ESD失效分析FA及案例介绍

信息产业部软件与集成电路促进中心ZJU-UCF联合ESD实验室2008-9-23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)模型和仿真信息产业部软件与集成电路促进中心ZJU-UCF联合ESD实验室2008-9-23(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.”信息产业部软件与集成电路促进中心ZJU-UCF联合ESD实验室2008-9-23(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）信息产业部软件与集成电路促进中心ZJU-UCF联合ESD实验室2008-9-23(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）信息产业部软件与集成电路促进中心ZJU-UCF联合ESD实验室2008-9-23(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)等方法信息产业部软件与集成电路促进中心ZJU-UCF联合ESD实验室2008-9-23典型的失效形式•1、D-SsiliconfilamentdefectduetohighESDstressfield•2、gateoxidefilmsbreakdownduetohighESDelectricfield•3、ESDdamagesinmetalinterconnectduetojouleheating•4、latentESDfailure信息产业部软件与集成电路促进中心ZJU-UCF联合ESD实验室2008-9-23、D-Ssiliconfilamentdefect•下图是一个典型的双极保护电路，其中扩散电阻R信息产业部软件与集成电路促进中心ZJU-UCF联合ESD实验室2008-9-23•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，特点是振荡较少信息产业部软件与集成电路促进中心ZJU-UCF联合ESD实验室2008-9-23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：信息产业部软件与集成电路促进中心ZJU-UCF联合ESD实验室2008-9-23、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信息产业部软件与集成电路促进中心ZJU-UCF联合ESD实验室2008-9-23、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。信息产业部软件与集成电路促进中心ZJU-UCF联合ESD实验室2008-9-23、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。信息产业部软件与集成电路促进中心ZJU-UCF联合ESD实验室2008-9-23•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。信息产业部软件与集成电路促进中心ZJU-UCF联合ESD实验室2008-9-23、gateoxidefilmsbreakdownESD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)信息产业部软件与集成电路促进中心ZJU-UCF联合ESD实验室2008-9-23、gateoxidefilmsbreakdown1.5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)信息产业部软件与集成电路促进中心ZJU-UCF联合ESD实验室2008-9-23、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。信息产业部软件与集成电路促进中心ZJU-UCF联合ESD实验室2008-9-23、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。信息产业部软件与集成电路促进中心ZJU-UCF联合ESD实验室2008-9-23、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信息产业部软件与集成电路促进中心ZJU-UCF联合ESD实验室2008-9-23、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。信息产业部软件与集成电路促进中心ZJU-UCF联合ESD实验室2008-9-23、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。信息产业部软件与集成电路促进中心ZJU-UCF联合ESD实验室2008-9-23(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分析失效机理信息产业部软件与集成电路促进中心ZJU-UCF联合ESD实验室2008-9-23•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)信息产业部软件与集成电路促进中心ZJU-UCF联合ESD实验室2008-9-2