DE69901787T2

DE69901787T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Abbildung eines Oberflächenpotentials

Info

Publication number: DE69901787T2
Application number: DE69901787T
Authority: DE
Inventors: Juergen Dr. Frosien
Original assignee: Advantest Corp
Current assignee: Advantest Corp
Priority date: 1999-03-31
Filing date: 1999-03-31
Publication date: 2002-11-21
Anticipated expiration: 2019-04-01
Also published as: DE69901787D1; EP1049132A1; EP1049132B1; JP2000329541A; US6429427B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Abbildung einer Oberfläche, wobei die Oberfläche mittels eines primären Teilchenstrahls abgetastet wird und an der Oberfläche ausgelöste Sekundär- und/oder Rückstreuteilchen durch einen Detektor detektiert werden.
Derartige Verfahren und Vorrichtungen in Teilchenstrahlsystemen werden beispielsweise zur unverzerrten Oberflächenabbildung und zur Messung kritischer Abmessungen und insbesondere in der Halbleiterindustrie verwendet.
US-A-3 646 344 beschreibt ein Verfahren, bei dem die an der Oberfläche einer Probe ausgelösten Teilchen durch einen Detektor detektiert werden, der eine in der Höhe einstellbare Potentialbarriere aufweist, um zwischen Elektronen zu unterscheiden, die aus Bereichen mit unterschiedlichem Potential kommen.
Um eine hohe Ausbeute und zuverlässige elektrische Spezifikationen zu gewährleisten, müssen integrierte Schaltungen mit engen Abmessungstoleranzen gefertigt werden. Jeder Verfahrensschritt wird dementsprechend in einer Teilchenstrahlvorrichtung, im wesentlichen einem Rasterelektronenmikroskop, hinsichtlich Verfahrensqualität und der Toleranzen der kritischen Abmessungen überwacht. Heutige Bauteile mit Designregeln von 0.18 um erfordern schon eine Meßgenauigkeit der kritischen Abmessungen im unteren Nanometerbereich. Da die zu untersuchenden integrierten Schaltungsschichten aus elektrisch isolierendem Material (beispielsweise Fotolackschichten) gebildet werden, kann die elektrische Aufladung durch die Abbildung der Oberfläche mittels des Teilchenstrahls zu Problemen hinsichtlich der Strahlverzerrung führen. Diese Oberflächenaufladung kann nicht nur zur Erzeugung von Bildstörungen im Bildkontrast, sondern auch zu Verzerrungen in den Abmessungen der zu überprüfenden Strukturen führen. Dies kann zu Meßfehlern bei den kritischen Abmessungen von einigen Nanometern führen, wobei sogar mehrere zehn Nanometer erreicht werden können. Die heutige Ausrüstung zur Prozeßüberwachung und zur Messung der kritischen Abmessungen verwendet Hochleistungs-Sekundärelektronenmikroskope mit niedrigen Spannungen. Niedrige Spannungen werden im Bereich von 0,5 bis 2 keV zugeführt, um Aufladungseffekte zu minimieren, die zu Ungenauigkeiten in der Strukturabbildung durch Verzerrung des Abbildungsprofils der Sekundärelektronen führen. Aufladungseffekte werden noch problematischer bei Isolatorobjekten, da keine Stromflüsse innerhalb des Materials erlaubt sind.
Fig. 2 zeigt eine typische Kurve der Ausbeute für ein isolierendes Material. Bei Erhöhung der Primärelektronenenergie erhöht sich die Gesamtausbeute bis zum Erreichen eines Maximums und verringert sich dann allmählich. Es existieren zwei Betriebspunkte E&sub1;, E&sub2;, bei denen die Gesamtausbeute 1 wird. Dies bedeutet, daß die Anzahl der eintreffenden Primärelektronen und die Anzahl der abgehenden Sekundär- und Rückstreuelektronen gleich ist:
iPE = iSE + iBSC
Gewöhnlich wird Punkt E&sub2; als bevorzugte Betriebsbedingung gewählt, um eine Aufladungsakkumulation zu vermeiden. In der Praxis kann dieser Kompensationseffekt jedoch nur im Mittel für einen größeren Oberflächenbereich erreicht werden, da die Sekundärelektronenausbeute nicht nur vom Material, sondern auch von der lokalen Form, insbesondere vom Neigungswinkel der zu messenden Struktur abhängt:
SE-Ausbeute (Neigungswinkel alpha) =
SE-Ausbeute (alpha = 0) / cos alpha
Dementsprechend gibt es einen lokalen Aufladungseffekt, welcher in Fig. 3 dargestellt ist. Die Seitenwand der in Fig. 3 dargestellten Struktur hat einen Winkel alpha. Nach dem Abtasten einer solchen Struktur kann die folgende Ladungsverteilung bei einer bestimmten Primärstrahlenergie erhalten werden: Positive Ladungen werden im wesentlichen um die Eckbereiche der Kanten vorgefunden, während negative Ladungen im wesentlichen entlang der oberen Seiten und entlang der Seitenwände verteilt sind.
Diese lokale Aufladung wird natürlich den primären Teilchenstrahl beeinflussen (ablenken) und führt dementsprechend zur Erzeugung von Bildstörungen und Meßfehlern bei der Messung der kritischen Abmessungen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verfahren und die Vorrichtung zur Oberflächenabbildung durch Verringerung der Einflüsse durch den lokalen Aufladungseffekt zu verbessern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Ansprüche 1 bzw. 7 gelöst, indem im Bereich der abzubildenden Oberfläche eine Ladungssteuerelektrode vorgesehen ist, die mit einer variablen Spannung beaufschlagt ist, um ein konstantes Oberflächenpotential aufzubauen. Die variable Spannung wird dann zur Erzeugung des Abbilds der Oberfläche verwendet.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Üblicherweise wird das Detektorsignal zur Bilderzeugung benutzt. Das Ausgangssignal des Detektors wird jedoch gemäß der Erfindung durch Steuerung der variablen Spannung konstant gehalten. Dementsprechend wird die variable Spannung zur Bilderzeugung benutzt.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung werden anhand der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und der Zeichnung näher erläutert.

In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Oberflächenabbildung,
Fig. 2 eine typische Kurve der Ausbeute bei einer isolierenden Struktur und
Fig. 3 die Ladungsverteilung einer isolierenden Struktur.
Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zur Oberflächenabbildung, enthaltend eine Quelle 1 zur Erzeugung eines primären Teilchenstrahls 2, der auf die Oberfläche 3a einer Probe 3 durch eine Objektivlinse 4 fokussiert wird. Die Quelle 1 ist vorzugsweise eine Feld- oder eine thermische Feldemissionsquelle zur Erzeugung eines Niedervolt-Elektronenstrahls. Weiterhin ist ein Kondensorlinsensystem zur Verkleinerung des Abbilds der Quelle vorgesehen. Die Objektivlinse wird vorzugsweise durch eine Einzelpollinse oder eine kombinierte magnetisch-elektrostatische Bremsfeldlinse realisiert. Es kann jedoch auch jede andere Art von Objektivlinsen verwirklicht werden. Ablenkmittel 5 werden zur Ablenkung des primären Teilchenstrahls über die Oberfläche 3a verwendet. An der Oberfläche 3a ausgelöste Sekundär- und/oder Rückstreuteilchen werden durch die Detektormittel 6 detektiert, wobei die Detektormittel 6 üblicherweise in oder vor der Linse angeordnet sind.
Die Teilchenstrahlvorrichtung enthält selbstverständlich weitere Elemente zur Strahlausrichtung, bezüglich des Stigmatismus und zur Begrenzung des Aperturwinkels, die in Fig. 1 nicht gezeigt sind.
Um die lokale Oberflächenaufladung zu umgehen, ist eine Ladungssteuerelektrode 7 vorgesehen, die nahe an der Oberfläche 3a angeordnet ist und mit einer variablen Spannung beaufschlagbar ist, die über Steuermittel 8 derart gesteuert wird, daß das Detektorausgangssignal durch Steuerung der variablen Spannung konstant gehalten wird.
Schließlich sind Mittel 9 zur Erzeugung eines Abbilds der Oberfläche 3 durch Registrierung der variablen Spannung synchron mit der Position des primären Teilchenstrahls vorgesehen. Die Mittel zur Erzeugung eines Abbilds der Oberfläche sind dementsprechend mit den Ablenkmitteln 5 und mit der Ladungssteuerelektrode 7 verbunden.
Das Abbildungsverfahren wird im folgenden näher beschrieben:
Die Oberflächenaufladung (Oberflächenpotential) wird in einem flachen Bereich der Probe 3 eingestellt. Steuerparameter sind:
- die primäre Strahlenergie (die dann auf einen vorbestimmten Wert festgelegt wird) und
- die Spannung der Ladungssteuerelektrode mittels eines Referenzwertes an den Steuermitteln (Differenzialverstärker) 8.
Die primäre Strahlenergie wird so gewählt, daß die Oberfläche 3 zur positiven Aufladung neigt. Entsprechend Fig. 2 wird die primäre Strahlenergie etwas links vom Punkt E&sub2; ausgewählt.
Die Vorspannung der Ladungssteuerelektrode 7 ist leicht negativ, um an der Oberfläche 3a ausgelöste Teilchen zu ihrem Ursprung wieder zurückzudrängen. Durch Veränderung der Spannung der Ladungssteuerelektrode kann die Oberflächenladung durch die Menge der zurückkehrenden Sekundär- oder Rückstreuteilchen eingestellt werden. Sofern die Ladungssteuerelektrode positiver ist, können mehr Teilchen an der Oberfläche ausgelöst werden und das Oberflächenpotential neigt lokal dazu, positiver zu werden. Wird die Ladungssteuerelektrode negativer, kehren die Teilchen zur Oberfläche zurück und das lokale Potential neigt dazu, negativer zu werden. Durch Veränderung der Spannung der Ladungssteuerelektrode kann jedes Potential (welches durch die gewählte primäre Strahlenergie möglich ist) der Probe ausgewählt werden. Das Oberflächenpotential wird vorzugsweise bei der Spannung der Probe gehalten, so daß Bedingungen ohne Aufladungen verwendet werden. Es können aber auch andere Zustände (beispielsweise zwischen -5 und +5 V, vorzugsweise zwischen +1 und +3 V) während der Kalibrierung verwendet werden. So verbessert eine positive Oberflächenladung beispielsweise die Abbildung von Kontaktlöchern.
Nach dieser Systemeinstellung kann die Erzeugung des Abbilds durch Strahlabtastung durchgeführt werden. Die elektronische Schaltung arbeitet mit einer Rückkopplungsschleife, indem das Detektorausgangssignal durch die Steuermittel 8 durch Steuerung der Ladungssteuerelektrode konstant gehalten wird. Für den Fall, daß die Oberfläche 3a eine höhere lokale Teilchenausbeute hat und zu einer positiveren Aufladung in diesem Bereich neigt (dies bedeutet ein höheres Detektorsignal), wird die Ladungssteuerelektrode automatisch negativer angesteuert. Dies führt dazu, daß sich die Teilchenemission in diesem Bereich reduziert und eine Aufladung zu einem positiveren Oberflächenpotential verhindert wird. Zur Erzielung einer lokalen Verringerung der Teilchenausbeute findet das entgegengesetzte Verfahren statt und das Potential der Ladungssteuerelektrode wird positiver, wodurch eine höhere Wahrscheinlichkeit der Teilchenauslösung ermöglicht wird.
Nachdem das Detektorsignal durch das oben beschriebene Verfahren konstant gehalten wird, ist das Detektorausgangssignal nicht länger zur Erzeugung eines Oberflächenabbilds, wie bei herkömmlichen Teilchenstrahlvorrichtungen, geeignet. Das oben beschriebene Verfahren registriert daher die Spannung der Ladungssteuerelektrode synchron mit der Position des Teilchenstrahls. Die Spannung der Ladungssteuerelektrode zeichnet exakt die Veränderungen in der Teilchenausbeute, die die Topographie kennzeichnet, auf.
Das oben beschriebene Verfahren ermöglicht die gleiche Ladungsbilanz an jedem Ort der Probe, was dazu führt, daß lokale Aufladungsverteilungen einschließlich all der negativen Effekte von lokalen Bildverzerrungen nicht mehr vorhanden sind.

Claims

1. Verfahren zur Oberflächenabbildung, wobei die Oberfläche (3a) durch einen primären Teilchenstrahl (2) abgetastet wird und an der Oberfläche ausgelöste Sekundär- und/oder Rückstreuteilchen (10) durch einen Detektor (6) detektiert werden,

dadurch gekennzeichnet, daß

im Bereich der abzubildenden Oberfläche (3a) eine Ladungselektrode (7) vorgesehen ist, die mit einer variablen Spannung beaufschlagt wird, um ein konstantes Oberflächenpotential aufzubauen, und die variable Spannung zur Erzeugung des Abbilds der Oberfläche verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Detektorausgangssignal durch Steuerung der variablen Spannung konstant gehalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Oberflächenpotential in der Nähe der Spannung der Probe gehalten wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Oberflächenpotential auf einer von der Probe unterschiedlichen Spannung gehalten wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die variable Spannung synchron mit der Position des primären Teilchenstrahls registriert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die primäre Teilchenstrahlenergie so ausgewählt wird, daß die Oberfläche zur positiven Aufladung neigt.

7. Vorrichtung zur Oberflächenabbildung, enthaltend

- eine Quelle (1) zur Erzeugung eines primären Teilchenstrahls (2),

- Ablenkmittel (5) zum Abtasten der Oberfläche (3a) mit dem primären Teilchenstrahl (2),

- Detektormittel (6) zum Detektieren von Sekundär- und/oder Rückstreuteilchen (10),

gekennzeichnet durch

- eine Ladungssteuerelektrode (7), die im Bereich der Oberfläche (3a) angeordnet ist und mit einer variablen Spannung beaufschlagbar ist, um ein konstantes Oberflächenpotential aufzubauen und

- Mittel (9) zur Erzeugung eines Abbilds der Ober¬ fläche durch Registrierung der variablen Spannung der Ladungssteuerelektrode (7).