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静电放电对半导体器件的危害与预防

一、静电的产生

静电的产生主要有两种，即摩擦产生的静电和感应产生的静电。

1、摩察

当两种具有不同的电化学势或费米能级的物质相接触时，高化学势

的物质的电子向低化学势的物质转移，当两物质又快速分离时，有部分

电子来不及返回而仃留在低化学势的物质中，使低化学势的物质带负电

状态。

两种绝缘物体的摩察就是快速接触和分离的过程，分离速度快、接

触面积大，在绝缘物体上所堆积的电荷越多，即静电势越高。

摩察产生静电势高低的因素:

物体材料的性质

摩察的面积

摩察的速度

摩察接触压力

表面洁净度

环境湿度

表1材料摩察带正负电顺序
顺顺顺顺
材料材料材料材料
序序序序

1
+空气+毛皮+蜡+聚丙烯
人手铅硬橡皮聚六乙烯
石棉丝镍、铜硅
↓玻璃↓铝↓黄铜、银↓氯四氟乙烯

头发棉金、铂

尼龙木材醋酸人造纤维
﹣﹣﹣﹣
羊毛琥珀聚乙烯

表2在不同湿度环境中活动人体的静电势(KV)
相对湿度
人体活动
10~20%65~90%
在地毯上走动351.5

在聚乙烯地板上走动120.25

在工作台上工作60.1

拿聚乙烯纤维包70.6

从工作台拿起聚乙烯衬垫201.2

在填有聚氯脂泡沫的椅子上离开181.5

2、感应

一个导体靠近带电物体时，由于带电物体形成的静电场的作用，在

导体表面感应出异种电荷。

静电的产生和高低与环境湿度和空气中的离子浓度有密切关系:

湿度高，物体表面有一层水膜的微导电作用，所感生的电荷能分布

物体的整个表面，所以静电势低。

湿度低，静电势高。

二、静电放电模型

1、人体带电荷放电模型（HBM）

2
人体日常活动中，都可能产生不同数值的静电势。其静电压从

100V~20KV。当带有静电势的人体接触到器件时，贮存在人体上的静电荷就

会通过人和物体的接触传到器件并通过器件注入地。这就是静电放电。

这种静电放电脉冲具有足够能量能使器件的性能变坏甚至烧坏PN结。

人体参数器件

CbRbRdRc

通常人体电容值为100~250pf，人体电阻值为1000~2000Ω。设某人人体

参数Cb=100pf，Rb=1500Ω，有静电2000V，则其身体贮能为:

2
E=1/2CbV
=1/2×10-12×20002j
=0.2mj(毫焦)

在放电过程中，这些能量约以十分之一微秒的时间通过人体和器件的电

阻释放，并耗散在人体和器件电阻上。在这样短的时间里，平均脉冲功率可

达几千瓦。

有实验表明，要在硅片上产生一个直径6微米的陷坑所需的汽化能量，

只需1微焦左右的能量。所以人体等效电路的贮能大大超过在芯片上产生缺

陷所需的能量，它可能造成芯片裂缝、氧化硅薄膜击穿或开裂、金属互连线

烧断等，即使低能量的放电不造成致命的失效，也会形成潜在性损伤。

3

4

2、带电荷器件放电模型(CDM)---干燥空气的流动，对器件的摩察

A)双极型器件

带电荷模型是假设器件因摩察或其它原因，电荷驻留在芯片的金属条及金

属框架或金属外壳。当放电时，电荷所通过路径的金属化条烧断、PN结和绝

缘层击穿。

RdLdCd

器件

RC

对于双极器件模型中，含有Cd、Ld、Rd和通路接电阻RC。对于一个具有

Cd=20Pf电容的器件，贮能可以达到100μj。若RC很小，Ld=10μH时，此

能量将以毫微秒的时间脉冲放电到地，脉冲的平均功率从数百瓦到几千瓦之

间，这足够使器件参数退化或烧硅片。

B)MOS器件

R1R2R3

L1L2L3

P1P2P3

C1C2C3

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MOS多通道带电模型，图中Ri、Li、Ci(i=1，2，3…..)分别是器件内部的

第i条支路上的电阻、电感、和电容的集总参数。Pi点的电位是时间的函数。

当某脚接地时，各支路按各自的时间常数发生放电过程，由于集总参数不同，

时间常数不同，放电过程不同。这就造成各支路间可能形成电位差，这一电

位差有可能造成相距很近的支路间介质击穿。

3、电场感应放电模型（FIM）

对于MOS和双极型器件，由于前者存在绝缘栅的结构，所以两者处在电

场中，所受到的影响不同。

一个MOS器件置于电场中，很薄的绝缘栅两端面间存在很强的电势差(厚

度与电场的乘积)，由于器件中金属化和管脚的存在，它像天线一样将使这一电

场发生畸变，使局部位置电场增强，导致栅介质的击穿。

一个双极型器件置入电场中，虽然不存在绝缘栅的结构，但当接触这器件

或管脚接地时，器件处在电场平衡状态被破坏，为了达到一种新的平衡，出现了

电荷的转移流动，这种流