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1、西安交通大学硕士学位论文 论文 题目 : 扫描电镜样品表面残留电位均匀化的机理研究 专业:电子科学与技术 硕 士 生:宁一冰签名: 指导教师:张海波 教授签名: 守 一 A 加 摘 a石 3刃 扫描电子显微镜 ( S E M)样品受到电子束照射后，其表面由于电荷 积累产生分布不均匀的残留电位。残留电位影响二次电子产生的信号从 而千扰电位衬度和带电衬度， 甚至引起异常衬度效应，降低了S E M的观 测精度。因此，去除积累电荷、消除表面残留电位对于样品的重复观测 和带电衬度的研究有着重要的意义。本文在分析了残留电位对 S E M 衬 度的影响后，针对利用低电压电子束持续扫描照射使表面电位均匀化的
2、实验结果，建立了表面电位随电子束扫描时电荷在样品表面附近积累而 变化的模型，并对其表面电位均匀化工作机理进行了数值模拟。结果表 明，在不同表面电位条件下出射二次电子返回表面的比例不同是引起表 面电位均匀化的主要因素:一次电子、返回表面的二次电子和空穴三者 的共同作用使得在低于平衡电位的区域空穴被积累而电位上升，在高于 平衡电位的区域电子被积累而电位下降;表面电荷差异因而逐渐减小， 表面电位趋向于均匀的正平衡电位。 关 键 词:扫描电子显微术;绝缘物;表面电位;二次电子;均匀化 论文类型:应用研究 西安交通大学硕士学位论文 S u b j e c t : Me c h a n i s m S t
3、 u d y o f S u r f a c e - P o t e n t i a l I n i t i a l i z a t i o n f o r a S E M S a m p l e S p e c i a l t y : Na me : S u p e r v i s o r : E l e c t r o n i c S c i e n c e s u r f a c e 而f a l i z a t i o n T h e s i s s tyl e : A p p l i e d r e s e a r c h 第一章绪 论 第一章绪 论 在现代微电 子技术领域中，基于扫
4、描电子显微镜( S c a n n i n g E l e c t r o n Mi c r o s c o p e , S E M ) 的电子束检测技术在芯片故障诊断和失效分析方面的 应用日益广泛 1 , 2 1 。在本章中先简要描述S E M的基本结构和工作原理，然 后介绍目前常用的检测技术及其应用现状， 最后主要讨论本论文的背景和 所完成的主要工作。 1 . 1 S E M的基本原理 S E M 是利用电子束轰击样品表面后产生的二次电子或背散射电子 所带信号来成像的大型分析仪器。与光学显微镜，透射电子显微镜 ( T E M) 相比， S E M具有分辨能力高，图像立体感强， 景深与放大倍
5、数 变化范围大等优点 。因此，它在许多领域都得到了广泛的应用。 S E M的原理如图1 . 1 所示。由三极电子枪发射出的电 子束在加速电 压的作用下，经过电磁透镜，会聚成细小的电子探针，在末级透镜上部 扫描线圈的作用下，使电子探针在样品表面作光栅状扫描。由于电子与 物质的相互作用，结果在样品上产生各种信息，如二次电子、背反射电 子、俄歇电子、 X射线等。因为从样品中所得到各种信息的强度和分布 各自同样品的表面形貌、成分、晶向、以及表面的一些物理性质 ( 如电 性质、磁性质等)因素有关，因此，通过接收和处理这些信息，就可以 获得表征形貌的扫描电子像，或进行晶体学分析以及成分分析。 西安交通大学
6、硕十学位论文 胜如 二 ， 因 电 “I t 2 因 :T L 因 试样 收集汤 图1 . 1 S E M的工作原理图 1 . 2 集成电路电子束测试技术 1 . 2 . 1 电子束测试系统 电子束检测技术在I C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V l 。它的发展建立在S E M、 显像，图像处理、 计算 机控制等多种技术的 基础上。 它的核心系统设备是一台S E M， 并在此基 础上改进或添加某些外围设备制成的。 一般商用的电子束检测系统的装置结构如图 1 . 2所示，总体上由电 子束测试和大规模集成电 路 ( L a r g e S c a l e I n
7、t e g r a t i o n , L S D测试两大部 第一章绪 论 分联合组成。电子束测试部分又包括频闪 S E M 和微机控制两部分。微 机控制部分在控制频闪S E M的电子束和载物台的同时， 也显示S E M图 像和设计数据。对于L S I 检测状态来说，为了检测出L S I 的内部波形， 就必须把电子束测试和L S I 测试两部分结合起来。L S I 测试是给L S I 外 加电源电压和输入信号的同时，将L S I 的实际输出信号与预期值比较以 判断芯片的工作状态是否正常。电 子束检测系统大体上有两种功能，一 种是利用设计数据可以确定检测 L S I 得到的 S E M 图像上所
8、对应的检测 位置， 另一种是不利用设计数据而是获得正常芯片和异常芯片的S E M图 像差。 电子束测试 颜闪S E M 控制计算机 电子枪 次电子束 束消隐电极 磁透锥 载物台控制部分 电了束控制 载物台拎制 黔 卜 一困 一到 真 空 泵 厂 刁 L S I 电路数据 观测波形 向L S I 外 加输入信号 沮 弓 定L S I 的输出信月 L S I 设计数据 : : L S I A 叮 试 图1 . 2 电子束检测系统结构 1 . 2 . 2 S E M 检测技术的原理 1 9 5 7 年， 英国 剑桥大学的O a t l e y 和E v e r h a r t 在S E M上进行实验
9、时 发现，样品相对其周围空间的电位变化会引起探测器的输出信号的显著 西安交通大学硕士学位论文 变化。他们提出从 S E M 得到的二次电子信号电流图像能反映出样品表 面上的电位分布， 也就是电位衬度 3 。 这一发现为集成电路S E M检测技 术提供了一种新方法。 下面以图 1 . 3中平行布线电极模型的电位分布为例来说明L S I 检测 中电位衬度的产生机理4 . 入射电子束 等 位 线 、 、 、 、 、 召 ， ， = la za 一 、匕 土 二次电了 布线 认终 .心们1. 、女 垒 位 夕o v i iiiiiis v /2 乙 图1 . 3电 位衬度产生示意图 图1 .3中的样品
10、为外加激励源的L S I 芯片，不同布线表面上有电位 差。 检测过程中， S E M的收集极相对于样品台保持正电位， 样品表面形 成了有利于提高二次电子的收集效率的电场强度分布，其大小通常在数 V / m m。 如 果 在 相 距为 数g m的 两 条 布线 上 有 数V左 右的电 位差， 那么 收集极产生的场强相对于表面电场就可以忽略不计。正电位的布线表面 对于二次电 子来说是减速电场。二次电 子的出 射能量并非均匀分布，一 部分能量较低的二次电子会重新返回表面，真正到达收集极的二次电子 数量就减少了。在图1 .3 中，电压为5 V的导线附 近产生局部的位垒， 则该导线上出射的能量比较低的一
11、部分二次电子就不能到达收集极。与 此相对，两侧的电位为0 V的导线附近由于没有局部位垒，所以产生的 二次电子中的绝大部分都能被收集极所收集。反映在扫描图像上的结果 第一章绪 论 是:SV 像较亮， 电位的导线所对应的图像较暗，而0V电位的导线所对应的图 形成了图像衬度。 在大多数情况下，为了不损坏L S I 芯片，一般需要在保留L S I 的表 面绝缘物覆盖层的条件进行检测。在L S I 芯片加有激励信号时，选择能 量适中的电子束，利用照射绝缘物时产生的导电性可以把下方导线的电 位分布转移到绝缘物表面形成所谓的电容祸合电位衬度( C a p a c i t i v e C o u p l i
12、n g V o l t a g e C o n t r a s t , C C V C ) 5 1 ， 从而实 现非接触无损检A 9 a 近年来， S E M带电 衬度 6 1 在L S I 检测中受到关注。 这种新型衬度从 原理上讲，就是在相同的电子束照射条件下，无外加激励信号的L S I 芯 片由于绝缘物下方材料、 结构的差异引起照射点附近带电状况的不同( 局 部电场的不同)而产生的二次电子信号电流的差异( 图像衬度) 。研究表 明( 6 1 ，引起带电衬度的关键因素是从绝缘物发射出来的部分二次电子在 表面局部电场的作 用下返回表面( 即二次电 子的再分配) ， 从而影响收集 到的二次电子
13、信号电流。 1 . 3 研究背景和任务 在利用 S E M 观测覆盖有绝缘物的样品时，由于电荷的积累，绝缘 物表面通常会发生带电现象。对于形貌衬度的观测，一般采用覆盖金属 导电涂层等方法来消除或减小带电的发生。另一方面，最新的研究结果 表明，利用带电现象通过带电 衬度可以 观测到被绝缘物覆盖的L S I 深层 结构，如在正带电条件下产生静态电容衬度可以观测到电子束无法到达 的下层导线形貌;利用负带电形成的衬度进行版图对准。这里，对于利 第二章二次电子轨迹与S E M信号电流的计算 第二章二次电子轨迹与 S E M信号 电流的计算 本章首先从二次电子发射出发， 讨论二次电子在绝缘物表面电场作用
14、下发生的再分配现象， 以及与信号电流的关系。 然后， 简要介绍求解二次 电子轨迹的数值计算方法。 最后， 在此基础上，计算残留电位对应的信号 电流，并分析了它对 S E M衬度图像的影响。 2 . ， 绝缘物的二次电子发射与表面带电 电子束入射到样品表面， 电子与物质相互作用会发生散射现象， 如果 散射过程中入射电子的方向和动能都发生改变， 就把这种散射称为非弹性 散射。 在这种非弹性散射情况下， 常常伴有多种信息的产生， 如激发出各 种电子以及各种各样的射线等。 其中， 绝缘物中的电子在受到非弹性碰撞 时，由于价电子的激发截面较大， 产生大量的激发电子，即二次电子。二 次电子产生后具有能量与
15、速度分布， 有一部分向表面方向运动， 如果运动 到表面时， 还有足以克服表面势垒的能量， 则可以自 表面逸出。 大多的二 次电子能量范围为0 -5 0 e V P I e 二次电子是一种重要的成像信息。 电子束照射样品表面， 产生不同强 度的二次电子信息，由检测器接收、 转换成不同亮度的光信号。 然后， 经 光电倍增管放大， 再转换成视频电信号。 这些信号的强度同样代表着样品 形貌的差异， 经过放大调制显像管电子束的强度， 使显像管在相应的象素 西安交通大学硕士学位论文 位置以相应的明暗反映出来， 从而可以得到反映样品材料表面形貌的二次 电子图像。 二次电子发射系数S 的定义为: 二次电子数
16、入射的一次电子数 ( 2 . 1 ) 图2 . 1 给出 S 与入 射电 子能 量。 长的 关系。 6- O I v 一 v 一 瑞 尸- -下， V al V coa x V c r 2 V s 图2 . 1绝缘物的二次电 子发射系数与入射电 子能量的关系 电子束照射绝缘物时，在一定的加速电压下，二次电子发射率S 会影 响绝缘物表面的带电 状况。 当二次电 子发射率a 大于1 时， 入射电 子个数 小于二次电子发射个数， 绝缘物表面趋向于正带电， 反之， 绝缘物表面趋 于负带电。 二次电子从绝缘物表面出射的初始条件满足一定的概率分布。 出射角 Q ( 与入射方向的夹角) 一般满足余弦分布 N ( /3 ) = c
