电子器件静电放电损伤的机理分析

静电放电造成电子器件损伤的失效机理包括热二次击穿、金属导电层熔融、介质击穿、气体电弧放电、表面击穿和体击穿。其中，热二次击穿、金属导电层熔融和体击穿主要决定于放电电流或功率，介质击穿、气体电弧放电和表面击穿主要决定于放电电压。

对于集成电路和半导体分离器件而言，上述各项失效机理都有可能出现。薄膜电阻器的静电放电失效主要表现于金属导电层熔融和气体电弧放电。压电晶体的静电放电失效机理主要表现为体击穿。除这些致命失效机理外，封装前的芯片上和大规模MOS集成电路内，由于封壳内盖板和衬底之间气体电弧放电所产生的附着于芯片上的正电荷，也会导致器件暂时失效，这也归因于气体电弧放电的失效机理。

1.热二次击穿

热二次击穿又称雪崩击穿。由于半导体材料的热时间常数通常比静电放电脉冲的持续时间长，故静电放电产生的热量几乎不会从功率耗散面积上向外扩散，因而在器件内可以形成大的温度梯度。局部结温可以接近材料的熔融温度，通常会导致热点扩大，然后由于熔融而短路。

在反偏压条件下，所加的大部分功率由结中心处吸收。在正向偏置条件下，在器件体内可消耗较大的功率，结的失效要求更大的功率。通常eb结比其他结的尺寸要小，所以对于大多数双极型晶体管，其eb结比cb结在更小的电流下就会退化。反向极性的静电放电脉冲电流，在电压超过击穿电压之前只有很小电流流过。在击穿时，因热点聚集和电流集中会导致结发热。在二次击穿点上，由于电阻率减小，电流迅速增加，形成熔融通道，使结毁坏。这种失效机理是一种与电流或功率相关的过程。

2.金属导电层熔化

当静电放电的瞬变过程使元器件的温度升高到足以熔化金属导电层或使键合引线烧熔时，会引起失效。通过理论计算可以得到使各种材料导致失效的电流，它和截面积及电流的持续时间有关。然而，理论上假定互连材料具有均匀的截面积，而事实上保持截面积均匀是困难的。由于截面积不均匀，在某些部分的电流密度增大，会在金属导电层上形成热点。在金属导电层跨越氧化层台阶处，其横截面积减小，就可能发生这一类失效。高频情况下，由于结的分流作用，产生此类失效需要的功率比在低频情况下使结破坏的功率大一个数量级。

3.介质击穿

加在绝缘区两端的电压超过介质固有的击穿电压时，就要发生介质击穿。这种失效主要是由于电压而不是由于功率造成的。根据脉冲能量的大小，可以导致元器件全面退化或有限的性能降低。例如，如果在穿通的过程中，脉冲能量不足以使击穿的电极材料熔化，则该元器件可以在电压击穿后恢复。然而，这种事故之后，通常会呈现出较低的击穿电压或增大的漏电流，但元器件却没有发生致命的失效。但是，这种类型失效能引起潜在缺陷，若继续使用则会导致元器件失效。绝缘层的击穿电压是脉冲上升时间的函数，这是因为绝缘材料的雪崩击穿需要时间。(www.xing528.com)

MOS晶体管或MOS电容器由ESD引起的主要损伤机理之一是栅氧化层击穿。当加在栅氧化层上的电压超过介质的耐压时，就会发生栅穿失效。一旦发生栅击穿，当存在足够大的静电能量时，击穿点就会出现短路。由于铝栅MOS器件的栅必须覆盖源极和漏极，即栅金属与源、漏极扩区边缘重叠，并且该处存在薄栅氧化层与厚栅氧化层交接的台阶。又由于两次不同的速率的氧化工艺造成台阶处存在应力集中，甚至存在微裂缝，因而导致该处介质击穿强度下降。所以台阶处最容易发生ESD击穿。

4.气体电弧放电

如果元器件中未被钝化的薄层电极之间间距很小，气体电弧放电能使元器件的电性能降低，也会引起金属气化并使金属离开电极。在熔融和熔断时，金属聚拢而流动或沿电极方向而断开。在间隙处存在细小的金属球，但尚不足以引起桥接。对没有钝化层覆盖的薄金属电极，短路不会成为一个主要问题。

厚度为0.4μm，间距为3.0μm的薄金属电极的声表面波带通滤波器，曾经发现存在因静电放电引起工作性能降低的情况。对于有钝化层、易出现反型界面的有源结的大规模集成电路来说，封装件内的气体电弧放电能使正电荷附着在芯片上，使表面出现反型，从而引起失效。采用非导电性盖板的器件，特别容易发生这种失效情况。但是，采用石英盖板的紫外线可擦除可编程只读存储器，由于紫外线可通过石英盖板中和气体电弧放电产生的积聚电荷，所以可使这种效应得到减弱。

5.表面击穿

对于垂直结，表面击穿被认为是表面处的结空间电荷区域变窄，引起局部雪崩倍增的过程。由于表面击穿与多种因素有关，如几何尺寸、掺杂程度、晶格不连续性或表面平整度等，因此，表面击穿期间消耗的功率通常是无法预计的。表面击穿的毁坏区域使结周围有大的漏电流通路，从而使结的作用消失。这种效应与介质击穿一样，属于电压敏感效应，与脉冲上升时间有关。在热效应没有发生而电压超过表面击穿电压阈值时，通常会发生表面击穿。表面失效的另一种模式是在绝缘材料周围发生电弧，它类似于金属导电层的气体电弧放电，只是它发生在金属和半导体之间。

6.体击穿

体击穿是在结区由于局部高温致使结的参数变化形成的。由于局部高温会使金属导电层熔化或杂质扩散，从而导致结参数发生很大变化，通常的结果是形成与结并联的电阻通路。这种效应通常发生在热二次击穿之后。