CN112908875B - 一种基于图像的失效esd器件无损表征方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于图像的失效ESD器件无损表征方法，其特点是采用激光扫描或光发射显微技术对失效初期器件进行漏电路径定位，以及X射线显微镜对失效后期ESD器件进行断层扫描和3D重构，基于图像的观测，对失效ESD器件进行全面的无损表征，得到不同失效阶段的原因，以指导器件的优化设计。本发明与现有技术相比具有利用无损的方法得到不同失效阶段的原因，找出器件的可靠性问题和设计存在的薄弱区域，从而达到ESD器件优化的结果，指导器件的优化设计，提高ESD器件的可靠性，有效减少系统成本，降低设计和布线的复杂度，尤其适用系统的研究ESD器件内在运行机制和需要优化的部分，在低压、高压集成电路中具有重要的应用前景。

Description

一种基于图像的失效ESD器件无损表征方法

技术领域

本发明涉及纳米器件失效分析技术领域，尤其是一种基于图像的失效ESD器件无损表征方法。

背景技术

在集成电路产业中，静电放电（Electrostatic Discharge，ESD）失效在总失效的因素中占据很大的比例，造成了集成电路产业大量的经济损失。随着微电子技术的不断发展，半导体制造工艺特征尺寸不断减小，集成电路产品对ESD变得更加敏感，ESD防护成为国内外制造商和科研人员在器件可靠性领域中重要的研究方向之一。ESD防护分为片内和片外防护，其中片内ESD防护能够集成到IC芯片内部，节省了板级空间，减少系统成本并降低设计和布线的复杂度，成为ESD防护领域中必不可少的一环。在常用的ESD防护器件中，可控硅整流器（SCR）、与栅接地NMOS（GGNMOS）等新兴器件的改良和优化的研究，使得低压、高压集成电路的ESD防护得到提升。

现有技术的ESD器件常常由于可靠性问题导致性能不佳，比如较低的回滞电压所造成的闩锁现象和较低的失效电流使得器件的使用寿命较低。所以，研究可靠性是ESD器件优化重要部分，在可靠性领域中，广泛使用破坏性分析，如利用研磨法磨去表面的钝化层，拍摄SEM从而获得失效位置和失效原因，该方法耗时且容易丢失信息。此外，也有一些无损的分析方法，比如“一种器件热传导无损失效分析方法及装置”（CN 106841240A）是通过找到热阻异常层，再通过X射线电子计算机断层扫描方法，对热阻异常层进行结构图像重构，从而判断失效原因，但不够全面和系统。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供一种基于图像的失效ESD器件无损表征方法，采用激光扫描或光发射显微技术对失效初期器件进行漏电路径定位，以及X射线显微镜对失效后期ESD器件进行断层扫描和3D重构的方法，基于图像的观测，对失效ESD器件进行全面的无损表征，根据不同阶段的分析结构，利用无损的方法得到不同失效阶段的原因，得到器件的可靠性问题和设计存在薄弱区域，从而达到ESD器件优化的结果，指导器件的优化设计，提高ESD器件的可靠性，有效减少系统成本，降低设计和布线的复杂度，方法简便，效率高，ESD防护得到有效提升，在低压、高压集成电路中具有重要的应用前景。

实现本发明目的的具体技术方案是：一种基于图像的失效ESD器件无损表征方法，其特点是利用无损的方法得到不同失效阶段的原因，从而指导器件的优化设计，无损表征及具体分析包括下述步骤：

a步骤：获取不同失效程度的ESD器件；

b步骤：根据不同的损伤程度和电学特性，将所述失效ESD器件进行分类；

c步骤：采用光学仪器，将所述分类后的ESD器件逐一进行分析；

d步骤：根据分类失效分析流程处理并总结相应的结果。

所述获取不同程度的失效ESD器件具体包括：

1）完全没有经历过静电测试的器件；

2）在静电测试中电学性质发生突变；

3）在静电测试中器件表面发生损毁，即硬击穿程度到达肉眼可见的程度。

所述静电测试包含但不限于人体模型（HBM）、机器模型（MM）、充电器件模型（CDM）和传输线脉冲（TLP）。

所述电学性质发生突变具体为下述三种情况：

1）器件在同一直流电压测试时，经历静电冲击后，器件的漏电流发生10%的偏移；

2）在每一次ESD脉冲冲击后，测试引脚的I-V曲线与冲击前的曲线想对比，若出现超过30%的偏移；

3）若对ESD冲击后的被测器件重新进行功能测试，其各项功能指标发生变化的。

所述器件表面发生损毁是不断升高的ESD脉冲导致器件不仅仅发生电学性质的变化，而是产生金属的熔断，甚至器件的钝化层中的金属块皆发生熔化，此时，仅用光学显微镜即可观察到器件的硬失效。

所述失效ESD器件进行分类将仅仅是电学数据发生变化的器件用激光显微镜（EMMI）、光束诱导电阻变化（OBIRCH）或热发射显微镜（InSb EMMI）等进行定位分析；将没有经历过电学测试的器件和表面损毁的器件用X射线显微镜（XRM）进行无损断层扫描并用软件3D重构。

所述分类失效分析流程处理并总结相应的结果是利用版图信息，从三个视角一张张进行观测失效，定位器件从电学失效直至硬失效的过程，从物理角度分析器件的运行机理，从而优化器件。

本发明与现有技术相比具有能够基于图像的观测，在不同阶段损坏的ESD器件中获取有用的信息，并提供系统的分析方法，对ESD器件的结构优化起到重要作用。利用无损的方法得到不同失效阶段的原因，找出器件的可靠性问题和设计存在薄弱区域，从而达到ESD器件优化的结果，指导器件的优化设计，提高ESD器件的可靠性，有效减少系统成本，降低设计和布线的复杂度，方法简便，效率高，ESD防护得到有效提升，尤其适用系统的研究ESD器件内在运行机制和需要优化的部分，在低压、高压集成电路中具有重要的应用前景。

附图说明

图1为本发明操作流程图；

图2为器件在电学性能刚发生突变的漏电流图；

图3为器件在硬失效处于肉眼可见程度的漏电流图；

图4为器件未经静电测试的扫描电镜图；

图5为器件在静电测试时电学性能刚发生突变的扫描电镜图；

图6为器件在静电测试时硬失效已经处于肉眼可见的扫描电镜图；

图7为器件硬失效初始阶段的光致电阻发光热点定位图；

图8为两器件由外表至内特征对比分析的X射线断层扫描图。

具体实施方式

参阅附图1，本发明采用光致电阻发光（OBIRCH）对失效初期ESD器件进行漏电路径定位和X射线显微镜对失效ESD器件进行断层扫描和3D重构，利用无损的方法得到不同失效阶段的原因，从而优化器件设计，无损表征及失效分析具体包括下述步骤：

a步骤：获取不同失效程度的ESD器件，所述不同失效程度的ESD器件为完全没有经历过静电测试的器件或静电测试中电学性质发生突变、器件表面发生肉眼可见的硬击穿的器件。

b步骤：将上述失效ESD器件根据不同失效程度和电学特性分为失效阶段

和失效阶段

两类，所述失效阶段

为静电测试中电学性质发生突变的器件；所述失效阶段

为静电测试中器件表面发生肉眼可见的硬击穿的器件。

c步骤：将失效阶段

的器件采用微光显微镜（EMMI）、激光显微镜、光束诱导电阻变化（OBIRCH）或热发射显微镜（InSb EMMI）进行定位分析的失效表征；将失效阶段

的器件采用X射线显微镜（XRM）进行断层扫描的失效表征，并3D重构和逐层分析。

d步骤：根据分类失效分析的流程处理，得到器件的可靠性问题和设计的薄弱区域，从而达到优化器件的效果。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例的ESD保护器件选择直连二极管SCR（DCSCR），具体操作过程如下：

步骤1：器件的选用和应力施加

选择三个0.2 um流片的DCSCR器件。其中，器件1不施加任何ESD应力，用作完整器件进行对比，器件2和器件3用TLP脉冲施加ESD应力，器件2施加ESD应力直至电学曲线发生偏移，器件3施加ESD应力直至器件表面损毁。

参阅附图2，器件2用TLP脉冲施加ESD应力，当电学数据刚刚发生突变，便停止施加ESD脉冲，从图中箭头指出的区域得出器件2是电学数据刚刚发生突变的器件，其漏电流突然变小。

参阅附图3，器件3用TLP脉冲施加ESD应力，当漏电流变大，便停止施加ESD脉冲，从图中箭头指出的两个区域得出漏电流经历了突然变小后又突然增大的过程。

步骤2：器件的形貌观测

参阅附图4，器件1由于没施加任何ESD应力，扫描电子显微镜观测的器件形貌完整，没有观察到任何损伤。

参阅附图5，器件2用TLP脉冲施加ESD应力，当电学数据刚刚发生突变，便停止施加ESD脉冲，器件表面也并未有任何损伤，说明器件2的损伤是在钝化层下，且范围较小。

参阅附图6，器件3用TLP脉冲施加ESD应力，当漏电流变大，便停止施加ESD脉冲，器件表面已经发生较为严重损伤，用于平衡密度的金属颗粒皆以融化，说明正负极PAD之间的器件经历了硬失效。

步骤3：失效点定位

参阅附图7，器件2的两端接0.6 V的电压，采用激光扫描技术中的OBIRCH对器件2进行失效点定位，参照版图，其热点的位置说明失效起源于钝化层的下端。，步骤4：对器件3进行等离子体清洗，去除残留表面的碳沉积后，置于X射线显微镜中进行三维扫描，其扫描结果如附图8 所示，经软件重构后，得到三维的DCSCR器件结构。同时，对器件1进行同样的处理，作为失效器件3的对比。

步骤5：利用三维重构软件，对逐层扫描图片进行调节对比度、亮度以及滤波等一系列处理以提高可视度。在不同的视角下，寻找异常区域，对比未经ESD冲击的器件进行对比分析。

参阅附图8，将器件逐层扫描的结构经对比度、亮度以及滤波等一系列处理后提高了可视度，得到器件最表层的钝化层到内部金属布线中典型的特征俯视图。X射线显微镜成像衬度与材料性质有关，对照DCSCR的版图信息，可以看出衬度较亮的是金属，而衬度较暗的是钝化层和硅材料等。每幅图中的上层图片为器件3的扫描层结构，下层图片为作为对比的完好器件1的扫描层结构。

参阅附图8a，可以看出器件3的表层金属颗粒均匀熔化。

参阅附图8b~图8c，可以看出器件3金属层的中间部分受损更严重。

参阅附图8d~图8c，可以看出器件3金属布线的两端和中间部分先发生损坏。

参阅附图8f，可以看出器件3金属布线两端的金属线发生损坏。

步骤6：总结以上步骤3和步骤5的不同程度的失效结果，可以得出初始失效点的区域容易发生在金属线的两端，当ESD应力仍继续施加时，器件金属布线中间部分最先损坏，之后蔓延至两端非金属层，最终导致表层的金属颗粒熔化。此外，该器件中外接的二极管串并未有任何损伤，表明只有SCR部分承受了静电作用。从分析可以得出金属布线的两端更容易受到ESD的损伤，可以通过优化此处的金属布线得以延长二次失效图的时间。根据二极管串部分并未失效和金属布线的边缘处较为薄弱的问题，进一步提出版图设计的优化结果。本发明能够基于图像的观测，在不同阶段损坏的ESD器件中获取有用的信息，并提供系统的分析方法，对ESD器件的结构优化起到重要作用。

以上只是对本发明作进一步的说明，并非用以限制本专利，凡为本发明等效实施，均应包含于本专利的权利要求范围之内。

Claims (4)

1.一种基于图像的失效ESD器件的无损表征方法，其特征在于采用激光扫描或光发射显微技术对失效初期器件进行漏电路径定位，以及X射线显微镜对失效后期ESD器件进行断层扫描和3D重构，基于图像的观测，对失效ESD器件进行全面的无损表征，得到不同失效阶段的原因，从而优化器件设计，无损表征及失效分析具体包括下述步骤：

a步骤：获取不同失效程度的ESD器件，所述不同失效程度的ESD器件为完全没有经历过静电测试的器件、静电测试中电学性质发生突变以及器件表面发生肉眼可见的硬击穿的器件；

b步骤：将上述失效ESD器件根据不同失效程度和电学特性分为失效阶段

和失效阶段

两类，所述失效阶段

为静电测试中电学性质发生突变的器件；所述失效阶段

为静电测试中器件表面发生肉眼可见的硬击穿的器件；

c步骤：将失效阶段

的器件采用微光显微镜、激光显微镜、光束诱导电阻变化或热发射显微镜进行定位分析的失效表征；将失效阶段

的器件采用X射线显微镜（XRM）进行断层扫描的失效表征，并3D重构和逐层分析；

d步骤：根据分类失效分析的流程处理，得到器件的可靠性问题和设计的薄弱区域，从而达到优化器件的效果。

2.根据权利要求1所述基于图像的失效ESD器件无损表征方法，其特征在于所述静电测试为人体模型（HBM）、机器模型（MM）、充电器件模型（CDM）或传输线脉冲（TLP）。

3.根据权利要求2所述基于图像的失效ESD器件无损表征方法，其特征在于所述电学性质发生突变具体包括下述三种情况；

1）器件在同一直流电压测试时，经历静电冲击后，器件的漏电流发生10%的偏移；

2)每次ESD脉冲冲击后，将测试引脚的I-V曲线与冲击前的曲线进行比对，若出现超过30%的偏移；

3）对ESD冲击后的被测器件重新进行功能测试时，其各项功能指标发生变化的。

4.根据权利要求1所述基于图像的失效ESD器件的无损表征方法，其特征在于所述逐层分析是对照版图信息，从三个视角逐张观测捕捉到的图像，得出器件从电学失效直至硬失效的过程，判断失效原因，从而达到优化器件的效果。

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