集成電路開短路失效原因探討

李興鴻，趙俊萍，趙春榮，賴世波

（北京微電子技術研究所，北京 100076）

0 引言

在集成電路的篩選、測試和使用中，經常發現在母體數很大的樣本中，總有個別器件出現開短路的嚴重失效模式。根據分析，都屬于過電應力熔融燒毀。

當判斷為過電應力損傷后，一般都希望知道過電應力是怎樣產生的。但過電應力產生的因素有很多，尋找比較困難。本文就是為了能找到產生過電應力的根本原因而進行的探討。

在失效分析的實踐中，出現開短路的集成電路的種類有很多，電路宏觀結構上有一定的差異。本文為了縮小研究范圍，選取CMOS數字集成電路作為研究的對象，從CMOS數字電路的宏觀結構性能出發，采用列舉法對可能的過電應力原因進行分析，以供今后失效分析及故障歸零做參考。

1 CMOS數字集成電路結構

CMOS數字集成電路一般由輸入、內部邏輯電路、輸出緩沖器、I/O雙向端口、三態輸出端口、以及輸入輸出ESD保護結構、電源對地ESD保護結構構成。在使用多電壓的電源時，還有電源之間的保護結構、地之間的保護結構。在單電源的情況下，簡化的CMOS數字電路結構示意如圖1所示，ESD保護網絡示意如圖2所示。圖1中的二極管是n阱與p襯底之間的襯底二極管。除圖中所示外，就物理結構來講，還要考慮如金屬層間電容等寄生結構[1]。

圖1 電路結構示意圖

圖2 ESD保護網絡示意圖

2 過電應力的概念

過電應力的概念比較寬泛。本文所指的過電應力不包括靜電放電（ESD）、雷電、電磁輻射等引起的器件直接燒毀或誘導燒毀等因素，也不包括缺陷導致的熔毀。

我們經常使用的過電應力是指超出或違背了器件規范規定的電壓和電流應力。過電應力可以是直流、交流，波形也可以是方波、正弦波、鋸齒波及其它非周期瞬時脈沖。從電壓和電流的幅度來看，可以很大，也可以很小，只要產生的局部功率密度足夠大，器件就會因過電應力而損壞。

在失效分析的實踐中，過電應力損傷還經常指有明顯可見熔蝕痕跡的損傷，一般表現為鍵合絲熔斷，芯片表面金屬布線熔融蒸發，硅材料熔融蒸發。鍵合絲的熔斷可以發生在任何管腳上，不只是電源或地管腳。

3 過電應力熔融燒毀原因分析

3.1 低壓通路分析

假定器件在規定的條件下功能和性能合格。我們以圖1和2的電路結構為例，以未加偏置時小電壓下的IV特性來說明可能的電流通路，結果見表1。

可見，在CMOS數字集成電路中，任意兩端都可由ESD保護結構等效的二極管以及MOS管的漏電通路構成低壓電流通路。這與實測的小電壓下任意兩端組合的IV特性相吻合。可用圖3表示，只是D1、D2的正向電壓會有變化，一般在0.2～0.7 V之間，R主體為一個柵控電阻，變化范圍較寬。

圖3 任意兩端的低壓直流等效電路

由圖3可以得出，在無偏置的情況下，只要A、B兩端施加的功率足夠大，此路涉及到的結構單元就會出現損傷。根據結構單元的損傷情況（有可能需要先進的失效分析工具），反過來確定導電通路，為尋找過電應力的根本原因提供依據。

3.2 過程異常情況及其對器件的影響

下面按試驗和使用中器件的連接、接電源、接信號和接地等步驟，列舉出容易出現的異常情況及其對器件的影響，見表2。統計雖不全面，但提供了查尋思路。

從表1中可以看出，導致過電應力的因素有很多，且試驗中出現的異常都可歸結為器件偏置異常。結合表1和圖1，任意兩端（或一對多）構成通路時，輕則出現結特性異常，重則出現熱電燒毀。而且，正向二極管容易出現過流燒毀；在通過高阻通路或反向二極管時，由于施加了恒流源，容易出現過壓擊穿（如柵穿、PN結擊穿），局部擊穿后形成低阻放電通路，累積的電荷放電、或施加的電壓未撤除可進一步形成大電流而使器件熱電燒毀。可見，過電應力的電壓或電流并不一定要很大。

表1 未加偏置時管腳組合間的低壓通路（IV特性）統計表

在能限制電壓、電流的情況下是不會出現永久損壞的，如IV特性測試以及抗閂鎖試驗時，由于保護得當，器件并不會損壞。所以，在沒有保護的情況下，表2中的各個項目都有可能造成鍵合絲的熔斷及芯片表面熔蝕，并可以發生在任何管腳上，不單是電源或地管腳。這些都是失效分析中常見的失效模式。

雖可根據失效模式和導電通路來推測根本原因，但如表2所示，這是一個一對多、多對多的網絡圖，范圍很寬。在實際工作中，參考表2的思路做出故障樹，并根據其它測量分析及記錄進一步縮小范圍。這個工作需要失效分析、測試、試驗等多方面的配合才有可能完成。但也許仍找不到真正的原因。因為有些現象可能還未意識到，無記錄可查；有些是受失效分析手段的限制，無法深入分析，從而導致證據不足。不過，通過這些排查，可促進規范化管理，避免失誤的重復發生，為后續準確地尋找失效原因提供支撐材料。

4 結束語

過電應力可導致集成電路開短路失效。雖然可以根據失效模式和失效通路來查找根本原因，但過電應力失效的原因有很多，很難判別。CMOS數字集成電路的任意兩端都可形成電流通路，過電壓或過電流都可導致電路的燒毀而開短路。過電應力的電壓或電流的單一數值不一定很大，但功率密度大。

表2 試驗過程異常情況統計表

要避免器件的過電應力燒毀，技術上要采取限流和限壓措施，但關鍵是要進行規范化管理，減少或避免出現未按器件規范使用而引起的器件偏置異常的外圍因素。

[1]AMERA SEKERA EA，DUVVURY C.ESD in silicon integrated circuits[M].Second Edition.New York：John Wiley&Sons.Ltd.，2002.