復(fù)合電應(yīng)力對芯片使用可靠性的影響分析

劉一杉，周亮，黃煒

（中國電子科技集團(tuán)公司 第二十四研究所，重慶 400060）

引言

隨著集成電路芯片設(shè)計(jì)、工藝的快速發(fā)展，集成電路的晶體管特征尺寸不斷縮小，實(shí)際芯片生產(chǎn)工藝中與理想情況存在差異，以及實(shí)際工作環(huán)境中器件工作條件與理想情況存在差異，使得集成電路芯片的抗電應(yīng)力沖擊能力越來越弱。許多抗電應(yīng)力沖擊能力較低的產(chǎn)品，在制造生產(chǎn)、運(yùn)輸貯存、實(shí)際應(yīng)用過程中因靜電而導(dǎo)致的失效越來越多，不僅提高了成本，更降低了產(chǎn)品可靠性[1]。

目前關(guān)于單應(yīng)力環(huán)境下器件使用可靠性的研究居多，但集成電路芯片的使用的環(huán)境越來越多樣化和惡劣，在多重復(fù)合電應(yīng)力同時(shí)存在時(shí)，器件的長期使用可靠性進(jìn)一步降低，極大的限制了集成電路芯片的使用壽命，而關(guān)于多重復(fù)合應(yīng)力下器件的使用可靠性的相關(guān)研究極少，尤其缺少針對具體集成電路芯片產(chǎn)品的在多重復(fù)合應(yīng)力下的實(shí)際故障案例，為集成電路可靠性的評價(jià)，典型故障模式的判斷帶來困難。

本文選取大規(guī)模集成電路波控專用芯片的故障為典型案例，對其多重復(fù)合電應(yīng)力下的故障模式進(jìn)行分析，分析產(chǎn)品經(jīng)歷單電應(yīng)力與多重復(fù)合電應(yīng)力下芯片可靠性的影響。

1 失效案例

從集成電路芯片失效機(jī)理進(jìn)行概括，其電應(yīng)力損傷，可分為電壓及電流兩類。電壓失效如靜電擊穿柵氧化層；電流失效如過流導(dǎo)致的電阻燒壞，PN 結(jié)的損傷，金屬/多晶硅互連線燒壞等[2]。

主要受金屬線（鋁線）以及多晶硅寬度、結(jié)面積大小、接觸孔尺寸、以及芯片中電流走勢的分布等，電應(yīng)力沖擊所產(chǎn)生的局部焦耳熱也可能燒壞金屬/多晶硅的連線或電阻。互連線的電流攜帶能力，可以表征為與其截面積相關(guān)的函數(shù)。除截面積外，同時(shí)也與熱柵、聚集電流、臺階覆蓋等因數(shù)相關(guān)。因此，在芯片氧化層臺階處，一旦受到脈沖大電流沖擊，其鋁層橫截面積不足以承受，則有更大的幾率發(fā)生熔融、開路，致使器件功能失效[3]。

通常根據(jù)產(chǎn)品的具體故障現(xiàn)象，可初步推測出其故障原因，但目前關(guān)于多重復(fù)合應(yīng)力的分析數(shù)據(jù)極少，實(shí)際案例更少，極大的增加了該類故障案例分析難度。

本次選取某款專用芯片產(chǎn)品故障案例開展復(fù)合電應(yīng)力對芯片可靠性的影響分析，該款芯片主要用于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，其功能框圖如圖1 所示，數(shù)據(jù)分別在LCK 和BG 上升沿存儲在一級鎖存器和二級鎖存器中，結(jié)合TRR1 和TRR2 輸入信號進(jìn)行二選一等組合邏輯操作，得到并行輸出控制信號U12~U1、W12~W1、V4~V1。在LD 和CLK 信號的控制下，電路通過ZTO 單元將二選一結(jié)果進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換輸出。此外，電路內(nèi)部還集成有欠壓保護(hù)單元，負(fù)責(zé)對負(fù)電源電壓進(jìn)行檢測，在欠壓狀態(tài)時(shí)輸出指示信號，將TR1 和TR2 輸出置為固定低電平。

圖1 專用芯片功能框圖

該款專用芯片器件規(guī)模大，在組件上使用過程中表現(xiàn)出正電源電流異常為15 mA，正常約為7 mA；ZTO 高電平異常為0.4 V，正常約為3.3 V；ZTO 端口對地阻抗異常為4.6 Ω，正常約為25 MΩ故障現(xiàn)象。

1.1 故障定位

1.1.1 內(nèi)部目檢

采用光學(xué)顯微鏡對該只故障件進(jìn)行內(nèi)部目檢，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部某SO 單元GND 鋁線處存在異常燒毀痕跡，如圖2 所示。

圖2 故障件內(nèi)部目檢形貌

由圖1 器件功能框圖可知，器件的SO 單元與ZTO 單元為兩個(gè)獨(dú)立的單元，本次內(nèi)部目檢結(jié)果即SO 單元內(nèi)部器件處存在燒毀與故障件前序端口阻抗測試結(jié)果即ZTO 端口對地阻抗異常為4.6 Ω不一致，為導(dǎo)致該故障現(xiàn)象的原因分析帶來了阻礙。

1.1.2 OBIRCH 定位

考慮故障件ZTO 端口對地阻抗異常為4.6 Ω，與前序內(nèi)部目檢結(jié)果不一致，因此采用OBIRCH（Optical Beam Induced Resistance Change）方法定位故障點(diǎn)，即激光熱效應(yīng)激勵(lì)電阻變化技術(shù)。

使用OBIRCH 技術(shù)，在出現(xiàn)故障的專用芯片兩端施加恒定直流電壓V，監(jiān)測此時(shí)的電流I。隨后將波長 1 340 nm 的激光束打在需要排查的芯片表面，逐區(qū)域依次加熱。激光照射的部分會(huì)出現(xiàn)溫度升高，故障處的電阻R 會(huì)隨之變化，在V 恒定的條件下，，相應(yīng)的I 同步變化。如此就能通過對電流變化的監(jiān)測，達(dá)到定位集成電路中漏電流點(diǎn)以及半導(dǎo)體材料異常點(diǎn)，通常即是缺陷所在[4]。

檢測結(jié)果顯示故障件ZTO 與地間NMOS管處存在異常，如圖3 所示。

圖3 故障件OBIRCH 定位結(jié)果

1.1.3 故障定位結(jié)果

故障芯片存在兩個(gè)故障點(diǎn)，分別為SO 單元GND鋁線燒毀，ZTO對地輸出NMOS管損傷。

1.2 原因分析及試驗(yàn)驗(yàn)證

本次故障件兩處故障形貌無直接關(guān)聯(lián)，如圖4 所示，且SO 單元GND 鋁線燒毀部位處于鋁線中段，燒毀部位前后無特殊設(shè)計(jì)，例如過孔、臺階、鋁線交疊等情況，如圖2 所示，與常規(guī)單一電應(yīng)力對器件的影響不一致，給本次故障原因的分析帶來了較大困難。

圖4 兩處故障點(diǎn)關(guān)聯(lián)性

前期針對該類故障現(xiàn)象，進(jìn)行了多類型驗(yàn)證試驗(yàn)，包括不同幅度、脈寬、施加形式的電應(yīng)力作用，并對試驗(yàn)后樣品進(jìn)行長期可靠性評價(jià)，但均未模擬出圖2 所示故障形貌，表明單一應(yīng)力作用下的故障模式與本次故障件并非相同。

考慮器件應(yīng)用過程中存在多重應(yīng)力疊加的過程，選取樣品開展多重應(yīng)力下可靠性評估。

經(jīng)過對多只樣品開展HBM、MM、CDM不同模式ESD；不同幅度、脈寬、施加形式EOS 試驗(yàn)后，在進(jìn)行MM 靜電試驗(yàn)后疊加進(jìn)行上電多次小幅度EOS 測試試驗(yàn)后復(fù)現(xiàn)處類似故障現(xiàn)象，如圖5所示。

圖5 復(fù)合電力試驗(yàn)后樣品形貌

其中集成電路芯片遭受的ESD 應(yīng)力可能來源于前期貼裝等過程，由于ESD 損傷程度較弱，對器件功能可能不會(huì)存在致命性影響，但經(jīng)歷后期疊加上電多次測試，原本損傷的部位長期可靠性存在問題，導(dǎo)致其出現(xiàn)明顯的燒毀痕跡，芯片表征出最終的功能性異常。

在靜電應(yīng)力和過電應(yīng)力作用下，芯片內(nèi)部器件存在一定的損傷，電應(yīng)力施加后在相關(guān)鋁線上產(chǎn)生過流，同時(shí)先進(jìn)的金屬系統(tǒng)要求更小的金屬線寬，較大的電流密度可使金屬連線移動(dòng)升至穿過接觸，過量的熱量還可通過硅融化或破裂使得器件發(fā)生物理損壞，將影響產(chǎn)品功能及可靠性。

2 結(jié)論

集成電路芯片在使用過程中可能會(huì)遭受多種復(fù)合應(yīng)力，例如溫度應(yīng)力、電應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力、溫度循環(huán)應(yīng)力、濕度應(yīng)力等，實(shí)際的使用環(huán)境復(fù)雜多變，通常并非單一應(yīng)力的影響，因此在進(jìn)行集成電路故障分析或長期使用可靠性評價(jià)時(shí)，需結(jié)合器件特點(diǎn)及使用環(huán)境，開展多重復(fù)合應(yīng)力下影響的分析。

針對多重復(fù)合應(yīng)力下集成電路芯片長期使用可靠性的研究及現(xiàn)象分析對其正確合理的使用具有重要支撐作用。