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Verfahren zur qualitativen oder quantitativen Potential-
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messung an einer mit einer Passivierungsschicht versehenen elektronischen
Schaltunq.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur qualitativen oder quantitativen
Potentialmessung an einer mit einer Passivierungsschicht versehenen elektronischen
Schaltung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Integrierte Schaltungen sind zu ihrem Schutz und wegen der elektrischen
Isolation mit einem isolierenden Film bedeckt, der auch als Passivierungsschicht
bezeichnet wird. Zum Testen von integrierten Schaltungen ist es erforderlich, lokale
dynamische und statische Potentiale in integrierten Schaltungen qualitativ abzubilden
oder quantitativ zu messen.
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Zur qualitativen Abbildung von Potentialen, die unter einem isolierenden
Film verborgen sind, sind verschiedene Verfahren bekannt. Bei einem dieser bekannten
Verfahren durchdringen Primärelektronen, die Energien größer als 10 keV aufweisen,
den isolierenden Film. Wenn der Elektronenstrahl so energiereich ist, um eine Oxid-
oder eine andere Isolatorschicht zu durchdringen, nimmt durch die strahlungsinduzierte
Leitfähigkeit die Oberfläche der Isolatorschicht an der Auftreffstelle des Elektronenstrahl
es das gleiche Potential an, das unter der Isolatoroberfläche an der Auftreffstelle
des Elektronenstrahles ein dort befindlicher Festkörperbereich aufweist. Das unter
der Isolatoroberfläche verborgene Potential gelangt also aufgrund
der
primärelektronen-induzierten Leitfähigkeit an der Auftreffstelle des Elektronenstrahl
es an die Isolatoroberfläche und wird über die Energie von Sekundärelektronen bestimmt.
Da bei einem solchen Verfahren wegen der hohen Energien der Primärelektronen Bestrahlungsschäden
an der integrierten Schaltung auftreten, ist ein solches Verfahren unbrauchbar für
die Potentialmessung in integrierten Schaltungen.
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Bei einem weiteren bekannten Verfahren wird die physikalische Tatsache
ausgenutzt, daß hochfrequente Potentialänderungen in integrierten Schaltungen, die
eine Passivierungsschicht aufweisen, eine Potentialänderung an der Oberfläche dieser
Passivierungsschicht zur Folge haben. Diese Potentialänderungen können stroboskopisch
nach dem Sampling-Prinzip gemessen werden, wenn ein Signalverlauf innerhalb einer
kurzen Zeit, beispielsweise innerhalb von weniger als 0,1 s, abgetastet wird (K.Ura
et al, Scanr.ing Electron Microscopy/1982/III (Seiten 1061-1068), SEM Inc., AMF
O'Hare (Chicago), IL 60666 USA)). Bei diesem bekannten Verfahren wird der Elektronenstrahl
nicht auf einen Meßpunkt gerichtet, sondern er rastert dasjenige Gebiet ab, dessen
Potentialänderungen bestimmt werden sollen. Dieses bekannte Verfahren ist nur für
die Feststellung von Signaländerungen, nicht jedoch für die qualitative oder quantitative
Messung von lokalen Potentialen in integrierten Schaltungen geeignet.
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Die genannten Verfahren sind ungeeignet für die quantitative oder
qualitative Messung von lokalen dynamischen und/oder statischen Potentialen. Isolierende
Schichten oberhalb von integrierten Schaltungen werden daher zur qualitativen oder
quantitativen Messung von lokalen dynamischen und/oder statischen Potentialen üblicherweise
abgeätzt. Daneben besteht
auch die Möglichkeit, gezielt Löcher oder
Fenster an solchen Stellen in isolierende Schichten zu ätzen oder zu bohren, wo
ein unterhalb einer isolierenden Schicht verborgenes Potential ermittelt werden
soll. Ein solches Ätzen oder Bohren bereitet jedoch viel Mühe, um hinterher eine
Oberfläche einer zu testenden integrierten Schaltung mit definierten Eigenschaften
zu erzielen, die außerdem auch noch den realen Betriebsbedingungen der integrierten
Schaltung entsprechen soll.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem auch lokale Potentiale In einer integrierten
Schaltung, die mit einer Passivierungsschicht versehen ist, bestimmt werden können.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach dem Anspruch 1 gelöst.
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Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf der physikalischen Tatsache,
daß sowohl statische als auch dynamische Potentiale in integrierten Schaltungen
das Potential auf der Isolatoroberfläche in einem solchen Bereich wesentlich beeinflussen,
der oberhalb dieser statischen oder dynamischen Potentiale liegt. Verursacht werden
diese Beeinflussungen der Potentiale auf der Isolatoroberfläche durch den Durchgriff
der elektrischen Felder, die von den primär vorhandenen statischen oder dynamischen
Potentialen in der integrierten Schaltung ausgehen und die Isolatorschicht durchdringen,
und durch kapazitive Kopplung. Ist z.B. die Breite einer Leiterbahn in einer integrierten
Schaltung, die mit einer Passivierungsschicht versehen ist, groß gegen die Dicke
des isolierenden Filmes, so hat die Oberfläche des isolierenden Filmes im Bereich
oberhalb dieser Leiterbahn
nahezu das gleiche Potential wie diese
Leiterbahn.
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Wenn ein Elektronenstrahl die Oberfläche einer Passivierungsschicht
abrastert, wird grundsätzlich eine auf dieser Oberfläche vorhandene lokale Potentialverteilung
in Richtung auf ein konstantes Potential hin verändert, da der Rasterelektronenstrahl
wegen der strahl induzierten Leitfähigkeit kleine Gebiete auf der Oberfläche der
Passivierungsschicht kurzschließt. Beim Auftreffen eines Elektronenstrahles auf
die Oberfläche einer Passivierungsschicht werden Sekundärelektronen ausgelöst. Dabei
muß beachtet werden, daß Sekundärelektronen, die wieder auf die Oberfläche der Passivierungsschicht
zurückfallen, einen Ladungsausgleich zwischen verschiedenen Gebieten auf der Oberfläche
dieser Passivierungsschicht bewirken. Die vorliegende Erfindung lehrt daher einen
speziellen Meßablauf. Die lokale Potentialverteilung kann nur nach diesem speziellen
Meßablauf qualitativ oder quantitativ gemessen werden.
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Die Erfindung wird zwar anhand einer Messung mit Hilfe eines Rasterelektronenmikroskops
beschrieben. Zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens kann jedoch jede
Strahlung verwendet werden, mit der, solange die integrierte Schaltung ohne Betriebsspannung
ist, mittels strahlinduzierter Leitfähigkeit ein Ladungsausgleich zwischen verschiedenen
Gebieten auf der Oberfläche der Passivierungsschicht bewirkt werden kann, beispielsweise
ein Laserstrahl oder eine sonstige elektromagnetische Strahlung. Zur quantitativen
oder qualitativen Bestimmung des Potentials kann auch jede Art von Strahlung verwendet
werden, die eine lokale Potentialmessung gestattet, beispielsweise ein Laser-Scanner.
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Die Erfindung bewirkt im wesentlichen, daß nicht nur Potentialänderungen,
sondern auch Potentiale an sich gemessen
werden können. Nach der
genannten Veröffentlichung von Ura et al können nur plötzliche Potentialänderungen
gemessen werden. Bei Potentialänderungen gibt es drei Möglichkeiten, nämlich entweder
Erhöhung des Potentials, Gleichbleiben des Potentials oder Erniedrigung des Potentials.
Im Gegensatz dazu ermöglicht die Erfindung eine lokale Bestimmung eines Potentials
unabhängig davon, wie ein anderes Potential an einem anderen Ort oder zu einer anderen
Zeit beschaffen ist.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der
Zeichnung näher erläutert.
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Die Figur zeigt eine Passivierungsschicht P über einer integrierten
Schaltung S. Diese integrierte Schaltung weist zwei Leiterbahnen L1, L2 auf. In
einem gewünschten Betriebszustand befinden sich die Leiterbahn L1 auf dem Potential
+5 V und die Leiterbahn L2 auf dem Potential O V.
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Von der Leiterbahn L1 gehen in diesem Betriebszustand elektrische
Felder aus, die durch die Passivierungsschicht P hindurchdringen und eine Polarisierung
der gebundenen Ladungen innerhalb dieser Passivierungsschicht P bewirken.
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Gleichzeitig werden frei bewegliche Ladungen an der Grenzfläche zwischen
der Leiterbahn L1 und der Passivierungsschicht P und u.U. auch an der Oberfläche
der Passivierungsschicht P kapazitiv räumlich gebunden. Da im Beispiel nach der
Figur die Breite der Leiterbahn 1 größer ist als die Dicke der Passibierungsschicht
P, hat die Oberfläche der Passivierungsschicht P in dem Bereich oberhalb der Leiterbahn
L1 ein Potential, dessen Größenordnung mit dem Potential der Leiterbahn L1 vergleichbar
ist.
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Um verschiedene Betriebszustände der integrierten Schaltung S nacheinander
in optimaler Weise sichtbar zu machen, müssen
jeweils die im folgenden
genannten drei Verfahrensschritte durchgeführt werden. Zur Durchführung dieses erfindungsgemäßen
Verfahrens müssen die verschiedenen Betriebsarten des Rasterelektronenmikroskops
SEM und die elektrische Versorgung der integrierten Schaltung S von einer Ablaufsteuerung
CON kontrolliert werden.
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Der erste Verfahrensschritt besteht darin, daß die integrierte Schaltung
S, während sie ohne Betriebsspannung ist, in einem Bereich abgerastert wird, in
dem sich mindestens ein Punkt befindet, dessen Potential im dritten Verfahrensschritt
getestet werden soll. Diese Abrasterung im ersten Verfahrensschritt bewirkt einen
Ladungsausgleich auf der Oberfläche der Passivierungsschicht P. Dieser Ladungsausgleich
im ersten Verfahrensschritt ist wesentlich für das erfindungsgemäße Verfahren. Dieser
Ladungsausgleich ermöglicht im dritten Verfahrensschritt die Bestimmung eines lokalen
Potentials an sich und nicht nur die Ermittlung einer Potentialänderung. Dieser
Ladungsausgleich im ersten Verfahrensschritt bewirkt ein definiertes Referenzpotential,
das für alle Orte innerhalb des im ersten Verfahrensschritt abgerasterten Bereiches
und für alle Zeiten - innerhalb eines gewissen Zeitbereiches - gleich ist. Die Abrasterung
des gewünschten Bereiches auf der Oberfläche der Passivierungsschicht P im ersten
Verfahrensschritt erfolgt vorzugsweise mit Fernsehfrequenz, da die strahlinduzierte
Leitfähigkeit auf der Oberfläche der Passivierungsschicht P einen Ladungsausgleich
innerhalb von wenigen Sekunden bewirkt.
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Die Primärelektronen PE sollten während des gesamten erfindungsgemäßen
Verfahrens niederenergetisch sein. Im ersten Verfahrensschritt gilt als optimaler-Bereich
für die Beschleunigungsspannung der Primärelektronen PE ein Bereich um 1 kV, um
Aufladungen von Verunreinigungen an der Oberflä-
che der Passivierungsschicht
P zu vermeiden.
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Im zweiten Verfahrensschritt wird die integrierte Schaltung S mittels
der Ablaufsteuerung CON in den gewünschten Betriebszustand gebracht. Während der
Dauer dieses zweiten Verfahrensschrittes wird der Primärelektronenstrahl PE mittels
der Ablaufsteuerung CON abgeschaltet. Dieser zweite Verfahrensschritt dauert etwa
1 s.
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Im dritten Verfahrensschritt wird die integrierte Schaltung S vom
Primärelektronenstrahl PE so abgetastet, daß für das Signal der Sekundärelektronen
SE ein gutes Signal-Rauschverhältnis ermöglicht ist. Soll beispielsweise ein Potentialkontrast
durch Abrasterung der integrierten Schaltung S gewonnen werden, so soll eine solche
Abrasterung in einer Zeit von etwa 15 s erfolgen. Das Signal der Sekundärelektronen
SE wird in einem Detektor DT verarbeitet. Das erste auf diese Weise gewonnene Bild
in einem Fernsehschirm CRT zeigt die Potentialverteilung im Innern der integrierten
Schaltung S. Da ein mehrmaliger Bilddurchlauf durch jeweiligs Abrastern der Oberfläche
der Passivierungsschicht P mittels der Primärelektronen PE wieder zum Ladungsausgleich
der im zweiten Verfahrensschritt an der Isolatoroberfläche erzeugten Ladungsverteilung
führt, muß möglichst das erste Bild auf einem Foto oder in einem Bildspeicher ST
festgehalten werden, weil das erste Bild auf dem Fernsehschirm CRT die besten Meßdaten
repräsentiert.
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Im ersten Verfahrensschritt wird also ein definiertes homogenes Potential
auf der Oberfläche der Passivierungsschicht P erzeugt. Im zweiten Verfahrensschritt
wird dieses definierte Potential durch Einschalten eines gewünschten Betriebszustandes
der integrierten Schaltung S statisch oder dynamisch zu einer solchen Potentialverteilung
verändert,
die dem gewünschten Betriebszustand der integrierten
Schaltung S absolut entspricht. Auf diese Weise definierte lokale Potentiale können
im dritten Verfahrensschritt mit Hilfe der Elektronenstrahl-Meßtechnik ermittelt
werden.
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Dabei können sämtliche bekannten Verfahren der Elektronenstrahl-Meßtechnik
verwendet werden, die zur qualitativen oder quantitativen Bestimmung von Potentialen
in integrierten Schaltungen dienen. Zur qualitativen Bestimmung des Potentials kann
beispielsweise die Lehre der US-Patentschrift 4 223 220 herangezogen werden. Zur
quantitativen Bestimmung eines Potentials können beispielsweise die Lehren der US-Patentschriften
4 220 853, 4 220 854 oder 4 277 679 benutzt werden. Statische und dynamische Potentiale
können mit einem erfindungsgemäßen Verfahren mit ausgezeichnetem Kontrast sichtbar
gemacht werden.
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Bei der quantitativen Potentialmessung muß gegebenenfalls berücksichtigt
werden, daß das von einem Potential in der integrierten Schaltung S an der Oberfläche
der Passivierungsschicht P hervorgerufene Potential nicht mit dem hervorrufenden
Potential in der integrierten Schaltung S übereinstimmt, sondern wegen einer Modifikation
infolge der Passivierungsschicht P diesem hervorrufenden Potential nur in berechenbarer
Weise entspricht, so daß aus der Größe des gemessenen Potentials an der Oberfläche
der Passivierungsschicht P auf die Größe des hervorrufenden Potentials geschlossen
werden kann.
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Bei Ura et al sind nur dynamische Messungen möglich. Bei einem erfindungsgemäßen
Verfahren kann zusätzlich festgestellt werden, welche Teile der integrierten Schaltung
S in Betrieb sind; beispielsweise können Versorgungsspannungen nachgewiesen werden.
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8 Patentansprüche 1 Figur