[发明专利]电子芯片静电放电潜在失效预先诊断系统和方法

说明书

本发明涉及一种电子芯片静电放电潜在失效预先诊断系统和方法，潜在失效预先诊断系统包括：静电放电模块，用于对电子芯片管脚进行静电放电，进行加速失效；加速失效作用模块，用于将潜在失效加速演变为立即失效；电性能测试表征模块，用于测试经受静电放电与加速失效作用后的电子芯片的电性能参数；多个静电放电事件侦测模块，用于对静电放电电磁辐射进行在线表征。本发明实现了电子芯片静电潜在失效在线预先诊断，有利于降低静电潜在失效对电子系统的危害，保障电子系统的静电可靠性，具有重要的经济和社会效益，推广应用转化前景广阔。

技术领域

本发明涉及芯片静电技术领域，尤其涉及一种电子芯片静电放电潜在失效预先诊断系统和方法。

背景技术

静电以其特殊性，广泛存在于各科研生产环境，随着超大规模集成电路技术的快速发展，微电子器件特征尺寸越来越小，抗静电损伤的性能越来越弱，使静电放电(ESD)损伤成为电子芯片的主要可靠性问题之一。ESD损伤通常分为立即失效和潜在失效。立即失效是器件的一个或多个电参数突然劣化，完全失去规定功能的一种失效，通常表现为开路、短路以及电参数严重漂移。而如果一次ESD脉冲不足以引起器件发生立即失效，但可能会在器件内部造成轻微损伤，这种损伤又是积累性的，随着ESD脉冲次数增加或者随着使用老化，器件的电参数性能逐渐劣化，称为潜在失效。当电子芯片发生潜在失效时，尽管其宏观电特性没有变化，但其击穿性能、热载流子性能、抗辐射性能及长期工作可靠性和寿命都会受到严重影响，而且由于潜在失效不能通过宏观性能进行直接的表征和筛选，难以预先诊断，极易导致潜在失效的芯片装入整机，并只能任由其在应用过程中不定期演变为完全失效，其损失难以估量。然而，目前尚无有效的方法对电子芯片的静电放电潜在失效进行预先甄选判断，不能将静电放电潜在失效的芯片在第一时间发现于现场，给电子芯片可靠性应用带来严重影响与制约。

美国学者M.Song等研究了潜在性ESD/EOS失效、寿命降低和CMOS集成电路漏电流之间的关系，其研究表明，漏电流、IV特性较“显性”的变化可以在一定的程度上反映器件存在潜在失效的可能性，且对无明显变化的情况无效，所以具有很大的局限性。而其它常规电参数的检测，如跨导、阈值电压等，亦不能足够灵敏且准确地判定器件是否存在ESD潜在失效。因常用的电参数测试技术并不能有效地剔除潜在失效的器件，故需探索更有效的ESD潜在失效检测方法。法国学者N.Guirard和D.Tremouilles通过研究发现，对于检测ESD潜在失效，低频率噪声(LFN)比测量漏电流更有效，因为LFN检测发现经ESD作用后的器件，其低频噪声增加了20倍，而同等条件下并没有检测到漏电流。工信部电子五所的来萍等探索采用静态小电流参数及端口IV特性表征CMOS电路的ESD潜在损伤并进行诊断分析。西安电子科技大学的花永鲜和马仲发等通过实验对比发现，与传统的电参数相比，MOSFET沟道电流的l/f噪声能够更敏感地反映栅极氧化层中的ESD潜在失效情况。在相同的静电应力条件下，l/f噪声的变化要比常规电参数敏感得多，其功率谱幅度的相对变化率比跨导的最大相对变化率大6倍以上。原军械工程学院胡有志等对高频小功率硅双极结型晶体管2SC3356进行静电放电试验，并利用加速温度寿命试验方法对两组器件进行加速寿命试验对比，采用Arrhenius模型对试验结果进行计算分析，发现低于损伤阈值的ESD注入可以使器件的寿命缩短，得出ESD可以在高频小功率硅双极结型晶体管内部造成潜在失效，使得器件寿命缩短；武占成等研究了ESD对双极型硅器件造成的潜在失效，发现利用直流放大倍数及反向漏电流可以检测双极型硅器件是否受到ESD潜在性损伤，研究表明，ESD对双极型硅器件可造成事件相关和时间相关的潜在失效。祁树锋等分别从CB结和EB结对2SC3356晶体管施加低电压ESD应力，结果表明，从CB结施加低电压的ESD电应力，所产生的潜在失效的几率要高于从EB结施加低电压的ESD电应力产生的潜在失效几率，即CB结比EB结对低电压的ESD应力引入的潜在失效更为敏感，高温寿命实验有退火效应，从而缓解了低电压的ESD应力使器件产生的潜在损伤,使静电放电过程中引入的潜在损伤自恢复。通过对比分析发现，虽然国内外开展了一定研究工作，但依然存在以下短板：已有研究偏重于对于潜在失效后的表征手段，而对于潜在失效“阈值特性”分析未给出明确分析方法；未形成静电潜在失效在线预先监测诊断方法，不能将潜在失效第一时间发现于形成阶段。