ESD失效分析FA及案例介紹

1、ESD失效分析FA及案例介紹(1)一般的失效機(jī)理ESD的失效是一個(gè)綜合問(wèn)題：器件構(gòu)造工藝測(cè)試方法ESD形式工作環(huán)境。有關(guān)。ESD的HBM模式的失效是一個(gè)很復(fù)雜的問(wèn)題，目前只有是失效模型，沒(méi)有器件模型，而是失效模型仿真的結(jié)果也只能參考，而對(duì)于MM和CDM的ESD在測(cè)試上還有很大爭(zhēng)議。不同于電路設(shè)計(jì)：“well-defined iron-rules like the Kirchoff Laws。即使有大量的論文介紹也是：“Every paper seems to report a different result that might only be valid for that device i

2、n that process technology, tested in that ESD model and done by using that piece of equipment.(1)一般的失效機(jī)理失效包括：硬失效：如短路、開(kāi)路、顯著漏電流、I-V曲線顯著漂移，可以用顯微鏡和測(cè)試儀器獲得，是介質(zhì)還是金屬布線還是器件其他部位。典型的硬失效是熱損傷出現(xiàn)在電流集中最大的地方電場(chǎng)集中出導(dǎo)致受熱不均勻或過(guò)熱，包括互連線、contact/via、硅和介質(zhì)；介質(zhì)擊穿主要是柵氧擊穿軟失效：漏電流例如10-910-6，峰值電流等，外觀上無(wú)法看出，可以使用CURVE TRACER、semiconduct

3、or parametric analyser測(cè)量出，并分析失效部位潛在失效：很難觀察到。主要是specification下降、電學(xué)特性退化、壽命降低。典型的是介質(zhì)的局部損傷例如time-dependent dielectric breakdown (TDDB) of gate oxide layers,并伴隨漏電流增加，閾值電壓漂移，功率容量下降等(1)一般的失效機(jī)理失效分析的手段：1形貌觀察：光學(xué)顯微鏡：最常用，觀察器件的外表和逐層剝除的次外表。對(duì)于光學(xué)顯微鏡放大倍數(shù)是500倍，使用冶金顯微鏡可以到達(dá)1000倍，使用特殊的液體透鏡技術(shù)，可以到達(dá)1500倍，1000-1500可以觀察到1微米線

4、寬缺陷。SEM：更高倍數(shù)15000倍，使用背散射二次電子和樣品傾斜臺(tái)還可以獲得一定的三維圖像，存在電荷積累，可以使用掃描離子顯微鏡SIM，TEM：更高的解析度。可以觀察缺陷位錯(cuò)。不需要真空的可以用AFM：會(huì)受到外表電荷等的影響。對(duì)于需要透視觀察的，平面的可以用SAM電聲顯微鏡，特別是鋁釘，三維的可以用X射線顯微鏡，或者使用RIE：反響離子刻蝕，逐層剝除觀察。 FIB：聚焦離子束，用離子束代替電子束觀察顯微構(gòu)造，可以透視剝除金屬或者鈍化層觀察，所以FIB也可用于VLSI的糾錯(cuò)可以加裝能譜(1)一般的失效機(jī)理失效分析的手段：2對(duì)于電流的分布熱點(diǎn)觀察：LCA：液晶法觀察微區(qū)溫度EMMI：電子空穴復(fù)合

5、產(chǎn)生光子觀察電流的大小電子探針技術(shù)：使用電壓/電流對(duì)二次電子譜的影響，OBIRCH ：紅外加熱導(dǎo)致電阻變化，可以透射觀察熱成像儀3成分觀察： EDAS、電子微探針顯微分析(EPMA)、俄歇電子能譜(AES)、x射線光電子能譜(xPS)、二次離子質(zhì)譜(SIMs)等方法典型的失效形式1、D-S silicon filament defect due to high ESD stress field2、gate oxide films breakdown due to high ESD electric field3、ESD damages in metal interconnect due to

6、joule heating4、latent ESD failure1、D-S silicon filament defect以下圖是一個(gè)典型的雙極保護(hù)電路，其中擴(kuò)散電阻R在HBM ESD沖擊下?lián)p傷在FOD的末端，特征是熱損傷細(xì)絲狀損傷，位置drain和gate互連末端的contact ，并熱擴(kuò)散到source一邊，這種熱損傷很普遍，D-S silicon filament defect.在MM ESD沖擊下，有類(lèi)似的D-S silicon filament defect.此外器件的兩端有點(diǎn)狀燒損和橫跨drain區(qū)域的絲狀燒損，這些是MM典型特征，MM有環(huán)振特點(diǎn)持續(xù)30ns，所以每個(gè)振蕩峰值點(diǎn)就

7、會(huì)在器件不同部位上留下一個(gè)細(xì)絲在CDM ESD沖擊下，有類(lèi)似的D-S silicon filament defect，但較HBM少，特點(diǎn)是振蕩較少上述的FA分析說(shuō)明：器件末端的layout不均勻，導(dǎo)致電流的不均勻性，在前的drain擴(kuò)散區(qū)周?chē)鸁徇^(guò)多。兩種改進(jìn)方法：1、D-S silicon filament defect即使有足夠的ESD防護(hù)設(shè)計(jì)，有時(shí)候并不能正常工作。例如有些寄生器件會(huì)意外開(kāi)啟。即使有足夠的ESD防護(hù)設(shè)計(jì)，有時(shí)候并不能正常工作。例如有些寄生器件會(huì)意外開(kāi)啟。例如以下圖顯示是一個(gè)內(nèi)部損傷，HBM ESD后出現(xiàn)D-S filament，位置是NMOS輸入緩沖區(qū)0.35 salici

8、de cmos，代回退阱工藝，這種常發(fā)生在HBM/CDM的MOS防護(hù)器件中。失效原因是過(guò)大的電流牛過(guò)了寄生的lBJT1、D-S silicon filament defect另外一種典型的ESD失效是source 和drain的contact損傷，如圖，CDM 沖擊下GCNMOS防護(hù)的工藝IC。端對(duì)端的硅細(xì)絲狀熱損傷，很典型的損傷。1、D-S silicon filament defect低壓觸發(fā)的SCR也是同樣情況所不同的是在正的CDM下，由于ggnmos是輔助觸發(fā)的，所以先承受大電流，所以出現(xiàn)D-S filament。反向CDM是Si filament.因?yàn)槭欠雌O管，使用SEM 可以清

9、晰看出是Al-Si熔化穿通形成尖披裝ESD孔。2、gate oxide films breakdownESD導(dǎo)致的柵氧擊穿是另外一個(gè)典型情況，在HBM/MM/CDM中都會(huì)出現(xiàn)，只是位置和形狀不同。以下圖是微米cmos工藝的數(shù)據(jù)通信總線接口的IC的柵氧擊穿，形狀各異：(1)HBM下內(nèi)部NMOS柵氧擊穿(2)MM下內(nèi)部PMOS柵氧擊穿(3)CDM下內(nèi)部NMOS柵氧擊穿 (1) (2) (3)2、gate oxide films breakdown微米cmos工藝音頻IC(1)MM下ESD防護(hù)器件NMOS柵氧擊穿(2)CDM下內(nèi)部NMOS柵氧擊穿(3)HBM下ESD防護(hù)器件NMOS的contact的

10、spiking demage (1) (2) (3)2、gate oxide films breakdown光學(xué)顯微鏡觀察：分析兩指條的GGNMOS工藝，可以清晰看出：在兩個(gè)指條drain contact和gate區(qū)均勻補(bǔ)綴點(diǎn)狀損傷熱點(diǎn)，因?yàn)長(zhǎng)DD結(jié)果導(dǎo)致的不均勻觸發(fā)。3、ESD damages in metal interconnect還有一種典型的損傷：是金屬互連線的熱損壞，在Al和Cu工藝中都會(huì)出現(xiàn)。圖Al擠出型，工藝中普遍使用的Ti/Al/Ti互連技術(shù)。當(dāng)Al過(guò)熱熔化后，就會(huì)流入在Al和Al金屬層之間的介質(zhì)層的顯微裂紋中。3、ESD damages in metal interconn

11、ect這種情況在Cu互連中也會(huì)出現(xiàn)。工藝，可以看出Cu比Al有更好的ESD魯棒性，因?yàn)镃u的集膚電阻和寄生電容小3、ESD damages in metal interconnect比較兩個(gè)5微米寬的power supply線，一個(gè)是微米厚一個(gè)是微米厚，用于N=/n-well二極管的ESD防護(hù)，厚的HBM10KV下也沒(méi)有損壞，而薄的如圖出現(xiàn)金屬的蒸發(fā)和電熱的遷移擴(kuò)散。所以仔細(xì)設(shè)計(jì)金屬線也很重要不僅可以提高ESD的魯棒性，還可以降低級(jí)寄生的電容。4、latent ESD failure常被無(wú)視，但卻是最常影響壽命的原因潛在失效一般是時(shí)間性的，典型的電參數(shù)退化：在低ESD stress下，反偏結(jié)漏

12、電流增加、柵氧漏電流增加、門(mén)限電壓漂移，這些參數(shù)可以用加速老化試驗(yàn)、time-dependent dielectric breakdownTDDB、壽命測(cè)試、氧化物噪聲譜等分析。(2)失效分析的案例使用EMMI分析電流的均勻性和器件開(kāi)啟的均勻性使用AFM分析失效機(jī)理使用EMMI分析：0.5um silicided LDD CMOS，防護(hù)器件GGNMOS,使用了silicide blocking和LDD blocking。比照：使用LDD的非均勻觸發(fā)D，沒(méi)有LDD的均勻觸發(fā)(D)使用AFM和光學(xué)顯微鏡分析：0.5um silicided LDD CMOS，防護(hù)器件NMOS,分析HBM和TLP后的

13、軟或硬損傷。光學(xué)顯微鏡分析TLP 200ns后軟點(diǎn)首先出現(xiàn)在drain末端，500ns后TLP，軟點(diǎn)顯著化并擴(kuò)展成D-S Si filament硬失效。AFM也證實(shí)這點(diǎn)AFM使用中有用的儀器很廉價(jià)，國(guó)產(chǎn)只要2萬(wàn)元，樣品制作也很簡(jiǎn)單，不需要真空。使用AFM分析CDM引起的潛在損傷，細(xì)微的孔洞在氧化物墻上。STI CMOS工藝DRAM在HBM失效，使用P+/n-well二極管防護(hù)，在STI側(cè)墻外表一個(gè)缺陷(3)各種測(cè)試的校準(zhǔn)和比對(duì)性實(shí)際上使用TLP/HBM等的結(jié)果很多情況下是不一致的，即使一樣的設(shè)備和測(cè)試方法有時(shí)候重復(fù)性也不是很好。ESDA：硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)IC、音頻IC、數(shù)據(jù)通信接口IC、汽車(chē)電子IC，、工藝一般：TLP的IT21500HBMMM92HBMIEC1000HBM柵氧ESD擊穿電壓1.2柵氧靜態(tài)擊穿電壓*柵氧擊穿場(chǎng)強(qiáng)柵氧厚度靜態(tài)擊穿電壓汽車(chē)電子IC，工藝，NMOS 防護(hù)，使用一樣的HBM ESD，不同的儀器：NMOS 防護(hù)器件的多晶硅擠出IC內(nèi)部的柵氧擊穿使用MM ESD：