如何利用FIB和SEM中的有源和無源電位襯度進行失效定位呢？

1 引言

無源電位襯度（Passive Voltage Contrast，PVC）定位基于導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的FIB或SEM圖像或多或少的亮度差異，可用于半導(dǎo)體電路的失效定位。有源電位襯度（Active Voltage Contrast，AVC）法提供了更多的定位可能性。這種方法是在某些結(jié)構(gòu)上施加外部偏置，使得襯度差異更加明顯。AVC的主要優(yōu)勢在于不僅可以檢測開路和短路，還可以檢測導(dǎo)體或觸點電阻增加導(dǎo)致的失效。

2 FIB中的無源電位襯度

2.1 FIB中PVC定位的基本原理

PVC意味著具有不同電性能的結(jié)構(gòu)在FIB（或SEM）圖像中的亮度差異。芯片未連接任何電源或信號源（無源），并且在大多數(shù)情況下已經(jīng)進行了部分去層。PVC進行失效定位的基礎(chǔ)是浮動結(jié)構(gòu)在主粒子束影響下荷電。在FIB中，這種荷電總是正的，并在很大程度上取決于主離子束束流。在SEM中，荷電可正可負(fù)，其取決于主電子束能量和電子束束流。下文將對此進行詳細(xì)說明。圖1顯示的是較常觀察到的正荷電情況。

絕緣結(jié)構(gòu)飛離二次電子的影響下正荷電。緊接著，產(chǎn)生的大部分二次電子被電場阻止離開樣品。這些結(jié)構(gòu)在圖像中顯示為暗色，因為電子無法到達二次電子探測器。接地結(jié)構(gòu)不帶電，由于產(chǎn)生的二次電子量大，因此在圖像中顯得明亮。如果通常應(yīng)該是浮起的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)亮光，那么就急需懷疑它有問題。另一方面，如果本應(yīng)該接地的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)暗色，這也是故障的強烈信號。第一張情況并不僅限于由于設(shè)計原因而自然浮起的結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)也可以通過去層處理而變成浮起的，如圖2所示的柵極及其觸點。

圖1絕緣結(jié)構(gòu)的正荷電

圖2 通過去層使結(jié)構(gòu)浮起

另一種使結(jié)構(gòu)浮動的方法是用FIB切割導(dǎo)線。如果這種線是亮的而不是暗的，可以通過如圖3所示的方法將線路切割成若干段找到基底短路。剩下的明亮部分就是故障點。

圖3 通過FIB切割使結(jié)構(gòu)浮起，并找到故障部分

對于其它失效定位問題，研究接地結(jié)構(gòu)可能會有所幫助。如圖4所示，由于設(shè)計原因，結(jié)構(gòu)可以自然接地，例如n阱中的n擴散或p阱的p擴散。

圖4 經(jīng)過部分去層的樣品，其結(jié)構(gòu)（右）與地面相連

如果要研究一個未接地的結(jié)構(gòu)，可以通過在其上鉆一個FIB孔，然后進行金屬沉積來實現(xiàn)接地。圖5中左邊的結(jié)構(gòu)應(yīng)該是暗的，因為它是浮起的。如果不是這樣，那么相鄰結(jié)構(gòu)之間一定存在短路（氧化物中的細(xì)線），而為了進行定位，相鄰結(jié)構(gòu)被特意接地。

圖5 通過FIB將兩個相鄰的浮起結(jié)構(gòu)中的一個接地，可以檢測出它們之間的短路

無源電位襯度產(chǎn)生的基本原理可歸納如下：浮起結(jié)構(gòu)可以通過去層或FIB切割制成。它們呈現(xiàn)暗色。結(jié)構(gòu)可以通過設(shè)計從一開始就接地，也可以通過FIB連接接地。它們看起來很亮。

2.2 PVC應(yīng)用案例和案例研究

在圖6中，觸點鏈的一部分呈現(xiàn)暗色，因為觸點斷開導(dǎo)致其浮動。明亮的部分則被設(shè)計接地。在這種情況下，“接地結(jié)構(gòu)”一詞的意思是，它與任何基底區(qū)域或大的網(wǎng)格有接觸，這與“接地”表示對質(zhì)量勢（mass potential）的電阻幾乎為零的常規(guī)含義相矛盾。

圖6 觸點鏈斷開

圖7顯示了在大型梳狀蛇形測試結(jié)構(gòu)中應(yīng)用二重查找定位線短路的情況。通過在基板上鉆一個FIB孔，并用氣相輔助沉積法填充鉑，蛇形結(jié)構(gòu)被接地。梳狀結(jié)構(gòu)被隔離開來，本來應(yīng)該是黑的，但由于蛇狀結(jié)構(gòu)被短路，梳狀結(jié)構(gòu)被沒有變黑。梳狀結(jié)構(gòu)被切成兩片，一片變黑，另一片保持明亮。接著，明亮的部分又被切成兩部分，其中一部分仍然明亮（見左上圖）。最后，只有一根橫向的梳狀結(jié)構(gòu)仍然是亮的?，F(xiàn)在，這個梳狀結(jié)構(gòu)又被切成兩等份。亮的部分又被切掉，依次類推。最后分離出一小塊（見右側(cè)顯微照片），它通過一個導(dǎo)電顆粒與蛇狀結(jié)構(gòu)連接在一起。

圖7 大型梳-蛇形試驗結(jié)構(gòu)中定位線短路的二重查找策略

圖8顯示了由幾百個深溝電容器組成的測試陣列。電氣測試顯示存在漏徑，但無法確定是哪個電容器泄漏。用中等束流進行簡單的FIB掃描后，可以清楚地發(fā)現(xiàn)在陣列的上邊緣有三個泄漏的電容器。只有這三個電容器沒有荷電，因此沒有出現(xiàn)黑點。

圖8 深溝電容器測試陣列俯視圖，有三個泄漏溝槽

2.3 PVC產(chǎn)生的高級機制

如果涉及二極管、電容器和晶體管，PVC的產(chǎn)生和解釋就復(fù)雜得多。在基片接觸的情況下，必須考慮摻雜因素。在研究大型結(jié)構(gòu)時，其電容起著重要作用。甚至晶體管斷裂時也會影響PVC的產(chǎn)生。圖9顯示了在源極和漏極觸點（S/D）上產(chǎn)生的PVC。Gemmill等人描述了兩種不同基本類型的基片觸點（p+和n+擴散）上的VC。n+在p阱中擴散形成的二極管為反向偏置。留下的二次電子產(chǎn)生的電荷無法流向基底。這些觸點看起來是暗的。n阱中的p+擴散形成正向偏置二極管。在這里，正電荷很容易流向地面，因此這些觸點是明亮的。

圖9 S/D觸點處產(chǎn)生的PVC

但還必須考慮到連接阱的觸點（p阱中的p擴散和n阱中n擴散）。由于沒有二極管，這些觸點看起來總是很亮。最暗的觸點是連接?xùn)艠O的觸點，因為柵極氧化物將它們與地完全隔離。從圖10中可以看到不同接觸類型的不同襯度。

圖10 不同接觸類型的不同襯度

圖11顯示了結(jié)構(gòu)的電容如何影響PVC的產(chǎn)生。如果結(jié)構(gòu)非常大，例如一條很長的導(dǎo)線，那么就不會產(chǎn)生足夠的電荷載流子來顯著提高該結(jié)構(gòu)的電位。它就會像接地結(jié)構(gòu)一樣保持明亮，或者因為在圖像掃描過程中荷電而緩慢變黑。

圖11 大型結(jié)構(gòu)（右圖）就像一個大電容器，在離子束掃過它們的短時間內(nèi)無法充分充電

圖12顯示了具有一定電容C和一定接地電阻R的結(jié)構(gòu)的等效電路圖。電流Is是進入結(jié)構(gòu)的正離子和離開結(jié)構(gòu)的二次電子的總和。相應(yīng)微分方程的解給出了在結(jié)構(gòu)中形成的電壓U c 。

圖12 高、中、低結(jié)構(gòu)電容的等效電路圖、相應(yīng)微分方程的解法和圖形表示法

圖中顯示的是不斷荷電情況下的電壓曲線。實際上，荷電只發(fā)生在離子束掃過結(jié)構(gòu)的時間內(nèi)，標(biāo)記為t scan 。在這段時間之后，荷電是不完全的，但結(jié)構(gòu)的電容越小，荷電就越大。就VC而言，這意味著電容小的結(jié)構(gòu)往往比電容大的結(jié)構(gòu)更亮。

電壓Uc的計算公式也非常適合用于研究從結(jié)構(gòu)到地的漏電流的影響。這些漏電流的產(chǎn)生可能是由于去層后的表面導(dǎo)電性，也可能是由于該結(jié)構(gòu)所連接的電路。

在圖13中，我們可以看到Uc（t）在電容C固定但泄漏電阻R值不同的情況下的圖示。對于低值電阻，電壓Uc無法積累到阻止二次電子離開所需的量。二次電子可以到達探測器，從而形成一個明亮的結(jié)構(gòu)。根據(jù)實驗觀察，Rmedium約為1 GOhm。低于這個數(shù)量級就無法觀測到暗結(jié)構(gòu)。

圖13 在離子束掃描過程中，泄漏電阻對結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生的電壓的影響

在晶體管上還可以看到另外一個有趣的PVC現(xiàn)象。S/D觸點的襯度隨相應(yīng)柵極是否接地而變化。

圖14中晶體管的左源極觸點通常被認(rèn)為是暗的，因為它下面有一個反向偏置的二極管。實際上，它是明亮的，因為電荷可以通過打開的晶體管逃逸到接地的漏極。在離子束掃描過程中，柵極通過氧化物帶正電，因此打開。當(dāng)用FIB切割柵極附近的氧化物將柵極導(dǎo)體接地時（無需填充金屬），源極觸點會突然變暗。圖15概述了PVC產(chǎn)生的高級機制。

圖14 n-MOS晶體管根據(jù)柵極的開啟或關(guān)閉顯示不同的PVC

圖15 產(chǎn)生PVC的高級機制

2.4 高級PVC的應(yīng)用和案例研究

圖16表明，結(jié)構(gòu)容量必須考慮在內(nèi)。這些圓圈標(biāo)記著連接?xùn)艠O導(dǎo)體線的觸點，這些觸點通過金屬0的著陸墊和進一步的觸點稱為CG。樣品部分去層。從上往下第二個圓圈中的觸點是看不到的，因為它帶電，并顯示出明顯的電位襯度。另一方面，其他圓圈中的觸點也連接到了浮起結(jié)構(gòu)（柵極線總是浮起的），應(yīng)該是暗的，但事實并非如此。它們所連接的柵極結(jié)構(gòu)相對較大，具有相當(dāng)大的電容。觸點暴露在離子束中的時間太短，無法對整個結(jié)構(gòu)充電。在這種幸運的情況下，從上往下第二個圓圈下的開放式觸點得以發(fā)現(xiàn)，隨后在FIB中制備的橫截面也證實了這一點，如圖17所示。

圖16 COMS電路柵極觸點開路

圖17 通過電位襯度定位柵極觸點開路

從圖18中還可以研究電容的作用。每四條線中就有一條是浮起線，而且相對較長，而其他的線則接地。浮起線具有很高的電容，在從上到下的掃描過程中可以看到它們在逐漸充電。接地線由于電容較小，因此亮度均勻。

圖18 電容較小的位線逐漸充電

下面的失效定位案例研究得益于這樣一個事實，即npn型晶體管可以通過柵極正向充電來打開，也可以通過柵極接地關(guān)閉。

圖19顯示了深溝道DRAM晶體管的橫截面。離子束掃描部分去層樣品，通過剩余的氧化物對柵極充電，并打開晶體管。在源極觸點上的感應(yīng)電荷可以通過通道向下流到電容器前面的基底上，如寬箭頭所示。

圖19 深溝道DRAM產(chǎn)品的單元晶體管橫截面

在圖20中，通過柵極切出了一條FIB線，將柵極與基底連接起來，從而使柵極接地。陣列邊緣上標(biāo)記的柵極觸點清楚地表明了這種接地，因為它們與沒有被FIB切斷的柵極線的柵極觸點形成鮮明的對比。

圖20 在部分去層的DRAM單元陣列表面用FIB切割

電池陣列中的源極觸點變黑了。由于采用了封閉式電池晶體管，它們現(xiàn)在可以充電。不過，其中一些觸點仍然非常明亮。圖21所示的橫截面顯示了其中的原因。右邊的源極觸點因刻蝕殘留物而與兩個晶體管之間通過柵極線短路。與該區(qū)域的所有柵極線一樣，這條柵極線也被FIB接地，因此柵極觸點也被接地，顯得很亮。

圖21 右側(cè)源極觸點與通過的柵極線因刻蝕殘留物而短路

所有這些應(yīng)用實例都清楚地表明，要有效地使用VC，就必須詳細(xì)了解CAD。利用CAD數(shù)據(jù)可以預(yù)測出無失效芯片層的正確VC圖像。如果實際VC與預(yù)測值不一致，則該結(jié)構(gòu)一定有問題。

2.5 一些經(jīng)驗分享

有時，聚焦離子束很難產(chǎn)生明顯的PVC。了解了產(chǎn)生PVC的機制，我們就可以得出一些基本規(guī)則，以獲得或提高荷電和浮起結(jié)構(gòu)之間的襯度。所要達到的目標(biāo)要么是降低漏電流，要么是改善電荷載流子的產(chǎn)生。

• 首先應(yīng)該嘗試增加束流，因為這樣可以提高結(jié)構(gòu)的凈荷電量。但需要注意的是：在通過切削破壞結(jié)構(gòu)與獲得良好PVC效果之間，總是要權(quán)衡利弊。如有疑問，應(yīng)在同類非臨界結(jié)構(gòu)上測試強離子束的影響。圖22顯示了主離子束束流對帶有多個高電阻率觸點的觸點鏈的VC影響。

圖22 FIB離子束束流對VC的影響

• 下一個嘗試是改變樣品的方向。如果要對長于寬的結(jié)構(gòu)充電，將其長邊水平對齊會更有效果，這樣水平掃描的離子束就會突然擊中結(jié)構(gòu)中的大部分，從而克服可能出現(xiàn)的漏電流。增加充分充電的機會。最簡單的方法是通過軟件按鈕改變掃描方向，而不是旋轉(zhuǎn)樣品臺。
• 掃描速度也起著重要作用。較慢的掃描速度可提高充分充電的機會。
• 傾斜表面會比表面發(fā)射出更多的二次電子。這將改善電荷載流子的產(chǎn)生。因此，樣品臺傾斜可能會有所幫助，但必須考慮到FIB刻蝕也會增加。
• 在進行FIB切割時，應(yīng)始終使用碘氣噴射，因為碘氣噴射可以防止導(dǎo)電材料在表面上重新沉積，從而降低漏電流（見圖23）。
• 大多數(shù)定位問題的典型束流為10-50pA。對于低放大倍數(shù)，束流可高達100pA，而對于高倍數(shù)下的特殊問題，1-10pA可能是最佳選擇。

圖23 未打開碘氣閥（左）和打開碘氣閥（右）

3 SEM與FIB中的PVC

圖24解釋了為什么在FIB中產(chǎn)生的電荷比在SEM中多得多。在掃描電子束顯微鏡中，入射的主電子和離開的二次電子部分相互補充，導(dǎo)致荷電比FIB少。由于這取決于主粒子束束流、樣品材料、樣品位置、放大倍率和其他因素，SEM中的荷電既可以是正的，也可以是負(fù)的，這與FIB相比是一個優(yōu)勢。

圖24 FIB和SEM的荷電比較

如圖25所示，電子束的加速電壓對荷電類型的影響最大。閾值電壓E1可通過實驗確定，約0.5KV，E2約為2KV。但這只是一個粗略的近似值。這些值在很大程度上取決于表面形貌和樣品材料。圖26中兩種不同束流能量的SEM圖像顯示了不同的PVC。根據(jù)要解決的問題，可以選擇FIB PVC或者SEM PVC方法。表1中列出了兩種方法的優(yōu)缺點。

圖25 掃描電鏡中束流能量對發(fā)射效率的影響

圖26 SEM中的PVC

表1 FIB和SEM PVC的優(yōu)缺點

4 在線電子束檢測

無源電位襯度技術(shù)在SEM中的一個非常重要的應(yīng)用是在線電子束檢測，因為它是第一個也是唯一一個在晶圓廠中持續(xù)使用的FA技術(shù)。

在在線掃描電子顯微鏡中，卡盤處的減速場可提供較低的電子束著陸能量，這對于VC的定位非常必要。電子剛離開陰極時的初級能量不受減速場影響，其能量與高分辨率掃描電鏡能量一樣高。通過安裝在晶圓上方的電荷控制板，可檢測到正負(fù)表面電荷（圖27）。

圖27 在線電子束檢測工具可檢測正負(fù)電荷

圖28中的示例顯示了由充電板控制的同一樣品的正負(fù)荷電檢測。只有在正荷電的情況下，才能確定觸點是否斷開。圖29中的示例顯示了相反的情況。其中一個未填滿的接觸孔不夠深，最終進入了氧化層。這恰好可以用負(fù)荷電檢測到。

圖28 在線電子束檢測

圖29 在線電子束檢測

在線電子束檢測是一項功能強大的技術(shù)，可加快晶圓廠的研究周期。在進行任何電氣測試之前，就能及早發(fā)現(xiàn)問題并預(yù)測產(chǎn)量。然而，這項技術(shù)非常耗時。雖然該過程已高度自動化，但以一個70nm節(jié)點的300mmDRAM晶圓為例，其中有700個1 GiBit芯片，繪制接觸測試鏈需要大約6個小時。這意味著生產(chǎn)線上的所有晶圓片不能都被檢查，需要采樣測試。

5 有源電位襯度

如圖30所示，使用SEM/FIB中的納米探針可以對確定的結(jié)構(gòu)施加特定電壓。這種方法被稱為“有源電位襯度法”，因為當(dāng)外部電壓施加到結(jié)構(gòu)上時，結(jié)構(gòu)就會被設(shè)置為“有源”。Campbell和Soden早在1999年就描述了這一原理的應(yīng)用。這里需要指出的是，這一原理甚至更早應(yīng)用于高度復(fù)雜的電子束探測方法中。

電子束探測曾經(jīng)是一種非常成功的用于集成電路調(diào)試和失效分析的技術(shù)，可在工作速度下觀察全功能芯片的AVC像。必須在掃描電子顯微鏡（SEM）中對已封裝但為去層的集成電路或已完全處理晶片上的單個芯片進行操作。這意味著所有有輸入/輸出和電源都必須與室外的測試儀連接。電子束會被引導(dǎo)至感興趣的節(jié)點，該節(jié)點不斷變化的表面電位會調(diào)節(jié)二次電子產(chǎn)量并且探測器可以記錄波形。通過這種動態(tài)有源電位襯度，可以進行高水平的失效分析，但始終需要一名經(jīng)驗豐富、精通CAD設(shè)計和集成電路功能的FA工程師。

圖30 安裝在雙束FIB樣品臺上的4探針納米探針

遺憾的是，現(xiàn)代集成電路的運行速度非常高，結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，而且由于金屬化層數(shù)較多，無法到達有趣的節(jié)點。這些都是這種方法在過去十年中失去其重要性的原因。

下文中描述的AVC遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有電子束探測的潛力大，但儀器要簡單得多，大多數(shù)SEM操作員都能操作。有時，觸點鏈并非完全斷開，但由于觸點部分?jǐn)嚅_，其電阻很高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了規(guī)格要求。通過這種故障觸點泄漏的電流會阻礙充電和用PVC定位。如圖31所示。

圖31 故障觸點留下的觸點鏈部分無法帶電

在圖32所示的鏈條上施加外部電壓時，鏈條左側(cè)部分會產(chǎn)生足夠的電荷，根據(jù)歐姆定律，在故障觸點處會產(chǎn)生電位躍遷。圖33顯示了這種鏈的一個例子。另一個有趣的AVC例子如圖34，在儲存器陣列的一條位線上施加正電壓。突然，整條線變黑。只有右端的一小部分保持明亮，因為它與偏壓隔離開來。

圖32 有源電位襯度原理

目前有兩種基本的樣品倉內(nèi)納米探針系統(tǒng)--樣品安裝式和樣品倉安裝式。這兩種系統(tǒng)各有優(yōu)勢，但其缺點取決于使用目的。樣品倉安裝系統(tǒng)在探針下降后不允許任何的樣品臺移動。在設(shè)備表征過程中，4個、6個甚至8個探針必須在一個很小的區(qū)域內(nèi)接觸結(jié)構(gòu)。

圖33 利用AVC檢測鏈條中的一個高電阻觸點

對于AVC，有時測試結(jié)構(gòu)會在其探針墊上接觸，因為這比在極小導(dǎo)線上接觸要容易。探針墊通常距離結(jié)構(gòu)本身數(shù)百微米。在這種情況下，樣品臺安裝系統(tǒng)就非常有用了，因為首先要將探針墊放在電子束下，以便在可視控制下降低探針，然后樣品臺和探針一起移動，直到測試結(jié)構(gòu)位于電子束之下，以便查找AVC。

圖34 通過向內(nèi)存位線施加正電壓來檢測其是否是開路

樣品臺安裝系統(tǒng)在樣品臺移動范圍和樣品尺寸方面有一些限制。由于幾何尺寸的限制，某些型號的探針無法使用鎖定裝置。另一方面，這種探針可以很容易地用于任何其他同類工具，只需要通過法蘭給每個探針輸入電荷。表2列出了兩種探針的優(yōu)缺點。

表2 兩種基本納米探針的優(yōu)缺點

AVC應(yīng)用的探針數(shù)量并不重要。只需要兩個探針就足夠了，而設(shè)備表征則需要4、6或8個探針。

另外一個有趣的問題是，應(yīng)該使用掃描電鏡還是FIB來解決AVC定位問題。大多數(shù)情況下，可以使用電子束電壓為2KV的掃描電子顯微鏡。但如果需要切割線條，則需要使用FIB。最理想的工具是同時具有SEM和FIB的雙束設(shè)備。

最后一個討論的問題是，應(yīng)在結(jié)構(gòu)上施加何種電壓。由于大多數(shù)二次電子的能量在2-4eV及以下，因此應(yīng)在結(jié)構(gòu)中施加一個+5V電壓。探測電壓的一般規(guī)則是“越高越好”，但在熱柵極氧化物厚度為2nm的60nm COMS工藝中，當(dāng)電壓超過7V時，就會出現(xiàn)不可逆的柵極氧化物損壞，從而阻礙進一步的定位。對于新型高K柵極氧化物，如TiN、TiAlN、Al2O3或鉿氧化物，這種效應(yīng)可能完全不同，有待今后研究。

6 總結(jié)

在SEM和FIB中均可以使用電位襯度法進行失效定位。這兩種方法各有利弊。了解影響VC產(chǎn)生的所有因素（電容、漏電、摻雜和電路）對成功定位故障非常有幫助。有源電位襯度實驗比較費力，但為失效定位提供了全新的機會。