ESD失效分析FA及案例介绍.ppt

2008 9 23 1 ESD失效分析FA及案例介绍 1 一般的失效机理 2 失效分析的案例 3 各种测试的校准和比对性 4 模型和仿真 2008 9 23 2 1 一般的失效机理 ESD的失效是一个综合问题 器件结构 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 definediron rulesliketheKirchoffLaws 即使有大量的论文介绍也是 Everypaperseemstoreportadifferentresultthatmightonlybevalidforthatdeviceinthatprocesstechnology testedinthatESDmodelanddonebyusingthatpieceofequipment 2008 9 23 3 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 9 10 6 峰值电流等 外观上无法看出 可以使用CURVETRACER semiconductorparametricanalyser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 dependentdielectricbreakdown TDDB ofgateoxidelayers 并伴随漏电流增加 阈值电压漂移 功率容量下降等 2008 9 23 4 2008 9 23 5 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 观察器件的表面和逐层剥除的次表面 对于光学显微镜放大倍数是500倍 使用冶金显微镜可以达到1000倍 使用特殊的液体透镜技术 可以达到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 会受到表面电荷等的影响 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 反应离子刻蚀 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结构 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 2008 9 23 6 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 2008 9 23 7 典型的失效形式 1 D SsiliconfilamentdefectduetohighESDstressfield2 gateoxidefilmsbreakdownduetohighESDelectricfield3 ESDdamagesinmetalinterconnectduetojouleheating4 latentESDfailure 2008 9 23 8 1 D Ssiliconfilamentdefect 下图是一个典型的双极保护电路 其中扩散电阻R 2008 9 23 9 在HBMESD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 Ssiliconfilamentdefect 在MMESD冲击下 有类似的D Ssiliconfilamentdefect 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CDMESD冲击下 有类似的D Ssiliconfilamentdefect 但较HBM少 特点是振荡较少 2008 9 23 10 上述的FA分析表明 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 两种改进办法 2008 9 23 11 1 D Ssiliconfilamentdefect 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 例如下图显示是一个内部损伤 HBMESD后出现D Sfilament 位置是NMOS输入缓冲区 0 35salicidecmos 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l BJT 2008 9 23 12 1 D Ssiliconfilamentdefect 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0 35工艺IC 端对端的硅细丝状热损伤 很典型的损伤 2008 9 23 13 1 D Ssiliconfilamentdefect 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 Sfilament 2008 9 23 14 反向CDM是Sifilament 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 2008 9 23 15 2 gateoxidefilmsbreakdown 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 下图是1 5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 2008 9 23 16 2 gateoxidefilmsbreakdown 1 5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spikingdemage 1 2 3 2008 9 23 17 2 gateoxidefilmsbreakdown 光学显微镜观察 分析两指条的GGNMOS 0 35工艺 可以清晰看出 在两个指条draincontact和gate区均匀缝补点状损伤 热点 因为LDD结果导致的不均匀触发 2008 9 23 18 3 ESDdamagesinmetalinterconnect 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 0 25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 2008 9 23 19 3 ESDdamagesinmetalinterconnect 这种情况在Cu互连中也会出现 0 18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 2008 9 23 20 3 ESDdamagesinmetalinterconnect 比较两个5微米宽的powersupply线 一个是0 5微米厚一个是0 45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 2008 9 23 21 4 latentESDfailure 常被忽视 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ESDstress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 dependentdielectricbreakdown TDDB 寿命测试 氧化物噪声谱等分析 2008 9 23 22 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 2008 9 23 23 使用EMMI分析 0 5umsilicidedLDDCMOS 防护器件GGNMOS 使用了silicideblocking和LDDblocking 对比 使用LDD的非均匀触发 D 没有LDD的均匀触发 D 2008 9 23 24 使用AFM和光学显微镜分析 0 5umsilicidedLDDCMOS 防护器件NMOS 分析HBM和TLP后的软或硬损伤 光学显微镜分析TLP200ns后软点首先出现在drain末端 500ns后TLP 软点显著化并扩展成D SSifilament硬失效 2008 9 23 25 AFM也证实这点 2008 9 23 26 AFM使用中有用的仪器 很便宜 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 0 19 0 14um 在氧化物墙上 2008 9 23 27 STICMOS工艺DRAM在HBM失效 使用P n well二极管防护 在STI侧墙表面一个缺陷 2008 9 23 28 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 0 9 1 2 1 5工艺一般 TLP的IT2 1500 HBMMM 92 HBMIEC 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 2008 9 23 29 汽车电子IC 1 2CMOS工艺 NMOS防护 使用相同的HBMESD 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MMESD