DE2823642A1

DE2823642A1 - Verfahren zur beruehrungslosen potentialmessung an einem elektronischen bauelement

Info

Publication number: DE2823642A1
Application number: DE19782823642
Authority: DE
Inventors: Hans-Peter Dipl Phys Feuerbaum
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1978-05-30
Filing date: 1978-05-30
Publication date: 1980-01-03
Also published as: GB2021789A; GB2021789B; JPS54157085A; NL7904226A

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Berlin und München VPA 7g O J Q 5 Q BRJ]

Verfahren zur berührungslosen Potentialmessung an elektronischen Bauelementen und Anordnung zur Durchführung Jes Verfahrens

>)ie Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur berührungslosen quantitativen Potentialmessung an elektronischen Bauelementen mit einem Rasterelektronenmikroskop durch Messung der Energie der Sekundärelektronen, die an der Meßstelle vom Primärelektronenstrahl ausgelöst werden. Die Energiemessung erfolgt mit einem Spektrometer, vorzugsweise einem Gegenfeldspektrometer, dem ein Regelsystem für die Gitterspannung des Spektrometers zugeordnet ist.

Das Potential in Leiterbahnen eines elektronischen Bauelementes, insbesondere eines integrierten Schaltkreises, kann bekanntlich mit einem Rasterelektronenmikroskop gemessen werden, dessen Primärelektronenstrahl an der Meßstelle Sekundärelektronen auslöst, deren Energie vom Potential an der Meßstelle bestimmt wird. Ein Ablenkkondensator führt die Sekundärelektronen über ein Gegenfeld des Spektrometers einem Elektronenkollektor zu, dem ein Regelverstärker nachgeschaltet ist. Die Ausgangsspannung des Regelverstärkers steuert das Gegenfeld und hält die

Kin 2 Sh / 16.5.197

%09881/0020

- / - VPA 78 P 7 O 5 O BRD

Gitterspannung bezogen auf die Spannung an der Meßstelle des Bauelementes mit Hilfe einer Rückkopplungsschleife konstant. Die Gitterspannung an der Gegenfeldelektrode des Spektrometer wird solange nachgeregelt, bis die Spannung zwischen Gitter und Meßpunkt wieder ihren ursprünglichen Wert erreicht hat. Dann entspricht die Änderung der Gitterspannung der Potentialänderung an der Meßstelle des Bauelements, das als Probe dient.

Die an der Meßstelle ausgelösten Sekundärelektronen werden von einer Wehnelt-Elektrode und einer Anode des Spektrometers abgesaugt, die deshalb auch als Absaugelektroden bezeichnet werden. Durch eine an der Probe anliegende Spannung werden an der Meßstelle entsprechende elektrische Felder ausgebildet. Während bei negativem Potential und Nullpotential die Anzahl der ausgelösten Sekundärelektronen konstant bleibt, werden durch positives Potential Gegenfelder an der Meßstelle gebildet, welche die niederenergetischen Sekundärelektronen auf die Meßstelle zurücktreiben.

Positives Potential hat deshalb eine Änderung der integralen Energieverteilung und damit eine Verlagerung des Arbeitspunktes des Regelsystems zur Folge, die eine entsprechende Fehlmessung ergibt.

Bei verhältnismäßig geringen positiven Potentialänderungen kann der Einfluß dieses Potentialkontrasts auf die quantitative Messung durch ein starkes Saugfeld, d.h. ein hohes Potential von beispielsweise 1 kV/cm, an der Anode des Spektrometer kompensiert werden. Bei hohen positiven Potentialen an der Meßstelle kann das Saugfeld.die Verlagerung des Arbeitspunktes nicht vollständig verhindern.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, diesen durch den Potentialkontrast verursachten Meßfehler wenigstens annähernd zu korrigieren, insbesondere soll sich der Arbeitspunkt selbst einstellen.

909881/0020

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Steigung der integralen Energieverteilung der Sekundärelektronen gemessen wird und der Arbeitspunkt des Regelsystems derart gesteuert wird, daß er im Punkt maximaler Steigung der integralen Energieverteilung bleibt. Durch diese vorzugsweise automatische Nachregelung des Arbeitspunktes wird sowohl der Einfluß des Potentialkontrasts als auch der Einfluß des Topographiekontrasts, d.h. die durch Kanten der Oberfläche des Bauelements verursachte Änderung der Anzahl der ausgelösten Sekundärelektronen, beim Wechsel der Meßstelle auf einer Probe kompensiert. Ferner ist die Störempfindlichkeit gering, weil überwiegend die hochenergetischen Sekundärelektronen zum Signal beitragen. Das Regelsystem ist verhältnismäßig einfach aufgebaut und hat deshalb eine hohe Bandbreite bis zu wenigstens einem MHz.

Eine einfache Anordnung zur Durchführung des Verfahrens mit einem Rasterelektronenmikroskop, bei dem die Energiemessung der Sekundärelektronen durch Regelung der Gegenfeldelektrodenspannung des Spektrometers erfolgt, erhält man dadurch, daß der Gegenfeldelektrodenspannung eine Modulationswechselspannung überlagert ist, die das Sekundärelektronensignal entsprechend moduliert. Der Wechsel-Spannungsanteil kann von einem Lock-in-Verstärker detektiert werden, dessen Ausgangssignal dem Eingang des Regelverstärkers vorgegeben wird. Die Modulationswechselspannung kann vorzugsweise eine Sinusspannung sein.

Der Lock-in-Verstärker differenziert das Integral der Energieverteilung und steuert damit den Regelverstärker derart, daß der Arbeitspunkt immer im Wendepunkt der Kennlinie, d.h. in der maximalen Steigung der Kennlinie bleibt. Er korrigiert damit die Abweichung des Arbeitspunktes.

909881/0020

Anstelle des Lock-in-Verstärkers kann unter Umständen auch eine Sample-and-Hold-Schaltung vorgesehen sein, die auf den Eingang des Regelverstärkers einwirkt, sobald sich die Amplitude des Wechselspannungsanteils am Verstärkerausgang vermindert.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Figur 1 ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens als Blockschaltbild schematisch veranschaulicht ist. In den Figuren 2 bis 4 sind die Verfahrensschritte und die Wirkungsweise der Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Figur 1 anhand verschiedener Diagramme erläutert.

Nach Figur 1 wird ein Primärelektronenstrahl PE beispielsweise in der elektronenoptischen Säule 2 eines Rasterelektronenmikroskops erzeugt. Sie enthält eine Elektronenkanone 4 und ein Strahlablenksystem 10, von dem lediglich die beiden Spulensysteme angedeutet und mit 11 und 12 bezeichnet sind. Die Elektronenkanone 4 besteht im wesentlichen aus einer Kathode 5, einer Wehnelt-Elektrode 6 und einer Anode 7. Unter Umständen kann die elektronenoptische Säule 2 noch ein Strahltastsystem 8 enthalten, dessen Steuerung in der Figur nicht dargestellt ist.

Das magnetische Feld der Ablenkspulen 11 und 12 dient zur Positionierung der Primärelektronen PE auf der nicht näher bezeichneten Meßstelle einer Probe 14, die vorzugsweise eine integrierte Schaltung sein kann und an deren Leiterbahnen eine vorgegebene Spannung U quantitativ gemessen werden soll.

Die Primärelektronen PE lösen an der Meßstelle der Probe 14 Sekundärelektronen SE aus, deren Energie als Maß für das Potential an der Meßstelle dient. Oberhalb der Probe 14 ist ein Gegenfeldspektrometer 16 angeordnet, das

909881/0020

- / -fr VPA 78 ρ 7050 BRD

eine Wehnelt-Elektrode 17 und eine Anode 18 enthält, die als Absaugelektroden dienen. Ein zylinderförmiger Ablenkkondensator 20 ist zur Ablenkung der Sekundärelektronen SE vorgesehen, die auf ihrem durch einen Pfeil angedeuteten Wege über das Verzögerungsfeld zweier Gegenfeld-elektroden 24 und 25 zu einem Elektronenkollektor gelangen. Der Elektronenkollektor 30 enthält zwischen seinem Abschirmgitter 32 und einem Szintillator 34 eine Beschleunigungsstrecke mit einer Spannung von beispielsweise 10 kV. Die im Szintillator 34 ausgelösten Photonen werden über einen Lichtleiter 36 einem Photomultiplier zugeführt, der im allgemeinen mit einem empfindlichen Vorverstärker gekoppelt ist. Das Ausgangssignal U des Photomultiplierswird einem Regelverstärker 40 zugeführt, dessen Ausgangssignal U über eine Rückkopplungsschleife 42 einer Steuereinrichtung 44 für das Spektrometer 16 zugeführt wird und zur Nachregelung der Gitterspannung U~ des Spektrometers 16 dient. Das Reglerausgangssignal U wird ferner einem Bildschirm 48 zugeführt und dient beispielsweise zur Steuerung der V-Achse eines Bildschirms. Die V-Aus lenkung entspricht der gemessenen Spannung υ*_ς.

Der Gitterspannung U_G des Spektrometers 16 wird ferner eine Moduiationswechselspannung U_M mit hoher Frequenz, beispielsweise von 10 bis 200 kHz, überlagert, die von einem Wechselspannungsgenerator 50 geliefert wird und der Steuereinrichtung 44 für das Spektrometer 16 vorgegeben wird. Das Ausgangssignal U des Photomultiplier 38 enthält einen Wechselspannungsanteil, der vorzugsweise von einem Lock-in-Verstärker 52 detektiert wird aber von dem Regelverstärker 40 wegen dessen geringer Bandbreite nicht verstärkt wird. Der Lock-in-Verstärker 52 liefert ein Ausgangssignal U,, das der Amplitude des Wechselspannungsanteils im Photomultiplierausgangssignal U proportional ist. Das Ausgangssignal U, des Lock-in-Verstärkers 52 wird dem Regelverstärker 40 vorgegeben.

909881/0020

- 4 - ^r νρΛ 78 P 7 O 5 O BRD

Das Ausgangssignal des Lock-in-Verstärkers 52 kann beispielsweise noch von einer Elektronik 54 verarbeitet werden, die in Abhängigkeit von der Abweichung der Energie der Sekundärelektronen von ihrem Maximum in positiver oder negativer Richtung dem Regelverstärker 40 ein entsprechendes Korrektursignal liefert. Die Stromversorgung für die Probe 14 ist in der Figur mit 56 bezeichnet.

Nach dem Diagramm der Figur 2, in dem die Zahl N_SE der Sekundärelektronen in Abhängigkeit von ihrer Energie E aufgetragen ist, erhält man an der Meßstelle eine vorbestimmte Energieverteilung der Sekundärelektronen. Die Energie E der Sekundärelektronen SE ist in Elektronen- . volt eV angegeben. Die Anzahl Ν~_Ε der ausgelösten Sekundärelektronen wird in willkürlichen Einheiten angegeben, die im Diagramm nicht eingetragen sind. Die Kurve gibt somit nur die relative Wahrscheinlichkeit der Anzahl von Sekundärelektronen an, wie sie beispielsweise für ein Potential U = OV an der Meßstelle der Probe 14 gegeben ist. Der Arbeitspunkt ρ der Regeleinrichtung wird nun so eingestellt, daß er immer im Maximum der Kurve, beispielsweise bei 2,5 eV liegt. Für eine Verschiebung der Spannung an der Meßstelle um beispielsweise - 10 V erhält man dann eine neue Energieverteilung, die in Figur 2 gestrichelt angedeutet ist.

Aus dem Diagramm nach Figur 3, in dem das Integral «J"N(E)dE in Abhängigkeit von der Energie E der Sekundärelektronen in eV aufgetragen ist, erhält man beispielsweise bei einem Potential U = OV an der Meßstelle der Probe 14 eine Energieverteilung, die in der Figur 3 mit A bezeichnet ist. Ergibt sich an der Meßstelle eine negative Potentialänderung auf beispielsweise - 10 V, so erhält man eine integrale Energieverteilung, die in der Figur mit B bezeichnet ist. Im Fall einer Potentialänderung an der Meßstelle nach positiven Werten, beispielsweise auf + 10 V, könnte man eine Energieverteilung erwarten, wie sie mit der Kurve Cq gestrichelt angedeutet

909881/0020

9 - i - VPA 78 ρ 7 05 0 BRD

ist. Bei dieser Verschiebung zum positiven Potential macht sich jedoch der Einfluß des Potentialkontrasts bemerkbar, weil niederenergetische Sekundärelektronen die Probe an der Meßstelle nicht mehr verlassen können. Man erhält somit eine Änderung der Energieverteilung, die beispielsweise in der Kurve C. angedeutet ist. Dementsprechend ergibt sich eine zusätzliche Verschiebung des Arbeitspunktes vom Punkt χ zum Punkt γ mit dem entsprechenden Fehler Δ. F in der Potentialmessung. Die Potentialänderung an der Meßstelle der Probe 14 um den Betrag Δ U ergibt somit nicht eine entsprechende Potentialänderung am Spektrometer 16 sondern eine zusätzliche Potentialverschiebung um den Fehler Δ F, weil die Sekundärelektronen in dem schraffierten Bereich zwischen den Kurven Cq und C. auf die Probe 14 zurückfallen und nicht zum Kollektor 30 gelangen.

Nach der Erfindung wird nun dieser Fehler ÄF dadurch wenigstens annähernd beseitigt, daß die Gitterspannung U_G durch die Modulationswechselspannung U., moduliert wird, wie es im Diagramm nach Figur 3 für den Arbeitspunkt ρ auf der Kurve B angedeutet ist.

Die Modulationswechselspannung moduliert die Steuerspannung für die Sekundärelektronen SE, nämlich die Gitterspannung Up und damit das Gegenfeld des Spektrometers, das die Sekundärelektronen auf ihrem Wege vom Kollektor 30 abbremst. Der Ausgang des Photomultipliers 38 enthält dann den Gleichspannungsanteil und die modulierte Sinusspannung. Der Regalverstärker 40 kompensiert mit seiner Gleichspannung über die Rückkopplungsschleife 42 mit der Gitterspannung U_G die Signaländerung an der Meßstelle der Probe 14. Der Lock-in-Verstärker 52, der nur den Wechselspannungsanteil des Photomultipliers 38 detektiert, liefert dann eine Spannung U,, die sich mit der Energieverteilung E der Sekundärelektronen ändert, wie es in Figu^ 4 in einem Diagramm angedeutet ist, in dem die Ausgangsspannung U, des Lock-in-Verstärkers 52

909881/0020

über der Energie E der Sekundärelektronen aufgetragen ist. Die Ausgangsspannung U, ist proportional der Amplitude des Photomultiplierausgangssignals U . Der Lock-in-Verstärker mißt somit die Steigung der integralen Energieverteilung _%/"N(E)dE. Der Wendepunkt in der Kurve B nach Figur 3, das ist der Arbeitspunkt ρ der Regelung, entspricht somit dem Maximum im Diagramm der Figur 4. Dies bedeutet, daß der Lock-in-Verstärker das Integral der Energieverteilung differenziert. Solange sich der Arbeitspunkt, beispielsweise ρ in der Kurve B, nicht ändert und im Wendepunkt der Kurve bleibt, liefert der Lock-in-Verstärker 52 sein maximales Signal U, entsprechend der maximal an Amplitude des Wechselspannungsanteils im Photomultiplierausgangssignal U .

Im Fall einer erheblichen positiven Potentialänderung an der Meßstelle der Probe 14 mit entsprechend flachem Verlauf der Kurve C₁ und einer Verschiebung des Arbeitspunktes nach y in der Kurve C₁ wird auch das Ausgangs- signal U, des Lock-in-Verstärkers entsprechend geringer. Das dem Regelverstärker 40 vom Lock-in-Verstärker 52 gelieferte Ausgangssignal U, wird entsprechend kleiner und der Regelverstärker 40 regelt diese Signaländerung über die Rückkopplungsschleife 42 mit Hilfe der Gitterspannung IU wieder nach. Er verschiebt damit den Arbeitspunkt y auf der Kurve C₁ wieder in den Punkt Z maximaler Steigung der Kurve C... Damit ist die Fehlmessung & F in der Spannungsänderung wenigstens annähernd korrigiert, und das Spektrometer registriert lediglich die Spannungsänderung -Δ U .

Anstelle des Lock-in-Verstärkers 52 mit der nachgeschalteten Elektronik 54 zur Feststellung der Richtung der Energieänderung kann unter Umständen auch eine Sampleand-Hold-Schaltung vorgesehen sein, die den Wechselspan-

909881/0020

- 4 - VPA 78 P 7 O 5 O BM)

nungsanteil detektiert und dem Regelverstärker 40 ein Signal liefert, sobald dieser Wechselspannungsanteil im Photomultiplierausgangssignal U vom Maximum seiner Amplitude abweicht.

3 Patentansprüche

4 Figuren

909881/0020

Claims

Patentansprüche

/ - VPA 78 ρ 7 O 5 O BRD

Verfahren zur berührungslosen quantitativen Potentialmessung an einem elektronischen Bauelement mit einem Rasterelektronenmikroskop durch Messung der Energie der Sekundärelektronen, die an der Meßstelle vom Primärelektronenstrahl ausgelöst werden, mit einem Spektrometer, dem ein Regelsystem für die Gitterspannung des Spektrometers zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigung der integralen Energieverteilung (A, B, C.) gemessen wird, und der Arbeitspunkt Cb, y, z) des Regelsystems derart gesteuert wird, daß er im Punkt (b, z) maximaler Steigung der integralen Energieverteilung bleibt.
2. Rasterelektronenmikroskop zur berührungslosen quantitativen Potentialmessung an einem elektronischen Bauelement durch Messung der Energie der Sekundärelektronen, die an der Meßstelle vom Primärelektronenstrahl ausgelöst werden, mit einem Gegenfeldspektrometer, dem ein Regelverstärker zur Regelung der Gegenfeldelektrodenspannung zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenfeldelektrodenspannung (U,-,) eine Modulationsspannung CU„) überlagert ist, die das Sekundärelektronen- signal moduliert und daß dem Regelverstärker (40) ein Lockin-Verstärker (52) nachgeschaltet ist, dessen Ausgangssignal (U,) dem Eingangssignal des Regelverstärkers (40) überlagert ist.
3. Rasterelektronenmikroskop nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationswechselspannung (Uw) eine Sinusspannung ist.

909881/0020