DE102018212403A1 - Inspection system and inspection procedure for quality assessment of semiconductor structures - Google Patents

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Shawn McVey
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Abstract

Ein Inspektionssystem (1) dient der Qualitätsbeurteilung von Halbleiterstrukturen. Das Inspektionssystem weist eine Ionenstrahlquelle (2) zur raumaufgelösten Exposition der Strukturen auf, die mit einem Ionenstrahl (3) qualitativ zu beurteilen sind. Ferner ist eine Sekundärionendetektionsvorrichtung (12) einschließlich eines Massenspektrometers (13) bereitgestellt. Das Massenspektrometer (13) ist dazu in der Lage, ein Ionenmasse-zu-Ladung-Verhältnis in einer gegebenen Bandbreite zu messen.An inspection system (1) is used to assess the quality of semiconductor structures. The inspection system has an ion beam source (2) for the spatially resolved exposure of the structures, which can be qualitatively assessed with an ion beam (3). A secondary ion detection device (12) including a mass spectrometer (13) is also provided. The mass spectrometer (13) is able to measure an ion mass to charge ratio in a given bandwidth.

Description

Die Erfindung betrifft ein Inspektionssystem zur Qualitätsbeurteilung von Halbleiterstrukturen. Ferner betrifft die Erfindung ein Inspektionsverfahren zur Qualitätsbeurteilung von Halbleiterstrukturen.The invention relates to an inspection system for quality assessment of semiconductor structures. The invention further relates to an inspection method for quality assessment of semiconductor structures.

Ein Inspektionssystem und auch ein Inspektionsverfahren zur Qualitätsbeurteilung von 3D-Halbleiterstukturen ist aus US 2007/0221843 A1 bekannt und ist ferner aus G. Hlawacek und A. Gölzhäuser (Hrsg.), Helium Ion Microscopy, Nanoscience and Technology, Springer International Publishing, Schweiz, 2016 bekannt.An inspection system and also an inspection procedure for quality assessment of 3D semiconductor structures is over US 2007/0221843 A1 is known and is also known from G. Hlawacek and A. Gölzhäuser (ed.), Helium Ion Microscopy, Nanoscience and Technology, Springer International Publishing, Switzerland, 2016.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein solches Inspektionssystem zur Qualitätsbeurteilung von Halbleiterstrukturen, insbesondere zur Qualitätsbestimmung von 2D- oder 3D-Halbleiterstrukturen zu verbessern.It is an object of the present invention to improve such an inspection system for the quality assessment of semiconductor structures, in particular for the quality determination of 2D or 3D semiconductor structures.

Diese Aufgabe wird durch ein Inspektionssystem erreicht, das die Merkmale aus Anspruch 1 beinhaltet.This object is achieved by an inspection system which contains the features from claim 1.

Es wurde erkannt, dass die Verwendung eines Massenspektrometers zum Messen von Ionenmasse-zu-Ladung-Verhältnissen bei einer gegebenen Bandbreite zusammen mit der Verwendung einer Ionenstrahlquelle zum Produzieren von Sekundärionen, die durch das Massenspektrometer zu detektieren sind, ein leistungsstarkes Werkzeug zur Qualitätsbeurteilung von Halbleiterstrukturen gibt. Das System kann zur Qualitätsbeurteilung von 2D- und/oder 3D-Strukturen verwendet werden. Das System ist dazu in der Lage, einen wohldefinierten begrenzten Ionenstrahl bei einem Objekt oder einer Probe, das/die qualitativ zu beurteilen ist, zu platzieren. Ferner kann das System eine Hochauflösungssekundärionenbildgebung einerseits mit analytischen Informationen, die mittels Massenspektroskopie erhalten werden, andererseits korrelieren. Zu diesem Zweck kann das System Sekundärelektronenbildgebungsoptik beinhalten. Das hier involvierte Sekundärionenmassenspektrometer ermöglicht es, gleichzeitig verschiedene Ionenmasse-zu-Ladung-Verhältnisse zu verfolgen, und gibt daher jeweilige Informationen mit Bezug auf unterschiedliche Materialien und/oder Elemente und/oder Isotope, die in einem Probengebiet vorhanden sind. Ferner wurde erkannt, dass Ergebnisse eines solchen Inspektionssystems nicht durch die Verwendung eines Niederstromionenstrahls beeinträchtig werden, der mit hoher Raumauflösung und auch mit einem sehr kleinen Fokaldurchmesser bereitgestellt werden kann. Die Raumauflösung kann besser als 100 nm, besser als 50 nm sein und kann besser als 20 nm sein. Ein Fokaldurchmesser des Ionenstrahls kann kleiner als 10 nm, kleiner als 5 nm, kleiner als 2 nm, kleiner als 1 nm sein und kann sogar kleiner 0,5 nm sein. Das Inspektionssystem kann als Teil einer Einrichtung zur Überprüfung und/oder Entfernung von Defekten in den qualitativ beurteilten Halbleiterstrukturen verwendet werden. Das Inspektionssystem kann zur Überprüfung spezieller Strukturen verwendet werden, zum Beispiel zur Inspektion und Überprüfung von HAR-Kontaktspulen (HAR: High Aspect Ratio - hohes Aspektverhältnis). Solche Inspektions- und Überprüfungsschritte können während eines Herstellungsprozesses der jeweiligen Halbleiterstruktur stattfinden.It has been recognized that using a mass spectrometer to measure ion mass to charge ratios at a given bandwidth, along with using an ion beam source to produce secondary ions to be detected by the mass spectrometer, provides a powerful tool for quality assessment of semiconductor structures , The system can be used for quality assessment of 2D and / or 3D structures. The system is able to place a well-defined confined ion beam on an object or sample that is to be qualitatively assessed. Furthermore, the system can correlate high-resolution secondary ion imaging on the one hand with analytical information obtained by means of mass spectroscopy, on the other hand. To this end, the system can include secondary electron imaging optics. The secondary ion mass spectrometer involved here enables different ion mass-to-charge ratios to be tracked at the same time and therefore gives respective information with reference to different materials and / or elements and / or isotopes that are present in a sample area. It was also recognized that the results of such an inspection system are not impaired by the use of a low-current ion beam which can be provided with a high spatial resolution and also with a very small focal diameter. The spatial resolution can be better than 100 nm, better than 50 nm and can be better than 20 nm. A focal diameter of the ion beam can be less than 10 nm, less than 5 nm, less than 2 nm, less than 1 nm and can even be less than 0.5 nm. The inspection system can be used as part of a device for checking and / or removing defects in the qualitatively assessed semiconductor structures. The inspection system can be used to check special structures, for example to inspect and check HAR contact coils (HAR: High Aspect Ratio). Such inspection and verification steps can take place during a manufacturing process of the respective semiconductor structure.

Das Inspektionssystem gemäß der Erfindung weist eine weite Vielzahl an Anwendungen auf. Manche von ihnen sind im Folgenden besprochen:

  • Eine Anwendung ist die Messung einer kritischen Dimension (CD: Critical Dimension) unter Verwendung von Sekundärionenmassenspektrometrie (SIMS), die die wachsende Komplexität und den Umfang an in Halbleitervorrichtungen verwendeten Materialien bewältigt. Aufgrund der Verwendung des Massenspektrometers ist das Inspektionssystem dazu in der Lage, zwischen Elementen basierend auf Masse zu unterscheiden. Dies kann genutzt werden, um klassische CD-Messungen von Halbleitervorrichtungen abzuschließen, die keinerlei elementare/chemische Informationen ergeben. Die Sekundärionenausbeute in herkömmlicher Ionenmikroskopie liefert lediglich Graustufen pro Element für eine qualitative Analyse.
The inspection system according to the invention has a wide variety of applications. Some of them are discussed below:
  • One application is the measurement of a critical dimension (CD: Critical Dimension) using secondary ion mass spectrometry (SIMS), which copes with the increasing complexity and amount of materials used in semiconductor devices. Due to the use of the mass spectrometer, the inspection system is able to distinguish between elements based on mass. This can be used to complete classic semiconductor device CD measurements that do not provide any elemental / chemical information. The secondary ion yield in conventional ion microscopy provides only gray levels per element for a qualitative analysis.

Eine weitere Anwendung des Inspektionssystems gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Charakterisierung von organischen Filmen. Diese Anwendung kann bei der gerichteten Selbstassemblierung (DSA: Directed Self-Assembly) zur Waferstrukturierung genutzt werden. Ein zum Einsatz kommender DSA-Dampf nutzt oft Blockcopolymere zum Bilden von Strukturen, die typische Dimensionen zwischen 10 nm und 100 nm (Nanobereich) aufweisen. Eine Unterscheidung zwischen unterschiedlichen Typen von organischen Polymeren im Nanobereich ist bei der Entwicklung von Verfahren unter Verwendung von DSA sehr wichtig. Das Inspektionssystem gemäß der Erfindung weist die Fähigkeit auf, direkt zwischen unterschiedlichen Typen von Polymeren unter Verwendung eines charakteristischen Fingerabdrucks zu unterscheiden, der mit dem Massenspektrometer gemessen wird.Another application of the inspection system according to the present invention is the characterization of organic films. This application can be used for directional self-assembly (DSA: Directed Self-Assembly) for wafer structuring. A DSA vapor that is used often uses block copolymers to form structures that have typical dimensions between 10 nm and 100 nm (nano range). A distinction between different types of organic polymers in the nanoscale is very important when developing processes using DSA. The inspection system according to the invention has the ability to directly distinguish between different types of polymers using a characteristic fingerprint that is measured with the mass spectrometer.

Eine weitere Anwendung des Inspektionssystems ist die Detektion von einzelnen und vergrabenen Defekten. Die Detektion und Analyse eines chemischen Aufbaus von einzelnen Defekten auf einem Wafer ist wichtig, um den Ursprung solcher Defekte zu erfassen. Außerdem können chemische Informationen über vergrabene Defekte und eine umgebende Schicht mit dem Inspektionssystem bestimmt werden. Another application of the inspection system is the detection of individual and buried defects. The detection and analysis of a chemical structure of individual defects on a wafer is important in order to determine the origin of such defects. In addition, chemical information about buried defects and a surrounding layer can be determined with the inspection system.

Eine weitere Anwendung des Inspektionssystems ist eine Ätzrückstandcharakterisierung. Eine solche Analyse von Ätzrückständen auf Wafern gibt wertvolle Informationen. Insbesondere ist eine stöchiometrische Variation von Ätzchemikalien von Interesse, um eine Ursache einer unvollständigen/fehlerhaften Ätzung oder fehlerhafte anschließende Prozessschritte zu bestimmen, die durch Ätzrückstände innerhalb beschränkter Volumina, wie etwa Gräben, Löchern, Ecken usw., verursacht werden. Die Verwendung des Inspektionssystems gemäß der Erfindung, das eine hohe räumliche Auflösung und/oder eine hohe Oberflächenempfmdlichkeit aufweisen kann, ermöglicht es, die stöchiometrische Variation über verschiedene Vorrichtungstopologien hinweg abzufragen.Another application of the inspection system is etch residue characterization. Such an analysis of etch residues on wafers provides valuable information. In particular, a stoichiometric variation of etch chemicals is of interest to determine a cause of an incomplete / faulty etch or incorrect subsequent process steps caused by etch residues within limited volumes, such as trenches, holes, corners, etc. The use of the inspection system according to the invention, which can have a high spatial resolution and / or a high surface sensitivity, makes it possible to query the stoichiometric variation across different device topologies.

Eine Bereitstellung eines Massenspektrometers, das dazu in der Lage ist, Ionenmasse-zu-Ladung-Verhältnisse kontinuierlich zu messen, nach Anspruch 2 verbessert weiter die Informationsausgabe des Inspektionssystems. Bei der gewählten Masse-zu-Ladung-Verhältnis-Bandbreite können alle dort vorliegenden Ionenmasse-zu-Ladung-Verhältnisse gleichzeitig detektiert werden. Die gewählte Ionenmasse-zu-Ladung-Verhältnis-Bandbreite kann eine Bandbreite beinhalten, die dazu in der Lage ist, die Elemente Silicium, Titan, Kupfer, Selen, Tellur und Antimon gleichzeitig zu detektieren. Die resultierende Massenbandbreite kann in einem Bereich zwischen 1 u (vereinheitlichte atomare Masseneinheit) bis 500 u liegen.Providing a mass spectrometer that is capable of continuously measuring ion mass to charge ratios according to claim 2 further improves the information output of the inspection system. With the selected mass-to-charge ratio bandwidth, all the ion mass-to-charge ratios present there can be detected simultaneously. The selected ion mass to charge ratio bandwidth can include a bandwidth that is capable of detecting the elements silicon, titanium, copper, selenium, tellurium and antimony at the same time. The resulting mass bandwidth can range from 1 u (unified atomic mass unit) to 500 u.

Eine Sekundärelektronendetektionseinheit nach Anspruch 3 ermöglicht eine Sekundärionendetektion mit hoher Genauigkeit und hoher Effizienz. Eine verwendbare Ausbeute, d. h. das Verhältnis zwischen der Anzahl an Sekundärionen einerseits, die mittels des Inspektionssystems gemessen werden können, und der Anzahl an zerstäubten Teilchen andererseits, die durch den Ionenstrahl produziert werden, kann hoch sein. Die verwendbare Ausbeute kann im Bereich von 10-5 bis 0,1 liegen.A secondary electron detection unit according to claim 3 enables secondary ion detection with high accuracy and high efficiency. A usable yield, ie the ratio between the number of secondary ions on the one hand that can be measured by the inspection system and the number of atomized particles that are produced by the ion beam on the other hand can be high. The usable yield can range from 10 -5 to 0.1.

Ionenstrahlen nach Ansprüchen 4 oder 5 haben sich als besonders nützlich für das Inspektionssystem gezeigt.Ion beams according to claims 4 or 5 have been found to be particularly useful for the inspection system.

Eine Sekundärionentransfereinheit nach Anspruch 6 ermöglicht einen Wechsel zwischen einem Halbleiterstrukturproduktionsmodus einer Einrichtung, die als eine Projektionsbelichtungseinrichtung verwendet werden kann, und einem Inspektionsmodus mit der Sekundärionentransfereinheit in der Transferposition. Dies ermöglicht eine integrierte Inspektion während eines Halbleiterproduktionsprozesses.A secondary ion transfer unit according to claim 6 enables switching between a semiconductor structure production mode of a device that can be used as a projection exposure device and an inspection mode with the secondary ion transfer unit in the transfer position. This enables an integrated inspection during a semiconductor production process.

Ein Totalionenzähler nach Anspruch 7 gibt z. B. Verhältnisinformationen über die Vorkommensverteilung unterschiedlicher Elemente in einem abgetasteten Gebiet.A total ion counter according to claim 7 gives z. B. Ratio information about the occurrence distribution of different elements in a scanned area.

Ein ausgedehntes Detektorarray nach Anspruch 8 gibt eine hohe räumliche Auflösung der Sekundärionendetektionsvorrichtung, was zu einer hohen Massenauflösung führen kann. Das Detektorarray kann als ein Array aus Kanalelektronenvervielfachern (CEMs: Channel Electron Multipliers) oder eine Mikrokanalplatte (MCP: Micro-Channel Plate) umgesetzt werden.An extensive detector array according to claim 8 gives a high spatial resolution of the secondary ion detection device, which can lead to a high mass resolution. The detector array can be implemented as an array of channel electron multipliers (CEMs: Channel Electron Multipliers) or a microchannel plate (MCP: Micro-Channel Plate).

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, ein Inspektionsverfahren zur Qualitätsbeurteilung von Halbleiterstrukturen, insbesondere zur Qualitätsbeurteilung von 2D- oder 3D-Halbleiterstrukturen, zu verbessern.Another object of the invention is to improve an inspection method for the quality assessment of semiconductor structures, in particular for the quality assessment of 2D or 3D semiconductor structures.

Dieses Ziel wird durch ein Inspektionsverfahren gemäß den Schritten aus Anspruch 9 erreicht.This goal is achieved by an inspection process according to the steps from claim 9.

Es wurde erkannt, dass eine Kombination einer groben Überprüfung der Struktur, die qualitativ zu beurteilen ist, einerseits und einer detaillierteren Überprüfung von Qualitätsbeurteilungsvolumenkandidaten, die in dem Grobüberprüfungsschritt identifiziert wurden, unter Verwendung eines Ionenstrahls und einer Sekundärionendetektionsvorrichtung eine Inspektion von Abtastgebieten/-volumina, die detailliert zu überprüfen sind, mit hoher Genauigkeit und hohem informativem Wert ermöglicht. Die detailliert zu überprüfenden Volumina können unter Verwendung des Grobüberprüfungsschrittes gewählt werden, der mittels eines Sekundärelektronenmikroskopbildes durchgeführt werden kann. Die detaillierte Überprüfung, die auf dem Ionenstrahl und der Sekundärionendetektionsvorrichtung basiert, kann dann basierend auf den groben Informationen durchgeführt werden, die aus der groben Überprüfung abgeleitet werden. Das Durchführen der kontinuierlichen Massenspektrometrie führt zu der Möglichkeit, detaillierte Elementverteilungsinformationen des Volumens zu sammeln, das in dem detaillierten Überprüfungsschritt zu überprüfen ist.It was recognized that a combination of a rough review of the structure to be assessed qualitatively on the one hand and a more detailed review of quality assessment volume candidates identified in the rough review step using an ion beam and a secondary ion detection device, an inspection of scanning areas / volumes that are to be checked in detail, with high accuracy and high informative value. The volumes to be checked in detail can be selected using the rough inspection step, which can be carried out using a secondary electron microscope image. The detailed check based on the ion beam and the secondary ion detection device can then be performed based on the rough information derived from the rough check. Performing continuous mass spectrometry leads to the ability to collect detailed element distribution information of the volume to be checked in the detailed review step.

Eine laterale Raumauflösung gemäß Anspruch 10 gibt einen hohen informativen Wert. Winzige strukturelle Einzelheiten, die der Auflösung eines Halbleiterstrukturprozesses entsprechen können, können detailliert überprüft werden.A lateral spatial resolution according to claim 10 gives a high informative value. Tiny structural details that can correspond to the resolution of a semiconductor structure process can be checked in detail.

Ein Fokusdurchmesser gemäß Anspruch 11 weist die entsprechenden Vorteile auf.A focus diameter according to claim 11 has the corresponding advantages.

Die Vorteile des Inspektionsverfahrens sind sehr effektiv, wenn das Inspektionsverfahren integriert während eines Halbleiterproduktionsprozesses gemäß Anspruch 12 durchgeführt wird. Zusätzlich oder alternativ dazu kann das Inspektionsverfahren verwendet werden, um eine Fehleranalyse durch eine Objekt- oder Probenoberfläche durchzuführen, und/oder kann verwendet werden, um eine Defektdetektion durchzuführen. Eine solche Fehleranalyse/Defektdetektion kann in einem Offline-Modus stattfinden, d. h. nicht während eines Halbleiterproduktionsprozesses.The advantages of the inspection method are very effective if the inspection method is carried out integrated during a semiconductor production process according to claim 12. Additionally or alternatively, the inspection process can be used to perform a failure analysis perform an object or sample surface, and / or can be used to perform defect detection. Such a fault analysis / defect detection can take place in an offline mode, ie not during a semiconductor production process.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind unten unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erklärt. In diesen Zeichnungen gilt:

  • 1 zeigt eine schematische Veranschaulichung der Strahl/Teilchen-Wechselwirkung in einem Inspektionssystem zur Qualitätsbeurteilung von 3D-Halbleiterstrukturen;
  • 2 zeigt Hauptkomponenten des Inspektionssystems in einer weiteren schematischen Veranschaulichung;
  • 3 zeigt einen Abschnitt eines Mikroskopbildes, das von dem Inspektionssystem von Sekundärelektronen erhalten wurde, die durch das Inspektionssystem produziert wurden;
  • 4 zeigt ein Diagramm einer zeitaufgelösten Zählrate der drei verschiedenen Ionenenergien, die durch ein Massenspektrometer des Inspektionssystems bei drei unterschiedlichen Positionen innerhalb des in 3 gezeigten Objektabschnitts gemessen werden;
  • 5 zeigt im Vergleich zu 3 einen anderen Abschnitt des Objekts, der durch Sekundärelektronen durch das Inspektionssystem vor einem Objektfrässchritt durch den Ionenstrahl abgebildet wird, in einem weiter vergrößerten Maßstab;
  • 6 zeigt den Abschnitt gemäß 5 nach dem Frässchritt, der drei unterschiedliche gefräste rechteckige Abschnitte zeigt;
  • 7 zeigt den Abschnitt aus 6, wobei die gefrästen Bereiche hervorgehoben sind;
  • 8 zeigt die Zeitentwicklung von drei unterschiedlichen gemessenen Ionenenergien, die aus einem ersten in 7 hervorgehobenen Bereich abgeleitet werden, in einem zu 4 vergleichbaren zeitaufgelösten Diagramm;
  • 9 zeigt die Zeitentwicklung von drei unterschiedlichen gemessenen Ionenenergien, die aus einem zweiten in 7 hervorgehobenen Bereich abgeleitet werden, in einem zu 4 vergleichbaren zeitaufgelösten Diagramm; und
  • 10 zeigt die Zeitentwicklung von drei unterschiedlichen gemessenen Ionenenergien, die aus einem dritten in 7 hervorgehobenen Bereich abgeleitet werden, in einem zu 4 vergleichbaren zeitaufgelösten Diagramm.
Embodiments of the invention are explained below with reference to the drawings. In these drawings:
  • 1 shows a schematic illustration of the beam / particle interaction in an inspection system for quality assessment of 3D semiconductor structures;
  • 2 shows main components of the inspection system in a further schematic illustration;
  • 3 shows a portion of a microscope image obtained from the inspection system of secondary electrons produced by the inspection system;
  • 4 shows a diagram of a time-resolved count rate of the three different ion energies, which is determined by a mass spectrometer of the inspection system at three different positions within the 3 object section shown are measured;
  • 5 shows compared to 3 another portion of the object, which is imaged by secondary electrons through the inspection system before an object milling step by the ion beam, on a further enlarged scale;
  • 6 shows the section according to 5 after the milling step, which shows three different milled rectangular sections;
  • 7 shows the section 6 , with the milled areas highlighted;
  • 8th shows the time evolution of three different measured ion energies from a first one in 7 highlighted area are derived in a too 4 comparable time-resolved diagram;
  • 9 shows the time evolution of three different measured ion energies from a second one in 7 highlighted area are derived in a too 4 comparable time-resolved diagram; and
  • 10 shows the time evolution of three different measured ion energies, from a third in 7 highlighted area are derived in a too 4 comparable time-resolved diagram.

1 und 2 zeigen das Arbeitsprinzip und die Hauptkomponenten eines Inspektionssystems 1 zur Qualitätsbeurteilung dreidimensionaler (3D-) Halbleiterstrukturen, insbesondere zur Qualitätsbeurteilung von Lithografiefotomasken. Solche Fotomasken können insbesondere für eine EUV-Projektionslithographie geeignet sein. 1 and 2 show the working principle and the main components of an inspection system 1 for the quality assessment of three-dimensional (3D) semiconductor structures, in particular for the quality assessment of lithography photo masks. Such photomasks can be particularly suitable for EUV projection lithography.

Das Inspektionssystem 1 weist eine Ionenstrahlquelle 2 auf, die in 1 schematisch gezeigt ist. Eine solche Ionenstrahlquelle 2 ist eine Plasmaquelle mit einem wohldefinierten Quellenvolumen. Beispiele für eine solche Ionenstrahlquelle sind in US 2007/0221843 A1 offenbart. Die Ionen, die durch die Ionenstrahlquelle produziert werden, sind Edelgasionen, insbesondere Helium- oder Neonionen. Andere Edelgase einschließlich Argon, Krypton oder Xenon können ebenfalls verwendet werden, indem eine entsprechende Ionenstrahlquelle bereitgestellt wird.The inspection system 1 has an ion beam source 2 on that in 1 is shown schematically. Such an ion beam source 2 is a plasma source with a well-defined source volume. Examples of such an ion beam source are shown in US 2007/0221843 A1 disclosed. The ions produced by the ion beam source are noble gas ions, especially helium or neon ions. Other noble gases including argon, krypton or xenon can also be used by providing an appropriate ion beam source.

Die Ionenstrahlquelle produziert einen Ionenstrahl 3 mit wohldefinierten Richtungseigenschaften. Die Raumauflösung, die durch einen solchen Ionenstrahl 3 erhalten wird, ist besser als 20 nm. Der Ionenstrahl 3 wird auf einem Objektfeld 4 auf einer Oberfläche 5 eines Objekts oder einer Probe 6 mit den 3D-Strukturen fokussiert, die durch das Inspektionssystem 1 qualitativ zu beurteilen sind. Ein Fokaldurchmesser des Ionenstrahls 3 ist kleiner als 0,5 nm.The ion beam source produces an ion beam 3 with well-defined directional properties. The spatial resolution caused by such an ion beam 3 is better than 20 nm. The ion beam 3 is on an object field 4 on one surface 5 of an object or a sample 6 with the 3D structures focused by the inspection system 1 are to be assessed qualitatively. A focal diameter of the ion beam 3 is less than 0.5 nm.

Der Ionenstrahl kann eine Energie in dem Bereich von 2,5 keV bis 30 keV, zum Beispiel von 25 keV, aufweisen. Ein Strahlstrom des Ionenstrahls kann im Bereich von 1 bis 100 pA, insbesondere in dem Bereich von 10 pA, liegen.The ion beam can have an energy in the range of 2.5 keV to 30 keV, for example 25 keV. A beam current of the ion beam can be in the range from 1 to 100 pA, in particular in the range from 10 pA.

1 zeigt schematisch die Wechselwirkung des fokussierten Ionenstrahls 3 in dem Objektfeld 4 mit Material des Objekts 6. Es sind drei Arten von Atomen 7, 8, 9 zeigt, die aus dem Objektfeld der Oberfläche 5 durch den Ionenstrahl 3 zerstäubt werden. Das Atom 7 ist positiv geladen. Das Atom 8 ist neutral. Das Atom 9 ist negativ geladen. Weiter sind ein Sekundärelektronen (SE) gezeigt, die während dieser Zerstäubung produziert werden und die in 1 mit e- bezeichnet sind. Weiter ist in 1 ein Strahlwechselwirkungsgebiet 10 gezeigt, bei dem eine Wechselwirkung zwischen dem Ionenstrahl 3 und der Materie des Objekts 6 während des Zerstäubungsprozesses stattfindet. 1 shows schematically the interaction of the focused ion beam 3 in the object field 4 with material of the object 6 , There are three types of atoms 7 . 8th . 9 shows that from the object field of the surface 5 through the ion beam 3 be atomized. The atom 7 is positively charged. The atom 8th is neutral. The atom 9 is negatively charged. Furthermore, a secondary electron (SE) is shown, which are produced during this atomization and which in 1 are designated with e-. Next is in 1 a beam interaction area 10 shown an interaction between the ion beam 3 and the matter of the object 6 takes place during the atomization process.

In 1 ist ferner ein kartesisches x/y/z-Koordinatensystem gezeigt. Die Koordinaten x und y spannen die Oberfläche 5 des Objekts 6 auf. Die Koordinate z ist senkrecht zu einer solchen x/y-Oberflächenebene.In 1 a Cartesian x / y / z coordinate system is also shown. The coordinates x and y span the surface 5 of the object 6 on. The coordinate z is perpendicular to such an x / y surface plane.

Ein solches Strahlwechselwirkungsgebiet 10 weist ein sehr wohldefiniertes Volumen mit x/y-Dimensionen in dem Bereich von 5 nm bis 50 nm und mit einer z-Dimension in dem Bereich von 5 nm bis 50 nm auf. Das Inspektionssystem 1 beinhaltet eine Sekundärelektronenoptik 11, die dazu in der Lage ist, ein Sekundärelektronenbild des Objektfeldes 4 zu produzieren. Eine solche Sekundärelektronenoptik ist auch in US 2007/0221843 A1 offenbart. Das System 1 kann auch eine Projektionsoptik einer Projektionsbelichtungseinrichtung für EUV-Lithografie aufweisen. Während eines solchen Halbleiterherstellungsprozesses kann eine dreidimensionale Struktur produziert werden, indem ein Retikel auf das Objektfeld 4 mit der Projektionsexpositionseinrichtung unter Verwendung der Projektionsoptik abgebildet wird.Such a beam interaction area 10 has a very well-defined volume with x / y dimensions in the range from 5 nm to 50 nm and with a z dimension in the range from 5 nm to 50 nm. The inspection system 1 includes secondary electron optics 11 which is capable of producing a secondary electron image of the object field 4 to produce. Such secondary electron optics is also in US 2007/0221843 A1 disclosed. The system 1 can also have projection optics of a projection exposure device for EUV lithography. During such a semiconductor manufacturing process, a three-dimensional structure can be produced by placing a reticle on the object field 4 is imaged with the projection exposure device using the projection optics.

Das Inspektionssystem 1 beinhaltet ferner eine Sekundärionendetektionsvorrichtung 12 zum Detektieren von Sekundärionen, insbesondere der geladenen Atome 7 und 9, die aus der Ionenstrahlzerstäubung resultieren. Die Sekundärionendetektionseinheit 12 beinhaltet ein Massenspektrometer 13. The inspection system 1 further includes a secondary ion detection device 12 for the detection of secondary ions, especially the charged atoms 7 and 9 that result from ion beam sputtering. The secondary ion detection unit 12 includes a mass spectrometer 13 ,

Das Massenspektrometer 13 ist zur Sekundärionenmassenspektrometrie (SIMS) in der Lage. Ein solches Massenspektrometer 13 ist dazu in der Lage, Ionenmasse-zu-Ladung-Verhältnisse der Sekundärionen in einer gegebenen Bandbreite zu messen und insbesondere kontinuierlich zu messen. Dies ist schematisch in 2 gezeigt, die Sekundärionenstrahlpfade 14, 15, 16, 17 darstellt, die unterschiedlichen Ionenmasse-zu-Ladung-Verhältnissen entsprechen. Nachdem die Sekundärionen durch eine Extraktionsoptik gesammelt wurden, werden sie gleichmäßig bei z. B. 3 kV zu einem Magnetsektor hin beschleunigt.The mass spectrometer 13 is capable of secondary ion mass spectrometry (SIMS). Such a mass spectrometer 13 is able to measure ion mass-to-charge ratios of the secondary ions in a given bandwidth and in particular to measure them continuously. This is shown schematically in 2 shown the secondary ion beam paths 14 . 15 . 16 . 17 represents that correspond to different ion mass-to-charge ratios. After the secondary ions have been collected by an extraction optics, they are evenly at z. B. 3 kV accelerated towards a magnetic sector.

Der Strahlpfad 14 betrifft eine kleinste detektierbare Ionenmasse. Der Strahlpfad 17 betrifft eine größte detektierbare Ionenmasse. Zwischen dieser kleinsten und dieser größten Ionenmasse gibt es eine kontinuierliche Ionenmassenbandbreite 18, die durch das Massenspektrometer 13 detektierbar ist.The ray path 14 relates to the smallest detectable ion mass. The ray path 17 affects a largest detectable ion mass. There is a continuous ion mass bandwidth between this smallest and largest ion mass 18 by the mass spectrometer 13 is detectable.

In 2 ist schematisch ein Diagramm gezeigt, das ein akkumuliertes Auszählungsergebnis in dieser Ionenmasse-zu-Ladung-Bandbreite 18 nach einer gewissen Messperiode des Inspektionssystems 1 zeigt. Gezeigt sind akkumulierte Zählungsraten für eine Vielzahl unterschiedlicher Ionenmasse-zu-Ladung-Verhältnissen, die jeweiligen unterschiedlichen Elementen entsprechen. Zum Messen der Ionenenergien beinhaltet das Massenspektrometer 13 eine Sekundärelektronendetektionseinheit 19 einschließlich eines Totalionenzählers. Die Sekundärionendetektionseinheit 19 ist als ein erweitertes Detektorarray umgesetzt. Ein Beispiel für ein solches Detektorarray ist ein Array aus Kanalelektronenvervielfachern (CEM). Die Sekundärionendetektionseinheit kann 4 oder mehr solcher Kanalelektronenvervielfacher beinhalten, zum Beispiel 4, 5, 6, 8, 10, 15, 20, 25, 30, 50, 75, 100 oder sogar eine größere Anzahl an Kanalelektronenvervielfachern.In 2 a diagram is schematically shown which shows an accumulated count result in this ion mass-to-charge bandwidth 18 after a certain measuring period of the inspection system 1 shows. Accumulated count rates are shown for a large number of different ion mass-to-charge ratios, which correspond to different elements. The mass spectrometer contains to measure the ion energies 13 a secondary electron detection unit 19 including a total ion counter. The secondary ion detection unit 19 is implemented as an extended detector array. An example of such a detector array is an array of channel electron multipliers (CEM). The secondary ion detection unit may include 4 or more such channel electron multipliers, for example 4, 5, 6, 8, 10, 15, 20, 25, 30, 50, 75, 100 or even a larger number of channel electron multipliers.

Die Sekundärionendetektionseinheit 19 kann als eine Mikrokanalplatte (MCP) mit mehr als 50, mehr als 100, mehr als 200, mehr als 500, mehr als 1000, mehr als 2000 oder sogar mehr als 4000 Kanälen umgesetzt werden.The secondary ion detection unit 19 can be implemented as a microchannel plate (MCP) with more than 50, more than 100, more than 200, more than 500, more than 1000, more than 2000 or even more than 4000 channels.

Die Sekundärionendetektionseinheit beinhaltet ferner eine Sekundärionentransfereinheit 20. Eine solche Sekundärionentransfereinheit 20 ist zwischen einer in 2 gezeigten ersten Position, bei der die Sekundärionentransfereinheit 20 Sekundärionen (d. h. geladene Atome 7, 9), die aus dem Strahlwechselwirkungsgebiet entstammen, d. h., die aus einem Zielvolumen einer qualitativ zu beurteilenden Sondenstruktur entstammen, zu dem Massenspektrometer 13 und insbesondere zu der Sekundärionendetektionseinheit 19 transferiert, und einer zweiten, neutralen Position beweglich, bei der die Sekundärionentransfereinheit 20 nicht Sekundärelektronen und/oder Sekundärionen, die in dem Strahlwechselwirkungsgebiet produziert werden, entgegenwirkt. Um eine solche Beweglichkeit der Sekundärionentransfereinheit 20 zwischen der ersten Transferposition und der zweiten neutralen Position zu erreichen, interagiert die Sekundärionentransfereinheit 20 mit einem Antrieb 21.The secondary ion detection unit further includes a secondary ion transfer unit 20 , Such a secondary ion transfer unit 20 is between one in 2 shown first position, in which the secondary ion transfer unit 20 Secondary ions (ie charged atoms 7 . 9 ) originating from the beam interaction area, ie originating from a target volume of a probe structure to be assessed qualitatively, to the mass spectrometer 13 and in particular to the secondary ion detection unit 19 transferred, and a second, neutral position movable, in which the secondary ion transfer unit 20 does not counteract secondary electrons and / or secondary ions produced in the beam interaction area. Such mobility of the secondary ion transfer unit 20 To reach between the first transfer position and the second neutral position, the secondary ion transfer unit interacts 20 with a drive 21 ,

Die Sekundärionentransfereinheit 20 beinhaltet ein erstes Ablenkungsmittel 22, das sich in der Transferposition der Sekundärionentransfereinheit 20 direkt oberhalb des Strahlwechselwirkungsgebiets 10 befindet. Das Ablenkungsmittel 22 beinhaltet einen Durchgangskanal zum Hindurchleiten des Ionenstrahls 3 in den Strahlpfaden zwischen der Ionenstrahlquelle 2 und dem Strahlwechselwirkungsgebiet 10. Ferner beinhaltet die Sekundärionentransfereinheit 20 eine Strahlröhre 23 zum Einkapseln des Sekundärionenstrahlpfads zwischen dem Ablenkungsmittel 22 und dem Massenspektrometer 13. Das Massenspektrometer 13 selbst beinhaltet zwei weitere Ablenkungsmittel 24, 25, wobei das letztere als der Magnetsektor zum Aufweiten der Sekundärionenstrahlpfade 14 bis 17 auf die Sekundärionendetektionseinheit 19 dient. Die Sekundärionendetektionseinheit 19, d. h. die CEMs, ist bei einer Fokalebene des Magnetsektors 25 angeordnet. Die CEMs werden verwendet, um die Sekundärionen, die unterschiedliche Trajektorien aufweisen, basierend auf ihrem Masse-zu-Ladung-Verhältnis direkt zu messen (vergleiche Strahlpfade 14 bis 17 in 2).The secondary ion transfer unit 20 includes a first distractor 22 which is in the transfer position of the secondary ion transfer unit 20 directly above the beam interaction area 10 located. The distractor 22 includes a pass-through channel for passing the ion beam through 3 in the beam paths between the ion beam source 2 and the beam interaction area 10 , Also includes the secondary ion transfer unit 20 a jet tube 23 for encapsulating the secondary ion beam path between the deflecting means 22 and the mass spectrometer 13 , The mass spectrometer 13 itself includes two other distractions 24 . 25 , the latter being the magnetic sector for widening the secondary ion beam paths 14 to 17 to the secondary ion detection unit 19 serves. The secondary ion detection unit 19 , ie the CEMs, is at a focal plane of the magnetic sector 25 arranged. The CEMs are used to directly measure the secondary ions, which have different trajectories, based on their mass-to-charge ratio (compare beam paths 14 to 17 in 2 ).

Das Ablenkungsmittel 22 ist als ein elektrostatischer Sektor umgesetzt.The distractor 22 is implemented as an electrostatic sector.

Das Ablenkungsmittel 24 ist als ein elektrostatischer Sektor umgesetzt.The distractor 24 is implemented as an electrostatic sector.

Die Sekundärionen werden von der Probe 6 gesammelt und elektrostatisch fokussiert, beschleunigt und auf eine Fokalebene der Sekundärionendetektionseinheit 19 projiziert. Das Massenspektrometer 13 kann eine Mattauch-Herzog-Gestaltung aufweisen. The secondary ions are from the sample 6 collected and electrostatically focused, accelerated and on a focal plane of the secondary ion detection unit 19 projected. The mass spectrometer 13 can have a Mattauch-Herzog design.

In einem typischen Betriebsmodus des Systems 1 werden das Magnetfeld des Magnetsektors 25 und die Position der Sekundärelektronendetektionseinheit 19 konstant gehalten und wird eine Zählrate auf den jeweiligen Kanälen der Sekundärionendetektionseinheit 19 während des Pufferns der Probe 6 gemessen, um volumetrische Informationen über diese Probe zu erhalten.In a typical operating mode of the system 1 become the magnetic field of the magnetic sector 25 and the position of the secondary electron detection unit 19 is kept constant and a count rate on the respective channels of the secondary ion detection unit 19 while buffering the sample 6 measured to obtain volumetric information about this sample.

Eine Massenauflösung des Massenspektrometers 13 reicht aus, um nicht nur unterschiedliche Elemente, sondern auch einzelne Isotope zu unterscheiden.A mass resolution of the mass spectrometer 13 is sufficient to distinguish not only different elements, but also individual isotopes.

Eine Messung einer Ionenmasse-zu-Ladung-Verhältnis-Bandbreite kann in einem alternierenden Betriebsmodus durch Durchlaufen des Magnetfeldes des Magnetsektors 25 und/oder durch Bewegen einzelner Detektoren oder der gesamten Sekundärionendetektionseinheit 19 produziert werden.A measurement of an ion mass-to-charge ratio bandwidth can be carried out in an alternating operating mode by scanning the magnetic field of the magnetic sector 25 and / or by moving individual detectors or the entire secondary ion detection unit 19 to be produced.

Eine Ausführungsform, insbesondere der Ablenkungsmittel 24, 25 und der Sekundärionentransfereinheit ist in G. Hlawacek und A. Gölzhäuser (Hrsg.), Helium Ion Microscopy, Nanoscience and Technology, Springer International Publishing, Schweiz, 2016, insbesondere in Kapitel 13 aus Tom Wirtz et al., „SIMS on the helium ion microscope: The powerful tool for high-resolution high-sensitivity Nano-analytics“ offenbart.An embodiment, in particular the distraction means 24 . 25 and the secondary ion transfer unit is in G. Hlawacek and A. Gölzhäuser (ed.), Helium Ion Microscopy, Nanoscience and Technology, Springer International Publishing, Switzerland, 2016, in particular in chapter 13 from Tom Wirtz et al., "SIMS on the helium ion microscope: The powerful tool for high-resolution high-sensitivity nano-analytics".

Unter Verwendung des Inspektionssystems 1 ist ein Inspektionsverfahren zur Qualitätsbeurteilung von 3D-Halbleiterstrukturen in dem Folgenden unter Bezugnahme auf 3 bis 10 beschrieben.Using the inspection system 1 is an inspection method for quality assessment of 3D semiconductor structures in the following with reference to 3 to 10 described.

Das Inspektionsverfahren beinhaltet einen Schritt einer groben Überprüfung der qualitativ zu beurteilenden Struktur.The inspection process includes a step of a rough review of the structure to be assessed qualitatively.

3 zeigt ein Beispiel für einen solchen groben Überprüfungsinspektionsschritt. Gezeigt ist ein Abschnitt eines qualitativ zu beurteilenden Objekts 6. Ein solcher Abtastbereich 26 des Objekts 6 wird unter Verwendung einer herkömmlichen Sekundärelektronenmikroskoptechnik unter Verwendung der Sekundärelektronenoptik 11 des Inspektionssystems 1 produziert. Das zu inspizierende Objekt 6 beinhaltet einige strukturelle Bereiche. Teilbereiche „1“, „2“ und „3“ dieser weiter zu inspizierenden Objektstrukturen sind in 3 hervorgehoben. 3 shows an example of such a rough inspection inspection step. A section of an object to be assessed qualitatively is shown 6 , Such a scanning area 26 of the object 6 is using a conventional secondary electron microscope technique using secondary electron optics 11 of the inspection system 1 produced. The object to be inspected 6 includes some structural areas. Sub-areas "1", "2" and "3" of these object structures to be inspected are shown in 3 highlighted.

Teilbereich „1“ beinhaltet eine Gratstruktur, die in der Elektronenmikroskopbildgebung irgendeine Art von Stopfen ohne weitere Definition zeigt. Teilbereich „2“ zeigt einen entsprechenden Grat ohne einen solchen Stopfen. Teilbereich „3“ ist ein Beispiel für mehrere „Auswuchs“-Strukturen, die bei einigen Positionen auf dem Probenbereich des Objekts 6 während des Grobüberprüfungsschrittes vorhanden sind.Section "1" contains a ridge structure that shows some kind of stopper in electron microscope imaging without further definition. Section "2" shows a corresponding ridge without such a plug. Subarea "3" is an example of several "outgrowth" structures that are in some positions on the sample area of the object 6 are present during the rough check step.

Jene hervorgehobenen Teilbereiche „1“, „2“ und „3“ dienen als Qualitätsbeurteilungsvolumenkandidaten, die in dem Grobüberprüfungsschritt identifiziert werden. Während des Inspektionsverfahrens werden diese Teilbereiche „1“, „2“ und „3“ nun einer detaillierten Überprüfung während des Inspektionsverfahrens unterzogen. Während dieser detaillierten Überprüfung wird eine raumaufgelöste Ionenstrahlzerstäubung in dem Volumen des jeweiligen Teilbereichs „1“, „2“ und „3“ ausgeführt, indem der Ionenstrahl 3 auf diese Teilbereiche „1“, „2“ und „3“ gerichtet wird. Für jeden dieser Teilbereiche „1“, „2“ und „3“ werden die Sekundärionen (vergleiche Sekundärionen 7 und 9 aus 1) während der detaillierten Überprüfung in einer zeitaufgelösten Messung detektiert. Diese detektierten Sekundärionen werden einer kontinuierlichen Massenspektrometrie unter Verwendung der Sekundärionentransfereinheit und des Massenspektrometers 13 unterzogen, d. h. unter Verwendung der Sekundärionendetektionsvorrichtung 12 des Inspektionssystems 1, wie oben unter Bezugnahme auf 2 beschrieben ist.Those highlighted subsections "1", "2" and "3" serve as quality assessment volume candidates that are identified in the rough review step. During the inspection process, these subareas "1", "2" and "3" are now subjected to a detailed review during the inspection process. During this detailed check, a spatially resolved ion beam atomization is carried out in the volume of the respective partial area “1”, “2” and “3” by the ion beam 3 “1”, “2” and “3” are aimed at these sub-areas. For each of these sub-areas "1", "2" and "3", the secondary ions (compare secondary ions 7 and 9 out 1 ) detected during the detailed check in a time-resolved measurement. These detected secondary ions are subjected to continuous mass spectrometry using the secondary ion transfer unit and the mass spectrometer 13 subjected, ie using the secondary ion detection device 12 of the inspection system 1 as above with reference to 2 is described.

4 zeigt die zeitaufgelösten Ergebnisse der detaillierten Überprüfung der Teilbereiche „1“, „2“ und „3“. Die Ordinate in dem Diagramm aus 4 ist die gemessene Zählungsrate, gegeben in Zählungen pro Sekunde (CPS: Counts Per Second). 4 shows the time-resolved results of the detailed review of sub-areas "1", "2" and "3". The ordinate in the diagram 4 is the measured count rate, given in counts per second (CPS: Counts Per Second).

Während der Messung wird der Ionenstrahl 3 in einer ersten Zeitperiode T1 auf den Teilbereich „1“ gerichtet, wird in einer folgenden Zeitperiode T2 auf den Teilbereich „2“ gerichtet und wird in einer letzten Zeitperiode T3 auf den Teilbereich „3“ gerichtet.During the measurement, the ion beam 3 in a first time period T 1 is directed to sub-area "1", in a subsequent time period T 2 is directed to sub-area "2" and in a last time period T 3 is directed to sub-area "3".

Die Zählrate, die als durchgezogene Linie gezeigt ist, ist als ein erstes Ionenenergieniveau des Massenspektrometers 13 gegeben, das Silicium (Si) entspricht. Die Zählrate, die als eine gestrichelte Linie gezeigt ist, ist für eine Ionenenergie gegeben, die Titan (Ti) entspricht. Die Zählrate, die als eine gestrichpunktete Linie gezeigt ist, ist für eine Ionenenergie gegeben, die Kupfer (Cu) entspricht.The count rate, shown as a solid line, is as a first ion energy level of the mass spectrometer 13 given that corresponds to silicon (Si). The count rate, shown as a dashed line, is given for an ion energy corresponding to titanium (Ti). The count rate, shown as a dashed line, is given for an ion energy corresponding to copper (Cu).

Die zeitaufgelöste Zählung gemäß 4 gibt ferner Informationen über eine Tiefenverteilung des Auftretens der jeweiligen Elemente Si, Ti, Cu. In dem Teilbereich „1“ sind Titan und Kupfer auf der Oberfläche vorhanden. Wenn der Ionenstrahl 3 unter der Oberfläche des Teilbereichs „1“ fräst, fällt das Auftreten von Titan und Kupfer ab und nimmt das Auftreten des Basismaterials Silicium zu, so dass es nach einer kurzen Abtastzeit dominiert.The time-resolved count according to 4 also gives information about a depth distribution of the occurrence of the respective elements Si, Ti, Cu. In the area "1" there is titanium and copper on the surface. If the ion beam 3 milling under the surface of sub-area "1", the occurrence of titanium and copper drops and the occurrence decreases of the base material silicon, so that it dominates after a short sampling time.

In dem Teilbereich „2“ ist kein Titan vorhanden und ähnelt das zeitaufgelöste Verhalten der Zählraten in Bezug auf Silicium und Kupfer jenen der Messung des Teilbereichs „1“. Aus einem Vergleich der Messungen der Teilbereiche „1“ und „2“ kann abgeleitet werden, dass der in dem Sekundärelektronenmikroskopiebild aus 3 gezeigte Stopfen ein Titanstopfen ist.There is no titanium in section "2" and the time-resolved behavior of the counting rates with regard to silicon and copper is similar to that of the measurement in section "1". From a comparison of the measurements of the partial areas "1" and "2" it can be deduced that in the secondary electron microscopy image 3 plug shown is a titanium plug.

Die Messung an der „Auswuchs“-Position des Teilbereichs „3“ zeigt auf, dass es Spuren von Titan zu geben scheint, die gerade oberhalb der Auflösungsgrenze des Massenspektrometers 13 sind. Das zeitaufgelöste Verhalten hinsichtlich der Anwesenheit von Silicium und Kupfer ähnelt jenem in den Teilbereichen „1“ und „2“. Aus einem Vergleich der Zählratenmessung des Teilbereichs „3“ mit jenen der Teilbereiche „1“ und „2“ kann gefolgert werden, dass der in dem Sekundärelektronenmikroskopiebild aus 3 gezeigte „Auswuchs“ aus Titan besteht.The measurement at the “outgrowth” position of sub-area “3” shows that there seem to be traces of titanium that are just above the resolution limit of the mass spectrometer 13 are. The time-resolved behavior with regard to the presence of silicon and copper is similar to that in sub-areas "1" and "2". From a comparison of the count rate measurement of sub-area “3” with those of sub-areas “1” and “2”, it can be concluded that this is shown in the secondary electron microscopy image 3 shown "outgrowth" consists of titanium.

Eine laterale Raumauflösung hinsichtlich des oben beschriebenen detaillierten Überprüfungsschrittes ist besser als 100 nm und insbesondere besser als 75 nm, besser als 50 nm und besser als 30 nm. Die laterale Raumauflösung, d. h. die Auflösung in x und y, kann 20 nm oder sogar besser sein. Die Tiefenauflösung (z-Richtung) hängt von der Fräsrate des Ionenstrahls 3 in dem Material des Objekts 6 ab. Eine solche Tiefenauflösung kann auch in dem Bereich von 100 nm oder sogar besser sein.A lateral spatial resolution with regard to the detailed checking step described above is better than 100 nm and in particular better than 75 nm, better than 50 nm and better than 30 nm. The lateral spatial resolution, ie the resolution in x and y, can be 20 nm or even better , The depth resolution (z direction) depends on the milling rate of the ion beam 3 in the material of the object 6 from. Such a depth resolution can also be in the range of 100 nm or even better.

Eine Genauigkeit hinsichtlich eines durch den Ionenstrahl 3 abzutastenden Oberflächenbereichs in dem Objektfeld 4 kann besser als 5 nm sein, kann besser als 3 nm sein und kann sogar besser als 1 nm sein. Eine solche Genauigkeit ist insbesondere maßgeblich, wenn versucht wird, Sondenstrukturen, wie den „Auswuchs“ in dem Teilbereich „3“ zu erfassen. Ein solcher mehr oder weniger punktartiger Teilbereich wird mittels grober Überprüfung detektiert und seine Koordinaten werden dann einer Relativpositionierungssteuerung des Inspektionssystems 1 zugeführt, um sicherzustellen, dass das Strahlwechselwirkungsgebiet 10 korrekt bei dem fraglichen Teilbereich, z. B. dem Teilbereich „3“, positioniert wird. Zu diesem Zweck wird das Objekt 6 bei einem xyz-Koordinaten-Tisch mit hoher Position positioniert, der einen jeweiligen Antrieb aufweist, um das Objekt 6 auf eine wohldefinierte Weise mit Bezug auf die kartesischen Koordinaten x, y, z zu bewegen.Accuracy in terms of ion beam 3 surface area to be scanned in the object field 4 can be better than 5 nm, can be better than 3 nm and can even be better than 1 nm. Such accuracy is particularly important when trying to detect probe structures, such as the "outgrowth" in sub-area "3". Such a more or less point-like partial area is detected by means of a rough check and its coordinates are then used for a relative positioning control of the inspection system 1 fed to ensure that the beam interaction area 10 correct for the sub-area in question, e.g. B. the section "3" is positioned. For this purpose the object 6 positioned at a high position xyz coordinate table that has a respective drive to the object 6 to move in a well-defined way with respect to the Cartesian coordinates x, y, z.

Eine solche relative Bewegung zwischen dem Ionenstrahl 3 einerseits und dem Objekt 6 andererseits kann zusätzlich oder alternativ dazu durch ein Scanschema zum Scannen des Ionenstrahls 3, z. B. mittels wenigstens einer und insbesondere zweier Scanspulen, realisiert werden.Such a relative movement between the ion beam 3 on the one hand and the object 6 on the other hand, additionally or alternatively, by a scanning scheme for scanning the ion beam 3 , e.g. B. can be realized by means of at least one and in particular two scanning coils.

Eine xy-Ausdehnung des Strahlwechselwirkungsgebiets 10, d. h. der Durchmesser des Fokus des Ions bei dem Objektfeld 4, kann kleiner als 1 nm und insbesondere kleiner als 0,5 nm sein.An xy extension of the beam interaction area 10 , ie the diameter of the focus of the ion in the object field 4 , can be less than 1 nm and in particular less than 0.5 nm.

Der Strahlstrom kann kleiner als 20 pA sein und kann kleiner als 9 pA sein. Ein solcher kleiner Strahlstrom gibt die Möglichkeit einer sehr hohen räumlichen Auflösung der detaillierten Überprüfung.The beam current can be less than 20 pA and can be less than 9 pA. Such a small beam current gives the possibility of a very high spatial resolution of the detailed check.

5 und 6 zeigen eine ambossartige Struktur des Objekts 6 vor einem Frässchritt (5), d. h. vor einer Wechselwirkung des Ionenstrahls 3 mit dem Objekt 6, und nach solchen Frässchritten (6) mit einer vergrößerten räumlichen Auflösung. 5 and 6 show an anvil-like structure of the object 6 before a milling step ( 5 ), ie before an interaction of the ion beam 3 with the object 6 , and after such milling steps ( 6 ) with an increased spatial resolution.

In 6 ist Fräsen in drei linearen Teilbereichen „1“, „2“ und „3“ mit einer longitudinalen Ausdehnung von näherungsweise 3 µm und einer lateralen Ausdehnung von näherungsweise 200 nm gezeigt.In 6 Milling is shown in three linear sections “1”, “2” and “3” with a longitudinal extent of approximately 3 µm and a lateral extent of approximately 200 nm.

7 zeigt wieder die gefrästen Teilbereiche „1“, „2“ und „3“ aus 6, nun hervorgehoben. 7 shows the milled sections "1", "2" and "3" again 6 , now highlighted.

8 bis 10 zeigen in einem Diagramm ähnlich jenem aus 4 die Zählraten für Ionenenergien, die den Elementen Selen (Se), Tellur (Te) und Antimon (Sb) entsprechen, gemessen durch die Sekundärelektronendetektionseinheit 12 des Inspektionssystems 1 während der detaillierten Überprüfung der Qualitätsbeurteilungsvolumenkandidaten, d. h. der Teilbereiche „1“, „2“ und „3“, die in dem groben Überprüfungsschritt, d. h. während der Elektronenmikroskopiebildgebung aus 5, identifiziert werden. 8th to 10 show in a diagram similar to that 4 the count rates for ion energies corresponding to the elements selenium (Se), tellurium (Te) and antimony (Sb) measured by the secondary electron detection unit 12 of the inspection system 1 during the detailed review of the quality assessment volume candidates, ie the subareas "1", "2" and "3", in the rough review step, ie during the electron microscopy imaging 5 , be identified.

8 zeigt die zeitaufgelöste Zählrate für den Teilbereich „1“. Ein solches CPS-Ergebnis zeigt einen relativ hohen Anteil an Selen, zusammen mit geringen Anteilen nahe der Auflösungsgrenze von Tellur und Antimon. 8th shows the time-resolved count rate for sub-area "1". Such a CPS result shows a relatively high proportion of selenium, together with small proportions close to the resolution limit of tellurium and antimony.

9 zeigt die Ergebnisse des Teilbereichs „2“ mit geringen Anteilen von allen drei Elementen, Selen, Tellur und Antimon. Selenanteile in der CPS-Messung gemäß 9 beginnen bei längeren Fräszeiten mit dem Ionenstrahl 3 aufzutreten, was angibt, dass in dem Teilbereich „2“ Selen nicht direkt an der Oberfläche, sondern unterhalb der Oberfläche vorhanden ist. 9 shows the results of subarea “2” with small proportions of all three elements, selenium, tellurium and antimony. Selenium levels in the CPS measurement according to 9 start with the ion beam for longer milling times 3 to occur, which indicates that in the subarea “2” selenium is not present directly on the surface but below the surface.

10 zeigt die in dem Teilbereich „3“ gemessene zeitaufgelöste Zählrate. Selen und Tellur sind nahe der Auflösungsgrenze vorhanden. Es kann keine Spur von Antimon in dem Teilbereich „3“ gefunden werden. 10 shows the time-resolved count rate measured in sub-area "3". Selenium and tellurium are present near the resolution limit. No trace of antimony can be found in section "3".

Das wie oben insbesondere mit Bezug auf 3 bis 10 beschriebene Inspektionsverfahren kann integriert während einer Produktion der Halbleiterstruktur des Objekts 6 durchgeführt werden. Beispiele für ein Projektionslithografiebelichtungsverfahren zum Produzieren von Halbleiterstrukturen im Mikrometer- oder Nanometerbereich sind in DE 10 2016 201 317 A1 und DE 10 2017 210 162 A1 und den dort zitierten Referenzen gegeben. Nach einem Edging-Schritt entsteht die jeweilige dreidimensionale Struktur, die in dem Objektfeld 4 der Projektionsexpositionseinrichtung produziert ist und die dann integriert (in Situ) mittels des oben beschriebenen Inspektionssystems 1 überprüft werden kann. Produktionsfehler, insbesondere systematische Produktionsfehler, können dann während des Herstellungsprozesses detektiert werden. Gegenmaßnahmen sind daher möglich, um solche Herstellungsfehler während des Produktionsprozesses selbst zu reduzieren, wodurch ein Verlust verringert wird. The same as above with particular reference to 3 to 10 The inspection method described can be integrated during production of the semiconductor structure of the object 6 be performed. Examples of a projection lithography exposure method for producing semiconductor structures in the micrometer or nanometer range are shown in DE 10 2016 201 317 A1 and DE 10 2017 210 162 A1 and given the references cited there. After an editing step, the respective three-dimensional structure is created, that in the object field 4 the projection exposure device is produced and then integrated (in situ) by means of the inspection system described above 1 can be checked. Production errors, in particular systematic production errors, can then be detected during the manufacturing process. Countermeasures are therefore possible to reduce such manufacturing defects during the production process itself, thereby reducing a loss.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

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Claims (12)

Inspektionssystem (1) zur Qualitätsbeurteilung von Halbleiterstrukturen - mit einer Ionenstrahlquelle (2) zur raumaufgelösten Exposition der Strukturen, die mit einem Ionenstrahl (3) qualitativ zu beurteilen sind, - mit einer Sekundärionendetektionsvorrichtung (12), - wobei die Sekundärionendetektionsvorrichtung (12) ein Massenspektrometer (13) beinhaltet, - wobei das Massenspektrometer (13) zur Messung eines Ionenmasse-zu-Ladung-Verhältnisses in einer gegebenen Bandbreite ausgeführt ist.Inspection system (1) for quality assessment of semiconductor structures - with an ion beam source (2) for spatially resolved exposure of the structures, which can be qualitatively assessed with an ion beam (3), - With a secondary ion detection device (12), - The secondary ion detection device (12) includes a mass spectrometer (13), - The mass spectrometer (13) is designed to measure an ion mass-to-charge ratio in a given bandwidth. Inspektionssystem nach Anspruch 1, wobei das Massenspektrometer (13) zur kontinuierlichen Messung des Ionenmasse-zu-Ladung-Verhältnisses in der gegebenen Bandbreite ausgeführt ist.Inspection system according to Claim 1 , The mass spectrometer (13) being designed for the continuous measurement of the ion mass to charge ratio in the given bandwidth. Inspektionssystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Sekundärionendetektionsvorrichtung (12) eine Sekundärelektronendetektionseinheit (19) beinhaltet.Inspection system according to Claim 1 or 2 wherein the secondary ion detection device (12) includes a secondary electron detection unit (19). Inspektionssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Ionenstrahlquelle (2) einen Edelgasionenstrahl (3) erzeugt.Inspection system according to one of the Claims 1 to 3 , wherein the ion beam source (2) generates a noble gas ion beam (3). Inspektionssystem nach Anspruch 4, wobei die Ionenstrahlquelle (2) einen Neonionenstrahl erzeugt.Inspection system according to Claim 4 , wherein the ion beam source (2) generates a neon ion beam. Inspektionssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Sekundärionendetektionsvorrichtung (12) eine Sekundärionentransfereinheit (20) beinhaltet, die verlagerbar ist zwischen - einer ersten Transferposition, in der die Transfereinheit (20) Sekundärionen (7, 9), die von einem Zielvolumen einer qualitativ zu beurteilenden Sondenstruktur entstammen, an die Sekundärionendetektionseinheit (19 transferiert, - einer zweiten, neutralen Position.Inspection system according to one of the Claims 1 to 5 , wherein the secondary ion detection device (12) includes a secondary ion transfer unit (20) which can be shifted between - a first transfer position in which the transfer unit (20) secondary ions (7, 9) originating from a target volume of a probe structure to be assessed qualitatively to the Secondary ion detection unit (19 transferred, - a second, neutral position. Inspektionssystem nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei die Sekundärionendetektionseinheit (19) einen Totalionenzähler beinhaltet.Inspection system according to one of the Claims 3 to 6 , wherein the secondary ion detection unit (19) contains a total ion counter. Inspektionssystem nach einem der Ansprüche 3 bis 7, wobei die Sekundärionendetektionseinheit (19) ein ausgedehntes Detektorarray für massengefilterte Signale beinhaltet.Inspection system according to one of the Claims 3 to 7 , wherein the secondary ion detection unit (19) includes an extensive detector array for mass filtered signals. Inspektionsverfahren zur Qualitätsbeurteilung von Halbleiterstrukturen, das die folgenden Schritte beinhaltet: - grobes Überprüfen der qualitativ zu beurteilenden Struktur, - detailliertes Überprüfen von Qualitätsbeurteilungsvolumenkandidaten, die in dem Grobüberprüfungsschritt identifiziert werden, durch -- raumaufgelöste Ionenstrahlzerstäubung in dem detailliert zu überprüfenden Volumen, -- Detektieren von Sekundärionen (7, 9) aus dem detailliert zu überprüfenden Volumen, -- Durchführen einer kontinuierlichen Massenspektrometrie der detektierten Sekundärionen.Inspection procedure for quality assessment of semiconductor structures, which includes the following steps: - rough check of the structure to be assessed qualitatively, - in-depth review of quality assessment volume candidates identified in the rough review step - spatially resolved ion beam sputtering in the volume to be checked in detail, - Detection of secondary ions (7, 9) from the volume to be checked in detail, - Carrying out a continuous mass spectrometry of the detected secondary ions. Inspektionsverfahren nach Anspruch 9, wobei eine laterale Raumauflösung besser als 100 nm ist.Inspection procedure after Claim 9 , where a lateral spatial resolution is better than 100 nm. Inspektionsverfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei der Ionenstrahl in dem detailliert zu überprüfenden Volumen mit einem Fokaldurchmesser fokussiert ist, der kleiner als 5 nm ist.Inspection procedure after Claim 9 or 10 , the ion beam being focused in the volume to be checked in detail with a focal diameter which is smaller than 5 nm. Inspektionsverfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die Inspektion integriert während einer Halbleiterproduktion durchgeführt wird.Inspection procedure according to one of the Claims 9 to 11 , the inspection being carried out integrated during a semiconductor production.
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