DE10043731C2 - Meßsonde, deren Verwendung und Herstellung und Meßsystem zum Erfassen von elektrischen Signalen in einer integrierten Halbleiterschaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßsonde zum Erfassen von elek­ trischen Signalen in einer integrierten Schaltung auf einem Halbleiter-Chip, ein Meßsystem mit einer solchen Meßsonde, die Verwendung der Meßsonde und ein Verfahren zum Herstellen der Meßsonde.

Der enorme Fortschritt der letzten 20 Jahre auf dem Gebiet der Halbleitertechnologie hat dazu geführt, daß immer kom­ plexere integrierte Schaltungen auf immer kleinerem Raum auf Halbleiter-Chips realisiert werden konnten. Die zunehmende Integrationsdichte von Schaltelementen und ihren Verbindungen hat jedoch auch die Anforderungen an die Testeinrichtungen zur Funktionsanalyse der integrierten Schaltungen auf den Halbleiter-Chips wesentlich erhöht. Um eine wirkungsvolle Funktionsanalyse von integrierten Schaltungen auf Halbleiter- Chips, z. B. im Rahmen einer Endkontrolle der Chips durchfüh­ ren zu können, ist es erforderlich elektrische Signale an un­ terschiedlichen Stellen auf dem Chip, z. B. an verschiedenen Leiterbahnen oder Transistoreingängen, zu messen. Dies erfor­ dert eine Messvorrichtung, die sich durch eine hochfeine Ortsauflösung auszeichnet. Weiterhin ist es erforderlich, um auch sehr schwache elektrische Signale in den integrierten Schaltungen erfassen zu können, Meßsonden mit einer sehr ge­ ringen Kapazität einzusetzen, die darüber hinaus in der Lage sein sollten, auch Spannungsschwankungen rauscharm verfolgen zu können.

Zum Testen von integrierten Schaltungen auf Halbleiter-Chips werden herkömmlicherweise Meßsysteme eingesetzt, die Meßson­ den mit hochfeinen Meßspitzen aufweisen, die mit Hilfe eines rechnergestützten Bewegungssystems über die Probenoberfläche gefahren werden, um dann an der gewünschten Meßstelle der in­ tegrierten Schaltung aufgesetzt zu werden. Bei den feinsten bekannten Meßspitzen beträgt der Radius an der Spitze nur ca. 0,2 µm, so daß sich Leiterbahnen bis hinunter zu einer solchen Breite messen lassen. Die herkömmlichen Meßsysteme haben dabei eine Kapazität von ca. 20 bis 40 fF, mit der sich die üblicherweise in integrierten Schaltungen eingesetzten elektronischen Signale messen lassen.

Der Fortschritt in der Halbleitertechnologie, insbesondere in der MOS-Technologie, erlaubt jedoch inzwischen die Herstel­ lung von Bauelementen im Sub-0,2 µm-Bereich. Darüber hinaus werden auch immer kleinere elektrische Ströme zum Schalten der Bauelemente eingesetzt. Dies erfordert deshalb Meßsysteme zur Funktionsanalyse, die nahezu kapazitätsfrei mit extrem hoher Ortsauflösung elektrische Signale in integrierten Schaltungen auf Halbleiter-Chips aufnehmen können.

Zur zerstörungsfreien Abbildung und Vermessung der Topogra­ phie oder Struktur auch von Halbleiter-Chips wird in jüngster Zeit die Rastersensormikroskopie eingesetzt. Die bekanntesten Rastersensormikroskope sind dabei das Rastertunnelmikroskop und das Rasterkraftmikroskop. Mit dem Rastertunnelmikroskop (STM) lassen sich die Oberflächen elektrisch leitender Fest­ körper abtasten. Hierzu wird eine extrem feine Metallspitze in einem Abstand von ca. 1 nm über die Probenoberfläche mit­ tels eines computergesteuerten piezoelektrischen Bewegungs­ systems geführt. Zwischen der Probenoberfläche und der Me­ tallspitze tritt dabei ein Tunnelstrom auf. Dieser Tunnel­ strom, der durch überlappende Bahnen der äußersten Spitzen- Elektronen und der Oberflächen-Elektronen getragen wird, än­ dert sich um Größenordnungen, wenn der Abstand der Metall­ spitze zur Oberfläche auch nur minimal verändert wird. Diese Empfindlichkeit des Systems auf Abstandsänderungen erlaubt dem piezoelektrischen Bewegungssystem deshalb diesen Abstand mit höchster Präzision konstant zu halten, während die Me­ tallspitze die Oberfläche abrastert. Dadurch lassen sich Oberflächentopographien von elektrisch leitenden Proben mit atomarer Auflösung aufnehmen.

Um die Topographie oder Struktur mit atomarer Orts- und Tie­ fenauflösung auch bei Probenoberflächen, die nicht leitfähig sind, abbilden und vermessen zu können, wurde das Raster­ kraftmikroskop entwickelt. Beim Rasterkraftmikroskop wird die Probenoberfläche ebenfalls mit einer sehr feinen Spitze, die an einem extrem dünnen Hebelarm befestigt ist, mittels piezo­ elektrischer Verstellung abgerastert. Der Hebelarm mit seiner. Spitze wird dabei so nahe an die Probenoberfläche gebracht, daß eine atomare Wechselwirkung zwischen den äußeren Atomen der Sondenspitze und der Probenoberfläche zum Tragen kommt. Ein Computer steuert dann das piezoelektrische Bewegungssy­ stem so, daß die Kräfte zwischen der Sondenspitze und der Probenoberfläche, die typischerweise bei 10^-5 bis 10^-11 N liegt, konstant bleibt. Beim Abrastern der Probe zeichnet die Sondenspitze dabei die Topographie der Probenoberfläche nach. Die Auslenkung des Hebelarms kann, z. B. mittels eines Licht­ zeigers, durch eine Fotodiode registriert werden. Aus der de­ finierten Bewegung der Probenspitze kann dann rechnergestützt eine dreidimensionale Abbildung der Oberflächengeometrie mit atomarer Auflösung erstellt werden. Rastersensormikroskope werden zwar, wie erläutert, bereits zur Vermessung der Topo­ graphie von Halbleiter-Chips eingesetzt. Es ist jedoch kein Rastersensormikroskop bekannt, das im Rahmen einer industri­ ellen Fertigung zur Funktionsprüfung von integrierten Schal­ tungen auf Halbleiter-Chips eingesetzt wird.

Als Stand der Technik sind weiterhin die Druckschriften DE 691 18 319 T2, US 57 23 981 A, EP 845 680 A1, DE 196 48 475 A1 und die DE 199 01 210 A1 bekannt.

Aufgabe der Erfindung ist es ein Meßsystem mit einer Meßsonde für die Funktionsanalyse von elektrischen Schaltungen auf einem Halbleiter-Chip bereitzustellen, mit dem sich unter ex­ trem feiner Ortsauflösung elektrische Signale in integrierten Schaltungen nahezu unbeeinflusst messen lassen.

Diese Aufgabe wird durch eine Meßsonde gemäß Anspruch 1, bzw. eine Verwendung einer Meßsonde gemäß Anspruch 4, bzw. ein Verfahren zum Herstellen einer Meßsonde gemäß Anspruch 5 bzw. ein Meßsystem gemäß Anspruch 7 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Bei der erfindungsgemäßen Meßsonde zum Erfassen von elektri­ schen Signalen in einer integrierten Schaltung auf einem Halbleiter-Chip ist ein Hebelarm mit einer daran angeordneten Sondenspitze vorgesehen, die aus einem hochleitfähigen Werkstoff besteht, der von einer extrem dünnen Isolatorschicht bedeckt ist, wobei die Sondenspitze an ihrem vorderen Radius in der Isolatorschicht ein Fenster aufweist und der Hebelarm durch die Isolatorschicht hindurch kontaktiert ist. Eine solche Meßsonde kann zuerst in einem Kraftmodus betrieben werden, um durch Abrastern der Oberfläche der integrierten Schaltung die Topologie der Schaltung zu erfassen, um die Sondenspitze über der gewünschten Meßstelle zu fixieren, und dann in einem Tun­ nelmodus, um durch Erfassen eines Tunnelstroms zwischen der Meßstelle und der Sondenspitze die Spannung in der integrier­ ten Schaltung an der Meßstelle zu bestimmen.

Die erfindungsgemäße Meßsonde zum Erfassen elektrischer Si­ gnale in einer integrierten Schaltung stellt somit eine Kom­ bination aus einem Rasterkraftmikroskop und einem Raster­ tunnelmikroskop dar, wobei im Rasterkraftmodus eine extrem feine Ortsauflösung bis hinunter in den atomaren Bereich mög­ lich ist. Die Meßsonde kann deshalb exakt auf die gewünschte Meßstelle der integrierten Schaltung gefahren werden, z. B. genau auf die Mitte einer Leiterbahn. Im Tunnelmodus können dann die elektrischen Signale an der Meßstelle sehr genau gemessen werden, ohne daß diese Signale beeinflusst werden. Die Kapazität der Sondenspitze beträgt dabei nur ca. 1/10 bis 1/100 der von herkömmlichen Meßspitzen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird die Meßsonde aus hochdotiertem, einkristallinen Silizium hergestellt, das thermisch oxidiert wird, um eine Oxid-Schicht mit einer Dicke von höchstens 3 nm, vorzugsweise 2 nm, zu erzeugen, wobei am vorderen Radius der Sondenspitze ein Fenster in der Oxid- Schicht geöffnet und der Hebelarm durch die Oxid-Schicht hin­ durch elektrisch kontaktiert wird. Durch eine solchermaßen hergestellte Meßsonde lassen sich zuverlässig Sondenspitzen mit einem Krümmungsradius unter 20 nm erzeugen, wobei die Son­ de sowohl im Kraftmodus als auch im Tunnelmodus betrieben werden kann. Die thermische Oxidbildung sorgt dabei für eine mechanisch stabile Oxidschicht, um sowohl den Kraft- als auch den Tunnelmodus ausführen zu können.

Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch ein erfindungsgemäßes Meßsystem; und

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Meßsonde im Querschnitt.

Das erfindungsgemäße Meßsystem, das schematisch in Fig. 1 gezeigt ist, stellt eine Art Rastersensormikroskop dar, bei dem ein Rasterkraftmodus mit einem Tunnelmodus kombiniert ist. Das Meßsystem weist als wesentliches Element eine Meß­ sonde 1 auf, die sich aus einer weichen Blattfeder, einem so­ genannten Cantilever 11 und einer daran angebrachten Sensor­ spitze 12 zusammensetzt. Wie der Querschnitt durch die Meß­ sonde in Fig. 2 zeigt, wird diese vorzugsweise aus einem einkristallinem Silizium 14 gefertigt, das extrem hochdotiert ist, so daß sich ein spezifischer Widerstand von weniger als 0,02 Ω/cm ergibt.

Die Meßsonde 1 wird dabei mit Hilfe der Mikro-Strukturie­ rungstechnik vorzugsweise so ausgebildet, daß die Sondenspit­ ze 12 die Form einer Pyramide mit einem Polygon als Grundflä­ che hat. Die Höhe der Sondenspitze liegt dabei im Bereich von 10 bis 15 µm, wobei der Kegelwinkel der Spitze zwischen 40° und 60° beträgt. Im vorderen Bereich ist die Sondenspitze 12 weiterhin abgerundet. Der Radius ist dabei extrem gering mit einem Wert von kleiner 20 nm.

Der Cantilever 11, der die Sondenspitze 12 trägt, hat im we­ sentlichen die Form einer flachen Platte. Die aus einkri­ stallinem hochdotierten Silizium bestehende Grundform 14 der Meßsonde 1 ist, wie der Querschnitt in Fig. 2 weiter zeigt, von einer Oxid-Schicht 15 überzogen, deren Dicke höchstens 3, vorzugsweise 2 nm, beträgt. Diese Oxid-Schicht 15 wird vor­ zugsweise thermisch erzeugt, wodurch sich ein mechanisch sta­ biles Oxid bildet. Am vorderen abgerundeten Scheitelpunkt der Spitze 12 ist ein Fenster 16 im Oxid 15 vorgesehen, das mit Hilfe der Lithographietechnik ausgebildet ist. Dieses Fenster 16 in der Oxid-Schicht 15 hat vorzugsweise eine runde Form mit einem Durchmesser von höchstens 10 nm. Auf der Oberseite des Cantilevers 11 ist eine weitere Öffnung im Oxid vorgese­ hen, durch die hindurch eine Metallschicht 17 die hochdotier­ te einkristalline Silizium-Grundform 14 der Sonde kontak­ tiert.

Das Meßsystem umfaßt neben der Meßsonde 1 ein Lichtzeiger- Detektorsystem 2, das aus einem Laser 21 und eine Fotodiode 22 besteht. Der Laser 21 und die Fotodiode 22 sind dabei so angeordnet, daß der Strahl des Lasers 21 von der Cantilever- Rückseite im Bereich der Sondenspitze auf die Fotodiode 22 reflektiert wird. Durch diese Anordnung ist es möglich, Ver­ biegungen des Cantilevers 11 genau zu bestimmen. Das Meß­ signal der Fotodiode 22 wird an eine Regelelektronik 3 über­ mittelt, die einen X-Y-Z-Verstelltisch 4, auf dem ein zu ver­ messender Halbleiter-Chip 100 angebracht ist, steuert.

Die Metallschicht 17 auf der Rückseite des Cantilevers 11 der Meßsonde 1 ist weiterhin an eine Spannungsversorgung 5 ange­ schlossen, die gleichzeitig mit der zu vermessenden inte­ grierten Schaltung auf dem Halbleiter-Chip 100 verbunden ist. Die Spannungsversorgung 5 weist darüber hinaus einen hoch­ empfindlichen Strommesser 51 auf, mit dem ein zwischen der Meßsonde 1 und der integrierten Schaltung fließender Strom gemessen werden kann.

Das in Fig. 1 gezeigte Meßsystem ermöglicht es eine Funk­ tionsanalyse integrierter Schaltungen auf Halbleiter-Chips durchzuführen, bei der eine extrem feine Ortsauflösung der Meßstelle erreicht wird und elektrische Signale nahezu unbe­ einflußt gemessen werden können. Der zu prüfende Halbleiter- Chip 100 wird dazu in einem ersten Schritt auf dem X-Y-Z-Ver­ stelltisch 4 angebracht. Dann wird in einem zweiten Schritt in einem Kraftmodus die Topologie der integrierten Schaltung auf dem Halbleiter-Chip 100 erfaßt und die Meßsonde 1 über die gewünschte Meßstelle gefahren. Beim Kraftmodus wird die Meßsonde 1 mit ihrer Sondenspitze 12 so nahe an die Ober­ fläche des Halbleiter-Chips 100 gebracht, daß eine atomare Wechselwirkung zwischen den äußeren Atomen der Sondenspitze und den Atomen auf der Oberfläche des Halbleiter-Chips 100 zum Tragen kommt. Die zwischen der Sondenspitze 12 und dem Halbleiter-Chip 100 wirkende Kraft drückt sich dabei in einer Verbiegung des Cantilevers 11 der Meßsonde 1 aus. Diese Ver­ biegung des Cantilevers 11 wird durch die Ablenkung des Strahls des Lasers 21 auf der Rückseite des Cantilevers 11 über die Fotodiode 22 gemessen. Die gemessene Auslenkung wird von der Fotodiode 22 als Meßsignal an die Steuerelektronik 3 weitergegeben, die die Höhenposition (Z-Richtung) des X-Y-Z- Verstelltisches mit Hilfe von piezoelektrischen Stellgliedern so regelt, daß die Kraft, d. h. der Abstand zwischen der Sondenspitze 12 und der Oberfläche des Halbleiter-Chips 100, konstant bleibt.

Wenn nun der Halbleiter-Chip 100 mit der integrierten Schal­ tung mittels der piezoelektrischen Stellglieder des Verstell­ tisches 4 in X-Y-Ebene rastert und dabei die Z-Position des Verstelltisches, die einen konstanten Abstand zwischen der Sondenspitze und der Probe wiedergibt, von der Steuerelektro­ nik 3 aufgezeichnet wird, erhält man ein dreidimensionales Bild der Chipoberfläche und damit der integrierten Schaltung mit einer Ortsauflösung bis hinunter in den atomaren Bereich. Die durch das Meßsystem aufgenommene Topographie der inte­ grierten Schaltung wird in der Steuerelektronik 3 dabei laufend mit dem vorgegebenen Schaltungsentwurf der integrierten Schaltung verglichen. Wenn die gewünschte Meßstelle auf der integrierten Schaltung dann erreicht ist, wird die Scann­ feldgröße des Verstelltisches 4 auf 0 gesetzt und die Sonden­ spitze 12 verharrt dann über der gewünschten Meßstelle der integrierten Schaltung. Aufgrund der extrem feinen Ortsauf­ lösung im Kraftmodus ist es dabei möglich, die Sensorspitze 12 z. B. genau auf die Mitte einer Leiterbahn, deren Breite im Sub-Mikrobereich liegt, zu fahren.

Nachdem die Sondenspitze 12 im Kraftmodus über die Meßstelle der integrierten Schaltung gesetzt ist, wird dann das Meßsy­ stem vom Kraftmodus in einen Tunnelmodus umgeschaltet. Im Tunnelmodus wird durch Anlegen eines definierten elektrischen Potentials zwischen der Meßsonde 1 und der integrierten Schaltung auf dem Halbleiter-Chip 100 ein Tunnelstrom zwi­ schen der Sondenspitze 12 der Meßsonde 1 und der darunter­ liegenden Meßstelle in der integrierten Schaltung erzeugt. Der Tunnelstrom wird dabei durch die sich überlappenden Bah­ nen der äußersten Elektronen der hochdotierten Silizium- Grundform 14 am Scheitelpunkt der Sondenspitze 12 im freige­ legten Oxid-Fenster 16 und den Elektronen an der Meßstelle der integrierten Schaltung getragen. Spannungsschwankungen an der Meßstelle beeinflussen nun diesen Tunnelstrom zwischen der Sondenspitze 12 und der Meßstelle und lassen sich über den hochempfindlichen Strommesser 51 erfassen. Die Kapazität der Meßsonde 1 beträgt dabei weniger als 1 fF, so daß sich die Spannung an der Meßstelle nahezu unbeeinflußt über den Strom­ messer 51 bestimmen lässt.

Dieses Meßsignal des Strommessers 51 kann dann zur Funkti­ onsanalyse der integrierten Schaltung ausgewertet werden. Da­ nach kann der oben beschriebene Verfahrensablauf wiederholt werden, um die Meßsonde 1 an eine anderen Meßstelle zu ver­ fahren, um dort ein weiteres elektrisches Signal zur Funk­ tionsanalyse der integrierten Schaltung aufnehmen zu können. Durch die Erfindung ist es so möglich, mit extrem hoher Ortsauflösung auch im Sub-Mikrobereich eine Funktionsanalyse in­ tegrierter Schaltungen durchzuführen, wobei auch schwächste elektrische Signale erfasst und gleichzeitig Spannungsschwan­ kungen rauscharm verfolgt werden können.

Claims (7)

1. Meßsonde für ein Rastersensormikroskop mit einem kombinierten Rasterkraft-Tunnel-Modus zum Erfassen von elektrischen Signalen in einer integrierten Schaltung auf einem Halbleiter-Chip mit einem Hebelarm (11) und einer daran angeordneten Sondenspitze (12) mit einem Krümmungsradius von höchstens 20 nm, bestehend aus einem hochleitfähigen Werkstoff (14), der von einer Isolatorschicht (15) von höchstens 3 nm Dicke bedeckt ist, wobei die Sondenspitze am Scheitelpunkt ein Fenster (16) mit einem Durchmesser von höchstens 10 nm in der Isolatorschicht aufweist und der Hebelarm durch die Isolator­ schicht hindurch kontaktiert (17) ist.

2. Meßsonde nach Anspruch 1, wobei als hochleitfähiger Werkstoff (14) hochdotiertes, einkristallines Silizium einge­ setzt wird und die Isolatorschicht (15) Siliziumoxid ist.

3. Meßsonde nach Anspruch 2, wobei die Dicke der Silizium­ oxid-Schicht (15) 2 nm beträgt.

4. Verwendung einer Meßsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zum Messen von elektrischen Spannungen in einer integrier­ ten Schaltung auf einem Halbleiter-Chip, wobei die Meßsonde (1) zuerst in einem Kraftmodus betrieben wird, um durch Ab­ rastern der Oberfläche der integrierten Schaltung die Topo­ logie der Schaltung zu erfassen, um die Sondenspitze (12) über der gewünschten Meßstelle einzurichten, und dann in ei­ nem Tunnelmodus, um durch Messen eines Tunnelstroms zwischen der Meßstelle und der Sondenspitze (12) elektrische Signale in der integrierten Schaltung an der Meßstelle zu erfassen.

5. Verfahren zum Herstellen einer Meßsonde (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei durch Mikrostrukturierung aus dem Werkstoff (14) der Hebelarm (11) mit der Sondenspitze (12) erzeugt wird, dann der Werkstoff mit der Isolatorschicht (15) überzogen wird, anschließend an dem Scheitel­ punkt der Sondenspitze das Fenster (16) in der Isolator­ schicht ausgebildet wird und der Hebelarm durch die Isola­ torschicht hindurch kontaktiert (17) wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Werkstoff hochdotiertes, einkristallines Silizium ist, das thermisch oxidiert wird, um die Siliziumoxid-Schicht mit der Dicke von höchstens 3 nm, vorzugsweise 2 nm, zu erzeugen.

7. Meßsystem mit einer Meßsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei für den Betrieb der Meßsonde (1) in einem Kraft­ modus weiter ein Lichtzeiger-Detektorsystem (2) vorgesehen ist, um eine Verbiegung des Hebelarms (11) der Meßsonde fest­ zustellen, und ein X-Y-Z-Verstelltisch (4) mit einer Steuerelektronik (3), um einen zu mes­ senden Halbleiter-Chip mit einer integrierten Schaltung unter der Sondenspitze (12) in X-Y-Richtung zu verfahren und auf­ grund des Meßsignals des Lichtzeiger-Detektorsystems den Ab­ stand zwischen der Sondenspitze und der Probe konstant zu halten, und für den Betrieb der Meßsonde in einem Tunnelmodus eine Spannungsversorgung (5), die mit der Kontaktierung (17) des Hebelarms verbunden ist, um durch Anlegen eines elektri­ schen Potentials einen Tunnelstrom zwischen der integrierten Schaltung auf dem Halbleiter-Chip und der Sondenspitze herzu­ stellen, wobei eine Strommeßeinrichtung (51) vorgesehen ist, um den Tunnelstrom zu erfassen.