干货满满：电子束感应电流 (EBIC)：原理、技术、应用

电子束感应电流 (EBIC) 是一种扫描电子显微镜 (SEM) 成像模式用于定位费米能级跃迁区域。EBIC 主要用于定位埋藏扩散区和半导体缺陷。少数载流子扩散长度和寿命也已使用 EBIC 测量但这些测量很少用于故障分析。EBIC 图像是通过监测电子束扫描半导体时产生的电子空穴对的非随机复合电流生成的。可以通过对 IC 施加偏压来增加或减少复合电流。额外的测试信息有助于选择执行 EBIC 的最佳条件。当传统光学显微镜难以或无法进行结点定位时EBIC 成像可用于定位扩散区例如二极管或晶体管结尤其是埋藏在钝化层或金属导体下方的扩散区。当一次电子束的能量增加使得在待测结点附近产生电子空穴对时埋藏扩散区中的复合电流便会形成 EBIC 图像。EBIC 成像还有助于定位半导体和结缺陷例如堆垛层错、位错、EOS/ESD 损伤、扩散尖峰和扩散管。这些缺陷会导致费米能级或内建电势的局部变化从而增强或减弱复合电流进而影响 EBIC 信号。虽然EBIC技术可用于定位扩散和半导体缺陷但有三个因素限制了EBIC的有效性。第一EBIC只能观察相对于所选测试节点的复合电流。当IC的电源引线用作测试节点且相对于电源引脚没有电荷流动时通过复杂的反馈网络连接到IC电源引线的pn结上的大复合电流将不会产生EBIC信号。正确选择用作测试节点的IC引线、对IC施加偏置从而“导通”流向IC引线的电流路径以及使用小型机械探针接触直接连接到目标结的导体可以提高对IC逻辑深处复合电流的可观察性。由于IC的接地引线和电源引线具有“全局”特性通常是EBIC对IC内部结构进行成像的初始测试节点选择但如果IC的设计或电气测试表明有更好的组合也可以使用其他引线。第二EBIC 会对 MOS 器件造成辐照损伤。双极结构相对而言对电子束的电离辐射具有免疫力但产生 EBIC 信号所需的初级电子束能量会立即损伤 MOS 栅极氧化层。这种损伤表现为固定氧化层电荷和界面陷阱的产生/占据。因此MOS 晶体管的阈值电压可能会发生数伏的变化从而显著影响 IC 性能。通常这种损伤可以通过 120°C 烘烤约 4 小时来退火。第三即使没有发生访问或损伤限制EBIC 信号通常也会包含来自 IC 上大多数扩散区的复合电流信息这些扩散区以电源和地作为测试节点。这些额外的信息可能会使识别特定异常的位置变得困难。使用光发射、液晶或其他故障分析技术来缩小 EBIC 检查区域可以减少额外的 EBIC 信息量并提高定位 EBIC 缺陷的可能性。电子束感生电流的产生要获取 EBIC 信息请增加一次电子束能量直到相互作用体积与待检查区域相交。当一次电子束扫描集成电路 (IC) 时半导体中的碰撞将在集成电路本体内形成电子空穴对。集成电路制造中使用的材料电离能相对较低小于 10 eV因此单个 10 keV 的一次电子可以产生多达 500 到 1000 个自由电子空穴对。这些电子空穴对通常在材料中随机复合但是如果在空间电荷耗尽区中产生电子空穴对则载流子在复合之前会被结电势分离从而产生 EBIC 电流。每个一次电子的大量电子对会产生比入射束电流大得多的 EBIC 信号。使用如图 1 所示的放大配置可以放大复合电流并将其显示在 SEM 上。电子束感应电流EBIC的放大示意图通常电源和接地输入端被用作测试节点因为它们在整个集成电路中具有全局特性但是如果故障历史记录表明存在其他节点组合也可以使用其他节点组合。与二次电子和背散射电子成像不同EBIC 信号探测器本身就是集成电路。通过控制一次电子束能量可以确定复合电流源的深度及其 XY 分布。由于EBIC需要一次电子束与目标结或缺陷相互作用因此可以通过增加一次电子束能量来“穿透”光学不透明层。以下表达式可用于粗略估算到达给定结构所需的一次电子束能量其中 R 是表面以下的距离E 是初级电子束能量。对于没有栅极氧化层或氧化层电容的测试结构例如双极型集成电路不会发生辐照损伤。因此可以从非常高的一次电子束能量开始。这将确保一次电子相互作用体积到达埋置导体并通过相互作用体积将衬底“短路”到表面从而减少表面钝化充电。EBIC 用于定位扩散或缺陷。对于 MOS 集成电路EBIC 应在应用其他更温和的故障分析技术之后进行。EBIC 的优势在于能够穿透钝化层和金属层进行探测因此如果需要确定结点位置或其他测试方法指示存在缺陷则可以在去除层之前应用 EBIC。双极集成电路相对而言不易受 SEM 电子束辐照的影响因此使用 EBIC 时不会出现 MOS 辐照敏感性问题。由于 MOS 结构不会因一次电子束辐照而受损因此可以使用高能量来确保相互作用体积到达目标结构。较高的能量还可以通过将表面钝化层与基板“短路”来减少表面充电。虽然去除表面层可以使较低的一次电子束能量更容易到达埋层区域但在去处理过程中仍然存在故障位置改变的可能性。EBIC 可以消除或减少在故障位置定位过程中去除表面层的需要。控制一次电子束能量并监测EBIC信号强度可以提供被测结构的半定量深度。然而电子束能量、IC材料密度和电子束电流的变化使得精确的深度测量变得困难。应用图1显示了多晶硅太阳能电池的二次电子图像。这并非高质量的太阳能电池。电子束缓慢扫描太阳能电池的某个区域并测量太阳能电池产生的电流。该电流以彩色显示。当电子束落在金属触点上时测得的EBIC电流较小但当电子束落在太阳能电池的有源区时电流较大。在太阳能电池的有源区内电流变化很大。这是由于缺陷密度的变化导致电子-空穴对在被内建电场分离之前重新复合。图1.多晶硅太阳能电池的EBIC电流信号叠加在二次电子图像上。EBIC 图像也适用于有机太阳能电池。由于电子束会损坏有机材料因此必须在有机材料降解之前快速进行 EBIC 测量。图 2. (a) P3HT:PCBM 太阳能电池在电子束能量为 5 kV 时的 EBIC 信号。该器件在 150 ℃ 下退火。电子束曝光面积为 380 平方米步长为 21 微米。黑色虚线表示 (b) 中所示的线扫描。(c) 被测区域的二次电子图像。集成电路包含许多pn结和肖特基接触其作用类似于太阳能电池。当它们受到电子束照射时会产生电子空穴对从而产生EBIC电流。集成电路的EBIC图像可以揭示其表面结构。图 3. 左集成电路一部分的二次电子图像。右在同一区域测得的 EBIC 电流信号的对数图 4.左传感器电路一部分的二次电子图像。右在同一区域测得的 EBIC 电流信号的对数。电子束聚焦得很窄直到进入样品。在那里电子散射到一个宽度可达微米的相互作用体积中。这限制了 EBIC 测量的分辨率。下面左是电子进入硅时的轨迹模拟。此模拟由程序CASINO完成。右图显示了相互作用体积在硅中延伸的深度与加速电压的关系。入射电子能量的 1% 沉积在最高深蓝线的深度以下10% 的能量沉积在红线的深度以下。我们能够以 5 keV 的加速电压拍摄出最高分辨率的图像。图 5. 左电子进入硅样本后的轨迹模拟。右束流能量沉积的深度与加速电压的关系Casino 还可以生成不同束流能量的相互作用体积图。下图显示了 30 keV 束流在硅中的相互作用体积。