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《系统与芯片ESD防护的协同设计》 —2.5 HMM测试仪相关

华章计算机 发表于 2019-11-23 20:06:29 11-23 20:06
华章计算机 发表于 2019-11-23 20:06:29 2019/11/23
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【摘要】 本节书摘来自华章计算机《系统与芯片ESD防护的协同设计》一书中第2章,第2.5.1节,作者是[美]弗拉迪斯拉夫·瓦什琴科(Vladislav Vashchenko) [比]米尔科·肖尔茨(Mirko Scholz),韩雁 丁扣宝 张世峰 译。

2.5 HMM测试仪相关

  HMM实践标准文件[30]概述了系统级应力如何施加到元器件上的方法。“元器件”定义为单一器件或集成电路。该文件提出了两个主要的测试仪概念:采用IEC 61000-4-2标准放电电路的HMM测试装置,以及50ΩHMM脉冲发生器。通过传输线和滤波器对矩形脉冲进行整形,50ΩHMM脉冲发生器产生应力波形。对于标准和先进的低压CMOS技术,尽管已报道50Ω HMM(HMM-50)与基于ESD枪的测试仪之间有较好的相关性[50],本节展示了一个非关联案例的研究。与采用IEC 61000-4-2型放电电路的测试仪相比,HMM-50测试仪的阻抗可引起错误的结果。

2.5.1 测试装置和器件表征

  用于比较的HMM测试仪连接到晶圆级测试装置。基于放电枪的HMM测试仪是HANWA HED-5000M(HMM-IEC,图2.51a)测试仪,使用IEC 61000-4-2 RC型的放电电路以产生应力电流[51]。按照设计,这个HMM-IEC测试仪的放电模块在放电期间不会产生ESD枪产生的那种典型电磁场。测试仪的尺寸和形状与晶圆级ESD装置的整合兼容,可以使晶圆上的DUT放电模块之间的连线较短。第二个测试仪是50Ω HMM测试仪 HPPI 3010C/3011C(HMM-50,图2.51b),它是基于修正的传输线脉冲测试仪[52]。以某种方式修改传输线和上升时间滤波器,使得应力电流源的形状符合IEC 61000-4-2标准的规格。

  尽管输出阻抗不同,两种测试仪都提供进入短路负载的电流波形,其与IEC 61000-4-2标准兼容。一般地,由于产生ESD应力电流的方法不同,真实的预充电电压不能用于失效水平的比较。HMM 电流波形第一峰的使用也不是一个进行比较的适当品质因子。第一峰的振幅强烈依赖于测量装置的寄生负载、DUT阻抗和脉冲源的精度。此外,当在相同应力水平和同一测试装置中重复冲击时,脉冲到脉冲也可能会有不同。对于测试仪的比较,30 ns后的电流是一个更可靠的品质因子。为与标准一致,要求30 ns后的电流水平达到约2 A/kV,尽管可能会有30%的浮动。

 

图2.51 连接电压和电流探针的HMM-IEC和HMM-50片上测试装置模块图,以及在1 kV HMM 等效

应力下的短路电流波形比较 a)HMM-IEC b)HMM-50 c)短路电流波形比较

  为使波形失真最小,电压波形用Kelvin装置捕获。挑选的DUT是典型ESD防护器件,应用于模拟、高压和智能电源(表2.4)。

表2.4 测试的器件和使用的工艺技术

 

  从所有器件得到的实验结果,基于它们在HMM-IEC和HMM-50测试之间的相关性,可以细分为3组(图2.52)。横向PNP和ggNMOS对两种测试表现出相似的失效水平(组3)。当使用HMM-50 测试仪时,二极管(diode)和高压SCR(HV N-SCR)器件在1/2左右的合格水平处失效(组2,图2.52)。相反,低压N-SCR(LV N-SCR)器件,当使用HMM-IEC测试仪时,是在较低的水平下失效。

  LV N-SCR失效水平的差异(0.5 kV对1.8 kV)可以用栅氧化层击穿效应来解释,这一击穿归因于HMM-IEC测试仪的快速上升时间。为支持这些结论,进行了DECIMM[19]混合模式仿真。在实现器件TCAD模型的同时实现了两个HMM测试仪的模型。相同等效应力水平的仿真电压波形(图2.53)显示了HMM-50测试仪较低的电压幅值和较慢的上升时间,表明栅氧化层应力较小。

 

  为比较HMM测试仪对栅氧化层(GOX)应力的影响,也从器件-电路混合模式仿真中提取了GOX上的垂直电场。LV N-SCR仿真横截面(图2.54a)用于提取不同应力水平下的GOX最大垂直电场。对于HMM-IEC测试仪脉冲,电场明显超过相同应力水平的HMM-50测试仪的值。500 V HMM-IEC的峰值相关性与1.8 kV HMM应力的相应值相匹配,这支持了失效原因的结论。GOX击穿的发生是因为HMM-IEC测试仪的快速上升时间。

 

图2.54 a)LV N-SCR仿真横截面 b)不同HMM测试仪和等效应力等级下通过GOX的垂直电场仿真

   对于100 V应用的HV ESD防护二极管,推导出了一个不同的非关联原因。器件通过了

8 kV HMM-IEC测试仪应力,但在HMM-50测试仪应力期间,约3.7 kV以下就失效了。这个意外的结果可通过检查电流波形进行解释。由于50Ω HMM传输线的反射,在脉冲末端可观察到通过二极管的负电流。较低的二极管导通电阻,导致与测试仪50Ω源阻抗的阻抗失配。通过DUT的部分电流反射回HMM-50测试仪[52]。观察到的负电流迫使二极管从正偏状态快速切换进反偏状态。从正偏向反偏转换时,正偏导电期间扩散电容收集并储存的过剩少数载流子需要被放掉。这需要花费一定的反向恢复时间。在测得的负电流波形部分可以看到不变的负电流(图2.55)。在这一反向恢复时间内,尽管器件上的电压比150 V的反向击穿电压低得多,但二极管是导通的。反向恢复电流的幅值可能会大到足以引起二极管失效,因为反偏二极管仅能承受很小的电流密度。

  对相同几何参数和掺杂分布进行了混合模式的TCAD仿真,以理解和可视化反向恢复及对器件造成的应力。在反向恢复期间,二极管处于向反偏状态过渡阶段。外部负电压强制在结上建立了高电场(图2.56a),电场激发碰撞离化(图2.56b),在某一HMM应力水平下,碰撞离化引发雪崩击穿。所引起的电流导致超过反偏二极管极限的电流密度,使器件

失效。

 

图2.56 ESD二极管混合模式仿真 a)用HMM-50测试仪施加HMM应力期间的电流和电压 b)在HMM 应力等级3.7 kV(等效)下的电流和碰撞离化率

  100 V耐压的HV nLDMOS-SCR在5.6 kV HMM-50及在7.5 kV HMM-IEC应力处失效。类似于上述ESD二极管的情形,非关联的原因可能是HMM-50测试仪产生的负电流(图2.57)和相应的反向恢复效应。

  用DECIMM[19]中的混合模式仿真,对nLDMOS-SCR器件横截面(图2.58a)在HMM-50应力期间失效水平较低的事件进行分析。仿真的HMM电流和nLDMOS-SCR在失效应力水平下的碰撞离化率(图2.58b)表明,在 t 约等于150 ns处碰撞离化率极快增加,尽管HMM电流已经完全衰减殆尽。衰减后的碰撞离化率反映了nLDMOS-SCR器件的反向恢复特性。

  HMM应力期间正向导通模式下,最大的碰撞离化位于器件漏极侧(图2.59a)。反向恢复期间,碰撞离化主要集中于源极侧(图2.59b)。负的外部电压迫使nLDMOS-SCR的源极侧n+对p型体区结进入了反向偏置,从而构建了一个强电场。这一强电场激发沿着结的碰撞电离。碰撞电离在结区并不均匀分布,而是有两个热点,此处的碰撞离化率是局部较高的(图2.60)。这引起局部的较高载流子及电流密度。

  碰撞离化也集中在nLDMOS-SCR栅氧化层附近。在反向恢复期间,一些自由热载流子朝着栅移动。当进入栅氧化层时被陷住。随着HMM应力水平的增加,有更多的载流子被氧化层陷住,导致栅氧化层的退化和器件泄漏电流的增加,这类似于正常工作条件下长时间的应力引起的热载流子退化效应。

  nLDMOS-SCR在HMM应力期间,对于HMM-50和HMM-IEC这两种测试仪,器件泄漏电流的演变是不同的(图2.61)。相反,在HMM-IEC测试器施加应力的过程中观察到了突然失效。这支持了这一结论,即:当用这两种不同的HMM测试仪对HV nLDMOS施加应力时,会出现不同的失效模式。当用HMM-IEC测试仪时,器件热失效;在HMM-50测试仪应力期间,反向恢复所致的热载流子应力导致栅氧化层失效。

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