如何利用FIB和SEM中的有源和无源电位衬度进行失效定位呢？

1 引言

无源电位衬度（Passive Voltage Contrast，PVC）定位基于导电结构的FIB或SEM图像或多或少的亮度差异，可用于半导体电路的失效定位。有源电位衬度（Active Voltage Contrast，AVC）法提供了更多的定位可能性。这种方法是在某些结构上施加外部偏置，使得衬度差异更加明显。AVC的主要优势在于不仅可以检测开路和短路，还可以检测导体或触点电阻增加导致的失效。

2 FIB中的无源电位衬度

2.1 FIB中PVC定位的基本原理

PVC意味着具有不同电性能的结构在FIB（或SEM）图像中的亮度差异。芯片未连接任何电源或信号源（无源），并且在大多数情况下已经进行了部分去层。PVC进行失效定位的基础是浮动结构在主粒子束影响下荷电。在FIB中，这种荷电总是正的，并在很大程度上取决于主离子束束流。在SEM中，荷电可正可负，其取决于主电子束能量和电子束束流。下文将对此进行详细说明。图1显示的是较常观察到的正荷电情况。

绝缘结构飞离二次电子的影响下正荷电。紧接着，产生的大部分二次电子被电场阻止离开样品。这些结构在图像中显示为暗色，因为电子无法到达二次电子探测器。接地结构不带电，由于产生的二次电子量大，因此在图像中显得明亮。如果通常应该是浮起的结构出现亮光，那么就急需怀疑它有问题。另一方面，如果本应该接地的结构出现暗色，这也是故障的强烈信号。第一张情况并不仅限于由于设计原因而自然浮起的结构。结构也可以通过去层处理而变成浮起的，如图2所示的栅极及其触点。

图1绝缘结构的正荷电

图2 通过去层使结构浮起

另一种使结构浮动的方法是用FIB切割导线。如果这种线是亮的而不是暗的，可以通过如图3所示的方法将线路切割成若干段找到基底短路。剩下的明亮部分就是故障点。

图3 通过FIB切割使结构浮起，并找到故障部分

对于其它失效定位问题，研究接地结构可能会有所帮助。如图4所示，由于设计原因，结构可以自然接地，例如n阱中的n扩散或p阱的p扩散。

图4 经过部分去层的样品，其结构（右）与地面相连

如果要研究一个未接地的结构，可以通过在其上钻一个FIB孔，然后进行金属沉积来实现接地。图5中左边的结构应该是暗的，因为它是浮起的。如果不是这样，那么相邻结构之间一定存在短路（氧化物中的细线），而为了进行定位，相邻结构被特意接地。

图5 通过FIB将两个相邻的浮起结构中的一个接地，可以检测出它们之间的短路

无源电位衬度产生的基本原理可归纳如下：浮起结构可以通过去层或FIB切割制成。它们呈现暗色。结构可以通过设计从一开始就接地，也可以通过FIB连接接地。它们看起来很亮。

2.2 PVC应用案例和案例研究

在图6中，触点链的一部分呈现暗色，因为触点断开导致其浮动。明亮的部分则被设计接地。在这种情况下，“接地结构”一词的意思是，它与任何基底区域或大的网格有接触，这与“接地”表示对质量势（mass potential）的电阻几乎为零的常规含义相矛盾。

图6 触点链断开

图7显示了在大型梳状蛇形测试结构中应用二重查找定位线短路的情况。通过在基板上钻一个FIB孔，并用气相辅助沉积法填充铂，蛇形结构被接地。梳状结构被隔离开来，本来应该是黑的，但由于蛇状结构被短路，梳状结构被没有变黑。梳状结构被切成两片，一片变黑，另一片保持明亮。接着，明亮的部分又被切成两部分，其中一部分仍然明亮（见左上图）。最后，只有一根横向的梳状结构仍然是亮的。现在，这个梳状结构又被切成两等份。亮的部分又被切掉，依次类推。最后分离出一小块（见右侧显微照片），它通过一个导电颗粒与蛇状结构连接在一起。

图7 大型梳-蛇形试验结构中定位线短路的二重查找策略

图8显示了由几百个深沟电容器组成的测试阵列。电气测试显示存在漏径，但无法确定是哪个电容器泄漏。用中等束流进行简单的FIB扫描后，可以清楚地发现在阵列的上边缘有三个泄漏的电容器。只有这三个电容器没有荷电，因此没有出现黑点。

图8 深沟电容器测试阵列俯视图，有三个泄漏沟槽

2.3 PVC产生的高级机制

如果涉及二极管、电容器和晶体管，PVC的产生和解释就复杂得多。在基片接触的情况下，必须考虑掺杂因素。在研究大型结构时，其电容起着重要作用。甚至晶体管断裂时也会影响PVC的产生。图9显示了在源极和漏极触点（S/D）上产生的PVC。Gemmill等人描述了两种不同基本类型的基片触点（p+和n+扩散）上的VC。n+在p阱中扩散形成的二极管为反向偏置。留下的二次电子产生的电荷无法流向基底。这些触点看起来是暗的。n阱中的p+扩散形成正向偏置二极管。在这里，正电荷很容易流向地面，因此这些触点是明亮的。

图9 S/D触点处产生的PVC

但还必须考虑到连接阱的触点（p阱中的p扩散和n阱中n扩散）。由于没有二极管，这些触点看起来总是很亮。最暗的触点是连接栅极的触点，因为栅极氧化物将它们与地完全隔离。从图10中可以看到不同接触类型的不同衬度。

图10 不同接触类型的不同衬度

图11显示了结构的电容如何影响PVC的产生。如果结构非常大，例如一条很长的导线，那么就不会产生足够的电荷载流子来显著提高该结构的电位。它就会像接地结构一样保持明亮，或者因为在图像扫描过程中荷电而缓慢变黑。

图11 大型结构（右图）就像一个大电容器，在离子束扫过它们的短时间内无法充分充电

图12显示了具有一定电容C和一定接地电阻R的结构的等效电路图。电流Is是进入结构的正离子和离开结构的二次电子的总和。相应微分方程的解给出了在结构中形成的电压U c 。

图12 高、中、低结构电容的等效电路图、相应微分方程的解法和图形表示法

图中显示的是不断荷电情况下的电压曲线。实际上，荷电只发生在离子束扫过结构的时间内，标记为t scan 。在这段时间之后，荷电是不完全的，但结构的电容越小，荷电就越大。就VC而言，这意味着电容小的结构往往比电容大的结构更亮。

电压Uc的计算公式也非常适合用于研究从结构到地的漏电流的影响。这些漏电流的产生可能是由于去层后的表面导电性，也可能是由于该结构所连接的电路。

在图13中，我们可以看到Uc（t）在电容C固定但泄漏电阻R值不同的情况下的图示。对于低值电阻，电压Uc无法积累到阻止二次电子离开所需的量。二次电子可以到达探测器，从而形成一个明亮的结构。根据实验观察，Rmedium约为1 GOhm。低于这个数量级就无法观测到暗结构。

图13 在离子束扫描过程中，泄漏电阻对结构上产生的电压的影响

在晶体管上还可以看到另外一个有趣的PVC现象。S/D触点的衬度随相应栅极是否接地而变化。

图14中晶体管的左源极触点通常被认为是暗的，因为它下面有一个反向偏置的二极管。实际上，它是明亮的，因为电荷可以通过打开的晶体管逃逸到接地的漏极。在离子束扫描过程中，栅极通过氧化物带正电，因此打开。当用FIB切割栅极附近的氧化物将栅极导体接地时（无需填充金属），源极触点会突然变暗。图15概述了PVC产生的高级机制。

图14 n-MOS晶体管根据栅极的开启或关闭显示不同的PVC

图15 产生PVC的高级机制

2.4 高级PVC的应用和案例研究

图16表明，结构容量必须考虑在内。这些圆圈标记着连接栅极导体线的触点，这些触点通过金属0的着陆垫和进一步的触点称为CG。样品部分去层。从上往下第二个圆圈中的触点是看不到的，因为它带电，并显示出明显的电位衬度。另一方面，其他圆圈中的触点也连接到了浮起结构（栅极线总是浮起的），应该是暗的，但事实并非如此。它们所连接的栅极结构相对较大，具有相当大的电容。触点暴露在离子束中的时间太短，无法对整个结构充电。在这种幸运的情况下，从上往下第二个圆圈下的开放式触点得以发现，随后在FIB中制备的横截面也证实了这一点，如图17所示。

图16 COMS电路栅极触点开路

图17 通过电位衬度定位栅极触点开路

从图18中还可以研究电容的作用。每四条线中就有一条是浮起线，而且相对较长，而其他的线则接地。浮起线具有很高的电容，在从上到下的扫描过程中可以看到它们在逐渐充电。接地线由于电容较小，因此亮度均匀。

图18 电容较小的位线逐渐充电

下面的失效定位案例研究得益于这样一个事实，即npn型晶体管可以通过栅极正向充电来打开，也可以通过栅极接地关闭。

图19显示了深沟道DRAM晶体管的横截面。离子束扫描部分去层样品，通过剩余的氧化物对栅极充电，并打开晶体管。在源极触点上的感应电荷可以通过通道向下流到电容器前面的基底上，如宽箭头所示。

图19 深沟道DRAM产品的单元晶体管横截面

在图20中，通过栅极切出了一条FIB线，将栅极与基底连接起来，从而使栅极接地。阵列边缘上标记的栅极触点清楚地表明了这种接地，因为它们与没有被FIB切断的栅极线的栅极触点形成鲜明的对比。

图20 在部分去层的DRAM单元阵列表面用FIB切割

电池阵列中的源极触点变黑了。由于采用了封闭式电池晶体管，它们现在可以充电。不过，其中一些触点仍然非常明亮。图21所示的横截面显示了其中的原因。右边的源极触点因刻蚀残留物而与两个晶体管之间通过栅极线短路。与该区域的所有栅极线一样，这条栅极线也被FIB接地，因此栅极触点也被接地，显得很亮。

图21 右侧源极触点与通过的栅极线因刻蚀残留物而短路

所有这些应用实例都清楚地表明，要有效地使用VC，就必须详细了解CAD。利用CAD数据可以预测出无失效芯片层的正确VC图像。如果实际VC与预测值不一致，则该结构一定有问题。

2.5 一些经验分享

有时，聚焦离子束很难产生明显的PVC。了解了产生PVC的机制，我们就可以得出一些基本规则，以获得或提高荷电和浮起结构之间的衬度。所要达到的目标要么是降低漏电流，要么是改善电荷载流子的产生。

• 首先应该尝试增加束流，因为这样可以提高结构的净荷电量。但需要注意的是：在通过切削破坏结构与获得良好PVC效果之间，总是要权衡利弊。如有疑问，应在同类非临界结构上测试强离子束的影响。图22显示了主离子束束流对带有多个高电阻率触点的触点链的VC影响。

图22 FIB离子束束流对VC的影响

• 下一个尝试是改变样品的方向。如果要对长于宽的结构充电，将其长边水平对齐会更有效果，这样水平扫描的离子束就会突然击中结构中的大部分，从而克服可能出现的漏电流。增加充分充电的机会。最简单的方法是通过软件按钮改变扫描方向，而不是旋转样品台。
• 扫描速度也起着重要作用。较慢的扫描速度可提高充分充电的机会。
• 倾斜表面会比表面发射出更多的二次电子。这将改善电荷载流子的产生。因此，样品台倾斜可能会有所帮助，但必须考虑到FIB刻蚀也会增加。
• 在进行FIB切割时，应始终使用碘气喷射，因为碘气喷射可以防止导电材料在表面上重新沉积，从而降低漏电流（见图23）。
• 大多数定位问题的典型束流为10-50pA。对于低放大倍数，束流可高达100pA，而对于高倍数下的特殊问题，1-10pA可能是最佳选择。

图23 未打开碘气阀（左）和打开碘气阀（右）

3 SEM与FIB中的PVC

图24解释了为什么在FIB中产生的电荷比在SEM中多得多。在扫描电子束显微镜中，入射的主电子和离开的二次电子部分相互补充，导致荷电比FIB少。由于这取决于主粒子束束流、样品材料、样品位置、放大倍率和其他因素，SEM中的荷电既可以是正的，也可以是负的，这与FIB相比是一个优势。

图24 FIB和SEM的荷电比较

如图25所示，电子束的加速电压对荷电类型的影响最大。阈值电压E1可通过实验确定，约0.5KV，E2约为2KV。但这只是一个粗略的近似值。这些值在很大程度上取决于表面形貌和样品材料。图26中两种不同束流能量的SEM图像显示了不同的PVC。根据要解决的问题，可以选择FIB PVC或者SEM PVC方法。表1中列出了两种方法的优缺点。

图25 扫描电镜中束流能量对发射效率的影响

图26 SEM中的PVC

表1 FIB和SEM PVC的优缺点

4 在线电子束检测

无源电位衬度技术在SEM中的一个非常重要的应用是在线电子束检测，因为它是第一个也是唯一一个在晶圆厂中持续使用的FA技术。

在在线扫描电子显微镜中，卡盘处的减速场可提供较低的电子束着陆能量，这对于VC的定位非常必要。电子刚离开阴极时的初级能量不受减速场影响，其能量与高分辨率扫描电镜能量一样高。通过安装在晶圆上方的电荷控制板，可检测到正负表面电荷（图27）。

图27 在线电子束检测工具可检测正负电荷

图28中的示例显示了由充电板控制的同一样品的正负荷电检测。只有在正荷电的情况下，才能确定触点是否断开。图29中的示例显示了相反的情况。其中一个未填满的接触孔不够深，最终进入了氧化层。这恰好可以用负荷电检测到。

图28 在线电子束检测

图29 在线电子束检测

在线电子束检测是一项功能强大的技术，可加快晶圆厂的研究周期。在进行任何电气测试之前，就能及早发现问题并预测产量。然而，这项技术非常耗时。虽然该过程已高度自动化，但以一个70nm节点的300mmDRAM晶圆为例，其中有700个1 GiBit芯片，绘制接触测试链需要大约6个小时。这意味着生产线上的所有晶圆片不能都被检查，需要采样测试。

5 有源电位衬度

如图30所示，使用SEM/FIB中的纳米探针可以对确定的结构施加特定电压。这种方法被称为“有源电位衬度法”，因为当外部电压施加到结构上时，结构就会被设置为“有源”。Campbell和Soden早在1999年就描述了这一原理的应用。这里需要指出的是，这一原理甚至更早应用于高度复杂的电子束探测方法中。

电子束探测曾经是一种非常成功的用于集成电路调试和失效分析的技术，可在工作速度下观察全功能芯片的AVC像。必须在扫描电子显微镜（SEM）中对已封装但为去层的集成电路或已完全处理晶片上的单个芯片进行操作。这意味着所有有输入/输出和电源都必须与室外的测试仪连接。电子束会被引导至感兴趣的节点，该节点不断变化的表面电位会调节二次电子产量并且探测器可以记录波形。通过这种动态有源电位衬度，可以进行高水平的失效分析，但始终需要一名经验丰富、精通CAD设计和集成电路功能的FA工程师。

图30 安装在双束FIB样品台上的4探针纳米探针

遗憾的是，现代集成电路的运行速度非常高，结构相当复杂，而且由于金属化层数较多，无法到达有趣的节点。这些都是这种方法在过去十年中失去其重要性的原因。

下文中描述的AVC远远没有电子束探测的潜力大，但仪器要简单得多，大多数SEM操作员都能操作。有时，触点链并非完全断开，但由于触点部分断开，其电阻很高，远远超出了规格要求。通过这种故障触点泄漏的电流会阻碍充电和用PVC定位。如图31所示。

图31 故障触点留下的触点链部分无法带电

在图32所示的链条上施加外部电压时，链条左侧部分会产生足够的电荷，根据欧姆定律，在故障触点处会产生电位跃迁。图33显示了这种链的一个例子。另一个有趣的AVC例子如图34，在储存器阵列的一条位线上施加正电压。突然，整条线变黑。只有右端的一小部分保持明亮，因为它与偏压隔离开来。

图32 有源电位衬度原理

目前有两种基本的样品仓内纳米探针系统--样品安装式和样品仓安装式。这两种系统各有优势，但其缺点取决于使用目的。样品仓安装系统在探针下降后不允许任何的样品台移动。在设备表征过程中，4个、6个甚至8个探针必须在一个很小的区域内接触结构。

图33 利用AVC检测链条中的一个高电阻触点

对于AVC，有时测试结构会在其探针垫上接触，因为这比在极小导线上接触要容易。探针垫通常距离结构本身数百微米。在这种情况下，样品台安装系统就非常有用了，因为首先要将探针垫放在电子束下，以便在可视控制下降低探针，然后样品台和探针一起移动，直到测试结构位于电子束之下，以便查找AVC。

图34 通过向内存位线施加正电压来检测其是否是开路

样品台安装系统在样品台移动范围和样品尺寸方面有一些限制。由于几何尺寸的限制，某些型号的探针无法使用锁定装置。另一方面，这种探针可以很容易地用于任何其他同类工具，只需要通过法兰给每个探针输入电荷。表2列出了两种探针的优缺点。

表2 两种基本纳米探针的优缺点

AVC应用的探针数量并不重要。只需要两个探针就足够了，而设备表征则需要4、6或8个探针。

另外一个有趣的问题是，应该使用扫描电镜还是FIB来解决AVC定位问题。大多数情况下，可以使用电子束电压为2KV的扫描电子显微镜。但如果需要切割线条，则需要使用FIB。最理想的工具是同时具有SEM和FIB的双束设备。

最后一个讨论的问题是，应在结构上施加何种电压。由于大多数二次电子的能量在2-4eV及以下，因此应在结构中施加一个+5V电压。探测电压的一般规则是“越高越好”，但在热栅极氧化物厚度为2nm的60nm COMS工艺中，当电压超过7V时，就会出现不可逆的栅极氧化物损坏，从而阻碍进一步的定位。对于新型高K栅极氧化物，如TiN、TiAlN、Al2O3或铪氧化物，这种效应可能完全不同，有待今后研究。

6 总结

在SEM和FIB中均可以使用电位衬度法进行失效定位。这两种方法各有利弊。了解影响VC产生的所有因素（电容、漏电、掺杂和电路）对成功定位故障非常有帮助。有源电位衬度实验比较费力，但为失效定位提供了全新的机会。