电。17 2 2，电子元器件操作环境的静电源，电子元器件操作环境的静电源 183 3，器件本身也是一个静电源，器件本身也是一个静电源 双列直插式陶瓷封装器件本身带的静电双列直插式陶瓷封装器件本身带的静电4 4，带静电尘埃的污染，带静电尘埃的污染193.3.3 3.3.3 静电放电（静电放电（ESDESD） (a) (a) 静电荷的产生静电荷的产生一，

15、静电放电过程用一，静电放电过程用RCRC回路模拟回路模拟图图a a，设想一电源对，设想一电源对100pf100pf电容充电到电容充电到1000V1000V，其所，其所含电量含电量Q QCV=10CV=10-7-7C,C,存储能量存储能量:E:ECVCV2 2505020 图图b b，断开电源后，由于介质漏电及向空气中放断开电源后，由于介质漏电及向空气中放电，将使静电荷逐渐减少到完全消失。电，将使静电荷逐渐减少到完全消失。 若若RaRa与与R Rg g并联后在并联后在10101313数量级，则放电时间数量级，则放电时间: : RC RC10103 3S S17min,17min,不易对器件造成静

16、电损伤。不易对器件造成静电损伤。 (b) (b)静电荷的存储和泄漏静电荷的存储和泄漏21 图图c c，若若C C通过通过100100电阻放电，放电时间常数电阻放电，放电时间常数 10ns10ns，则在，则在5 5倍的时间常数，即倍的时间常数，即50ns50ns内内99.3%99.3%的的电量要泄放掉，其峰值电流电量要泄放掉，其峰值电流I Ip p可达可达10 A,10 A,在电阻上在电阻上瞬时功率为瞬时功率为: :222 /( )t RCpp ti RRI e(c)(c)通过电阻通过电阻R R放电放电若若 R=100, IR=100, Ip p=10A, =10A, 则则 P Pavav= 1

17、000 w= 1000 w2522 /10021(1)510/10RCpt RCavppRIPRI edteRCRI在五倍时间常数内的平均功率为在五倍时间常数内的平均功率为:223.3.43.3.4静电损伤模型静电损伤模型一，静电损伤的失效机理一，静电损伤的失效机理 取决于放电瞬间器件取决于放电瞬间器件接地状况：接地状况：1,1,热效应：热效应：器件某一引出端对地短路，则在器件某一引出端对地短路，则在放电瞬放电瞬间产生电流脉冲，大电流产生的焦耳热导致器件局间产生电流脉冲，大电流产生的焦耳热导致器件局部金属化熔化或芯片出现热斑以致诱发二次击穿等。部金属化熔化或芯片出现热斑以致诱发二次击穿等。2,

18、2,电效应：电效应：器件与地不接触，没有直接对地的放电器件与地不接触，没有直接对地的放电通路通路, ,而是将存储电荷传到器件，放电瞬间产生过电而是将存储电荷传到器件，放电瞬间产生过电压压, ,导致介质击穿。导致介质击穿。23二，导致半导体器件静电损伤的几种静电源二，导致半导体器件静电损伤的几种静电源 1, 1,与带电人体或其他物体接触，将存储于人体或其与带电人体或其他物体接触，将存储于人体或其他物体的电荷传递给器件，或者通过器件到地放电。他物体的电荷传递给器件，或者通过器件到地放电。 2,2,器件本身作为电容器的一个极板而存储电荷，当器件本身作为电容器的一个极板而存储电荷，当某一电极与地接触时

19、，放电脉冲可以引起器件失效。某一电极与地接触时，放电脉冲可以引起器件失效。 3,3,器件处在某一静电场中，有时在器件内部（如跨器件处在某一静电场中，有时在器件内部（如跨越越SiOSiO2 2层）所感应的静电势差可以引起器件的击穿。层）所感应的静电势差可以引起器件的击穿。24三三, ,几种静电放电模型几种静电放电模型1,1,荷电人体的静电放电模型荷电人体的静电放电模型 带有静电势带有静电势V Vp p的人体可用集总元件电容的人体可用集总元件电容C Cp p, ,电阻电阻R R串联表示。于是人体带电量可表示为串联表示。于是人体带电量可表示为: : Q Qp p= C= Cp pV Vp p 式中，

20、式中，C Cp p取决于人体与地的接近程度，一般为取决于人体与地的接近程度，一般为50-50-250pf250pf；R R为人体与被放电器件间的接触电阻为人体与被放电器件间的接触电阻, ,为为10102 2- -10105 5，取决于接触压力和人体皮肤的湿度，取决于接触压力和人体皮肤的湿度; ;静电势静电势V Vp p一般为一般为10102 2-10-104 4V V，与人体相互摩擦生电的材料种类，与人体相互摩擦生电的材料种类及空气湿度有关。及空气湿度有关。25峰值电流：峰值电流：pDppDCVVIRRR时间常数：时间常数：()ppDCpRRRC放电电流：放电电流：/( )ptpI tI e

21、过电流的热效应模型过电流的热效应模型 带电人体的等效电路带电人体的等效电路 人体通过人体通过pnpn结放电等效电路结放电等效电路 若忽略若忽略pnpn结的电容效应，可得放电的结的电容效应，可得放电的 ：26 501( )5PaVPPP t dt55/2 /2001()5PPPPttDPDPPV I edtR I edt22510(1)(1)510510DPDPDPDPV IR IV IR Ieea Va VeffPpA,器件内功率密度器件内功率密度: : 式中式中,P,PaVaV为器件平均功耗为器件平均功耗;A;Aeffeff为器件放电时的有为器件放电时的有效放电面积。效放电面积。,在五倍放电

22、时间内器件的平均功耗在五倍放电时间内器件的平均功耗: :/2 /2( )PPttD PD PP tV I eR I e , ,器件所承受的瞬间功率器件所承受的瞬间功率: :27v一般，一般，A Aeffeff小于整个小于整个PNPN结面积，对于双极型结面积，对于双极型SiSi平面平面晶体管晶体管ESDESD电流往往是电流往往是ebeb结反向电流，这时结反向电流，这时, , A Aeffeff=L=LeffeffX Xjc jc 式中式中,L,Leffeff为发射区有效长度，为发射区有效长度，X Xjcjc为基区结深。这为基区结深。这时，时，ESDESD通路电阻通路电阻EDDBeffdRRLvE

23、SDESD电流在有效电流在有效A Aeffeff范围放电面积内必然产生焦耳热范围放电面积内必然产生焦耳热, ,引起结温升引起结温升, ,形成不稳定的热斑形成不稳定的热斑, ,甚至热奔。甚至热奔。 式中，式中，R RDBDB为外基区方块电阻，为外基区方块电阻，d dE E为发射区至基区为发射区至基区引线孔之间的距离。引线孔之间的距离。28v 器件在单脉冲功率冲击下失效的阈值功率密度器件在单脉冲功率冲击下失效的阈值功率密度WunschWunsch和和BellBell从一维线性热流理论出发，得到如从一维线性热流理论出发，得到如下半经验公式：下半经验公式：2930思路：思路：求Vp EDDBeffdR

24、RL先求RDpav = 480 t-1/2 t = 5p p = (Rp+RD+RC)Cp Pavpav Pav = pavAeff2510DPPPavV IR Ip IpPavpDppDCVVIRRRVpIp313233343536(2)(2)过电压的场击穿模型过电压的场击穿模型 I,I,器件不接地，则荷带静电的人体不是通过器件不接地，则荷带静电的人体不是通过器件对地放电产生过电流，而是人体将电荷器件对地放电产生过电流，而是人体将电荷传给器件，使其产生过电压，导致介质击穿传给器件，使其产生过电压，导致介质击穿或极间表面击穿，致使器件损伤。或极间表面击穿，致使器件损伤。 对于对于MOSMOS器

25、件及某些带有器件及某些带有MOSMOS电容内补偿的运电容内补偿的运算放大器，这种损伤尤为突出。算放大器，这种损伤尤为突出。37 ii, ii,最简单的保护网络为栅源衬底相连的场最简单的保护网络为栅源衬底相连的场效应晶体管。效应晶体管。 a.FET a.FET的输入保护示意图的输入保护示意图;b.;b.保护器件保护器件PD-PD-栅、源、衬底相栅、源、衬底相连的连的FETFET示意图；示意图；c.c.带有保护网络的带有保护网络的MOSFETMOSFET的的ESDESD的场模型等的场模型等效电路。效电路。38Iii,Iii,当输入信号电平低于其阈值电压，该保护网络当输入信号电平低于其阈值电压，该保

26、护网络视为开路，视为开路，MOSMOS器件正常工作，这时人体器件正常工作，这时人体ESDESD的场模的场模型等效电路简化为：型等效电路简化为： 人体对人体对MOSMOS器件放电的场模型等效电路器件放电的场模型等效电路39v采用拉普拉斯变换法，得到器件两端电压采用拉普拉斯变换法，得到器件两端电压(/2)(/2)2pZ tZ tDV aVeeZ（VD Vpr)(1)ptDV aVepiigspgsgspipC CCCC CC C C R（3.46)1ipaC R2/4ZpgsgspipiCCC C C R RpiipgspigsipgsigspipiC C RC C RCC RC C RC C C

27、 R R式中式中, ,MOS FETMOS FET的输入电阻的输入电阻R Ri i很大很大, ,可视为开路可视为开路, ,即即R Ri i 4041 图中，图中，C CD D为器件管壳对地电容，为器件管壳对地电容，V VD D和和R RD D分别为器件分别为器件的结压降和串联电阻，的结压降和串联电阻，R RC C为接触电阻，为接触电阻，V V为管壳所带为管壳所带的静电势，这时的静电势，这时 ()DDCDRRC时间常数时间常数: :DpDCVVIRR峰值电流峰值电流: :荷电器件荷电器件ESDESD模型模型/( )DtpI tI e放电电流放电电流: :2 2 荷电器件的静电放电模型荷电器件的静

28、电放电模型v双极型器件放电等效电路双极型器件放电等效电路: :4243443 3 场感应静电放电模型场感应静电放电模型 I, I,对于一个无任何外引线的对于一个无任何外引线的 MOSMOS电容，其置于一电容，其置于一个静电场中时，氧化层介质有感应电场个静电场中时，氧化层介质有感应电场, ,但由于但由于SiOSiO2 2或或SiSi的介电常数比空气大，其内电场强度势必比器的介电常数比空气大，其内电场强度势必比器件外部空气中的场强低件外部空气中的场强低, ,一般一般SiOSiO2 2不会发生击穿。不会发生击穿。 ii,ii,由于由于MOSMOS器件有栅电极和栅极的内外引线，器件有栅电极和栅极的内外

29、引线， 在静电场中相当于一根天线，其大大增强了氧化层在静电场中相当于一根天线，其大大增强了氧化层中的电场，这个增强了的电场就可能使栅氧化层击中的电场，这个增强了的电场就可能使栅氧化层击穿，使器件失效。穿，使器件失效。453.3.3 3.3.3 静电损伤的失效模式静电损伤的失效模式v 其一是突发性的完全失效其一是突发性的完全失效v 其二是潜在性失效其二是潜在性失效一一 突发性完全失效突发性完全失效 1,1,突发性完全失效是器件的一个或多个参数突然发突发性完全失效是器件的一个或多个参数突然发生了飞跃式的变化，完全失去预定功能作用的一种生了飞跃式的变化，完全失去预定功能作用的一种失效。失效。 2,2

30、,失效原因：失效原因：ESDESD引起的过电流产生的热效应引起的过电流产生的热效应, ,也可也可以是过电压产生的场效应。以是过电压产生的场效应。4647 ESD ESD引起过电流损伤的规律。引起过电流损伤的规律。 n n沟沟MOSMOS管管ESDESD损伤示意图损伤示意图,pn,pn结窗口边缘结窗口边缘Si-SiOSi-SiO2 2界面处或接触窗口边缘处易界面处或接触窗口边缘处易发生；发生；48II,II,对于肖特基势垒二极管和浅结的微波二极管静对于肖特基势垒二极管和浅结的微波二极管静电损伤都集中在势垒区边缘电损伤都集中在势垒区边缘SiSiSiOSiO2 2界面处界面处; ; TTLTTL晶体

31、管晶体管ESDESD后损伤部位示意图后损伤部位示意图49III,III,对于某些金属化覆盖的薄氧化层（对于某些金属化覆盖的薄氧化层（3000A)3000A)器器件，其突发性完全失效往往表现为过电压引起的薄件，其突发性完全失效往往表现为过电压引起的薄氧化层的击穿。损伤主要集中在栅漏交叠处栅氧氧化层的击穿。损伤主要集中在栅漏交叠处栅氧化层的边缘。化层的边缘。v 金属化与源、漏扩散区边缘重叠，电场集中金属化与源、漏扩散区边缘重叠，电场集中; ;该该处也是薄处也是薄厚氧化层（二次不同生长速率氧化）交厚氧化层（二次不同生长速率氧化）交接的台阶处，应力集中，击穿强度降低接的台阶处，应力集中，击穿强度降低,

32、 ,极易发生极易发生ESDESD损伤。损伤。 50IV,IV,对于铝栅器件，击穿后，对于铝栅器件，击穿后，AlAlSiOSiO2 2发生放热界发生放热界面反应，面反应，AlAl很快浸透很快浸透SiOSiO2 2，造成栅漏严重漏电，甚，造成栅漏严重漏电，甚至短路。至短路。 CMOS CMOS硅栅器件的二种硅栅器件的二种ESDESD失效模式失效模式v 对对n n沟器件出现严重漏电或短路沟器件出现严重漏电或短路; ;v 对对p p沟器件栅漏呈现二极管特性。沟器件栅漏呈现二极管特性。V,V,多晶硅栅器件，多晶硅栅器件，ESDESD损伤后也往往是栅漏交叠处损伤后也往往是栅漏交叠处氧化层边缘击穿。氧化层边

33、缘击穿。 51 二、潜在性失效二、潜在性失效 当带电体的静电势或其当带电体的静电势或其贮存的能量较低贮存的能量较低, ,或或ESDESD回回路有限流电阻存在，一次路有限流电阻存在，一次ESDESD后不足以引起器件突后不足以引起器件突发性的完全失效，但实验发性的完全失效，但实验发现静电损伤是有累积性发现静电损伤是有累积性的，它不仅影响成品率，的，它不仅影响成品率，也影响整机寿命。也影响整机寿命。950V重复的重复的ESD引起的器件蜕变引起的器件蜕变523.3.4 3.3.4 静电敏感性静电敏感性一、半导体器件对一、半导体器件对ESDESD的敏感性实质上就是器件抗的敏感性实质上就是器件抗过电应力（

34、过电应力（electrical overstress)electrical overstress)的能力，一的能力，一般用般用ESDESD损伤阈值电压表征。损伤阈值电压表征。 1 1、ESDESD损伤阈值电压定义：损伤阈值电压定义： 导致器件突发性完全失效的最低的静电放电的单导致器件突发性完全失效的最低的静电放电的单脉冲电压。脉冲电压。v 这种定义在理论上是严格的，但是不易测量这种定义在理论上是严格的，但是不易测量; ;v 不严格的定义为不严格的定义为“导致器件失效的导致器件失效的ESDESD电压电压”，根据这，根据这个定义，在实际测定中，再具体规定器件的失效判据，重个定义，在实际测定中，再具

35、体规定器件的失效判据，重复脉冲次数等，于是出现了多种不同的测定和实验方法。复脉冲次数等，于是出现了多种不同的测定和实验方法。532 2、综合多方面的研究结果得到、综合多方面的研究结果得到不同器件的不同器件的ESDESD敏感性范围敏感性范围54二、二、ESDESD敏感程度的分类敏感程度的分类 I I类类: :甚敏感的（甚敏感的（very sensitive)0-100V very sensitive)0-100V 无保护网络的无保护网络的MOSMOS器件、带有无保护电容器的运算器件、带有无保护电容器的运算放大器、结型场效应晶体管、薄膜电阻、无保护网络放大器、结型场效应晶体管、薄膜电阻、无保护网络

36、的微处理器及其他的微处理器及其他LSILSI等；等； IIII类：敏感的（类：敏感的（sensitive)1000-4000Vsensitive)1000-4000V 肖特基二极管、精密电阻网络、肖特基二极管、精密电阻网络、ECLECL电路、某些电路、某些TTLTTL电路、某些运算放大器以及对电路、某些运算放大器以及对100010004000V4000V无保护的无保护的LSILSI等；等； 55 III III类类: :中等敏感的（中等敏感的（moderately sensitive)moderately sensitive) 4000-15000V 4000-15000V 小功率斩波电阻器、

37、片状电阻器、额定值小于小功率斩波电阻器、片状电阻器、额定值小于5W5W的硅功率晶体管、所有其他的硅功率晶体管、所有其他LSILSI和压电晶体等。和压电晶体等。 v 这三类敏感程度分法无一统一标准，共同点是无这三类敏感程度分法无一统一标准，共同点是无任何保护的任何保护的MOSMOS器件对器件对ESDESD最为敏感，而加保护网络最为敏感，而加保护网络后便可由后便可由I I类降为类降为IIII类，即器件的静电敏感性可因保类，即器件的静电敏感性可因保护网络而钝化。护网络而钝化。56对对ESDESD敏感的元器件失效机理和失效模式敏感的元器件失效机理和失效模式57583.3.5 3.3.5 静电保护静电保

38、护 MOSMOS器件等效为一个电容器器件等效为一个电容器一、一、MOSMOS器件的栅保护器件的栅保护v 基本方法：基本方法： 在栅极外引线与栅极氧化膜之间加一输入保护网络；在栅极外引线与栅极氧化膜之间加一输入保护网络；v 设计要求：设计要求： 具备低的触发电压具备低的触发电压 保证基本的器件在被保护器保证基本的器件在被保护器件达到二次击穿前开启；件达到二次击穿前开启； 具有一定的钳位能力具有一定的钳位能力使压焊点的使压焊点的ESDESD电压低于电压低于被保护器件和保护器件的二被保护器件和保护器件的二次击穿电压；次击穿电压；592 2 保护网络种类保护网络种类（1 1）二极管保护）二极管保护v当

39、当V V0 0低于二极管的击穿电压时，低于二极管的击穿电压时，二极管反偏，对二极管反偏，对MOSMOS器件工作没影响；器件工作没影响；v当当V V0 0大于二极管的击穿电压时，二极管反向击穿，大于二极管的击穿电压时，二极管反向击穿，击穿后的动态电阻击穿后的动态电阻R RD D极小，呈理想的吸放回路；当极小，呈理想的吸放回路；当R RD D0 0时，时，V Vmosmos击穿电压击穿电压BVD,BVD,与输入电压与输入电压V V0 0无关；无关；实际上实际上R RD D总是存在的，这时，总是存在的，这时，0()DmosSDRVBDVVBDVRRV0BDV式中，式中，R Rs s为静电源内阻为静电

40、源内阻,BDV,BDV为二极管击穿电压为二极管击穿电压60 利用二极管的反向击穿特性，使来自静电源利用二极管的反向击穿特性，使来自静电源 的过电压（的过电压（V V0 0）箝位。）箝位。(a). (a). 等效电路等效电路 (b). (b). V Vmosmos与与V V0 0的关系的关系61（2 2） 扩散电阻保护法扩散电阻保护法 在输入端和栅氧化膜之间加一在输入端和栅氧化膜之间加一2-5K2-5K的扩散电阻，的扩散电阻，提供一分布网络提供一分布网络分布电阻二极管网络分布电阻二极管网络 图中图中r rs s为单位长度的串联电阻，为单位长度的串联电阻，r rd d为单位长度的为单位长度的动态电

41、阻动态电阻 扩散电阻保护扩散电阻保护(a) 等效电路；等效电路；(b) Vmos与与V0的关系的关系62 这时，加于这时，加于MOSMOS器件上的电压为：器件上的电压为：10()cosh(/)sdmossdrssdr rVBDVVBDVrrxRr rV0BDV式中式中 是分布电阻网络的输入阻抗，是分布电阻网络的输入阻抗，x xr r是电阻长度。是电阻长度。sdr r 由上分析可得：由上分析可得： V Vomaxomax= y(V= y(Vmosmaxmosmax- BDV- BDV）+ BDV+ BDVv 即能够保护的最大静电势和即能够保护的最大静电势和MOSMOS器件所能承受的最大栅压与器件

42、所能承受的最大栅压与保护器件击穿电压的差值近似成正比；保护器件击穿电压的差值近似成正比；v 比例常数比例常数y y与保护方法有关，一般采用扩散电阻保护时其值与保护方法有关，一般采用扩散电阻保护时其值最大，故保护方法最佳；最大，故保护方法最佳；v 扩散电阻法的缺点是不能用于某些高电容输入的扩散电阻法的缺点是不能用于某些高电容输入的MOSMOS器件中器件中去，其会影响器件的频率特性。去，其会影响器件的频率特性。63（3 3）场效应晶体管保护）场效应晶体管保护 输入保护网络采用输入保护网络采用MOSMOS晶体管本身晶体管本身 利用源利用源- -漏穿通电压保护。漏穿通电压保护。 40-50V40-50

43、V高阈值电压的高阈值电压的P P沟沟MOSMOS器器件，当静电压达到或超过此值时，件，当静电压达到或超过此值时，保护的保护的MOSMOS器件导通；器件导通； 栅栅- -源短路的源短路的MOSMOS器件保护方法，器件保护方法，利用漏极表面的击穿特性箝位静利用漏极表面的击穿特性箝位静电势和泄放电能；电势和泄放电能；64v上述三种保护方式中，以扩散电阻效果最上述三种保护方式中，以扩散电阻效果最好；因此，实际应用中往往是二极管或好；因此，实际应用中往往是二极管或MOSMOS晶体管与扩散电阻的结合；晶体管与扩散电阻的结合；v为对正、负极性的静电势均有防护作用，为对正、负极性的静电势均有防护作用，有时也采

44、用有时也采用“背背- -背背”的二极管或的二极管或“背背- -背背”扩散电阻扩散电阻。65二、双极型器件的静电防护二、双极型器件的静电防护 （1）分立器件一般不加保护网络，仅在设计时在满足电）分立器件一般不加保护网络，仅在设计时在满足电性能指标要求的前提下增大设计图形的尺寸。性能指标要求的前提下增大设计图形的尺寸。 （2）双极型电路设计原则与分立器件相同，在芯片内部）双极型电路设计原则与分立器件相同，在芯片内部也可加一些防电压浪涌的保护二极管。也可加一些防电压浪涌的保护二极管。 VESD与发射区面积的关系与发射区面积的关系 VESD与发射区周长的关系与发射区周长的关系66三、其他的防静电措施三

45、、其他的防静电措施 1.1.对各种可能产生静电的物体和人提供放电通路对各种可能产生静电的物体和人提供放电通路; ; 2. 2.去除可能产生静电的材料去除可能产生静电的材料; ; 3. 3.器件存贮时要保持一定的温度和湿度：器件存贮时要保持一定的温度和湿度：T:5-30T:5-30摄氏度，摄氏度，相对湿度：相对湿度：40-60%;40-60%; 4.MOS 4.MOS器件最好用金属铝箔将外引线短路，包装用金属盒或器件最好用金属铝箔将外引线短路，包装用金属盒或半导体塑料盒半导体塑料盒; ; 5. 5.从整机使用环境分析，消除可能引起从整机使用环境分析，消除可能引起ESDESD损伤的静电源损伤的静电

46、源; ; 6. 6.优化电路设计，合理选择器件类型优化电路设计，合理选择器件类型; ; 7. 7.合理选用器件工作状态合理选用器件工作状态; ; 8. 8.在不影响电路性能前提下在不影响电路性能前提下 ，可外接电阻或，可外接电阻或RCRC网络以提高网络以提高V VESDESD。67四四. 可靠性设计和工艺控制建议可靠性设计和工艺控制建议 1. 1.输入保护电路尽可能靠近压点，这样可避免输入保护电路尽可能靠近压点，这样可避免ESDESD产生电弧，产生电弧，有利于提高电路抗有利于提高电路抗ESDESD损伤能力；损伤能力； 2.2.输入保护电路中的金属布线宽度应足够大输入保护电路中的金属布线宽度应足

47、够大, ,间距不能太窄；间距不能太窄； 3.3.保护电路中的电阻应避免保护电路中的电阻应避免9090 拐弯，以减小拐弯处的局部电拐弯，以减小拐弯处的局部电场强度；场强度； 4.4.保护电路中保护电路中NMOSNMOS管和管和PMOSPMOS管作二极管使用时，应适当增大管作二极管使用时，应适当增大结面积；结面积； 5.5.工艺上，在氧化层和金属化层的生长过程中，需特别注意工艺上，在氧化层和金属化层的生长过程中，需特别注意对应力的控制和处理，以减少芯片中残余的应力；对应力的控制和处理，以减少芯片中残余的应力； 6.6.保证栅氧化层的生长质量，尽量降低钠离子沾污，以保证保证栅氧化层的生长质量，尽量降

48、低钠离子沾污，以保证栅氧化层的完整性，提高其击穿电压，达到抗静电效果；栅氧化层的完整性，提高其击穿电压，达到抗静电效果；683.4 3.4 辐射效应对材料和器件的影响辐射效应对材料和器件的影响 辐射主要来源有两类：辐射主要来源有两类：v 一类是核爆炸产生的快中子流，一类是核爆炸产生的快中子流，射线射线（光子）、（光子）、射线（高速电子）等；射线（高速电子）等；v 另一类是由宇宙空间辐射来的高能带电粒另一类是由宇宙空间辐射来的高能带电粒子子宇宙射线。宇宙射线。693.4.1 3.4.1 辐射效应辐射效应 定义：材料或器件在受到核辐射后，性能发生变定义：材料或器件在受到核辐射后，性能发生变化的现象

49、称为辐射效应。化的现象称为辐射效应。 辐射效应辐射效应 位移效应、电离效应和单粒子效应位移效应、电离效应和单粒子效应一、位移辐射效应一、位移辐射效应 1 1、定义：辐射粒子与晶体中的原子发生碰撞，使、定义：辐射粒子与晶体中的原子发生碰撞，使晶格中的原子位移变成间隙原子，而在原来位置上晶格中的原子位移变成间隙原子，而在原来位置上留下空位，从而形成空位留下空位，从而形成空位- -间隙原子对（间隙原子对（FrenkelFrenkel缺缺陷），这种现象称为位移辐射效应。陷），这种现象称为位移辐射效应。 2 2、辐射造成的位移损伤缺陷以中子辐射影响最大。、辐射造成的位移损伤缺陷以中子辐射影响最大。70v

50、中子因不带电，不受原子核电场的影响，穿透力中子因不带电，不受原子核电场的影响，穿透力很强；连同带电粒子和很强；连同带电粒子和射线与原子核之间发生的弹射线与原子核之间发生的弹性碰撞，把部分能量传递给原子，使之获得足够的性碰撞，把部分能量传递给原子，使之获得足够的能量离开原来的位置，产生位移效应。在此过程中，能量离开原来的位置，产生位移效应。在此过程中，中子本身亦受到散射，速度和方向都有改变，散射中子本身亦受到散射，速度和方向都有改变，散射后的中子和反冲原子在运动中，还可能级联式地和后的中子和反冲原子在运动中，还可能级联式地和邻近原子碰撞，引起一连串的位移，直到所有有关邻近原子碰撞，引起一连串的位

51、移，直到所有有关原子的能量小于位移阈值为止。这种位移通常可涉原子的能量小于位移阈值为止。这种位移通常可涉及到几十甚至几百个原子，造成复杂的缺陷群。中及到几十甚至几百个原子，造成复杂的缺陷群。中子能量越大，形成的缺陷和缺陷群的密度也越大。子能量越大，形成的缺陷和缺陷群的密度也越大。71 3、危害：破坏了材料的晶格结构及其周期势场，、危害：破坏了材料的晶格结构及其周期势场，在禁带中引入许多新的电子能级。其可以作为复合在禁带中引入许多新的电子能级。其可以作为复合中心、少子陷阱中心、少子陷阱(俘获中心俘获中心)或散射中心，从而对半或散射中心，从而对半导体材料产生很大影响：导体材料产生很大影响： （1

52、1）散射中心使载流子迁移率下降；）散射中心使载流子迁移率下降； （2 2）少子陷阱或复合中心的存在，使少子寿命下降；）少子陷阱或复合中心的存在，使少子寿命下降； （3 3）空位）空位间隙原子对在禁带中形成的电子能级可充当多间隙原子对在禁带中形成的电子能级可充当多 子的复合中心，使多子减少子的复合中心，使多子减少载流子去除效应；载流子去除效应； （4 4）造成半导体器件特性退化乃至失效。例如）造成半导体器件特性退化乃至失效。例如, ,使双极型晶使双极型晶体管电流放大系数下降；饱和压降上升以及截止频率下降等。体管电流放大系数下降；饱和压降上升以及截止频率下降等。72二、电离辐射效应二、电离辐射效应

53、 1 1 定义：当辐射粒子与晶体中的电子相互作定义：当辐射粒子与晶体中的电子相互作用时，把能量传给电子，使电子脱离原来运动用时，把能量传给电子，使电子脱离原来运动的轨道，成为自由电子，而原子则变为带正电的轨道，成为自由电子，而原子则变为带正电的离子，这一过程称为电离辐射效应。的离子，这一过程称为电离辐射效应。 2 2 电离辐射效应的实质是产生电子电离辐射效应的实质是产生电子空穴对，空穴对，有时甚至还产生二次电子和三次电子使材料的有时甚至还产生二次电子和三次电子使材料的电导率升高。电导率升高。733 3 影响硅器件性能的几个机理：影响硅器件性能的几个机理： （1 1）氧化层中被俘获正电荷的积累；

54、）氧化层中被俘获正电荷的积累； （2 2）Si-SiOSi-SiO2 2界面，表面态密度的增加；界面，表面态密度的增加； （3 3）随着电子）随着电子- -空穴对的产生，在反偏空穴对的产生，在反偏PNPN结附近结附近产生伴随的瞬时光电流产生伴随的瞬时光电流光电效应。光电效应。 v 光电效应是指光电效应是指能量小于能量小于0.1Mev0.1Mev的电磁辐射与原子的电磁辐射与原子作用时，将其全部能量转移给束缚电子，使其脱离作用时，将其全部能量转移给束缚电子，使其脱离轨道，成为自由电子的过程。包括将体内电子从价轨道，成为自由电子的过程。包括将体内电子从价带激发到导带的带激发到导带的内光电效应内光电效

55、应( (产生电子空穴对产生电子空穴对) )和和把电子激发到晶体外部的把电子激发到晶体外部的外光电效应外光电效应。744 4 主要影响主要影响（1 1）前二个机理导致）前二个机理导致MOSMOS器件产生永久性辐射器件产生永久性辐射效应效应开启电压、跨导等发生变化；开启电压、跨导等发生变化；（2 2）产生的光电流，除非它足够大，以至于）产生的光电流，除非它足够大，以至于烧断引线而造成永久性失效，否则，这种光电烧断引线而造成永久性失效，否则，这种光电流的影响将随着辐射的消失而自行消失，这种流的影响将随着辐射的消失而自行消失，这种效应称为暂时性辐射效应。效应称为暂时性辐射效应。75三三 单粒子效应单粒

56、子效应v 射线、高能中子束和宇宙射线中的高能射线、高能中子束和宇宙射线中的高能重粒子作用产生的结果重粒子作用产生的结果 单粒子效应单粒子效应v 使使DRAMDRAM的存储单元产生可以恢复的失效的存储单元产生可以恢复的失效（或误差）（或误差） 软误差软误差76四四 辐射强度的单位及相关参数辐射强度的单位及相关参数1 1 辐射吸收辐射吸收剂量剂量v 辐射吸收计量是指在辐射环境下，材料单位质量辐射吸收计量是指在辐射环境下，材料单位质量所吸收的能量，单位所吸收的能量，单位为为 Gy (Gy (戈瑞戈瑞) ) 国际单位制国际单位制(SI)(SI)：表达式为：表达式为 m m2 2s s-2 -2 与与S

57、ISI单位并用的另一单位：单位并用的另一单位：rad (rad (拉德拉德) )，其中，其中 1rad1rad吸收能量吸收能量100erg(100erg(尔格尔格)/g()/g(克克) ) 1Gy 1Gy100 rad100 radv材料不同材料不同吸收计量也不同，所以吸收计量需注明吸收计量也不同，所以吸收计量需注明是什么材料，是什么材料，例如例如Gy(Si)Gy(Si)或或rad(Si);rad(Si);772 2 中子辐射积分通量中子辐射积分通量 n n 它表明了材料及器件受到位移效应影响的大小它表明了材料及器件受到位移效应影响的大小, ,由由单位面积照射的中子数表示为中子单位面积照射的中

58、子数表示为中子/cm/cm2 2 ; ;3 3 剂量率剂量率 它表明了单位时间内材料或器件从高能辐射环境中它表明了单位时间内材料或器件从高能辐射环境中吸收的能量，其单位为吸收的能量，其单位为GyGyS S-1-1或或radradS S-1 -1 ; ;4 4 总剂量率总剂量率 它是材料或器件从高能辐射环境中吸收的能量它是材料或器件从高能辐射环境中吸收的能量, ,单单位为位为GyGy(Si)(Si)或或radrad(Si);(Si); 787980v 由表可见，各种半导体器件受核辐射损伤的效应由表可见，各种半导体器件受核辐射损伤的效应大致规律。大致规律。v 辐射强度辐射强度量量的概念：的概念：

59、一般晶体管的中子损伤容限约为一般晶体管的中子损伤容限约为10101313cmcm-2-2, ,相当于相当于百万吨百万吨TNTTNT当量级在当量级在100Km100Km高空核爆炸距爆心高空核爆炸距爆心30Km30Km处处的中子注量的中子注量; ; 2 2 而而 射线造成的损伤容限为射线造成的损伤容限为10104 4-10-105 5Gy,Gy,相当于相当于百万百万吨吨TNTTNT当量级在当量级在100Km100Km高空核爆炸距爆心高空核爆炸距爆心1Km1Km之内的破之内的破坏半径坏半径; ; 比较两者造成的后果比较两者造成的后果, ,核爆炸造成的永久损伤主要核爆炸造成的永久损伤主要考虑中子效应。

60、考虑中子效应。813.4.2 3.4.2 双极型半导体器件的辐射效应双极型半导体器件的辐射效应一、二极管的辐射效应一、二极管的辐射效应 1 1、电离辐射效应、电离辐射效应 （1 1）辐射均能在材料中引发电离效应，所产生的）辐射均能在材料中引发电离效应，所产生的电子电子- -空穴对在浓度梯度和电场的作用下，在器件和空穴对在浓度梯度和电场的作用下，在器件和电路中形成光电流。电路中形成光电流。 （2 2）由辐射感生的载流子数量）由辐射感生的载流子数量( (光电流大小光电流大小),),与与辐射类型无关辐射类型无关, ,仅取决于电离过程中的能量吸收率。仅取决于电离过程中的能量吸收率。v SiSi中辐射感