CN101131909B - 聚焦离子束装置、样品断面形成及薄片样品制备方法 - Google Patents

聚焦离子束装置、样品断面形成及薄片样品制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了聚焦离子束装置、样品断面形成及薄片样品制备方法。在通过扫描照射聚焦离子束刻蚀样品断面及其周边的同时，检测由照射聚焦离子束产生的二次电子。根据检测到的二次电子信号变化量，端点检测机构检测端点，由此停止刻蚀，从而即使使用没有SEM观察功能的FIB装置也可以有效检测缺陷或接触孔的中心位置。

Description

聚焦离子束装置、样品断面形成及薄片样品制备方法
技术领域
本发明涉及到利用聚焦离子束装置形成样品断面及加工TEM样品。
背景技术
利用图9对利用传统的FIB-SEM装置加工缺陷区域的观察方法进行解释说明。首先，用离子束IB对样品22进行加工形成一个矩形开口21。开口形成后，用电子束EB扫描照射断面D。通过检测那时所产生的二次电子，观察断面D的二次电子图像。在缺陷分析中为了获得通过缺陷中心的断面，在已获得的二次电子图像中的一个特定结构的一端选定两个点。然后，用离子束IB逐步研磨(mill)该特定结构，在研磨过程中测量特定结构的端到端的距离。当距离变化几乎为零时终止用离子束IB研磨，可以在缺陷中心区域获得断面。
[专利文件1]JP-A-H11-273613
在前面所述的利用传统的FIB-SEM装置通过加工观察缺陷的方法中，为了检测缺陷或接触孔的中心位置，需要照射电子束到样品断面。这要求具有SEM柱的FIB-SEM装置。同时，由于使用FIB工作以及通过将照射束转换到SEM来确认端点(end point)，转换过程耗费时间。本发明提供一种样品断面形成方法，该方法即使使用没有SEM观察功能的FIB装置也能有效检测缺陷或接触孔的中心位置。本发明的一个目的是提供一种有效制备薄片(thin-piece)样品的方法，使得缺陷或接触孔的中心处于用于TEM等的观察薄片样品的中心。
发明内容
为了达到上述目标，使用这样一种方法，该方法利用聚焦离子束装置相对于和样品表面平行的方向形成包含至少两种不同材料的样品断面。使用聚焦离子束装置的样品断面形成方法包含的步骤有：在垂直于样品表面形成断面时，在通过扫描照射聚焦离子束对样品的一个期望区域进行刻蚀的同时，检测由照射聚焦离子束所产生的二次带电粒子；以及利用检测到的二次带电粒子的信号检测信号量的变化并且根据该变化量终止刻蚀。换言之，使用聚焦离子束装置，在和聚焦离子束装置的透镜镜筒轴向平行的方向用聚焦离子束扫描照射样品表面的期望区域，由此形成样品断面。在形成样品断面时，当一形成断面，包含不同材料的样品表面就出现时，包含如下步骤：当在形成样品断面时在形成断面的过程中，在出现包含不同材料的样品断面时，在通过通过扫描照射聚焦离子束对样品期望区域进行刻蚀的同时，检测由照射聚焦离子束产生的二次带电粒子；以及根据检测到的二次带电粒子的信号检测信号量的变化并根据其变化量终止刻蚀。此外，也可能是这样一种在样品表面中形成断面的方法，其通过在和聚焦离子束装置的透镜镜筒轴平行的方向上扫描照射聚焦离子束，并在样品的期望区域形成样品断面同时刻蚀该断面，使用聚焦离子束装置的样品断面形成方法特征在于包括如下步骤：检测由照射聚焦离子束所产生的二次带电粒子；以及检测所检测到的二次带电粒子信号的信号量变化，并且当信号量有变化时，根据变化量终止刻蚀。
第二种问题解决手段是使用根据权利要求1的使用聚焦离子束的样品断面形成方法，其中建立所述期望区域，使其一侧几乎平行于样品表面中的期望断面的一侧，以形成包含该平行一侧的断面的方式进行刻蚀，接着通过扫描照射离子束刻蚀工作区，同时向着期望断面并在加宽的方向上形成该工作区的断面，从而根据此时产生的二次带电粒子的信号检测每个断面位置的信号量的变化，根据其变化量终止刻蚀。
第三种问题解决手段是使用根据权利要求1或2的使用聚焦离子束装置的样品断面形成方法，其中通过检测所检测到的二次带电粒子信号的信号量变化而终止刻蚀的步骤包括：相对于副扫描方向，在每个副扫描位置累积主扫描方向上刻蚀过程中检测到的二次带电粒子信号，假定和期望断面的一侧几乎平行的方向为主扫描方向，而垂直于主扫描方向的方向为副扫描方向；检测累积信号量的变化，并根据其变化量终止刻蚀。
第四种问题解决手段是一种利用聚焦离子束装置制备薄片样品的方法，其特点在于以下步骤：通过根据第一到第三问题解决手段中的任何一种手段的、使用聚焦离子束装置的样品断面形成方法形成样品断面；以及类似地，关于期望薄片样品区，与已形成的样品断面相对地类似地形成一断面，从而形成薄片样品区。
第五种问题解决手段使用一种聚焦离子束装置，该装置包含：用于产生离子的离子发生源；离子光学系统，该系统将离子限制成聚焦离子束并在扫描的同时将离子束照射到样品表面；用于支撑样品的样品台；用于移动样品台的样品台控制机构；检测聚焦离子束照射样品所产生的二次带电粒子的二次带电粒子探测器；以及端点检测机构，其在通过扫描照射聚焦离子束对垂直于样品平坦表面形成的断面进行刻蚀时，根据二次带电粒子探测器检测到的二次带电粒子信号量的变化量检测端点。
基于第一问题解决手段的操作如下：通过检测所检测到的二次带电粒子信号量的变化来终止刻蚀，可以在暴露包含不同材料的期望断面的状态下终止刻蚀。
基于第二问题解决手段的操作如下：通过选取几乎平行于期望样品断面的平面作为一侧建立和刻蚀一工作区，并且朝向期望样品断面加宽工作区，直到检测到刻蚀终止信号，可以形成一期望端面，而不会遇到加工不足或过度的问题。
基于第三问题解决手段的操作如下。即使二次带电粒子信号量小或者信号量变化不容易检测，也可以通过累积二次带电粒子信号并检测累积的信号量的变化，在暴露期望断面的状态下终止加工。
根据第四问题解决手段的操作如下。通过类似地关于期望薄片样品区与已形成的样品断面相对地形成一断面，可以在期望的薄片样品区中形成薄片样品。
根据第五问题解决手段的操作如下。通过使用具有端点检测机构聚焦离子束装置，该装置根据检测到的二次带电粒子信号检测端点，可以在暴露包含不同材料的期望断面的状态下终止刻蚀。
如上所述，根据本发明的聚焦离子束装置和使用聚焦离子束装置的样品断面形成方法，通过检测刻蚀时所产生的二次带电粒子的信号量的变化来终止刻蚀，即使使用没有SEM观察功能的FIB装置，也可以检测到上面看到的缺陷或接触孔中心位置，由此有效形成样品断面。同时，根据根据本发明的聚焦离子束装置和使用聚焦离子束装置的薄片样品制备方法，即使使用没有SEM观察功能的FIB装置，也可以有效地制备用于TEM观察的薄片样品，缺陷或接触孔的中心轴处于该薄片样品的中心。
附图说明
图1是表示本发明的一个实施例的FIB装置的示意图。
图2A-2D是表示本发明的该实施例的样品表面视图。
图3A-3D示出了表示本发明的该实施例的位置和累积二次电子信号量之间的关系
图4A-4C是表示本发明的该实施例的样品表面视图。
图5A-5C是图4A-4C的A-A样品断面视图。
图6是表示本发明的该实施例的流程图。
图7是表示本发明的该实施例的流程图。
图8A表示本发明的该实施例的样品表面视图，图8B表示位置和累积二次电子信号量之间关系的图。
图9是表示现有技术的实施例的FIB-SEM装置。
具体实施方式
现在根据图1～7，对本发明的实施例进行说明。
图1是表示本发明的一个实施例的FIB装置的示意图。由离子源11所产生的离子被离子光学系统12采集以形成聚焦离子束1并扫描照射到如半导体器件的样品10。样品10位于样品台13上，它可以用平台驱动机构14移动。二次电子2，它是由聚焦离子束1照射样品10产生的二次带电粒子，将被用做二次电荷探测器的二次电子探测器3检测到。根据检测到的二次电子信号，样品10的二次电子图像将被显示在显示器17上。同时，端点检测机构16可以根据加工过程中检测的二次电子信号量的变化量检测端点。
利用图2A-2D、3A-3D和6，对观察包括接触孔轴的断面的情形进行说明。
图2A-2D是表示本发明的一个实施例的样品表面视图。在被表面保护膜4覆盖的样品10中，包含由绝缘体形成的层间膜6和垂直于样品表面提供的金属接触孔7。从样品表面不能观察到接触孔7。如果沿着平行于样品表面的平面切割接触孔7，在切割表面方向存在不同的材料(如绝缘体和金属)区。
图3A-3D表示位置和累积二次电子信号量之间的关系，其中横轴代表主扫描方向上的位置，这里假定与断面一侧几乎平行的方向为主扫描方向，近似垂直主扫描方向的方向为副扫描方向。而纵轴代表在副扫描方向累积的二次电子信号量。此处，二次电子信号量累积是指相对于主扫描方向的各个副扫描方向位置处检测到的二次电子信号量的总和。尽管在某些样品材料和聚焦离子束照射条件下，检测二次电子数量变化很困难，通过计算二次电子信号量的总和可以清楚地确定这种改变。
利用图6中表示本发明的实施例的流程图，对根据本发明的样品断面形成方法进行说明。利用缺陷检查装置和设计布局图的坐标信息，通过移动样品台13到接触孔7的位置获得有关样品表面的二次电子图像。但是，由于接触孔7被表面保护膜4覆盖，在所得到的二次电子图像中不可能知道接触孔7的正确位置。利用得到的二次电子图像，通过估计可以在断面加工接触孔7的位置来在样品表面上建立工作区。
图2A中的工作区8a表示不位于在断面加工接触孔7的位置的情形。
然后，在通过扫描照射聚焦离子束1到已建立的工作区8a进行刻蚀的同时，检测刻蚀过程中产生的二次电子2，其中与断面一侧几乎平行的方向为主扫描方向，近似垂直主扫描方向的方向为副扫描方向。对于这种情况下的累积二次电子信号量，图3A中累积二次电子信号量相对于主扫描方向是恒定的。
接着，在图2B中，建立工作区8b，以在其断面重新加工接触孔7，从而对工作区进行刻蚀。关于刻蚀过程中检测和累积的二次电子信号量，图3B中累积二次电子信号量在某个位置发生变化。累积二次电子信号量的变化归功于在形成图2B中的工作区8B时聚焦离子束1照射到接触孔7的一部分。由于由照射聚焦离子束1所产生的二次电子的数量随材料不同而不同，照射聚焦离子束1到接触孔7改变了在相对于聚焦离子束1的主扫描方向存在接触孔7的位置处的二次电子信号量，如图3B所示。
进一步，如图2C所示建立新工作区8C，对该工作区进行刻蚀。在图3C中，刻蚀过程中检测和累积的二次电子信号量在二次电子信号量峰值顶端显示为平坦的。该平坦部分代表刻蚀接触孔7。
进一步，在图2D中建立工作区8d，对该工作区进行刻蚀。此时累积的二次电子信号量峰宽大于图3C中的峰宽，如图3D所示。当该峰宽变为最大时，认为刻蚀形成的接触孔的断面处于接触孔的直径内。可以确定刻蚀已经到达接触孔的中心或周边。此处，在观察由于形成过程导致的峰尺寸的过程中，峰宽为最大的时间将确定为峰增加量最小的时间。然后刻蚀结束。上述方法允许形成包括接触孔7的轴的断面。最后，倾斜样品台13以照射聚焦离子束1到由此形成的断面。通过扫描照射聚焦离子束1到该断面，可以观察到该断面包括接触孔7的中心轴。
利用图4A-4C，5A-5C和7说明制备包含接触孔轴的薄片样品的情形。图4A-4C是包含接触孔的样品10的表面视图。图5A-5C是图4A-4C的A-A断面图。样品10由层间膜6、互连5和在互连5之间的接触孔7构成。
利用表示本发明的实施例的流程图进行说明。利用缺陷检查装置和设计布局图的坐标信息，在样品表面上建立一个工作区。通过扫描照射聚焦离子束1到已建立的工作区，对接触孔7进行刻蚀，同时形成从远离接触孔的位置开始的断面，由此形成如图4A和5A中的沟槽9a。在此情况下，进行刻蚀，同时确定二次电子信号量，就像在观察包括接触孔轴的断面的情形中一样。在通过刻蚀沟槽9a形成断面的过程中，当没有观察到二次电子信号在位置上相对于断面变化的部分时，以如图4B和5B所示的加宽工作区的方式建立工作区，以通过刻蚀形成沟槽9b。进行刻蚀同时确定二次电子信号量，当观察到二次电子信号量的变化点时，认为已经刻蚀到接触孔7，由此沟槽9的形成终止。
然后在关于接触孔7与沟槽9b相对的位置建立一个新工作区，如图4C和5C所示。和上述方法类似对已建立的工作区进行刻蚀，由此形成沟槽9C。与形成沟槽9b类似，在确定了二次电子信号量的变化点后，假定沟槽9c达到接触孔7，结束刻蚀。这样可以制备包含接触孔7的中心轴的薄片样品。然后，为了进行TEM观察，将制备的薄片样品从样品10分离并固定在TEM观察样品架上，然后输送到TEM装置。通过垂直照射电子束到TEM装置上的薄片样品，可以观察到包含接触孔7的中心轴的薄片样品的TEM图像。
同时，对观察接触孔以固定间隔排列的样品的断面的情形进行说明。图8A是接触孔以固定间隔排列的样品的样品表面视图。为了观察接触孔7的断面，建立一个工作区。通过扫描照射聚焦离子束1形成沟槽9，其中主扫描方向为几乎和断面一侧平行的方向，而副扫描方向几乎垂直于主扫描方向。图8B表示此种情况下位置和累积二次电子信号量之间的关系，其中检测到的是和接触孔7的间隔相匹配的累积二次电子信号量的峰。由此，在知道了接触孔7的间隔时，可以通过检查累积二次电子信号量的峰间隔来确定接触孔7的位置，由此确定端点。虽然此处对断面观察进行说明，使用上述方法还可以制备包含接触孔7中心的薄片样品。
虽然利用接触孔作为观察目标进行说明，本发明的主题并不限于此。例如，本发明在通过断面观察样品中的缺陷或制备缺陷部分的TEM样品方面也很有效。同时，二次电子检测实例解释为二次带电粒子，可以使用二次离子。

Claims (6)

1.一种使用聚焦离子束装置形成相对于平行于样品表面的方向包含至少两种不同材料的样品断面的方法，使用聚焦离子束装置的该样品断面形成方法包含的步骤有：
在通过扫描照射聚焦离子束对样品的期望区域进行刻蚀以形成垂直于样品表面的断面的同时，检测由照射聚焦离子束产生的二次带电粒子；以及
检测基于所检测到的二次带电粒子的信号的变化量，并根据所述变化量终止刻蚀。
2.根据权利要求1的使用聚焦离子束装置的样品断面形成方法，其中建立所述期望区域以使其一侧几乎平行于样品表面中的期望断面的一侧，从而以形成包含该平行一侧的断面的方式进行刻蚀；接着通过扫描照射离子束对所述期望区域进行蚀刻，同时形成朝向期望断面并在加宽方向上的所述期望区域的断面，从而根据此时产生的二次带电粒子信号来检测每个断面位置的信号量变化，根据其变化量来终止刻蚀。
3.根据权利要求1的使用聚焦离子束装置的样品断面形成方法，其中通过检测二次带电粒子信号的信号量变化而终止刻蚀的步骤包括：
在每个副扫描位置，相对于副扫描方向累积刻蚀过程中在主扫描方向检测到的二次带电粒子信号，假定与期望断面的一侧几乎平行的方向为主扫描方向，而垂直于主扫描方向的方向为副扫描方向；检测累积信号量的变化；以及根据其变化量终止刻蚀。
4.一种利用聚焦离子束装置制备薄片样品的方法，包含如下步骤：
使用权利要求1的使用聚焦离子束装置的样品断面形成方法，形成样品断面；以及，
以与已形成的样品断面相同的方式关于期望的薄片样品区与已形成的样品断面相对地形成断面，从而形成薄片样品区。
5.一种聚焦离子束装置，包含：
用于产生离子的离子发生源；
离子光学系统，其将离子限制成为聚焦离子束，并在扫描的同时照射该聚焦离子束到样品表面；
用于支撑样品的样品台；
用于移动样品台的样品台控制机构；
二次带电粒子探测器，它用于检测由照射聚焦离子束所产生的二次带电粒子；以及
端点检测机构，当通过扫描照射聚焦离子束对垂直于样品表面形成的断面进行刻蚀时，它根据二次带电粒子探测器检测到的二次带电粒子信号量的变化量来检测端点。
6.一种在样品表面中形成断面的方法，该方法在和聚焦离子束装置的透镜镜筒轴平行的方向扫描照射聚焦离子束，并在样品的期望区域形成样品断面同时刻蚀该断面，该使用聚焦离子束装置的样品断面形成方法的特征在于包括以下步骤：
检测由照射聚焦离子束所产生的二次带电粒子；以及
检测所检测到的二次带电粒子的信号的信号量变化，并在有信号量变化时，根据变化量来终止刻蚀。
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