ESD失效分析FA及案例介紹

1、信息產(chǎn)業(yè)部軟件與集成電路促進(jìn)中心信息產(chǎn)業(yè)部軟件與集成電路促進(jìn)中心ZJU-UCF聯(lián)合聯(lián)合ESD實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)室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(cè)試的校準(zhǔn)和比對(duì)性(4)模型和仿真信息產(chǎn)業(yè)部軟件與集成電路促進(jìn)中心信息產(chǎn)業(yè)部軟件與集成電路促進(jìn)中心ZJU-UCF聯(lián)合聯(lián)合ESD實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)室2008-9-23http:/2(1)一般的失效機(jī)理ESD的失效是一個(gè)綜合問(wèn)題：器件結(jié)構(gòu)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)

2、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 in that process technology, tested in that ESD model and done by using that piece of equipment.”信息產(chǎn)業(yè)部軟件與集成電路促進(jìn)中心信息產(chǎn)業(yè)部軟件與集成電路促進(jìn)中心ZJU-

3、UCF聯(lián)合聯(lián)合ESD實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)室2008-9-23http:/3(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(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、semiconductor 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specifi

4、cation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）信息產(chǎn)業(yè)部軟件與集成電路促進(jìn)中心信息產(chǎn)業(yè)部軟件與集成電路促進(jìn)中心ZJU-UCF聯(lián)合聯(lián)合ESD實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)室2008-9-23http:/4信息產(chǎn)業(yè)部軟件與集成電路促進(jìn)中心信息產(chǎn)業(yè)部軟件與集成電路促進(jìn)中心ZJU-UCF聯(lián)合聯(lián)合ESD實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)室2008-9-23http:/5(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

5、表面和逐層剝除的次表面。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(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?？梢杂^察缺陷位錯(cuò)。不需要真空的可以用AFM：會(huì)受到表面電荷等的影響。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

6、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）信息產(chǎn)業(yè)部軟件與集成電路促進(jìn)中心信息產(chǎn)業(yè)部軟件與集成電路促進(jìn)中心ZJU-UCF聯(lián)合聯(lián)合ESD實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)室2008-9-23http:/6(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：l LCA：液晶法觀察微區(qū)溫度l EMMI：電子空穴復(fù)合產(chǎn)生光子觀察電流的大小l 電子探針技術(shù)：使用電壓/電流對(duì)二次電子譜的影響，l OBIRCH ：紅外加熱導(dǎo)致電阻變化，可以透射觀察l 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(S

7、IMs)等方法信息產(chǎn)業(yè)部軟件與集成電路促進(jìn)中心信息產(chǎn)業(yè)部軟件與集成電路促進(jìn)中心ZJU-UCF聯(lián)合聯(lián)合ESD實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)室2008-9-23http:/7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信息產(chǎn)業(yè)部軟件與集成電路促進(jìn)中心信息產(chǎn)業(yè)部

8、軟件與集成電路促進(jìn)中心ZJU-UCF聯(lián)合聯(lián)合ESD實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)室2008-9-23http:/81、D-S silicon filament defect 下圖是一個(gè)典型的雙極保護(hù)電路，其中擴(kuò)散電阻R信息產(chǎn)業(yè)部軟件與集成電路促進(jìn)中心信息產(chǎn)業(yè)部軟件與集成電路促進(jìn)中心ZJU-UCF聯(lián)合聯(lián)合ESD實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)室2008-9-23http:/9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，有類似的D-S sili

9、con 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，有類似的D-S silicon filament defect，但較HBM少，特點(diǎn)是振蕩較少信息產(chǎn)業(yè)部軟件與集成電路促進(jìn)中心信息產(chǎn)業(yè)部軟件與集成電路促進(jìn)中心ZJU-UCF聯(lián)合聯(lián)合ESD實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)室2008-9-23http:/10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(guò)多。兩種改進(jìn)辦法：信息產(chǎn)業(yè)部軟件與集成電路促進(jìn)

10、中心信息產(chǎn)業(yè)部軟件與集成電路促進(jìn)中心ZJU-UCF聯(lián)合聯(lián)合ESD實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)室2008-9-23http:/111、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)意外開啟。例如下圖顯示是一個(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 salicide 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lBJT信息產(chǎn)業(yè)部軟件與集成電路促進(jìn)中心信息

11、產(chǎn)業(yè)部軟件與集成電路促進(jìn)中心ZJU-UCF聯(lián)合聯(lián)合ESD實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)室2008-9-23http:/121、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0.35工藝IC。端對(duì)端的硅細(xì)絲狀熱損傷，很典型的損傷。信息產(chǎn)業(yè)部軟件與集成電路促進(jìn)中心信息產(chǎn)業(yè)部軟件與集成電路促進(jìn)中心ZJU-UCF聯(lián)合聯(lián)合ESD實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)室2008-9-23http:/131、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

12、是輔助觸發(fā)的，所以先承受大電流，所以出現(xiàn)D-S filament。信息產(chǎn)業(yè)部軟件與集成電路促進(jìn)中心信息產(chǎn)業(yè)部軟件與集成電路促進(jìn)中心ZJU-UCF聯(lián)合聯(lián)合ESD實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)室2008-9-23http:/14 反向CDM是Si filament.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。信息產(chǎn)業(yè)部軟件與集成電路促進(jìn)中心信息產(chǎn)業(yè)部軟件與集成電路促進(jìn)中心ZJU-UCF聯(lián)合聯(lián)合ESD實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)室2008-9-23http:/152、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

13、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)信息產(chǎn)業(yè)部軟件與集成電路促進(jìn)中心信息產(chǎn)業(yè)部軟件與集成電路促進(jìn)中心ZJU-UCF聯(lián)合聯(lián)合ESD實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)室2008-9-23http:/162、gate oxide films breakdown1.5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spiking demage (1)

14、 (2) (3)信息產(chǎn)業(yè)部軟件與集成電路促進(jìn)中心信息產(chǎn)業(yè)部軟件與集成電路促進(jìn)中心ZJU-UCF聯(lián)合聯(lián)合ESD實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)室2008-9-23http:/172、gate oxide films breakdown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drain contact和gate區(qū)均勻縫補(bǔ)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)。信息產(chǎn)業(yè)部軟件與集成電路促進(jìn)中心信息產(chǎn)業(yè)部軟件與集成電路促進(jìn)中心ZJU-UCF聯(lián)合聯(lián)合ESD實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)室2008-9-23http:/183、ESD damages in metal interconnect還有

15、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，0.25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。信息產(chǎn)業(yè)部軟件與集成電路促進(jìn)中心信息產(chǎn)業(yè)部軟件與集成電路促進(jìn)中心ZJU-UCF聯(lián)合聯(lián)合ESD實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)室2008-9-23http:/193、ESD damages in metal interconnect這種情況在Cu互連中也會(huì)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信息產(chǎn)業(yè)部軟件與集成電路促進(jìn)中心信息產(chǎn)業(yè)部軟件與集成電路促進(jìn)中心ZJU-UCF

16、聯(lián)合聯(lián)合ESD實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)室2008-9-23http:/203、ESD damages in metal interconnect比較兩個(gè)5微米寬的power supply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(jí)寄生的電容。信息產(chǎn)業(yè)部軟件與集成電路促進(jìn)中心信息產(chǎn)業(yè)部軟件與集成電路促進(jìn)中心ZJU-UCF聯(lián)合聯(lián)合ESD實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)室2008-9-23http:/214、latent ESD failure 常被忽

17、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-dependent dielectric breakdown（TDDB）、壽命測(cè)試、氧化物噪聲譜等分析。信息產(chǎn)業(yè)部軟件與集成電路促進(jìn)中心信息產(chǎn)業(yè)部軟件與集成電路促進(jìn)中心ZJU-UCF聯(lián)合聯(lián)合ESD實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)室2008-9-23http:/22(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)理信息產(chǎn)業(yè)部軟件與集成電路促進(jìn)中心信息產(chǎn)業(yè)部軟件與集成電路促進(jìn)中心ZJU-UCF聯(lián)

18、合聯(lián)合ESD實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)室2008-9-23http:/23使用EMMI分析：0.5um silicided LDD CMOS，防護(hù)器件GGNMOS,使用了silicide blocking和LDD blocking。對(duì)比：使用LDD的非均勻觸發(fā)（D），沒有LDD的均勻觸發(fā)(D)信息產(chǎn)業(yè)部軟件與集成電路促進(jìn)中心信息產(chǎn)業(yè)部軟件與集成電路促進(jìn)中心ZJU-UCF聯(lián)合聯(lián)合ESD實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)室2008-9-23http:/24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d

19、rain末端，500ns后TLP，軟點(diǎn)顯著化并擴(kuò)展成D-S Si filament硬失效。信息產(chǎn)業(yè)部軟件與集成電路促進(jìn)中心信息產(chǎn)業(yè)部軟件與集成電路促進(jìn)中心ZJU-UCF聯(lián)合聯(lián)合ESD實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)室2008-9-23http:/25 AFM也證實(shí)這點(diǎn)信息產(chǎn)業(yè)部軟件與集成電路促進(jìn)中心信息產(chǎn)業(yè)部軟件與集成電路促進(jìn)中心ZJU-UCF聯(lián)合聯(lián)合ESD實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)室2008-9-23http:/26AFM使用中有用的儀器（很便宜，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（0.19*0.14um）在氧化物墻上。信息產(chǎn)業(yè)部軟件與集成電路促進(jìn)中心信息產(chǎn)業(yè)部軟件與集成電路促進(jìn)中心ZJU-UCF聯(lián)合聯(lián)合ESD實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)室2008-9-23http:/27STI CMOS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)缺陷信息產(chǎn)業(yè)部軟件與集成電路促進(jìn)中心信息產(chǎn)業(yè)部軟件與集成電路促進(jìn)中心ZJU-UCF聯(lián)合聯(lián)合ESD實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)室2008-9-23http:/28(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