反熔絲型FPGA電路過電應(yīng)力失效分析

鄭若成，王印權(quán)，孫杰杰，田海燕，鄭良晨，吳素貞

（中科芯集成電路有限公司，江蘇無錫 214072）

1 引言

反熔絲電路是廣泛應(yīng)用于航天航空領(lǐng)域中的核心器件，可靠性等級(jí)要求非常高，在國(guó)外已經(jīng)有三十多年的應(yīng)用歷史[1-2]。在反熔絲產(chǎn)品篩選、考核以及使用中，國(guó)外對(duì)反熔絲產(chǎn)品失效問題高度關(guān)注，尤其是失效電路是否與反熔絲單元相關(guān)的問題[3-4]。本文對(duì)某款反熔絲FPGA電路的失效問題進(jìn)行分析，并對(duì)其失效機(jī)理進(jìn)行了確認(rèn)。

2 失效現(xiàn)象

某批次448只反熔絲電路經(jīng)過10天篩選后，發(fā)現(xiàn)有24只電路失效，表現(xiàn)為電源靜態(tài)電流增大，分布在6.5～40 mA，且失效電流一般有6.5 mA整數(shù)倍的規(guī)律，另一個(gè)特征是失效電路有老化板集中現(xiàn)象，主要分布在30塊老化板中的5塊上。所以失效電路老化板集中以及靜態(tài)電流整數(shù)倍是本次失效分析的重點(diǎn)突破方向。

從工藝角度對(duì)電路靜態(tài)電流增大的失效機(jī)理分析，盡管工藝缺陷或者器件老化漏電增大也會(huì)造成電路漏電增大的失效，但老化板集中現(xiàn)象以及電流整數(shù)倍特征表明，工藝排查并不是重點(diǎn)。

3 問題分析和查找

3.1 問題排查和失效分析方案

對(duì)失效電路的老化板進(jìn)行排查，電源層連接良好，失效電路在老化板上的位置也未發(fā)現(xiàn)明顯規(guī)律。采用示波器對(duì)老化板電源信號(hào)波形進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)失效電路工位處電源電壓有較大毛刺，2.5 V電源的毛刺電壓脈沖達(dá)到3～4 V，而正常電路的工位處電源波形電壓正常，因此初步確定電源毛刺電壓過大是造成本次失效的原因。通過進(jìn)一步查找，電源毛刺異常和批次采購(gòu)的濾波電容相關(guān)，對(duì)該類型電容進(jìn)行了替換，并對(duì)電源波形進(jìn)行再次確認(rèn)。

初步確定本次失效原因是過電壓應(yīng)力造成電路內(nèi)部損傷，從而引起靜態(tài)電流增大。但為了確定失效機(jī)理，尤其需要確定是否和MTM反熔絲單元有相關(guān)性，需要對(duì)電路失效進(jìn)行定位，采用電學(xué)失效分析和物理失效分析等協(xié)同分析方法[5]，首先通過電學(xué)測(cè)試，并配合微光顯微鏡（EMMI）、紅外等分析檢測(cè)手段，初步確定失效邏輯區(qū)域位置；再對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)和電路邏輯進(jìn)行分析，進(jìn)行邏輯版圖精確定位；之后通過對(duì)失效邏輯區(qū)域進(jìn)行物理解剖，從而確定最終失效機(jī)理；最后通過失效現(xiàn)象復(fù)現(xiàn)驗(yàn)證并制定加固和預(yù)防措施。

3.2 電學(xué)失效分析

對(duì)失效電路進(jìn)行實(shí)裝測(cè)試，發(fā)現(xiàn)內(nèi)核靜態(tài)電流增大與CLKA端口電平有關(guān)，內(nèi)核靜態(tài)電流增大僅發(fā)生在CLKA接地情形，但失效電流并非從芯片內(nèi)部通過CLKA端口流出或流入，因此大電流并不是由于CLKA端口損傷造成。

對(duì)CLKA端口電壓進(jìn)行掃描，當(dāng)CLKA電壓低于1.2 V時(shí)，電源地間突然產(chǎn)生大電流異常，CLKA電壓高于1.2 V時(shí)，大電流消失。根據(jù)這種現(xiàn)象，推測(cè)當(dāng)CLKA電壓小于1.2 V時(shí)，某個(gè)通道上拉管打開，該通道本應(yīng)處于關(guān)閉，但由于下拉管損壞，造成通道電源地靜態(tài)電流異常增大，因此有必要對(duì)CLKA的相關(guān)邏輯進(jìn)行分析。

在時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)邏輯上，CLKA端口驅(qū)動(dòng)一級(jí)緩沖器（相位不變），在一級(jí)緩沖器后面連接49組反相器并聯(lián)，這49組反相器在芯片版圖布局中在一條直線上，每一組包含5個(gè)非門并聯(lián)，49組反相器并聯(lián)后連接2個(gè)高壓隔離NMOS管，NMOS管后連接反熔絲單元。通過對(duì)反熔絲進(jìn)行編程，可以將驅(qū)動(dòng)信號(hào)連接到陣列中的C或R單元，電路邏輯如圖1所示。

圖1 CLKA/B時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)邏輯圖

版圖上，這49組反相器基本上等距離間隔在一條直線上，每組內(nèi)5個(gè)非門的NMOS管和PMOS管距離很近。該邏輯中，反熔絲陣列通過開關(guān)隔離高壓管斷開，如果是反熔絲單元被損壞，則高壓隔離管首先被損壞，由于電源毛刺只有3～4 V的脈沖電壓，不可能損壞高壓管，因此初步排除了失效與反熔絲單元有關(guān)。

對(duì)失效芯片開蓋做EMMI分析，EMMI分析能夠在較大范圍內(nèi)迅速準(zhǔn)確地定位缺陷區(qū)域，尤其在漏電、擊穿等硅襯底上的失效定位非常有效[6]，失效點(diǎn)的漏電流產(chǎn)生光子發(fā)射被EMMI收集，失效點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生亮點(diǎn)，電流越大，亮點(diǎn)就越亮。但失效電路在EMMI分析下未發(fā)現(xiàn)亮點(diǎn)，經(jīng)過分析，此情形下的EMMI分析方法存在一定風(fēng)險(xiǎn)，首先EMMI只能感知硅襯底上漏電失效問題，如果是因?yàn)槿毕菰斐山饘俣搪返穆╇娛菬o法感知的；其次，對(duì)于硅襯底上的漏電流失效產(chǎn)生的EMMI信號(hào)，存在被上層金屬吸收的風(fēng)險(xiǎn)，也不一定能夠被感知。

紅外分析是另一種漏電分析手段，其機(jī)理是檢測(cè)漏電過程中伴隨的發(fā)熱現(xiàn)象，不論是MOS管漏電還是金屬漏電產(chǎn)生的發(fā)熱，紅外分析都可以進(jìn)行識(shí)別[7]，但相比EMMI分析手段精度要低些。取2只電路進(jìn)行紅外分析，樣品1（靜態(tài)電流40 mA）發(fā)現(xiàn)6個(gè)亮點(diǎn)，位于芯片中間排成1列，樣品2（靜態(tài)電流19 mA）發(fā)現(xiàn)3個(gè)亮點(diǎn)，位于芯片中間排成1列，失效亮點(diǎn)如圖2所示。

圖2 失效亮點(diǎn)位于一條直線上

對(duì)失效點(diǎn)在電路版圖上進(jìn)行定位，確定這些失效點(diǎn)對(duì)應(yīng)為49組反相器中某3組和某6組，當(dāng)CLKA處于低電平時(shí)，ICCA異常靜態(tài)電流消失，亮點(diǎn)也消失。至此，失效定位已經(jīng)非常精確，就是由5個(gè)非門組成的反相器出現(xiàn)漏電異常，并且可以精確定位到非門中5個(gè)NMOS管中至少1個(gè)被損壞。

3.3 物理失效分析

這5組并聯(lián)的非門反相器物理位置上已經(jīng)很靠近，具備物理解剖分析條件，因此為進(jìn)一步對(duì)本次失效的物理機(jī)制進(jìn)行確認(rèn)，本文對(duì)失效電路進(jìn)行物理解剖分析。盡管定位已經(jīng)較為精確，但直接縱向剖面解剖找異常點(diǎn)還是具有較大的風(fēng)險(xiǎn)，本文采用層層去層和層層拍照的方法，每去一層即對(duì)失效部位進(jìn)行光學(xué)顯微鏡（OM）拍照，當(dāng)去層到金屬1時(shí)，光學(xué)顯微鏡發(fā)現(xiàn)異常，如圖3所示。

圖3 去層OM分析

對(duì)定位的異常點(diǎn)進(jìn)一步在掃描電子顯微鏡（SEM）下進(jìn)行觀察，可以看到明顯異?，F(xiàn)象，如圖4所示。

圖4 異常區(qū)域SEM圖

確定失效NMOS管異常點(diǎn)后，采用FIB方法，對(duì)失效點(diǎn)進(jìn)行縱向解剖，從失效點(diǎn)一側(cè)向另一側(cè)進(jìn)行FIB切割，F(xiàn)IB切割過程中不斷進(jìn)行SEM拍照，如圖5所示。

圖5 異常區(qū)域FIB縱向解剖SEM照片

可以看出，NMOS管出現(xiàn)了源漏短路異常，源端和漏端被缺陷短路，對(duì)缺陷異常區(qū)域進(jìn)行能譜（EDX）分析，異常區(qū)域存在Al元素，如圖6所示，說明發(fā)生了嚴(yán)重的金屬電遷移異常，在透射電子顯微鏡（TEM）下觀察失效區(qū)域，發(fā)現(xiàn)不僅源漏的金屬相連，源漏結(jié)區(qū)也存在明顯的損壞痕跡。

圖6 異常區(qū)域元素EDX分析

3.4 失效現(xiàn)象復(fù)現(xiàn)及糾正預(yù)防

根據(jù)物理解剖失效分析結(jié)果，基本已經(jīng)確定為過電應(yīng)力造成的電遷移失效，為了對(duì)這一結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證，采用另外一顆電路，將VCCA采用短時(shí)間高脈沖電壓，復(fù)現(xiàn)了ICCA電流失效現(xiàn)象，失效點(diǎn)分布在版圖上仍然呈現(xiàn)一字型分布。對(duì)失效區(qū)域進(jìn)行物理解剖，結(jié)果發(fā)現(xiàn)失效點(diǎn)出現(xiàn)了明顯的電遷移，EDX發(fā)現(xiàn)Al元素的峰值，如圖7所示。源漏因金屬電遷移出現(xiàn)了短路，同時(shí)由于過應(yīng)力作用，PN結(jié)區(qū)域出現(xiàn)明顯損壞。

圖7 異常區(qū)域TEM照片和元素EDX分析

至此已經(jīng)確認(rèn)電路失效是由電源過應(yīng)力造成的電遷移引起的，因此解決本次失效問題首先需要對(duì)老化板電源毛刺進(jìn)行糾正，消除電源毛刺過應(yīng)力異常。同時(shí)從這次失效中也可以看出，電路發(fā)生電遷移可靠性的瓶頸在這49組反相器區(qū)域，針對(duì)這個(gè)特征，進(jìn)行了兩方面工作，第一是確認(rèn)光刻版是否存在缺陷或者存在工藝容寬問題，對(duì)電路光刻版相關(guān)層次進(jìn)行檢查，包括有源區(qū)、接觸孔和多晶3個(gè)層次，檢查結(jié)果版圖設(shè)計(jì)符合設(shè)計(jì)規(guī)則要求，且所有圖形條間邊緣正常，無缺陷，如圖8所示。

圖8 光刻版檢查結(jié)果

第二項(xiàng)工作，通過版圖加固提升電路的抗電遷移失效能力，對(duì)異常區(qū)域版圖進(jìn)行分析，從抗電遷移失效角度進(jìn)行版圖加固[7]，具體方案為在版圖面積允許的前提下，采用盡量增大源漏金屬1的條寬（降低金屬電流密度）、增加金屬接觸孔數(shù)量（降低孔電流密度）等措施進(jìn)行版圖優(yōu)化。后續(xù)同批次晶圓以及改版批次累積480只電路篩選中未再出現(xiàn)靜態(tài)電流失效異常。

4 結(jié)論

反熔絲電路應(yīng)用于航天領(lǐng)域，具有高可靠性要求，通過對(duì)失效問題進(jìn)行調(diào)查分析，了解到電路的失效機(jī)理，同時(shí)也確認(rèn)了本次失效和反熔絲單元無關(guān)。物理解剖分析觀察到失效部位發(fā)生了嚴(yán)重的電遷移，該電遷移失效與電源過應(yīng)力誘因是相匹配的，老化板排查出電源毛刺異常也驗(yàn)證了這種判斷。在糾正措施上，更換老化板電容并對(duì)電源波形進(jìn)行重新確認(rèn)，同時(shí)對(duì)電路失效部位版圖布局重新優(yōu)化，針對(duì)抗電遷移能力進(jìn)行了加固，經(jīng)過后續(xù)驗(yàn)證，相關(guān)措施有效。