阅读说明：本技术 一种纳米级静电保护器件失效微区的表征方法 (Characterization method of failure micro-area of nanoscale electrostatic protection device ) 是由 吴幸 陈新倩 徐何军 杨鑫 于 2020-05-07 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种纳米级静电保护器件失效微区的表征方法,选取一个静电失效的纳米级静电保护器件,该器件对比失效前,在工作电压下测得漏电流发生突增,此为失效样品；通过激光扫描该器件表面,利用光致电阻的变化,定位缺陷位置,得到失效热点；根据失效热点,原位切割器件,通过SEM窗口实时观察并调整适合的束流大小,得到最有分析价值的失效TEM样品；最后通过TEM完成对失效区域原子级的表征,综合分析,找出失效机理。本发明对纳米级静电保护器件的内部失效微区精确定位并得到失效的高分辨图像和元素的信息,可以对失效部位进行有效的失效分析,得到失效机理,最终达到改进器件性能的目的。(The invention discloses a characterization method of a failure micro-area of a nanoscale electrostatic protection device, which comprises the steps of selecting a nanoscale electrostatic protection device with electrostatic failure, comparing the device with the device before failure, and measuring the sudden increase of leakage current under working voltage, wherein the device is a failure sample; scanning the surface of the device by laser, and positioning the defect position by utilizing the change of the photoinduced resistor to obtain a failure hot spot; according to the failure hot spot, cutting the device in situ, observing in real time through an SEM window and adjusting the size of a proper beam to obtain a failure TEM sample with the most analysis value; and finally, completing representation and comprehensive analysis of the atomic level of the failure region through the TEM and finding out a failure mechanism. The invention accurately positions the inner failure micro-area of the nano-scale electrostatic protection device and obtains the information of failure high-resolution images and elements, can effectively analyze failure of failure parts to obtain failure mechanisms, and finally achieves the aim of improving the performance of the device.)

一种纳米级静电保护器件失效微区的表征方法

技术领域

本发明涉及纳米器件失效分析领域，尤其是纳米级静电保护器件失效微区的表征方法。

背景技术

随着工艺尺寸的不断缩小和电路规模的不断增大，静电放电对集成电路的影响也越来越显著。当静电放电现象发生时，约100ns的时间内泄放高电压时，巨大的能量耗散使得集成电路瞬间损毁且不可逆转。由于静电保护器件本身具有泄放大电流的能力，工业上在集成电路引脚或内部都配有静电保护器件或静电保护电路。所以，ESD防护成为提高集成电路可靠性的关键因素之一。

工艺制程的逐渐缩小导致静电保护器件设计窗口和应用条件越来越严苛，为满足应用需求，各种新型的静电保护器件层出不穷，这些新型的静电保护器件可靠性的研究多数依赖于仿真和建模，缺乏一套从微观的物理结构失效机制对器件性能研究的方法。此外，在纳米尺度下，精准定位和获取失效的透射电子显微镜样品是很困难的。“一种半导体激光器静电失效分析方法”(CN105425136A)是针对较大尺寸的半导体激光器所提出的静电失效方法，该专利可利用高分辨率的光学显微镜和扫描透射显微镜观测失效，分析失效原因，并不适用于表面无损伤的纳米级别的器件。如何在纳米尺度精确定位失效点、拍摄相应的高分辨图像以及分析失效机理是技术难题。因此，提出一种纳米级静电保护器件失效微区的表征方法是迫切需要的。

发明内容

本发明的目的是提供一种纳米级静电保护器件失效微区的表征方法，其中，先选取一个静电失效的纳米级静电保护器件，该器件表面无缺陷但其漏电流对比失效前已经发生突增，此为失效样品；通过光致电阻变化，在恒定的电压下电流变化的大小与所成像的像素亮度对应，叠加光学显微镜图得到失效点的位置；再利用双束聚焦离子束切割样品，得到超薄的透射电子显微镜样品；最后透射电子显微镜拍摄微观失效的物理形貌和捕捉化学元素变化是本发明方法的关键。利用该方法研究静电保护器件失效的起源效率高、延展性好、可准确定位失效位置和可视化物理失效的形貌。

实现本发明目的的具体技术方案是：

一种纳米级静电保护器件失效微区的表征方法，特点是该方法包括以下具体步骤：

步骤1：选取一个静电失效的纳米级静电保护器件，对比相同工作电压下未失效时的漏电流，该失效器件漏电流发生突增，表面无缺陷但是内部已经发生短路现象，此为失效样品；

步骤2：将步骤1中的失效样品置于激光束电阻异常侦测仪器中，正极接恒定电压，负极接地，构成回路；其中电压为0.1～0.6V；激光辐照失效样品的表面，激光部分能量被器件吸收转化为热量；器件内部缺陷导致的电阻值的变化会转化为电流的变化，此时电流变化的大小将转为所成像的像素亮度并记录，通过叠加像素变化的位置和同视角下光学显微镜图，得到失效热点；

步骤3：将失效样品放入双束聚焦离子束-扫描电子显微镜的仪器中，根据步骤2所得的失效热点的位置，在其表面沉积一层Pt保护层，其中长度是失效热点的8～10倍，宽度是失效热点的3～5倍，厚度为100～120nm；采用大束流在Pt保护层的两侧挖沟槽得到粗切后的样品；其中，电流值为50～70nA；

步骤4：从扫描电子显微镜的窗口实时观察由步骤3所得的粗切样品的两侧界面，当观察到一侧界面的金属层出现异常形貌时，则改用中束流切割样品；其中，电流值为20～50nA；

步骤5：当由步骤4所得的样品界面的其中一侧出现有源区异常形貌时，暂停该侧的离子束切割，采用中束流继续切割另一侧至出现相同程度的有源区异常形貌；其中电流值为20～50nA；

步骤6：将探针移到步骤5所得的失效样品的上表面，沉积一层Pt粘连探针和样品，再切断失效样品与衬底的连接，并利用探针转移其置于钼柱上，改用小束流进行精细减薄，得到TEM样品；其中，电流为8～15nA，减薄的厚度80～100nm；

步骤7：将步骤6所述置有TEM样品的钼柱放入透射电子显微镜样品杆上，并将样品杆***透射电子显微镜的样品腔，对失效样品的内部失效区域拍摄高分辨图像；切换扫描透射电子显微镜模式，对失效区域进行元素种类与含量的采集；至此，完成纳米级静电保护器件失效微区的表征。

步骤1所述的静电保护器件为可控硅整流器、二极管或双极型晶体管。

步骤1所述的工作电压是该静电保护器件设计所适用的输入/输出引脚的标准。

步骤3～6所述的束流的大小，其特征在于，大束流的范围为50～70nA，中束流的范围为20～50nA，小束流的范围8～15nA。

本发明可以精确定位表面无损伤的纳米器件的静电失效位置，并通过聚焦离子束切割，得到透射电子显微镜的样品，观测到失效部分的物理形貌，为失效机理研究提供较佳的分析数据。此失效表征方法，对提高静电保护器件的可靠性具有重大意义。

1)本发明解决了纳米尺度的静电保护器件无表面损伤时，失效点的精确定位，采用激光束电阻异常侦测仪器，利用光致电阻变化的定位方式对器件本身无影响，并未引入二次伤害。

2)本发明在透射样品制样时，根据不同阶段更改束流，减少离子削减引人过多的损伤，可以保留表面的完整性和平整度并且可以减少过快切割样品导致错过失效区域的严重结果，有利于后续的可靠性研究。

3)本发明可获得静电保护器件内部原子级别的物理形貌信息，有利于从微观角度分析失效的起因，使得探究工艺、设计尺寸、材料等因素对器件性能的影响提供了可能性。

4)本发明具有准确性高、效率高且可延展性强等优点。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明实施例1中脉冲方波施加的电学测试图；

图3为本发明实施例1中捕捉的失效热点图；

图4为本发明实施例1中制样的过程中扫描电子显微镜图；

图5为本发明实施例1中最终获得的透射电子显微镜样品图；

图6为本发明实施例1中拍摄的失效区域局部高分辨图像和对应的元素分布图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明详细描述。

实施例1

本实施例的静电保护器件为65nm工艺制程的横向可控硅整流器。参阅图1～图6，具体分析过程如下：

步骤1：将横向可控硅整流器接入传输线脉冲仪器中，利用仪器产生的脉冲方波对器件进行冲击，其中，电压从0V～220V。脉冲上升时间为10ns，持续时间为100ns。在第90次的脉冲方波冲击后，在3.3V直流电压测得漏电流为5×10^-4A，与未失效时的漏电流5×10^-10A相比，漏电流值提高近一个数量级，测试结果如图2所示。此时，得到失效样品。

步骤2：将步骤1中所得失效样品置于激光束电阻异常侦测仪器中，正极接0.5V，负极接地。激光扫描失效样品的表面，激光部分能量被器件吸收转化为热量。由于器件处于恒定电压状态下，器件内部缺陷导致的电阻值的变化会转化为电流的变化，此时电流变化的大小将转为所成像的像素亮度并记录，通过叠加像素变化的位置和同视角下光学显微镜图，得到失效热点的位置，测量该区域的长为4μm，宽为2μm，如图3所示。

步骤3：将失效样品放入双束聚焦离子束-扫描电子显微镜的仪器中，根据步骤2所得的失效热点的位置，在其表面沉积一层Pt保护层，其中Pt的长度为15μm，宽度为4μm，厚度为100nm，如图4(a)所示。采用大束流在Pt层的两侧挖沟槽得到粗切后的样品，其中，电流值为55nA。图4(b)为挖沟槽时一侧的扫描电子显微镜图像。

步骤4：从扫描电子显微镜的窗口观察由步骤3所得的粗切样品的两侧界面，图4(c)为无缺陷的金属层界面图像。当观察到一侧界面的金属层出现空洞的形貌时，如图4(d)所示，则对该侧改用中束流切割样品。其中电流值为30nA。

步骤5：当由步骤4所得样品界面的其中一侧的出现异常形貌，如图4(e)的有源区白色丝状物，此时，暂停该侧的离子束切割，继续采用中束流切割另一侧界面直至出现相同程度的有源区白色丝状物的形貌。其中，电流值为30nA。

步骤6：操作探针至步骤5所得的失效样品的上表面，沉积一层Pt粘连探针和样品，再切断失效样品与衬底的连接，并利用探针转移该薄片于钼柱，改用小束流进行精细减薄，得到TEM样品，如图5所示。其中，减薄最终的厚度为90nm，电流为9nA。

步骤7：将步骤6所述放置有TEM样品的钼柱放入透射电子显微镜样品杆上，并将样品杆***透射电子显微镜的样品腔，对失效样品的内部失效区域拍摄高分辨图像，如图6所示；切换扫描透射电子显微镜模式，对失效区域进行元素种类与含量的采集，如图6右上角插图所示。至此，完成纳米级静电保护器件失效起源的表征。分析该器件表征结果，发现原因是金属硅化物和接触孔发生热失效导致整个器件漏电流突增，无法正常工作。