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。
（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