DE4000579A1 - Ionenstrahlgeraet sowie verfahren zur durchfuehrung von potentialmessungen mittels eines ionenstrahles - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Ionenstrahlgerät (gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1) sowie ein Verfahren zur Durchführung von Potentialmessungen an Strukturen in integrierten Schaltungen mittels eines gepulsten Ionen­ strahles (gemäß dem Gattungsbegriff der Ansprüche 5 und 6).

Für die Fehleranalyse und Spannungsmessung in inte­ grierten Schaltungen wird gegenwärtig die Elektronen­ strahlmeßtechnik eingesetzt. Sie stößt jedoch bei mo­ dernen Schaltungen an gewisse Grenzen, die sich nur schwer überwinden lassen.

So liegen in modernen Schaltungen vielfach Mehrlagen­ verdrahtungen vor, so daß ein Teil der interessierenden Meßstellen für den Elektronenstrahl nicht zugänglich ist.

Schaltungen sind weiterhin mit einer isolierenden Pas­ sivierungsschicht bedeckt, die vor der Messung entfernt werden muß, da durch die Passivierungsschicht hindurch nur qualitative, nicht quantitative Messungen erfolgen können.

Aufgrund der erforderlichen niedrigen Elektronenenergie des abtastenden Elektronenstrahles wirken sich ferner elektrische und magnetische Felder, die durch die Probe erzeugt werden, störend aus. Diese Felder lenken den Primärelektronenstrahl ab, so daß es schwierig ist, ihn auf der zu untersuchenden Leiterbahn zu halten.

Zur Lösung der beiden erstgenannten Probleme sind Io­ nenstrahlgeräte bekannt, mit denen Löcher durch obere Metallebenen oder durch Passivierungsschichten geätzt werden, um die interessierende Meßstelle freizulegen. Ein Ionenstrahlgerät dieser Art ist beispielsweise in "Proceedings of the Intern. Reliability Physics Sympo­ sion", 1989, S.34-52 beschrieben.

Für die eigentliche Potentialmessung ist jedoch nach dem Ätzvorgang ein gesonderter Elektronenstrahltester erforderlich. Es werden somit zwei separate Geräte benötigt, was nicht nur teuer, sondern auch sehr zeit­ aufwendig ist, da die interessierende Stelle jedesmal neu aufgesucht werden muß. Zudem ergibt sich die Schwierigkeit, daß die Probe erneut in das Ionenstrahl­ gerät gebracht werden muß, wenn eine neue, vorher nicht preparierte Meßstelle benötigt wird.

Für die Lösung des dritten eingangs genannten Problemes (Ablenkung des Elektronenstrahles durch Störeinflüsse) sind bisher aufwendige elektronische Kompensationsver­ fahren erforderlich.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Io­ nenstrahlgerät gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 dahin weiterzuentwickeln, daß hiermit nicht nur das Ät­ zen von Löchern, sondern auch die Durchführung von sehr genauen Potentialmessungen möglich ist. Weitere Aufgabe der Erfindung ist es, das mit einem derartigen Ionen­ strahlgerät zur Anwendung kommende Verfahren zur Durch­ führung von Potentialmessungen dahin weiterzuentwik­ keln, daß der während der Messung erfolgende Abtrag von Probenmaterial kompensiert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeich­ nenden Merkmale der Ansprüche 1, 5 und 6 gelöst. Zweck­ mäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Es ist bekannt, daß beim Bohren von Löchern mittels ei­ nes Ionenstrahlgerätes der Ionenstrahl beim Auftreffen auf die Probe Sekundärelektronen auslöst. Dieser Effekt wurde bereits dazu ausgenutzt, mit einem Ionenstrahlge­ rät Potentialkontrastbilder einer Schaltung zu erzeugen ("Electronics Letters" 23, 1987, 11, S. 585). Hierbei handelt es sich jedoch nicht um die Durchführung quan­ titativer Potentialmessungen.

Bei den der Erfindung zugrundeliegenden eingehenden Versuchen wurde zunächst erprobt, zwischen der Ob­ jektivlinse eines Ionenstrahlgerätes und der Probe ein Sekundärelektronenspektrometer anzuordnen, d. h. eine Extraktionselektrode, eine Filterelektrode und einen Sekundärelektronendetektor mit Szintillator (wobei die genannten Elemente über einen äußeren Regelkreis mit­ einander verbunden sind).

Bei diesen Versuchen stellte sich jedoch heraus, daß sich bei einer derartigen Anordnung ein zu großer Ar­ beitsabstand zwischen der Objektivlinse und der Probe ergibt, was die Linsenfehler der Objektivlinse (insbesondere den axialen Farbfehler und den Öffnungs­ fehler) erhöht und dadurch die Ortsauflösung des Gerä­ tes verringert.

Eine einwandfreie Lösung der oben genannten Aufgabe läßt sich dagegen erfindungsgemäß durch die Kombination folgender Merkmale erzielen:

• - In das Ionenstrahlgerät ist ein Sekundärelektronen­ spektrometer integriert, das eine Extraktionselek­ trode, eine Filterelektrode, einen Szintillator so­ wie einen den Szintillator mit der Filterelektrode verbindenden Regelkreis enthält;
• - der Szintillator wird hierbei durch die mittlere Elektrode der Objektivlinse gebildet.

Wird auf diese Weise das Sekundärelektronenspektrometer in die Objektivlinse integriert, so wird damit das Io­ nenstrahlgerät zu einem Ionenstrahltester erweitert, mit dem alle bekannten Techniken der Elektronenstrahl­ meßtechnik, insbesondere die quantitative Spannungsmes­ sung, durchgeführt werden können. Von besonderem Vor­ teil ist hierbei - im Unterschied zu der vorstehend genannten, noch nicht zufriedenstellenden Version - , daß durch die Integration des Sekundärelektronenspek­ trometers in die Objektivlinse der Arbeitsabstand zwi­ schen Objektivlinse und Probe minimal gehalten werden - kann, wodurch die Linsenfehler der Objektivlinse redu­ ziert werden und die Ortsauflösung des Gerätes erhöht wird.

Bei der erfindungsgemäßen Ausführung ist die Extrakti­ onselektrode des Sekundärelektronenspektrometers dicht oberhalb der Probe angebracht. In einem geringen Ab­ stand (von wenigen mm) folgt die Filterelektrode des Spektrometers. Der Szintillator des Sekundärelektronen­ detektors ist direkt in die mittlere Elektrode der Ob­ jektivlinse integriert. Dies ist möglich, da sich die mittlere Elektrode der Objektivlinse auf hohem positi­ ven Potential befindet und daher alle Sekundärelektro­ nen, die die Filterelektrode passieren, dort landen.

Das vom Szintillator erzeugte Licht wird direkt über Lichtleiter oder über ein optisches System einem Multi­ plier zugeführt, der das Lichtsignal in ein elektri­ sches Signal umwandelt, das dann in bekannter Weise weiterverarbeitet wird.

Der wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen Ionen­ strahlmeßgerätes besteht darin, daß mit demselben Ge­ rät, mit dem Löcher in der Metallisierung oder Passi­ vierung einer Schaltung erzeugt werden, zugleich auch die elektrische Potentialmessung erfolgen kann. Bohrun­ gen müssen daher nur an den wirklich benötigten Stellen durchgeführt werden, was einen erheblichen Zeitvorteil mit sich bringt.

Da ein einfallender Ionenstrahl mehr Sekundärelektronen auslöst als ein Elektronenstrahl, ergibt sich - verg­ lichen mit einem Elektronenstrahltester - ein größeres auswertbares Signal, was die Meßgenauigkeit und/oder die Meßgeschwindigtkeit erhöht.

Mit einem Ionenstrahl kann ferner bei höheren Primär­ energien als mit einem Elektronenstrahl gearbeitet wer­ den. Ein 30 keV Ionenstrahl besitzt die gleiche Ein­ dringtiefe wie ein niederenergetischer Elektronenstrahl im 1 keV Bereich. Dementsprechend kann auch ein hoch­ energetischer Ionenstrahl für eine schädigungsfreie Messung innerhalb der Schaltung benutzt werden. Der hochenergetische Primärstrahl hat aber den Vorteil, daß elektrische und magnetische Störfelder in Probennähe, die zum Teil von der Probe selbst erzeugt werden, nicht mehr stören. Dies ermöglicht ein genaues und stabiles Aufsetzen der Ionensonde auf die Probe.

Die zumindest teilweise Integration des Sekundärelek­ tronenspektrometers in die Objektivlinse ermöglicht einen kurzen Arbeitsabstand und eine hohe Ortsauflösung und damit eine Messung auch auf feinsten Strukturen.

Die Erfindung läßt sich natürlich auch auf Systeme mit Immersionslinsen übertragen. Bei diesen Geräten ist die Ionenenergie im oberen Teil der Säule hoch. Die Ionen werden erst in der Objektivlinse auf die gewünschte End-Energie abgebremst. Dies hat den Vorteil, daß die Fehlerkoeffizienten der Objektivlinse weiter verbessert werden können, da Gegenfeldanordnungen generell die besseren optischen Eigenschaften besitzen.

Eine gewisses Problem stellt bei dem erfindungsgemäßen Ionenstrahlgerät der Umstand dar, daß durch den Ionen­ strahl während der Messung von der Probe Material abge­ tragen wird. Rechnungen zeigen jedoch, daß eine Poten­ tialmessung so schnell erfolgen kann, daß dieser Abtrag in den meisten Fällen vernachlässigbar und daher nicht störend ist.

Sollten in Ausnahmefällen die Strukturen, auf denen ge­ messen wird, so fein oder so dünn sein, daß der Abtrag negative Auswirkungen haben kann, so können erfindungs­ gemäß folgende Kompensationsmaßnahmen ergriffen werden:

• - Der Ionenstrahl wird während der Messung in der Richtung gerastert, in der die Struktur ausgedehnt ist.
• - Während der Messung wird ein leitendes Material (z. B. ein Metall) abgeschieden, das den Abtrag aus­ gleicht. Verfahren zur ionenstrahlinduzierten Ab­ scheidung sind aus der Literatur bekannt.

Die beiden vorstehend genannten Kompensationsmaßnahmen können selbstverständlich auch kombiniert zur Anwendung kommen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeich­ nung veranschaulicht. Es zeigen

Fig. 1 eine Schemadarstellung eines Ionenstrahlgerä­ tes mit integriertem Sekundärelektronenspek­ trometer,

Fig. 2 eine Variante zu Fig. 1.

Das in Fig. 1 dargestellte Ionenstrahlmeßgerät enthält eine Ionenquelle 1, eine Kondensorlinse 2, ein Austast­ system 3, eine Aperturblende 4, eine Ablenkeinrichtung 5, einen Stigmator 6 sowie eine Objektivlinse 7, die drei in Strahlrichtung hintereinander angeordnete, ro­ tationssymmetrische Elektroden 7a, 7b, 7c enthält, wo­ bei die Achse 8 des Ionenstrahles mit der Achse der Objektivlinse 7 zusammenfällt.

In das Ionenstrahlgerät ist ein Sekundärelektronenspek­ trometer integriert, das im wesentlichen eine Extrak­ tionselektrode 9, eine Filterelektrode 10, einen Sekun­ därelektronendetektor 11 und einen noch näher zu erläu­ ternden Regelkreis enthält.

Der Sekundärelektronendetektor 11 besteht im wesentli­ chen aus einem Szintillator 12, der durch den inneren Bereich der mittleren Elektrode 7b der Objektivlinse 7 gebildet wird, ferner aus einem Spiegel 13 (oder einer sonstiger Optik) sowie einem Multiplier 14. Stattdessen kann der Szintillator 12 auch über einen Lichtleiter mit dem Multiplier 14 verbunden sein.

Der äußere Regelkreis enthält einen Taktgeber 15, eine Phasensteuerung 16, eine Verzögerungseinrichtung 17, eine Torsteuerung 18, einen Vorverstärker 19, eine si­ gnalverarbeitende Schaltung 20 sowie einen Verstärker 21, dessen Ausgang an die Filterelektrode 10 ange­ schlossen ist.

Der mit der Verzögerungseinrichtung 17 verbundene Aus­ gang der Phasensteuerung 16 ist weiterhin über einen Pulsgenerator 22 an das Austastsystem 3 angeschlossen.

Die Funktion des Ionenstrahlmeßgerätes bei der Potenti­ almessung (d. h. nach dem Bohren eines Loches) ist wie ­ folgt:

Das allgemeine Prinzip des Regelkreises besteht darin, das Sekundärelektronensignal auf konstanten Strom zu regeln und gleichzeitig die Phasensteuerung für das Io­ nenstrahl-Austastsystem 3 zu erzeugen.

Die vom Ionenstrahl beim Auftreffen auf die Probe 23 ausgelösten Sekundärelektronen (Pfeil 24) müssen nach Passieren der Extraktionselektrode 9 zunächst die Fil­ terelektrode 10 passieren. Da die Filterelektrode auf einem bestimmten negativen Potential liegt (das - wie noch erläutert wird - vom Regelkreis gesteuert wird), werden nur die wenigen Sekundärelektronen durch die Filterelektrode 10 durchgelassen, die eine genügend hohe Energie besitzen.

Wenn sich das Potential an der untersuchten Stelle der Probe 23 ändert, verschiebt sich die Energieverteilung der Sekundärelektronen und es kommen entsprechend mehr oder weniger Elektronen zum Szintillator 12 des Sekun­ därelektronendetektors 11. Nunmehr wird das Potential der Filterelektrode 10 so nachgeregelt, daß der Sekun­ därelektronenstrom konstant bleibt. Das Potential der Filterelektrode 10 wird somit in Abhängigkeit von dem zu messenden Potential auf der Probe 23 geändert. Damit stellt das sich ändernde Potential der Filterelektrode 10 ein Maß für das zu messende Potential der Probe 23 dar.

Im einzelnen arbeitet der äußere Regelkreis wie folgt:

Der Sekundärelektronendetektor 11 wandelt das Sekundär­ elekronensignal in ein elektrisches Signal um, das nach Verstärkung im Vorverstärker 19 durch die Torsteuerung 18 abgetastet wird. Diese Abtastung wird durch den Taktgeber 15 gesteuert, der zugleich auch die zu unter­ suchende Probe 23 treibt. Die Phasensteuerung 16 ermög­ licht hierbei die Einstellung des Abtastzeitpunktes.

Vom Ausgang der Phasensteuerung 16 wird über den Puls­ generator 22 das Austastsystem 3 des Ionenstrahles ge­ steuert. Um die Laufzeit des Ionenstrahles vom Austast­ system 3 bis zur Probe 23 zu berücksichtigen, ist die Verzögerungseinrichtung 17 vorgesehen.

In der signalverarbeitenden Schaltung 20 wird das über die Torsteuerung 18 abgetastete Ausgangssignal des Vor­ verstärkers 19 gemittelt, um das Signal-Rausch-Verhält­ nis zu verbessern. Mittels eines Komparators wird ein Vergleich mit einem Referenzwert durchgeführt, der dem gewünschten konstanten Sekundärelektronenstrom ent­ spricht. Das Ausgangssignal gelangt über den Verstärker 21 zur Filterelektrode 10 und hält in der bereits er­ läuterten Weise durch Änderung des negativen Poten­ tiales der Filterelektrode 10 den Sekundärelektronen­ strom konstant, auch wenn sich das zu messende Poten­ tial auf der untersuchten Stelle der Probe 23 ändert.

Statt eines Austastsystems 3 zum Austasten (Blanken) des Ionenstrahles kann im Rahmen der Erfindung selbst­ verständlich auch eine gepulste Ionenquelle Verwendung finden.

Während bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 die Ex­ traktionselektrode 9 und die Filterelektrode 10 zwi­ schen der Probe 23 und der der Probe 23 benachbarten Elektrode 7c der Objektivlinse 7 angeordnet sind, zeigt

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Filterelek­ trode 10 auf Höhe der der Probe 23 benachbarten Elek­ trode 7c der Objektivlinse 7 angeordnet und auf glei­ chem Potential wie diese Elektrode gehalten ist, wäh­ rend die Extraktionselektrode 9 zwischen dieser Elek­ trode 7c und der Probe 23 angeordnet ist (die Extrak­ tionselektrode 9 ist hierbei mittels eines isolierenden Elementes 25 an der Elektrode 7c gehaltert) .

Während sich bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 die Elektroden 7a und 7c auf erdnahem Potential befin­ den und die mittlere Elektrode 7b stark positiv geladen ist, entfällt beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 die Erdverbindung der Elektrode 7c, da diese Elektrode 7c elektrisch mit der vom Regelkreis gesteuerten Filter­ elektrode 7c verbunden ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Ionenstrahlgerät kann die Ob­ jektivlinse 7 auch durch eine elektrostatische Brems­ linse gebildet werden. Eine Bremslinse zeichnet sich dadurch aus, daß die Ionenenergie vor der Linse (d. h. quellenseitig) höher ist als die Ionenenergie nach der Linse (d. h. probenseitig). Dies wird durch eine ent­ sprechende Wahl der Spannungen an der ersten und drit­ ten Elektrode (7a bzw. 7c) erreicht. Bei einer Brems­ linse ist das Spannungspotential der Elektrode 7c posi­ tiver als das der Elektrode 7a.

Claims (6)

1. Ionenstrahlgerät, enthaltend

• a) eine Einrichtung (1, 3) zur Erzeugung eines ge­ pulsten Ionenstrahles,
• b) eine Ablenkeinrichtung (5) zur Ablenkung des Io­ nenstrahles,
• c) eine den Ionenstrahl auf eine Probe (23) fokus­ sierende elektrostatische Objektivlinse (7), die drei in Strahlrichtung hintereinander angeord­ nete, rotationssymmetrische Elektroden (7a, 7b, 7c) enthält, wobei die Achse (8) des Ionen­ strahls mit der Objektivlinse zusammenfällt, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
• d) in das Ionenstrahlgerät ist ein Sekundärelektro­ nenspektrometer integriert, das eine Extrakti­ onselekrode (9), eine Filterelektrode (10), einen Szintillator (12) sowie einen den Szintil­ lator mit der Filterelektrode verbindenden Re­ gelkreis enthält;
• e) der Szintillator (12) wird durch die mittlere Elektrode (7b) der Objektivlinse (7) gebildet.

2. Ionenstrahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Extraktionselektrode (9) und die Filter­ elektrode (10) zwischen der Probe (23) und der der Probe benachbarten Elektrode (7c) der Objektivlinse (7) angeordnet sind.

3. Ionenstrahlgerät nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Filterelektrode (10) auf Höhe der der Probe (23) benachbarten Elektrode (7c) der Ob­ jektivlinse (7) angeordnet und auf gleichem Poten­ tial wie diese Elektrode gehalten ist, während die Extraktionselektrode (9) zwischen dieser Elektrode (7c) und der Probe (23) vorgesehen ist.

4. Ionenstrahlgerät nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Objektivlinse durch eine elektro­ statische Bremslinse gebildet wird.

5. Verfahren zur Durchführung von Potentialmessungen an Strukturen in integrierten Schaltungen mittels eines gepulsten Ionenstrahles, dadurch gekennzeichnet, daß der Ionenstrahl während der Messung in der Richtung gerastert wird, in der die Struktur ausgedehnt ist.

6. Verfahren zur Durchführung von Potentialmessungen an Strukturen in integrierten Schaltungen mittels eines gepulsten Ionenstrahles, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ausgleich des durch den Ionenstrahl bei der Mes­ sung abgetragenen Materiales ein diesen Abtrag aus­ gleichendes leitendes Material abgeschieden wird.