張宇隆 ， 文 宇 ， 鄭廣州

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

0 引言

SOI CMOS 電路相對于體硅CMOS 電路，具有速度快、功耗低、集成度高、抗輻照能力強等優(yōu)點，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[1-3]。應(yīng)用于航空、航天、汽車等高質(zhì)量等級的電路，需要滿足應(yīng)用系統(tǒng)高可靠、長壽命的要求[4-6]。電路裝機應(yīng)用前，通常需要抽樣進行包括穩(wěn)態(tài)壽命試驗在內(nèi)的一系列可靠性試驗，以驗證電路的可靠性是否達到應(yīng)用要求[7-8]。如果試驗過程中電路發(fā)生失效，則需對其進行分析，確定失效原因并進行相應(yīng)改進，從而確保電路的可靠應(yīng)用。

針對集成電路或分立器件在可靠性試驗后的失效問題，大量學者已開展過分析研究。如Liu等[9]針對VDMOS 在DC/DC 轉(zhuǎn)換試驗后的漏電失效進行了分析，推測導(dǎo)致該失效的原因為源極金屬鋁穿刺導(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)力下存儲后的失效進行了分析，確定了失效根本原因。席善斌等[13]對多模計數(shù)器老煉試驗后失效進行了分析，認為靜電損傷是導(dǎo)致其失效的原因，并對失效機理進行了剖析。

雖然學者們已經(jīng)對分立器件和體硅工藝電路進行大量失效分析研究，但是針對SOI CMOS 電路在穩(wěn)態(tài)壽命試驗后的漏電失效探索研究較少。本研究針對SOI CMOS 電路在1000 h 穩(wěn)態(tài)壽命試驗后的漏電失效進行分析排查，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

針對一批SOI COMS 電路在穩(wěn)態(tài)壽命試驗后失效的樣品開展失效分析。該樣品采用DIP 陶瓷密封封裝。穩(wěn)態(tài)壽命試驗條件依據(jù)GJB 548B 進行[7]，試驗溫度為125 ℃，試驗時間為1000 h。試驗前各樣品電參數(shù)測試全部合格。試驗后，常溫電參數(shù)測試發(fā)現(xiàn)2 樣品發(fā)生輸入端口漏電超標失效（＞0.5 μA），其中1 件失效樣品（編號為1#）輸入端口漏電流為1.60 μA，另1 件失效樣品（編號為2#）輸入端口漏電流為0.97 μA。穩(wěn)態(tài)壽命試驗過程中曾發(fā)生試驗室突然停電，導(dǎo)致試驗設(shè)備異常掉電的情況，除此之外無其他異常情況發(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行故障樹分析，如圖1 所示。共找出5 個可能導(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損后有損的原則，先后進行異常掉電致?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)壽命試驗過程異常掉電是電源電壓先斷，信號電壓后斷，則樣品有可能產(chǎn)生過電損傷，造成擊穿失效。而該試驗掉電是閃路過程，因穩(wěn)態(tài)壽命試驗設(shè)備電源和地之間有保護電容，瞬間掉電后信號電壓先斷，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程失效端口電壓緩慢平穩(wěn)下降，未出現(xiàn)尖峰等異常現(xiàn)象，因此，可以判定不是掉電過程導(dǎo)致樣品漏電失效。

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

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

圖3 工位重新上電過程電壓波形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。由于可動離子濃度極小，難以直接檢測，因此采用模擬試驗來識別離子沾污問題。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，則高溫存儲后沾污離子會均勻擴散以致遠離柵氧界面，失效樣品漏電會減小，再經(jīng)穩(wěn)態(tài)壽命試驗后，沾污離子在偏置電壓作用下會重新遷移到柵氧界面，失效樣品漏電流又會重新變大。

對1#樣品進行28 h 的高溫（125 ℃）存儲，存儲后其輸入漏電流由1.60 μA 降低為0.47 μA。再對該樣品進行96 h 的高溫（125 ℃）穩(wěn)態(tài)壽命試驗，試驗后樣品輸入漏電流并未變大，反而進一步降低為0.35 μA?？梢姡撌悠份斎肼╇姵瑯伺c芯片內(nèi)部離子沾污無關(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)部存在含量超標的水汽。超標水汽在一定溫度下會凝結(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#樣品進行密封性測試，測試結(jié)果顯示樣品密封性合格，因此排除外部不良氣氛進入樣品內(nèi)部導(dǎo)致漏電的可能。同時確保樣品內(nèi)部水汽等氣體不會向外泄漏干擾后續(xù)試驗判斷。然后，對失效樣品進行16 h/100 ℃高溫烘烤后，測試其內(nèi)部水汽含量，測試結(jié)果顯示內(nèi)部水汽含量為6.18×10-4，遠低于規(guī)范要求值（＜5×10-3）?？梢?，失效樣品輸入漏電流超標與器件內(nèi)部氣氛不佳無關(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顆?；蛉魏纹渌庋b過程中引入的雜質(zhì)污染，各種污染物會使芯片及電極系統(tǒng)發(fā)生物理化學反應(yīng)，進而可能導(dǎo)致樣品輸入漏電流超標失效。對2#樣品用PTI4501 顆粒碰撞離子噪聲檢測儀進行檢測，未發(fā)現(xiàn)樣品內(nèi)部存在可動多余物，排除可動多余物導(dǎo)致樣品漏電的可能。利用X 射線探測樣品內(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。采用機械法將樣品開帽，通過光學顯微鏡檢查樣品內(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與芯片外表面污染無關(guān)。

圖4 失效樣品X-Ray 測試圖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，通過光束誘導(dǎo)電阻變化（OBIRCH）對樣品漏電點進行定位，定位結(jié)果見圖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。對失效樣品進行去層處理，通過SEM 觀察樣品漏電點微觀形貌見圖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)生幾千伏甚至上萬伏的電壓，結(jié)合高溫退火后漏電變化情況可以推測：一方面，形成的電場遠遠超過二極管臨界擊穿場強，PN 結(jié)發(fā)生雪崩倍增，部分元胞在PN 結(jié)拐角處等電場最強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下僅發(fā)生雪崩倍增，產(chǎn)生大量電子空穴對，未進一步發(fā)生熱擊穿，這些電子空穴對在常溫下并不會快速完全復(fù)合。因此，高溫退火后二極管漏電流會有部分恢復(fù)，但不會完全恢復(fù)到試驗前的正常狀態(tài)。

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

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

該批樣品穩(wěn)態(tài)壽命試驗過程中，試驗員佩戴防靜電腕帶和指套，且在離子風覆蓋下完成。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間較長，產(chǎn)生應(yīng)力松弛，在試驗過程中存在與腕部接觸不良的風險（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 級的局部漏電失效。分別通過ESD 專用測試設(shè)備模擬和原試驗過程模擬復(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ESD 專用測試設(shè)備，模擬樣品ESD 失效機理，依據(jù)MIL-STD-883 方法3015[15]對其進行3.3 kV 的人體模型靜電放電試驗，正負3 個脈沖，間隔時間為1 s。試驗后測試樣品電參數(shù)，發(fā)現(xiàn)樣品輸入端漏電流增大到4.50 μA，其他參數(shù)未見異常。對該樣品進行48 h/125 ℃高溫存儲，存儲后樣品輸入端漏電流降低到0.86 μA。再對該樣品進行96 h/125 ℃高溫穩(wěn)態(tài)壽命試驗，試驗后樣品輸入端漏電流進一步降低到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 原試驗過程模擬復(fù)現(xiàn)

在穩(wěn)態(tài)壽命試驗過程中，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)壽命試驗場地，通過與失效樣品相同的試驗設(shè)備，模擬樣品裝載和取下過程，具體復(fù)現(xiàn)試驗過程如下：

試驗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、取下樣品時不小心將樣品碰到金屬桌面的情形。先通過摩擦或高壓源對試驗員人體充電，使其攜帶一定量值的靜電，充電時試驗員右手持樣品；充電結(jié)束后，抓住樣品一端，將樣品另一端觸碰桌面；取6 件樣品進行試驗，每件樣品重復(fù)操作3 次。操作結(jié)束后，對各樣品進行電參數(shù)測試，測試結(jié)果為：1 件樣品發(fā)生輸入端口漏電流超標失效，漏電流值為8.63 μA。對該樣品進行48 h/125 ℃高溫存儲，存儲后樣品輸入端漏電流降低到2.28 μA。再對該樣品進行96 h/125 ℃高溫穩(wěn)態(tài)壽命試驗，試驗后樣品輸入端漏電流進一步降低到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，漏電等級通常為μA 級，且該漏電在高溫退火后會有部分恢復(fù)。

2）SOI CMOS 電路為靜電敏感型電路，在試驗過程中，即使試驗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）建議試驗過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。