柵氧化層缺陷的定位技術

郭煒 何明

摘 ?要：當多晶硅柵極的面積較大時，使用傳統的低能入射電子束（1KeV）進行被動電壓對比（PVC）來定位柵氧化層缺陷，其效率低下，并且準確度也不高。本文采用了高能入射電子束（5KeV）來定位大面積柵極下的氧化層缺陷，樣品表面不同結構間的電勢差明顯擴大，從而顯著地提高了定位的準確性。

關鍵詞：柵氧化層;電壓對比;缺陷定位

1引言

被動電壓對比（PVC）缺陷定位是集成電路失效分析領域中使用最廣泛的一種方法。一般采用電子掃描顯微鏡（SEM）來觀察樣品表面不同結構的電壓，入射電子束加速電壓設置為1KV，即電子的能量為1KeV。這種方法可以輕易地定位到金屬線短路、接觸孔斷路以及柵氧化層缺陷等物理異常的準確位置。

當入射電子束掃描樣品表面時，樣品表面不同的結構上會產生不同的電壓，在SEM顯示屏上則會呈現出不同的灰度，其中電壓高的地方發暗，電壓低的地方發亮，電壓差越大，亮暗區別也越明顯，從而也更容易區分。比如，能量為1KeV的入射電子可以在懸空的結構上產生正電壓，而接地的結構電壓為零，通過好壞樣品的對比，可以確認短路或者斷路的位置。

在正常的MOS器件結構中，上冊為多晶硅柵極，底層為有源區，中間為柵氧化層，其中有源區可以視為接地，柵極由于氧化層的隔離而與有源區絕緣。正常情況下，1KeV的電子束掃描柵極時，柵極由于與地絕緣導致表面的正電荷無法泄放而產生正電壓，在SEM顯示屏上形成發暗的圖像。當柵氧化層中存在缺陷時，比如柵氧擊穿、針孔以及雜質等，會導致柵極與有源區之間短路，相當于柵極接地，其表面電勢為零，此時在SEM顯示屏上就會形成發亮的圖像。在通常情況下，低能（1KeV）入射電子PVC方法對于此類柵氧化層缺陷的定位非常有效，但是當柵極面積較大時，該方法的成功率則不盡如人意，需要改善。

2案例描述

某芯片經測試發現漏電偏高，排查生產線工藝流程后高度懷疑柵氧化層存在缺陷，需要做失效分析以確認其失效機理。先用光束誘導阻值變化（OBIRCH）進行熱點分析，發現存在熱點，但熱點面積較大，無法定位到具體的失效器件。接著將樣品剝層處理至接觸孔層，在熱點區域用低能（1KeV）電子束進行PVC觀察，但沒有發現任何異常。由于熱點區域的器件都具有較大面積的柵極，故改用高能（5KeV）電子束進行PVC觀察，結果發現其中一個器件的柵極PVC顏色明顯發暗，異于其余器件，這說明該器件的柵氧化層存在缺陷，從而導致柵極與有源區短路。進一步的分析發現柵氧化層中有針孔缺陷，驗證了高能電子束PVC方法的有效性。

3分析討論

當能量為1KeV的電子束掃描樣品表面時，會在表面累積正電荷，如果正電荷不被導走，那么就會產生正的電壓。不同結構間的電壓差越大，最后在SEM顯示屏上的顏色反差也越大，從而更容易區分。但是當柵極面積較大時，1KeV的電子束并不能辨別出柵氧化層是否有缺陷，“好”柵極和“壞”柵極之間的顏色沒有明顯的差別，而在5KeV的電子束掃描下，則可以輕易地找出缺陷的位置。根據柵極面積的大小以及入射電子束能量的高低，分析正常柵極和氧化層有缺陷的柵極分別在三種不同的情況下，其表面的電壓（其中氧化層有缺陷的柵極表面電壓始終為零）及顏色的變化。分析之前先定義三個參數：V為表面電勢，會影響掃描電鏡二次電子的收集，從而影響最終圖像的顏色，在同一幅圖像中，電勢越高的結構顏色越暗;Q為表面電荷量，與入射電子能量有關，其中1KeV的電子束產生的是正電荷，而5KeV的電子束產生的則是負電荷;C為由柵極、柵氧化層以及有源區形成的電容，與柵極的幾何結構有關，其他條件相同下，柵極面積越大，電容越大。三個參數之間的關系為V=Q/C。

3.1小面積柵極與低能量入射電子

小面積柵極形成小的電容C，低能量（1KeV）入射電子在樣品表面產生小的正電荷Q。根據公式V=Q/C可以得出，在此情況下，會在正常柵極的表面產生正電壓。雖然電壓值不大，但也足以使得和氧化層有缺陷的柵極相區分開。在SEM顯示屏上可以看到正常柵極呈暗色，而氧化層有缺陷的柵極呈亮色，從而可以輕易地定位到缺陷的位置，這也是大多數情況下使用的柵極缺陷定位技術。

3.2大面積柵極與低能量入射電子

柵極面積較大時，形成的電容C也較大，并且低能電子束掃描樣品表面時產生的電荷量依然很小。在公式V=Q/C中，Q很小而C卻變的很大，導致在柵極上產生的電壓也特別小，幾乎接近于零電壓。這意味著正常柵極和氧化層有缺陷的柵極之間的電壓差可忽略不計，反映在SEM圖像上就是二者之間的顏色沒有明顯差別，都是發亮的，很難判斷出哪個柵極下方的氧化層里有缺陷。

3.3大面積柵極與高能量入射電子

當入射電子的能量增加到5KeV時，會在樣品表面累積大量電荷，即Q比較大，但與能量為1KeV時不同的是，此時累積的是負電荷而并非正電荷。在此種情況下，盡管大面積柵極形成的電容C也較大，依然可以在正常柵極表面產生比較大的負電壓。與氧化層有缺陷的柵極上的零電壓相比，其之間的壓差足以使二者在SEM圖像上可以輕易地區分開。需要注意的是，與負電壓相比，此時零電壓成了高電壓，故而在SEM圖像上，有氧化層缺陷的柵極顏色發暗，而正常柵極顏色發亮，很容易實現缺陷定位。

在高能量入射電子束條件下，不光可以實現大面積柵極的缺陷定位，彌補低能量入射電子束的不足，而且效率也高，可以在SEM低倍率下進行快速的PVC觀察。尤其適用于大面積柵極陣列，可以很快地找到缺陷位置。此外，根據顏色的發暗程度，還可以判斷氧化層缺陷的嚴重程度，顏色越暗說明缺陷越嚴重。

結語

PVC定位方法的準確性依賴于樣品表面不同結構間的電壓差，電壓差越大，顏色區別越明顯，定位的準確性也就越高。低能量入射電子PVC定位法適用于一般的小面積柵極氧化層缺陷的定位，而高能量入射電子PVC定位法則適用于大面積柵極氧化層缺陷的定位。低能量條件下樣品表面累積正電荷，而高能量條件下樣品表面累積負電荷，雖然這導致最終的SEM圖像顏色正好相反，但這無關緊要，能夠實現快速準確的定位才是目的。

參考文獻

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