DE2813947C2

DE2813947C2 - Verfahren zur berührungslosen Messung des Potentialverlaufs in einem elektronischen Bauelement und Anordnung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE2813947C2
Application number: DE2813947A
Authority: DE
Inventors: Hans-Peter Dipl.-Phys. 8000 München Feuerbaum
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: ICT Integrated Circuit Testing Gesellschaft fuer Halbleiterprueftechnik mbH
Priority date: 1978-03-31
Filing date: 1978-03-31
Publication date: 1986-09-04
Also published as: NL188482C; NL188482B; NL7902517A; GB2017939A; GB2017939B; US4220854A; DE2813947A1; JPS54134570A; JPS6333262B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur berührungslosen Messung des Potentialverlaufs in einem elektronischen Bauelement mit einem getasteten Primärelektronenstrahl, der an der Meßstelle Sekundärelektronen auslöst, deren Energie vom Potential an der Meßstelle bestimmt wird, sowie auf eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 2.

Der Potentialverlauf in Leiterbahnen eines integrierten Schaltkreises kann bekanntlich mit Hilfe einer auf die Meßstelle aufgesetzten mechanischen Spitze gemessen werden, deren Durchmesser aber aus Festigkeitsgründen einige μΐη nicht wesentlich unterschreiten kann. Hochintegrierte Schaltkreise enthalten aber Leiterbahnen, die nur wenige μπι breit sind und an denen somit eine Messung mit der mechanischen Spitze nicht mehr möglich ist. Außerdem ist die Kapazität der Meßspitze verhältnismäßig hoch, so daß Messungen an dynamischen Schaltungen verfälscht werden können.

Potentialkontrastmessungen an integrierten Schaltkreisen werden deshalb mit dem Rasterelektronenmikroskop durchgeführt, bei dem die mechanische Meßspitze durch den Elektronenstrahl ersetzt wird, der auf einen Durchmesser von etwa 1 μπι fokussiert werden kann (US 37 96 947). Dieser Primärelektronenstrahl löst an der Meßstelle aus der metallischen Leiterbahn Sekundärelektronen aus, die in einem elektrischen Feld beschleunigt werden und deren Energie mit einem Gegenfeldspektrometer gemessen werden kann. Ein zylindrischer Ablenkkondensator führt die Sekundärelektronen durch ein Verzögerungsfeld dem Szintillator eines Elektronenkollektors zu, dem ein Regelverstärker nachgeschaltet ist. Die Ausgangsspannung des Verstärkers steuert die Gitterspannung des Verzögerungsfeldes. Er hält seine Ausgangsspannung bezüglich der Spannung an der Meßstelle mit Hilfe einer Rückkopplungsschleife konstant Die Gitterspannung an der Gegenfeldelektrode des Spektrometer wird solange nachgeregelt bis die Spannung zwischen Gitter und Meßpunkt wieder ihren ursprünglichen konstanten Wert erreicht hat Dann entspricht die Änderung der Gitterspannung direkt der Potentialänderung an der Meßstelle der Probe.

Eine direkte Messung des Potentiaiverlaufs hochfrequenter Signale ist nicht ohne weiteres möglich, weil der Verstärker dem hochfrequenten Signal nicht folgen kann. Es wird deshalb die stroboskopische Messung nach Art eines Samplingoszillographen angewendet (Microelectronics and Reliability, Vol. 10, 1971, S. 317—323). Dabei wird der Primärelektronenstrahl mit der Frequenz des zu messenden Signals getastet und jeweils während einer sehr kurzen Zeitdauer eingeschaltet Dieser Vorgang wird so oft wiederholt, bis man ein ausreichendes Signal-Rausch-Verhältnis erreicht hat. Dann wird nach dem sogenannten Sampling-Prinzip die Phasenlage des Elektronenimpulses in bezug auf die Meßspannung verschoben und der Vorgang so oft wiederholt, bis wenigstens ein Zyklus der Meßspannung ermittelt ist.

Die Probe ist in einem Hochvakuumsystem des Gegenfeldspektrometers mit einem Vakuum von etwa 10~⁵Torr angeordnet. Die Oberflgdie der Probe enthält noch verhältnismäßig viele Restgasmoleküle, die von den auftreffenden Elektronen des Primärelektronenstrahls gecrackt werden können. Dadurch bildet sich an der Oberfläche der Meßstelle eine Kontaminationsschicht aus, die weniger Sekundärelektronen liefert als das Metall der Leiterbahn. Dementsprechend ergibt sich eine Störung in der Messung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur berührungslosen Messung des Potentialverlaufes in einem elektronischen Bauelement anzugeben,

5C- bei dem die durch Kontamination der Oberflächen verursachten Störeinflüsse vollständig unterdrückt werden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Impulsfolge des Primärelektronenstrahls jeweils abwechselnd eine Impulsfolge mit fester Bezugsphase in bezug auf den Potentialverlauf der Meßspannung und eine Impulsfolge mit über einen Phasenbereich verschiebbarer Meßphase enthält, und daß die Potentialdifferenz zwischen der Bezugsphase und der Meßphasen gemessen wird. Durch diese Verzögerungszeitmodulation wird die Meßgröße in einen Wechsel- und einen Gleichstfömänteil aufgespalten. Störungen durch Kontamination sind im Gleichstromanteil enthalten. Der Wechselstromanteil entspricht dem Potentialverlauf der Meßspannung an der Probe und wird deshalb unabhängig vom Gleichstromanteil, vorzugsweise mit einem Lock-in-Verstärker, ermittelt.

Bezüglich der Anordnung zur Durchführung des Verfahrens wird die Aufgabe durch die im Anspruch 2 an-

gegebenen Merkmale gelöst

In dieser Meßanordnung wird die mechanische Meßspitze durch den berührungslosen, leicht positionierbaren und feinfokussierbaren, sowie kapazitätsarmen Elektronenstrahl ersetzt Der Elektronenstrahltastkopf wird auf die Probe aufgesetzt die in einem Vakuumsystem angeordnet ist Der getastete Primärelektronenstrahl erzeugt an der Meßstelle des elektronischen Bauelements Sekuiidärelektronen, die an der Oberfläche der Meßstelle aus einem oberflächennahen Bereich von etwa 5 mm Dicke in das Vakuum austreten und deren Energie in bezug auf eine Resonanzelektrode vom Potential an der Meßstelle bestimmt wird und mit einem Spektrometer ermittelt wird, das vorzugsweise ein Gegenfeldspektrometer sein kann. Die Sekundärelektronen werden von Elektroden abgesaugt, die sich oberhalb des Bauelementes befinden. Mit einer Spannung von beispielsweise 300 V zwischen dem Bauelement und den Absaugelektroden werden die Sekundärelektroden beschleunigt und einem Eiektronenkoüektor zugeführt dem ein Regelverstärker nachgeschaltet ist

Durch die Verzögerungszeitmodulation wird jeweils nur die Potentialdifferenz gemessen und der Regelverstärker liefert ein Ausgangssignal mit einem Wechselspannungsanteil, welcher der Meßspannung an der Probe entspricht Ein besonderer Vorteil der Anordnung besteht darin, daß dieser Wechselstromanteil im Ausgangssignal des Regelverstärkers unabhängig vom Gleichstromanteil mit einem Lock-in-Verstärker gemessen werden kann.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren

F i g. 1 eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung schematisch veraschaulicht ist,

F i g. 2 zeigt die Phasenlage der Primäreiektronenimpulse, und

Fig.3 den Verlauf der Meßspannung jeweils in einem Diagramm, in

F i g. 4 sind die Ausgangsspannungen des Treppengenerators veranschaulicht in der

Fig.5 ist die Ausgangsspannung des Regelverstärkers, und in

Fig.6 die Ausgangsspannung des Lock-in-Verstärkers dargestellt.

In F i g. 1 ist ein Rasterelektronenmikroskop mit 2 bezeichnet, das eine Elektronenkanone 4, ein Strahltastsystem 8, das auch als Chopper bezeichnet wird, sowie eine Strahlablenkung 10 enthält, deren Steuereinrichtung nicht dargestellt ist. Die Elektronenkanone 4 besteht im wesentlichen aus einer Kathode 5, einer Wehnelt-Elektrode 6 und einer Anode 7. Die Strahlablenkung 10 soll beispielsweise ein Spulensystem mit Ablenkspulen 11 und 12 enthalten, deren magnetisches Feld zur Positionierung des Primärelektronenstrahls 13 auf einer Probe 14 dient, die vorzugsweise ein integriertes elektronisches Bauelement sein kann, in deren Leiterbahnen der Potentialverlauf einer MeSspannung V₅ gemessen werden soll. Der Primärelektronenstrahl 13 löst Sekundärelektronen 15 aus, deren Energie als Maß für das Potential an einer Meßstelle P\ dient

Oberhalb der Probe 14 ist ein Gegenfeldspektrometer 16 angeordnet, das eine Wehnelt-EIektrode 17 und eine Anode 18 enthält, die als Absaugelektrode dienen. Ein zylinderförmiger Ablenkkondensator 20 ist zur Ablenkung der Sekundärelektronen 15 vorgesehen, die auf ihrem durch einen Pfeil angedeuteten Wege über das Verzögerungsfeld zweier Gegenfeldelektroden 24 und 25 zu einem Detektor 32 für die Sekundärelektronen 15 gelangen. Dieser besteht im wesentlichen aus einem Abschirmgitter 28 und einem Szintillator 34 mit Lichtleiter, dem ein FotomuItipHer 35 und ein Regelverstärker 38 nachgeschaltet sind. Ein Lock-in-Verstärker 40 detektiert den Wechselstromanteil am Meßsignal und gibt damit den Potentialverlauf der Meßspannung wieder.

Das Ausgangssignal Va des Lock-in-Verstärker 40 bestimmt auf einem Bildschirm 42 die Abweichung in der y-Richtung, d.h. die Amplitude der Meßspannung V₁. Die Abweichung in der X-Richtung, d. h. die Zeitachse, wird mit der Sägezahnspannung U₁ eines Treppengenerators 57 gesteuert, dessen Treppenspannung Ur die Phasenlage Φ der Ausgangsimpulse t/56 eines Verzögerungsgenerators 56 steuert, der mit einem Pulsgenerator 52 der Tasteinrichtung 8 zugeordnet ist. Eine Steuerlogik 44 steuert zugleich die Probe 14 und einen Rategenerator 58, der als Impulsformer für den Verzögerungsgenerator 5ö dient

Die Tasteinrichtung 8 für die Einsi^-iung der Phasenlage #der Impulse £pdes Primärelektron.instrahls 13 in bezug auf den Verlauf der Meßspannung V₅ kann auch durch einen nicht dargestellten Rechner gesteuert werden. Zu diesem Zweck ist die zugehörige Steuereinrichtung, nämlich der Pulsgenerator 52, der Verzögerungsgenerator 56 und der Treppengenerator 57 digital ansteuerbar.

Das Ausgangssignal des Regelverstärkers 38 wird über eine Rückkopplungsschleife 48 einer Steuereinrichtung 50 für das Spektrometer 16 zugeführt, die das Gegenfeld der Elektroden 24 und 25 und das Potential des Kondensators 20 sowie die Absaugelektrode 17 und 18 steuert.

Zu den Zeiten t\, k und /3 soli nach F i g. 2, in welcher die Impulse des Primärelektronenstromes / in Abhängigkeit von der Zeit t aufgetragen sind, jeweils ein Primärelektronenimpuls Epo mit der Bezugsphase Φο auf die Meßstelle Pi, beispielsweise auf einer Leiterbahn eines integrierten Schaltkreises gegeben werden. Die Anzahl der Impulse Ep mit gleicher Phasenlage ist abhängig von der Anzahl der Elektronen pro Puls. Im Diagramm sind lediglich 5 Impulse Epo dargestellt. In der praktischen Ausführungsform des Verfahrens wird im allgemeinen mindestes η = 100 Pulse, vorzugsweise wenigstens 1000 Pulse, gewählt. Die Pulse Epo mit der Bezugsphase Φο liegen jeweils im Beginn der Anstiegsflanke des periodischen Signals der Meßspannung V₅, die in F i g. 3 in Abhängigkeit von der Zeit t aufgetragen ist.

Die Lage der Bezugsphase Φ wird nach F i g. 4, in der die Sägezahnspannung U₁ und die Treppenspannung Ur des Treppengenerators 57 aufgetragen sind, eingestellt durch Jie Höhe der Bezugsspannung Uro zwischen den Stufenspannungen Ut u £/r2iind Un des Treppengenerators 57. Die Wiederholrate der Treppenspaiinung Ut wird in einem Bereich von 3 · 10~² Hz bis etwa 100 Hz gewählt.

Nach Ablauf der Folge von Bezugsimpulsen Epo wird zur Zeit U, f₅ und f₆ jeweils ein Puls Ep\ mit der Phase Φ\ auf die Meßstelle P\ gegegeben. Diese Meßphase Φ\ wird bestimmt durch die Stufenspannung Ut \ der ersten Stufe des Treppengenerators 57. Diese Pulse Ep\ liegen nach F i g. 3 in der Anstiegsflanke der Meßspannung V₃.

Zur Zeit /5 wird widder eine Folge von Pulsen £_po mit der Bezugsphase Φο und zur Zeit /₆ wieder eine Folge von Pulsen E_p2 mit der Meßphase Φ₂ auf die Probe gegeben, die ebenfalls in der Anstiegsflanke der Meßspannung Vs liegt und durch die Höhe der Stufenspannung

Ut2 bestimmt ist. Die Stufenspannung Un bestimmt in gleicher Weise die Meßphase Φι. Die Phase Φ wird so weit verschoben bis die Meßwerte in einem Phasenbereich der Meßspannung V„ das ist im allgemeinen etwa ein Zyklus der Meßspannung V„ nach dem Sampling-Prinzip gesammelt sind.

Unter Umständen kann es zweckmäßig sein, auch nur einen Teil, beispielsweise nur die Anstiegsflanke eines Zyklus abzutasten und auf dem Bildschirm 42 darzustellen.

Nach Fig. 5 enthält das Ausgangssignal V_M des Regelverstärkers 38 eine Gleichspannung V_c„ die von einem Wechselspannungsanteil V„ überlagert ist.

Der Lock-in-Verstärker 40 liefert nach dem Diagramm der F i g. 6 das Ausgangssignal K₁. das der Amplitude V₁, des Wechselspannungsanteils des Verstärkerausgangssignals Vjs proportional ist. Entsprechend der Meßphasen Φ\, Φι und Φι nach Fig.2 liegen die

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Anstiegsflanke eines Zyklus der Meßspannung V_s, und der Lock-in-Verstärker 40 liefert mit diesen Werten zunächst ein ansteigendes Ausgangssignal. Wird die Meßphase Φ weiter verschoben, so liefert der Lock-in-Verstärker 40 den gesamten Zyklus, der in Fig.6 dargestellt ist und auf dem Bildschirm 42 sichtbar gemacht wird.

Die Flanken der Treppenspannung Ut nach Fig. 4 liegen im μ5-ΒεΓείΰη. Während dieser Zeit wird der Rategenerator 58 gegatet. Auf diese Weise wird vermieden, daß der Primärelektronenstrahl 13 während einer undefinierbaren Phase auf die Probe 14 trifft und dadurch Meßfehler entstehen.

Die Wiederholrate der Treppenspannung Ut kann beispielsweise über einen Frequenzteiler von der Frequenz der Meßspannung V₅ so abgeleitet werden, daß sie innerhalb der Bandbreite von beispielsweise 300 kH? der Riickknnplungsschleife 48 liegt. In diesem Fall enthält das Rückkopplungssignal den Wechselstromanteil V_w, dessen Amplitude gleich der Potentialänderung zwischen der Bezugsphase Φα und den Meßphasen Φ\, Φ-,, Φι ist. Dieser Wechselstromanteil wird mit dem Lock-in-Verstärker 40 vom Gleichstromanteil Vc getrennt. Das Ausgangssignal Va des Lock-in-Verstärkers 40 ist dann der Spannung V₅ an der Meßstelle P₁ proportional. Dargestellt wird das Signal auf dem Bildschirm 42, dessen Zeitachse χ von dem Treppengenerator 57 mit einer Sägezahnspannung U_% gesteuert wird.

Das Verfahren nach der Erfindung zur Messung des Potentialverlaufs in elektronischen Bauelementen in der Art eines Samplin^-Oszillographen mit einem berührungslosen Elektronenstrahl-Tastkopf, wie er in Fig. 1 angedeutet ist, kann beispielsweise in der Eingangskontrolle integrierter Schaltkreise sowie auch zu deren Qualitätsprüfung eingesetzt werden. Wegen der leichten Positionierbarkeit des auf sehr geringen Durchmessern fokussierten Elektronenstrahls und dessen niedriger Kapazität kann dieses Gerät auch für die Prüfung hoch integrierter Schaltungen mit entsprechend schmalen Leiterbahnen eingesetzt werden.

Das Meßverfahren kann ferner bei der Messung des Potentialverlaufs in ferroelektrischen und piezoelektrischen Bauelementen angewendet werden. Außerdem ist die Messung an einer Sperrschichtkondensatorkeramik möglich.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur berührungslosen Messung des Potentialverlaufs in einem elektronischen Bauelement mit einem getasteten Primärelektronenstrahl, der an der Meßstelle Sekundärelektronen auslöst, deren Energie vom Potential an der Meßstelle bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, da3 die Impulsfolge des Primärelektronenstrahls jeweils abwechselnd eine Impulsfolge (Ef>o) mit fester Bezugsphase (Φο), in bezug auf den Fotentialverlauf der Meßspannung (V_s) und eine Impulsfolge (Ep\, Ep2, Efr) mit über einen Phasenbereich verschiebbarer Meßphase, (Φ\, 02, Φ3) enthält, und daß die Potentialdifferenz zwischen der Bezugsphase (Φο) und den Meßphasen (Φ\, Φ2, Φι) gemessen wird.

2. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem Rastelektronenmikroskop, das reu einer Tasteinrichtung für den Primärelektronensirahl versehen ist und mit einem Gegenfeldspektrometer, das einen Sekundärelektronenkollektor mit einem Regelverstärker enthält, und mit einer Steuerlogik, die sowohl dem integrierten elektronischen Bauelement als auch der Tasteinrichtung zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Tasteinrichtung (8) für den Pvimärelektronenstrahl (13) ein Verzögerungsgenerator (56) zugeordnet ist, bei dem die Phasenlage (Φο, Φ\, Φ\ Φ 3) der Ausgangsimpulse (Ux) von einem Treppengenerator (57) vorgegeben ist, dessen Stufenspannungen (Un, Uti, Un) jeweils eine Meßphase (Φ\, Φϊ, Φζ) des Verzögerungsgeneratcrs (56; bestimmen und der zwischen den Stufenspacnimgen (Un, U_T2, Un) jeweils eine konstante Bezugsspc .inung (Uto) liefert, welche die einstellbare Bezugsphase (Φο) des Verzögerungsgenerators (56) bestimmt.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Darstellung des Wechselspannungsanteils des Ausgangssignals (Va) des Regelverstärkers (38) ein Lock-in-Verstärker (40) vorgesehen ist.