扫描电镜PVC衬度法在集成电路失效筛查中的应用

随着半导体行业向先进制程的不断突破，其在生产过程中产生的纳米级缺陷、元素成分偏差、晶体结构异常等，都可能导致芯片出现短路、开路、漏电、功能异常等现象，使得良率降低、成本升高。

扫描电子显微镜（SEM）作为半导体分析的“微观显微镜”，贯穿半导体研发、量产、失效分析等各个环节，对于一些失效芯片，通过SEM可以看到金属导线断裂、线路桥接、通孔空洞等外观形貌异常，但在芯片中还有一部分良率损失源自电性失效，这类缺陷表面形貌完好、内部电性异常，无法通过外观形貌识别。

电压衬度 Voltage Contrast（VC），是SEM独有的一种成像衬度机制，依靠样品表面不同区域电势高低差异，改变二次电子发射与收集效率，最终在电镜图像上形成明暗不同衬度图，其中无源电压衬度（PVC），不通电，不加外接电压，依靠电子束轰击样品自发产生表面荷电，形成电势差异，再通过二次电子成像，形成明暗衬度不同的图像，无需破坏样品，不通电即可快速识别芯片开路与悬空节点等趋势，是半导体电性失效分析主流高效的一种检测手段。

PVC原理

PVC的本质为样品表面局部电势的变化，会改变该区域发射二次电子的能力，导致二次电子探头所收集到的二次电子信号量不同，从而在SEM图像上形成明暗对比。

表面电势与二次电子产额：

样品表面电势的大小依赖于二次电子产额，二次电子产额σ是出射电子数和入射电子数的比值，σ>1表示出射电子数多于入射电子数，表面电势为正，σ<1表示出射电子数少于入射电子数，表面电势为负，σ=1表示二者数目相等，表面电势为零。如下图1所示，图中的E1和E2，是二次电子产额曲线的两个临界能量点（σ=1 的点），一般情况下，E1通常小于200V，E2通常大于1KV，当入射能量小于E1时图像信号和分辨率很差，一般不采用，对于PVC来说，常用工作能量区间位于E1和E2之间，只有在这个区间内，二次电子产额σ>1，样品表面电势为正，进而产生清晰的PVC衬度，其中当入射能量为Em时，此时二次电子产额为最大值，此条件下拍摄出来的SEM图像最能突出衬度对比。

图1

由于SEM图像主要依靠二次电子探头收集到的二次电子信号成像，信号多图像亮，信号少图像暗。如下图2所示，当样品表面是正电势的时候会抑制二次电子到达探头，探头收集的信号少，呈现出来的图像是暗的（DVC）；如果样品是接地良好的，样品表面维持在零电势，二次电子容易到达探头，呈现出来的图像是亮的（BVC），所以SEM图上会形成明暗对比的成像机制。

图2

MOS器件PVC衬度：

MOS器件内PN结的不同偏置状态会对表面电势产生一定影响，进而影响图像衬度。

图3为PN结的三种偏置状态，当PN结零偏置（不加电压）时，耗尽区达到动态平衡，无明显电流；当PN结正向偏置时（P接正极，N接负极），外加电场抵消部分内电场，耗尽层变窄，PN结导通，形成较大正向电流；当PN结反向偏置时（P接负极、N接正极），外加电场增强内电场，耗尽层变宽，PN结截止，形成极小反向漏电流。

图3

图4为MOS器件结构示意图，在σ>1的工作条件下，呈现不同电压称度。

■ Floating：以gate为例，由于gate下面有氧化层作绝缘，表面电势最高，抑制二次电子逸出，呈现暗衬度。

■ Grounded：以P-well为例，由于well接地，表面电势为零，二次电子易逸出，呈现亮衬度。

■ NMOS：CMOS工艺中，NMOS置于P-well，源/漏为N+，在表面呈正电势的状态下会使N型有源区和P-well之间的PN结反偏，表面电势高于衬底，抑制二次电子逸出，呈现较暗衬度。

■ PMOS：在表面呈正电势的状态下会使P型有源区和N-well之间的PN结正偏导通，表面电势接近零电势，对二次电子抑制作用较弱，所以呈现较亮衬度。

图4

图5为不同制程SRAM区域接触孔VC图，由图可清晰观察到，不同区域因表面电势存在差异，形成明暗区分明显的电压衬度。该检测方式可快速识别芯片内部潜在电性异常：如原本应与VSS亮度一致的金属线路及接触孔，若出现局部变暗甚至发黑，即为暗电压衬度DVC，多由金属导线断裂、接触孔填充不良、通路开路等问题引发；反之，正常状态下偏暗的金属结构或接触孔出现异常发亮现象，则为亮电压衬度BVC，一般由金属层桥接短路、材质成分异常等因素造成。

图5

小结：

PVC可实现失效样品批量快速筛查，精准缩小故障范围，有效提升半导体失效分析效率。但该方法仅能依靠图像明暗特征判断电路通断、浮空、短路等电性趋势，无法精准获取阻值、电压、漏电电流等具体电学参数。因此实际分析中，在PVC观测发现异常后，常搭配纳米探针完成电性参数验证，同时借助FIB和TEM对异常区域进行截面剖析，直接观测内部微观结构，进一步明确失效根本原因。

将SEM的纳米级形貌观测能力与VC电性表征技术融合，实现形貌观测、电性缺陷定位一体化，突破传统形貌观察的局限，精准捕捉隐性电性故障，大幅提升半导体失效分析效率与精准度，为集成电路品质提升、工艺优化、产品可靠性升级提供强有力的技术支撑。

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