摘要：光发射显微镜（PEM）是90年代发展起来的一种高灵敏度、高分辨率的新型缺陷定位分析技术。随着半导体器件线宽的不断下降，光发射显微镜已广泛使用于IC和分立器件中漏电、击穿、热载流子等失效点的定位和失效机理的分析。本文介绍了光发射显微镜及在半导体器件进行失效分析的机理和实际应用。 

    关键词：PEM；微分析；失效 

    1 PEM的基本原理

    半导体器件和电路制造技术飞速发展，器件特征尺寸不断下降，而集成度不断上升。这两方面的变化都给失效缺陷定位和失效机理的分析带来巨大的挑战。而光发射显微技术（PEM）作为一种新型的高分辨率微观缺陷定位技术，能够在大范围内迅速准确地进行器件失效缺陷定位，因而在器件失效分析中得到广泛使用。 

    在存在着漏电、击穿、热载流子效应的半导体器件中，其失效点由于电致发光过程而产生发光现象。这些光子流通过收集和增强，再经过CCD 光电转换和图像处理，得到一张发光像，将发光像和器件表面的光学反射像叠加，就能对失效点和缺陷进行定位。 

    如果使用红外或者近红外光作为反射像的光源，由于硅对红外，近红外波段的透明性，可以倒扣放置芯片，使光源从芯片背面入射，获得反射像。而发光像从背面出射，避免芯片正面多层金属布线结构的吸收和反射，从而可以实现从芯片背面进行失效点定位。 

    典型PEM系统如图1所示： 

    2 与PEM相关的发光机理 
    2.1 半导体发光机理[2]

    电子从高能态到未占据的低能态的跃迁过程可以是辐射跃迁也可以是非辐射跃迁。虽然只有前者才会导致发光，但后者会使发光效率降低，因此也必须考虑。用光发射显微镜的PEM功能所观察的半导体器件的发光机制是电致发光。 

    半导体中的基本跃迁过程如图2。可以把跃迁过程分为三类。第一类为带间跃迁，包括图中的

    （1）可能涉及声子和激子、能量接近禁带能量的跃迁过程以及涉及（2）热电子或者（3）热空穴的能量较高的跃迁过程。第二类跃迁是涉及化学杂质和缺陷的跃迁，包括（4）导带到受主杂质能级的跃迁，（5）施主杂质能级到价带的跃迁，（6）施主杂质能级到受主杂质能级的跃迁以及（7）通过深能级陷阱的跃迁。第三类跃迁是涉及热载流子退激发的带内跃迁，包括（8）热电子退激发和（9）热空穴退激发。并非所有的跃迁都是辐射性的。俄歇效应、表面和界面复合、通过缺陷复合和多声子发射一般是非辐射跃迁。除此以外的其他过程本质上是辐射性的。 
    2.2 正向偏置pn结的发光机理

    pn结正向偏置时，整个结面发光比较均匀，如图3所示。pn结一个扩散长度内的注入少子与本来的多子在导带和价带间实现电子-空穴复合发光。光谱峰值与硅的禁带宽度（1.1eV,1100nm）相对应。 

    2.3 反向偏置pn结的发光机理

    pn结加电反偏时，首先在局部观察到明亮发光点，表明对应位置有更高的电场强度。图4是反向偏置pn结的发光机理示意图。反向偏置pn结的发光机理是隧穿引起的电子-空穴复合或者是雪崩产生的电子和空穴引起的复合发光。所发射的光子能量可以超过禁带能量。只有当反偏pn结已经击穿（图5），或者结上存在缺陷产生漏电流，反向偏置pn结的发光才能被探测到。 

    3 PEM用于缺陷检测 

    3.1 失效与发光分类

    shade把器件失效情况和发光情况的联系分为四类，如表1所示。

    代表缺陷的发光有两种发光机制。一种是场加速载流子散射发光（F-PE）。由于反偏pn结在外加较大电压时，空间电荷区的电场较强，多数与反偏pn结相关的效应都有这种发光机制。二是电子空穴对辐射复合发光（R-PE），如CMOS电路中的闩锁失效引起的发光。在发生闩锁时，两个寄生晶体管的发射结都正偏，在寄生晶体管中流过很大的电流，从而产生发光。这时的结电流主要是耗尽区中注入载流子的复合。器件失效分析中大多数发光点来源于反偏结相关的效应。 
    3.2 PEM用于定位热载流子引起的失效

    热载流子是在MOS管漏端附近的强电场作用下具有很高能量的导带电子或价带空穴。热载流子可以通过多种机制注入到MOS管的栅氧化层中，这被称为热载流子注入效应。注入机制主要是以下两种（以NMOS为例）。 

    ● CHE（沟道热电子）注入：沟道热电子在漏端附近发生碰撞获得足够的垂直方向上的动量而进入到栅氧化层； 

    ● DAHC（漏雪崩热载流子）注入：漏端附近碰撞离化和雪崩倍增产生的热电子和热空穴注入。 

    注入到栅氧化层的热载流子可以在氧化层中产生陷阱电荷，在器件的硅-二氧化硅界面产成界面态，从而导致器件性能的退化，如阈值电压的漂移、跨导和驱动电流能力下降、亚阈值电流增加。 

    工作在饱和区的MOSFET热载流子发光现象。主要有以下机制。 

    ● 热载流子在漏区电离杂质的库仑场中的轫致辐射； 

    ● 电子与空穴的复合发光； 

    ● 以上两种机制的综合。 

    利用PEM，可以对热载流子注入区域定位，研究热载流子注入和发光机制，分析器件失效原因。 

    图6是对MOSFET进行分析的实例，该器件未能通过电学测试。图6(a)左是正常偏置条件下（饱和区）发光像和反射像的叠加。可以观察到图示发光点，表示在栅和漏端发生了异常热载流子注入。图6(b)上面是结构图，图6(b)下面是失效示意图。

    3.3 PEM结合FIB分析MOS器件失效原因

    利用PEM检测电学测试失效的MOS器件，找到异常发光点位置，再用fib进行分析，发现失效是由于硅化物残留和栅氧化层部分缺失。如图7所示。  

    4 OBIRCH原理和失效应用[4,5] 

    4.1 OBIRCH原理

    新型的发光显微镜配有OBIRCH新功能。图8是OBIRCH的原理图。用激光束在器件表面扫描，激光束的部分能量转化为热量。如果互连线中存在缺陷或者空洞，这些区域附近的热量传导不同于其他的完整区域，将引起局部温度变化，从而引起电阻值改变ΔR，如果对互连线施加恒定电压，则表现为电流变化ΔI=(ΔR/V)I2,通过此关系，将热引起的电阻变化和电流变化联系起来。将电流变化的大小与所成像的像素亮度对应，像素的位置和电流发生变化时激光扫描到的位置相对应。这样，就可以产生OBIRCH像来定位缺陷。 

    利用OBIRCH方法，可以有效地对电路中缺陷定位，如线条中的空洞、通孔下的空洞。通孔底部高阻区等；也能有效的检测短路或漏电，是发光显微技术的有力补充。 

    4.2 OBIRCH用于探测漏电通路

    某一电路系统失效，由于系统复杂，其他方法未能确认出失效原因，利用OBIRCH方法找到了失效机理。 

    图9是某一电路系统局部的OBIRCH图，箭头所示部分表明存在电流通路。

    结合电路设计考虑，判断出电路故障原因是设计不当。 
    最初设计只考虑到VDDH施加高压可以使两个pn结反偏，达到防治漏电的效果。结果由于设计的疏忽，两个相邻的p+区形成了电压降和漏电流（见图10）。利用OBIRCH技术很快帮助定位到漏电通道，结合反射像和版图很快找到了设计的漏洞，并加以修改后，完善了相应电路系统的功能。

    5 结语 
    PEM技术本身具有较高的图形分辨率和非常准确的缺陷定位能力，可以提供被检测器件的反射像和发光像，还可以利用OBIRCH技术增加分析能力。综上所述，PEM技术在半导体器件失效分析中显示出巨大的应用潜力。随着微电子技术的发展，PEM 检测及应用技术也必将提升至一个新的高度。