ESD失效分析FA及案例介绍

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2008-9-23,信息产业部软件与集成电路促进中心,ZJU-UCF,联合,ESD,实验室,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,ESD失效分析FA及案例介绍,(1),一般的失效机理,ESD的失效是一个综合问题：器件构造工艺测试方法ESD形式工作环境。有关。,ESD的HBM模式的失效是一个很复杂的问题，目前只有是失效模型，没有器件模型，而是失效模型仿真的结果也只能参考，而对于MM和CDM的ESD在测试上还有很大争议。,不同于电路设计：“well-defined iron-rules like the Kirchoff Laws。,即使有大量的论文介绍也是：“Every paper seems to report a different result that might only be valid for that device in that process technology,tested in that ESD model and done by using that piece of equipment.,(1),一般的失效机理,失效包括：,硬失效：如短路、开路、显著漏电流、I-V曲线显著漂移，可以用显微镜和测试仪器获得，是介质还是金属布线还是器件其他部位。典型的硬失效是热损伤出现在电流集中最大的地方电场集中出导致受热不均匀或过热，包括互连线、contact/via、硅和介质；介质击穿主要是栅氧击穿,软失效：漏电流例如10-910-6，峰值电流等，外观上无法看出，可以使用CURVE TRACER、semiconductor parametric analyser测量出，并分析失效部位,潜在失效：很难观察到。主要是specification下降、电学特性退化、寿命降低。典型的是介质的局部损伤例如time-dependent dielectric breakdown(TDDB)of gate oxide layers,并伴随漏电流增加，阈值电压漂移，功率容量下降等,(1),一般的失效机理,失效分析的手段：,1形貌观察：,光学显微镜：最常用，观察器件的外表和逐层剥除的次外表。对于光学显微镜放大倍数是500倍，使用冶金显微镜可以到达1000倍，使用特殊的液体透镜技术，可以到达1500倍，1000-1500可以观察到1微米线宽缺陷。,SEM：更高倍数15000倍，使用背散射二次电子和样品倾斜台还可以获得一定的三维图像，存在电荷积累，可以使用扫描离子显微镜SIM，TEM：更高的解析度。可以观察缺陷位错。不需要真空的可以用AFM：会受到外表电荷等的影响。,对于需要透视观察的，平面的可以用SAM电声显微镜，特别是铝钉，三维的可以用X射线显微镜，或者使用RIE：反响离子刻蚀，逐层剥除观察。,FIB：聚焦离子束，用离子束代替电子束观察显微构造，可以透视剥除金属或者钝化层观察，所以FIB也可用于VLSI的纠错可以加装能谱,(1),一般的失效机理,失效分析的手段：,2对于电流的分布热点观察：,LCA：液晶法观察微区温度,EMMI：电子空穴复合产生光子观察电流的大小,电子探针技术：使用电压/电流对二次电子谱的影响，,OBIRCH：红外加热导致电阻变化，可以透射观察,热成像仪,3成分观察：,EDAS、电子微探针显微分析(EPMA)、俄歇电子能谱(AES)、x射线光电子能谱(xPS)、二次离子质谱(SIMs)等方法,典型的失效形式,1,、,D-S silicon filament defect due to high ESD stress field,2,、,gate oxide films breakdown due to high ESD,electric field,3,、,ESD damages in metal interconnect due to joule heating,4,、,latent ESD failure,1,、,D-S silicon filament defect,以下图是一个典型的双极保护电路，其中扩散电阻R,在HBM ESD冲击下损伤在FOD的末端，特征是热损伤细丝状损伤，位置drain和gate互连末端的contact，并热扩散到source一边，这种热损伤很普遍，D-S silicon filament defect.,在MM ESD冲击下，有类似的D-S silicon filament defect.此外器件的两端有点状烧损和横跨drain区域的丝状烧损，这些是MM典型特征，MM有环振特点持续30ns，所以每个振荡峰值点就会在器件不同部位上留下一个细丝,在CDM ESD冲击下，有类似的D-S silicon filament defect，但较HBM少，特点是振荡较少,上述的FA分析说明：,器件末端的layout不均匀，导致电流的不均匀性，在前的drain扩散区周围热过多。两种改进方法：,1,、,D-S silicon filament defect,即使有足够的,ESD,防护设计，有时候并不能正常工作。例如有些寄生器件会意外开启,。,即使有足够的ESD防护设计，有时候并不能正常工作。例如有些寄生器件会意外开启。例如以下图显示是一个内部损伤，HBM ESD后出现D-S filament，位置是NMOS输入缓冲区0.35 salicide cmos，代回退阱工艺，这种常发生在HBM/CDM的MOS防护器件中。失效原因是过大的电流牛过了寄生的lBJT,1,、,D-S silicon filament defect,另外一种典型的,ESD,失效是,source,和,drain,的,contact,损伤，如图，,CDM,冲击下,GCNMOS,防护的工艺,IC,。端对端的硅细丝状热损伤，很典型的损伤。,1,、,D-S silicon filament defect,低压触发的SCR也是同样情况,所不同的是在正的CDM下，由于ggnmos是辅助触发的，所以先承受大电流，所以出现D-S filament。,反向CDM是Si filament.因为是反偏二极管，使用SEM 可以清晰看出是Al-Si熔化穿通形成尖披装ESD孔。,2,、,gate oxide films breakdown,ESD导致的栅氧击穿是另外一个典型情况，在HBM/MM/CDM中都会出现，只是位置和形状不同。以下图是微米cmos工艺的数据通信总线接口的IC的栅氧击穿，形状各异：,(1)HBM下内部NMOS栅氧击穿,(2)MM下内部PMOS栅氧击穿,(3)CDM下内部NMOS栅氧击穿,(1)(2)(3),2,、,gate oxide films breakdown,微米,cmos,工艺音频,IC,(1)MM,下,ESD,防护器件,NMOS,栅氧击穿,(2)CDM,下内部,NMOS,栅氧击穿,(3)HBM,下,ESD,防护器件,NMOS,的,contact,的,spiking demage,(1)(2)(3),2,、,gate oxide films breakdown,光学显微镜观察：分析两指条的GGNMOS工艺，可以清晰看出：在两个指条drain contact和gate区均匀补缀点状损伤热点，因为LDD结果导致的不均匀触发。,3,、,ESD damages in metal interconnect,还有一种典型的损伤：是金属互连线的热损坏，在,Al,和,Cu,工艺中都会出现。,图,Al,挤出型，工艺中普遍使用的,Ti/Al/Ti,互连技术。当,Al,过热熔化后，就会流入在,Al,和,Al,金属层之间的介质层的显微裂纹中。,3,、,ESD damages in metal interconnect,这种情况在,Cu,互连中也会出现。工艺，可以看出,Cu,比,Al,有更好的,ESD,鲁棒性，因为,Cu,的集肤电阻和寄生电容小,3,、,ESD damages in metal interconnect,比较两个5微米宽的power supply线，一个是微米厚一个是微米厚，用于N=/n-well二极管的ESD防护，厚的HBM10KV下也没有损坏，而薄的如图出现金属的蒸发和电热的迁移扩散。所以仔细设计金属线也很重要不仅可以提高ESD的鲁棒性，还可以降低级寄生的电容。,4,、,latent ESD failure,常被无视，但却是最常影响寿命的原因,潜在失效一般是时间性的，典型的电参数退化：在低ESD stress下，反偏结漏电流增加、栅氧漏电流增加、门限电压漂移，这些参数可以用加速老化试验、time-dependent dielectric breakdownTDDB、寿命测试、氧化物噪声谱等分析。,(2),失效分析的案例,使用EMMI分析电流的均匀性和器件开启的均匀性,使用AFM分析失效机理,使用EMMI分析：0.5um silicided LDD CMOS，防护器件GGNMOS,使用了silicide blocking和LDD blocking。比照：使用LDD的非均匀触发D，没有LDD的均匀触发(D),使用,AFM,和光学显微镜分析：,0.5um silicided LDD CMOS,，防护器件,NMOS,分析,HBM,和,TLP,后的软或硬损伤。,光学显微镜分析,TLP 200ns,后软点首先出现在,drain,末端，,500ns,后,TLP,，软点显著化并扩展成,D-S Si filament,硬失效。,AFM也证实这点,AFM使用中有用的仪器很廉价，国产只要2万元，样品制作也很简单，不需要真空。,使用AFM分析CDM引起的潜在损伤，细微的孔洞在氧化物墙上。,STI CMOS工艺DRAM在HBM失效，使用P+/n-well二极管防护，在STI侧墙外表一个缺陷,(3),各种测试的校准和比对性,实际上使用,TLP/HBM,等的结果很多情况下是不一致的，即使一样的设备和测试方法有时候重复性也不是很好。,ESDA,：,硬盘驱动,IC,、音频,IC,、数据通信接口,IC,、汽车电子,IC,，、工艺,一般：,TLP,的,IT21500,HBM,MM92,HBM,IEC,1000,HBM,栅氧,ESD,击穿电压,1.2,栅氧静态击穿电压,*栅氧击穿场强,栅氧厚度静态击穿电压,汽车电子IC，工艺，NMOS 防护，使用一样的HBM ESD，不同的仪器：,NMOS 防护器件的多晶硅挤出,IC内部的栅氧击穿,使用MM ESD：NMOS 防护器件的金属线熔化,使用CDM ESD：IC内部的PMOS 多晶硅filament,TLP,和,HBM,也会产生不同的失效机理,1.3A HBM,：,drain,区多晶硅,filament,和,Si,熔化,1.5A TLP,：,D-S filament,(4),模型和仿真,ESD失效主要是热失效，硅熔点1412，铝熔点1084，硅铝共晶温度550.,所以作瞬时功率和累计功率计算，并利用三维的热扩散模型，获得温度分布，找到热点，优化构造均匀分布。,