DE3850926T2

DE3850926T2 - Verfahren und Apparatur zum Prüfen von Halbleiter-Elementen.

Info

Publication number: DE3850926T2
Application number: DE3850926T
Authority: DE
Inventors: Motosuke Miyoshi; Katsuya Okumura
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1987-09-26
Filing date: 1988-09-26
Publication date: 1995-01-05
Anticipated expiration: 2008-09-27
Also published as: DE3850926D1; JPS6484629A; EP0309956A3; US5030908A; US4912052A; JPH065691B2; EP0309956A2; EP0309956B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Prüfverfahren für Halbleiterelemente sowie ein dafür bestimmtes Prüfgerät, und insbesondere auf ein Prüfverfahren und ein Prüfgerät zum Prüfen jeweiliger Elemente, die nicht mit dem Halbleitersubstrat in Berührung stehen, unter Verwendung eines Elektronenstrahls, entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 6.
Zur Verbesserung der Zuverlässigkeit von Halbleitereinrichtungen ist es sehr wichtig, Kennwertprüfungen entsprechender Halbleiterelemente durchzuführen. Im Rahmen des Standes der Technik wurde bisher ein dezitiertes Monitorelement zur Durchführung dieser Prüfung hergestellt, um es einer Meßsonde zu ermöglichen, mechanisch mit den jeweiligen Klemmen dieses Monitorelementes in Kontakt zu kommen und Spannungen an dasselbe anzulegen, um Ausgangssignale zu messen und dadurch eine Prüfung durchzuführen.
Das bekannte Prüfverfahren ist aber mit den nachfolgend aufgeführten Problemen behaftet.
(1) Da es erforderlich ist, der metallischen Sonde die mechanische Berührung mit den Klemmen zu erlauben, besteht die Möglichkeit, daß ein Bruch und/oder eine Beschädigung durch die Berührung auftreten kann.
(2) Da es erforderlich ist, eine Klemme in einer Größe herzustellen, die ausreicht, der Sonde die Berührung mit ihr (üblicherweise in der Größenordnung von 60·60 um) auf dem Halbleitersubstrat zu ermöglichen, wird das Vorsehen einer solchen Klemme zu einem Hindernis für die Integration.
(3) Bis der Prozeß der Herstellung von Klemmen, die der Sonde die Berührung mit ihnen ermöglichen, beendet ist, können Prüfungen nicht durchgeführt werden.
Im übrigen ist während der vergangenen Jahre die Verwendung von Elektronenstrahlen zum berührungslosen Prüfen von Halbleitereinrichtungen demonstriert worden.
In der Zeitschrift "Microelectronic Engineering", Band 4, Nr. 2, Dezember 1986 wurde auf den Seiten 139-157 ein Artikel von F.J. Hohn veröffentlicht, mit dem Titel "Background and applications of electron beam test techniques".
In diesem Artikel wird ein Doppelpotential- Elektronenstrahlprüfsystem offenbart das es ermöglicht, einen durch Elektronenstrahl induzierten Spannungskontrast zu erzeugen, und diesen Spannungskontrast auch über eine große Fläche ohne Bewegen des Substrats zu erfassen und auf die elektrische Integrität des Netzwerks hin zu prüfen.
Dabei wird ein Elektronenstrahl zum Induzieren einer Spannung in einen Knoten des Prüftargets gestrahlt, und dann wird ein anderer Elektronenstrahl in einen anderen Knoten gestrahlt, um Sekundärelektronen zum Zwecke der Beobachtung des Bildes des Spannungskontrastes zu erfassen.
Demgemäß können die elektrischen Funktionen der Verdrahtungen in der gerade geprüften Einrichtung qualitativ überprüft werden; doch erlaubt diese Technik nicht die Durchführung einer präzisen quantitativen Untersuchung der elektrischen Merkmale der Einrichtung.
Dies rührt von unvermeidlichen Unterschieden des Knotenmaterials und der Oberflächenbedingungen her, die zu Veränderung der Wirkungsgradcharakteristik der Sekundärelektronenemission führen.
In der gleichen Ausgabe der oben zitierten Zeitschrift wurde auf den Seiten 121 bis 137 ein Artikel von S.C.J. Garth mit dem Titel "Electron beam testing of ultra large scale integrated circuits" veröffentlicht.
In diesem Artikel werden die Grundprinzipien von Wellenformmessungen durch Passivierung, und ein herkömmliches elektrostatisches Spektrometer gemäß dem jeweiligen Oberbegriffen des Anspruches 1 und 6 offenbart.
Nachdruck wird auf die Nachteile der herkömmlichen Elektronendetektoren gelegt, die als Energieanalysatoren benutzt werden, in denen ein Gitter genau über einer zu prüfenden Einrichtung vorgesehen ist.
Diese herkömmlichen Elektronendetektoren verlangen, daß für eine wirksamen Betrieb ein Extraktionspotential dicht an der integrierten Schaltung angebracht wird. Ein solches Potential macht aber die selbstregulierende Wirkung einer Oberflächenspannung zunichte und ermöglicht es der Oberfläche, sich auf eine große positive Spannung aufzuladen. Um dies zu verhindern, muß das Potential beseitigt werden, so daß der Detektor unwirksam wird.
Weiter können die Detektorpotentiale den Primärelektronenstrahl beeinflussen.
Diese Situation macht eine genaue Spannungsregelung und -messung schwierig.
Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Prüfverfahren und ein Gerät zu schaffen, das Elektronenstrahlen zum berührungsfreien Prüfen benutzt und eine genauere Steuerung der durch Aufstrahlen des Elektronenstrahls zu induzierenden Spannung, und ein genaueres Messen der induzierten Spannung und ihrer Veränderung bei den in der Prüfung befindlichen Einrichtungen zu ermöglichen. Diese Aufgabe wird gemäß Anspruch 1 gelöst durch
1. Ein Verfahren zum Überprüfen elektrischer Merkmale einer Halbleitereinrichtung, das folgende Schritte aufweist
a) Induzieren einer vorbestimmten Spannung an einer Klemme eines Objektes, das elektrisch auf einem Halbleitersubstrat getestet werden soll, auf welchem Halbleiterelemente gebildet werden, durch Einstrahlen eines ersten Elektronenstrahls in die Klemme;
b) Extrahieren eines Sekundärelektronenstrahls vom Objekt während des Aufstrahlens eines zweiten Elektronenstrahls; und
c) Erfassen des Sekundärelektronenstrahls zum Messen der genannten Spannung und ihrer zeitlichen Veränderung;
dadurch gekennzeichnet, daß
d) in Schritt a) eine Steuerspannung an ein Gitter gelegt wird, das in einem vorbestimmten Abstand über dem Objekt vorgesehen ist, um einen Teil der von der Klemme emittierten Sekundärelektronen zurückzutreiben und so die induzierte Spannung zu steuern; und
e) in Schritt b) während des bei gleichzeitigem Einstrahlens des zweiten Elektronenstrahls in die genannte Klemme eine weitere Steuerspannung an das Gitter angelegt wird.
Weiter weist gemäß Anspruch 6 ein Gerät zum Prüfen elektrischer Merkmale einer Halbleitereinrichtung auf:
a) eine Elektronenstrahl-Generatoreinrichtung zum Einstrahlen eines Elektronenstrahls in eine Klemme eines elektrisch zu überprüfenden Objektes auf einem Halbleitersubstrat, auf dem Halbleiterelemente gebildet werden;
b) ein Gitter, das zwischen der Elektronenstrahl Generatoreinrichtung und dem Objekt in einem vorbestimmten Abstand über dem Objekt angeordnet ist;
c) eine Extraktionsspannungs-Lieferseinrichtung zum Liefern einer Extraktionsspannung an das Gitter, um Sekundärelektronen vom Objekt abzuziehen; und
d) eine Sekundärelektronen-Detektoreinrichtung zum Erfassen der Sekundärelektronen;
gekennzeichnet durch:
e) eine Steuerspannungs- Leistungsversorgungseinrichtung zum Liefern einer Steuerspannung an das Gitter, um einen Teil der von der genannten Klemme emittierten Sekundärelektronen zurückzutreiben und so eine induzierte Spannung zu steuern; und
f) eine Schalteinrichtung zum Anschließen entweder der Steuerspannungsliefereinrichtung oder der Extraktionsspannungs-Liefereinrichtung an das Gitter.
Bei der Prüfung von Halbleiterelementen gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Kondensator benutzt, der parallel an die zu überprüfenden Elementen geschaltet ist. Als ein solcher Kondensator kann im Herstellungsverfahren der Halbleitereinrichtung im voraus ein Prüfkondensator gebildet werden, oder es kann ein zur Ausführung der für die Einrichtung eigentümlichen Funktion vorgesehener Kondensator benutzt werden. Zum Prüfen der Charakteristik des Halbleiterelementes reicht es aus, zwei Funktionen zu verwirklichen, also eine Spannung an eine vorbestimmte Klemme des zu prüfenden Elementes zu lesen, und die an dieser Klemme auftretende Spannung zu messen. Bei der vorliegenden Erfindung werden diese zwei Funktionen durch Aufstrahlen eines Elektronenstrahls geschaffen. Durch Richten eines Elektronenstrahls auf den parallel an das zu prüfende Element angeschlossenen Kondensator und damit durch Laden des Kondensators ist es möglich, eine Spannung an eine vorbestimmte Klemme des Elementes zu legen. Darüber hinaus ist es durch Richten eines Elektronenstrahls auf die Klemme derart, daß von dieser emittierte Sekundärelektronen beobachtet werden, möglich, die an der Klemme auftretende Spannung zu messen.
Dementsprechend kann eine Überprüfung von Elementen erfolgen, ohne einer Sonde die mechanische Berührung zu ermöglichen wird. Insbesondere können gemäß der vorliegenden Erfindung Änderungen der Wirkungsgradcharakteristik der Sekundärelektronenemission passend durch Steuern der Spannung des Gitters zur Induktion und Extraktion am gleichen Knoten kompensiert werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein Blockschaltbild, das die Konfiguration eines Prüfgerätes für Halbleiterelemente gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt;
Fig. 2 ist eine Ansicht zur Erläuterung der Betriebsweise des in Fig. 1 dargestellten Gerätes;
Fig. 3 ist eine Äquivalenzschaltung einer mit dem Prüfverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung zu testenden Halbleitereinrichtung;
Fig. 4 ist eine Querschnittsansicht, die die Struktur einer Halbleitereinrichtung entsprechend der Äquivalenzschaltung der Fig. 3 zeigt;
Fig. 5 ist eine Kennkurve, die das dem Prinzip der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Merkmal zeigt;
Fig. 6 ist eine Erläuterungsansicht, die ein der Bestrahlung eines Elektronenstrahls gemäß der Erfindung ausgesetztes Muster zeigt;
Fig. 7 ist ein Erläuterungsdiagramm, daß die Art der Änderungen der auf dem in Fig. 6 dargestellten Muster induzierten Spannung VG zeigt;
Fig. 8(a) und (b) sind Erläuterungsansichten, die Beispiele für anomale Zustände in einem zu messenden Objekt zeigen, das durch das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung getestet wird;
Fig. 9 ist ein Histogramm, das durch Messen einer großen Anzahl von Mustern erhalten wurde, um Werte der Kapazität C auf der Abszisse, und Ereignishäufigkeiten auf der Ordinate abzutragen;
Fig. 10 ist eine Erläuterungsansicht, die ein Beispiel zeigt, bei dem die vorliegende Erfindung an einem weiteren Meßobjekt angewandt wird; und
Fig. 11 ist eine Erläuterungsansicht, die ein Beispiel zeigt, bei dem die vorliegende Erfindung an einem weiteren Meßgegenstand angewandt wird.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Konfiguration des Prüfgerätes

Nachfolgend wird die Erfindung auf der Basis einer dargestellten Ausführungsform beschrieben. Fig. 1 ist ein Blockschaltbild, das die Konfiguration eines Prüfgerätes für Halbleitereinrichtungen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Auf einem Halbleitersubstrat 10 sind zu überprüfende Elemente (nicht dargestellt) gebildet, die der Prüfung unterzogen werden. Ein Elektronenstrahl wird auf ein Target 11 gerichtet, das an die zu prüfenden Elemente angeschlossen ist. Ein Elektronenstrahlgenerator 20 richtet eine Elektronenstrahl 21 auf das Target 11. Zwischen dem Elektronenstrahlgenerator 20 und dem Target 11 sind vier Gitter 31 bis 34 vorgesehen. Der Elektronenstrahl 21 durchquert der Reihe nach die Gitter 34, 32 und 31 und wird auf das Target 11 gestrahlt. Als Folge werden vom Target 11 Sekundärelektronen 22, 23 und 24 emittiert. In diesem Beispiel ist das Sekundärelektron 22 ein Elektron, das vom Gitter 31 zurückgetrieben wird; das Sekundärelektron 22 ist ein Elektron, das durch das Gitter 32 zurückgetrieben wird; und das Sekundärelektron 24 ist ein Elektron, das vom Gitter 33 abgelenkt wird. Das Sekundärelektron 24 wird von einem Sekundärelektronendetektor 41 erfaßt. Der Sekundärelektronendetektor 41 gibt eine Spannung entsprechend der so erfaßten Elektrizitätsmenge aus. Diese Ausgangsspannung wird in einem Verstärker 42 verstärkt und dann an das Gitter 32 geliefert.
Andererseits wird die vom Verstärker 42 verstärkte Spannung in einem Komparator 51 mit einer Bezugsspannung Vr verglichen, die von einer Bezugsleistungsversorgung 52 erzeugt wird. Das Vergleichsergebnis wird an eine Steuerspannungsliefereinheit 53 geliefert. Diese Steuerspannungsliefereinheit 53 erzeugt eine Steuerspannung Vc entsprechend einer Eingabe. Andererseits erzeugt eine Extraktionsliefereinheit 54 eine Extraktionsspannung (Ve), die zum Abziehen von Sekundärelektronen aus dem Target 11 geeignet ist.
Durch eine Schalteinheit 55 wird entweder die Steuerspannung Vc, oder die Extraktionsspannung Ve angesteuert. Die so angesteuerte Spannung wird an das Gitter 31 geliefert.

Spannungsinduktionsmodus

Das Gerät hat zwei Betriebsweisen. Die erste ist ein Spannungsinduktionsmodus zum Induzieren einer Spannung auf dem Target 11. Die zweite ist ein Spannungsmeßmodus zum Messen der auf dem Target 11 erscheinenden Spannung. Das Gerät kann in beiden Betriebsweisen arbeiten. Zunächst soll der erstgenannte Spannungsinduktionsmodus beschrieben werden.
Der Spannungsinduktionsmodus ist ein Modus zum Richten des Elektronenstrahls 21 auf das Target 11, um dadurch eine Ladungsinjektion durchzuführen, d. h. um auf dem Target 11 eine vorbestimmte Spannung zu induzieren. Die Steuerung des Elektronenstrahls 21 bei diesem Modus erfolgt durch das Gitter 31. Nachfolgend wird das Grundprinzip derselben unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben. Unter der Annahme, daß der Elektronenstrahl 21 entsprechend einem Strom Ip auf das Target 11 gestrahlt wird, durchquert der Elektronenstrahl 21 das Gitter 31, um das Target 11 zu erreichen. Dabei wird ein Teil desselben auf der Oberfläche des Targets 11 reflektiert, da es als ein reflektiertes Elektron 25 dienen soll; ein weiterer Teil des Strahls trägt zur Emission von Sekundärelektronen 22, 23 und 24 bei; und ein noch weiterer Teil des Strahls wird als Ladung akkumuliert bzw. gespeichert. Es sei nun angenommen, daß der Reflexionskoeffizient und das Eissionsverhältnis der Sekundärelektronen jeweils entsprechend mit η und δ bezeichnet wird, und daß die Menge der Elektronen, bestehend aus dem reflektierten Elektron 25 und der Gesamtheit der Sekundärelektronen 22, 23 und 24, durch ηIp und δIp dargestellt wird. Wenn nun eine vorbestimmte Spannung an das Gitter 31 angelegt wird, wird ein Teil 22 der emittierten Sekundärelektronen durch das Gitter 31 zurückgetrieben. Die Sekundärelektronen, die tatsächlich das Gitter 31 durchqueren und dann ermittelt werden, sind nur die Elektronen 23 und 24. Wenn der Rücktreibungskoeffizient K, der den Rücktreibungsgrad anzeigt, definiert ist, kann die Menge der zurückgetriebenen Elektronen bestehend aus den Sekundärelektronen 22 und den Sekundärelektronen 23 und 24, die das Gitter 31 durchqueren, jeweils ausgedrückt werden durch: kδIp und (1-k)δIp.
Betrachtet man die während der Zeitperiode t im Target 11 akkumulierte Ladungsmenge, so geht der Anteil δIp in Form des reflektierten Elektrons 25 verloren, und der Anteil (1-k)δIp geht in Form der Sekundärelektronen 23 und 24 verloren. Damit gelten folgende Gleichungen:
Q = σ·Ip·t (1)
α = (1 - η - (1-k)δ) (2)
Es sei nun angenommen, daß das Target 11 eine der Elektroden des Kondensators mit der Kapazität C bildet. Nach Ablauf der Zeit t wird an dieser Elektrode eine Spannung induziert, die durch folgende Gleichung ausgedrückt wird:
V = -(Q/C) (3)
Die obigen Parameter in den vorher erwähnten Gleichungen, der Reflexionskoeffizient η und das Sekundärelektronenemissionsverhältnis δ, werden ausschließlich durch das das Target 11 bildende Material bestimmt, während die Kapazität C ausschließlich durch die Konfiguration des Kondensators bestimmt wird. Weiter ist ersichtlich, daß der Rücktreibungskoeffizient k durch eine an das Gitter 31 angelegten Spannungswert gesteuert werden kann. Daraus ergibt sich, daß die induzierte Spannung V des Targets 11 durch eine an das Gitter 31 angelegte Spannung gesteuert werden kann.
Beim Spannungsinduktionsmodus steuert die Schalteinheit 55 die Steuerspannung Vc an, um sie an das Gitter 31 zu liefern. Somit kann die induzierte Spannung des Targets 11 durch die Steuerspannungsliefereinheit 53 gesteuert werden. Die Steueroperation der Steuerspannungsliefereinheit 53 wird später beschrieben.

Spannungsmessungsmodus

Nachfolgend wird die Betriebsweise des Spannungsmessungsmodus beschrieben. Beim Spannungsmessungsmodus steuert die Schalteinheit 55 die Extraktionsspannung Ve ans um sie an das Gitter 31 zu liefern. Bei diesem Modus arbeitet das Gitter 31 als Extraktionselektrode, um Sekundärelektronen aus dem Target 11 zu extrahieren bzw. abzuziehen. An das Gitter 31 wird eine positive Spannung angelegt. Die Sekundärelektronen, die das Gitter 31 durchquert haben, werden beschleunigt und auf das Gitter 32 gelenkt, wobei die Geschwindigkeitskomponente der Elektronen in Längsrichtung gleichförmig ist. Das Gitter 32 erfüllt die Funktion der Erzeugung eines blockierenden Verzögerungsfeldes zum Diskriminieren der Energie der Sekundärelektronen. Das Sekundärelektron 23, das eine kleinere Energie als eine vorbestimmte besitzt, wird vom Gitter 32 zurückgetrieben.
Das Sekundärelektron 34, das das Gitter 32 durchquert hat, wird von einer an das Gitter 33 angelegten Spannung abgelenkt und dann vom Sekundärelektronendetektor 41 erfaßt. Das Gitter 34 absorbiert erzeugte Sekundärelektronen, wenn das reflektierte Elektron auf den Elektronenstrahlgenerator 22 prallt. Die Wiedergabe der Spannungszuführungsmittel zu den Gittern 33 und 34 ist in Fig. 1 fortgelassen.
Der Sekundärelektronendetektor 41 gibt eine Spannung entsprechend der Menge der erfaßten Sekundärelektronen aus. Die Ausgangsspannung wird durch den Verstärker 42 verstärkt und dann an das Gitter 32 geliefert. Durch das Gitter 32, den Sekundärelektronendetektor 41 und den Verstärker 42 wird eine Rückführungsschleife gebildet. Es wird also eine Rückkopplungssteuerung durchgeführt, derart, daß die Menge der am Sekundärelektronendetektor 41 erfaßten Sekundärelektronen die Größe eines konstanten Wertes erreicht. Wenn nämlich die Menge der vom Sekundärelektronendetektor 41 erfaßten Sekundärelektroden einen konstanten Wert überschreitet, wird eine höhere Spannung an das Gitter 32 angelegt. Somit wird eine Steuerung zur Unterdrückung der Menge durchtretender Sekundärelektronen durchgeführt. Es ergibt sich, daß es die Rückkopplungssteuerung schließlich ermöglicht, das Ausgangssignal des Verstärkers 42 auf die vom Target 11 emittierte Menge an Sekundärelektronen zu beziehen. Da die Menge der Sekundärelektronen ein auf die Spannung des Targets 11 bezogener Wert ist, gleicht sich die Spannung des Verstärkers 42 an den die gegebene Spannung des Targets 11 anzeigenden Wert an. Damit ist die Spannungsmeßung beendet.
Die Ausgabe des Verstärkers 42 wird an eine Eingangsklemme des Komparators 51 geliefert und vom Komparator mit der Bezugsspannung Vr verglichen. Da die Ausgabe des Verstärkers 42 genau so groß wie der die Spannung des Targets 11 anzeigende Wert wird, wie oben beschrieben, ermöglicht es der Vergleich festzustellen, ob die indizierte Spannung des Targets 11 größer als ein gewünschter Sollwert ist (entsprechend der Bezugsspannung Vr), oder niedriger als dieser ist. Die Steuerspannungsliefereinheit 53 steuert die Steuerspannung Vc auf der Basis dieses Vergleichs. Demgemäß kann eine Korrektur der im Spannungsinduktionsmodus an das Gitter 31 gelieferten Spannung durch Benutzung des gemessenen Ergebnisses des Spannungsmeßmodus durchgeführt werden.

Prüfverfahren für das Halbleiterelement

Nachfolgend wird ein aktuelles Prüfverfahren des Halbleiterelementes unter Benutzung des in Fig. 1 dargestellten Gerätes beschrieben. Im wesentlichen wird beim Spannungsinduktionsmodus die Prüfung durch Induzieren einer Spannung auf einem vorbestimmten Target durchgeführt, woraufhin die auf dem Target erscheinende Spannung im Spannungsmeßmodus gemessen wird. Gemäß einem unten beschriebenen Verfahren erfolgt der Test durch wiederholtes Ausführen beider Modi mit feststehender Periode, um während der Durchführung einer solchen Steuerung zum Konstanthalten der in das Target induzierten Spannung den in das Halbleitersubstrat fließenden Leckstrom zu messen.
Fig. 3 ist ein Äquivalenzschaltbild einer als Testobjekt dieser Ausführungsform benutzten Halbleitereinrichtung; während Fig. 4 eine Querschnittsansicht ist, die die Struktur der Halbleitereinrichtung zeigt. Gemäß Fig. 4 werden isolierende Trennschichten 101 zwischen Elementen auf einem P-leitenden Halbleitersubstrat 100 gebildet; und zwischen beiden Schichten ist eine N&spplus;-leitende störstellendiffundierte Schicht 104 gebildet. Der zwischen der störstellendiffundierten Schicht 104 und dem Halbleitersubstrat 100 gebildete PN-Übergnag entspricht bei der Äquivalenzschaltung in Fig. 3 der Diode. Bei dieser Ausführungsform dient die Diode D als das zu prüfende Element. Zum Prüfen der Diode D ist der Kondensator C vorgesehen. Der Kondensator C ist parallel zur Diode C geschaltet, die das zu prüfende Element bildet. In der Strukturansicht der Fig. 1 wird der Kondensator C durch einen isolierenden Film 105 zwischen den die Elemente trennenden Isolierschichten 102 und 103 und einer Verdrahtungsschicht 106 auf dem Halbleitersubstrat 100 gebildet, zwischen welchen der Isolierfilm 105 angeordnet ist. Die erste Elektrode C1 des Kondensators C entspricht nämlich der Verdrahtungsschicht 106, während die zweite Elektrode C2 des Kondensators dem Halbleitersubstrat 100 entspricht. Die Verdrahtungsschicht 106 steht in Verbindung mit der störstellendiffundierten Schicht 104. Daraus ergibt sich also, daß Fig. 3 die Äquivalenzschaltung der in Fig. 4 dargestellten Struktur ist. Bei diesem Beispiel wird der Kondensator C speziell zum Testen der Diode D gebildet. Da aber Kondensatoren durchaus überall in der Halbleitereinrichtung verteilt sind, können die zur Durchführung der für die Einrichtung eigentümlichen Funktion konstruierten Kondensatoren so benutzt werden, wie sie sind.
Zu Beginn wird das in Fig. 1 dargestellte Gerät im Spannungsinduktionsmodus betrieben, um auf der Elektrode C1 eine vorbestimmte Spannung zu induzieren. Dabei wird ein Elektronenstrahl ausgesandt, wobei der Abschnitt der Verdrahtungsschicht 106a in Fig. 1 ein Target bildet. Es ist vorteilhaft, wenn der Abstand zwischen der Oberfläche des Halbleitersubstrats und dem Gitter 31 etwa 2 mm beträgt und der Elektronenstrahl eine Energie von etwa 1 KeV besitzt. Wenn die Energie des Elektronenstrahls zu groß ist, können ungünstige Phänomene auftreten, wie etwa eine Schädigung durch Bestrahlung oder Aufladen des peripheren Isolierfilms. Die Menge Q der durch diese Bestrahlung in der Elektrode C1 akkumulierten Ladung wird durch die oben erwähnte Gleichung (1) bestimmt und geht bei einer induzierten Spannung V, dargestellt durch die oben erwähnte Gleichung (3) in Sättigung. Damit ist beschrieben, daß die induzierte Spannung V durch die Steuerspannung Vc gesteuert werden kann.
Anschließend wird das Gerät im Spannungsmeßmodus betrieben. Diesmal wird der Elektronenstrahl mit dem Abschnitt der Verdrahtungsschicht 106b gemäß Fig. 4 als Target ausgesandt. Da das zu prüfende Element nicht der Kondensator C, sondern die Diode D ist, wird, um die Spannung an einer Klemme D1 der Diode D zu messen, die Genauigkeit der Messung am Abschnitt 106b noch mehr verbessert als die die am Abschnitt 106a. Wie oben beschrieben wird die induzierte Spannung das Abschnittes 106b durch eine Messung ermittelt. Die Steuerspannungsliefereinheit 53 erhält als Rückkopplungsgröße den Vergleichswert zwischen dem gemessenen Wert und der Bezugsspannung Vr.
Dann wird das Gerät ein zweites Mal im Spannungsinduktionsmodus betrieben. Auch die Bestrahlungsposition des Elektronenstrahls wird erneut auf den Abschnitt 106a gerichtet. Dabei gibt die Steuerspannungsleifereinheit 53 ein unter Berücksichtigung der gegebenen Rückkopplungsgröße korrigiertes Steuersignal aus.
Wie bereits oben festgestellt ist es durch wechselnde Wiederholung des Spannungsinduktionsmodus und des Spannungsmeßmodus möglich, die an einer Klemme D1 der Diode, die das zu prüfende Element darstellt, induzierte Spannung zu steuern, so daß sie ebenso groß wie ein gewünschter Wert wird; und es ist gleichzeitig möglich, ihren Spannungswert präzise zu messen. Wenn die Klemme D1 so induziert wird, daß eine Sperrspannung an die Diode D1 angelegt wird, fließt ein Sperrspannungsleckstrom in der Diode D. Durch Messen dieses Leckstromes unter Verwendung eines äußerlich angeschlossen elektrischen Strommessers 107 ist es möglich, die Charakteristik der Diode D zu identifizieren, wodurch der Kenngrößentest ermöglicht wird.
Bei dieser Erläuterung wurde als Beispiel der Kennwerttest einer Diode gewählt, doch kann ein entsprechender Test auch bei anderen Elementen durchgeführt werden. Beispielsweise reicht es für MOS-Transistoren aus, eine gewünschte induzierte Spannung auf der Leiterelektrode zu induzieren, um verschiedene Kennwerte zu messen. Kurzgesagt kann das Verfahren gemäß der Erfindung an einer gewünschten Stelle auf dem Halbleitersubstrat eine gewünschte Spannung induzieren und die induzierte Spannung präzise messen. Da eine solche Messung berührungslos durchgeführt werden kann, ist es darüberhinaus nicht mehr nötig, daß die Sonde mit dem Halbleitersubstrat in mechanischen Kontakt kommt, wie bei dem herkömmlichen verfahren; und auch die Notwendigkeit der Herstellung von Kontaktflecken wird ebenfalls vermieden, mit dem Ergebnis, daß die Prüfung bei jedem beliebigen der Herstellungsprozeß für Halbleitereinrichtungen durchgeführt werden kann.

Prüfung bezüglich der kapazitätiven Belastung

Fig. 5 zeigt die dem Prinzip der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Kennlinie. Wenn die Primärenergie E auf der Abszisse, und der Emissionswirkungsgrad der Sekundärelektronen auf der Ordinate abgetragen wird, weist die Primärelektronenenergie D einen bestimmten Spitzenwert auf. Wenn die Primärelektronen durch eine Beschleunigungsspannung von E2 beschleunigt werden, die größer als dieser Spitzenwert ist, werden die Sekundärelektronen proportional zur Menge der Primärelektronen erzeugt. Es gilt nämlich δ = 1. Dieser Punkt wird Kreuzungspunkt C.O.P. genannt.
Wenn bei der Primärelektronenenergie E die Ungleichheitsbeziehung durch E < E&sub2; ausgedrückt wird, wird der Emissionswirkungsgrad der Sekundärelektronen δ > 1. Wenn im Gegensatz dazu die Energie E durch die Ungleicheitsbeziehung E > E&sub2; ausgedrückt wird, wird der Wirkungsgrad der Sekundärelektronenemission 8 kleiner als 1. Wenn der Wirkungsgrad der Sekundärelektronenemission 8 größer als 1 wird, werden positive Ladungen in dem zu messenden Objekt akkumuliert. Wird demgegenüber der Wirkungsgrad 8 der Sekundärelektronenemission kleiner als 1, werden negative Ladungen in dem zu messenden Objekt akkumuliert.
Fig. 6 zeigt ein Muster, das das durch einen Elektronenstrahl zu bestrahlende Objekt ist. Auf ein Polysiliziummuster 11, das auf einem Siliziumsubstrat 10 gebildet ist, wird ein Elektronenstrahl 12 gerichtet. Das Polysiliziummuster 11 ist auf einem Oxidfilm 13 von 1000 Å Dicke gebildet, der auf dem Siliziumsubstrat 10 aufgebracht ist. Polysilizium wird üblicherweise für die innere Verdrahtung der Gatterelektrode oder bei der LSI benutzt. Dieser Prozeß liegt gegenwärtig in einer frühen Stufe der gesamten Prozeßfolge. Mit der herkömmlichen Technik kann im Verlaufe des Prozesses keine Inspektion durchgeführt werden.
Wenn der Elektronenstrahl 12 auf einen Endabschnitt 14 des Polysiliziummusters gerichtet wird, tritt die nachfolgende Erscheinung auf, weil das Muster im Prinzip ein Kondensator ist.
Wenn, wie oben beschrieben, ein Elektronenstrahl der Stärke E = E&sub2; aufgestrahlt wird, wird auf dem Polysiliziummuster keinerlei elektrische Änderung hervorgerufen. Wenn aber ein Elektronenstrahl von der Größe E < E&sub2; oder E > E&sub2; aufgestrahlt wird, werden positive oder negative Ladungen im Polisiliziummuster akkumuliert. Dementsprechend wird, wenn E < E&sub2; ist, eine positive Spannung induziert, während wenn E > E&sub2; ist, eine negative Spannung induziert wird. Diese Spannung VG wird wie folgt ausgedrückt:
VG = -(Q/C) (4)
wobei C eine Kapazität ist, die der vom Muster gebildeten Kapazität entspricht, während Q eine Ladungsmenge ist, die zur Zeit T&sub1; abgestrahlt und akkumuliert wird.
Fig. 7 zeigt das Verhalten von Änderungen der Spannung VG. Wenn VG einen vorbestimmten Spannungswert erreicht, üblicherweise +5 Volt, wird die Bestrahlung gestoppt. Wenn die Bestrahlung gestoppt ist, beginnt sich der Kondensator zu entladen. Die Ladespannung erreicht also die nachfolgend bezeichnete Spannung:
V = VG e-t/RC (5).
Nachdem eine vorbestimmte Zeitdauer D&sub2; vergangen ist, wird VG ebenso groß wie der durch die Kapazität C und den parallelen Widerstand bestimmte Spannungswert V&sub1;.
Die Messung des durch die Kennkurve der Fig. 7 dargestellten Spannung V&sub1; wird mit einer Meßgenauigkeit von einigen 10 mV, unter Benützung des gleichen Elektronenstrahls wie der zum Injizieren von Ladungen benutzte Strahl durchgeführt, um unter Verwendung eines Energieanalysators eine Energieanalyse der Sekundärelektronen durchzuführen, die durch Aufstrahlen des Elektronenstrahls erzeugt wurden. Dementsprechend kann eine völlig berührungslose Messung getrennt durchgeführt werden. In diesem Falle ist es wichtig, die Energie des Primärelektronenstrahls für die Spannungsinduktion, und die Energie zur Zeit der Messung getrennt zu benutzen. Um den Einfluß der Meßarbeit zu eliminieren ist es erforderlich, die Messung bei der Energie im Kreuzungspunkt C.O.P. durchzuführen.
Da der Widerstand R als Widerstand mit feststehendem Widerstandswert betrachtet werden kann, sofern kein spezieller Defekt im Gatteroxidfilm vorhanden ist, hängt der Spannungswert V&sub1; von der Kapazität C ab. Wenn der Widerstandswert des Widerstands R im voraus gemessen und als bekannter fester Wert angenommen wird, wird die Kapazität C von einer Spannungsabnahme VD bestimmt, die vom Spannungswert V&sub1; gewonnen wird. Die Kapazität C errechnet sich wie folgt:
C = &epsi;·D·L/D (6);
wobei die Dielektrizitätskonstante &epsi; und die Dicke d des Oxidfilms durch die Probenstruktur bestimmt wird und jeweils feste Werte sind. Wenn hingegen das Muster einen Defekt aufweist, tritt ein Fehler in bezug auf den Wert der Kapazität C auf.
Die Fig. 8(a) und (b) zeigen Beispiele, bei denen sich ein Meßobjekt, das durch das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung getestet wird, in einem anomalen Zustand befindet. Wenn in der Mitte des Musters eine Unterbrechung 16 besteht, wie in Fig. 8(a) dargestellt, wird die Länge L des Musters sehr klein, und ebenso wird die Kapazität C klein. Wenn andererseits ein Kurzschluß 17 zwischen dem Muster und dem benachbarten Muster besteht, wie in Fig. 8(b) dargestellte wird die Kapazität C ebenso groß wie der Wert, der auch die Kapazität des benachbarten Musters umfaßt und dadurch einen großen Wert anzeigt.
Beim Muster dieser Art wird die Beziehung zwischen der Länge L und der Breite ausgedrückt durch L > > D. Wenn daher der Wert der Kapazität C gleich groß wie ein Wert in der Nähe des Erwartungswertes ist, der hauptsächlich durch die Größe des Musters bestimmt wird und eine Ungleichmäßigkeit aufweist, kann gesagt werden, daß diese Ungleichmäßigkeit durch die Leitungsbreite D verursacht wird.
Fig. 9 ist ein Histogramm, das durch Messen einer großen Anzahl von Mustern erhalten wurde, um den Wert der Kapazität C auf der Abszisse und die Ereignishäufigkeit auf der Ordinate abzutragen. In diesem Histogramm bezeichnet das Bezugszeichen 18 eine Musterunterbrechung, das Bezugszeichen 19 ein normales Muster, das Bezugszeichen 20 eine Ungleichmäßigkeit der Musterleitungsbreite, und das Bezugszeichen 21 eine Ungleichmäßigkeit der Kapazität durch Kurzschluß. Es werden Ergebnisse erhalten, die entsprechend anomalen Ursachen gestaltet sind.
Dementsprechend ermöglicht das Prüfverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung die Messung der Unterbrechung und des Kurzschlusses des Musters sowie des Leitungsbreitenwerts des Musters und seiner Ungleichmäßigkeit und darüberhinaus kann eine solche Messung berührungslos und zur gleichen Zeit durchgeführt werden.
Fig. 10 zeigt ein Beispiel, bei dem die vorliegende Erfindung auf einen weiteren Meßgegenstand angewandt ist. Bei diesem Beispiel wird eine Prüfung der elektrischen Charakteristik einer Kapazität, wie etwa einer Speicherzelle in einem dynamischen RAM, durchgeführt. In diesem Falle ist für den Meßparameter die Leckstromcharakteristik wichtig. Diese tritt als Parallelwiderstand in bezug auf einen Kondensator auf, der aus einer Polysiliziumschicht 112, einem Gatteroxidfilm 113 und einem Speicherzellenseitenelement 114 besteht. Nach Maßgabe der Charakteristik der Fig. 7 hängt die Spannungszunahme VD nach Ablauf der Zeitdauer T&sub1;, wenn die Kapazität C, im Gegensatz zu dem oben erwähnten Beispiel, in der Entladekennlinie als Konstante angenommen wird, vom Parallelwiderstand R als Folge der Entladung ab.
Fig. 10 zeigt den Zustand unmittelbar nachdem der Kondensatorabschnitt der Speicherzelle gebildet worden ist, in der die Messung unmittelbar nach der Beendigung des Prozesses durchgeführt werden kann. Durch Ausführen der gleichen Messung wie der unter Bezugnahme auf die Fig. 5 bis 7 beschriebenen Messung an einem Meßpunkt 111 der Figur 10 ist es möglich, die Leckstromcharakteristik individuell zu messen, die die wichtigste Eigenschaft beim dynamischen RAM ist.
Fig. 11 zeigt den Fall, bei dem die vorliegende Erfindung auf ein noch weiteres Meßobjekt angewandt wird. In diesem Falle wird die Spannungsfestigkeitscharakteristik (Leckstromcharakteristik) im Stadium vor der Bildung des leitenden Films gemessen. Während der Elektronenstrahl auf einen festen Punkt gerichtet wird, weil der leitende Film in Beispiel der Fig. 10 benutzt wird, wird der Elektronenstrahl 112 direkt frontal auf einen Isolierfilm 121 gerichtet, um bei diesem Beispiel den Isolierfilm gleichmäßig zu laden und eine Spannung zu induzieren.
Anstelle der Oberflächenbestrahlung kann der Punktdurchmesser des Elektronenstrahls erweitert werden, um partiell eine Oberflächenbestrahlung zu bewirken.
Da eine Messung unter Benutzung eines Elektronenstrahls durchgeführt wird, der einen Punktdurchmesser von weniger als 0,2 um ermöglicht, kann eine feines Muster in der Größenordnung von 0,4 um bequem der Prüfung unterzogen werden. Als Ergebnis kann das Körpermuster des Produktwafers statt das Monitormuster, direkt gemessen werden. Die Prüfung kann mit der notwendigen und minimalen Konfiguration durchgeführt werden, unmittelbar nachdem der Prozeß beendet ist, wobei infolge der Messung im laufenden Prozeß leicht ein Feedback in den Prozeß ermöglicht wird. Weil weiter nur der Elektronenstrahl benutzt wird und kein mechanischer Kontakt erfolgt, kommt es nicht zum Brechen oder ein Auftreten von Fremdmaterial durch mechanischen Kontakt. Darüberhinaus ist beim Elektronenstrahl eine sehr präzise Positionierungssteuerung möglich, und eine Hochgeschwindigkeitsautomation fällt leicht.

Claims

1. Verfahren zum Überprüfen elektrischer Merkmale einer Halbleitereinrichtung, das folgende Schritte aufweist

a) Induzieren einer vorbestimmten Spannung an einer Klemme eines Objekts (11), das elektrisch auf einem Halbleitersubstrat (10) getestet werden soll, auf welchem Halbleiterelemente gebildet werden durch Einstrahlen eines ersten Elektronenstrahls (21) in die Klemme;

b) Extrahieren eines Sekundärelektronenstrahls (24) vom Objekt (11), während des Aufstrahlens eines zweiten Elektronenstrahls (21); und

c) Erfassen des Sekundärelektronenstrahls (24) zum Messen der genannten Spannung und ihrer zeitlichen Veränderung;

dadurch gekennzeichnet, daß

d) in Schritt a) eine Steuerspannung (Vc) an ein Gitter (31) angelegt wird, das in einem vorbestimmten Abstand über dem Objekt (11) vorgesehen ist, um einen Teil (22) der von der Klemme emittierten Sekundärelektronen zurückzutreiben und so die induzierte Spannung zu steuern; und

e) in Schritt b) während des Einstrahlens des zweiten Elektronenstrahls (21) in die genannte Klemme eine weitere Steuerspannung (Ve) an das Gitter (31) angelegt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein Kondensator (C) parallel an den elektrisch zu prüfenden Gegenstand (11) angeschlossen ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Kondensator (C) zusammen mit Elementen in einem Herstellungsprozeß der Halbleiterelemente gebildet wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein von einem einzelnen Strahlengenerator (20) gelieferter Elektronenstrahl (21) jeweils für die Schritte a) und b) benutzt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem Elektronenstrahlen von individuellen Strahlengeneratoren jeweils für die Schritte a) und b) benutzt werden.

6. Gerät zum Prüfen elektrischer Merkmale einer Halbleitereinrichtung, umfassend:

a) eine Elektronenstrahl-Generatoreinrichtung (20) zum Einstrahlen eines Elektronenstrahls (21) in eine Klemme eines elektrisch zu überprüfenden Gegenstandes (11) auf einem Halbleitersubstrat (10), auf dem Halbleiterelemente gebildet sind;

b) ein Gitter (31), das zwischen der Elektronenstrahl- Generatoreinrichtung (20) und dem Gegenstand (11) in einem vorbestimmten Abstand über dem Gegenstand (11) angeordnet ist;

c) eine Abziehspannungs-Versorgungseinrichtung (54) zum Liefern einer Abziehspannung (Ve) an das Gitter (31), um Sekundärelektronen vom Gegenstand (11) abzuziehen; und

d) eine Sekundärelektronen-Detektoreinrichtung (41, 42) zum Erfassen der Sekundärelektronen;

gekennzeichnet durch:

e) eine Steuerspannungs- Leistungsversorgungseinrichtung (53) zum Liefern einer Steuerspannung (Vc) an das Gitter (31), um einen Teil (22) der von der genannten Klemme emittierten Sekundärelektronen zurückzutreiben und so eine induzierte Spannung zu steuern; und

f) eine Schalteinrichtung (55) zum Anschließen entweder der Steuerspannungsliefereinrichtung (53) oder der Extraktionsspannungs-Liefereinrichtung (54) an das Gitter (31)

7. Gerät nach Anspruch 6. bei dem die Steuerspannungs- Liefereinrichtung (53) die von der Sekundärelektronen- Detektoreinrichtung (41, 42) ausgegebene Spannung empfängt und mit einer vorbestimmten Bezugsspannung (Vr) als Rückkopplungssignal vergleicht, um damit eine Steuerung solcher Art zu bewirken, daß die Spannung des Objektes (11) den gleichen Wert wie die Bezugsspannung (Vr) erreicht.

8. Gerät nach Anspruch 6 oder 7, bei dem die Sekundärelektronen-Detektoreinrichtung (41, 42) ein Detektorgitter (32) aufweist, das mit der von der Sekundärelektronen-Detektoreinrichtung (41, 42) ausgegebenen Spannung gespeist wird.