半导体器件的电气过应力和静电放电故障——第三部分 静电放电, 半导体

Bazinga

遭受ESD应力的IC有着明显的故障特征。高电流会融化半导体结构的不同区域（ESD-HBM），而高电场则会破坏电介质（ESD-CDM）。ESD引发的最常见故障模式就是输入/输出引脚处漏电或电阻短路，通过测试台或ATE测试检测现场返修的产品就能发现这种情况。其它故障模式包括高关闭电流（IDDS）、供电电流（IDD）和无输出等开放引脚。开路和短路可通过I-V曲线跟踪测试台观察到。内部电路损坏检测则需要高级故障分析技术。在本节中，我们将详细介绍ESD/EOS损坏器件的电气和物理分析。HBM和CDM代表不同的EOS类型。EOS和ESD可以多种方式损坏半导体器件。大多数EOS和ESD造成的故障都跟以下故障机制有关：
● 热损坏或燃烧金属化
● 氧化物或电介质击穿
● 接触损坏或结点损坏
热损坏
热损坏是一种EOS和ESD机制。由于EOS-ESD事件中生成大量热量，金属导体或电阻接头熔化。作为保险丝的金属线熔化变成开路。EOS、ESD-HBM事件中会观察到金属熔化。不过，如果导体膜较厚，金属会部分熔化，可能影响器件的功能。如果金属线电阻为R，电流为IESD，那么产生的功耗为P=I2ESD*R。当局部热量造成温度上升到金属线的熔点时，就会出现金属熔化。以下给出了一些EOS和ESD-HBM的实例。
在图7中，器件的引脚至引脚I/V曲线没出现短路、开路等不正常情况，但取下后SEM出现燃烧金属化。




图7：EOS造成的燃烧金属化图示
氧化物或电介质击穿

氧化物击穿可分为软击穿或硬击穿。软击穿是指电介质上的高电阻电流路径，而硬击穿是指电解质层上的高传导性路径。在氧化物软击穿中，器件仍能良好工作，晶体管性能不会发生很大变化。这时会发现漏电情况比正常器件略高，但仍可能在数据表限制范围以内。在氧化物硬击穿中，器件无法工作，从栅极到通道形成电流路径，晶体管被破坏。

栅氧化层损坏是ESD事件中最常见的。栅氧化层击穿取决于氧化物的厚度、偏置电压、氧化物材料的击穿电压、氧化物膜的均匀度和粗糙度等。如氧化物膜有尖锐边缘，那么感应电场会高度集中在边缘上，很可能被击穿。

假设氧化物层厚度为100A0而氧化物层上的电压为3.3V，那么氧化物层上的平均电场计算如下：E=V/Tox




氧化物或电介质击穿

电介质材料二氧化硅的击穿电场为11x106V/cm。如氧化物厚度减为50A0，E=6.6x106V/cm且电介质间的电场增加，就会趋近于击穿。如V为常量不变，E.Tox=常量，这是一个双曲线方程式（XY=C）。图8给出了电场和氧化物厚度的曲线。



图8：电场和氧化物厚度




图9：（a）ESD脉冲前的栅氧化层、（b）受到破坏的氧化物形成的细丝和（c）V>VB电介质短路等原理图


氧化物击穿有以下机制：氧化物层上的电压超过氧化物（电介质）的击穿电压（V>VB），这样栅氧化层会被击穿，氧化物层上形成较低电阻或传导路径。由于电流流过路径的电阻减小（氧化物或电介质击穿），会出现电介质的局部升温。由于局部温度较高，传导位置熔化，形成细丝，进而导致电介质上的金属层短路，如图9所示。氧化物击穿是CDM的主要击穿机制。



图10：栅氧化层破裂


图10给出了ESD-CDM事件中出现氧化物破裂的情况。在故障部件中，测试台没有观察到输出。在电隔离情况下，振荡器电路的参考输入引脚处观察到高漏电。振荡器模块的参考输入引脚电容处也检测到热点。
图11显示了没有观察到输出的晶体振荡器的ESD损坏情况。测试台（I-V曲线跟踪）显示OE（输出启用）引脚处有4.3mA的漏电。故障点隔离用Hamamatsu emission/OBIRCH显微镜检查实现，将问题局部化。在故障引脚的输入电路上检测到热点。随后采用等离子/化学蚀刻进行物理分析发现emission microcopy识别的热点区域存在引脚孔。



图11：I-V曲线跟踪、热点和引脚孔的图示
接触毛刺或结点损坏

接触毛刺或结点损坏是指p-n结点因ESD事件造成的焦耳热效应损坏。当芯片加热后，共价键被破坏并生成电荷载体，而芯片的电阻率和热传导性随着温度升高而降低。



图12：接触损坏的SEM图


ESD脉冲作为一个电流源。当ESD脉冲突然施加到芯片上时，会加热不均匀。局部区域在绝热条件下加热，较高电流提升结点温度，并超过芯片的熔点，从而造成结点熔化。图12显示ESD造成的接触损坏。ESD产生的能耗引起接触毛刺或结点损坏，其计算如下：
在绝热条件下，ESD事件产生的能量等于结点吸收的能量：Q1=Q2
其中，




假设Q1=Q2




Csp=具体热容量，ρ=密度，T0=初始温度

如果T≥Tm（熔点），那么就会出现结点熔化。

Wunsch & Bell模型采用以下热扩散方程式，这是描述结点击穿的最常用模型。在此模型中，结点击穿现象由脉冲宽度和器件施加的功率密度决定。




其中，P=以瓦特为单位的故障功耗，A=以平方厘米为单位的面积，Cp=以J/gcm-K为单位的热容量，ρ=以g/cm3为单位的密度，κ=以W/cm-K为单位的热传导，t=矩形脉冲宽度，Tm=结点熔化温度，而T0=初始温度。


以上方程式说明了温度、ESD脉冲电压、故障功率和材料熔点之间的关系。