摘要：對掃描電子顯微鏡靜態(tài)／動態(tài)／電容耦合電壓襯度像、電子束感生電流像、電阻襯度像在亞微米和深亞微米超大規(guī)模集成電路中的成像方法和成像特點進行了研究，對各種分析技術(shù)在失效分析中的應(yīng)用進行了深入的探討，為電子束探針檢測技術(shù)在亞微米和深亞微米集成電路故障定位和失效機理分析中的應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)和實踐依據(jù)。
關(guān)鍵詞：掃描電子顯微鏡；集成電路；失效分析 中圖分類號：tn304.07 文獻標識碼： a 文章編號：1003-353x(2004)07-0040-03
1 前言 現(xiàn)今集成電路都已進入深亞微米時代。所有這些變化使得集成電路的失效分析變得日益艱難，而具有高分辨率、可綜合反映集成電路物理和電學(xué)性能特征的掃描電子顯微鏡動態(tài)電子束檢測技術(shù)在集成電路分析中的作用日益重要。動態(tài)電子束電針檢測技術(shù)以電壓襯度像、電子束感生電流像和電阻襯度像為主要內(nèi)容，其優(yōu)點是可在不詳細了解電路內(nèi)部單元的情況下，利用高能電子束電子與集成電路相互作用的信息進行集成電路故障定位和失效機理分析。電壓襯度像可對金屬布線層上和電路單元上的電位進行分析，從而判斷電路邏輯是否正確；電子束感生電流像和電阻襯度像可進行有源區(qū)和金屬布線層的分析[1～5]。 為了應(yīng)對當前對于亞微米和深亞微米集成電路失效分析的需要，對動態(tài)電子束探針檢測技術(shù)在亞微米和深亞微米集成電路中的成像方法、成像特點和在集成電路失效分析的實際應(yīng)用進行研究，從而為亞微米和深亞微米集成電路的失效分析方法提供理論依據(jù)和實踐基礎(chǔ)。 2 電壓襯度像的原理及應(yīng)用 在二次電子像的工作方式下，由于二次電子的能量很低（≤50ev），樣品表面的二次電子發(fā)射率受其表面的電位影響很大，故電位的變化對二次電子的發(fā)射起調(diào)制作用，結(jié)果就形成了形貌襯度和電壓襯度疊加的像，通常稱之為電壓襯度像。由于樣品上的正電位抑制了部分二次電子的發(fā)射，使正電位區(qū)變暗，而負電位增加了二次電子的發(fā)射，因此負電位區(qū)變亮�？梢婋娢灰r度像反映了樣品表面的電位，從它上面可以看出樣品表面各處電位的高低及分布情況，特別是對于器件的隱開路或隱短路部位的確定尤為方便。 電壓襯度像按其成像時電路加電狀態(tài)的不同分為靜態(tài)電壓襯度像、動態(tài)電壓襯度像和電容耦合電壓襯度像三種。靜態(tài)電壓襯度像是指在電路加電狀態(tài)下對恒電電位差的部位進行的成像，當集成電路進入深亞微米后，其各金屬連線上的電位差已很難觀察到，但仍可用來進行集成電路封裝管殼、壓焊點和上層寬金屬線的分析。 動態(tài)電壓襯度是指在電路一定偏置條件下，在輸入加一動態(tài)變化信號，根據(jù)信號高、低電位所形成的動態(tài)變化圖像來進行故障定位和失效機理分析。圖1為一集成電路電路的動態(tài)電壓襯度像，從中可以觀察到時鐘脈沖在電路中的傳輸和電路邏輯的變化，且同時可以分辨出不同頻率的時鐘脈沖。對于該電路中的局部進行放大便可得到如圖2所示的一下層金屬布線的電壓襯度像。
電容耦合電壓襯度像是利用電路在上電和去電瞬間對電路充、放電對電路中的各寄生電容進行充放電所造成的電壓的變化進行成像。圖3為一電路中靜態(tài)存儲器單元譯碼電路在上電狀態(tài)下的電容耦合電壓襯度像，從中也可清晰看出電路中其它內(nèi)部單元的襯度。圖4為一深亞微米集成電路在某一工作狀態(tài)下的電容耦合電壓襯度像。
從以上分析可知對于亞微米和深亞微米集成電路，隨著電路工作電壓變低、布線層數(shù)的增多和線寬減少，靜態(tài)電壓襯度在深亞微米集成電路分析中已較難得到應(yīng)用，但動態(tài)電容耦合電壓襯度像經(jīng)過成像方法的改變和調(diào)整，仍可在深亞微米集成電路故障定位中發(fā)揮獨特作用。 3 電子束感生電流像的原理及應(yīng)用 當掃描電鏡電子束作用于半導(dǎo)體器件時，如果電子束穿透半導(dǎo)體表面，電子束電子與器件材料晶格作用將產(chǎn)生電子與空穴。這些電子和空穴將能較為自由地運動，但如果該位置沒有電場作用，它們將很快復(fù)合湮滅，若該位置有電場作用（如晶體管或集成電路中的pn結(jié)），這些電子與空穴在電場作用下將相互分離。故一旦在pn結(jié)的耗盡層或其附近位置產(chǎn)生電子空穴對，空穴將向p型側(cè)移動，電子將向n型側(cè)移動，這
王 勇，李興鴻 | （北京微電子技術(shù)研究所, 北京 100076） |
摘要：對掃描電子顯微鏡靜態(tài)／動態(tài)／電容耦合電壓襯度像、電子束感生電流像、電阻襯度像在亞微米和深亞微米超大規(guī)模集成電路中的成像方法和成像特點進行了研究，對各種分析技術(shù)在失效分析中的應(yīng)用進行了深入的探討，為電子束探針檢測技術(shù)在亞微米和深亞微米集成電路故障定位和失效機理分析中的應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)和實踐依據(jù)。
關(guān)鍵詞：掃描電子顯微鏡；集成電路；失效分析 中圖分類號：tn304.07 文獻標識碼： a 文章編號：1003-353x(2004)07-0040-03
1 前言 現(xiàn)今集成電路都已進入深亞微米時代。所有這些變化使得集成電路的失效分析變得日益艱難，而具有高分辨率、可綜合反映集成電路物理和電學(xué)性能特征的掃描電子顯微鏡動態(tài)電子束檢測技術(shù)在集成電路分析中的作用日益重要。動態(tài)電子束電針檢測技術(shù)以電壓襯度像、電子束感生電流像和電阻襯度像為主要內(nèi)容，其優(yōu)點是可在不詳細了解電路內(nèi)部單元的情況下，利用高能電子束電子與集成電路相互作用的信息進行集成電路故障定位和失效機理分析。電壓襯度像可對金屬布線層上和電路單元上的電位進行分析，從而判斷電路邏輯是否正確；電子束感生電流像和電阻襯度像可進行有源區(qū)和金屬布線層的分析[1～5]。 為了應(yīng)對當前對于亞微米和深亞微米集成電路失效分析的需要，對動態(tài)電子束探針檢測技術(shù)在亞微米和深亞微米集成電路中的成像方法、成像特點和在集成電路失效分析的實際應(yīng)用進行研究，從而為亞微米和深亞微米集成電路的失效分析方法提供理論依據(jù)和實踐基礎(chǔ)。 2 電壓襯度像的原理及應(yīng)用 在二次電子像的工作方式下，由于二次電子的能量很低（≤50ev），樣品表面的二次電子發(fā)射率受其表面的電位影響很大，故電位的變化對二次電子的發(fā)射起調(diào)制作用，結(jié)果就形成了形貌襯度和電壓襯度疊加的像，通常稱之為電壓襯度像。由于樣品上的正電位抑制了部分二次電子的發(fā)射，使正電位區(qū)變暗，而負電位增加了二次電子的發(fā)射，因此負電位區(qū)變亮�？梢婋娢灰r度像反映了樣品表面的電位，從它上面可以看出樣品表面各處電位的高低及分布情況，特別是對于器件的隱開路或隱短路部位的確定尤為方便。 電壓襯度像按其成像時電路加電狀態(tài)的不同分為靜態(tài)電壓襯度像、動態(tài)電壓襯度像和電容耦合電壓襯度像三種。靜態(tài)電壓襯度像是指在電路加電狀態(tài)下對恒電電位差的部位進行的成像，當集成電路進入深亞微米后，其各金屬連線上的電位差已很難觀察到，但仍可用來進行集成電路封裝管殼、壓焊點和上層寬金屬線的分析。 動態(tài)電壓襯度是指在電路一定偏置條件下，在輸入加一動態(tài)變化信號，根據(jù)信號高、低電位所形成的動態(tài)變化圖像來進行故障定位和失效機理分析。圖1為一集成電路電路的動態(tài)電壓襯度像，從中可以觀察到時鐘脈沖在電路中的傳輸和電路邏輯的變化，且同時可以分辨出不同頻率的時鐘脈沖。對于該電路中的局部進行放大便可得到如圖2所示的一下層金屬布線的電壓襯度像。
電容耦合電壓襯度像是利用電路在上電和去電瞬間對電路充、放電對電路中的各寄生電容進行充放電所造成的電壓的變化進行成像。圖3為一電路中靜態(tài)存儲器單元譯碼電路在上電狀態(tài)下的電容耦合電壓襯度像，從中也可清晰看出電路中其它內(nèi)部單元的襯度。圖4為一深亞微米集成電路在某一工作狀態(tài)下的電容耦合電壓襯度像。
從以上分析可知對于亞微米和深亞微米集成電路，隨著電路工作電壓變低、布線層數(shù)的增多和線寬減少，靜態(tài)電壓襯度在深亞微米集成電路分析中已較難得到應(yīng)用，但動態(tài)電容耦合電壓襯度像經(jīng)過成像方法的改變和調(diào)整，仍可在深亞微米集成電路故障定位中發(fā)揮獨特作用。 3 電子束感生電流像的原理及應(yīng)用 當掃描電鏡電子束作用于半導(dǎo)體器件時，如果電子束穿透半導(dǎo)體表面，電子束電子與器件材料晶格作用將產(chǎn)生電子與空穴。這些電子和空穴將能較為自由地運動，但如果該位置沒有電場作用，它們將很快復(fù)合湮滅，若該位置有電場作用（如晶體管或集成電路中的pn結(jié)），這些電子與空穴在電場作用下將相互分離。故一旦在pn結(jié)的耗盡層或其附近位置產(chǎn)生電子空穴對，空穴將向p型側(cè)移動，電子將向n型側(cè)移動，這
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