3.23　电子束感生电流像

电子束感生电流（EBIC）是指当一束被加速并被聚焦的高能电子束，在有势垒的半导体表面上进行扫描时，由于入射电子束对P-N结势垒区的轰击，半导体结区内会产生一定量的电子-空穴对，在势垒区两边一个扩散长度的范围内，产生的少数载流子会扩散到势垒区。其中的一部分未被复合的少数载流子在势垒场中漂移而被收集，空穴被拉向P区，电子被拉向N区，从而在势垒区的两边产生感生电动势（Electron Beam Induced Electromotance，EBIE）。它以短路电流或开路电压的形式，经外加的检测电路进行测量、放大，再用放大后的信号去调制与电子束同步扫描的显示屏，便能得到一幅电子束感生电流（EBIC）或电子束感生电动势（EBIE）像，它有Z调制和Y调制两种方式。

根据外电路放大器阻抗的不同通常会有下列三种情况。

（1）高阻抗放大器。

当外接放大器的输入阻抗相对试样内阻大很多时，其可以被看成呈开路状态，此时输出电流很小，趋近于零，而电动势很大。高阻抗放大器如图3.23.1所示。这时感生电动势相当于一个电压源，开路电流Ioc趋近于0，而开路电压Voc最大，即为：

式中，β是实验常数不小于1；T是绝对温度；Isc是短路电流；q是电子电量；I0是反向饱和电流；K是玻尔兹曼常数。

图3.23.2是有偏压的EBIC的一种连接方式，所加的偏压依扫描电镜型号和前置放大器的不同而异，其所允许的安全偏置电压多数为±5V，有的限制在±10V，有的会在前放的回路中串接一个限流电阻，一般为几十至上百欧姆的电阻，这时其偏置电压就可适当放宽到±15V，但这还应考虑到该试样中所测P-N的自身耐压能力；而为保护前置微电流放大器，绝大多数的电镜都把回路电流限在不大于2mA的范围。图3.23.3是无偏压的EBIC连接方式。图3.23.4是电子束感生电动势的能带原理图，在高阻的回路中费米能级（虚线）不在同一个水平线上，扩散电流与激发电流有一部分会相互抵消，输出的电流值很小，Ioc趋近于0。

（2）低阻抗放大器。

当外接放大器的输入阻抗远小于试样的内阻时，可以看成趋近于短路状态，这是一种理想的电子束感生电流放大器。低阻抗放大器如图3.23.5所示。此时，感生电动势几乎为零，则V趋近于0，而输出电流Isc最大。图3.23.6是电子束感生电动势的能带原理图，此时的费米能级（虚线）几乎处在同一个水平线上，扩散的电流与激发的感生电流相互叠加，输出的电流信号得到增强，即为：

式中，β是实验常数，一般不小于1；V是正向电压；q是电子电量；Ig是入射电子束轰击势垒区时产生的电流。

当短路时输出电压趋近于零，即V趋近于0，则ISC=Ig。

（3）放大器阻抗非理想化的情况。

在实际应用的电路中，放大器的阻抗都会有一定的阻值，即其阻抗不可能是无穷大或无穷小这两种极端情况，而是会具有一定的数值，这种回路的输出电流和电压也都具有一定的大小数值。从能带理论来说，具有势垒的半导体在外界入射电子束的轰击下，其能带会随放大器阻抗的大小而变化。有了这个变化，当它与外电路构成回路时，就会有EBIE或EBIC的信号输出。

商品化扫描电镜多数会配有一个测量试样电流的纳安（nA）级试样电流放大器，即用于探测束流大小的纳安级电流表，这是一种高增益低阻抗的放大器，只要经适当的改接，就可以用来作为EBIC的放大器。改接后无偏压的EBIC连接示意图如图3.23.5所示，这种放大器的输入端阻抗一般都是低阻值的。

EBIC的大小主要取决于入射电子束的能量，入射电子束的能量不同，激发所产生的电子-空穴对的数目也不同，每个入射电子所生产的电子-空穴对的数目可用倍增因子G表示：

式中，Eeff是入射电子的有效能量，Eeff通常略低于E0；ei是半导体基材的电子-空穴对的平均激发能，它取决于被激发材料本身的平均激发能。

表3.23.1为几种常见的半导体材料的平均激发能，表中带a的数据表示在实验时用电子轰击所得到的值，其他的是用小粒子或光子轰击而得出的值。

采集EBIC图像时的加速电压与电子束流的选择如下。

EBIC图像的成像信息与入射束的加速电压和试样的少数载流子的扩散长度有关，若所观察材料的缺陷较深，就要适当地提高入射束的加速电压，但分辨力和衬度却会随之变差。因此，在观察深度允许的条件下，应尽可能选择较低的加速电压，若加速电压高，入射束的激发深度就深，而且还会朝横向扩散、展宽，空间的几何分辨力就会变差。另外，束流的选择也与缺陷的活性有关，缺陷的活性大，入射束流可选小一点，可选在10-9～10-10A；若缺陷的活性较弱，可适当增大入射束流，可选在10-8～10-9A。若增大束斑，扫描电镜相应的空间几何分辨力会下降，所以在信噪比和衬度允许的条件下，也应尽量选择较低的加速电压和较小的束斑。但加速电压和束斑也不能太小，否则信噪比会变差，热场发射扫描电镜较常用的加速电压为5～15kV。

德国Kleindiek公司推出了一种能对半导体器件进行多种分析的EBIC测量装置。这种测量装置一般与1个或2个MM3A-EMs微纳米操纵仪一起配合工作，配备微电流测量工具（LCMK）或者将MM4型的微纳米操纵仪集成到所配套的探针穿梭平台上，把它的信号输出端连接到扫描电镜的视频输入端之后其就具备了多种测量分析方法，主要是用于检测集成电路，其中包括电子束感生电流（EBIC）、电子束吸收电流（EBAC）、电阻衬度成像（RCI）、电子束感生电压（EBIV）、电子束感生电阻的变化（EBIRCH）等。其不仅有交流和直流的放大模式，而且还能够做定量的EBIC和EBAC测量分析。在用这个平台对集成电路进行分析时，为了更好地使用这种高增益和高灵敏的放大器，也为了改善EBIC的空间分辨力，在信噪比和衬度允许的条件下，应尽量选用低的加速电压和较小的束斑。热场发射扫描电镜常用的加速电压为5～10kV，选用的物镜光栏以30μm为宜；钨阴极扫描电镜常用的加速电压为8～15kV，选用的物镜光栏以40μm为宜。

1. EBIC在半导体器件失效分析中的应用

（1）观察P-N结结区和集成电路的隔离条位置及其缺陷。

根据束感生电流的原理，可以用EBIC像来观察P-N结的结区形状、缺陷和非均匀性的掺杂等。通过EBIC像我们不仅能清楚地看到集成电路中的P-N结或隔离条所处的位置，而且还有助于判断P-N结、隔离条和衬底之间是否存在明显缺陷。当把SE像和EBIC像叠加在一起或相比对时，就能比较容易地找到该缺陷存在于器件中的具体位置。从图3.23.7的EBIC像中不仅可以看到扩散电阻和隐埋扩散的连接条，而且还可看到隔离区弯曲变形的形状，如图片中箭头所指之处，这弯曲畸形的突出虽还没有造成两隔离条之间的短路，但也形成了一个潜在的寄生三极管，会导致交流信号的自激等不稳定，而在与之所对应的二次电子像（图3.23.8）中就看不到这种缺陷的存在。

（2）观察集成电路中的扩散电阻。

IC中的扩散电阻和隐埋扩散区的连接线在二次电子形貌像中是很难看得到的，但若借助EBIC像就能比较清楚地看到它们的轮廓形貌和布局，从中人们还可以根据扩散条的宽长比的相对大小，对其阻值做一个相对大小量的估算。

（3）利用EBIC来估算平面P-N结的结深。

在通常的情况下，半导体器件生产厂按传统的方法，要测量P-N结的结深大都采用磨角染色法，再借助干涉显微镜进行观测，然后再计算。用这种传统方法测量P-N结的结深既麻烦又费工时，而且还要破坏试样芯片。Jim-Yong Chi提出了用EBIC响应峰的峰形变化来估算P-N结结深的方法。入射束能量与激发深度的关系如图3.23.9所示。

利用EBIC的强度来测P-N结结深或掺杂区厚度的原理是让电子束在P-N结的结区正交面上沿着一定的方向扫描，测量EBIC沿该方向的强度分布，当加速电压由低向高逐渐增加时，在垂直结的地方会出现亮或暗的峰值。当加速电压慢慢升高到某个值时，极大值处的尖峰会从尖锐慢慢变为平钝，最后使峰尖刚好消失，在这峰值消失之际，该电压正对应最大激发深度的一半。根据这时所施加的加速电压值人们就可以依材料的参数估算出P-N结或掺杂区的深度。器件表面如果有氧化层和钝化层都会影响到对结深的估算，若氧化层和钝化层比较厚，EBIC像就很难看得到。

布雷斯（Bresse）在Kanage之后提出了一组在半导体材料中估算加速电压与激发深度Zd的经验公式：

式中，ρ是半导体材料的密度；A是半导体材料的原子量；c是光速；Z是半导体材料的原子序数；r=0.187Z 2/3；E0是加速电压值。

该公式适用于10～100kV的加速电压，但扫描电镜的加速电压一般都不超过30kV，所以为了简化计算，可以把相对修正因子忽略掉。因为当在10～30kV变化时，该修正因子的相应变化范围是0.98～0.95，非常接近于1，所以作为经验公式，在加速电压不大于30kV的情况下可以把该因子忽略掉。再把硅元素的相应参数代入，并把两式合并，则可得到一个非常简单而直观的加速电压与硅材料激发深度有关的经验公式；

这样，Zd就成为仅与加速电压有关的一个变量，当选定某个E0时，就可估算出在该电压下所对应的硅材料的激发深度Zd。图3.23.7、图3.23.10至图3.23.15都是用EBIC成像技术来分析半导体器件失效情况的实例照片，具体的应用实例也可参阅文献[16、17、18]，有关于EBIC图像分辨力的讨论可参阅文献[19]。

（4）有的电镜可在试样和EBIC的探测器上加配偏压，又在样品台上加配有纳米操控器时，可以用作电流-电压的IV特性的测试。

（5）EBIC的定量线扫描。

有的电镜在EBIC探测器上加配偏压就可实现EBIC的定量线扫描。测试过程中，电子束在指定的感兴趣位置线上扫描就可测量到该位置的EBIC定量数值，这可用于对P-N结耗尽区宽度的测量。

2. 单引出端（SC）的EBIC成像原理

用传统的EBIC成像至少要有两个连接引出端，一端接试样电流放大器，另一端接地。而V. K. S. Ong等人提出用单引出端的电子束感生电流（SC-EBIC）连接方式来观测集成电路芯片中的反型层和结区。用这种新型的SC-EBIC能部分替代传统的双引出端EBIC的检测方式，这种SC-EBIC所成的像，所有层次的结都能呈现出来，且感生电流流向相同的P-N结的结区所呈现的衬度差别也不会太大。图3.23.16（a）是采用单引出端做出来的SC-EBIC像，虽然信噪比较低，但能够同时显示出多个不同流向的P-N结，该芯片的输出端接样品电流的输入端，其余引出脚悬空。图3.23.16（b）是相应部位的传统EBIC像，其信噪比虽然较高，但只能显示单个流向结的信息。

由于仅用单个输入端的连接方式，电子束感生电流的回路内阻大，其信号很弱，感生的电流有时会不太稳定，信噪比也比较差，为了提高图像的信噪比，通常会采用几十幅图像叠加的方式，这样瞬间信号所带来的干扰影响就会减少，而计算机所捕捉到的信号随图像的叠加次数增多可以抵消掉一部分随机的噪声，从而改善图像的信噪比。另外，选用的束斑不能太小，加速电压也不能太低，否则信噪比会很差。最关键的是要选取合适的扫描时间，若扫描的行时间短（快），微电流放大器的响应速度跟不上，图像的信噪比和分辨力都会很差；若扫描的行时间长（慢），集成电路中P-N结的容抗会变大，导致回路的阻抗增大，也会影响导通性能，较合适的扫描速率应是电子束扫过整个扩散区域的时间略长于芯片上绝大部分P-N结的结电容所形成的时间常数。这是一种对半导体器件和集成电路非常有效而实用的新型检测和分析技术，它对硬件设施的要求不高，在有试样电流放大器的扫描电镜中一般都能实现，具体的应用实例也可参阅文献[22]。

为了分析SC-EBIC成像理论的方便，笔者画了一个集成电路单端连接成像的EBIC示意图，如图3.23.17所示。当入射电子束扫过电路芯片上的晶体管时，它要经过三个P-N结区，它们是衬底-集电极、集电极-基极和基极-发射极，为了论述方便，在图中分别用字母A、C和E来表示这三个结。电子束扫过三个区，它们是集电区、基区和发射区，它们也分别用B、D和F表示。

（1）电子束扫到A点。

当入射束扫到第一层结即A点时，产生的感生电流中的电子被注入集电极，空穴被注入衬底经电流放大器放电。这是因为放大器提供了一个接地的回路。由于正电荷从放大器的反向端输入，导致放大器的输出电压为负，而所感生的电子积累在集电极，集电极的位能开始下降，这将使衬底-集电极所形成的结变为正偏，这时积累在集电极中的电子越过该结注入衬底。在起始状态，由于感生电流的影响淹没了结的正偏电流，所以这种效应一开始是看不到的，而只有当入射束扫离结区后，这种效应才明显。从集电极注入的电子将与衬底中的多数载流子复合，为了维持这种复合，正电流从地经放大器流入。当正电流流离了放大器的反向输入端，输出端的电位上升，这时图像中相应的微区呈现亮带，这亮带的强度与入射束的能量成正比，集电极放出的电子越多，集电极的位能就升得越高，电子流注入的强度就越少，当入射束移离该结时，亮带就变得更亮。

（2）电子束扫到B点。

当电子束扫到B点时，因它距离结区最少有几倍的扩散长度，所有产生的载流子在到达该结区前都已经被复合了，使得电子被堆积在集电极，束流很明显要比载流子所产生的电流低几个数量级，并且不会引起集电极位能有明显的降低，这时衬底-集电极结就不是正偏，因而没有电流注入衬底，在这种条件下，除了微不足道的电子束流，没有电流流经放大器，这时放大器的输出电压是零，因此在相应的区域上图像呈灰色，既不亮也不暗。

（3）电子束扫到C点。

当电子束扫到C点时，入射电子束轰击集电极-基极结区，产生的感生电子被扫到集电极，空穴被扫到基极，在基区和集电区分别产生了空穴和电子的堆积，则使基区位能上升，集电区位能下降，导致衬底-集电极结和集电极-基极这两个结处于正偏状态。在集电区中所堆积的电子将被分别注入衬底和基区，去与那里的多数载流子复合。从地端流入衬底复合的空穴电流流经放大器时，引起放大器的输出端电位上升，因而集电极-基极结区呈现亮带。当入射束扫离C点所对应的结时，进入集电区的感生电子流会突然截止，由于在基区堆积了空穴，集电极-基极结仍为正偏，这将使得所堆积的空穴被注入集电极去与那里的多数载流子进行复合。在复合之前，被注入集电区的一部分空穴可能到达衬底-集电极结区，并且到达衬底，这些电流将经放大器对地放电，使放大器的输出端电位下降，而对应的区域呈现暗带。

（4）电子束扫到D点。

当入射束扫到D点时，所产生的过量载流子的一小部分将被基区所建立的梯度电场分离出来，少量的电子将与入射电子一起到达基极-集电极结区的边沿，并被注入集电区，这将引起集电区电子的堆积，使集电区的位能下降，这时衬底-基极结变为正偏，使堆积的电子能够注入衬底，同时放出的电子流流经放大器到地，使放大器的输出电位上升，这时对应的基区边沿呈现亮带。

（5）电子束扫到E点。

当入射束扫到E点时，所产生的空穴被扫入基区，相应的电子就被堆积在发射区，在基区中堆积的空穴会抬高基极的位能，使得基极-集电极结成为正偏，这将使堆积在基区的空穴能够注入集电区，被注入集电区中的大部分空穴将该区的多数载流子复合，有一小部分在复合前将会到达衬底-集电极结。由于集电区的扩散长度较宽，在正常情况下集电区都不是高掺杂，有一小部分的空穴将被注入衬底，并通过放大器放电，使放大器的输出电位下降，引起对应的基极-发射极结区呈现暗带。

（6）电子束扫到F点。

因为F点远离结区，所有产生的载流子在到达结区前都被复合完，在发射区中入射的束流会引起电子的堆积，这时束流比起所产生的载流子要低几个数量级，所以它不会使发射区的位能有明显下降，这时相应的发射区在图像上呈现灰色。

这种新型的SC-EBIC技术也能够用于观测CMOS集成电路势垒区的情况。当把COMS电路的衬底接放大器，其余引出脚悬空时，若器件是P衬底（即N阱型），则它的剖面示意图如图3.23.18所示。把图3.23.18中P衬底接入放大器，它与图3.23.17中的那种双极型管子起着相同的作用，图3.23.18中N沟道晶体管的漏-衬底与源-衬底形成的结和N阱-衬底所形成的结将构成第一层次的结。P沟道晶体管中的漏-N阱和源-N阱所形成的结将构成第二层次的结，类似于图3.23.17中的第一和第二两个层次的结。

由于所有的CMOS集成电路中的晶体管都是由N和P两种沟道组成的，所以这两层的结在SC-EBIC方式中均能显现出来，也就是说在CMOS电路中所有的反型层和晶体管都能通过这种单端连接技术进行成像观察、分析。