静电损伤对微电子器件可靠性的影响及预防措施

0引言电子技术的高速发展，集成电路的集成度越来越高，器件的尺寸相对变得越来越小，抵抗静电能力随之越来越弱。

但是器件在生产、组装、贮存及运输等过程中，可能带来的静电却越来越多。

静电放电无处不在，且其产生的高电压远远超出器件的耐压极限值，由此造成的器件可靠性问题越来越突出。

因此，研究静电损伤的作用机理及静电敏感器件的失效的原理具有十分重要的作用。

1静电1.1 静电的来源静电是一种处于静止状态的电荷。

在干燥和多风的秋天，在日常生活中，人们常常会碰到这种现象：晚上脱衣服睡觉时，黑暗中常听到噼啪的声响，而且伴有蓝光，见面握手时，手指刚一接触到对方，会突然感到指尖针刺般刺痛，令人大惊失色；早上起来梳头时，头发会经常“飘”起来，越理越乱，拉门把手、开水龙头时都会“触电”，时常发出“啪、啪、啪”的声响，这就是发生在人体的静电。

所谓静电，就是一种处于静止状态的电荷或者说不流动的电荷（流动的电荷就形成了电流）。

当电荷聚集在某个物体上或表面时就形成了静电，而电荷分为正电荷和负电荷两种，也就是说静电现象也分为两种即正静电和负静电。

当正电荷聚集在某个物体上时就形成了正静电，当负电荷聚集在某个物体上时就形成了负静电，但无论是正静电还是负静电，当带静电物体接触零电位物体（接地物体）或与其有电位差的物体时都会发生电荷转移，就是我们日常见到火花放电现象。

例如北方冬天天气干燥，人体容易带上静电，当接触他人或金属导电体时就会出现放电现象。

人会有触电的针刺感，夜间能看到火花，这是化纤衣物与人体摩擦人体带上正静电的原因。

通常物体上所带正负电荷相等而使物体呈电中性，因为某种原因使物体上电荷发生转移时，物体即变成带电体，所带电荷被绝缘体隔离起来不能与异性电荷相中和成为静电。

当带静电的物体与大地之间存在导电通路时，这些电荷会通过导电通路释放，会引起通路的高电阻处发生结构性损伤。

物质是由原子组成的，而原子是由原子核和核外电子组成。

电子所带的电荷是负电荷，而组成原子核的质子所带电荷是正电荷，组成原子核的中子不带电荷。

在正常状况下，一个原子的质子数与电子数相等，正负电荷平衡，所以对外表现出不带电荷的现象。

由于材料表面电荷的不平衡引起静电荷，这种电荷的不平衡产生了可以测量的电场，该电场能够影响到远处的物体，此时我们说物体具有静电。

静电放电是指在不同电势的两个物体之间静电电荷的转移。

静电的电荷量依赖于物体的大小、形状、成分、表面特征和空气湿度等。

静电产生的方法有很多。

最普通即两种物体相互摩擦而带电；导体或者电介质在静电场产生静电感应而带电，固体、流体及气体物质在相对运动、摩擦、挤压、研磨等过程中也可带电。

人在活动过程中，衣服、鞋子以及所带用具均可因摩擦或接触分离过程而产生静电。

如穿着塑料鞋在化纤地毯上行走时，人体静电电压可达近万伏。

摩擦生电是最常见的静电产生方式，当两种具有不同的电子化学势或费米能级的材料相互接触时，电子将从化学势高的材料向化学势低的材料转移。

当接触后又快速分离时，总有一部分转移出来的电子来不及返回到他们原来所在的材料，从而使化学势低的材料因电子过剩而带负电，化学势高的材料因电子不足而带正点。

实际上，只要两种不同的物体接触再分离就会有静电产生。

但由于摩擦产生的热能为电子转移提供了足够的能量，因此使静电产生作用大大增强。

当两种物体相互摩擦的时候，接触和分离几乎同时进行，是一个不断接触又分离的过程。

分离速度快、接触面积大，使得膜材所产生的静电荷比固定接触后再分离所产生的静电荷的数量要大得多。

摩擦生电主要发生在绝缘体之间，因为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速传给它接触的物体，所以能产生相当高的静电势。

感应生电也是静电产生的一种方式。

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仍为零，但出现了局部带电区域。

显然，非导体不能通过感应产生静电。

感应生电主要发生在导体材料中。

在静电场中，充电物体的电容会随着它与另一物体的相对位置而改变。

静电电压U是根据带电体所带电荷量Q与其对地电容C而确定的，如果电荷量Q不变，当电容减小时，电压将增加，直到产生电弧放电。

当一个具有高对地电容的低电压物体远离地面时，将会产生破坏性的高电压。

这就所谓电容生电，也是静电产生的主要来源之一。

1.2 静电的危害随着科学技术的飞速发展及微电子技术的广泛应用，静电放电的电磁场效应如电磁干扰及电磁兼容性问题，已经成为一个迫切需要解决的问题。

一些电阻率很高的高分子材料如塑料，橡胶等制品的广泛应用以及现在生产过程的高效率，带来了很多静电的隐患。

静电的危害很多，它的第一种危害来源于带电体的互相作用。

在飞机机体与空气、水气、灰尘等微粒摩擦时会使飞机带电，如果不采取措施，将会严重干扰飞机无线电设备的正常工作，使飞机变成聋子和瞎子；在印刷厂里，纸页之间的静电会使纸页粘合在一起，难以分开，给印刷带来麻烦；在制药厂里，由于静电吸引尘埃，会使药品达不到标准的纯度；在放电视时荧屏表面的静电容易吸附灰尘和油污，形成一层尘埃的薄膜，使图像的清晰程度和亮度降低；就在混纺衣服上常见而又不易拍掉的灰尘，也是静电捣的鬼。

静电的第二大危害，是有可能因静电火花点燃某些易燃物体而发生爆炸。

漆黑的夜晚，人们脱尼龙、毛料衣服时，会发出火花和“叭叭”的响声，这对人体基本无害。

但在手术台上，电火花会引起麻醉剂的爆炸，伤害医生和病人；在煤矿，则会引起瓦斯爆炸，会导致工人死伤，矿井报废。

总之，静电危害起因于用电力和静电火花，静电危害中最严重的静电放电引起可燃物的起火和爆炸。

人们常说，防患于未然，防止产生静电的措施一般都是降低流速和流量，改造起电强烈的工艺环节，采用起电较少的设备材料等。

最简单又最可靠的办法是用导线把设备接地，这样可以把电荷引人大地，避免静电积累。

细心的乘客大概会发现；在飞机的两侧翼尖及飞机的尾部都装有放电刷，飞机着陆时，为了防止乘客下飞时被电击，飞机起落架上大都使用特制的接地轮胎或接地线；以泄放掉飞机在空中所产生的静电荷。

我们还经常看到油罐车的尾部拖一条铁链，这就是车的接地线。

适当增加工作环境的湿度，让电荷随时放出，也可以有效地消除静电。

潮湿的天气里不容易做好静电试验，就是这个道理。

科研人员研究的抗静电剂，则能很好地消除绝缘体内部的静电。

然而，任何事物都有两面性。

对于静电这一隐蔽的捣蛋鬼。

只要摸透了它的脾气，扬长避短，也能让它为人类服务。

比如，静电印花、静电喷涂、静电植绒、静电除尘和港电分选技术等，已在工业生产和生活中得到广泛应用。

静电也开始在淡化海水，喷洒农药、人工降雨、低温冷冻等许多方面大显身手，甚至在宇宙飞船上也安装有静电加料器等静电装置。

静电的累积不可避免。

静电严重时会灼伤人的皮肤，各种电器电磁波和有害射线超量时会干扰人的内分泌系统。

随着人民生活水平的提高，以及环保防护意识的增强，防静电金属布的应用范围也日益扩大，防静电金属布的服装如职业装、工装、防护服日见普及，防静电金属布也因此异军突起，成为面料市场上的明星产品。

最新市场动态显示，许多发达国家的防静电布已经用于家纺用品领域，例如床上盖的、铺的、垫的都用上了防静电金属布。

2静电放电2.1 概念静电放电是指具有不同静电电位的物体互相靠近或直接接触引起的电荷转移，简称ESD。

ESD是一种常见的近场危害源，可形成高电压，强电场，瞬时大电流，并伴有强电磁辐射，形成静电放电电磁脉冲。

静电放电可引起元器件和电子设备失灵或使其损坏，当半导体器件单独放置或装入电路模块时，即使没有加电，也可能造成这些器件的永久性损坏。

ESD是影响集成电路可靠性的重要问题之一。

静电放电的能量，对传统的电子元器件的影响不大，但是对高密集程度的集成电路元器件则可能造成致命的危害，因静电电场和静电放电的电流引起失效，或者造成难以被人发现的“软击穿”现象，导致设备锁死、复位、数据丢失和不可靠而影响设备正常工作，使设备可靠性降低，甚至造成设备的损坏。

随着器件尺寸的减小，导致器件对抗外界电磁干扰的能力越来越弱，使静电放电对器件可靠性的危害变得越来越明显。

一方面，集成电路对静电放电的防护能力随着特征尺寸的减小而降低，使得CMOS器件对静电变得更加敏感，因ESD 而损伤的情形更加严重。

在同等静电保护措施下，先进的工艺容易使得ESD器件防护能力下降，就算把器件的尺寸加大，其ESD耐压值也不会被升高，同时由于器件尺寸增大导致芯片面积也增大，其对静电放电的承受能力却反而下降。

另一方面，静电放电破坏的产生多是由于人为因素所形成，但又很难避免。

电子器件或系统在制造、生产、组装、测试、存放、搬运等的过程中，静电会累积在人体、仪器、贮存设备等之中，甚至电子器件本身也会累积静电，而人们在不知情的情况下，使这个物体相互接触，因而形成放电路径，使得电子器件或系统遭到静电损伤。

2.2 静电失效模式静电放电对电子产品造成的破坏和损伤有突发性损伤和潜在性损伤两种。

1.突发性损伤它使器件的一个或多个参数突然劣化，完全失去规定功能，通常表现为开路、短路或电参数严重漂移。

器件被严重破坏，功能丧失，这种损伤通常能够在生产过程中的质检发现。

突发性损伤的主要表现：a)介质击穿b)金属互连线损伤或烧熔c)硅片局部区域熔化d)PN结损伤与热破坏短路e)扩散电阻与多晶电阻损伤f)ESD可触发CMOS集成电路内部寄生的可控硅的闩锁效应，导致器件因过大电流而烧毁2.潜在性损伤如带电体的静电势或存贮的能量较低，或ESD回路中有限流电阻存在，一次ESD不足以引起器件发生突然失效，但它会在器件内部造成一些损伤，这种损伤是积累性的，随着ESD次数的增加，器件的损伤阀值在降低，其性能在逐渐劣化，这类损伤叫潜在性失效。

它降低了器件抗静电能力。

因此器件不能进行抗静电筛选。

潜在性损伤与突发性损伤区别在于器件部分被损坏，功能尚未丧失，且在生产过程中很难检测出来，但在使用当中会使产品变得不稳定，时好时坏，因此对产品质量构成威胁。

潜在性损伤的主要表现：a)栅氧化层损伤b)栅氧化物愈合/短路c)保护回路损伤d)电荷陷阱e)PN结衰减在目前发生器件静电损伤中，潜在性损伤占据90%，突发性损伤只占10%。

也就是说绝大多数静电损伤是无法检测的，只有到了用户手里使用时才会发现。

正因为如此，静电放电被认为是电子产品质量的最大潜在威胁，静电防护也成为电子产品质量控制的一项重要内容。

2.3静电失效机理静电损伤的失效机理主要可分为：电流型损伤机理和电压型损伤机理。

1.电流型损伤机理a) PN结短路：ESD引起PN结短路是最常见的失效现象。

失效是由PN结二次击穿时产生的焦耳热导致局部温度超过铝硅共晶温度，引起合金钉穿透PN结而失效。