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
1 前言 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。图1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图2所示的一下层金属布线的电压衬度像。
电容耦合电压衬度像是利用电路在上电和去电瞬间对电路充、放电对电路中的各寄生电容进行充放电所造成的电压的变化进行成像。图3为一电路中静态存储器单元译码电路在上电状态下的电容耦合电压衬度像，从中也可清晰看出电路中其它内部单元的衬度。图4为一深亚微米集成电路在某一工作状态下的电容耦合电压衬度像。
从以上分析可知对于亚微米和深亚微米集成电路，随着电路工作电压变低、布线层数的增多和线宽减少，静态电压衬度在深亚微米集成电路分析中已较难得到应用，但动态电容耦合电压衬度像经过成像方法的改变和调整，仍可在深亚微米集成电路故障定位中发挥独特作用。 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
王 勇，李兴鸿 | （北京微电子技术研究所, 北京 100076） |
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
1 前言 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。图1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图2所示的一下层金属布线的电压衬度像。
电容耦合电压衬度像是利用电路在上电和去电瞬间对电路充、放电对电路中的各寄生电容进行充放电所造成的电压的变化进行成像。图3为一电路中静态存储器单元译码电路在上电状态下的电容耦合电压衬度像，从中也可清晰看出电路中其它内部单元的衬度。图4为一深亚微米集成电路在某一工作状态下的电容耦合电压衬度像。
从以上分析可知对于亚微米和深亚微米集成电路，随着电路工作电压变低、布线层数的增多和线宽减少，静态电压衬度在深亚微米集成电路分析中已较难得到应用，但动态电容耦合电压衬度像经过成像方法的改变和调整，仍可在深亚微米集成电路故障定位中发挥独特作用。 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
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