电子论文-集成电路抗ESD设计中的TLP测试技术.pdf

电 子 产 品 可 靠 性 与 环 境 试 验 Au g 2 0 0 3NO 4 集成 电路抗 E S D设计 中的 T L P测试 技术 罗宏伟 师谦 1 西 安 电子科 技大学 微 电子研 究所 陕 西西 安 7 1 0 0 7 1 2 信息产业部电子第五研究所 广东 广州 5 1 0 6 1 0 摘 要 介绍了一种研究器件和电路结构在E s D 期间新的特性测试方法 一 I l 法 该方法不仅可替代舳 艇 测试 还能帮助电路设计舜详纲地分析器件和结构在E S D过程中的运行机制 有目的地进行器件E 保护 电路的设钎 提高器件的抗E S D 水平 关键词 静电放电 传输线脉冲 测试技术 人体模型 l 中圈分类号 T N 4 o 7 蠢文ij 睫 标识码 A 1 TLP Te s t Te c hn i q u e s f o r ES D Pr o t e c t i o n De s i g n L UO H o n g w e i 一 S h i Q i a n 1 Mi c r o e l e c t r o n i c s I n s t i t u t e X i d i a n U n i v e r s i t y X i a n 7 1 0 0 7 1 C h i n a 2 C E P RE I G u a n g z h o u 5 1 0 6 1 0 C h i n a Abs t r ac t A n e w t e s t me t h o d T L I t e s t t e c h n i q u e s f o r i n v e s t i g a t i n g t h e c h a r a c t e r i s t i c o f d e v i c e s a n d s t r u c t ur es un g e r g o i ng ES D wa s i n t r o d uc e d Th i s me t ho d c a n no t o n l y s u bmi t t e d t he HBM t es t b u t a l s o h e l p t h e c i r c u i t e n g i n e e r t o a n a l y z e i n d e t a i l t h e o p e r a t i o n me c h a n i s m o f d e v i c e s a n d s t r u c t u r e s d u r i n g ES D d e s i g n t h e ES D p r e v e n t i v e c i r c a n d i mp r o v e t h e E S D p e r f o r ma n c e Ke y wor d s ES D T L P t e s t t e c h n i q u e s HBM 1 引言 随着 集成 电路 工艺 的不 断 发展 和 进步 保 持 和提 高 集 成 电路 的 静 电特 性 成 为 一 个 永 恒 的挑 战 而工 艺尺 寸 的迅 速缩 小 要 达到 集成 电路一 次 设计 成 功 降低 设计 风 险 缩 短产 品 进入 市场 的时 间等 目标 对 E S D可靠性 的要 求 也就越 来越 高 同 时 新 的 工 艺 产 生 了 新 的半 导 体 器 件 模 型 出现 了新 的边界 条件 这 些也 增加 了 E S D可 靠性 设计 的复杂 度 所 有这 些外 部 和 内部 的发 展 要 求 都加速 了对 集成 电路 进行 E S D可靠性 设计 和 测试 评价集成 电路 E S D可靠 性水平的需求 在 MI L S T D一8 8 3 E方 法 3 0 1 5 7以 及 G J B 5 4 8 A一9 6方 法 3 0 1 5 中 都 规 定 了 人 体 模 型 HB M 的 E S D测 试方法 但 HB M模 型仅仅是一种 测 试评 价 的方 法 采 用 的指数 波形 过 于复 杂 对 研 究 器 件 E S D特 性 很 不 方 便 作 为 它 的 替 代 方 法 1 9 8 5年 由 Ma l o n e y T J 等提出 了传输线脉 冲 T L P T r a n s mi s s i o n L i n e P u l s e 的测 试 方法 并 在 随 后 的几 年 中得 到 了不 断 的发展 目前 已成 为 电 路 设 计 工程 师研 究 E S D保 护 电路 的特 性 进 行 收稿 日期 2 0 0 3 0 4 0 9 作者简 介 罗宏伟 1 9 6 8一 男 湖 南长沙人 信 息产 业部 电子 第五研 究所研 究分析 中心 高级 工程 师 西安 电子 科技 大学微 电子研 究 所博 士研 究 生 主要从 事微 电子 可靠性 物理 研 究 分 析与设 计 工作 维普资讯 第 4期 罗宏伟 等 集成 电路 抗 E S D设 计 中的 T L P测 试技 术 E S D设计 的重要依据 本文 介 绍 了 T L P测试 的基本 原 理和 T L P电路 结构示意 图 并介绍 了它的测试技术 最后 给出 了 其 相 对 于 HB M 测 试 在研 究 器 件 E S D特性 上 的优 点 2 T L P测试技术 T L P表 示 传 输 线 脉 冲 测 试 是 一 种 用 短 脉 冲 5 0 2 0 0 n s 来测量集成 电路 内 E S D保护 电路 电 流 电压特性 的方法 这个 短脉冲用来模 拟作用 于 集 成 电路 的短 E S D脉 冲 恒 定 阻抗 的传输 线 可 以 产生恒 定幅度的方波 T L P测 试 是 把 方 波 测 试 脉 冲 加 到 待 测 器 件 DU T 的 两 脚之 间 进 行测 试 将测 试 脉 冲 引 到 D U T上 的最常用 方法是从 一个接地 的 5 6 Q 电阻和 一 个 与待测 的 D U T脚 串联 的 5 0 0 1 5 0 0 电 阻之 间引 出脉 冲 公共脚连到地 以提供 脉冲电流 回路 测试 时将 这个脉 冲加 到器 件的测试 结构上 同时测 试结 构两端 的电压及流过 的电流 通过适 当的测试 结构和测试参数 可 以评 价金属 多 晶 单个 晶体 管以至整个 电路 的 E S D水平 图 1为 T L P方 法 的基 本结 构 图 风 和后 面 的 二极管为一个 抑制 负载 网络 主要 目的是当电脉冲 传 输 线L 图 1 T I 方 法 的基 本 结构 l 一 一 1 I l O F j I l 图 2 典型 的 T L P脉 冲曲线 DI ANZI CHANPI N KEKA0s NG Y U HU ANJ NG SHI Y AN 接人到被测器件 上后 抑制线路 中的反射脉 冲 传 输线首先被充 电到高 电压 然后 对要测试 分析的器 件放 电 这 与给一个 电容器充 电然后对 器件放 电的 情 况类 似 但 电容 器充 放 电产 生 的 电流波 形很 复 杂 而传输线方法则避 免 了这种情况 图 2为产生的 典型 T L P脉冲曲线 脉冲宽度 t 2 C 这里为传 输线 的长度 C为传输速率 通 常 C 2 0 e lT l 13 S 3 T L P测试方法 T L P测试前要 先对 电路 中的传输 线充 电 测试 时 将被测器件接人 传输线通过被测器件放电 改变 电路的输入 电压和传输线 的长度 可以模 拟在不 同能量 中的 E S D脉 冲 从而得 到器 件 的抗 E S D的 能力 图 3是利用 T L P方法测试 晶片的示意 图 2 l 图 3 利 用 T I J P方法 的一 个 自动 测试 系统 T L P测试 先从小 电压脉 冲开始 随后连续增加 直到获 得足 够的数 据点 作 出完整 的 J 曲线 电压增加 的步长可 自由选择 对感兴趣 的区域可选 择较 小的步长 得到更 多的数据点 对某 些不感兴 趣 的区域其步长可选大一些 加快试验 的进 度 通 常测试脉冲的幅度会增大到使 D U T彻底损伤 从 而获得其精确的允许最大脉冲电流 当测试脉冲的 幅 度 足 够 高 时 D U T 内将 产 生 足 够 高 的 温 度 使 D U T内某 些 结构熔 融 使 器 件特性 发 生永 久 的变 化 D U T彻底 损 伤 损伤 发 生 的同 时经 常伴 随着 被测两脚之 间的漏电流突然增加 图 4是 T L P脉 冲下 栅 接 地 n MO S晶体 管 的 工 作 状态 图 5是用 T L P法 对其 进行 测试 得 到 的典 型 的 J 曲线 从 图中可 以清楚地看 到触发 电 维普资讯 电子产 品可 靠性 与环境 试 验 2 0 0 3年 压 和触发 电流 维持 电压 和维持 电流 以及二 次击穿 电 压 和 二 次 击 穿 电 流 这 些 参 数 对 用 栅 接 地 的 MO S晶体管 来构成 E S D保 护 电路 的设 计 是非 常重 要 的 图 4 T L P脉 冲作 用下 的 MO S晶体 管的 工作状 态 0 2 4 6 8 0 V V 图 5 T L P测试 中栅接 地 MO S F E T典型 的 一 曲线 4 T L P测试方法的优点 与传统 的人体模型 和机器 模型相 比 T L P方 法 有 以下几 个优点 a T L P方 法采用 相对简单 的两端 测试 适 用 于芯 片级 测试 在工艺 和设计 的早期 其应用 价值更 高 b T L P方 法使用 的测 试脉 冲简单 易于重复 产生 且脉冲宽度和幅度可根据需要任意调整 实 用 价值高 C T L P脉 冲 采用方 波 电 压 脉 冲末端 电压保 持平 坦可保 证精 确 测量 的需 求 得到 测试结 构或 电路 的典型 特性 曲线 获得 E S D脉 冲下 的击 穿电压 维持 电压 维持 电流以及二次击 穿电 流 等 通 过对这些 电学参数 的分析可 以找到 电路设 计 和工艺 的弱点 d T L P测试结果可以与 HB M 的结果相对照H l 而T L P测试 可 以获得 比 HB M 测试 更精 确 的信 息 它可以精 确地 比较不 同的产品和测 试结构 同时还 可 以得 到该 结 构 全 电压 工作 范 围内 的完 整 的 I V 特性 总之 T L P测试 的最 大优点就是 可以准确地测 量得到失效发生 时的脉 冲电压 电流 5 小 结 作为在抗 E S D电路设计 时替代 HB M测试 的一 种方 法 T L P测试具有波形简 单 易于控制 调试 方便且测试精确度高的优点 不仅可以作芯片级 Wa f e r L e v e 1 裸 芯 片 D I E 以 及 封 装 级 P a c k a g e d 器件 的 E S D测试 还可 以作 为铝 多晶 和 铜 互 连 线 E S D失 效 的研 究 手 段 并 可 以 用 于 G a A s 微 波 电路 等抗 E S D设计 中 目前在集 成电路 E S D可靠性设计 中已得 到了广泛 的应用 参考 文献 1 1 Ma l o n e y T J K h u r a n a N T r a n s mi s s i o n L i n e P u l s i n g T e c h n i q u e s f o r C i r c u i t M o d e l i n g o f E S D P h e n o m e n a A 7 t h E O S E S D S y mp o s i u m C 1 9 8 5 4 9 5 4 2 V o l d ma n S G a u t h i e r R M o ms sea u K e t a1 Hii s h C u r r e n t Cha r a c t e r i z a j o n o f Du a l Dama s c e n e Co p pe r I n t e r c o n n e c t s i n S i 02 一a n d L o w k I n t e r l e v e l Di e l e c t r i C S f o r Ad v a n c e d C MOS S e m i c o n d u c t o r T e c h n o l o g i e s A I E E E I R P S C 1 1 9 9 9 1 4 4 1 5 3 3 C h e n T P C h an R R e p r o d u c i b i l i t y o f T r ans mis s i o n L i n e Me a s u r eme nt o f Bi po l a r I V Cha r ac t e ris t i c s o f MOS FET S J I E E E T r a n s O n I n s t r u m e n t a t