识别导致器件失效的静电放电模型

摘要

静电放电对微电子器件的危害越来越受到人们的重视。本文简介了静电的产生和抑制，介绍了人体模型、机器模型和带电器件模型及其模拟测试方法，以及静电放电保护电路，利用实验的方法重点研究了三种静电放电模型的失效特征。这一研究有助于人们在失效分析时能够识别静电放电的类型，从而更有效地帮助调查静电放电的根源。 静电放电会影响微电子器件的生产成品率、制造成本、产品质量和可靠性。尽管在过去的十多年中，科技工作者为降低静电的危害已作了很多努力，但是随着集成电路特征尺寸的减小，静电放电对微电子器件的危害却越来越严重。本课题通过对人体模型、机器模型和带电器件模型的理论认识, 设计实验方案和研究实验结果，再结合实际工作中遇到的许多静电失效案例的研究, 区分出三种模型所引起的器件失效，从而更有效地帮助调查静电放电的根源，不断改进静电防护措施，降低静电所造成的损失，保证产品可靠性。 本研究课题的依据在于： 1.不同静电放电模型的放电时间不同，造成器件损伤的能量不同。相比之下，电过应力造成的损伤比静电放电造成的损伤更严重。失效分析时，通过对失效部位的光学和扫描电子显微镜的目检，判断器件损伤的严重程度，作为区别电过应力(EOS)和静电失效(ESD)失效的判据之一。 2. 三种静电放电模型的放电波形不同，造成器件损伤的位置不同。利用光发射显微镜或液晶热点分析等技术进行缺陷定位，利用反应离子刻蚀机(RIE)和湿法腐蚀对器件进行逐层剥离分析，可确定损伤的位置。 3. 集成电路的引出脚可分为电源脚、接地脚、信号输入和输出脚。不同类型的引出脚，会使用不同结构的静电放电保护电路。它们对不同类型的静电放电模型的响应不同，导致器件损伤的部位不同。通过对失效器件的电性能测量，结合观察到的缺陷位置，以及静电放电保护结构的特点的分析，可能推断出静电的放电回路。 人体模型和机器模型两种类型静电失效的位置和损伤特征类似。器件的损伤主要位于输入/输出脚的静电放电保护电路里。但如果器件的电性能测量表现为电源脚漏电或者功能失效，器件的损伤也可能位于器件的核心电路里。两种类型的失效往往不能简单地加以区分，对同一种器件，可从损伤的严重程度以及运用两种静电放电模型的模拟测试结果进行对比分析后才能区分。 带电器件模型静电失效，因为很短的脉冲宽度和很快的上升时间，邻近键合焊盘的人体模型和机器模型静电放电保护电路不能作出快速反应，损伤常发生在第一个输入缓冲级，表现为多晶硅损伤或多晶硅栅边缘下的栅氧化层击穿，无电弧击穿。这是区别于人体模型和机器模型静电失效的重要特征。