DE2902495C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer Einrichtung zur be­ rührungslosen Potentialmessung nach dem Ober­ begriff des Anspruchs 1.

Zur Funktionsprüfung elektronischer Bauelemente, ins­ besondere integrierter Schaltkreise, können bekanntlich berührungslose Potentialmessungen mit einem Elektronen­ mikroskop, vorzugsweise einem Rasterelektronenmikroskop, durchgeführt werden. Das Elektronenmikroskop besteht im wesentlichen aus einer elektronenoptischen Säule, die eine sogenannte Elektronenkanone enthält und im allge­ meinen mit einer Einrichtung zum Tasten des Elektronen­ strahls und zur Ablenkung des Elektronenstrahls ver­ sehen ist. Diese Einrichtungen sind innerhalb der Säule im Vakuum angeordnet. Das zu untersuchende Bauelement befindet sich außerhalb der elektronenoptischen Säule in einer Probenkammer, in der sich der Elektronenkol­ lektor des Spektrometers befindet und die ebenfalls evakuiert ist.

Der Primärelektronenstrahl löst an der Meßstelle aus einer Leiterbahn des Bauelements Sekundärelektronen aus, die von einem Elektronenkollektor gesammelt und in elek­ trische Signale umgewandelt werden. Die Zahl der vom Primärelektronenstrahl an der Meßstelle ausgelösten Sekundärelektronen ist abhängig vom Potential an der Meßstelle. Für quantitative Potentialmessung ist das Elektronenmikroskop mit einem Spektrometer, beispiels­ weise einem Gegenfeld-Spektrometer, versehen, das einen zylindrischen Ablenkkondensator enthält, der die Sekun­ därelektronen durch ein Verzögerungsfeld dem Elektronen­ kollektor zuführt, der das Elektronensignal in ein ent­ sprechendes elektrisches Signal umwandelt und einen Regelverstärker steuert. Das Ausgangssignal des Ver­ stärkers steuert über eine Rückkopplung das Spektro­ meter. Die Gitterspannung an der Gegenfeldelektrode wird so lange 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 Meß­ stelle der Probe.

Es ist bekannt, daß eine Funktionsprüfung von integrier­ ten Schaltkreisen möglich ist, die sich auf einem Wafer befinden und somit noch nicht mit elektrischen Anschlüs­ sen versehen sind. Bei diesem Verfahren kann mit Hilfe einer sogenannten Prüfkarte (wafer prober), die mit Spitzen versehen ist, durch Aufsetzen der Spitzen auf vorbestimmte Oberflächenteile, sogenannte Pats, die Funk­ tion der Bauelemente geprüft werden. Diese Flächenein­ heiten haben eine Kantenlänge von beispielsweise 50 · 50 µm. Die Messung erstreckt sich somit auf Teile des Bauelementes, die später am Sockel mit einem Anschlußleiter versehen werden. Die mit den aufgesetzten Spitzen gemessenen elektrischen Signale werden einem Computer zugeführt, der die Funktion des Bauelementes überprüft ("Micro analytical probing system" der POLYTEC).

Eine Einrichtung zur berührungslosen Potentialmessung innerhalb elektronischer Schaltungen mit einem Elektronenstrahl ist aus der DE-OS 28 05 673 bekannt. Diese Ein­ richtung besteht im wesentlichen aus einem strahlerzeugenden System und einem Spektrometer, mit dem man eine Potentialbarriere zur Energieselektion der auf der Probe vom primären Elektronen­ strahl ausgelösten Sekundärelektronen aufbaut. Die Absaug­ elektrode und die Gegenfeldelektrode des Spektrometers sind als Gitterelektroden ausgebildet und annähernd parallel zur Ober­ fläche der untersuchten Schaltung ausgerichtet. Das Detektor­ system besteht aus zwei seitlich oberhalb der Gegenfeld­ elektrode angeordneten Szintillator-Lichtleiterkombinationen, denen jeweils eine weitere Gitterelektrode zur Ablenkung und Beschleunigung der Sekundärelektronen vorgelagert ist.

Quantitative Potentialmessungen zur Überprüfung der Funktion von Halbleiterbauelementen, deren Leiterbahnbreiten nur wenige Mikrometer, beispielsweise weniger als 4 µm betragen, können auch mit dem Primärelektronenstrahl eines Rasterelektronenmik­ roskopes ausgeführt werden. Zu diesem Zweck muß jedoch das zur Erfassung der Sekundärelektronen vorgesehene Spektrometer in eine entsprechende Bohrung der Prüfkarte eingesetzt werden und in dieser Bohrung auch noch in der Oberflächenebene des Bauele­ mentes verschiebbar sein. Außerdem existieren an der Oberfläche integrierter Schaltkreise lokale elektrostatische Felder, welche die ausgelösten niederenergetischen Sekundärelektronen auf die Schaltkreisoberfläche zurücktreiben und somit Meßfehler verur­ sachen. Zur Verarbeitung der Sekundärelektronensignale wird im allgemeinen eine Regelschaltung eingesetzt, welche die erfor­ derliche hohe Bandbreite im allgemeinen nur erreicht, wenn das Spektrometer eine integrale Energieverteilung liefert. Außerdem ist der Durchmesser des Primärelektronenstrahls vom Arbeitsab­ stand abhängig, der somit nur gering sein darf, wenn der Durch­ messer des Primärelektronenstrahls zur Potentialmessung an schmalen Leiterbahnen geeignet sein soll. Darüber hinaus muß das Spektrometer auch für die Untersuchung einzelner aufgebau­ ter integrierter Schaltkreise, die bereits mit ihren elektri­ schen Anschlüssen (Bond-Drähten) versehen sind, verwendbar sein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, deren Spektrometer für quantitative Potentialmessungen innerhalb elektronischer Bau­ elemente, insbesondere innerhalb von Halbleiterbauelementen auf Wafern eingesetzt werden kann. Hierbei soll sichergestellt sein, daß das Spektrometer für verschiedene Prüfkarten geeignet ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Einrichtung der eingangs genannten Art gelöst, welche die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 aufweist.

Eine bevorzugte Ausführungsform einer Spektrometeranordnung besteht darin, daß metallische Teile mit einem Fangnetz für rückgestreute Elektronen versehen sind. Die an der Meßstelle ausgelösten schnellen Elektronen mit entsprechend hoher Energie können an anderen Spek­ trometerteilen Sekundärelektronen auslösen, die dann zum Szintillator gelangen können und das Meßergebnis stören würden. Das in einem vorbestimmten Abstand von den Spektrometerteilen angeordnete Fangnetz ist gegen­ über dem Gehäuse des Spektrometers negativ geladen und hält dann die an dem Gehäuse ausgelösten Sekundärelek­ tronen zurück. Diese Sekundärelektronen können somit das Gegenfeld des Fangnetzes nicht überwinden. Damit ist eine Störung des Meßergebnisses durch diese rück­ gestreuten Elektronen ausgeschlossen.

Der Szintillator für die Sekundärelektronen des Detek­ tors kann vorzugsweise starr mit dem Spektrometer ver­ bunden sein und ist dann mit einem verhältnismäßig dünnen Lichtleiter versehen, der die im Szintillator ausgelösten Photonen zum Detektor leitet.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der ein Teil eines Raster­ elektronenmikroskops nach der Erfindung schematisch veranschaulicht ist.

Entsprechend der Figur wird ein Primärelektronenstrahl 2, der in einer in der Figur nicht dargestellten sogenann­ ten elektronenoptischen Säule erzeugt ist, dem Meß­ punkt M _P eines elektronischen Bauelements 4 zugeführt, das vorzugsweise ein integrierter Schaltkreis sein kann und mit weiteren nicht näher bezeichneten Bauelementen auf der Oberfläche eines Wafers 5 angeordnet ist. Die elektronenoptische Säule des Rasterelektronenmikroskops enthält im allgemeinen eine Elektronenkanone, die im wesentlichen aus einer Kathode und einer Wehnelt-Elek­ trode und einer Anode besteht, sowie eine Tasteinrich­ tung für den Primärelektronenstrahl 2 und eine Ablenk­ einrichtung, mit deren Hilfe der Elektronenstrahl auf dem elektronischen Bauelement 4 positioniert werden kann. Das Bauelement 4 befindet sich innerhalb einer Bohrung mit dem Durchmesser D von beispielsweise 25 mm einer Kunststoffplatine 6. Unter der Platine selbst ist ein Kunststoffring 8 angeordnet, in dessen unterer Oberfläche Meßspitzen 10 und 11 eingebettet sind. Inner­ halb der Bohrung sind Abstandshalter 14 parallel zur oberen Flachseite des Bauelements 4 auf einer Führung 12 verschiebbar gelagert. In einem vorzugsweise sehr ge­ ringen Abstand a ₁ von beispielsweise weniger als 1 mm, insbesondere weniger als 0,5 mm, ist im wesentlichen parallel zur Oberfläche des Bauelements 4 eine erste Gitterelektrode angeordnet, die als Absaugelektrode 16 dient. Oberhalb der Absaugelektrode ist eine Gegenfeld­ elektrode 18 vorgesehen, die vorzugsweise ebenfalls als Netz gestaltet sein kann. Der Raum oberhalb des Bau­ elements 4 ist durch einen Deckel 20 abgeschlossen, der gegen die in der Figur nicht dargestellte Polplatte des Rasterelektronenmikroskops isoliert ist. Parallel zu dem Deckel 20 und in einem vorzugsweise geringen Ab­ stand von beispielsweise wenigen Zehntelmillimetern ist ein Fangnetz 22 vorgesehen, daß als Elektronenfalle für rückgestreute Elektronen dient, die am Meßpunkt M _p ausgelöst werden und die Gegenfeldelektrode 18 über­ windet, wie in der Figur durch einen Pfeil 24 ange­ deutet ist. Dieses Fangnetz 22 kann vorzugsweise auch noch vor anderen metallischen Teilen der Kammer ange­ ordnet sein, beispielsweise vor den nicht mehr bezeich­ neten Seitenwänden.

Die Sekundärelektronen 26 werden von einer zweiten Ab­ saugelektrode 28, die vorzugsweise ebenfalls als Netz gestaltet sein kann, abgesaugt und gelangen zum Szin­ tillator 30 eines Spektrometers des Rasterelektronen­ mikroskops. Sie bilden in bekannter Weise im Szintil­ lator 30 Photonen, die mit einem Lichtleiter 32 zum in der Figur nicht dargestellten Detektor des Spektrome­ ters gelangen. Durch die Anordnung der ersten Saugelek­ trode 16 in Verbindung mit der Gegenfeldelektrode 18 kann die Bauhöhe a ₃ auf wenige Millimeter, beispiels­ weise nicht wesentlich mehr als 7 mm, begrenzt werden.

Durch diese geringe Bauhöhe des Spektrometers mit ent­ sprechend geringem Arbeitsabstand erhält man eine gute Fokussierung des Elektronenstrahls 2 mit einem entspre­ chend geringen Durchmesser.

Durch den geringen Abstand a ₁ des Gitters der Absaug­ elektrode 16 vom Meßpunkt M _p erhält man eine hohe Feld­ stärke von vorzugsweise wenigstens 5 kV/cm an der Ober­ fläche des Bauelements 4. Damit wird verhindert, daß am Meßpunkt M _p ausgelöste niederenergetische Sekundär­ elektronen durch elektrostatische Störfelder auf die Oberfläche des Bauelements 4 zurückgetrieben werden, wodurch die Energieverteilung der Sekundärelektronen verfälscht und somit Meßfehler verursacht würden. Man erhält somit eine ungestörte Energieverteilung an der nachfolgenden Gegenfeldelektrode 18.

Die zur Verarbeitung des elektrischen Signals des Spek­ trometers übliche Regeleinrichtung kann eine hohe Band­ breite nur erreichen, wenn das Spektrometer eine inte­ grale Energieverteilung liefert. Dies erreicht man durch die Anordnung der Gegenfeldelektrode 18 in Verbindung mit den beiden Absaugelektroden 16 und 28.

In der dargestellten Ausführungsform des Rasterelektro­ nenmikroskops ist das Spektrometer geeignet sowohl für verschiedene Wafer-Prober und auch für die Untersuchung einzelner aufgebauter integrierter Schaltkreise. Zum kontrollierten Aufsetzen der Spitzen 10 und 11 kann das gesamte Bauelement 4 vom Primärelektronenstrahl 2 ab­ gerastert werden. Zur Positionierung des Primärelek­ tronenstrahls 2 wird der gewünschte Oberflächenbereich des Bauelements 4 bei hoher Vergrößerung von beispiels­ weise 1000 in die Mitte des Spektrometers gebracht. Die erste Absaugelektrode 16 und die Gegenfeldelektro­ de 18 sind dabei so zur optischen Achse des Rasterelek­ tronenmikroskops justiert, daß die Netze dieser Elek­ troden bei hoher Vergrößerung nicht abgebildet werden.

Zur Potentialmessung werden die an der Meßstelle M _p aus­ gelösten Sekundärelektronen von der ersten Absaugelek­ trode 16 in das Gegenfeld der Elektrode 18 beschleunigt. Die höherenergetischen Sekundärelektronen durchlaufen die Gegenfeldelektrode 18 und werden von der zweiten Absaugelektrode 28 zum Szintillator 30 beschleunigt. Die zweite Absaugelektrode 28 dient zugleich zur Ab­ schirmung des Primärelektronenstrahls 2 gegen den Szin­ tillator 30, an dem eine hohe Spannung von beispiels­ weise 15 kV anliegt.

Rückgestreute Elektronen mit entsprechend hoher Energie können zwar an den Metallteilen, beispielsweise dem Deckel 20, Sekundärelektronen auslösen, diese werden aber durch das Fangnetz 22 zurückgehalten und können dieses Gegenfeld nicht überwinden.

Mit einem in der Figur nicht dargestellten Umschalter können die Spannungen an der Gegenfeldelektrode 18 und dem Fangnetz 22 so geändert werden, daß nur die rückge­ streuten Elektronen der metallischen Teile, beispiels­ weise des Deckels 20, vom Detektor des Spektrometers erfaßt werden.

Claims (2)

1. Einrichtung zur berührungslosen Potentialmessung mit einem Primärelektronenstrahl (2), welcher an einer Meß­ stelle (M _P ) eines elektronischen Bauelementes (4), vor­ zugsweise eines integrierten Schaltkreises, Sekundär­ elektronen (26) auslöst, deren Energie in einem eine De­ tektoranordnung (30, 32) enthaltenden Spektrometer be­ stimmt wird, wobei das Spektrometer eine unmittelbar oberhalb des Bauelementes (4) angeordnete erste ebene Elektrodenanordnung (16) zur Absaugung der Sekundärelek­ tronen (26), eine parallel zur ersten Elektrodenanord­ nung (16) liegende zweite ebene Elektrodenanordnung (18) zur Erzeugung eines die Sekundärelektroden ( 26) abbrem­ senden Gegenfeldes und eine dritte Elektrodenanordnung (28) zur Ablenkung der Sekundärelektronen (26) in Rich­ tung der Detektoranordnung (30, 32) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das unmittelbar un­ terhalb der elektronenoptischen Säule eines Rasterelek­ tronenmikroskopes angeordnete Spektrometer Abstandshal­ ter (14) zwischen der ersten und zweiten Elektrodenanord­ nung (16, 18) aufweist, die auf einer Führung (12) ver­ schiebbar gelagert sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß metallische Teile des Spektrometers mit einem Fangnetz (22) für rückge­ streute Elektronen versehen sind.