WO2025119434A2 - Method for inspecting a semiconductor sample using a secondary-ion mass spectrometer with a focused ion beam, and analysis device for this purpose - Google Patents
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- H01J49/142—Ion sources; Ion guns using particle bombardment, e.g. ionisation chambers using a solid target which is not previously vapourised
Definitions
- the invention relates to an examination method for a semiconductor sample by means of a secondary ion mass spectrometer with a focused ion beam having the features of the preamble of claim 1 and to an analysis device therefor having the features of the preamble of claim 13.
- Quantum error correction is a critical aspect of quantum computing. With multiple devices on a wafer, error correction becomes more complex, as errors in one device can affect neighboring devices. Developing error correction strategies that are both effective and scalable is an important task.
- Quantum devices can consist of multiple components, such as qubits, control electronics, and readout systems. Seamlessly integrating these components on a single wafer while maintaining their functionality is challenging.
- Quantum devices are sensitive to noise, including temperature fluctuations and electromagnetic radiation. Controlling and shielding these sources of interference is challenging when multiple devices are densely packed on a wafer.
- Qubit crosstalk In quantum computing, qubits (quantum bits) should ideally not interact with each other unless they are intentionally coupled. On a wafer with multiple qubits, preventing unintentional interactions, or crosstalk, between neighboring qubits is a major challenge.
- SIMS Secondary ion mass spectrometry
- SIMS is used for process control in semiconductor manufacturing. It helps ensure the consistency and quality of thin-film deposition, ion implantation, etching, and other processes by analyzing the elemental composition of materials at various process steps. This helps identify deviations or impurities that could affect the performance of the final product.
- SIMS is very useful for identifying and characterizing defects in semiconductor materials and devices. It can detect tiny traces of contaminants or foreign materials that can cause defects in integrated circuits (ICs). This is critical for improving yield and reliability.
- SIMS is particularly well-suited for depth profiling, which allows semiconductor manufacturers to determine the distribution of dopants, impurities, and other materials within the various layers of semiconductor devices. This information is essential for optimizing chip performance and reliability.
- SIMS can create elemental maps that show the spatial distribution of different elements on a semiconductor surface. This is valuable for identifying patterns, variations, and material interactions that are critical for process optimization and device performance.
- SIMS is used in research and development to develop new materials and processes for semiconductor manufacturing.
- researchers can use SIMS to understand the behavior of materials at the atomic and molecular level, which is essential for the development and improvement of semiconductor technologies.
- SIMS Thin-film characterization
- SIMS can be used to monitor the success and accuracy of ion implantation processes, which are essential for creating specific doping profiles in semiconductor materials.
- SIMS can detect trace elements and impurities in semiconductor materials. Even small amounts of impurities can affect the performance of components, which is why accurate detection with high sensitivity is crucial.
- the area to be analyzed on the semiconductor sample is first located while using the SIMS and the actual examination is then carried out by remaining in this area.
- SIMS SIMS
- a disadvantage of using SIMS to examine thin-film semiconductor topographies is that each irradiation process reduces the semiconductor structure to an extent that is relevant in relation to the original structure thickness. While conventional semiconductor structures with a typical layer thickness of >1 00nm retain electrical functionality despite structural loss caused by one or more SIMS analysis processes, this is not the case with modern thin-film structures with a thickness of 25nm and less. With each SIMS analysis process, structural loss and primary ion implantation occur in an irradiated area. These losses are so significant that - depending on the grid density - electrical functionality is no longer guaranteed after just a few passes, or fault detection cannot be continued using the same wafer.
- the object of the invention is therefore in particular to improve an examination method for a semiconductor sample by means of a secondary ion mass spectrometer (SIMS) with a focused ion beam (FIB) in such a way that the structural loss or the primary ion implantation on the semiconductor sample is reduced, so that a larger number of examination runs for testing several ROI on the same semiconductor sample is possible, wherein the electrical functionality of the semiconductor structure is preferably maintained, and largely automatic and well reproducible analyses are made possible.
- SIMS secondary ion mass spectrometer
- FIB focused ion beam
- the basic idea of the invention is to first specifically approach the target region in the semiconductor structure that is of interest for the examination (so-called region of interest, ROI) using navigation data obtained in advance that relate to the semiconductor structure, and to expose the semiconductor structure to the focused ion beam only in the approached ROI.
- ROI region of interest
- ion beam Whenever reference is made to an “ion beam,” this always refers to a “focused ion beam” (FIB), which is known as a means of surface analysis using emitted ions, usually gallium or helium.
- FIB focused ion beam
- the ion beam is focused to a point using electrostatic and magnetic lenses and scanned line by line across the surface. Secondary electrons emerge from the surface, which are detected and create an image of the surface.
- this always involves ablation of the structure to be analyzed. According to the invention, this unavoidable ablation is shifted to regions located outside the semiconductor structure to be analyzed.
- the sample stage is initially moved using only navigation data so that the focused ion beam can initially be applied to a region of the sample that does not require precise analysis.
- an existing or specially added, clearly visible mark is irradiated with the focused ion beam in order to make a correction using the target position derived from the navigation data and the actual position determined during material removal.
- the mark can be a characteristic structural feature within the semiconductor structure to be analyzed, for example, an angle or an intersection point.
- the testing method presented here is particularly suitable for samples from semiconductor production (e.g. CMOS, compound semiconductors, etc.).
- semiconductor production e.g. CMOS, compound semiconductors, etc.
- semiconductor in the sense of the present invention also includes structures made of materials which are not semiconducting in the physical-electrical sense, but which are applied to similar substrates using similar manufacturing methods as in semiconductor production and with similar layer thicknesses and structure sizes.
- the method also applies to other samples for which precise navigation data are available, such as rock samples that have been previously examined using an SEM or light microscope.
- the term "semiconductor sample” will be used only for generalization purposes.
- semiconductor samples in the sense of the invention refer to complete wafers containing multiple dies, to a sequence of multiple dies, or to a single die on a substrate.
- the method thus relates to the examination of semiconductor structures regardless of their Size and arrangement.
- the examination method of the invention can be applied several times, for each substrate individually.
- an electronic image comparable to an SEM image and/or another data set should be obtained that is suitable for characterizing the semiconductor structure in the area of the irradiated ROI.
- This can, for example, also include measurement results that detect contamination with foreign atoms.
- the image can be an image obtained from the secondary electron emissions, visible to the human eye, which is comparable to an image taken by a scanning electron microscope.
- Other data sets that can be acquired include point spectra, line spectra, or image spectra. If point, line, or image spectra are recorded, a complete spectrum is available for each pixel.
- the data formats used for this are usually proprietary to the manufacturer, and the data volume is large. Alternatively, one can choose to record only scalar values, such as the sum of a copper signal, per pixel. This can produce an image with a false color representation in .bmp or .tif format. In this case, the data volume is significantly smaller, yet, in the example mentioned, a measure of the copper distribution can still be obtained.
- the sputtering effect causes the beam to "burrow" into the depth of the sample.
- a depth profile in the Z direction is then obtained for this X,Y point.
- Such ablation with the aim of obtaining a depth profile can be achieved according to the invention not only selectively, but also by tracing a path in the plane, in that by repeatedly executing the analysis scan with the same navigation data at least one upper semiconductor layer is partially ablated and an examination is made possible in a further semiconductor layer located below the partially ablated semiconductor layer.
- an “other data set” within the meaning of the present invention includes point spectra, line spectra and/or image spectra and/or images showing the distribution of a single element and/or a depth profile reflecting the distribution of an element in the Z direction.
- Navigation data for the semiconductor sample can be obtained from:
- data-based navigation means that reproducible data relating to geometric features of the semiconductor structure on the semiconductor sample are obtained before the region of interest is approached and the ion beam directed at any location on the semiconductor structure is switched on.
- the targeted approach to the target region is made possible, on the one hand, by placing the semiconductor sample with the semiconductor structure to be examined on a very precisely movable sample stage, such as a so-called laser interferometer stage.
- the invention provides for the semiconductor sample to be positioned with one or more separately mounted on the substrate formed positioning marks outside the semiconductor structure to be examined or to select characteristic geometric points within the semiconductor structure at which multiple irradiation with the ion beam is possible.
- “Positioning marks” within the meaning of the present invention are therefore all reliably detectable points on the substrate of the semiconductor sample which are formed in addition to the semiconductor structure or which are selected within the semiconductor structure and for which multiple irradiation is possible without disadvantages.
- the area on the semiconductor sample containing at least one positioning mark is positioned under the ion beam based on a target value.
- the target value is calculated from the navigation data used to prepare the semiconductor sample and a fixed, known position on the sample stage.
- An initial pre-scan is then performed to analyze the area of the semiconductor sample with at least one positioning mark.
- This pre-scan can be performed using known SIMS or SE detection methods.
- the sample-internal coordinate system can be aligned with the coordinate system of the sample stage.
- errors in the positioning of the semiconductor sample can be detected not only in the XY plane of the sample stage, but also a rotation of the semiconductor sample relative to the sample stage and an error in the zoom factor, which arises, for example, from a different distance between the sample surface and the radiation source.
- the sample stage is moved relative to the stationary ion beam source and, using the distances known from the navigation data, is moved in the sample stage plane to precisely target the ROI to be examined in the semiconductor structure. Only then is a SIMS analysis of the ROI performed under ion irradiation.
- Data-driven navigation enables precise and accurate sample positioning. It ensures that the SIMS instrument precisely targets the location of interest on the sample surface or within a complex structure. This precision is critical for analyzing specific features, layers, or structures in semiconductor devices or other materials.
- Data-driven navigation streamlines the data acquisition process. By precisely specifying the areas of interest or features, e.g., in a CAD model, the SIMS device can automatically scan and analyze these specific regions, eliminating time-consuming manual adjustments.
- the primary ion beam can cause sputtering and thus damage to the sample surface, as well as unwanted implantation of the primary ions.
- Data-based navigation minimizes this damage by ensuring that the ion beam only reaches the intended areas of the semiconductor sample. scanned and the integrity of the neighboring regions is preserved. In particular, this ensures that the ROI itself is not damaged by orientation scans that would otherwise be necessary.
- CAD models can accurately represent complex 3D structures. This is especially valuable in semiconductor manufacturing, where modern chips feature complicated architectures. Data-driven navigation enables SIMS to analyze specific layers, trenches, and vias within these complex structures.
- Data-based navigation facilitates the correlation of SIMS data with other data sources, such as optical or electron microscopic images.
- data sources such as optical or electron microscopic images.
- researchers can accurately correlate SIMS results with the specific characteristics of other imaging modalities.
- the analysis scan can be performed:
- spot mode a stationary position
- raster scan mode an X/Y scan
- a route predefined from navigation data or a route which may also be a polygonal route (“shape mode”).
- the above analysis scan modes can also be performed multiple times in succession to examine the depth of the sample (Z-direction) using the sputtering effect.
- the examination method in this embodiment involves burrowing the ion beam into the depth of the semiconductor structure. To do this, the upper layers must be partially removed. For this purpose, the ion beam's intensity and/or irradiation time per unit area are varied so that its effect on the sample is increased beyond that required for pure SIMS analysis.
- CAD data as navigation data
- a section of an etched trench with a curve or trenches with a specific design width can be irradiated. This can be done for repeating substructures of the semiconductor structure, thus obtaining a statistical distribution or distribution across the entire wafer or substrate of the semiconductor sample. This distribution then provides information about the size of a process window.
- the probe size should be smaller than the structure to be examined, such as the width of a trench.
- the analytical scan also increases the signal-to-noise ratio for very thin layers, such as those formed by impurities, because much more material is available for analysis than with a pure point analysis.
- the positioning means and the diameter of the ion beam are matched to achieve a resolution of better than 20 nm in trench analysis scans.
- An advantageous variant of the examination method provides for the use of a semiconductor sample that has at least three positioning marks arranged at different locations on the same substrate as the semiconductor structure to be analyzed, which are not all arranged on the same straight line. This allows for the precise measurement of a reference point in a two-dimensional plane.
- correction data for a position correction in the reference system of the sample stage and/or for the height of the semiconductor sample on the sample stage relative to a primary ion column emitting the focused ion beam and/or a rotation error of the semiconductor sample relative to the stationary housing with the primary ion column are determined, and the alignment is performed based on this correction data. This makes the subsequent structural elucidation even more precise.
- the positioning marks can preferably be formed with a thickness that is significantly greater than the layer thickness of the semiconductor structures to be determined in subsequent analysis scans, and in particular, 2 to 4 times the thickness of the semiconductor structure. This allows for a certain amount of material removal through multiple raster scans.
- the raster speed for the preliminary scan performed for alignment purposes is increased compared to the subsequent analysis scan, for example, by a factor of 2 to 4. This means that the pixel dwell time is shorter and the irradiation intensity is lower, which leads to less destruction of the positioning marks.
- the increased image noise caused by a higher raster speed is not harmful because the positioning marks are large relative to the size of the ROI and are geometrically designed, e.g., as a cross, so that their center of gravity, or their center, used as the coordinate system origin or reference point, can still be reliably identified.
- a preferred embodiment of the examination method of the invention provides that certain size ratios are selected and the positioning marks are made large compared to the smallest structures to be resolved, namely in particular 2 to 4 times the areal extent of the ROI, wherein the areal extent of the ROI is at least twice the size of the focused ion beam.
- the physical limit for lateral resolution for SIMS is approximately 10 nm due to the lateral extent of the "collision cascade," which describes the area from which secondary ions are emitted by the sample.
- a lateral resolution of ⁇ 20 nm can thus routinely be expected. This makes the positioning marks robust against unwanted sputtering during the pre-scans.
- An analysis device suitable for carrying out the examination method is specified in claim 13. This initially includes a secondary ion mass spectrometer, comprising
- the mass spectrometer unit contains a mass analyzer that separates the secondary ions according to their mass-to-charge ratio.
- the analysis device also comprises a sample stage that is laterally movable in at least two spatial coordinates, with the sample stage plane aligned perpendicular to the focused ion beam.
- the sample stage in particular, has a drive system for moving the sample stage relative to the stationary sample chamber.
- spindles driven by DC motors or stepper motors can be provided.
- the sample stage also includes a feedback measuring system to determine the position of the sample stage within the sample chamber and, if necessary, its travel speed.
- the feedback measuring system can be an encoder connected to the spindle, or encoders mounted on glass measuring rods positioned off the spindle.
- a laser interferometer is particularly preferred to achieve the highest possible accuracy in motion monitoring. With its spatial resolution in the sub-nanometer range, this allows for the successful targeting of structures on chips with repetitive motions in the range of a few nanometers, such as memory structures. Examining critical points in repetitive structures requires a spatial precision significantly better than half the pitch of the structure.
- a particularly preferred embodiment provides for the use of a shift piezo actuator in the drive devices of both axes. Unlike the main drives, e.g., DC motors, the shift piezo actuators can move the sample stage continuously and smoothly. Due to the very small travel distances made possible by the use of the shift piezo actuators, the use of a laser interferometer as a feedback measurement system is required in this embodiment to fully utilize the possible precision in the nm range.
- the analysis device also includes a stage control unit to control the drives of the sample stage.
- the following describes the implementation of an analysis using an analysis device that has a stage control unit for the sample stage and a control PC for the secondary ion mass spectrometer, as well as an ion column in which the ion beam is deflected via electrostatic or electromagnetic fields, for which a further control unit is provided.
- the invention provides a data link between the control units in order to coordinate the emission of the ion beam with the movement of the stage.
- control units for the ion beam, sample stage, and SIMS are monitored and controlled by a global control unit. These control units can be physically separate or integrated into the global control unit.
- the ion source is started so that a stable ion beam is emitted. Furthermore, the column is aligned so that the beam passes centrally through the beam aperture with the smallest possible Diameter, depending on the diameter of the beam aperture, and round shape, can impinge on the sample. This procedure is performed on a "dummy" sample or at a corner of the actual sample to prevent damage to the ROIs by sputtering or ion implantation.
- the sample stage can perform its first target movement, e.g., to move to the area of one of the positioning marks on the semiconductor sample.
- a travel command with an X-Y target coordinate is sent from the control PC to the stage control unit.
- This unit first calculates a travel profile, i.e., X-Y target values from the start time to arrival.
- the profile typically includes acceleration and deceleration processes.
- the journey is carried out, with the stage control unit continuously controlling or checking the following actions, for example with a frequency of 10 kHz:
- the stage control unit determines that the target position has been reached as soon as the actual position is within a preselected tolerance zone, the so-called error band.
- This is typically set to twice the spot size of the ion beam. For example, if the spot size is 5 nm, the error band size is set to 10 nm.
- the stage control unit then switches off the actuators and sends a message to the control PC that the target position has been successfully reached.
- Fig. 1 shows a schematic representation of an analysis device for examining a semiconductor sample
- Fig. 2 the trajectory of a primary ion beam on a semiconductor sample in a schematic, perspective view
- Fig. 3A, 3B each show a semiconductor sample on a sample stage from above.
- Figure 1 shows an analysis device 100 for examining a semiconductor sample. This largely corresponds to the known design of a secondary electron mass spectrometer, with only the selection of a sample stage 20 being specifically adapted for carrying out the analysis method according to the invention.
- a high-vacuum sample chamber 11 is formed in a pressure-resistant and hermetically sealable housing 10.
- the sample stage 20 is arranged therein. It comprises a base 21, which is firmly connected to the housing 10, and the actual sample stage 20, on which a semiconductor sample 30 can be mounted and which is movable at least two-dimensionally relative to the base, generally in a Cartesian coordinate system.
- the high-vacuum Sample chamber 11 can be evacuated so that a high vacuum can be created.
- a primary ion source 12 is arranged in a vertically aligned column at the top of the housing 20. The ion beam 13 emitted from there is aligned perpendicular to the sample stage 20.
- An extraction unit 14 is arranged between the primary ion source 12 and the sample stage 20. This extraction unit serves to collect, focus, and laterally divert the secondary ions released from a semiconductor sample placed on the sample stage 20.
- the secondary ion beam 16 thus formed and laterally deflected is focused by transfer lenses 15 and directed to a mass spectrometer unit 17, where the secondary ions are separated according to their mass-to-charge ratio and guided to a detector.
- stage control unit 22 The stage control unit 22 is connected to a control PC 18, which also controls the primary ion source 12 and on which the signals generated in the detector of the mass spectrometer unit 17 are visualized.
- Figure 2 shows a schematic, perspective view of a semiconductor sample 30 placed on the sample stage. It comprises several semiconductor structures to be examined, each forming a region of interest (ROI) 31, and a total of three positioning marks 33, 34, 35 in two edge strips.
- the semiconductor sample 30 can be moved relative to the stationary and vertically aligned primary ion beam 13 using a movement path 32 specified by the control unit of the sample stage. This allows a line scan 42 to be performed or an image 31 of the semiconductor sample 30, or of individual ROIs 31 thereon, to be generated. Furthermore, the areas with the cross-shaped positioning marks 33, 34, 35 can be targeted.
- Figure 3A shows a top view of the semiconductor sample 30 mounted on the sample stage 20.
- the sample stage 20 can be moved in the X and Y directions.
- the sample stage 20 is positioned so that the ion beam is above a positioning mark 35.
- a target position 35' for the positioning mark 35 is derived from the manufacturing data of the semiconductor sample 30.
- the target position 35' is indicated in Figure 3A by the dashed crosses. Due to the manual placement of the semiconductor sample 30 on the sample stage 20, a deviation between the theoretical target position 35' determined from CAD data of the semiconductor sample 30 and the actual position is to be expected. Therefore, the primary ion beam 13 is switched on at the target position 35' to perform an imaging pre-scan, which is represented by the dashed circle.
- the positioning mark 35 is detected in the edge area of the detection range around the target position 35'.
- the preliminary scan is repeated by moving to the target positions 33', 34' for the positioning marks 33, 34 to also detect possible rotation and zoom errors.
- the coordinate system derived from the CAD data of the semiconductor sample 30 and the actual coordinate system on the sample stage are aligned so that all target positions match the actual positions, as shown in Figure 3B.
- a movement path 32 can be generated by means of the control unit in order to place the primary ion beam 13 exactly on an ROI 31 in order to perform an analysis scan there.
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Abstract
Description
Untersuchungsverfahren für eine Halbleiterprobe mittels eines Sekun- därionen-Massenspektrometers mit einem fokussierten lonenstrahl und Analysevorrichtung dafür Method for analyzing a semiconductor sample using a secondary ion mass spectrometer with a focused ion beam and analysis device therefor
Technisches Gebiet Technical field
Die Erfindung betrifft ein Untersuchungsverfahren für eine Halbleiterprobe mittels eines Sekundärionen-Massenspektrometers mit einem fokussierten lonenstrahl mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sowie eine Analysevorrichtung dafür mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 13. The invention relates to an examination method for a semiconductor sample by means of a secondary ion mass spectrometer with a focused ion beam having the features of the preamble of claim 1 and to an analysis device therefor having the features of the preamble of claim 13.
Stand der Technik State of the art
Die Herstellung mehrerer Bauelemente im Wafer-Maßstab ist mit mehreren bedeutenden Herausforderungen verbunden, von denen viele mit der empfindlichen und präzisen Natur z. B. von Quantenbauelementen und gezielten Technologien Zusammenhängen. Zu diesen Herausforderungen gehören: Manufacturing multiple devices at wafer scale presents several significant challenges, many of which are related to the delicate and precise nature of quantum devices and targeted technologies. These challenges include:
- Gleichmäßigkeit und Konsistenz: Die Bauelemente erfordern eine präzise Kontrolle der Materialien und Herstellungsverfahren. Das Erreichen von Einheitlichkeit und Konsistenz bei allen Bauelementen auf einem Wafer ist entscheidend für ihren zuverlässigen Betrieb. Abweichungen bei Materialien, Abmessungen oder Verarbeitungsschritten können zu Abweichungen von Chip zu Chip führen. - Uniformity and consistency: Devices require precise control of materials and manufacturing processes. Achieving uniformity and consistency across all devices on a wafer is critical to their reliable operation. Variations in materials, dimensions, or processing steps can lead to chip-to-chip variations.
- Fertigungstoleranzen: Bauelemente erfordern oft eine Fertigung im Nanobereich mit extrem engen Toleranzen. Das Erreichen dieser Toleranzen über einen großen Wafer hinweg kann technisch anspruchsvoll sein und spezielle Fertigungstechniken erfordern. - Manufacturing tolerances: Components often require manufacturing at the nanoscale with extremely tight tolerances. Achieving these tolerances across a large wafer can be technically challenging and require special manufacturing techniques.
- Kosten: Das Hochskalieren der Produktion auf Waferebene kann aufgrund des Bedarfs an Spezialausrüstung und Reinraumeinrichtungen teuer sein. Kosteneffiziente Herstellungsmethoden für Geräte sind eine ständige Herausforderung. - Cost: Scaling up production to the wafer level can be expensive due to the need for specialized equipment and cleanroom facilities. Cost-effective device manufacturing methods are a constant challenge.
Die Erforschung und Herstellung von Quantenbauelementen ist ein vielversprechender Bereich, in dem sowohl akademische Gruppen als auch Industrieunternehmen bereits aktiv sind. Einige spezifische Herausforderungen für diese neue Anwendung sind: The research and fabrication of quantum devices is a promising field in which both academic groups and industrial companies are already active. Some specific challenges for this new application include:
- Fehlerkorrektur: Die Quantenfehlerkorrektur ist ein kritischer Aspekt der Quanteninformatik. Mit mehreren Bauelementen auf einem Wafer wird die Fehlerkorrektur komplexer, da sich Fehler in einem Bauelement auf benachbarte Bauelemente auswirken können. Die Entwicklung von Fehlerkorrekturstrategien, die sowohl effektiv als auch skalierbar sind, ist eine wichtige Aufgabe. - Error correction: Quantum error correction is a critical aspect of quantum computing. With multiple devices on a wafer, error correction becomes more complex, as errors in one device can affect neighboring devices. Developing error correction strategies that are both effective and scalable is an important task.
- Integration von Komponenten: Quantenbauelemente können aus mehreren Komponenten bestehen, z. B. Qubits, Steuerelektronik und Auslesesysteme. Die nahtlose Integration dieser Komponenten auf einem einzigen Wafer unter Beibehaltung ihrer Funktionalität stellt eine Herausforderung dar. - Integration of components: Quantum devices can consist of multiple components, such as qubits, control electronics, and readout systems. Seamlessly integrating these components on a single wafer while maintaining their functionality is challenging.
- Prüfung und Kalibrierung: Jedes Quantenbauelement muss einzeln getestet, kalibriert und charakterisiert werden, um sicherzustellen, dass es die Leistungsspezifikationen erfüllt. Dies wird umso zeit- und ressourcenaufwändiger, je größer die Anzahl der Bauelemente auf einem Wafer ist.- Testing and calibration: Each quantum device must be individually tested, calibrated, and characterized to ensure it meets performance specifications. This becomes increasingly time- and resource-intensive the larger the number of devices on a wafer.
- Rauschen: Quantenbauelemente reagieren empfindlich auf Rauschgrößen, einschließlich Temperaturschwankungen und elektromagnetischer Strahlung. Die Beherrschung und Abschirmung dieser Störquellen ist eine Herausforderung, wenn mehrere Bauelemente dicht gepackt auf einem Wafer angeordnet sind. - Qubit-Nebensprechen: In der Quanteninformatik sollten Qubits (Quantenbits) idealerweise nicht miteinander interagieren, es sei denn, sie sind absichtlich gekoppelt. Auf einem Wafer mit mehreren Qubits ist es eine große Herausforderung, unbeabsichtigte Wechselwirkungen bzw. Übersprechen zwischen benachbarten Qubits zu verhindern. - Noise: Quantum devices are sensitive to noise, including temperature fluctuations and electromagnetic radiation. Controlling and shielding these sources of interference is challenging when multiple devices are densely packed on a wafer. - Qubit crosstalk: In quantum computing, qubits (quantum bits) should ideally not interact with each other unless they are intentionally coupled. On a wafer with multiple qubits, preventing unintentional interactions, or crosstalk, between neighboring qubits is a major challenge.
- Skalierbarkeit: Mit der zunehmenden Anzahl von Quantenbauelementen auf einem Wafer steigt auch die Komplexität der Steuerungs- und Auslesesysteme. Die Skalierung von Quantentechnologien, um viele Bauelemente auf einem einzigen Wafer unterzubringen, ohne die Leistung zu beeinträchtigen, stellt eine große technische Herausforderung dar. - Scalability: As the number of quantum devices on a wafer increases, so does the complexity of the control and readout systems. Scaling quantum technologies to accommodate many devices on a single wafer without compromising performance represents a major technical challenge.
Die Bewältigung dieser Herausforderungen erfordert eine Kombination aus fortschrittlicher Materialwissenschaft, Fertigungstechniken, Fehlerkorrekturstrategien und Systemintegrationsansätzen. Addressing these challenges requires a combination of advanced materials science, manufacturing techniques, error correction strategies, and system integration approaches.
Um Halbleiterstrukturen zu untersuchen, gerade auch bei einer den Fertigungsprozess begleitenden Fehleranalyse, ist die Sekundärionen-Massen- spektrometrie (SIMS) eine leistungsstarke Analysetechnik. SIMS liefert detaillierte Informationen über die Zusammensetzung, Struktur und Verteilung von Elementen und Isotopen auf der Oberfläche und in diesem Zusammen auch innerhalb von Halbleitermaterialien. Die wichtigsten Anwendungsbereiche für SIMS in der Halbleiterindustrie sind: Secondary ion mass spectrometry (SIMS) is a powerful analytical technique for investigating semiconductor structures, especially during failure analysis during the manufacturing process. SIMS provides detailed information about the composition, structure, and distribution of elements and isotopes on the surface and, in this context, within semiconductor materials. The most important applications for SIMS in the semiconductor industry are:
- Prozesskontrolle und Qualitätssicherung: SIMS wird für die Prozesskontrolle bei der Halbleiterherstellung eingesetzt. Es trägt dazu bei, die Konsistenz und Qualität der Dünnschichtabscheidung, der Ionenimplantation, des Ätzens und anderer Prozesse zu gewährleisten, indem die elementare Zusammensetzung der Materialien in verschiedenen Prozessschritten analysiert wird. Dies hilft bei der Identifizierung von Abweichungen oder Verunreinigungen, die die Leistung des Endprodukts beeinträchtigen könnten. - Process control and quality assurance: SIMS is used for process control in semiconductor manufacturing. It helps ensure the consistency and quality of thin-film deposition, ion implantation, etching, and other processes by analyzing the elemental composition of materials at various process steps. This helps identify deviations or impurities that could affect the performance of the final product.
- Defekt-Analyse: SIMS ist für die Identifizierung und Charakterisierung von Defekten in Halbleitermaterialien und -geräten von großem Nutzen. Es kann winzige Spuren von Verunreinigungen oder Fremdmaterialien aufspüren, die Defekte in integrierten Schaltungen (ICs) verursachen können. Dies ist entscheidend für die Verbesserung der Ausbeute und Zuverlässigkeit. - Defect analysis: SIMS is very useful for identifying and characterizing defects in semiconductor materials and devices. It can detect tiny traces of contaminants or foreign materials that can cause defects in integrated circuits (ICs). This is critical for improving yield and reliability.
- Tiefenprofilierung: SIMS eignet sich besonders gut für die Tiefenprofilierung, die es Halbleiterherstellern ermöglicht, die Verteilung von Dotierstoffen, Verunreinigungen und anderen Materialien in den verschiedenen Schichten von Halbleiterbauelementen zu bestimmen. Diese Informationen sind für die Optimierung der Leistung und Zuverlässigkeit der Chips unerlässlich. - Depth Profiling: SIMS is particularly well-suited for depth profiling, which allows semiconductor manufacturers to determine the distribution of dopants, impurities, and other materials within the various layers of semiconductor devices. This information is essential for optimizing chip performance and reliability.
- Elementare Kartierung („Mapping“): SIMS kann Elementkarten erstellen, die die räumliche Verteilung der verschiedenen Elemente auf einer Halbleiteroberfläche zeigen. Dies ist wertvoll für die Identifizierung von Mustern, Variationen und Materialinteraktionen, die für die Prozessoptimierung und die Leistung der Bauelemente entscheidend sind. - Elemental mapping: SIMS can create elemental maps that show the spatial distribution of different elements on a semiconductor surface. This is valuable for identifying patterns, variations, and material interactions that are critical for process optimization and device performance.
- Materialforschung und -entwicklung: SIMS wird in der Forschung und Entwicklung eingesetzt, um neue Materialien und Verfahren für die Halbleiterherstellung zu entwickeln. Forscher können SIMS nutzen, um das Verhalten von Materialien auf atomarer und molekularer Ebene zu verstehen, was für die Neuentwicklung und Verbesserung von Halbleitertechnologien unerlässlich ist. - Materials research and development: SIMS is used in research and development to develop new materials and processes for semiconductor manufacturing. Researchers can use SIMS to understand the behavior of materials at the atomic and molecular level, which is essential for the development and improvement of semiconductor technologies.
- Charakterisierung von Dünnschichten: SIMS wird häufig zur Charakterisierung der Zusammensetzung von Dünnschichten und Mehrschichtstrukturen in Halbleiterbauelementen eingesetzt. Dies ist wichtig, um die Eigenschaften dieser Materialien für bestimmte Anwendungen zu optimieren.- Thin-film characterization: SIMS is widely used to characterize the composition of thin films and multilayer structures in semiconductor devices. This is important for optimizing the properties of these materials for specific applications.
- Überwachung der Ionenimplantation: SIMS kann zur Überwachung des Erfolgs und der Genauigkeit von lonenimplantationsprozessen eingesetzt werden, die für die Erstellung spezifischer Dotierungsprofile in Halbleitermaterialien unerlässlich sind. - Ion implantation monitoring: SIMS can be used to monitor the success and accuracy of ion implantation processes, which are essential for creating specific doping profiles in semiconductor materials.
- Analyse von Spurenelementen: Mit SIMS können Spurenelemente und Verunreinigungen in Halbleitermaterialien nachgewiesen werden. Selbst kleine Mengen von Verunreinigungen können die Leistung von Bauelementen beeinträchtigen, weshalb eine genaue Erkennung mit hoher Sensitivität entscheidend ist. - Trace element analysis: SIMS can detect trace elements and impurities in semiconductor materials. Even small amounts of impurities can affect the performance of components, which is why accurate detection with high sensitivity is crucial.
Üblicherweise wird unter laufender Nutzung der SIMS der zu analysierende Bereich auf der Halbleiterprobe zunächst gesucht und durch Verweilen in diesem Bereich dann die eigentliche Untersuchung durchgeführt. Typically, the area to be analyzed on the semiconductor sample is first located while using the SIMS and the actual examination is then carried out by remaining in this area.
Nachteilig an der Verwendung der SIMS bei der Untersuchung dünnschichtiger Halbleitertopographien ist, dass jeder Bestrahlungsvorgang die Halbleiterstruktur reduziert, und zwar in einem im Verhältnis zur ursprünglichen Strukturdicke relevanten Maß. Während bei herkömmlichen Halbleiterstrukturen mit einer üblichen Schichtdicke von >1 OOnm trotz eines Strukturverlusts, der durch ein oder mehrere Analyseprozesse mittels SIMS hervorgerufen wird, die elektrische Funktionsfähigkeit erhalten blieb, ist dies bei modernen dünnschichtigen Strukturen mit einer Dicke von 25nm und weniger nicht der Fall. Bei jedem SIMS- Analysevorgang erfolgt in einem dabei bestrahlten Bereich ein Strukturverlust und Primärionenimplantation, die so erheblich sind, dass - je nach Rasterdichte - die elektrische Funktionsfähigkeit bereits nach wenigen Durchgängen nicht mehr gegeben ist beziehungsweise eine Fehlersuche mit demselben Wafer nicht mehr fortgesetzt werden kann. A disadvantage of using SIMS to examine thin-film semiconductor topographies is that each irradiation process reduces the semiconductor structure to an extent that is relevant in relation to the original structure thickness. While conventional semiconductor structures with a typical layer thickness of >1 00nm retain electrical functionality despite structural loss caused by one or more SIMS analysis processes, this is not the case with modern thin-film structures with a thickness of 25nm and less. With each SIMS analysis process, structural loss and primary ion implantation occur in an irradiated area. These losses are so significant that - depending on the grid density - electrical functionality is no longer guaranteed after just a few passes, or fault detection cannot be continued using the same wafer.
Auch wenn keine Funktionsfähigkeit der Halbleiterstruktur nach der Analyse mehr erforderlich ist, ist der Materialabtrag nachteilig, etwa bei einer Analyse zur dreidimensionalen Strukturaufklärung, die modernen Halbleiterstrukturen mit mehreren Ebenen zunehmen an Bedeutung gewinnt. Hier kann u.U. nicht mehr zu bestimmen sein, ob ein Oberflächendefekt bereits herstellungsbedingt vorhanden war oder erst durch Vorabscans mit dem fokussierten lonenstrahl bewirkt wurde. Even if the semiconductor structure's functionality is no longer required after analysis, material removal is detrimental, for example, in an analysis for three-dimensional structural elucidation, which is becoming increasingly important for modern semiconductor structures with multiple layers. In this case, it may no longer be possible to determine whether a surface defect was already present during manufacturing or was only introduced by preliminary scans with the focused ion beam.
Weitere Nachteile dieses Vorgehens können darin bestehen, dass moderne dichte Halbleiterstrukturen nicht präzise genug analysierbar sind, dass das Herantasten an die gewünschte Zielregion manuelle Eingriffe erfordert und daher kaum maschinell reproduzierbar sind und dass keine zuverlässige Datenkorrelation mit anderen Datenquellen, wie z. B. optischen oder elektronenmikroskopischen Bildern, möglich ist. Further disadvantages of this approach may be that modern dense semiconductor structures cannot be analyzed precisely enough, that approaching the desired target region requires manual intervention and is therefore hardly reproducible by machine, and that no reliable Data correlation with other data sources, such as optical or electron microscopic images, is possible.
Aufgabe Task
Die Aufgabe der Erfindung besteht somit insbesondere darin, ein Untersuchungsverfahren für eine Halbleiterprobe mittels eines Sekundärionen-Mas- senspektrometers (SIMS) mit einem fokussierten lonenstrahl (focussed ion beam, FIB) so zu verbessern, dass der Strukturverlust beziehungsweise die Primärionenimplantation an der Halbleiterprobe reduziert wird, damit eine größere Anzahl von Untersuchungsdurchgängen zur Prüfung mehrerer ROI auf derselben Halbleiterprobe möglich ist, wobei vorzugsweise die elektrische Funktionsfähigkeit der Halbleiterstruktur erhalten bleibt, und weitgehend automatisch durchführbare und gut reproduzierbare Analysen ermöglicht werden. The object of the invention is therefore in particular to improve an examination method for a semiconductor sample by means of a secondary ion mass spectrometer (SIMS) with a focused ion beam (FIB) in such a way that the structural loss or the primary ion implantation on the semiconductor sample is reduced, so that a larger number of examination runs for testing several ROI on the same semiconductor sample is possible, wherein the electrical functionality of the semiconductor structure is preferably maintained, and largely automatic and well reproducible analyses are made possible.
Lösung Solution
Diese Aufgaben werden durch ein Untersuchungsverfahren für eine Halbleiterprobe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. These objects are achieved by an examination method for a semiconductor sample having the features of claim 1.
Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, zunächst diejenige Zielregion in der Halbleiterstruktur, die für die Untersuchung von Interesse ist (sog. Re- gion-Of-Interest, ROI), unter Verwendung von im Voraus gewonnenen Navigationsdaten, die sich auf die Halbleiterstruktur beziehen, gezielt anzufahren und nur in der angefahrenen ROI die Halbleiterstruktur mit dem fokussierten lonenstrahl zu beaufschlagen. The basic idea of the invention is to first specifically approach the target region in the semiconductor structure that is of interest for the examination (so-called region of interest, ROI) using navigation data obtained in advance that relate to the semiconductor structure, and to expose the semiconductor structure to the focused ion beam only in the approached ROI.
Sofern nachfolgend auf einen „lonenstrahl“ Bezug genommen wird, ist damit stets ein „fokussierter lonenstrahl“, englisch: Focused Ion Beam (FIB) bezeichnet, der als Mittel zur Oberflächenanalyse bekannt ist, wobei emittierte Ionen, meist Gallium oder Helium, genutzt werden. Der lonenstrahl wird mit Hilfe elektrostatischer und magnetischer Linsen in einem Punkt fokussiert und zeilenweise über die Oberflächen geführt. Dabei treten Sekundärelektronen aus der Oberfläche aus, die detektiert werden und eine Abbildung der Oberfläche ermöglichen. Damit ist aber stets ein Abtrag der zu analysierenden Struktur verbunden. Dieser unvermeidliche Abtrag wird gemäß der Erfindung in Bereiche verlegt, die sich außerhalb der zu analysierenden Halbleiterstruktur befinden. Whenever reference is made to an "ion beam," this always refers to a "focused ion beam" (FIB), which is known as a means of surface analysis using emitted ions, usually gallium or helium. The ion beam is focused to a point using electrostatic and magnetic lenses and scanned line by line across the surface. Secondary electrons emerge from the surface, which are detected and create an image of the surface. However, this always involves ablation of the structure to be analyzed. According to the invention, this unavoidable ablation is shifted to regions located outside the semiconductor structure to be analyzed.
Vereinfacht gesagt, wird nach der Erfindung der Probentisch zunächst nur mithilfe von Navigationsdaten so verfahren, dass der fokussierte lonenstrahl zunächst in einer Region der Probe angewendet werden kann, die nicht genau analysiert werden muss. Dort wird eine vorhandene oder extra hinzugefügte, gut erkennbare Marke mit dem fokussierte lonenstrahl bestrahlt, um mit der aus den Navigationsdaten abgeleiteten Soll-Position und der unter Materialabtrag ermittelten Ist-Position eine Korrektur vornehmen zu können. Die Marke kann ein charakteristisches Strukturmerkmal innerhalb der zu analysierenden Halbleiterstruktur sein, beispielsweise ein Winkel oder ein Kreuzungspunkt. Put simply, according to the invention, the sample stage is initially moved using only navigation data so that the focused ion beam can initially be applied to a region of the sample that does not require precise analysis. There, an existing or specially added, clearly visible mark is irradiated with the focused ion beam in order to make a correction using the target position derived from the navigation data and the actual position determined during material removal. The mark can be a characteristic structural feature within the semiconductor structure to be analyzed, for example, an angle or an intersection point.
Das hier vorgestellte Untersuchungsverfahren eignet sich besonders für Proben der Halbleiterherstellung (z.B. CMOS, Compound Semiconductors, etc.). The testing method presented here is particularly suitable for samples from semiconductor production (e.g. CMOS, compound semiconductors, etc.).
Die Bezeichnung als „Halbleiter“ schließt im Sinne der vorliegenden Erfindung auch Strukturen aus solchen Werkstoffen ein, die zwar nicht halbleitend im physikalisch-elektrischen Sinn sind, die aber mit gleichartigen Fertigungsmethoden wie bei der Halbleiterherstellung und mit ähnlichen Schichtdicken und Strukturgrößen auf gleichartigen Substraten aufgebracht sind. The term “semiconductor” in the sense of the present invention also includes structures made of materials which are not semiconducting in the physical-electrical sense, but which are applied to similar substrates using similar manufacturing methods as in semiconductor production and with similar layer thicknesses and structure sizes.
Das Verfahren gilt aber auch für andere Proben, zu denen präzise Navigationsdaten vorliegen, wie beispielsweise Gesteinsproben, die im Vorfeld beispielsweise mit einem SEM oder Lichtmikroskop untersucht wurden. Im Folgenden findet verallgemeinernd ausschließlich der Begriff „Halbleiterprobe“ Verwendung. However, the method also applies to other samples for which precise navigation data are available, such as rock samples that have been previously examined using an SEM or light microscope. In the following, the term "semiconductor sample" will be used only for generalization purposes.
„Halbleiterproben“ im Sinne der Erfindung beziehen sich im Hinblick sowohl auf komplette Wafer, die mehrere Dies enthalten, auf eine Folge von mehreren Dies oder ein einzelnes Die auf einem Substrat. Das Verfahren bezieht sich also auf die Untersuchung von Halbleiterstrukturen unabhängig von ihrer Größe und Anordnungsweise. Vorzugsweise wird nur ein Wafer oder ein anderes Substrat in die Probenkammer eingebracht. "Semiconductor samples" in the sense of the invention refer to complete wafers containing multiple dies, to a sequence of multiple dies, or to a single die on a substrate. The method thus relates to the examination of semiconductor structures regardless of their Size and arrangement. Preferably, only one wafer or other substrate is placed in the sample chamber.
Sollen mehrere Halbleiterproben auf mehreren Wafern oder auf voneinander getrennten sonstigen Substraten zusammen in die Probenkammer eingebracht und untersucht werden, so kann das Untersuchungsverfahren der Erfindung mehrfach, für jedes Substrat einzeln, angewandt werden. If several semiconductor samples on several wafers or on other separate substrates are to be introduced into the sample chamber together and examined, the examination method of the invention can be applied several times, for each substrate individually.
Am Ende des Verfahrens soll ein mit einer REM-Aufnahme vergleichbares elektronisches Abbild und/oder ein sonstiger Datensatz erhalten werden, der zur Charakterisierung der Halbleiterstruktur im Bereich des bestrahlten ROI geeignet ist. Das kann z. B. auch Messergebnisse einschließen, durch die Verunreinigungen mit Fremdatomen nachgewiesen sind. At the end of the process, an electronic image comparable to an SEM image and/or another data set should be obtained that is suitable for characterizing the semiconductor structure in the area of the irradiated ROI. This can, for example, also include measurement results that detect contamination with foreign atoms.
Das Abbild kann eine aus den Sekundärelektronenemissionen gewonnenes, vom menschlichen Auge erkennbares Bild sein, das mit einer Aufnahme eines Rasterelektronenmikroskops vergleichbar ist. The image can be an image obtained from the secondary electron emissions, visible to the human eye, which is comparable to an image taken by a scanning electron microscope.
Als zu gewinnender sonstiger Datensatz kommen insbesondere Punktspektren, Linienspektren oder Bildspektren in Betracht. Werden Punkt-, Linien- oder Bild-Spektren aufgezeichnet, so gibt es pro Pixel ein komplettes Spektrum. Die hierfür benutzen Datenformate sind meist proprietäre Formate des Herstellers, und die Datenmenge ist groß. Man kann sich alternativ dafür entscheiden, nur skalare Werte, beispielweise die Summe eine Kupfer-Signals, pro Pixel aufzuzeichnen. Daraus kann ein Bild mit einer Fehlfarbendarstellung im .bmp oder .tif-Format gewonnen werden. Dann ist die Datenmenge wesentlich geringer, und dennoch kann im genannten Beispiel ein Maß für die Kupferverteilung erhalten werden. Other data sets that can be acquired include point spectra, line spectra, or image spectra. If point, line, or image spectra are recorded, a complete spectrum is available for each pixel. The data formats used for this are usually proprietary to the manufacturer, and the data volume is large. Alternatively, one can choose to record only scalar values, such as the sum of a copper signal, per pixel. This can produce an image with a false color representation in .bmp or .tif format. In this case, the data volume is significantly smaller, yet, in the example mentioned, a measure of the copper distribution can still be obtained.
Während meistens die Spektren in OD, 1 D, 2D an der X,Y- Oberfläche aufgezeichnet werden, also als ein Punkt-, Linien-, Bild-Spektrum, kann man alternativ auch den lonenstrahl für eine längere Zeit auf einen Punkt stellen. Durch den Sputter-Effekt „gräbt“ sich der Strahl in die Tiefe der Probe. Man erhält dann für diesen X,Y-Punkt ein Tiefenprofil in Richtung Z. Ein solcher Abtrag mit dem Ziel der Gewinnung eines Tiefenprofils kann erfindungsgemäß nicht nur punktuell, sondern auch über Nachverfolgung eines Pfades in der Ebene erreicht werden, indem durch mehrfache Ausführung des Analysescans mit denselben Navigationsdaten wenigstens eine obenliegende Halbleiterschicht partiell abgetragen wird und eine Untersuchung in einer unterhalb der partiell abgetragenen Halbleiterschicht befindlichen weiteren Halbleiterschicht ermöglicht wird. While spectra are usually recorded in OD, 1D, and 2D on the X,Y surface—that is, as a point, line, or image spectrum—one can alternatively focus the ion beam on a single point for a longer period of time. The sputtering effect causes the beam to "burrow" into the depth of the sample. A depth profile in the Z direction is then obtained for this X,Y point. Such ablation with the aim of obtaining a depth profile can be achieved according to the invention not only selectively, but also by tracing a path in the plane, in that by repeatedly executing the analysis scan with the same navigation data at least one upper semiconductor layer is partially ablated and an examination is made possible in a further semiconductor layer located below the partially ablated semiconductor layer.
Entsprechend umfasst ein „sonstiger Datensatz“ im Sinne der vorliegenden Erfindung Punktspektren, Linienspektren und/oder Bildspektren und/oder Bilder, welche die Verteilung eines einzelnen Elementes zeigen, und/oder ein Tiefenprofil, welches die Verteilung eines Elementes in Z-Richtung widerspiegelt. Accordingly, an “other data set” within the meaning of the present invention includes point spectra, line spectra and/or image spectra and/or images showing the distribution of a single element and/or a depth profile reflecting the distribution of an element in the Z direction.
Navigationsdaten für die Halbleiterprobe können erhalten werden aus: Navigation data for the semiconductor sample can be obtained from:
- CAD-Daten, wie z.B. GDS II Dateien, - CAD data, such as GDS II files,
- Positionslisten, z.B. KLARF Dateien zur Angabe von im Voraus erkannten Defekten der Halbleiterstruktur oder - Position lists, e.g. KLARF files to indicate previously detected defects of the semiconductor structure or
- andere Bilddaten, die vorab mit nicht probenzerstörerischen Analysemethoden, beispielsweise mit Lichtmikroskopie, aufgenommen worden sind und die zur Orientierung sowie der genauen Lokalisierung der ROI auf der Probe geeignet sind. - other image data previously acquired using non-destructive analysis methods, such as light microscopy, which are suitable for orientation and precise localization of the ROI on the sample.
„Datenbasierte Navigation“ bedeutet im Sinne der vorliegenden Erfindung also, dass reproduzierbare Daten gewonnen werden, die sich auf geometrische Merkmale der Halbleiterstruktur auf der Halbleiterprobe beziehen, bevor die Region-Of-Interest angefahren und der auf irgendeinen Ort auf der Halbleiterstruktur gerichtete lonenstrahl eingeschaltet wird. In the context of the present invention, “data-based navigation” means that reproducible data relating to geometric features of the semiconductor structure on the semiconductor sample are obtained before the region of interest is approached and the ion beam directed at any location on the semiconductor structure is switched on.
Das gezielte Anfahren der Zielregion wird zum einen dadurch ermöglicht, dass die Halbleiterprobe mit der zu untersuchenden Halbleiterstruktur auf einer sehr präzise verfahrbaren Probenbühne wie insbesondere einer sogenannten Laserinterferometer-Stage platziert wird. Zum anderen sieht die Erfindung vor, die Halbleiterprobe mit einer oder mit mehreren separat auf dem Substrat ausgebildeten Positionierungsmarken außerhalb der zu untersuchenden Halbleiterstruktur zu versehen oder charakteristische geometrische Punkte innerhalb der Halbleiterstruktur auszuwählen, bei welchen eine mehrfache Bestrahlung mit dem lonenstrahl möglich ist. The targeted approach to the target region is made possible, on the one hand, by placing the semiconductor sample with the semiconductor structure to be examined on a very precisely movable sample stage, such as a so-called laser interferometer stage. On the other hand, the invention provides for the semiconductor sample to be positioned with one or more separately mounted on the substrate formed positioning marks outside the semiconductor structure to be examined or to select characteristic geometric points within the semiconductor structure at which multiple irradiation with the ion beam is possible.
„Positionierungsmarken“ im Sinne der vorliegenden Erfindung sind somit alle sicher auffindbaren Punkte auf dem Substrat der Halbleiterprobe, die zusätzlich zur Halbleiterstruktur ausgebildet sind oder die innerhalb der Halbleiterstruktur ausgewählt sind, und für die eine Mehrfachbestrahlung ohne Nachteile möglich ist. “Positioning marks” within the meaning of the present invention are therefore all reliably detectable points on the substrate of the semiconductor sample which are formed in addition to the semiconductor structure or which are selected within the semiconductor structure and for which multiple irradiation is possible without disadvantages.
Bei mehr als zwei Positionierungsmarken sind diese so verteilt angeordnet, dass sie nicht sämtlich auf einer Geraden liegen und damit als Bezugspunkte in einem 2D-Koordinatensystem geeignet sind. If there are more than two positioning marks, they are arranged in such a way that they do not all lie on a straight line and are therefore suitable as reference points in a 2D coordinate system.
Möglich ist auch, dass als Positionierungsmarken keine dedizierten Marken außerhalb der Halbleiterstruktur verwendet werden, sondern dass charakteristische Strukturen innerhalb der Halbleiterstruktur, oder beispielsweise die linke untere Ecke eines Chips, der mehrfach auf einem Wafer wiederholt wird, dafür ausgewählt werden. It is also possible that no dedicated marks outside the semiconductor structure are used as positioning marks, but that characteristic structures within the semiconductor structure, or for example the lower left corner of a chip that is repeated several times on a wafer, are selected for this purpose.
Zu Beginn des Analyseprozesses wird anhand eines Sollwerts derjenige Bereich auf der Halbleiterprobe unter dem lonenstrahl positioniert, welche wenigstens eine Positionierungsmarke enthält. Der Sollwert wird aus den für die Herstellung der Halbleiterprobe benutzten Navigationsdaten und einer festen bekannten Position auf der Probenbühne gebildet. At the beginning of the analysis process, the area on the semiconductor sample containing at least one positioning mark is positioned under the ion beam based on a target value. The target value is calculated from the navigation data used to prepare the semiconductor sample and a fixed, known position on the sample stage.
Es wird dann in einem ersten Vorab-Scan eine Analyse des Bereichs der Halbleiterprobe mit wenigstens einer Positionierungsmarke durchgeführt. Dieser Vorab-Scan kann durch bekannte SIMS- oder SE-Detection-Verfahren vorgenommen werden. Durch Ermittlung der Differenz zwischen der theoretischen Soll-Position der Positionierungsmarke und der tatsächlichen Ist-Position kann das probeninterne Koordinatensystem mit dem Koordinatensystem der Probenbühne in Übereinstimmung gebracht werden (Alignment). Durch Wiederholung des Schrittes für weitere Positionierungsmarken können Fehler in der Positionierung der Halbleiterprobe nicht nur in der X-Y-Ebene der Probenbühne erkannt werden, sondern auch eine Rotation der Halbleiterprobe gegenüber der Probenbühne und ein Fehler im Zoomfaktor, der z.B. durch einen abweichenden Abstand zwischen der Probenoberfläche und der Strahlungsquelle entsteht. An initial pre-scan is then performed to analyze the area of the semiconductor sample with at least one positioning mark. This pre-scan can be performed using known SIMS or SE detection methods. By determining the difference between the theoretical target position of the positioning mark and the actual position, the sample-internal coordinate system can be aligned with the coordinate system of the sample stage. By repeating the step for further positioning marks, errors in the positioning of the semiconductor sample can be detected not only in the XY plane of the sample stage, but also a rotation of the semiconductor sample relative to the sample stage and an error in the zoom factor, which arises, for example, from a different distance between the sample surface and the radiation source.
Nach dem Alignment wird die Probenbühne relativ zu der ortsfest positionierten lonenstrahlquelle und unter Nutzung der aus den Navigationsdaten bekannten Distanzen in der Probenbühnenebene verfahren, um die zu untersuchende ROI in der Halbleiterstruktur präzise anzufahren. Erst dann erfolgt eine SIMS- Analyse der ROI unter lonenbestrahlung der ROI. After alignment, the sample stage is moved relative to the stationary ion beam source and, using the distances known from the navigation data, is moved in the sample stage plane to precisely target the ROI to be examined in the semiconductor structure. Only then is a SIMS analysis of the ROI performed under ion irradiation.
Die Kombination von CAD/Blindprobennavigation und SIMS bietet mehrere bedeutende Vorteile, vor allem in Bezug auf Präzision, Effizienz und Genauigkeit der Probenanalyse. Diese sind im Einzelnen: The combination of CAD/blank sample navigation and SIMS offers several significant advantages, especially in terms of precision, efficiency, and accuracy of sample analysis. These include:
- Erhöhte Präzision: Die datenbasierte Navigation ermöglicht eine präzise und genaue Probenpositionierung. Sie stellt sicher, dass das SIMS-Gerät genau die Stelle anvisiert, die auf der Probenoberfläche oder innerhalb einer komplexen Struktur von Interesse ist. Diese Präzision ist entscheidend für die Analyse bestimmter Merkmale, Schichten oder Strukturen in Halbleiterbauelementen oder anderen Materialien. - Increased precision: Data-driven navigation enables precise and accurate sample positioning. It ensures that the SIMS instrument precisely targets the location of interest on the sample surface or within a complex structure. This precision is critical for analyzing specific features, layers, or structures in semiconductor devices or other materials.
- Effiziente Datenerfassung: Die datenbasierte Navigation rationalisiert den Datenerfassungsprozess. Durch die genaue Angabe der interessierenden Bereiche oder Merkmale, z. B. in einem CAD-Modell, kann das SIMS-Ge- rät diese spezifischen Regionen automatisch scannen und analysieren, wodurch zeitaufwändige manuelle Anpassungen entfallen. - Efficient data acquisition: Data-driven navigation streamlines the data acquisition process. By precisely specifying the areas of interest or features, e.g., in a CAD model, the SIMS device can automatically scan and analyze these specific regions, eliminating time-consuming manual adjustments.
- Minimierte Probenbeschädigung: Bei der SIMS-Analyse kann der primäre lonenstrahl Sputtering und somit Schäden an der Probenoberfläche, sowie unerwünschte Implantation der Primärionen, verursachen. Die datenbasierte Navigation minimiert diese Schäden, indem sie sicherstellt, dass der lonenstrahl nur die vorgesehenen Bereiche der Halbleiterprobe abrastert und die Unversehrtheit der benachbarten Regionen erhalten bleibt. Insbesondere wird sichergestellt, dass die ROI selbst keine Vorschädigungen durch anderenfalls nötige Orientierungs-Scans erfährt.- Minimized sample damage: During SIMS analysis, the primary ion beam can cause sputtering and thus damage to the sample surface, as well as unwanted implantation of the primary ions. Data-based navigation minimizes this damage by ensuring that the ion beam only reaches the intended areas of the semiconductor sample. scanned and the integrity of the neighboring regions is preserved. In particular, this ensures that the ROI itself is not damaged by orientation scans that would otherwise be necessary.
- Handhabung komplexer Geometrien: CAD-Modelle können komplexe und 3D-Strukturen genau darstellen. Dies ist besonders wertvoll in der Halbleiterfertigung, wo moderne Chips komplizierte Architekturen aufweisen. Die datenbasierte Navigation ermöglicht SIMS die Analyse spezifischer Schichten, Gräben und Vias innerhalb dieser komplexen Strukturen. - Handling complex geometries: CAD models can accurately represent complex 3D structures. This is especially valuable in semiconductor manufacturing, where modern chips feature complicated architectures. Data-driven navigation enables SIMS to analyze specific layers, trenches, and vias within these complex structures.
- Verbesserte Reproduzierbarkeit: Die datenbasierte Navigation ermöglicht konsistente und wiederholbare Analysen. Forscher und Entwickler können datenbasierte Navigationspläne für künftige Analysen speichern und wiederverwenden oder sie mit Kollegen austauschen, um eine konsistente Datenerfassung und Vergleichbarkeit zu gewährleisten. - Improved reproducibility: Data-driven navigation enables consistent and repeatable analyses. Researchers and developers can save and reuse data-driven navigation plans for future analyses or share them with colleagues to ensure consistent data collection and comparability.
- Datenkorrelation: Die datenbasierte Navigation erleichtert die Korrelation von SIMS-Daten mit anderen Datenquellen, wie z. B. optischen oder elektronenmikroskopischen Bildern. Durch den Abgleich der SIMS-Daten mit dem CAD-Modell können die Forscher die SIMS-Ergebnisse genau mit den spezifischen Merkmalen anderer Bildgebungsverfahren in Beziehung setzen. - Data correlation: Data-based navigation facilitates the correlation of SIMS data with other data sources, such as optical or electron microscopic images. By comparing SIMS data with the CAD model, researchers can accurately correlate SIMS results with the specific characteristics of other imaging modalities.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die datenbasierte Navigation für SIMS die Möglichkeiten und die Effizienz der Technik erheblich verbessert. Besonders wertvoll ist sie in Branchen wie der Halbleiterherstellung, wo die präzise Analyse komplexer Strukturen für die Qualitätskontrolle und die Forschung und Entwicklung unerlässlich ist. Durch die Integration von CAD-Modellen in SIMS-Instrumente können Forscher und Entwickler ein höheres Maß an Genauigkeit, Reproduzierbarkeit und Produktivität in ihren Analyseprozessen erreichen. In summary, data-driven navigation for SIMS significantly enhances the capabilities and efficiency of the technology. It is particularly valuable in industries such as semiconductor manufacturing, where precise analysis of complex structures is essential for quality control and research and development. By integrating CAD models into SIMS instruments, researchers and developers can achieve higher levels of accuracy, reproducibility, and productivity in their analysis processes.
Ist die Startposition für den Analysescan erreicht, kann der Analysescan durchgeführt werden: Once the start position for the analysis scan has been reached, the analysis scan can be performed:
- an einer stationären Position („spot mode“) und/oder - als ein X/Y-Scan („raster scan mode“) und/oder - at a stationary position (“spot mode”) and/or - as an X/Y scan (“raster scan mode”) and/or
- entlang einer aus Navigationsdaten vorab festgelegten Strecke oder einer Route, bei der es sich auch um einen Polygon-Streckenabtragzug handeln kann („shape mode“). - along a route predefined from navigation data or a route, which may also be a polygonal route (“shape mode”).
Obige Modi des Analysescans können auch mehrmals aufeinanderfolgend durchgeführt werde, um unter Zuhilfenahme des Sputtereffektes eine Untersuchung in der Tiefe der Probe (Z-Richtung) vorzunehmen. Vereinfacht gesagt, sieht das Untersuchungsverfahren in dieser Ausgestaltung vor, sich mit dem lonenstrahl in die Tiefe der Halbleiterstruktur einzugraben. Dafür müssen oben- liegende Schichten partiell entfernt werden, wozu der lonenstrahl in seiner Intensität und/oder der Bestrahlungsdauer pro Flächeneinheit so variiert wird, dass er über ein für die reine SIMS-Analyse notwendiges Maß erhöht auf die Probe wirkt. The above analysis scan modes can also be performed multiple times in succession to examine the depth of the sample (Z-direction) using the sputtering effect. Simply put, the examination method in this embodiment involves burrowing the ion beam into the depth of the semiconductor structure. To do this, the upper layers must be partially removed. For this purpose, the ion beam's intensity and/or irradiation time per unit area are varied so that its effect on the sample is increased beyond that required for pure SIMS analysis.
Besonders interessant ist die oben mit shape mode bezeichnete Probenuntersuchung entlang eines Abschnitts der Halbleiterstruktur. Bei bekannten CAD- Daten als Navigationsdaten und der Möglichkeit zur hochpräzisen Positionierung des lonenstrahls können zum Beispiel ein Abschnitt eines geätzten Grabens mit einer Kurve oder von Gräben mit einer bestimmten Designbreite bestrahlt werden. Dies kann für sich wiederholende Sub-Strukturen der Halbleiterstruktur gemacht werden, so dass man eine statistische Verteilung oder Verteilung über den gesamten Wafer bzw. das Substrat der Halbleiterprobe erhält. Die Verteilung gibt dann Aufschluss darüber, wie groß ein Prozessfenster ist. Particularly interesting is the sample examination along a section of the semiconductor structure, referred to above as shape mode. With known CAD data as navigation data and the possibility of highly precise positioning of the ion beam, for example, a section of an etched trench with a curve or trenches with a specific design width can be irradiated. This can be done for repeating substructures of the semiconductor structure, thus obtaining a statistical distribution or distribution across the entire wafer or substrate of the semiconductor sample. This distribution then provides information about the size of a process window.
Die Sondengröße sollte dabei kleiner als die zu untersuchende Struktur wie z.B. eine Grabenbreite sein. Durch den Analysescan erhöht sich bei sehr dünnen Schichten, die z. B. durch Verunreinigungen gebildet sind, auch das Signal / Rausch-Verhältnis, da viel mehr Material für die Analyse zur Verfügung steht als bei einer reinen Punktanalyse. Vorzugsweise sind die Positionierungsmittel und der Durchmesser des lonen- strahls so aufeinander abgestimmt, dass eine Auflösung von besser als 20 nm bei Analysescans von Gräben erhalten werden. The probe size should be smaller than the structure to be examined, such as the width of a trench. The analytical scan also increases the signal-to-noise ratio for very thin layers, such as those formed by impurities, because much more material is available for analysis than with a pure point analysis. Preferably, the positioning means and the diameter of the ion beam are matched to achieve a resolution of better than 20 nm in trench analysis scans.
Eine vorteilhafte Variante des Untersuchungsverfahrens sieht vor, dass eine Halbleiterprobe verwendet wird, die auf demselben Substrat wie die zu analysierende Halbleiterstruktur wenigstens drei davon abgesetzt angeordnete Positionierungsmarken besitzt, die nicht alle auf derselben Geraden angeordnet sind. Damit ist eine genaue Einmessung eines Bezugspunkts in einer zweidimensionalen Ebene möglich. An advantageous variant of the examination method provides for the use of a semiconductor sample that has at least three positioning marks arranged at different locations on the same substrate as the semiconductor structure to be analyzed, which are not all arranged on the same straight line. This allows for the precise measurement of a reference point in a two-dimensional plane.
Weiterhin kann vorteilhaft sein, wenn aus dem Vorabscan von den wenigstens drei Positionierungsmarken Korrekturdaten für eine Lagenkorrektur im Bezugsystem der Probenbühne und/oder für die Höhenlage der Halbleiterprobe auf der Probenbühne gegenüber einer den fokussierten lonenstrahl aussendenden Primärionensäule und/oder ein Rotationsfehler der Halbleiterprobe gegenüber dem ortsfesten Gehäuse mit der Primärionensäule ermittelt werden und das Alignment anhand dieser Korrekturdaten durchgeführt wird. Dadurch wird die spätere Strukturaufklärung noch genauer. Furthermore, it may be advantageous if, from the preliminary scan of the at least three positioning marks, correction data for a position correction in the reference system of the sample stage and/or for the height of the semiconductor sample on the sample stage relative to a primary ion column emitting the focused ion beam and/or a rotation error of the semiconductor sample relative to the stationary housing with the primary ion column are determined, and the alignment is performed based on this correction data. This makes the subsequent structural elucidation even more precise.
Durch das Alignment unter Nutzung der SIMS wird durch jeden Bestrahlungsvorgang ein Strukturverlust im Bereich der Positionierungsmarke bewirkt. Um diesen zu kompensieren oder zu mildern, sind verschiedene Maßnahmen möglich. Due to alignment using SIMS, each irradiation procedure results in a loss of structure in the area of the positioning mark. Various measures are available to compensate or mitigate this.
Beispielsweise können die Positionierungsmarken bevorzugt in einer Dicke gebildet sein, die deutlich größer ist als die Schichtdicke der in späteren Analysescans aufzuklärenden Halbleiterstrukturen, und die insbesondere das 2fache bis 4fache der Dicke der Halbleiterstruktur beträgt. Damit ist ein gewisser Materialabtrag durch Mehrfachrastercans möglich. For example, the positioning marks can preferably be formed with a thickness that is significantly greater than the layer thickness of the semiconductor structures to be determined in subsequent analysis scans, and in particular, 2 to 4 times the thickness of the semiconductor structure. This allows for a certain amount of material removal through multiple raster scans.
Möglich ist auch, mehr als einen Satz von Positionierungsmarken auf der Halbleiterprobe vorzusehen und das Alignment mit einem zweiten Satz durchzuführen, nachdem ein erster Satz durch vorhergehende Vorabscans für Alignment-Vorgänge beeinträchtigt worden ist. It is also possible to provide more than one set of positioning marks on the semiconductor sample and to perform the alignment with a second set after a first set has been compromised by previous pre-scans for alignment operations.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn für den zum Zwecke des Alignments durchgeführten Vorabscan die Rastergeschwindigkeit gegenüber dem später folgenden Analysescan erhöht ist, beispielsweise auf das 2fache bis 4fache. Das heißt, die Pixelverweildauer (pixel dwell time) ist kürzer und die Bestrahlungsintensität sinkt, was zu geringerer Zerstörung der Positionierungsmarken führt. Das durch höhere Rastergeschwindigkeit erhöhte Bildrauschen ist nicht schädlich, weil die Positionierungsmarken groß im Verhältnis zur Größe der ROI sind und geometrisch so gestaltet sind, z. B. als Kreuz, dass ihr als Koordinaten- system-ursprung oder Koordinatensystembezugspunkt heranzuziehender Schwerpunkt oder ihr Zentrum immer noch sicher erkannt werden kann. It is particularly advantageous if the raster speed for the preliminary scan performed for alignment purposes is increased compared to the subsequent analysis scan, for example, by a factor of 2 to 4. This means that the pixel dwell time is shorter and the irradiation intensity is lower, which leads to less destruction of the positioning marks. The increased image noise caused by a higher raster speed is not harmful because the positioning marks are large relative to the size of the ROI and are geometrically designed, e.g., as a cross, so that their center of gravity, or their center, used as the coordinate system origin or reference point, can still be reliably identified.
In diesem Zusammenhang sieht eine bevorzugte Ausführungsform des Untersuchungsverfahrens der Erfindung vor, dass bestimmte Größenverhältnisse gewählt werden und die Positionierungsmarken im Vergleich zu den kleinsten aufzulösenden Strukturen groß ausgeführt werden, nämlich insbesondere das 2fache bis 4fache der flächigen Ausdehnung der ROI beträgt, wobei die flächigen Ausdehnung der ROI wenigstens das Doppelte der Größe des fokussierten lonenstrahls ist. In this context, a preferred embodiment of the examination method of the invention provides that certain size ratios are selected and the positioning marks are made large compared to the smallest structures to be resolved, namely in particular 2 to 4 times the areal extent of the ROI, wherein the areal extent of the ROI is at least twice the size of the focused ion beam.
Bei einer Größe des fokussierten lonenstrahls (beam size / spot size) von 5 nm liegt das physikalische Limit für die laterale Auflösung für SIMS bei etwa 10 nm aufgrund der lateralen Erstreckung der „Collision Cascade“, welche die Fläche, von der Sekundärionen von der Probe emittiert werden, beschreibt. Je nach Signal-Rausch-Verhältnis im SIMS-Bild ist somit routinemäßig eine laterale Auflösung von < 20 nm zu erwarten. Die Positionierungsmarken werden dadurch robust gegen das unerwünschte Sputtering während der Vorab- Scans. With a focused ion beam size (beam size/spot size) of 5 nm, the physical limit for lateral resolution for SIMS is approximately 10 nm due to the lateral extent of the "collision cascade," which describes the area from which secondary ions are emitted by the sample. Depending on the signal-to-noise ratio in the SIMS image, a lateral resolution of < 20 nm can thus routinely be expected. This makes the positioning marks robust against unwanted sputtering during the pre-scans.
Eine zur Durchführung des Untersuchungsverfahrens geeignete Analysevorrichtung ist in Anspruch 13 angegeben. Diese umfasst zunächst ein Sekundärionen-Massenspektrometer, umfassendAn analysis device suitable for carrying out the examination method is specified in claim 13. This initially includes a secondary ion mass spectrometer, comprising
- eine Primärionensäule, die eine Primärionenquelle enthält und die Ionen beschleunigt und als fokussierten lonenstrahl auf die Halbleiterprobe bringt; - a primary ion column containing a primary ion source that accelerates the ions and delivers them to the semiconductor sample as a focused ion beam;
- eine Hochvakuum-Probenkammer, in der die Halbleiterprobe und eine Extraktionseinheit für Sekundärionen angeordnet sind sowie; - a high-vacuum sample chamber in which the semiconductor sample and an extraction unit for secondary ions are arranged, and;
- eine Massenspektrometereinheit mit einem Detektor; - a mass spectrometer unit with a detector;
In der Massenspektrometereinheit ist ein Massenanalysator eingesetzt, der die Sekundärionen entsprechend ihrem Masse-Ladungs-Verhältnis trennt. The mass spectrometer unit contains a mass analyzer that separates the secondary ions according to their mass-to-charge ratio.
Außerdem umfasst die Analysevorrichtung eine Probenbühne, die zumindest in zwei Flächenkoordinaten seitlich verfahrbar ist, wobei die Probenbühnenebene normal zum fokussierten lonenstrahl ausgerichtet ist. Die Probenbühne verfügt insbesondere über ein Antriebssystem, um eine Bewegung der Probenbühne relativ zur ortsfesten Probenkammer auszuführen. Dazu können Spindeln vorgesehen sein, die von DC-Motoren oder Schrittmotoren angetrieben werden. The analysis device also comprises a sample stage that is laterally movable in at least two spatial coordinates, with the sample stage plane aligned perpendicular to the focused ion beam. The sample stage, in particular, has a drive system for moving the sample stage relative to the stationary sample chamber. For this purpose, spindles driven by DC motors or stepper motors can be provided.
Weiterhin umfasst die Probenbühne ein Rückmesssystem, um die Position der Probenbühne innerhalb der Probenkammer und ggfs. ihre Verfahrgeschwindigkeit festzustellen. Als Rückmesssystem kann ein Encoder mit der Spindel verbunden sein, oder es sind abseits der Spindel positionierte Encoder auf Glasmessstäben vorgesehen. The sample stage also includes a feedback measuring system to determine the position of the sample stage within the sample chamber and, if necessary, its travel speed. The feedback measuring system can be an encoder connected to the spindle, or encoders mounted on glass measuring rods positioned off the spindle.
Besonders bevorzugt wird ein Laserinterferometer verwendet, um eine größtmögliche Genauigkeit der Bewegungsüberwachung zu erreichen. Dieses erlaubt mit seiner Ortsauflösung im Sub-Nanometer Bereich auch das erfolgreiche Anfahren von Strukturen auf Chips, die repetitiv im Bereich einiger Nanometer sind, zum Beispiel Speicherstrukturen. Das Untersuchen von kritischen Punkten in repetitiven Strukturen erfordert eine örtliche Präzision, die deutlich besser ist als die Hälfte des Wiederholabstandes (Pitch) der Struktur. Eine besonders bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass in den Antriebsvorrichtungen beider Achsen jeweils additiv ein Schiebe-Piezo-Aktor (shift piezo actor) zum Einsatz kommt. Die Schiebe-Piezo-Aktoren können, anders als die Hauptantriebe, z.B. DC-Motoren, die Probenbühne kontinuierlich und rucklos verschieben. Aufgrund der sehr kleinen Verfahrwege, die durch Verwendung der Schiebe-Piezo-Aktoren möglich sind, ist in dieser Ausführungsform die Verwendung eines Laserinterferometers als Rückmesssystem erforderlich um die mögliche Präzision im nm Bereich voll auszunutzen. A laser interferometer is particularly preferred to achieve the highest possible accuracy in motion monitoring. With its spatial resolution in the sub-nanometer range, this allows for the successful targeting of structures on chips with repetitive motions in the range of a few nanometers, such as memory structures. Examining critical points in repetitive structures requires a spatial precision significantly better than half the pitch of the structure. A particularly preferred embodiment provides for the use of a shift piezo actuator in the drive devices of both axes. Unlike the main drives, e.g., DC motors, the shift piezo actuators can move the sample stage continuously and smoothly. Due to the very small travel distances made possible by the use of the shift piezo actuators, the use of a laser interferometer as a feedback measurement system is required in this embodiment to fully utilize the possible precision in the nm range.
Schließlich umfasst die Analysevorrichtung auch eine Bühnensteuerungseinheit, um die Antriebe der Probenbühne anzusteuern. Finally, the analysis device also includes a stage control unit to control the drives of the sample stage.
Nachfolgend wird die Durchführung einer Analyse beschrieben, bei der eine Analysevorrichtung verwendet wird, die eine Bühnensteuerungseinheit für die Probenbühne und einen Steuer-PC für das Sekundärionen-Massenspektrome- ter besitzt, sowie eine lonensäule, bei der der lonenstrahl über elektrostatische oder elektromagnetische Felder abgelenkt wird, wozu eine weitere Steuerungseinheit vorgesehen ist. The following describes the implementation of an analysis using an analysis device that has a stage control unit for the sample stage and a control PC for the secondary ion mass spectrometer, as well as an ion column in which the ion beam is deflected via electrostatic or electromagnetic fields, for which a further control unit is provided.
Sofern separate Steuerungseinheiten für die Probenbühne, für die Steuerung des lonenstrahls durch Ablenkung und für das Sekundärionen-Massenspekt- rometer vorgesehen sind, sieht die Erfindung eine Datenverknüpfung zwischen den Steuerungseinheiten vor, um die Aussendung des lonenstrahls mit der Bewegung der Bühne zu koordinieren. If separate control units are provided for the sample stage, for the control of the ion beam by deflection and for the secondary ion mass spectrometer, the invention provides a data link between the control units in order to coordinate the emission of the ion beam with the movement of the stage.
Alle Steuerungseinheiten für den lonenstrahl, die Probenbühne und das SIMS werden durch eine Globalsteuerungseinheit überwacht und gesteuert. Die genannten Steuerungseinheiten können physikalisch getrennt ausgebildet sein oder durch integrierte Module innerhalb der Globalsteuerungseinheit gebildet sein. All control units for the ion beam, sample stage, and SIMS are monitored and controlled by a global control unit. These control units can be physically separate or integrated into the global control unit.
In einem ersten Schritt wird die lonenquelle gestartet, sodass ein stabiler lonenstrahl emittiert wird. Weiterhin wird ein Alignment der Säule durchgeführt, sodass der Strahl mittig durch die Strahlblende mit dem kleinstmöglichen Durchmesser, je nach Durchmesser der Strahlblende, und runder Form auf die Probe auftreffen kann. Diese Prozedur wird auf einer „Dummy“-Probe oder an einer Ecke der eigentlichen Probe durchgeführt, damit keine Beschädigung der ROIs durch Sputtern oder lonenimplantierung erfolgen kann. In a first step, the ion source is started so that a stable ion beam is emitted. Furthermore, the column is aligned so that the beam passes centrally through the beam aperture with the smallest possible Diameter, depending on the diameter of the beam aperture, and round shape, can impinge on the sample. This procedure is performed on a "dummy" sample or at a corner of the actual sample to prevent damage to the ROIs by sputtering or ion implantation.
Sobald die zuvor beschriebenen Vorbereitungen abgeschlossen sind, kann eine erste Zielfahrt der Probenbühne durchgeführt werden, z. B., um den Bereich einer der Positionierungsmarken auf der Halbleiterprobe anzufahren. Dazu kommt ein Fahrkommando mit einer X-Y-Zielkoordinate vom Steuer-PC zur Bühnensteuerungseinheit. Diese berechnet zunächst ein Fahrprofil, also X- Y-Sollwerte vom Startzeitpunkt bis zur Ankunft, wobei das Profil typischerweise Beschleunigungs- und Abbremsvorgänge beinhaltet. Once the previously described preparations are complete, the sample stage can perform its first target movement, e.g., to move to the area of one of the positioning marks on the semiconductor sample. A travel command with an X-Y target coordinate is sent from the control PC to the stage control unit. This unit first calculates a travel profile, i.e., X-Y target values from the start time to arrival. The profile typically includes acceleration and deceleration processes.
Nach der Erstellung des Profils wird die Fahrt ausgeführt, wobei die Bühnensteuerungseinheit permanent, beispielsweise mit einer Frequenz von 10 kHz folgende Aktionen steuert bzw. Überprüfungen vornimmt: After the profile has been created, the journey is carried out, with the stage control unit continuously controlling or checking the following actions, for example with a frequency of 10 kHz:
- Sie sendet Steuergrößen auf die Aktoren, z.B. Spannungen für die DC- Motoren des Antriebssystems. - It sends control variables to the actuators, e.g. voltages for the DC motors of the drive system.
- Sie misst die momentane Ist-Position per Laserinterferometer. - It measures the current actual position using a laser interferometer.
- Sie führt einen SOLL-IST-Vergleich der Position durch und korrigiert die Steuergrößen der Aktoren entsprechend. - It performs a target-actual comparison of the position and corrects the control variables of the actuators accordingly.
Die Bühnensteuerungseinheit stellt das Erreichen der Zielposition fest, sobald sich die Ist-Position in einem vorgewählten Toleranzfeld, dem sogenannten Fehlerschlauch, befindet. Dieser wird typischerweise auf das 2fache der Spot Size des lonenstrahls festgelegt. Beträgt die Spot Size beispielsweise 5 nm, so wird die Größe des Fehlerschlauchs auf 10 nm festgelegt. The stage control unit determines that the target position has been reached as soon as the actual position is within a preselected tolerance zone, the so-called error band. This is typically set to twice the spot size of the ion beam. For example, if the spot size is 5 nm, the error band size is set to 10 nm.
Die Bühnensteuerungseinheit schaltet die Aktoren dann ab und sendet dem Steuer-PC eine Nachricht, dass die Zielposition erfolgreich angefahren wurde. The stage control unit then switches off the actuators and sends a message to the control PC that the target position has been successfully reached.
Bei einer bevorzugten Analysevorrichtung zur Durchführung des Untersuchungsverfahrens nach der Erfindung sind folgende typische Größenordnungen gegeben: - Kantenlänge einer zu untersuchenden Halbleiterprobe: 100 mm; In a preferred analysis device for carrying out the examination method according to the invention, the following typical dimensions are given: - Edge length of a semiconductor sample to be examined: 100 mm;
- Entfernung von Positionierungsmarken: 1 bis 100 mm; - Distance of positioning marks: 1 to 100 mm;
- Fahrstrecke bei einer Zielfahrt, z. B. von Die zu Die: 5 mm; - Travel distance during a destination journey, e.g. from die to die: 5 mm;
- Anzahl vorausberechneter SOLL-X-Y Werte zur Erstellung eines Fahrprofils entlang der Fahrstrecke: ca. 50.000; - Number of pre-calculated TARGET X-Y values for creating a driving profile along the route: approx. 50,000;
- Fahrgeschwindigkeit: 2 mm/s (DC-Motoren mit Spindeln), bis hin zu 20 mm/s (Piezo-Linear-Antriebe); - Travel speed: 2 mm/s (DC motors with spindles), up to 20 mm/s (piezo linear drives);
- Fehlerschlauch für Zielankunft: 10nm. - Error tube for target arrival: 10nm.
Beschreibung eines Ausführunqsbeisoiels Description of an implementation example
Die Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf das in den Zeichnungen dargestellte Ausführungsbeispiel einer Analysevorrichtung näher erläutert. Die Figuren zeigen im Einzelnen: The invention is explained in more detail below with reference to the exemplary embodiment of an analysis device shown in the drawings. The figures show in detail:
Fig. 1 eine Analysevorrichtung zur Untersuchung einer Halbleiterprobe in schematischer Darstellung; Fig. 1 shows a schematic representation of an analysis device for examining a semiconductor sample;
Fig. 2 die Bahn eines Primärionenstrahls auf einer Halbleiterprobe in schematischer, perspektivischer Ansicht und Fig. 2 the trajectory of a primary ion beam on a semiconductor sample in a schematic, perspective view and
Fig. 3A, 3B jeweils eine Halbleiterprobe auf einer Probenbühne von oben. Fig. 3A, 3B each show a semiconductor sample on a sample stage from above.
In Figur 1 ist eine Analysevorrichtung 100 zur Untersuchung einer Halbleiterprobe dargestellt. Diese entspricht weitgehend dem bekannten Aufbau eines Sekundärelektronenmassenspektrometers, wobei nur die Wahl einer Probenbühne 20 speziell zur Durchführung des Untersuchungsverfahrens nach der Erfindung angepasst ist. Figure 1 shows an analysis device 100 for examining a semiconductor sample. This largely corresponds to the known design of a secondary electron mass spectrometer, with only the selection of a sample stage 20 being specifically adapted for carrying out the analysis method according to the invention.
In einem druckfesten und luftdicht verschließbaren Gehäuse 10 ist eine Hochvakuum-Probenkammer 11 gebildet. Darin ist die Probenbühne 20 angeordnet. Sie umfasst eine Basis 21 , die fest mit dem Gehäuse 10 verbunden ist, und die eigentliche Probenbühne 20, auf der eine Halbleiterprobe 30 befestigbar ist und die gegenüber der Basis zumindest zweidimensional verfahrbar ist, und zwar in der Regel in einem kartesischen Koordinatensystem. Die Hochvakuum- Probenkammer 11 ist evakuierbar, sodass ein Hochvakuum angelegt werden kann. Eine Primärionenquelle 12 ist in einer vertikal ausgerichteten Säule an der Oberseite des Gehäuses 20 angeordnet. Der von dort ausgesandte lonen- strahl 13 ist normal zur Probenbühne 20 ausgerichtet. A high-vacuum sample chamber 11 is formed in a pressure-resistant and hermetically sealable housing 10. The sample stage 20 is arranged therein. It comprises a base 21, which is firmly connected to the housing 10, and the actual sample stage 20, on which a semiconductor sample 30 can be mounted and which is movable at least two-dimensionally relative to the base, generally in a Cartesian coordinate system. The high-vacuum Sample chamber 11 can be evacuated so that a high vacuum can be created. A primary ion source 12 is arranged in a vertically aligned column at the top of the housing 20. The ion beam 13 emitted from there is aligned perpendicular to the sample stage 20.
Zwischen der Primärionenquelle 12 und der Probenbühne 20 ist eine Extraktionseinheit 14 angeordnet, die dazu dient, die aus einer auf der Probenbühne 20 platzierten Halbleiterprobe herausgelösten Sekundärionen aufzufangen, zu bündeln und seitlich abzuleiten. Der derart gebildete und zur Seite gelenkte Sekundärionenstrahl 16 wird durch Transferlinsen 15 gebündelt und zu einer Massenspektrometereinheit 17 geleitet, wo die Sekundärionen entsprechend ihrem Masse-Ladungs-Verhältnis getrennt und auf einen Detektor geführt werden. An extraction unit 14 is arranged between the primary ion source 12 and the sample stage 20. This extraction unit serves to collect, focus, and laterally divert the secondary ions released from a semiconductor sample placed on the sample stage 20. The secondary ion beam 16 thus formed and laterally deflected is focused by transfer lenses 15 and directed to a mass spectrometer unit 17, where the secondary ions are separated according to their mass-to-charge ratio and guided to a detector.
Der bewegliche Teil der Probenbühne 20 wird durch eine Bühnensteuerungseinheit 22 gegenüber der Basis verfahren. Die Bühnensteuerungseinheit 22 ist mit einem Steuer-PC 18 verbunden, durch den auch die Primärionenquelle 12 gesteuert wird und auf dem die im Detektor der Massenspektrometereinheit 17 generierten Signale visualisiert werden. The movable part of the sample stage 20 is moved relative to the base by a stage control unit 22. The stage control unit 22 is connected to a control PC 18, which also controls the primary ion source 12 and on which the signals generated in the detector of the mass spectrometer unit 17 are visualized.
Figur 2 zeigt in einer schematischen, perspektivischen Ansicht eine Halbleiterprobe 30, die auf der Probenbühne platziert ist. Sie umfasst mehrere zu untersuchende Halbleiterstrukturen, die jeweils eine Region-of-Interest (ROI) 31 bilden, und insgesamt drei Positionierungsmarken 33, 34, 35 in zwei Randstreifen. Durch die Bewegung der Probenbühne kann die Halbleiterprobe 30, anhand eines durch die Steuerungseinheit der Probenbühne vorgegebenen Bewegungspfads 32 relativ zu dem ortsfest angeordneten und vertikal ausgerichteten Primärionenstrahl 13 bewegt wird. Dadurch kann ein Linienscan 42 durchgeführt werden oder ein Abbild 31 der Halbleiterprobe 30, oder einzelner ROIs 31 darauf, erzeugt werden. Außerdem können die Bereiche mit den kreuzförmigen Positionierungsmarken 33, 34, 35 gezielt angefahren werden. In Figur 3A ist die auf der Probenbühne 20 befestigte Halbleiterprobe 30 von oben gezeigt. Wie durch die Blockpfeile angedeutet, kann die Probenbühne 20 in X- und Y-Richtung verfahren werden. Zu Beginn des Untersuchungsverfahrens wird die Probenbühne 20 so positioniert, dass sich der lonenstrahl oberhalb einer Positionierungsmarke 35 befindet. Eine Soll-Position 35‘ für die Positionierungsmarke 35 ist aus den Herstellungsdaten der Halbleiterprobe 30 abgeleitet. Die Soll-Position 35‘ ist in Figur 3A durch die gestrichelt dargestellten Kreuze gekennzeichnet. Schon aufgrund der manuellen Platzierung der Halbleiterprobe 30 auf der Probenbühne 20 ist eine Abweichung zwischen der theoretischen, aus CAD-Daten der Halbleiterprobe 30 ermittelten Soll-Position 35‘ und der Ist-Position zu erwarten. Daher wird an der Soll-Position 35‘ der Primärionenstrahl 13 eingeschaltet, um einen bildgebenden Vorabscan durchzuführen, der durch den gestrichelten Kreis dargestellt ist. Im Randbereich des Erfassungsbereichs um die Soll-Position 35‘ herum wird die Positionierungsmarke 35 erkannt. Figure 2 shows a schematic, perspective view of a semiconductor sample 30 placed on the sample stage. It comprises several semiconductor structures to be examined, each forming a region of interest (ROI) 31, and a total of three positioning marks 33, 34, 35 in two edge strips. By moving the sample stage, the semiconductor sample 30 can be moved relative to the stationary and vertically aligned primary ion beam 13 using a movement path 32 specified by the control unit of the sample stage. This allows a line scan 42 to be performed or an image 31 of the semiconductor sample 30, or of individual ROIs 31 thereon, to be generated. Furthermore, the areas with the cross-shaped positioning marks 33, 34, 35 can be targeted. Figure 3A shows a top view of the semiconductor sample 30 mounted on the sample stage 20. As indicated by the block arrows, the sample stage 20 can be moved in the X and Y directions. At the beginning of the examination process, the sample stage 20 is positioned so that the ion beam is above a positioning mark 35. A target position 35' for the positioning mark 35 is derived from the manufacturing data of the semiconductor sample 30. The target position 35' is indicated in Figure 3A by the dashed crosses. Due to the manual placement of the semiconductor sample 30 on the sample stage 20, a deviation between the theoretical target position 35' determined from CAD data of the semiconductor sample 30 and the actual position is to be expected. Therefore, the primary ion beam 13 is switched on at the target position 35' to perform an imaging pre-scan, which is represented by the dashed circle. The positioning mark 35 is detected in the edge area of the detection range around the target position 35'.
Der Vorabscan wird durch Anfahren der Soll-Positionen 33‘, 34‘ für die Positionierungsmarken 33, 34 wiederholt, um auch mögliche Rotations- und Zoomfehler zu erkennen. Mit den in den Vorab-Scans bestimmten Abweichungen werden das aus den CAD-Daten der Halbleiterprobe 30 abgeleitete Koordinatensystem und das auf der Probenbühne tatsächlich gegebene Koordinatensystem in Übereinstimmung gebracht, so dass alle Soll-Positionen mit den Ist- Positionen übereinstimmen, wie in Figur 3B gezeigt. The preliminary scan is repeated by moving to the target positions 33', 34' for the positioning marks 33, 34 to also detect possible rotation and zoom errors. Using the deviations determined in the preliminary scans, the coordinate system derived from the CAD data of the semiconductor sample 30 and the actual coordinate system on the sample stage are aligned so that all target positions match the actual positions, as shown in Figure 3B.
Von der zuletzt für einen Vorabscan angefahrenen Positionsmarke 34 aus kann mittels der Steuereinheit ein Bewegungspfad 32 generiert werden, um den Primärionenstrahl 13 exakt auf einer ROI 31 zu platzieren, um dort einen Analysescan durchzuführen. Bezuqszeichenliste From the position mark 34 last approached for a preliminary scan, a movement path 32 can be generated by means of the control unit in order to place the primary ion beam 13 exactly on an ROI 31 in order to perform an analysis scan there. List of reference symbols
100 Analysevorrichtung 100 analysis device
10 Gehäuse 10 housings
11 Probenkammer 11 Sample chamber
12 Primärionenquelle 12 Primary ion source
13 fokussierter lonenstrahl13 focused ion beam
14 Extraktionseinheit 14 Extraction unit
16 Sekundärionenstrahl 16 Secondary ion beam
15 Transferlinsen 15 transfer lenses
17 Massenspektrometereinheit17 Mass spectrometer unit
18 Steuer-PC 18 control PCs
20 Probenbühne 20 rehearsal stage
22 Bühnensteuerungseinheit 22 Stage control unit
30 Halbleiterprobe 30 semiconductor samples
31 Region-of-Interest (ROI)31 Region of Interest (ROI)
32 Bewegungspfad 32 Movement path
33, 34, 35 Positionierungsmarken33, 34, 35 positioning marks
33‘, 34‘ 35‘ Soll-Positionen 33', 34' 35' Target positions
36 Halbleiterstruktur 36 Semiconductor structure
41 Abbild 41 Image
42 Linienscan 42 line scans
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