SOI CMOS 電路穩(wěn)態(tài)壽命試驗(yàn)后漏電失效分析

張宇隆 ， 文 宇 ， 鄭廣州

（國(guó)家新能源汽車技術(shù)創(chuàng)新中心，北京 100176）

0 引言

SOI CMOS 電路相對(duì)于體硅CMOS 電路，具有速度快、功耗低、集成度高、抗輻照能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，且徹底消除體硅CMOS 電路的寄生閂鎖效應(yīng)，在制備高性能ULSI、高壓、高溫、抗輻照、低壓低功耗及三維集成電路等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)[1-3]。應(yīng)用于航空、航天、汽車等高質(zhì)量等級(jí)的電路，需要滿足應(yīng)用系統(tǒng)高可靠、長(zhǎng)壽命的要求[4-6]。電路裝機(jī)應(yīng)用前，通常需要抽樣進(jìn)行包括穩(wěn)態(tài)壽命試驗(yàn)在內(nèi)的一系列可靠性試驗(yàn)，以驗(yàn)證電路的可靠性是否達(dá)到應(yīng)用要求[7-8]。如果試驗(yàn)過(guò)程中電路發(fā)生失效，則需對(duì)其進(jìn)行分析，確定失效原因并進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)，從而確保電路的可靠應(yīng)用。

針對(duì)集成電路或分立器件在可靠性試驗(yàn)后的失效問(wèn)題，大量學(xué)者已開(kāi)展過(guò)分析研究。如Liu等[9]針對(duì)VDMOS 在DC/DC 轉(zhuǎn)換試驗(yàn)后的漏電失效進(jìn)行了分析，推測(cè)導(dǎo)致該失效的原因?yàn)樵礃O金屬鋁穿刺導(dǎo)致器件在高溫偏置應(yīng)力下發(fā)生漏電。Fu 等[10-12]分別針對(duì)或非門電路、功率MOSFET器件、電磁繼電器在不同環(huán)境應(yīng)力下存儲(chǔ)后的失效進(jìn)行了分析，確定了失效根本原因。席善斌等[13]對(duì)多模計(jì)數(shù)器老煉試驗(yàn)后失效進(jìn)行了分析，認(rèn)為靜電損傷是導(dǎo)致其失效的原因，并對(duì)失效機(jī)理進(jìn)行了剖析。

雖然學(xué)者們已經(jīng)對(duì)分立器件和體硅工藝電路進(jìn)行大量失效分析研究，但是針對(duì)SOI CMOS 電路在穩(wěn)態(tài)壽命試驗(yàn)后的漏電失效探索研究較少。本研究針對(duì)SOI CMOS 電路在1000 h 穩(wěn)態(tài)壽命試驗(yàn)后的漏電失效進(jìn)行分析排查，確定失效根因，復(fù)現(xiàn)失效模式，并提出預(yù)防建議。對(duì)SOI CMOS 電路漏電失效提供的分析思路和方法，可為后續(xù)類似失效分析和預(yù)防提供借鑒和參考。

1 故障背景

針對(duì)一批SOI COMS 電路在穩(wěn)態(tài)壽命試驗(yàn)后失效的樣品開(kāi)展失效分析。該樣品采用DIP 陶瓷密封封裝。穩(wěn)態(tài)壽命試驗(yàn)條件依據(jù)GJB 548B 進(jìn)行[7]，試驗(yàn)溫度為125 ℃，試驗(yàn)時(shí)間為1000 h。試驗(yàn)前各樣品電參數(shù)測(cè)試全部合格。試驗(yàn)后，常溫電參數(shù)測(cè)試發(fā)現(xiàn)2 樣品發(fā)生輸入端口漏電超標(biāo)失效（＞0.5 μA），其中1 件失效樣品（編號(hào)為1#）輸入端口漏電流為1.60 μA，另1 件失效樣品（編號(hào)為2#）輸入端口漏電流為0.97 μA。穩(wěn)態(tài)壽命試驗(yàn)過(guò)程中曾發(fā)生試驗(yàn)室突然停電，導(dǎo)致試驗(yàn)設(shè)備異常掉電的情況，除此之外無(wú)其他異常情況發(fā)生。

2 原因分析

根據(jù)失效器件的失效模式，以“個(gè)別器件漏電流失效”為頂事件，從器件本身缺陷和外部應(yīng)力異常兩方面入手進(jìn)行故障樹(shù)分析，如圖1 所示。共找出5 個(gè)可能導(dǎo)致頂事件發(fā)生的原因（底事件），即離子沾污、內(nèi)部氣氛不佳、芯片外表面污染、異常掉電致?lián)舸┖挽o電放電致失效。本失效分析基于先無(wú)損后有損的原則，先后進(jìn)行異常掉電致?lián)舸┡挪椤㈦x子沾污排查、內(nèi)部氣氛不佳排查、芯片外表面污染排查和ESD 致失效排查。

2.1 異常掉電致?lián)舸┡挪?/h3>

若1000 h 穩(wěn)態(tài)壽命試驗(yàn)過(guò)程異常掉電是電源電壓先斷，信號(hào)電壓后斷，則樣品有可能產(chǎn)生過(guò)電損傷，造成擊穿失效。而該試驗(yàn)掉電是閃路過(guò)程，因穩(wěn)態(tài)壽命試驗(yàn)設(shè)備電源和地之間有保護(hù)電容，瞬間掉電后信號(hào)電壓先斷，電源電壓后斷，因此不存在上述隱患。圖2 給出工位掉電瞬間樣品失效端口的電壓波形情況，可以觀察到電源電壓掉電過(guò)程失效端口電壓緩慢平穩(wěn)下降，未出現(xiàn)尖峰等異?，F(xiàn)象，因此，可以判定不是掉電過(guò)程導(dǎo)致樣品漏電失效。

圖2 工位掉電過(guò)程電壓波形Fig.2 Voltage waveform during power off

試驗(yàn)重新上電過(guò)程為電力恢復(fù)后手動(dòng)正常上電。對(duì)2 件失效樣品和1 件合格樣品所在工位重新上電過(guò)程的電壓波形進(jìn)行捕捉，見(jiàn)圖3。在重新上電過(guò)程中，樣品所承受電壓是緩慢上升的，上電過(guò)程未出現(xiàn)較大異常電壓，因此可以判定上電過(guò)程不會(huì)導(dǎo)致樣品漏電失效。

圖3 工位重新上電過(guò)程電壓波形Fig.3 Voltage waveform during power on again

2.2 離子沾污排查

芯片內(nèi)部沾污離子（如Na+）在柵氧層中極易發(fā)生遷移，會(huì)造成表面反型或形成溝道，導(dǎo)致其輸入漏電流增大。由于可動(dòng)離子濃度極小，難以直接檢測(cè)，因此采用模擬試驗(yàn)來(lái)識(shí)別離子沾污問(wèn)題。若失效樣品是由芯片內(nèi)部存在離子沾污導(dǎo)致漏電增大，則高溫存儲(chǔ)后沾污離子會(huì)均勻擴(kuò)散以致遠(yuǎn)離柵氧界面，失效樣品漏電會(huì)減小，再經(jīng)穩(wěn)態(tài)壽命試驗(yàn)后，沾污離子在偏置電壓作用下會(huì)重新遷移到柵氧界面，失效樣品漏電流又會(huì)重新變大。

對(duì)1#樣品進(jìn)行28 h 的高溫（125 ℃）存儲(chǔ)，存儲(chǔ)后其輸入漏電流由1.60 μA 降低為0.47 μA。再對(duì)該樣品進(jìn)行96 h 的高溫（125 ℃）穩(wěn)態(tài)壽命試驗(yàn)，試驗(yàn)后樣品輸入漏電流并未變大，反而進(jìn)一步降低為0.35 μA?？梢?jiàn)，該失效樣品輸入漏電超標(biāo)與芯片內(nèi)部離子沾污無(wú)關(guān)。

2.3 內(nèi)部氣氛不佳排查

失效樣品內(nèi)部氣氛不佳主要是由于樣品內(nèi)部存在含量超標(biāo)的水汽。超標(biāo)水汽在一定溫度下會(huì)凝結(jié)成水膜，附著在芯片表面形成微漏電通道，導(dǎo)致樣品輸入漏電流增大。首先，取1#樣品進(jìn)行密封性測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示樣品密封性合格，因此排除外部不良?xì)夥者M(jìn)入樣品內(nèi)部導(dǎo)致漏電的可能。同時(shí)確保樣品內(nèi)部水汽等氣體不會(huì)向外泄漏干擾后續(xù)試驗(yàn)判斷。然后，對(duì)失效樣品進(jìn)行16 h/100 ℃高溫烘烤后，測(cè)試其內(nèi)部水汽含量，測(cè)試結(jié)果顯示內(nèi)部水汽含量為6.18×10-4，遠(yuǎn)低于規(guī)范要求值（＜5×10-3）?？梢?jiàn)，失效樣品輸入漏電流超標(biāo)與器件內(nèi)部氣氛不佳無(wú)關(guān)。

2.4 芯片外表面污染排查

芯片外表面污染主要包括可動(dòng)顆?；蛉魏纹渌庋b過(guò)程中引入的雜質(zhì)污染，各種污染物會(huì)使芯片及電極系統(tǒng)發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而可能導(dǎo)致樣品輸入漏電流超標(biāo)失效。對(duì)2#樣品用PTI4501 顆粒碰撞離子噪聲檢測(cè)儀進(jìn)行檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)樣品內(nèi)部存在可動(dòng)多余物，排除可動(dòng)多余物導(dǎo)致樣品漏電的可能。利用X 射線探測(cè)樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)（圖4），樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)完整，未發(fā)現(xiàn)芯片和封裝存在材料或結(jié)構(gòu)異常。采用機(jī)械法將樣品開(kāi)帽，通過(guò)光學(xué)顯微鏡檢查樣品內(nèi)部形貌（圖5），未發(fā)現(xiàn)樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)及芯片表面存在可見(jiàn)沾污物等異常。綜上所述，可以得出失效樣品輸入漏電流超標(biāo)與芯片外表面污染無(wú)關(guān)。

圖4 失效樣品X-Ray 測(cè)試圖Fig.4 X-ray test chart of the failed sample

圖5 失效樣品內(nèi)部觀察圖Fig.5 Internal view of the failed sample

2.5 ESD 致失效排查

選取2#樣品，通過(guò)光束誘導(dǎo)電阻變化（OBIRCH）對(duì)樣品漏電點(diǎn)進(jìn)行定位，定位結(jié)果見(jiàn)圖6。由圖可以看出，漏電位置為樣品輸入端接地側(cè)二極管處。對(duì)失效樣品進(jìn)行去層處理，通過(guò)SEM 觀察樣品漏電點(diǎn)微觀形貌見(jiàn)圖7。可以看出，輸入端二極管PN 結(jié)界面處存在明顯的針孔損傷，這是比較典型的ESD 致?lián)p傷形貌[14]。ESD 可以產(chǎn)生幾千伏甚至上萬(wàn)伏的電壓，結(jié)合高溫退火后漏電變化情況可以推測(cè)：一方面，形成的電場(chǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)二極管臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)，PN 結(jié)發(fā)生雪崩倍增，部分元胞在PN 結(jié)拐角處等電場(chǎng)最強(qiáng)位置形成瞬間集中電流，集中電流導(dǎo)致局部溫度瞬間升高，產(chǎn)生PN 結(jié)熱擊穿現(xiàn)象；另一方面，部分元胞在高壓電場(chǎng)下僅發(fā)生雪崩倍增，產(chǎn)生大量電子空穴對(duì)，未進(jìn)一步發(fā)生熱擊穿，這些電子空穴對(duì)在常溫下并不會(huì)快速完全復(fù)合。因此，高溫退火后二極管漏電流會(huì)有部分恢復(fù)，但不會(huì)完全恢復(fù)到試驗(yàn)前的正常狀態(tài)。

圖6 OBIRCH 漏電點(diǎn)定位結(jié)果Fig.6 Leakage location based on OBIRCH

圖7 漏電點(diǎn)柵氧層SEM 形貌Fig.7 SEM image of gate oxide layer at leakage point

該批樣品穩(wěn)態(tài)壽命試驗(yàn)過(guò)程中，試驗(yàn)員佩戴防靜電腕帶和指套，且在離子風(fēng)覆蓋下完成。所用防靜電腕帶為尼龍編織材質(zhì)，由于防靜電腕帶使用時(shí)間較長(zhǎng)，產(chǎn)生應(yīng)力松弛，在試驗(yàn)過(guò)程中存在與腕部接觸不良的風(fēng)險(xiǎn)（圖8）。

圖8 防靜電腕帶Fig.8 Antistatic wrist strap

使用的指套為絕緣橡膠材質(zhì)、非防靜電專用指套，如圖9 所示。該絕緣指套雖然電阻較高，但仍存在感應(yīng)電壓和充電電壓，并且隨著操作次數(shù)的增加，指套材料老化顯著，絕緣性能下降，感應(yīng)電、電阻漏電等很容易使接觸的樣品帶電，存在ESD 隱患。綜上所述，可以推斷樣品失效是ESD導(dǎo)致的。

圖9 絕緣指套Fig.9 Insulated finger-cots

3 失效模式復(fù)現(xiàn)

ESD 導(dǎo)致的電路失效，漏電流通常較大，且伴有功能失效。而本研究顯示ESD 也可以導(dǎo)致μA 級(jí)的局部漏電失效。分別通過(guò)ESD 專用測(cè)試設(shè)備模擬和原試驗(yàn)過(guò)程模擬復(fù)現(xiàn)上述ESD 失效模式，一方面印證上述失效分析結(jié)論，另一方面也證明該失效發(fā)生具有一定的普遍性。

3.1 ESD 測(cè)試設(shè)備模擬復(fù)現(xiàn)

取同批次合格樣品1 件，該樣品輸入端漏電流小于0.5 μA。通過(guò)ESD 專用測(cè)試設(shè)備，模擬樣品ESD 失效機(jī)理，依據(jù)MIL-STD-883 方法3015[15]對(duì)其進(jìn)行3.3 kV 的人體模型靜電放電試驗(yàn)，正負(fù)3 個(gè)脈沖，間隔時(shí)間為1 s。試驗(yàn)后測(cè)試樣品電參數(shù)，發(fā)現(xiàn)樣品輸入端漏電流增大到4.50 μA，其他參數(shù)未見(jiàn)異常。對(duì)該樣品進(jìn)行48 h/125 ℃高溫存儲(chǔ)，存儲(chǔ)后樣品輸入端漏電流降低到0.86 μA。再對(duì)該樣品進(jìn)行96 h/125 ℃高溫穩(wěn)態(tài)壽命試驗(yàn)，試驗(yàn)后樣品輸入端漏電流進(jìn)一步降低到0.67 μA，與失效樣品現(xiàn)象一致，失效模式得到復(fù)現(xiàn)。

3.2 原試驗(yàn)過(guò)程模擬復(fù)現(xiàn)

在穩(wěn)態(tài)壽命試驗(yàn)過(guò)程中，可能引入ESD 損傷的環(huán)節(jié)主要為樣品的裝載和取下過(guò)程。取同批次合格樣品6 件，各樣品輸入端漏電流均小于0.5 μA。在原穩(wěn)態(tài)壽命試驗(yàn)場(chǎng)地，通過(guò)與失效樣品相同的試驗(yàn)設(shè)備，模擬樣品裝載和取下過(guò)程，具體復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)過(guò)程如下：

試驗(yàn)員佩戴接觸不良的尼龍防靜電腕帶和非防靜電專用指套，手持樣品觸碰金屬桌面，模擬裝載、取下樣品時(shí)不小心將樣品碰到金屬桌面的情形。先通過(guò)摩擦或高壓源對(duì)試驗(yàn)員人體充電，使其攜帶一定量值的靜電，充電時(shí)試驗(yàn)員右手持樣品；充電結(jié)束后，抓住樣品一端，將樣品另一端觸碰桌面；取6 件樣品進(jìn)行試驗(yàn)，每件樣品重復(fù)操作3 次。操作結(jié)束后，對(duì)各樣品進(jìn)行電參數(shù)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果為：1 件樣品發(fā)生輸入端口漏電流超標(biāo)失效，漏電流值為8.63 μA。對(duì)該樣品進(jìn)行48 h/125 ℃高溫存儲(chǔ)，存儲(chǔ)后樣品輸入端漏電流降低到2.28 μA。再對(duì)該樣品進(jìn)行96 h/125 ℃高溫穩(wěn)態(tài)壽命試驗(yàn)，試驗(yàn)后樣品輸入端漏電流進(jìn)一步降低到1.95 μA，與失效樣品現(xiàn)象一致，失效模式得到復(fù)現(xiàn)。

4 結(jié)論

1）ESD 易使SOI CMOS 電路輸入端二極管產(chǎn)生針孔損傷，導(dǎo)致電路產(chǎn)生較小電流的漏電，漏電等級(jí)通常為μA 級(jí)，且該漏電在高溫退火后會(huì)有部分恢復(fù)。

2）SOI CMOS 電路為靜電敏感型電路，在試驗(yàn)過(guò)程中，即使試驗(yàn)員按要求佩戴防靜電腕帶和指套，若防靜電腕帶或絕緣指套狀態(tài)不佳，仍易引發(fā)樣品ESD 失效。

3）建議試驗(yàn)過(guò)程中選用全金屬防靜電腕帶和防靜電專用指套，若選用尼龍編制腕帶，必須定期更換。