原创 基于EOS/ESD的集成电路失效分析及模拟验证方法

       50%——在品控界是个很可怕的数字，有一对兄弟难题占到了产线不良率的一半江山。

在电子器件组装过程中，EOS(Electrical Over Stress)与 ESD（Electrical Static Discharge）造成的集成电路失效约占现场失效器件总数的50%，且通常伴随较高不良率以及潜在可靠性问题，是产线一大杀手。

当问题发生时，应该如何查找真因、寻找解决方案，一直以来都是困扰现场工程师、品控工程师的难题。广电计量集成电路失效分析实验室，通过多年的行业积累，总结出一套相对完整的针对EOS/ESD的分析方法，通过失效分析、模拟验证等手段，可以更好地协助现场工程师与设计工程师提升产线良率及IC的可靠性。

常见问题1：产线失效到底是由EOS还是ESD引起？

我们在做失效分析时，最常听到客户的要求是希望知道root cause是EOS还是ESD，确认失效机理及真因，是改善良率的第一步，也是非常关键的一步。通常，我们区分EOS还是ESD会首先通过失效分析手法挖掘IC的物理失效现象，然后从现象上去区分。

常见ESD物理失效表现：衬底击穿、多晶硅熔融、GOX pin hole、contact melted、metal melted等（见图1），常见EOS物理失效表现：氧化层、金属层大面积熔融以及封装体碳化等现象（见图2）。

图1：常见ESD物理失效现象

图2：常见EOS物理失效现象

常见问题2：为什么EOS和ESD会造成不同的失效现象？

ESD从广义上属于EOS的一种，但是现场应用中我们通常把ESD单独归类，除此之外的过电应力统归于EOS。EOS 是指长时间（几微秒到几秒）持续的过压或大电流造成的局部过热导致的失效，其电压、电流相对ESD较低，但是持续时间长能量更高，经常有同一功能区块多处大面积的burnout现象。ESD 单指在静电放电过程中瞬间高电压（通常在几千或上万伏特）大电流（1~10A）状态下引发的失效现象，主要特征为放电时间极短（1~100ns），因此一般呈现为轻微的点状失效。

表1：EOS/ESD信号特征

图3：EOS/ESD脉冲波形

综合以上，由于EOS信号相对ESD信号持续时间长，能量更强，所以通常会造成芯片大面积的burn out现象，这是EOS不同于ESD现象的主要特征。

常见问题3：什么情况下无法区分EOS/ESD？

一种情况是短脉冲EOS（持续时间几个微秒）与ESD的物理损伤十分相似，比如只造成很小面积的金属熔融，这种情况就很难区分是EOS还是ESD的能量造成。另一种情况是IC先经过了ESD损伤，在后续功能验证时大漏电流诱发了burnout现象，使得IC表面同时存在EOS和ESD的物理失效特征，尤其常见于PAD旁边的IO buffer线路上，这种情况下单从物理失效现象是无法判断初始失效是否由ESD导致。当遇到EOS/ESD无法区分的情况，需要通过模拟实验进一步验证，对IC或系统使用不同模型进行EOS/ESD模拟测试（见图4）test to fail，并针对失效IC进行分析。通过对比验证批芯片与实际失效芯片的物理失效现象（失效线路位置及失效发生的物理深度），不仅可以用来归纳真因，还可以了解IC或系统在不同条件下的耐受等级，从而进一步指导优化产线防护或IC的可靠性设计。针对新投产芯片也可以考虑从多维度进行EOS/ESD的验证与分析（见图5），不断提升IC的可靠性品质。

图4：IC常见EOS模拟验证方式

图5：IC常见EOS/ESD测试项目

综上所述，当产线发生EOS/ESD失效时，应该从哪些方面进行分析及改良？我们通常建议客户参考以下流程进行：

1. 针对失效IC进行电性及物理失效分析，确认其物理失效现象（失效点对应的电路位置及失效的物理深度），配合现场失效信息收集，初步推断EOS/ESD失效模型；

2.针对EOS/ESD无法判断的情况，对相关IC或系统进行EOS/ESD模拟试验，验证其电压、电流耐受等级，并针对失效芯片执行失效分析，对比实际失效状况，归纳真因及梳理改善方向；

3. 探测现场容易发生EOS/ESD的位置（例如使用ESD Event Detector或高频示波器），针对产线应用进行改良。