摘要：对扫描电子显微镜静态／动态／电容耦合电压衬度像、电子束感生电流像、电阻衬度像在亚微米和深亚微米超大规模集成电路中的成像方法和成像特点进行了研究，对各种分析技术在失效分析中的应用进行了深入的探讨，为电子束探针检测技术在亚微米和深亚微米集成电路故障定位和失效机理分析中的应用提供了理论基础和实践依据。

关键词：扫描电子显微镜；集成电路；失效分析

中图分类号：TN304.07 文献标识码： A 文章编号：1003-353X(2004)07-0040-03

现今集成电路都已进入深亚微米时代。所有这些变化使得集成电路的失效分析变得日益艰难，而具有高分辨率、可综合反映集成电路物理和电学性能特征的扫描电子显微镜动态电子束检测技术在集成电路分析中的作用日益重要。动态电子束电针检测技术以电压衬度像、电子束感生电流像和电阻衬度像为主要内容，其优点是可在不详细了解电路内部单元的情况下，利用高能电子束电子与集成电路相互作用的信息进行集成电路故障定位和失效机理分析。电压衬度像可对金属布线层上和电路单元上的电位进行分析，从而判断电路逻辑是否正确；电子束感生电流像和电阻衬度像可进行有源区和金属布线层的分析^[1～5]。

为了应对当前对于亚微米和深亚微米集成电路失效分析的需要，对动态电子束探针检测技术在亚微米和深亚微米集成电路中的成像方法、成像特点和在集成电路失效分析的实际应用进行研究，从而为亚微米和深亚微米集成电路的失效分析方法提供理论依据和实践基础。

2 电压衬度像的原理及应用

在二次电子像的工作方式下，由于二次电子的能量很低（≤50eV），样品表面的二次电子发射率受其表面的电位影响很大，故电位的变化对二次电子的发射起调制作用，结果就形成了形貌衬度和电压衬度叠加的像，通常称之为电压衬度像。由于样品上的正电位抑制了部分二次电子的发射，使正电位区变暗，而负电位增加了二次电子的发射，因此负电位区变亮。可见电位衬度像反映了样品表面的电位，从它上面可以看出样品表面各处电位的高低及分布情况，特别是对于器件的隐开路或隐短路部位的确定尤为方便。

电压衬度像按其成像时电路加电状态的不同分为静态电压衬度像、动态电压衬度像和电容耦合电压衬度像三种。静态电压衬度像是指在电路加电状态下对恒电电位差的部位进行的成像，当集成电路进入深亚微米后，其各金属连线上的电位差已很难观察到，但仍可用来进行集成电路封装管壳、压焊点和上层宽金属线的分析。

动态电压衬度是指在电路一定偏置条件下，在输入加一动态变化信号，根据信号高、低电位所形成的动态变化图像来进行故障定位和失效机理分析。为一集成电路电路的动态电压衬度像，从中可以观察到时钟脉冲在电路中的传输和电路逻辑的变化，且同时可以分辨出不同频率的时钟脉冲。对于该电路中的局部进行放大便可得到如所示的一下层金属布线的电压衬度像。

3 电子束感生电流像的原理及应用

当扫描电镜电子束作用于半导体器件时，如果电子束穿透半导体表面，电子束电子与器件材料晶格作用将产生电子与空穴。这些电子和空穴将能较为自由地运动，但如果该位置没有电场作用，它们将很快复合湮灭，若该位置有电场作用（如晶体管或集成电路中的pn结），这些电子与空穴在电场作用下将相互分离。故一旦在pn结的耗尽层或其附近位置产生电子空穴对，空穴将向p型侧移动，电子将向n型侧移动，这样将有一灵敏放大器可检测到的电流通过结区。该电流即为电子束感生电流（EBIC）^[1～3]。由于pn结的耗尽层有多的多余载流子，故在电场作用下的电子空穴分离会产生的电流值，而在其它的地方电流大小将受到扩散长度和扩散寿命的限制，故利用EBIC进行成像可以用来进行集成电路中pn结的定位和损伤研究。

EBIC成像有加偏压和不加偏压两种成像方式，由于加偏压成像时需要计算匹配电阻和电容的大小，且需要将输入端口置于固定状态，故在实际应用中大多采用无偏压成像。利用无偏压EBIC成像，可以清晰地观察到pn结的位置。和分别给出了双层布线CMOS集成电路中I/O端口和内部电路的EBIC像，从图中可以观察出阱、衬底和不同管子结区的情况。

电阻衬度像和EBIC成像相似，它是利用扫描电镜的低压电子束在集成电路上的两点之间产生电阻衬度像。在电阻衬度成像时，要使得电子束电子仅达到电路金属布线层而不使其达到有源区。为了获得电阻衬度像所需要的信息，需要逐渐增加电子束加速电压使得电子束电子达到所需关注的金属布线层位置。在电阻衬度像中，由于电源和地线在整个电路中到处都有分布，所以可被选作为测试点。通常接地端接地而电源端接电流放大器，这样信号被送入放大器后可以调制扫描电镜视频。图像结果可显示电路中金属层的开、短路，因此电阻衬度像经常用来检查金属布线层、多晶连线层、金属到硅的测试图形和薄膜电阻的导电形式。为一电路开路故障的电阻衬度像，可以看出开路点两侧相反的衬度像，对失效电路故障可进行准确的定位。为一深亚微米集成电路的电阻衬度像，从中可以分辨出上下两层金属连线层和多晶的电阻衬度像。
由于电阻衬度成像在亚微米和深亚微米集成电路中的成像原理并无实质变化，故利用电阻衬度像一样可以对其失效集成电路中的故障定位。

5 结论

从对亚微米和深亚微米集成电路中的电压衬度像、电子束感生电流像和电阻衬度像的成像原理和在亚微米和深亚微米集成电路中分析实例可知，以这三种成像技术为主要内容的的动态电子束探针检测技术在亚微米和深亚微米集成电路经过适当的成像技术和成像方法的改变，都可得到较好效果的像，从而为大规模和超大规模集成电路故障定位和失效机理提供理论依据，故动态电子束探针检测技术在亚微米和深亚微米集成电路中有着独特的、广阔的应用前景。