DE3823911A1

DE3823911A1 - Verfahren und vorrichtung zur bestimmung der abweichung der energie einer teilchensonde von der neutralpunktenergie

Info

Publication number: DE3823911A1
Application number: DE19883823911
Authority: DE
Inventors: Hans-Detlef Brust
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1988-07-14
Filing date: 1988-07-14
Publication date: 1990-01-18

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung der Abweichung der Energie einer Teilchensonde von der Neutralpunkt energie sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfah rens.

Aufgrund der geringen Kapazität der Schaltungsknoten moderner mikroelektronischer Bauelemente sollten quantitative Potential messungen mit der Elektronensonde elektrisch belastungsfrei, das heißt aufladungsneutral durchgeführt werden. In konventio nellen Elektronenstrahlmeßgeräten (siehe beispielsweise Micro electronic Engineering, Vol. 4, No. 2, 1986, Seiten 77 bis 106, insbesondere Seiten 87 bis 92) läßt sich die für aufladungsneu trale Messungen geltende Bedingung

i _PR = i_PE - (i_SE + i _RE) = (1-σ (E _EP)) i _PE : =0

mit
i _PR Probenstrom
i _PE Primärelektronenstrom
i _SE Sekundärelektronenstrom
i _RE Strom der rückgesteuerten Primärelektronen Elektronenausbeute
E _PE Energie der Primärelektronen

allerdings nur näherungsweise durch eine geeignete Wahl der Elek tronenenergie E _PE erfüllen, da man die meßpunktspezifische Neu tralpunktenergie E _Np (σ (E _Np)=1) im allgemeinen nicht genau kennt. Außerdem ist die die Ladungsbilanz und damit den Proben strom i _PR entscheidend beeinflussende Größe σ auch von der Ober fläche des jeweiligen Meßpunkts abhängig. Diese kann sich aber während der oft langwierigen Tests, beispielsweise durch das Aufwachsen einer Kontaminationsschicht, erheblich verändern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der ein gangs genannten Art anzugeben, mit dem man Änderungen der Elek tronenausbeute feststellen und durch eine Anpassung der Teilchen energie kompensieren kann. Insbesondere soll die Neutralpunkt energie ermittelt und eingestellt werden können. Weiterhin soll eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens angegeben wer den. Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1 und eine Vorrichtung nach Patentanspruch 7 gelöst.

Der mit der Erfindung erzielbare Vorteil besteht insbesondere darin, daß Potentialmessungen mit der Elektronensonde elektrisch belastungsfrei durchgeführt werden können.

Während die Ansprüche 2 bis 6 bevorzugte Weiterbildungen des Verfahrens nach Anspruch 1 betreffen, sind die Ansprüche 7 bis 9 auf Ausgestaltungen der Vorrichtung zur Durchführung des Ver fahrens gerichtet.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung erläutert. Hierbei zeigt:

Fig. 1 die Energieabhängigkeit der Ausbeute emittierter Elek tronen,

Fig. 2 eine Teststruktur zur Messung der Auswirkung der Elek tronenbestrahlung auf das Entladeverhalten einer Kapa zität,

Fig. 3 und 4 die Zeitabhängigkeit des Potentials der Kapazi tät,

Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Durchfüh rung des Verfahrens,

Fig. 6 die Zeitabhängigkeit einiger innerhalb der erfindungs gemäßen Vorrichtung auftretenden Signale.

Für viele Materialien existieren üblicherweise zwei in Fig. 1 mit E ₁ und E ₂ bezeichnete Werte der Elektronenenergie E _PE, für die die Elektronenausbeute σ: = (i _SE+i _RE)/i_PE die Bedin gung σ (E ₁) = σ (E ₂) = 1 erfüllt (vgl. H. Seiler: Secondary electron emission in the scanning electron microscope, Journal of Applied Physics, Band 54, 1983, Seite R 1 bis R 18). Da Elek tronen dieser Energie den Ladungszustand der Meßstelle nicht ändern, bezeichnet man E ₁ und E ₂ auch als Neutralpunktenergien, wobei E ₁ typischerweise im Energiebereich unterhalb etwa 0,5 keV und E ₂ mit wenigen Ausnahmen im Energiebereich zwischen etwa 0,5 und 4 keV liegt. Bestrahlt man die Probe mit Elektro nen, deren Energie E _PE von der Neutralpunktenergie E ₁ bzw. E ₂ abweicht, so werden der Meßstelle Ladungen injiziert (E ₁ < E _PE, E_PE<E ₂, σ<1) oder entzogen (E ₁<E _PE<E ₂, σ<1) und eine elektrisch belastungsfreie Messung ist nicht mehr gewähr leistet. Erfindungsgemäß wird deshalb vorgeschlagen, die Ab weichung der Primärelektronenenergie E _PE von der jeweiligen Neutralpunktenergie (üblicherweise E ₂) durch Messung der Aus wirkung der Elektronenbestrahlung auf das Entladeverhalten einer Kapazität festzustellen. Auf dem zu untersuchenden Bau element sollte deshalb ein Netzwerk mit kapazitivem Verhalten vorhanden sein, das, gesteuert von einem äußeren Signal, aufge laden und beispielsweise über einen parallelgeschalteten Wider stand oder Transistor entladen werden kann. Ist kein solches Netzwerk vorhanden, so kann man insbesondere die in Fig. 2 schematisch dargestellte Teststruktur verwenden. Diese vorzugs weise in das Bauelement integrierte Teststruktur besteht aus einer Kapazität C, einem Widerstand R und einem Feldeffekttran sistor FET, an dessen Gate-Elektrode das die Aufladung der Kapazität C steuernde Signal CLK, insbesondere das Taktsignal des untersuchten Bauelementes, anliegt und dessen Source mit einer als Meßstelle dienenden Metallisierung MP verbunden ist. Die mit der Elektronensonde PE beaufschlagte Meßstelle MP (Meß pad) sollte hierbei in der oberen Metallisierungsebene des Bau elementes liegen und eine Fläche von einigen Quadratmikrometern aufweisen.

Zur Messung der Auswirkung der Elektronenbestrahlung auf das Ent ladeverhalten der Kapazität C wird diese gesteuert durch das Taktsignal CLK auf das am Drain-Anschluß des Feldeffekttransi stors FET anliegende Potential U _C aufgeladen. Anschließend sperrt der Transistor FET, so daß die in der Kapazität C gespeicherte Ladung über den Widerstand R abfließt. Während der Entladungs phase bestrahlt man die Meßstelle MP innerhalb des Zeitinter valls Δ t ₁ mit der Elektronensonde PE (siehe Fig. 3) und regi striert die auf der Metallisierung ausgelösten Sekundärelektro nen SE in einem Detektor DT. Weicht die Energie E _PE der Primär elektronen von der Neutralpunktenergie ab und wird σ<1 ange nommen, so entzieht die Sonde PE der Teststruktur Elektronen und beschleunigt dadurch die Entladung der Kapazität C. Durch Integration des verstärkten Detektorausgangssignals erhält man ein das Potential U _C ¹ der Meßstelle MP während des Zeitinter valls Δ t ₁ repräsentierendes Signal MS 1, falls die Bedingung Δ t ₁«RC zum Zeitpunkt t ₁ erfüllt ist. Nachdem die Kapazität C gesteuert durch das Taktsignal CLK ein weiteres mal aufgela den wurde, bestrahlt man die Meßstelle MP nochmals während der Zeitintervalle Δ t ₂ und Δ t ₃, wobei das verstärkte Ausgangssignal des Detektors DT nur innerhalb des Zeitintervalls Δ t ₃ inte griert wird (siehe Fig. 4). Auch dieses durch Integration ge wonnene Signal MS 2 repräsentiert wieder das Potential U _C ³ der Meßstelle MP während des Zeitintervalls Δ t ₃, falls die Bedin gung Δ t ₃«RC zum Zeitpunkt t ₃ erfüllt ist. Wird bei der Mes sung t ₁=t ₃ und Δ t ₁=Δ t ₃ gewählt, so ist das der Differenz Δ U=U _C ³-U _C ¹ der Potentiale entsprechende Signal Δ MS= MS 2 - MS 1 ein Maß für die Abweichung der Energie E _PE der Primärelek tronen PE von der jeweiligen Neutralpunktenergie. Die Beschleu nigungsspannung des Elektronenstrahlmeßgerätes muß dann manuell oder automatisch solange geändert werden, bis die Bedingung Δ MS =0 bzw. Δ U=0 erfüllt ist (keine Beeinflussung des Entlade verhaltens des Kondensators C durch die Elektronensonde PE; auf ladungsneutrale das heißt elektrisch belastungsfreie Messung).

Die in Fig. 5 schematisch dargestellte Vorrichtung zur Durch führung des Verfahrens besteht im wesentlichen aus einem modi fizierten Rasterelektronenmikroskop, einem Detektorsystem DT zum Nachweis der auf der Probe PR ausgelösten Sekundärelektro nen SE und einer Meßelektronik, deren Ausgangssignal der Steuer einheit CON des Rasterelektronenmikroskops zugeführt wird. Eine solche Steuereinheit CON ist dem Fachmann beispielsweise aus der eingangs zitierten Veröffentlichung in Microelectronic En gineering (siehe insbesondere Seite 88, Fig. 8) oder aus Proc. 1st Intern. Conf. on Computer Technology, Systems and Applica tions COMP EURO 87, Hamburg, May 11-15, 1987, Seiten 598 bis 603) bekannt. Die Elektronensonde wird in der Säule des Raster elektronenmikroskops erzeugt, die mehrere in Fig. 5 nicht dar gestellte Linsen (Kondensorlinse, Objektivlinse) zur Fokussie rung der Primärelektronen PE auf die in einer evakuierten Kammer angeordnete Probe IC, eine aus einer Kathode, einer Steuerelek trode (Wehnelt-Elektrode) und einer Anode bestehende Elektronen quelle EG, eine von einem Rastergenerator SG angesteuerte Ablenk einheit RE und ein Strahlaustastsystem BBS aufweist. Die An steuerelektronik des Strahlaustastsystems BBS umfaßt einen Si gnalgenerator G, der insbesondere mit dem Taktoszillator der Probe IC identsich sein kann, einen aus einem Verzögerungsglied LG 1 und einem Monoflop MF 1 bestehenden ersten Schaltungsteil, einen aus einem Frequenzteiler FT, einem zweiten Verzögerungs glied LG 2 und einem zweiten Monoflop MF 2 bestehenden zweiten Schaltungsteil und ein Oder-Glied OR, dessen Eingänge mit den Ausgangssignalen der Monoflops MF 1 bzw. MF 2 beaufschlagt sind. Das an den Eingängen des ersten und zweiten Schaltungsteils anliegende Ausgangssignal des Generators G wird auch der auf der Probe IC vorhandenen Teststruktur (siehe Fig. 2) zugeführt und steuert die Aufladung der Kapazität C.

Zum Nachweis der an der jeweiligen Meßstelle ausgelösten Sekun därelektronen SE ist ein aus einer Absaugelektrode, einem Szin tillator, einem Lichtleiter und einem Photomultiplier bestehen der Detektor DT vorgesehen, dessen Ausgangssignal in einem empfindlichen Vorverstärker PA verstärkt und den Eingängen der parallelliegenden Torschaltungen S 1 und S 2 zugeführt wird. Als Torschaltungen S 1 und S 2 können beispielsweise Halbleiter-Ana logschalter verwendet werden. Den Torschaltungen S 1 und S 2 ist jeweils ein Integrator IN 1 bzw. IN 2 zugeordnet, deren Ausgangs signale an den Eingängen eines Substrahierers SUB anliegen. Das Ausgangssignal Δ MS des Subtrahierers SUB kann in der Ansteuer einheit CON beispielsweise mit einem Schwellenwert Δ MS vergli chen werden, wobei die Abweichung Δ=|Δ MS-Δ MS| ein Steuer signal R zur Änderung der Primärelektronenenergie E _PE bestimmt.

Diese kann man beispielsweise mit Hilfe der Beschleunigungsspan nung oder einer im Strahlengang des Rasterelektronenmikroskops angeordneten Elektrode auf den gewünschten Wert einstellen. Es ist selbstverständlich auch möglich, die Primärelektronenener gie E _PE manuell solange zu ändern, bis das Signal Δ MS verschwin det.

Zur Ansteuerung der Torschaltungen S 1 und S 2 ist eine beispiels weise aus zwei UND-Gattern AND 1 und AND 2 sowie einem Inverter INV bestehende Multiplexerstufe MUX vorgesehen, deren Eingang S mit dem Ausgang des Monoflops MF 1 verbunden ist und an deren Eingang E das Ausgangssignal des Frequenzteilers FT anliegt. Diese Multiplexerstufe MUX ist intern derart verschaltet, daß das am Eingang E anliegende Signal den die Torschaltungen S 1 bzw. S 2 ansteuernden UND-Gattern AND 1 und AND 2 direkt bzw. über den Inverter INV zugeführt wird.

Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung soll im fol genden anhand der in Fig. 6 schematisch dargestellten Impuls diagramme verdeutlicht werden. Jede positive Flanke des die Auf- und Entladung der Teststruktur (kapazitives Netzwerk) steuernde Ausgangssignal CLK des Generators G triggert nach der durch das Verzögerungsglied LG 1 bestimmten Zeit t ₁ das Monoflop MF 1, so daß an dessen Ausgang ein Impuls der Länge Δ t ₁ erscheint. Die ser Impuls liegt am Eingang des ODER-Gliedes OR und damit auch am Eingang des die Elektronenimpulse erzeugenden Strahlaustast systems BBS an. Dies geschieht während eines jeden Zyklus des Signals CLK, so daß der erste Schaltungsteil die Elektronenim pulse erzeugt, bei dem das Sekundärteilchensignal gemessen und integriert wird. Der aus dem Verzögerungsglied LG 2 und dem Mono flop MF 2 bestehende Schaltungsteil erzeugt, getriggert durch das Ausgangssignal des Frequenzteilers FT in jedem zweiten Zyk lus zum Zeitpunkt t ₂ (t ₂<t ₁) einen weiteren Elektronenimpuls, wobei die Multiplexerstufe MUX das abwechselnde Schließen der Torschaltungen S 1 und S 2 steuert. Das Ausgangssignal des Mono flops MF 1 wird deshalb in der Multiplexerstufe MUX mit dem in seiner Frequenz halbierten Taktsignal CLK bzw. dessen Negation CLK UND- verknüpft.

Das in Fig. 5 dargestellte Ausführungsbeispiel einer erfin dungsgemäßen Vorrichtung ist für Messungen geeignet, die sich über eine Vielzahl von Zyklen des Signals CLK erstrecken. Dies ist insbesondere für ein stark verrauschtes Sekundärteilchen signal von Vorteil, da die Integratoren IN 1 und IN 2 die Meßwer te mehrerer Zyklen mitteln und so ein Ausgangssignal Δ MS mit einem sehr guten Signal/Rausch-Verhältnis erzeugen. Auf eine solche Mittelung kann man verzichten, falls das Sekundärteil chensignal selbst ein gutes Signal/Rausch-Verhältnis aufweist. Die Signale MS 1 bzw. MS 2 werden dann jeweils in einem Meßzyklus gewonnen, wobei jede der aus einer Torschaltung S 1/ S 2 und einem Integrator IN 1/IN 2 bestehenden Komponenten der Meßelektronik jeweils durch eine Sample and Hold-Schaltung ersetzt werden kann.

Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die beschriebe nen Ausführungsbeispiele beschränkt. So ist es ohne weiteres möglich, die einen triggerbaren Impulsgenerator (mit entspre chend eingestellter Verzögerungszeit und Impulsbreite) darstel lenden Verzögerungsglieder LG 1/LG 2 und Monoflops MF 1/MF 2 bei spielsweise durch einen TTL-Schaltkreis des Typs 74 LS 221 zu ersetzen.

Ein schnelles Strahlaustastsystem ist nicht notwendig, falls die Zeitintervalle Δ t ₁, Δ t ₂ und Δ t ₃ relativ groß sind. Der Primärelektronenstrom i _PE kann dann beispielsweise mit Hilfe der Elektronenquelle EG (Änderung der Spannung der Weh nelt-Elektrode) gesteuert werden.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung der Abweichung der Energie einer Teilchensonde von der Neutralpunktenergie, dadurch gekennzeichnet,

a) daß ein Netzwerk (FET, R, C) mit kapazitivem Verhalten auf ein erstes Potential (U _C) aufgeladen wird,
b) daß eine mit dem Netzwerk (FET, R, C) leitende verbundene Meßstelle (MP) innerhalb eines ersten Zeitintervalls (Δ t ₁) mit der Teilchensonde (PE) bestrahlt wird,
c) daß die innerhalb des ersten Zeitintervalls (t ₁) an der Meßstelle (MP) ausgelösten Sekundärteilchen (SE) in einem Detektor (DT) nachgewiesen werden,
d) daß aus einem im Detektor (DT) gemessenen ersten Sekundär teilchensignal eine erstes Meßsignal (MS 1) erzeugt wird,
e) daß das Netzwerk (FET, R, C) mindestens ein zweites mal auf das erste Potential (U _C) aufgeladen wird,
f) daß die Meßstelle (MP) während der Entladung des Netzwerkes (FET, R, C) innerhalb eines zweiten und eines dritten Zeit intervalls (Δ t ₂, Δ t ₃) mit der Teilchensonde (PE) bestrahlt wird,
g) daß aus einem während des dritten Zeitintervalls (Δ t ₃) ge messenen zweiten Sekundärteilchensignal ein zweites Meß signal (MS 2) erzeugt wird,
h) und daß aus dem ersten und dem zweiten Meßsignal (MS 1, MS 2) ein drittes Meßsignal (Δ MS) erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Abwandlung, daß zuerst die Verfahrensschritte e) bis g) und anschließend die Verfahrensschritte a) bis d) und h) ausgeführt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß das dritte Meßsignal (Δ MS) als Steuersignal (R) zur Einstellung der Energie (E _PE) der Teil chensonde (PE) herangezogen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Netzwerk (FET, R, C) periodisch aufgeladen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das dritte Zeitintervall (Δ t ₁, Δ t ₃) gleich groß sind.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und zweite Meßsi gnal (MS 1, MS 2) durch Integration eines Sekundärteilchensignals gewonnen werden.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einer Teilchenquelle (EG), einer Einheit zur Erzeugung einer Teilchensonde (PE), einer Einrichtung (BBS) zur Modulation der Intensität der Teilchensonde (PE), einem Detektor (DT) zum Nach weis der an einer Meßstelle (MP) ausgelösten Sekundärteilchen (SE) und einer Meßelektronik, gekennzeichnet durch ein die Einrichtung (BBS) zur Modulation ansteuern des Oder-Glied (OR), an dessen erstem Eingang das Ausgangssignal einer aus einem ersten Verzögerungsglied (LG 1) und einer ersten monostabilen Kippschaltung (MF 1) bestehenden ersten Schaltung anliegt und dessen zweiter Eingang mit dem Ausgangssignal einer aus einem Frequenzteiler (FT) einem zweiten Verzögerungsglied (LG 2) und einer zweiten monostabilen Kippschaltung (MF 2) beste henden zweiten Schaltung beaufschlagt ist, eine aus einer drit ten Schaltung (S 1, IN 1), einer zur dritten Schaltung (S 1, IN 1) parallelliegenden vierten Schaltung (S 2, IN 2) und einem mit den Ausgangssignalen der dritten (S 1, IN 1) und vierten Schaltung (S 2, IN 2) beaufschlagten Subtrahierer (SUB) bestehenden Meßelek tronik, wobei die dritte Schaltung eine erste Torschaltung (S 1) und die vierte Schaltung eine zweite Torschaltung (S 2) aufweist; eine Logikschaltung (MUX) zur Ansteuerung der ersten und der zweiten Torschaltung (S 1, S 2) und einen Signalgenerator (G), dessen Ausgangssignal an den Eingängen der ersten und zweiten Schaltung und an einem Steuereingang einer Einrichtung zur Auf ladung eines Netzwerkes mit kapazitivem Verhalten anliegt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn zeichnet, daß der ersten und der zweiten Torschaltung (S 1, S 2) jeweils ein Integrator (IN 1, IN 2) zugeordnet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch ge kennzeichnet, daß die Logikschaltung (MUX) eine die erste Torschaltung (S 1) ansteuerndes erstes UND-Glied (AND 1), ein die zweite Torschaltung (S 2) ansteuerndes zweites UND-Glied (AND 2) und einen Inverter (INV) aufweist, wobei der Inverter (INV) derart mit den UND-Gliedern (AND 1, AND 2) ver schaltet ist, daß das Ausgangssignal der ersten monostabilen Kippschaltung (MF 1) an den ersten Eingängen der UND-Glieder (AND 1, AND 2) anliegt und das Ausgangssignal des Frequenzteilers (FT) einem zweiten Eingang des ersten UND-Gliedes (AND 1) direkt, einem zweiten Eingang des zweiten UND-Gliedes (AND 2) invertiert zugeführt wird.