CN100389485C - 一种运用激光制作集成电路样品断面的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属集成电路制造工艺的分析检测技术领域。为了快速、准确地制作集成电路的样品断面以进行断面电镜分析，克服手工和机械制样精度低、偏差大以及聚焦离子束分析(FIB)速度慢、时间长、容易沾污样品的缺点，本发明提出一种运用激光制作集成电路样品断面的方法。具体是将高能激光束经聚焦后投射到硅片上，通过对微小区域进行快速加热，改变此区域的机械性能，与同时加在样品上的机械力相互配合，准确地在样品上产生裂纹并使样品按预定方向开裂，从而迅速、精确地得到所需要的断面。本方法制样时间和手工及机械方式相当，而精度却有很大的提高，仅略逊于FIB方式，是一种准确高效的集成电路断面样品制备方法。

Description

一种运用激光制作集成电路样品断面的方法
技术领域
本发明属于集成电路制造工艺中的分析检测技术领域，具体涉及一种运用激光制作集成电路样品断面的方法。
背景技术
随着集成电路的不断发展，晶体管的最小线宽不断缩小，先进CMOS工艺中晶体管栅极的长度已经接近0.1微米。特征线宽的不断缩小导致了芯片集成度的大幅度提高，但是细小的线条给工艺分析带来了很大的困难。
断面分析是开发和监控集成电路生产工艺的重要分析手段，它通过在需要分析的区域沿硅片厚度方向切断硅片，然后将断面样品拿到断面扫描电子显微镜下放大观察，分析工艺中的问题或器件失效的原因，是集成电路行业不可缺少的分析手段。
最常用的制作断面的方法是手工方法：凭肉眼找到待分析的位置，用金刚刀在待切位置附近划出裂纹，然后手工加力，使样品沿裂纹开裂，得到所须的样品。该方法快速、简单，但也有很大的局限性。为了要使肉眼找到位置，待分析的区域要相当长，要几毫米才能容易辨认；而手工划裂纹的误差和不确定性也同样要求待分析区域足够长(5毫米以上)以保证在需要的位置断开。所以为了进行断面分析，常常在设计中就要专门安排特别的大块区域放置特别设计的断面线条以方便断面样品的制作。随着集成电路尺寸的缩小，单位面积内线条大大增加，专门断面区变得越来越不经济，浪费了宝贵的芯片面积。
为了改进手工划片的不确定性，发展了机械划片的方法，它用机械在金刚刀上加力以得到裂纹并使样品开裂，避免了手划片和加力的非重复性。这种技术使1毫米左右的线条也能被准确切断，从而减少了断面区的面积，提高了分析能力和芯片面积的利用率。但受到机械尺寸的限制，该方法无法对更小长度的线条进行切断，而1毫米线长对集成电路中使用的绝大多数线条而言还是太大，仍然不能满足大多数实际情况，需要专门设计断面区域以方便断面的制作。虽然比手工方法有所改进，但仍显不足。
目前可以不用特别制作断面区，而可对任意微小结构进行断面分析的分析工具是聚焦离子束显微镜(FIB)。它利用经过电磁透镜聚焦的高能离子束轰击样品表面，将样品的原子溅射出来，通过长时间溅射，在需要观察的指定区域用离子束挖出一定深度和一定倾斜角的槽，然后再进行倾斜观察。该方法对观察区域没有特别的要求，能观察最小的集成电路结构(零点几微米)，是很精确的分析工具。但该方法需要特殊的设备，还需要高真空条件，设备成本和运行成本都非常高。而且因离子束束斑小，样品的制作时间很长，一般一个样品就需要几小时制备。此外溅射出的原子可能在不希望的位置淀积，可能导致样品的沾污。
发明内容
本发明的目的在于提出一种方法，能以高于手工和机械方法的准确度，低于FIB的成本和时间，制作集成电路电子显微镜断面样品。
本发明提出的制作集成电路样品断面的方法，是将高能激光束经聚焦后投射到硅片上，通过对微小区域进行快速加热，改变此区域的机械性能，与同时加在样品上的机械力相互配合，准确地在样品上产生裂纹并使样品按预定方向开裂，从而迅速、精确地得到所需要的断面。
附图1以框图的方式表示了一种按本发明思路构成的系统的实现方案，其中由冷却系统冷却的高能激光器发射高强度激光脉冲，经光路控制和聚焦系统后照射到硅片上，硅片在样品台上被夹住，在受强光辐射后热应力在被照区域产生裂纹，此时对样品加机械力后，样品将沿预定裂纹开裂，获得最终的断面。
为了产生所需的高能激光，可以使用各种具有足够功率输出的激光器：即可以用固体激光器如红宝石激光器、钕玻璃激光器、NdYAG激光器、半导体激光器等，也可以用气体激光器如CO2激光器、CO激光器、准分子激光器等。
所选用的高能激光器的特征参数范围是：激光波长0.2um到50um，激光脉冲能量0.5J到200J，激光脉冲频率1Hz到10KHz，激光器功率为10W到10KW。
高能激光器发出的激光脉冲必须进行聚焦以得到尽可能小的光斑，聚焦系统可以采用透射式聚焦方式或者反射式聚焦方式。聚焦焦距的特征参数范围是10毫米到500毫米，聚焦束斑直径在0.001毫米到0.1毫米的范围以内。
聚焦光斑对硅片的加热既可以加热硅片的正面，也可以加热硅片的背面。要使受照射表面产生足够的热量并产生热应力。
为了得到确定的裂纹方向，必须沿特定方向移动。如图2所示，这既可以是象左图中硅片所在平面2沿3的两互相垂直方向进行运动，也可以是象右图中那样高能激光束1沿3的方向进行运动。因此，即可以是硅片所在平面进行运动，也可以是高能激光束进行运动。
样品经激光照射产生了热应力导致的定向裂纹后，要对样品施加机械力使这个样品整个沿裂纹断裂。为使样品断裂可以使用拉、压、弯、扭等加力方式。图3中示意表示对样品夹4施加方向5的力矩以使样品2发生断裂。
本方法制样时间和手工及机械方式相当，而精度大大提高，是一种成本低、准确、高效的集成电路断面样品制备方法。
附图说明
图1是激光制样系统的系统框图。
图2是两种可能运动方式的比较。
图3是一种可能的施加机械力的图示。
图中标号分别是：1是聚焦系统及光束，2为被夹持的样品，3是两个互相垂直的运动方向，4为样品夹，5是样品夹的受力方向。
具体实施方式
下面示例说明本发明的一种可能的实施过程，其目的是更好地解释本发明的运用，而不应当理解为对本发明的限制。
1.调节高能激光器及聚焦系统，使输出光斑达到使用要求；
2.将样品夹在硅片台的样品夹上，并将待切割位置移动到激光束下；
3.加大激光输出能量以加热硅片上的小区域，同时样品夹持系统加力，可以选用固体激光器如红宝石激光器，激光脉冲能量100J左右可调、激光脉冲频率1KHz左右可调、激光器功率1KW左右可调；
4.样品断裂后停止激光器输出，取出样品进行断面电子显微镜观察。

Claims (5)

1.一种制作集成电路样品断面的方法，其特征是，将激光束经聚焦后投射到硅片上，通过对微小区域进行加热，与同时加在样品上的机械力相互配合，准确地在样品上产生裂纹并使样品按预定方向开裂，从而得到所需要的断面；其中：
所述的激光束波长为0.2um-50um，脉冲能量为0.5J-200J，脉冲频率为1Hz-10KHz，激光器功率为10W-10KW。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的激光束用固体激光器产生，或用气体激光器产生。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述的固体激光器为红宝石激光器、钕玻璃激光器、NdYAG激光器或半导体激光器，所述的气体激光器为CO2激光器、CO激光器或准分子激光器。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的激光器采用透射式聚焦或者反射式聚焦方式，聚焦焦距10毫米到500毫米，聚焦束斑直径0.001毫米到0.1毫米。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征是，按照需要的裂纹方向，使硅片所在平面进行运动，或者使激光束进行运动。
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