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低能电子束照射集成电路芯片时的静态电容衬度分析

时间:2017-09-30  来源:本网  作者:admin  浏览次数:398

  电子束检测技术在IC芯片失效分析、故障诊断和内部结构及功能测试中占有重要的地位。其工作原理主要是基于电位衬度,即用电子束照射ic芯片时其内部金属导线的电位会影响从表面发射的二次电子的运动情况,从而在收集器形成强度不同的二次电子信号。对覆盖有绝缘保护膜的被测器件来说,高能电子束虽然可以贯穿绝缘膜,但会对器件造成辐照损伤并影响器件的固有工作状态。

  因此,常用办法是,采用数keV以下的低能电子利用电容尤合电位衬度(capacitivecouplingvoltagecontrast,CCVC)。从原理上讲,这时的衬度与电位衬度不同。前者起因于绝缘膜正带电现象、由电子束照射点与芯片衬底之间的电容差异所致,并且随照射条件变化存在最大值。我们把这种衬度本文,首先研究电子束照射绝缘膜时形成的局部电场对出射二次电子轨迹的影响规律;在此基础上,把电子束照射引起的表面电荷积累过程等价成电容充电过程,由此确定绝缘膜表面电位和二次电子信号电流随照射条件变化的过渡过程,系统地建立SCC理论。然后,采用数值计算来分析最大SCC值和对应的最佳照射条件与IC芯片内部形貌材料参数间的关系,并且与最佳照射条件的实验值进行比较。

  2局部电场与二次电子运动规律2.1表面电位分布和二次电子运动方程绝缘物受低能电子束照射时,如果二次电子发射系数W大于1,其表面会发生局部正带电现象|81.在定点或慢扫描电子束照射时,照射微区附近的电位一般被认为是具有旋转对称特性的中心高平台型分布(CoreModel)|9,1|.所以,在柱面坐标系(r,)下,选择z轴反方向为电子束入射方向,绝缘膜表面电位分布用以下矩形模型来近似其中a表示电子束照射微区的半径。进一步,以表面电位和计算场域(r=5Ca,z=5Ca)上的零电位值为边界条件,采用有限差分法和双线性插值法可分别求得空间电位分布和场强ErEz.在柱面坐标系中,忽略引出场强时的二次电子运动方程为引入二次电子的初始参数(r,UO,W),其中rnW分别为初始位置和初始能量,出射角U为初始速度与z轴的夹角,初始方位角O是初始速度在z=平面上的投影与r方向的夹角。那么,(2)式的初始条件为0)。最后,采用龙格库塔法可求得二次电子轨迹。

  2.2二次电子轨迹计算结果3.0V时经计算得到的等位线(虚线,电位间隔为0.3V)和二次电子轨迹(实线)。等位线形态表明:距离表面越近,电场越强;在照射微区上方存在阻止二次电子离开表面的半球形势垒。轨迹1~ 4的初始参数为:r=0,U从20到80,间隔20=0,W=25eV(eVS),其中轨迹5~8的电子可越过势垒离开表面,而U较大的电子(轨迹9)返回了表面。

  其初始能量W小于某一定值时就会返回表面。我们把可以返回表面的二次电子的最大初始能量称为临界能量Wm(r0,U)。Wm仅与r0U有关,与初始方位角无关。为计算得到的不同r时「与。的关系。可以看到,在U<70的范围内,WmeVS;在U较大的时候,Wm随U增大而增大。我们可以总结出二次电子返回表面的两种情况:(1)U和W较小的电子不足以越过势垒而返回,WmeVS;(2)U较大的电子(如中的轨迹9),即贴近表面出射的电子,其z方向速度分量很小,未到达能量守恒所对应的势垒面时该速度就已降到零,从而很快地返回表面,这时的Wm可以大于eVS.下面考虑二次电子从表面(IrlUa)出射时的概2. 3二次电子返回表面的临界能量和密度分布率分布,并计算其返回表面时的分布特性。假定二次其中N(W)在W=eVm处出现最大值,Vm仅与绝缘物的材料有关,对于Si2,2. 0V.是在上述分布下用蒙特-卡罗模拟得到的不同表面电位Vs下二次电子返回表面时的径向相对密度分布。从中可以看到,返回表面的二次电子绝大多数分布在半径r=a的照射微区内;距离原点越近,相对密度也越大;随着Vs的增大,返回表面的二次电子也相应增多。

  3静态电容衬度理论SEM的图像衬度是由不同照射点所对应的二次电子信号电流差异所决定的。这里,我们定义二次电子返回率T为返回表面的二次电子数与出射二次电子总数之比。设照射电子流为Ib,绝缘膜表面的二次电子发射系数为W则出射二次电子流为返回表面的二次电子流为AWT再假定不返回表面的二次电子都能被收集的话,那么照射点对应的二次电子信号电流为所以,求得Is的关键是确定T采用上节所述的二次电子初始位置、出射角和能量的分布,可以得到将(7)式代入(8)式,并定义照射电荷面密度e=t/b/S(t为微区S被照射的累计时间),可以得到。iZ=- 1-w~Vs/Vm~1(9)所以,用数值方法求解方程式(9)可得某一e所对应的表面电位Vs,再将V代入(7)式可得二次电子返回率T最后由(4)式便可以确定/.如果IC芯片绝缘膜表面AB两点下部的形貌不同,那么对应的单位面积有效电容CACob也就不同。这会使V随e的变化速率不一致,导致电子束照射点对应的二次电子信号电流/SA/SB不同而形成衬度。对此,作为AB两点间SEM图像静态电容衬度的一种评价标准,我们定义从上述SCC理论模型可以看出,影响SEM像的/和SCC的因素有三个:电子束照射面电荷密度e照射点处的单位面积有效电容c和二次电子发射系数W这里,在宏观上e=Ts/b/Sic,其中,Ts为电子束扫描照射时间,Sic为电子束照射IC芯片范围的面积。因此,在实际中可以通过调节T照射>70°的部分15由的结们可以近临Msh束流。狐放大篇数来改变-"wwxnki如4静态电容衬度的影响因素4.1电子束照射条件现在,我们利用上述理论来分析一个实例中表面电位Vs二次电子信号电流Is和SCC随电子束照射面电荷密度e变化的情况。在以下的计算中,如无特殊说明,二次电子发射系数1.2为我们在实验中使用的覆盖Si2绝缘膜的LSI局部截面图。A点与衬底间的绝缘物厚度dA=3.24m,单位面积有效电容Coa=X/dA=1.05<10-5F/m2.B点下方环绕的铝布线离表面的距离dB=0.m,对应的有效电容Cb=CiC2/(Ci+C2),其中,Ci为照射微区与布线间的电容,C2为布线与衬底间的电容。

  由于铝布线和衬底的面积都远远大于照射微区面积,故C2C1,CbC1,B点与衬底之间的单位面积间有效电容比值Cob/Ca= 64.另外,在实验中我们是通过调节SEM放大倍数来改变e的。

  是采用以上CaCob的数值,经计算得到的AB点的Vs和Is与e的关系。从中可见,照射点有效电容不同会导致VsIs随e的变化情况不同,因而出现SCC现象。这里,Ca  果该结果表明,SCC随e逐渐增大,达到最大值SCG-后逐渐减小至0.这与实验17观测到的现象一致此外,最大衬度SCCmx所对应的最佳照射面电荷密度值e,t= 24<104C/m2,也与(2~6)X104C/m2的实验值相符由此,本文理论模型的正确性得到验证这里需指出,在实验中,通过视觉判断得到的最大衬度图像所对应的SCGmax往往要小于其理论值,所以对应的eT是一个范围。

  4.2形貌、材料参数(9)式表明,单位面积有效电容Co决定了Vs随e的变化速率在其它条件不变时,C变为原来的k倍,即C=kC,则在e=ke处,对应的Vs/s值分别相等所以,如果使AB两点处的CaCob同时变化k倍,那么照射面电荷密度为ke时的SCC与变化前照射面电荷密度为e时的SCC相同,即SCG-仅由有效电容的比值来决定,而e随有效电容变化lingHouse.Allrightsreserved,http://www.cnki.net k倍。

  (a)给出了SCCmax随有效电容比值Cob/Coa变化的计算结果。显然,SCCCob/Coa的增大而增加,而且在Cb/CA>5时SCCmax变化比较缓慢。

  因此,Cob/Coa较大时,我们可以得到衬度值较大而且比较均匀的SCC图像。(b)是计算得到的与CoaCob之间的关系曲线,其中用虚线表示的直线为Cob 3时的结果。从中可以看到,不由Cob/Ca所决定,而随CaCob中任一电容值的增大而变大。这里,在电子束照射所对应的充电过程中,随着照射点有效电容的增大,Vs和Is随e变化的过渡过程会变得缓慢,使SCC出现最大值的照射面电荷密度值e会因此变大。

  (a)SCC,a与有效电容比值的关系;(b)%与有效电容值的关系是SGGnax和%与绝缘膜二次电子发射系数W的关系曲线,其中CACob的数值仍取自4. 1节中的实例。从的计算结果可以看到,增大W会提高SGGnax而降低ept,其中epl的变化范围为(1~ 1(T4G/m2.在实际中,如果绝缘物材料固定,W可以通过调节照射电子的加速电压来改变。

  5结论本文研究了二次电子在绝缘膜表面正带电时的电容衬度理论模型,由此得到的最佳照射电荷密度计算值与实验值一致。本文的主要结论如下:电子束照射绝缘膜时,表面正带电所形成的局部电场使初始能量小于临界能量的二次电子返回绝缘膜表面,返回表面的二次电子主要分布在照射微区内。

  受电子束照射的IG芯片绝缘膜的表面电位的变化可以从一个等价的电容充电过程来确定,其有效电容由照射微区和衬底之间的形貌、材料参数所决定。照射点所对应的有效电容不同,会导致表面电位变化过程不同,通过影响返回表面的二次电子流而改变收集到的二次电子信号电流,最终形成SGG. SGG随照射面电荷密度变化,且存在最大衬度值SGGmax.影响SGGnax和对应的最佳照射面电荷密度epi的参数是图像对应点处单位面积有效电容和二次电子发射系数WSGGmax随有效电容比值增大而增大,ept只随有效电容值增大而变大。SGGnax随W增大而增大,而epi随W增大而减小。

  与常规的GGVG模式相比,SGG模式具有无需给IG芯片施加激励信号的优点,避免了复杂的运动规律|立了了低能!

  片电子束检测的一种新模式。

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