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摘 要：当多晶硅栅极的面积较大时，使用传统的低能入射电子束（1KeV）进行被动电压对比（PVC）来定位栅氧化层缺陷，其效率低下，并且准确度也不高。本文采用了高能入射电子束（5KeV）来定位大面积栅极下的氧化层缺陷，样品表面不同结构间的电势差明显扩大，从而显著地提高了定位的准确性。
关键词：栅氧化层;电压对比;缺陷定位
1引言
被动电压对比（PVC）缺陷定位是集成电路失效分析领域中使用最广泛的一种方法。一般采用电子扫描显微镜（SEM）来观察样品表面不同结构的电压，入射电子束加速电压设置为1KV，即电子的能量为1KeV。这种方法可以轻易地定位到金属线短路、接触孔断路以及栅氧化层缺陷等物理异常的准确位置。
当入射电子束扫描样品表面时，样品表面不同的结构上会产生不同的电压，在SEM显示屏上则会呈现出不同的灰度，其中电压高的地方发暗，电压低的地方发亮，电压差越大，亮暗区别也越明显，从而也更容易区分。比如，能量为1KeV的入射电子可以在悬空的结构上产生正电压，而接地的结构电压为零，通过好坏样品的对比，可以确认短路或者断路的位置。
在正常的MOS器件结构中，上册为多晶硅栅极，底层为有源区，中间为栅氧化层，其中有源区可以视为接地，栅极由于氧化层的隔离而与有源区绝缘。正常情况下，1KeV的电子束扫描栅极时，栅极由于与地绝缘导致表面的正电荷无法泄放而产生正电压，在SEM显示屏上形成发暗的图像。当栅氧化层中存在缺陷时，比如栅氧击穿、针孔以及杂质等，会导致栅极与有源区之间短路，相当于栅极接地，其表面电势为零，此时在SEM显示屏上就会形成发亮的图像。在通常情况下，低能（1KeV）入射电子PVC方法对于此类栅氧化层缺陷的定位非常有效，但是当栅极面积较大时，该方法的成功率则不尽如人意，需要改善。
2案例描述
某芯片经测试发现漏电偏高，排查生产线工艺流程后高度怀疑栅氧化层存在缺陷，需要做失效分析以确认其失效机理。先用光束诱导阻值变化（OBIRCH）进行热点分析，发现存在热点，但热点面积较大，无法定位到具体的失效器件。接着将样品剥层处理至接触孔层，在热点区域用低能（1KeV）电子束进行PVC观察，但没有发现任何异常。由于热点区域的器件都具有较大面积的栅极，故改用高能（5KeV）电子束进行PVC观察，结果发现其中一个器件的栅极PVC颜色明显发暗，异于其余器件，这说明该器件的栅氧化层存在缺陷，从而导致栅极与有源区短路。进一步的分析发现栅氧化层中有针孔缺陷，验证了高能电子束PVC方法的有效性。
3分析讨论
当能量为1KeV的电子束扫描样品表面时，会在表面累积正电荷，如果正电荷不被导走，那么就会产生正的电压。不同结构间的电压差越大，最后在SEM显示屏上的颜色反差也越大，从而更容易区分。但是当栅极面积较大时，1KeV的电子束并不能辨别出栅氧化层是否有缺陷，“好”栅极和“坏”栅极之间的颜色没有明显的差别，而在5KeV的电子束扫描下，则可以轻易地找出缺陷的位置。根据栅极面积的大小以及入射电子束能量的高低，分析正常栅极和氧化层有缺陷的栅极分别在三种不同的情况下，其表面的电压（其中氧化层有缺陷的栅极表面电压始终为零）及颜色的变化。分析之前先定义三个参数：V为表面电势，会影响扫描电镜二次电子的收集，从而影响最终图像的颜色，在同一幅图像中，电势越高的结构颜色越暗;Q为表面电荷量，与入射电子能量有关，其中1KeV的电子束产生的是正电荷，而5KeV的电子束产生的则是负电荷;C为由栅极、栅氧化层以及有源区形成的电容，与栅极的几何结构有关，其他条件相同下，栅极面积越大，电容越大。三个参数之间的关系为V=Q/C。
3.1小面积栅极与低能量入射电子
小面积栅极形成小的电容C，低能量（1KeV）入射电子在样品表面产生小的正电荷Q。根据公式V=Q/C可以得出，在此情况下，会在正常栅极的表面产生正电压。虽然电压值不大，但也足以使得和氧化层有缺陷的栅极相区分开。在SEM显示屏上可以看到正常栅极呈暗色，而氧化层有缺陷的栅极呈亮色，从而可以轻易地定位到缺陷的位置，这也是大多数情况下使用的栅极缺陷定位技术。
3.2大面积栅极与低能量入射电子
栅极面积较大时，形成的电容C也較大，并且低能电子束扫描样品表面时产生的电荷量依然很小。在公式V=Q/C中，Q很小而C却变的很大，导致在栅极上产生的电压也特别小，几乎接近于零电压。这意味着正常栅极和氧化层有缺陷的栅极之间的电压差可忽略不计，反映在SEM图像上就是二者之间的颜色没有明显差别，都是发亮的，很难判断出哪个栅极下方的氧化层里有缺陷。
3.3大面积栅极与高能量入射电子
当入射电子的能量增加到5KeV时，会在样品表面累积大量电荷，即Q比较大，但与能量为1KeV时不同的是，此时累积的是负电荷而并非正电荷。在此种情况下，尽管大面积栅极形成的电容C也较大，依然可以在正常栅极表面产生比较大的负电压。与氧化层有缺陷的栅极上的零电压相比，其之间的压差足以使二者在SEM图像上可以轻易地区分开。需要注意的是，与负电压相比，此时零电压成了高电压，故而在SEM图像上，有氧化层缺陷的栅极颜色发暗，而正常栅极颜色发亮，很容易实现缺陷定位。
在高能量入射电子束条件下，不光可以实现大面积栅极的缺陷定位，弥补低能量入射电子束的不足，而且效率也高，可以在SEM低倍率下进行快速的PVC观察。尤其适用于大面积栅极阵列，可以很快地找到缺陷位置。此外，根据颜色的发暗程度，还可以判断氧化层缺陷的严重程度，颜色越暗说明缺陷越严重。
结语
PVC定位方法的准确性依赖于样品表面不同结构间的电压差，电压差越大，颜色区别越明显，定位的准确性也就越高。低能量入射电子PVC定位法适用于一般的小面积栅极氧化层缺陷的定位，而高能量入射电子PVC定位法则适用于大面积栅极氧化层缺陷的定位。低能量条件下样品表面累积正电荷，而高能量条件下样品表面累积负电荷，虽然这导致最终的SEM图像颜色正好相反，但这无关紧要，能够实现快速准确的定位才是目的。
参考文献
[1] 倪棋梁，范荣伟，陈宏璘.电压衬度方法检测先进制程中极微小物理缺陷的研究[J].集成电路应用，2019，5：27-29.
[2] 马香柏. 电压衬度在 CMOS 集成电路失效分析中的应用[J]. 集成电路应用，2017，34（5）：64-67.
关键词：栅氧化层;电压对比;缺陷定位
1引言
被动电压对比（PVC）缺陷定位是集成电路失效分析领域中使用最广泛的一种方法。一般采用电子扫描显微镜（SEM）来观察样品表面不同结构的电压，入射电子束加速电压设置为1KV，即电子的能量为1KeV。这种方法可以轻易地定位到金属线短路、接触孔断路以及栅氧化层缺陷等物理异常的准确位置。
当入射电子束扫描样品表面时，样品表面不同的结构上会产生不同的电压，在SEM显示屏上则会呈现出不同的灰度，其中电压高的地方发暗，电压低的地方发亮，电压差越大，亮暗区别也越明显，从而也更容易区分。比如，能量为1KeV的入射电子可以在悬空的结构上产生正电压，而接地的结构电压为零，通过好坏样品的对比，可以确认短路或者断路的位置。
在正常的MOS器件结构中，上册为多晶硅栅极，底层为有源区，中间为栅氧化层，其中有源区可以视为接地，栅极由于氧化层的隔离而与有源区绝缘。正常情况下，1KeV的电子束扫描栅极时，栅极由于与地绝缘导致表面的正电荷无法泄放而产生正电压，在SEM显示屏上形成发暗的图像。当栅氧化层中存在缺陷时，比如栅氧击穿、针孔以及杂质等，会导致栅极与有源区之间短路，相当于栅极接地，其表面电势为零，此时在SEM显示屏上就会形成发亮的图像。在通常情况下，低能（1KeV）入射电子PVC方法对于此类栅氧化层缺陷的定位非常有效，但是当栅极面积较大时，该方法的成功率则不尽如人意，需要改善。
2案例描述
某芯片经测试发现漏电偏高，排查生产线工艺流程后高度怀疑栅氧化层存在缺陷，需要做失效分析以确认其失效机理。先用光束诱导阻值变化（OBIRCH）进行热点分析，发现存在热点，但热点面积较大，无法定位到具体的失效器件。接着将样品剥层处理至接触孔层，在热点区域用低能（1KeV）电子束进行PVC观察，但没有发现任何异常。由于热点区域的器件都具有较大面积的栅极，故改用高能（5KeV）电子束进行PVC观察，结果发现其中一个器件的栅极PVC颜色明显发暗，异于其余器件，这说明该器件的栅氧化层存在缺陷，从而导致栅极与有源区短路。进一步的分析发现栅氧化层中有针孔缺陷，验证了高能电子束PVC方法的有效性。
3分析讨论
当能量为1KeV的电子束扫描样品表面时，会在表面累积正电荷，如果正电荷不被导走，那么就会产生正的电压。不同结构间的电压差越大，最后在SEM显示屏上的颜色反差也越大，从而更容易区分。但是当栅极面积较大时，1KeV的电子束并不能辨别出栅氧化层是否有缺陷，“好”栅极和“坏”栅极之间的颜色没有明显的差别，而在5KeV的电子束扫描下，则可以轻易地找出缺陷的位置。根据栅极面积的大小以及入射电子束能量的高低，分析正常栅极和氧化层有缺陷的栅极分别在三种不同的情况下，其表面的电压（其中氧化层有缺陷的栅极表面电压始终为零）及颜色的变化。分析之前先定义三个参数：V为表面电势，会影响扫描电镜二次电子的收集，从而影响最终图像的颜色，在同一幅图像中，电势越高的结构颜色越暗;Q为表面电荷量，与入射电子能量有关，其中1KeV的电子束产生的是正电荷，而5KeV的电子束产生的则是负电荷;C为由栅极、栅氧化层以及有源区形成的电容，与栅极的几何结构有关，其他条件相同下，栅极面积越大，电容越大。三个参数之间的关系为V=Q/C。
3.1小面积栅极与低能量入射电子
小面积栅极形成小的电容C，低能量（1KeV）入射电子在样品表面产生小的正电荷Q。根据公式V=Q/C可以得出，在此情况下，会在正常栅极的表面产生正电压。虽然电压值不大，但也足以使得和氧化层有缺陷的栅极相区分开。在SEM显示屏上可以看到正常栅极呈暗色，而氧化层有缺陷的栅极呈亮色，从而可以轻易地定位到缺陷的位置，这也是大多数情况下使用的栅极缺陷定位技术。
3.2大面积栅极与低能量入射电子
栅极面积较大时，形成的电容C也較大，并且低能电子束扫描样品表面时产生的电荷量依然很小。在公式V=Q/C中，Q很小而C却变的很大，导致在栅极上产生的电压也特别小，几乎接近于零电压。这意味着正常栅极和氧化层有缺陷的栅极之间的电压差可忽略不计，反映在SEM图像上就是二者之间的颜色没有明显差别，都是发亮的，很难判断出哪个栅极下方的氧化层里有缺陷。
3.3大面积栅极与高能量入射电子
当入射电子的能量增加到5KeV时，会在样品表面累积大量电荷，即Q比较大，但与能量为1KeV时不同的是，此时累积的是负电荷而并非正电荷。在此种情况下，尽管大面积栅极形成的电容C也较大，依然可以在正常栅极表面产生比较大的负电压。与氧化层有缺陷的栅极上的零电压相比，其之间的压差足以使二者在SEM图像上可以轻易地区分开。需要注意的是，与负电压相比，此时零电压成了高电压，故而在SEM图像上，有氧化层缺陷的栅极颜色发暗，而正常栅极颜色发亮，很容易实现缺陷定位。
在高能量入射电子束条件下，不光可以实现大面积栅极的缺陷定位，弥补低能量入射电子束的不足，而且效率也高，可以在SEM低倍率下进行快速的PVC观察。尤其适用于大面积栅极阵列，可以很快地找到缺陷位置。此外，根据颜色的发暗程度，还可以判断氧化层缺陷的严重程度，颜色越暗说明缺陷越严重。
结语
PVC定位方法的准确性依赖于样品表面不同结构间的电压差，电压差越大，颜色区别越明显，定位的准确性也就越高。低能量入射电子PVC定位法适用于一般的小面积栅极氧化层缺陷的定位，而高能量入射电子PVC定位法则适用于大面积栅极氧化层缺陷的定位。低能量条件下样品表面累积正电荷，而高能量条件下样品表面累积负电荷，虽然这导致最终的SEM图像颜色正好相反，但这无关紧要，能够实现快速准确的定位才是目的。
参考文献
[1] 倪棋梁，范荣伟，陈宏璘.电压衬度方法检测先进制程中极微小物理缺陷的研究[J].集成电路应用，2019，5：27-29.
[2] 马香柏. 电压衬度在 CMOS 集成电路失效分析中的应用[J]. 集成电路应用，2017，34（5）：64-67.