ESD失效分析FA及案例介紹

http://ESD失效分析FA及案例介紹(1)一般的失效機(jī)理(2)失效分析的案例(3)各種測試的校準(zhǔn)和比對性(4)模型和仿真2008-9-231(1)一般的失效機(jī)理ESD的失效是一個(gè)綜合問題：器件結(jié)構(gòu)－工藝－測試方法－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)雜的問題，目前只有是失效模型，沒有器件模型，而是失效模型仿真的結(jié)果也只能參考，而對于MM和CDM的ESD在測試上還有很大爭議。不同于電路設(shè)計(jì)：“well-definediron-rulesliketheKirchoffLaws”。即使有大量的論文介紹也是：“Everypaperseemstoreportadifferentresultthatmightonlybevalidforthatdeviceinthatprocesstechnology,testedinthatESDmodelanddonebyusingthatpieceofequipment.”2008-9-232(1)一般的失效機(jī)理失效包括：硬失效：如短路、開路、顯著漏電流、I-V曲線顯著漂移，可以用顯微鏡和測試儀器獲得，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（電場集中出）導(dǎo)致受熱不均勻或過熱），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10-9－－－10-6），峰值電流等，外觀上無法看出，可以使用CURVETRACER、semiconductorparametricanalyser測量出，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-dependentdielectricbreakdown(TDDB)ofgateoxidelayers,并伴隨漏電流增加，閾值電壓漂移，功率容量下降等）2008-9-2332008-9-234(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，觀察器件的表面和逐層剝除的次表面。對于光學(xué)顯微鏡放大倍數(shù)是500倍，使用冶金顯微鏡可以達(dá)到1000倍，使用特殊的液體透鏡技術(shù)，可以達(dá)到1500倍，1000-1500可以觀察到1微米線寬缺陷。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：會受到表面電荷等的影響。對于需要透視觀察的，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：反應(yīng)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結(jié)構(gòu)，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）2008-9-235(1)一般的失效機(jī)理失效分析的手段：2）對于電流的分布（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2008-9-236典型的失效形式1、D-SsiliconfilamentdefectduetohighESDstressfield2、gateoxidefilmsbreakdownduetohighESDelectricfield3、ESDdamagesinmetalinterconnectduetojouleheating4、latentESDfailure2008-9-2371、D-Ssiliconfilamentdefect下圖是一個(gè)典型的雙極保護(hù)電路，其中擴(kuò)散電阻R2008-9-238在HBMESD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-Ssiliconfilamentdefect.在MMESD沖擊下，有類似的D-Ssiliconfilamentdefect.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)就會在器件不同部位上留下一個(gè)細(xì)絲在CDMESD沖擊下，有類似的D-Ssiliconfilamentdefect，但較HBM少，特點(diǎn)是振蕩較少2008-9-239上述的FA分析表明：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)周圍熱過多。兩種改進(jìn)辦法：2008-9-23101、D-Ssiliconfilamentdefect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意外開啟。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意外開啟。例如下圖顯示是一個(gè)內(nèi)部損傷，HBMESD后出現(xiàn)D-Sfilament，位置是NMOS輸入緩沖區(qū)（0.35salicide

cmos，代回退阱工藝），這種常發(fā)生在HBM/CDM的MOS防護(hù)器件中。失效原因是過大的電流牛過了寄生的l－BJT2008-9-23111、D-Ssiliconfilamentdefect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0.35工藝IC。端對端的硅細(xì)絲狀熱損傷，很典型的損傷。2008-9-23121、D-Ssiliconfilamentdefect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-Sfilament。2008-9-2313反向CDM是Sifilament.因?yàn)槭欠雌O管，使用SEM可以清晰看出是Al-Si熔化穿通形成尖披裝ESD孔。2008-9-23142、gateoxidefilmsbreakdownESD導(dǎo)致的柵氧擊穿是另外一個(gè)典型情況，在HBM/MM/CDM中都會出現(xiàn)，只是位置和形狀不同。下圖是1.5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)2008-9-23152、gateoxidefilmsbreakdown1.5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spikingdemage(1)(2)(3)2008-9-23162、gateoxidefilmsbreakdown光學(xué)顯微鏡觀察：分析兩指條的GGNMOS（0.35工藝），可以清晰看出：在兩個(gè)指條draincontact和gate區(qū)均勻縫補(bǔ)點(diǎn)狀損傷（熱點(diǎn)），因?yàn)長DD結(jié)果導(dǎo)致的不均勻觸發(fā)。2008-9-23173、ESDdamagesinmetalinterconnect還有一種典型的損傷：是金屬互連線的熱損壞，在Al和Cu工藝中都會出現(xiàn)。圖Al擠出型，0.25工藝中普遍使用的Ti/Al/Ti互連技術(shù)。當(dāng)Al過熱熔化后，就會流入在Al和Al金屬層之間的介質(zhì)層的顯微裂紋中。2008-9-23183、ESDdamagesinmetalinterconnect這種情況在Cu互連中也會出現(xiàn)。0.18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2008-9-23193、ESDdamagesinmetalinterconnect比較兩個(gè)5微米寬的powersupply線，一個(gè)是0.5微米厚一個(gè)是0.45微米厚，用于N=/n-well二極管的ESD防護(hù)，厚的HBM10KV下也沒有損壞，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，還可以降低級寄生的電容。2008-9-23204、latentESDfailure常被忽視，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ESDstress下，反偏結(jié)漏電流增加、柵氧漏電流增加、門限電壓漂移，這些參數(shù)可以用加速老化試驗(yàn)、time-dependentdielectricbreakdown（TDDB）、壽命測試、氧化物噪聲譜等分析。2008-9-2321(2)失效分析的案例使用EMMI分析電流的均勻性和器件開啟的均勻性使用AFM分析失效機(jī)理2008-9-2322使用EMMI分析：0.5umsilicidedLDDCMOS，防護(hù)器件GGNMOS,使用了silicideblocking和LDDblocking。對比：使用LDD的非均勻觸發(fā)（D’），沒有LDD的均勻觸發(fā)(D)2008-9-2323使用AFM和光學(xué)顯微鏡分析：0.5umsilicidedLDDCMOS，防護(hù)器件NMOS,分析HBM和TLP后的軟或硬損傷。光學(xué)顯微鏡分析TLP200ns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-SSifilament硬失效。2008-9-2324AFM也證實(shí)這點(diǎn)2008-9-2325AFM使用中有用的儀器（很便宜，國產(chǎn)只要2萬元，樣品制作也很簡單，不需要真空）。使用AFM分析CDM引起的潛在損傷，細(xì)微的孔洞（0.19*0.14um）在氧化物墻上。2008-9-2326STICMOS工藝DRAM在HBM失效，使用P+/n-well二極管防護(hù)，在STI側(cè)墻表面一個(gè)缺陷2008-9-2327(3)各種測試的校準(zhǔn)和比對性實(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)備和測試方法有時(shí)候重復(fù)性也不是很好。ESDA：硬盤驅(qū)動IC、音頻IC、數(shù)據(jù)通信接口IC、汽車電子IC，0.9、1.2、1.5工藝一般：TLP的IT2×1500＝HBMMM×92＝HBMIEC－1000＝HBM柵氧ESD擊穿電壓＝1.2×柵氧靜態(tài)擊穿電壓*柵氧擊穿場強(qiáng)×柵氧厚度＝靜態(tài)擊穿電壓2008-9-2328汽車電子IC，1.2CMOS工藝，NMOS防護(hù)，使用相同的HBMESD，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MMESD：NMOS防護(hù)器件的金屬線熔化使用CDM