Введение к работе
Актуальность теш. В настоящее время имеется устойчивый интерес к электронно-зондовои аппаратуре для исследования твердого тела на микронном и субмикронном уровнях. На основе принципов растровой электронной микроскопии (РЭМ) для твердотельной электроники разрабатываются бесконтактные неразру-шающие методы диагностики микроэлектронных структур, включая динамическое тестирование интегральных микросхем (ИМС). Это стимулировано, прежде всего, необходимостью повышения оперативности разработок, прогнозирования надежности изделий и повышения достоверности информации о причинах отказов полупроводниковых приборов и ИМО. Данная техника ориентирована на выявление ошибок, допущенных как при проектировании, так и на этапе создания ИМО, что позволяет осуществлять оперативную коррекцию проектной и технологической стадий, а в перспективных моделях электронно-зондовои аппаратуры, в интеграции с ионным пучком, обеспечивать восстановление изделий или коррекцию их параметров.
Основным режимом наблюдения объектов в РЭМ является ре-ким вторичной электронной эмиссии (ВЭЭ). До сих пор количественные методы измерения поверхностнного электрического потенциала в рекиме ВЭЭ находятся в стадии развития. Основные трудности -количественной оценки поверхностных потенциалов определяются неоднозначным влиянием локальных электрических и магнитных полей, морфологическигли и физико-химическими особенностями объектов, эффектами, связанными с модификацией электрофизических свойств поверхности твердого тела вследствии облучения электронным пучком. Проблемы, связанные с различными условиями выхода вторичных электронов, контаминации поверхности и малого отношения сигнал/шум информационного сигнала, определяют возможность получения ошибки в ходе измерений до единиц вольт'.
"В условиях преодоления "субшкронного рубеяа", а также при создании сверхскоростных ИМС актуальной является задача дальнейшего развития электронно-зондовых методов и аппаратуры для контроля поверхностных электрических потенциалов в статическом и динамическом ренамах с целью повышения достоверности тестирования реальных микроэлектронных-, объектов,
уменьшения времени поиска отказов.
Цель работы* Целью диссертационной работы является разработка и создание электронно-зондовой диагностической аппаратуры, методик и алгоритмов для субмикронного статического и динамического контроля полупроводниковых приборов и ИЫС в режиме вторичной электронной эмиссии, основанного на анализе топографического, физико-химического и электрического потенциальных контрастов.
для достижения поставленной цели-в диссертационной работе решались следующие основные задачи:
анализ методов выделения потенциального контраста на поверхности гетерогенных микроэлектронных объектов в режиме ВЭЭ и определение аналитических возможностей коллекторно-внализирующих систем (КАС); -
разработка конструкции КАС и оптимизация ее парамеров методами математического и физического моделирования, для исследований спектра ВЭЭ с повышенными требованиями к чувствительности и энергетическому разрешению;
разработка системы стробирования электронного зонда для диагностики быстродействующих ИМС;
разработка методик электронно-зондового контроля параметров ИМС в статических и динамических режимах работы.
Методы исследования. Основные результаты работы получены на базе использования физических основ взаимодействия электронного пучка с твердым телом, методов математического и физического моделирования электронных потоков в стационарных электростатических и магнитных полях» методов функционального анализа, теории цепей и сигналов, статистической теории информации, методов структурного и системного программирования.
Научная новизна работы:
-
Предложена конструкция электронно-оптической системы для аппаратуры неразрушающего контроля микроэлектронных структур в режиме ВЭЭ при низких ускоряющих напряжениях U1 кВ) с высоким пространственным разрешением (~0,1 мкм), обеспечивающая чувствительность к электрическому потенциалу, в статическим режиме, на уровне миливольт.
-
Предложена конструкция энергоанализатора порогового
типа, встроенного в объективную линзу, представляющая собой аксиально-симметричную коллекторно-анализирующую систему с анализом электронов по полной скорости, обеспечивающая высокое пространственное и энергетическое разрешение и позволяющая проводить исследования на уровне пластин.
-
Предложена конструкция тракта детектирования вторичных электронов (ВЭ), позволяющая избежать ряда нелинейных преобразований при обработке сигнала вторичной электронной эмиссии, и значительно уменьшить влияние шумов и искажений в динамическом режиме наблюдений.
-
Предложена конструкция специализированного импульсного генератора для системы гашения луча в стробоскопическом режиме работы электронно-зондовой аппаратуры при динамической диагностике ИМС, обеспечивающая временное разрешение не хуже 100 пс.
Практическая значимость работы:
Создан автоматизированный электронно-зондовый комплекс для диагностики и анализа отказов ИМС в статическом и динамическом режимах, соответствующий перспективным требованиям процесса разработки-и производства микроэлектронных приборов. В созданном комплексе:
-
Разработано аппаратное и алгоритмическое обеспечение для контроля и тестирования полупроводниковых приборов и ИМС в режиме ВЭЭ в статике и динамике.
-
Реализована КАС порогового типа, встроенная в объективную линзу,позволяющая проводить контроль микроэлектронных структур в режиме ВЭЭ в диапазоне рабочих напряжений ±15 В.
-
Реализован тракт регистрации сигнала в режиме счета электронов, позволяющий повысить временное разрешение и соотношение сигнал/шум при динамических исследованиях.
-
Реализован специализированный импульсный генератор для системы гашения луча в стробоскопическом режиме работы электронно-зондового комплекса с временшїм разрешением не хуже 100 ПС.
-
Разработана и реализована система фильтрации, обработки и хранения изображения, позволяющая сократить время взаимодействия электронного зонда с объектом и в значительной степени снизить дозу его облучения.
Научные положения, выносимые на защиту:
-
Применение метода счета вторичных электронов при-регистрации потенциального контраста в динамическом режиме исследований ИМС позволяет уменьшить число промежуточных нелинейных преобразовашій сигнала вторичной электронной эмиссии, улучшить временные и энергетические параметры тракта регистрации и соотношения сигнал/шум.
-
Высокое пространственное и энергетическое разрешение в режиме вторичной электронной эмиссии обеспечивает' конструкция анализатора, встроенного в объективную линзу электронно-оптической системы, представляющего собой аксиально-симметричную коллекторно-анализирующую систему порогового типа, с анализом электронов по полной скорости.
-
Основным фактором, ограничивающим чувствительность и определяющим погрешность электронно-зондового Метода измерения поверхностного электрического потенциала в условиях .традиционных вакуумных систем, является процесс взаимодействия электронного пучка с веществом, приводящий к локальной модификации электрофизических и физико-химических свойств поверхности твердого тела и вызывающий значительное изменение спектра ВЭЭ. ..
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:
Международной конференции "Микроэлектроника-90" (Болгария, г. Варна, 1990 г.),
VII Всесоюзном симпозиуме по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел "РЭМ-91" (г. Звенигород, 1991 Г.),
VIII симпозиуме по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел "РЭМ-93" (Черноголовка, 1993 г.),
трех конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ.
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликованы статья и тезисы к двум конференциям.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четыре* глав с выводами, заключения и списка литературы, включающего 79 наименований. Основная часть работы изложена
на 93 страницах машинописного текста. Работа содержит 43 рисунка и 4 таблицы.
