谨防ESD陷阱(三)：ESD失效机理

     在前两期文章中，我们讲到了什么是ESD以及ESD的标准，这一期我们讲一讲ESD失效机制。

导致半导体器件和电路的失效的机理大概有三种：热失效、电失效和电磁干扰失效。

当静电放电产生的电流通过电子元件时，会产生大量的热量。如果热量不能及时散发出去，就会导致元件温度升高，超过其承受极限，从而造成热失效。

静电放电会产生高电压和大电流，这些电压和电流可能会超过电子元件的耐压和耐流能力，从而造成电失效。

静电放电不仅会产生电流和电压，还会产生电磁场。这些电磁场可能会对周围的电子设备产生干扰，从而造成电磁干扰失效。

ESD失效机制和工艺类型、半导体器件类型、ESD事件类型、ESD事件的极性  和接地参考源有关，下表给出了用于ESD网络或电路的体CMOS半导体器件的ESD  失效机制案例。

CMOS半导体器件中的ESD失效机制

SOI (silicon-on-insulator)工艺中的ESD失效机制与体CMOS工艺所观察到的有着明显不同。衬底区用掩埋氧化物(BOX)与半导体器件进行物理隔离。BOX区的存在极大地改变了失效模式和机制。下表给出了 SOI工艺中的ESD失效机制。

SOI工艺中的ESD失效机制

下表给出了双极性工艺的ESD失效机制。在双极性工艺和双极性互补MOS(BiCMOS)工艺中，二极管的发射极和基极是对结构特征最敏感的区域。低电位ESD失效通常发生在发射-基极结中，这是由热学二次击穿造成的。另外，双极集电极到射极，基极到集电极和基极到衬底失效会在高电位下发生。

硅、锗硅合金和锗硅碳合金的ESD失效机制

CMOS, BiCMOS, RF BiCMOS中使用的无源器件包括基极一集电极结电容二极管，超突变结电容二极管，金属-绝缘物-金属(MIM)电容和电感。无源器件出现ESD失效，取决于其在电路或芯片中的位置。无源器件可以作为ESD元件或电路网络元件。下表为无源器件的ESD失效机制的列表。

无源器件的ESD失效机制

下表列出了 p型GaAs的ESD失效机制。表中给出了GaAs MESFET的失效机制。GaAs失效机制发生在GaAs器件中的物理GaAs薄膜和互连材料（如AuNiGe薄膜）中。GaAs 异质结双极性晶体电（HBT）在射极-基极区域是敏感的，这与硅双极性晶体管类似。另外， ESD事件对于无源元件的损害很大。以下是部分GaAs失效机制的列表。

p型GaAs的ESD失效

ESD失效会发生在半导体芯片设计所必需的任何结构中。下表总结了这些失效机制。ESD失效可以发生在“无连接的焊盘”，浮置焊盘、感应焊盘、金属总线、可编程功率焊盘、 去耦电容和其他集成元件中。下表为半导体芯片中不同类型失效机制的列表。

半导体芯片架构中的ESD失效机制

ESD 失效机制是一个复杂的问题，涉及到静电物理学、电子学、材料科学等多个领域。了解 ESD 失效机制的类型有助于提前有效的预防，可以有效地减少 ESD 对电子设备的损害，提高电子设备的性能和可靠性。