劉一杉，周亮，黃煒

（中國電子科技集團公司 第二十四研究所，重慶 400060）

引言

隨著集成電路芯片設計、工藝的快速發(fā)展，集成電路的晶體管特征尺寸不斷縮小，實際芯片生產工藝中與理想情況存在差異，以及實際工作環(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力沖擊能力越來越弱。許多抗電應力沖擊能力較低的產品，在制造生產、運輸貯存、實際應用過程中因靜電而導致的失效越來越多，不僅提高了成本，更降低了產品可靠性[1]。

目前關于單應力環(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，在多重復合電應力同時存在時，器件的長期使用可靠性進一步降低，極大的限制了集成電路芯片的使用壽命，而關于多重復合應力下器件的使用可靠性的相關研究極少，尤其缺少針對具體集成電路芯片產品的在多重復合應力下的實際故障案例，為集成電路可靠性的評價，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，對其多重復合電應力下的故障模式進行分析，分析產品經歷單電應力與多重復合電應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理進行概括，其電應力損傷，可分為電壓及電流兩類。電壓失效如靜電擊穿柵氧化層；電流失效如過流導致的電阻燒壞，PN 結的損傷，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、結面積大小、接觸孔尺寸、以及芯片中電流走勢的分布等，電應力沖擊所產生的局部焦耳熱也可能燒壞金屬/多晶硅的連線或電阻?；ミB線的電流攜帶能力，可以表征為與其截面積相關的函數。除截面積外，同時也與熱柵、聚集電流、臺階覆蓋等因數相關。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]。

通常根據產品的具體故障現(xiàn)象，可初步推測出其故障原因，但目前關于多重復合應力的分析數據極少，實際案例更少，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品故障案例開展復合電應力對芯片可靠性的影響分析，該款芯片主要用于數據轉換，其功能框圖如圖1 所示，數據分別在LCK 和BG 上升沿存儲在一級鎖存器和二級鎖存器中，結合TRR1 和TRR2 輸入信號進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 單元將二選一結果進行并串轉換輸出。此外，電路內部還集成有欠壓保護單元，負責對負電源電壓進行檢測，在欠壓狀態(tài)時輸出指示信號，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 內部目檢

采用光學顯微鏡對該只故障件進行內部目檢，發(fā)現(xiàn)其內部某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 單元為兩個獨立的單元，本次內部目檢結果即SO 單元內部器件處存在燒毀與故障件前序端口阻抗測試結果即ZTO 端口對地阻抗異常為4.6 Ω不一致，為導致該故障現(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，與前序內部目檢結果不一致，因此采用OBIRCH（Optical Beam Induced Resistance Change）方法定位故障點，即激光熱效應激勵電阻變化技術。

使用OBIRCH 技術，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。激光照射的部分會出現(xiàn)溫度升高，故障處的電阻R 會隨之變化，在V 恒定的條件下，，相應的I 同步變化。如此就能通過對電流變化的監(jiān)測，達到定位集成電路中漏電流點以及半導體材料異常點，通常即是缺陷所在[4]。

檢測結果顯示故障件ZTO 與地間NMOS管處存在異常，如圖3 所示。

圖3 故障件OBIRCH 定位結果

1.1.3 故障定位結果

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

1.2 原因分析及試驗驗證

本次故障件兩處故障形貌無直接關聯(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計，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 兩處故障點關聯(lián)性

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

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

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

圖5 復合電力試驗后樣品形貌

其中集成電路芯片遭受的ESD 應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存在致命性影響，但經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。

在靜電應力和過電應力作用下，芯片內部器件存在一定的損傷，電應力施加后在相關鋁線上產生過流，同時先進的金屬系統(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，將影響產品功能及可靠性。

2 結論

集成電路芯片在使用過程中可能會遭受多種復合應力，例如溫度應力、電應力、機械應力、溫度循環(huán)應力、濕度應力等，實際的使用環(huán)境復雜多變，通常并非單一應力的影響，因此在進行集成電路故障分析或長期使用可靠性評價時，需結合器件特點及使用環(huán)境，開展多重復合應力下影響的分析。

針對多重復合應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。