DE2813947A1

DE2813947A1 - Verfahren zur beruehrungslosen messung des potentialverlaufs in einem elektronischen bauelement und anordnung zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE2813947A1
Application number: DE19782813947
Authority: DE
Inventors: Hans-Peter Dipl Phys Feuerbaum
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: ICT Integrated Circuit Testing Gesellschaft fuer Halbleiterprueftechnik mbH
Priority date: 1978-03-31
Filing date: 1978-03-31
Publication date: 1979-10-11
Also published as: NL7902517A; JPS6333262B2; GB2017939B; JPS54134570A; GB2017939A; US4220854A; DE2813947C2; NL188482C; NL188482B

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Berlin und München VPA 78 P 7 0 2 2 BRD

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

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur berührungslosen Messung des Potentialverlaufs in einem elektronischen Bauelement, insbesondere einem integrierten Schaltkreis, mit einem getasteten Elektronenstrahl, der an der Meßstelle Sekundärelektronen auslöst, deren Energie vom Potential an der Meßstelle bestimmt wird.

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

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Kin 2 Sh / 16.3.1978

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Potentialkontrastmessungen an integrierten Schaltkreisen werden deshalb mit dem Rasterelektronenmikroskop durchgeführt, bei dem die mechanische Meßspitze durch den Elektronenstrahl ersetzt wird, der auf einen Durchmesser von etwa 1 um fokussiert werden kann. Dieser Primärelektronenstrahl löst an der Meßstelle aus der metallischen Leiterbahn Sekundärelektronen aus, die in einem elektrischen Feld beschleunigt werden und deren Energie mit einem Gegenfeldspektrometer gemessen werden kann.

Ein zylindrischer Ablenkkondensator führt die Sekundärelektronen durch ein Verzögerungsfeld dem Szintillator eines Elektronenkollektors zu, dem ein Regelverstärker nachgeschaltet ist. Die Ausgangsspannung des Verstärkers steuert die Gitterspannung des Verzögerungsfeldes. Er hält seine Ausgangsspannung bezüglich der Spannung an der Meßstelle mit Hilfe einer Rückkopplungsschleife konstant. Die Gitterspannung an der Gegenfeldelektrode des Spektrometers wird solange nachgeregelt, bis die Spannung zwischen Gitter und Meßpunkt wieder ihren ursprünglichen konstanten Wert erreicht hat. Dann entspricht die Änderung der Gitterspannung direkt der Potentialänderung an der Meßstelle der Probe.

Eine direkte Messung des Potentialverlaufs hochfrequenter Signale ist nicht ohne weiteres möglich, weil der Verstärker dem hochfrequenten Signal nicht folgen kann. Es wird deshalb die stroboskopische Messung nach Art eines Samplingoszillographen angewendet. Dabei wird der Primärelektronehstrahl mit der Frequenz des zu messenden Signals getastet und jeweils während einer sehr kurzen Zeitdauer eingeschaltet. Dieser Vorgang wird so oft wiederholt, bis man ein ausreichendes Signal-Rauschverhältnis erreicht hat. Dann wird nach dem sogenannten Sampling-Prinzip die Phasenlage des Elektronenimpulses in bezug auf die Meßspannung verschoben, und der Vorgang

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so oft wiederholt, bis wenigstens ein Zyklus der Meßspannung ermittelt ist.

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

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Meßverfahren für die Funktionsprüfung von elektronischen Bauelementen anzugeben, das wegen der Feinheit der Strukturen frei von mechanischer Berührung und wegen der hohen Frequenzen kapazitätsarm ist und an ein rechnergesteuertes Testsystem angeschlossen werden kann. Außerdem sollen Störeinflüsse durch Kontamination ausgeschlossen werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Impulsfolge des Primärelektronenstrahls jeweils abwechselnd eine Impulsfolge mit fester Bezugsphase in bezug auf den Potentialverlauf der Meßspannung und eine Impulsfolge mit über einen Phasenbereich verschiebbarer Meßphase enthält, und daß die Potentialdifferenz zwischen den Bezugsphasen und den Meßphasen gemessen wird. Durch diese Verzögerungszeitmodulation wird die Meßgröße in einen Wechsel- und einen Gleichstromanteil aufgespalten. Störungen durch Kontamination sind im Gleichstromanteil enthalten. Der Wechselstromanteil entspricht dem Potentialverlauf der Meßspannung an der Probe und wird deshalb unabhängig vom Gleichstromanteil,

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vorzugsweise mit einem Lock-in-Verstärker, ermittelt.

In einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens mit einem Rasterelektronenmikroskop, das mit einer Schalteinrichtung zum Tasten des Primärelektronenstrahls versehen ist, kann zur Phasenverschiebung der Primärelektronenimpulse in bezug auf den Potentialverlauf der Meßspannung an der betreffenden Meßstelle die Tasteinrichtung mit einem Verzögerungsgenerator versehen sein, dessen Phasenlage seiner Ausgangs impulse von einem Treppengenerator vorgegeben ist, dessen Stufenspannungen jeweils eine Meßphase des Verzögerungsgenerators bestimmen und der zwischen den verschiedenen Stufenspannungen jeweils eine konstante Bezugspannung liefert, welche die einstellbare Bezugsphase des Verzögerungsgenerators bestimmt.

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

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

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Figur 1 eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung schematisch veranschaulicht ist. Figur 2 zeigt die Phasenlage der Primärelektronenpulse und Figur 3 den Verlauf der Meßspannung jeweils in einem Diagramm. In Figur 4 sind die Ausgangsspannungen des Treppengenerators veranschaulicht. In der Figur 5 ist die Ausgangsspannung des Regelverstärkers und in Figur 6 die Ausgangsspannung des Lock-in-Verstärkers dargestellt.

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

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

Das Ausgangssignal V. des Lock-in-Verstärkers 40 bestimmt auf einem Bildschirm 42 die Abweichung in der Y-Richtung, d.h. die Amplitude der Meßspannung V . Die Abweichung in der X-Richtung, d.h. die Zeitachse, wird mit der Sägezahnspannung U eines Treppengenerators 57 gesteuert, dessen Treppenspannung UL die Phasenlage Φ der Ausgangs impulse UVg eines Verzögerungsgenerators 56 steuert, der mit einem Pulsgenerator 52 der Tasteinrichtung 8 zugeordnet ist. Eine Steuerlogik 44 steuert zugleich die Probe 14 und einen Rategenerator 58, der als Impulsformer für den Verzögerungsgenerator 56 dient.

Die Tasteinrichtung 8 für die Einstellung der Phasenlage Φ der Impulse Ep des Primärelektronenstrahls 13 in bezug auf den Verlauf der Meßspannung V kann auch durch einen nicht dargestellten Rechner gesteuert werden. Zu diesem Zweck ist die zugehörige Steuereinrichtung, nämlich der Pulsgenerator 52, der Verzögerungsgenerator 56 und der Treppengenerator 57 digital ansteuerbar.

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

Zu den Zeiten t₁, t~ und t, soll nach Figur 2, in welcher die Impulse des Primärelektronenstromes I in Abhängigkeit von der Zeit t aufgetragen sind, jeweils ein Primärelektronenimpuls Ep_Q mit der Bezugsphase i_Q auf die Meßstelle P,, beispielsweise auf einer Leiterbahn eines integrierten Schaltkreises, gegeben werden. Die Anzahl der Impulse Ep mit gleicher Phasenlage ist abhängig von der Anzahl der Elektronen pro Puls. Im Diagramm sind lediglich 3 Impulse Ep₀ dargestellt. In der praktischen Ausführungsform des Verfahrens wird im allgemeinen mindestens η = 100 Pulse, vorzugsweise wenigstens 1000 Pulse, gewählt. Die Pulse Ep₀ mit der Bezugsphase <D_Q liegen jeweils im Beginn der Anstiegsflanke des periodischen Signals der Meßspannung V₅, die in Figur 3 in Abhängigkeit von der Zeit t aufgetragen ist.

Die Lage der Bezugsphase ϊ wird nach Figur 4, in der die Sägezahnspannung U und die Treppenspannung U^, des Treppengenerators 57 aufgetragen sind, eingestellt durch die Höhe der Bezugsspannung U,™ zwischen den Stufenspannungen U_T1, U_T2 und U_T, des Treppengenerators 57. Die Wiederholrate der Trepp en spannung ILp wird in einem Bereich von 3 χ 10~² Hz bis etwa 100 Hz gewählt.

Nach Ablauf der Folge von Bezugsimpulsen Ep₀ wird zur Zeit t., tr und t, jeweils ein Puls Ep- mit der Phase i^ auf die Meßstelle P₁ gegeben. Diese Meßphase 9L wird bestimmt durch die Stufenspannung U^₁ der ersten Stufe des Treppengenerators 57. Diese Pulse Ep, liegen nach Figur in der Anstiegsflanke der Meßspannung V .

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Zur Zeit t₅ wird wieder eine Folge von Pulsen E_pQ mit der Bezugsphase Φ~ und zur Zeit t_& wieder eine Folge von Pulsen E- niit der Meßphase Φ~ ^auf die Probe gegeben, die ebenfalls in der Anstiegsflanke der Meßspannung V liegt und durch die Höhe der Stufenspannung U^₂ bestimmt ist. Die Stufenspannung U_T, bestimmt in gleicher Weise die Meßphase 9L·. Die Phase i wird so weit verschoben bis die Meßwerte in einem Phasenbereich der Meßspannung V , das ist im allgemeinen etwa ein Zyklus der Meßspannung V , nach dem Sampling-Prinzip gesammelt sind.

Unter Umständen kann es zweckmäßig sein, auch nur einen Teil, beispielsweise nur die Anstiegsflanke eines Zyklusses abzutasten und auf dem Bildschirm 42 darzustellen. 15

Nach Figur 5 enthält das Ausgangssignal V₃₈ des Regelverstärkers 38 eine Gleichspannung V~, die von einem Wechselspannungsanteil V überlagert ist.

Der Lock-in-Verstärker 40 liefert nach dem Diagramm der Figur 6 das Ausgangssignal V., das der Amplitude V des Wechselspannungsanteils des Verstärkerausgangssignals V,g proportional ist. Entsprechend den Meßphasen Φ*, i₂ ^un& i, nach Figur 2 liegen die entsprechenden MeLpunkte M ., M 2 und M , in der Anstiegsflanke eines Zyklusses der Meßspannung V , und der Lock-in-Verstärker 40 liefert mit diesen Werten zunächst ein ansteigendes Ausgangssignal. Wird die Meßphase $ weiter verschoben, so liefert der Lockin-Verstärker 40 den gesammten Zyklus, der in Figur 6 dargestellt ist und auf dem Bildschirm 42 sichtbar gemacht wird.

Die Flanken der Treppenspannung U_T nach Figur 4 liegen im ^is-Bereich. Während dieser Zeit wird der Rategenerator gegatet. Auf diese Weise wird vermieden, daß der Primärelektronenstrahl 13 während einer undefinierbaren Phase

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auf die Probe 14 trifft und dadurch Meßfehler entstehen.

Die Wiederholrate der Treppenspannung U_T kann beispielsweise über einen Frequenzteiler von der Frequenz der Meßspannung V so abgeleitet werden, daß sie innerhalb der Bandbreite von beispielsweise 300 kHz der Rückkopplungsschleife 48 liegt. In diesem Fall enthält das Rückkopplungssignal den Wechselstromanteil V , dessen Amplitude gleich

der Potentialänderung zwischen der Bezugsphase i_Q und den Meßphasen Φ.., Φ«, <B, ist. Dieser Wechselstromanteil wird mit dem Lock-in-Verstärker 40 vom Gleichstromanteil Vp getrennt. Das Ausgangssignal V. des Lock-in-Verstärkers 40 ist dann der Spannung V an der Meßstelle P₁ proportional. Dargestellt wird das Signal auf dem Bildschirm 42, dessen 15. Zeitachse χ von dem Treppengenerator 57 mit einer Sägezahnspannung U gesteuert wird.

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

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

3 Patentansprüche
6 Figuren

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Claims

Patentansprüche

1 ,) Verfahren zur Messung des Potentialverlaufs in einem elektronischen Bauelement mit einem getasteten Primärelektronenstrahl, der an der Meßstelle Sekundärelektronen auslöst, deren Energie vom Potentail an der Meßstelle bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsfolge des Primärelektronenstrahls jeweils abwechselnd eine Impulsfolge (Ep_n) mit fester Bezugsphase (Φη) in bezug auf den Potentialverlauf der Meßspannung (V ) und eine Impulsfolge (Ep₁, Ep₂, Ep,,) mit über einen Phasenbereich verschiebbarer Meßphase (§.. , Φ₂, ^3) enthält, und daß die Potentialdifferenz zwischen der Bezugsphase (Φ,,) und den Meßphasen (Φ.. bzw. Φ₂ bzw. Φ,) gemessen wird.
2. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch mit einem Rasterelektronenmikroskop, das mit einer Tasteinrichtung für den Primärelektronenstrahl versehen ist, und mit einem Gegenfeldspektrometer, das einen Sekundärelektronenkollektor mit einem Regelverstärker enthält, und mit einer Steuerlogik, die sowohl dem integrierten elektronischen Bauelement als auch der Tasteinrichtung zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Tasteinrichtung (8) für den Primärelektronenstrahl (13) ein Verzögerungsgenerator (56) zugeordnet ist, dessen Phasenlage ($₀, 3L, $₂, Φ,) seiner Ausgangs impulse (U^g) von einem Treppengenerator (57) vorgegeben ist, dessen Stufenspannungen (U_Ti, U_T2, U_T,) jeweils eine Meßphase (Φ^ bzw. Φ₉ bzw. Φ,) des Verzogerungsgenerators (56) bestimmen und der zwischen den Stufenspannungen (IL·.., U^₂, U_T,) jeweils eine konstante Bezugsspannung (U_TQ) liefert, welche die einstellbare Bezugsphase (Φ^) des Verzogerungsgenerators (56) bestimmt.

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ORIGINAL INSPECTED
3. Anordnung zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Darstellung des Wechselspannungsanteils des Ausgangssignals (V.) des Regelverstärkers (38) ein Lock-in-Verstärker (40) vorgesehen ist.

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