CN101246132A - 聚焦离子束设备及聚焦离子束检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种聚焦离子束设备，包括壳体、用于在样品上产生断面的聚焦离子束装置、用于检测所述断面的扫描电子显微镜装置，以及样品台，此外，还包括与所述样品台相连的，用于旋转所述样品台的断面偏转装置，且所述断面偏转装置的偏转轴线垂直于所述断面。本发明的聚焦离子束检测方法中，增加了沿垂直于所述断面的偏转轴线旋转样品台以调整样品台偏转角度的步骤，避免了离子束在样品内造成的损伤性缺陷，使得检测结果更为准确清晰，并且在实现上也简单方便。

Description

聚焦离子束设备及聚焦离子束检测方法

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种聚焦离子束设备及聚焦离子束检测方法。

背景技术

聚焦离子束(FIB，Focused Ion Beam)技术是一种集形貌观测、定位制样、成份分析、薄膜淀积和无掩模刻蚀各过程于一身的新型微加工技术。在半导体制造技术领域中，它常用来检测分析工艺制作的质量，如用来对集成电路芯片进行断面(Cross Section)分析，以观察和确定芯片中的缺陷。目前该技术已经成为集成电路制作过程中必不可少的关键技术之一。

图1为现有的聚焦离子束设备的示意图，如图1所示，其由壳体100、FIB装置101、扫描电子显微镜(SEM，Scanning Electron Microscope)装置102、样品台105及与样品台相连的聚焦偏转装置106组成，工作时，先利用SEM装置发射电子104，对样品进行定位，然后，利用聚焦偏转装置106按图中110所示方向将该样品台偏转一定角度，使其垂直于FIB装置101所发射的离子束103，接着，利用FIB装置101中的静电透镜(图未示)将离子束(通常是镓离子)聚焦至样品的指定位置处，对样品进行垂直切片处理以产生断面，在切片的同时，可以利用SEM装置对该断面进行观察分析，检测芯片中各个断层中的缺陷。

图2至图4为说明利用聚焦离子束设备进行断面分析的原理的样品剖面图，其中，图2为现有的测试样品的剖面图，如图2所示，该样品由衬底201和待测试层202组成。图3为现有的切割形成断面后的样品剖面图，如图3所示，切割后在样品内形成了垂直于样品表面的断面310。实现过程为：将该样品置于样品台上，利用SEM装置确定切割点后，将其转至与FIB装置垂直，再由聚焦离子束103对其进行垂直切割，在待测试层202中形成垂直于样品表面的断面310。图4为现有的利用SEM对样品的断面进行检测的样品剖面图，如图4所示，利用SEM装置发出的电子束104对由离子束切片形成的断面310进行观察，检测其内是否存在缺陷。现有的聚集离子束设备中，这一切片和观察过程可以同时进行，为断面检测分析工作提供了便利。

随着超大规模集成电路的迅速发展，芯片的集成度越来越高，元器件的尺寸越来越小，对利用FIB设备进行检测的精细度要求也越来越高，此时，上述FIB设备在检测器件结构时出现的一些问题，会不可避免地影响到缺陷检测的正常进行，需对其进行改进。

利用现有的聚焦离子束分析样品的断面存在如下缺陷：因离子束具有高能，若检测的样品中存在有连接塞、接触插塞等结构，且该连接塞或接触插塞位于切片位置上，则在切片时，该高能离子束会垂直打穿连接塞或接触插塞的底部，产生缝隙状缺陷。图5为现有的利用FIB设备检测时产生了缝隙缺陷的样品断面示意图，如图5所示，切片时在待测样品上产生的断面500内有一连接塞501，在利用聚焦离子束103对其进行切片处理时，高能的离子束垂直地将该连接塞501的底打穿，形成了缝隙状缺陷502，这一缺陷的形成，一方面会导致在用SEM观察时不能确定检测到的该缝隙状缺陷502是在生产工艺中形成的还是在该样品制备过程中产生的，另一方面，还会使断面的SEM图像不清晰，导致识别真正的缺陷503的难度增加，这两方面都不利于对缺陷的准确检测。

为了在检测中更好地确认缺陷，申请号为200310122586.0的中国专利申请公开了一种检测方法，该方法在测试前，先利用聚焦离子束将位于要测试的目标层之上的各层去除，曝露出要测试的目标层，然后再对其进行切片测试，但是，该方法显然实现起来既麻烦又费时，另外，其也无法解决上述对连接塞、接触插塞等结构进行切片时，因高能离子束垂直轰击连接塞、接触插塞等结构的底部而导致的产生缝隙性缺陷的问题。

发明内容

本发明提供一种聚焦离子束设备及聚焦离子束检测方法，改善了现有的聚焦离子束检测过程中产生缝隙缺陷的问题。

本发明提供的一种聚焦离子束设备，包括壳体、用于在样品上产生断面的聚焦离子束装置、用于检测所述断面的扫描电子显微镜装置，以及样品台，此外，还包括与所述样品台相连的，用于旋转所述样品台的断面偏转装置，且所述断面偏转装置的偏转轴线垂直于所述断面。

该设备中，可以将所述扫描电子显微镜装置垂直安装于所述壳体的内顶部，所述聚焦离子束装置倾斜安装于所述壳体的内顶部或内侧壁。此时，该聚焦离子束设备还可以包括与样品台相连，用于将所述样品台调整至与所述聚焦离子束装置相垂直的聚焦偏转装置；且所述断面偏转装置的偏转轴线垂直于所述聚焦偏转装置的偏转轴线；具体来说，可以是所述断面偏转装置与所述聚焦偏转装置的偏转轴线相交，也可以是所述断面偏转装置的偏转轴线与所述聚焦偏转装置的偏转轴线上、下交错。

也可以将所述聚焦离子束装置垂直安装于所述壳体的内顶部，所述扫描电子显微镜装置倾斜安装于所述壳体的内顶部或内侧壁。

其中，所述断面偏转装置可以与控制系统相连，实现对断面偏转的自动连续控制。

本发明具有相应技术特征的一种聚焦离子束检测方法，包括步骤：

利用扫描电子显微镜装置确定样品台上样品的检测区域；

利用断面偏转装置沿垂直于所述样品上将要产生的断面的偏转轴线旋转所述样品台；

利用聚焦离子束装置在所述样品的检测区域形成断面；

利用扫描电子显微镜装置检测所述样品的断面。

其中，在利用断面偏转装置旋转所述样品台之前，还可以包括：利用聚焦偏转装置将所述样品台调整至与聚焦离子束装置相垂直的位置。此时，所述聚焦偏转装置与所述断面偏转装置对样品台的调整方向相互垂直。

其中，所述样品的检测区包含连接塞和接触插塞结构。

其中，可以沿顺时针或逆时针方向利用所述断面偏转装置旋转所述样品台，其调整的角度通常在1至60度之间。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明聚焦离子束设备，增加了一个断面偏转装置，增强了样品台的角度控制功能，可以在保证切片时所产生的断面与样品相垂直的前提下，沿垂直于断面的偏转轴线旋转样品台，实现对样品的一定的偏离角度的调整，避免了高能离子束对样品中连接塞或接触插塞底部的直接轰击，也就避免了缝隙性缺陷的产生，提高了样品制备和观察检测的准确度。

利用本发明的聚焦离子束设备进行检测的方法，与传统检测方法相比，增加了沿垂直于断面的偏转轴线旋转样品台的步骤，这一样品台的偏转调整可以避免离子束在样品内造成的损伤性缺陷，使得检测结果更为准确清晰，并且在实现上也简单方便。

附图说明

图1为现有的聚焦离子束设备的示意图；

图2为现有的测试样品的剖面图；

图3为现有的切割形成断面后的样品剖面图；

图4为现有的利用SEM对样品的断面进行检测的样品剖面图；

图5为现有的利用FIB设备检测时产生了缝隙缺陷的样品断面示意图；

图6为本发明第一实施例的聚焦离子束设备的示意图；

图7为本发明第二实施例的聚焦离子束设备的示意图；

图8为本发明第三实施例的聚焦离子束设备的示意图；

图9为利用本发明的FIB设备检测时的样品断面示意图；

图10为说明本发明的FIB检测方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

本发明的处理方法可被广泛地应用到许多应用中，并且可利用许多适当的材料制作，下面是通过较佳的实施例来加以说明，当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的普通技术人员所熟知的一般的替换无疑地涵盖在本发明的保护范围内。

其次，本发明利用示意图进行了详细描述，在详述本发明实施例时，为了便于说明，各示意图会不依一般比例作局部放大，不应以此作为对本发明的限定，此外，在实际的制作中，应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

本发明提出了一种新的聚集离子束设备，包括壳体、用于在样品上产生断面的聚焦离子束装置、用于检测所述断面的扫描电子显微镜装置，以及样品台，此外，其还包括与所述样品台相连的，用于旋转所述样品台的断面偏转装置，且所述断面偏转装置的偏转轴线垂直于所述断面。这一断面偏转装置的加入，可以避免高能的聚焦离子束对样品中各结构，如连接塞结构的底部的直接轰击，避免了缝隙性缺陷的产生，对样品内缺陷的检测更为清晰，提高了缺陷检测的准确性。

图6为本发明第一实施例中的聚焦离子束设备的示意图，如图6所示，本实施例中的聚焦离子束设备包括壳体100、倾斜安装于该壳体内顶部或内侧壁(图中所示为后者)的聚焦离子束装置101，垂直安装于所述壳体的内顶部的扫描电子显微镜装置102，以及样品台105，所述聚焦离子束装置101用于在样品上产生断面。除此以外，本发明的FIB检测设备还包括与样品台105相连的断面偏转装置601，该断面偏转装置601用于沿垂直于在样品上所产生的断面的偏转轴线旋转样品台105，按图中的方向B调整样品台105的偏转角度。

此外，对于本实施例中的聚焦离子束设备，与样品台相连的通常还有与所述样品台相连的聚焦偏转装置106，该聚焦偏转装置106沿图中所示的第一方向A对样品台105进行偏转角度调整，用于将所述样品台调整至与所述聚焦离子束装置相垂直的位置。

本发明中的断面偏转装置601与聚焦偏转装置106均与样品台相连，并分别从两个方向A和B实现对样品台的偏转角度的调整，其具体的安装方式可以有多种，如，可以如图6中所示，令断面偏转装置601的偏转轴线与聚焦偏转装置106的偏转轴线上、下交错。此外，还可以令该断面偏转装置601与聚焦偏转装置106的偏转轴线相交。图7为本发明第二实施例的聚焦离子束设备的示意图，如图7所示，其断面偏转装置601与聚焦偏转装置106的偏转轴线相交于样品台的中心。

上述本发明第一、第二实施例中的设备工作时，在利用扫描电子显微镜装置102确定样品的检测区域后，先利用聚焦偏转装置106从第一方向A调整样品台的偏转角度，将样品台调整至与聚焦离子束装置101相垂直，确保离子束在样品上切片形成的断面与样品相垂直。再利用断面偏转装置601沿图中所示的第二方向B调整样品台105的偏转角度。该第二方向B的偏转是在离子束垂直入射样品，产生垂直于样品表面的断面的基础上，保持该断面所在平面不变对样品进行的偏转。其中，第二方向B是平行于用离子束对样品进行切片时产生的断面的，具体方向与该设备的离子束切片方向有关，通常该第二方向与第一方向间是相互垂直的，如图中A和B所示，因此，在安装这两个偏转装置106和601时，其偏转轴线通常是相互垂直的。注意在第二方向与断面方向一致的情况下，两个偏转装置之间并不一定是相互垂直的关系，也可能会因设备设计的不同而在二者间形成不同的夹角。

图8为本发明第三实施例的聚焦离子束设备的示意图，该实施例中，聚焦离子束装置101聚焦离子束装置垂直安装于壳体100的内顶部，扫描电子显微镜装置102倾斜安装于壳体100的内顶部或内侧壁(图中所示为后者)。其中，聚焦离子束装置仍是用于在样品上形成断面。此时，可以利用本发明的方法，在样品台下加入一个与样品台相连的断面偏转装置，该偏转装置用于沿垂直于样品上产生的断面旋转样品台，调整样品台的偏转角度。其同样可以提高缺陷检测的准确性。

图9为利用本发明的FIB设备检测时的样品断面示意图，如图9所示，该样品的断面500内包含有一连接塞结构501，在利用本发明的FIB设备进行检测时，利用聚焦偏转装置实现了该样品与聚焦离子束装置间的垂直放置关系，确保了其形成的断面500垂直于样品所在平面(其检测的断面与图5中利用传统的FIB检测设备检测的断面500相同)，接着，在保持该断面500所在平面不变的情况下，利用断面偏转装置对该样品进行了偏转，令其内的连接塞结构501发生倾斜，偏离了高能离子束510注入的方向，避免了高能离子束对样品中连接塞底部的直接轰击，也就避免了缝隙性缺陷的产生，在此情况下，对样品内缺陷503的检测会更为清晰，提高了缺陷检测的准确性。

上述本发明的三个实施例中的断面偏转装置是利用贯穿样品台的偏转轴线对样品台进行偏转角度的调整的，在本发明的其他实施例中，还可以利用其他方式对样品台的偏转进行调整，如可以在样品台下，与断面平行且穿过样品台中心的轴线两端或一端各安装一个升降装置，利用样品台一端抬起比另一端高的方式对样品台进行偏转调整，且该调整实质上也是沿垂直于所述断面的偏转轴线旋转样品台，实现样品沿断面所在平面偏转一定角度。注意到，上述实施例中只示出了沿逆时针旋转时的B方向，实际也可以按顺时针方向旋转样品台进行调整。

此外，可以利用本发明中所增加的断面偏转装置手动调节样品台的偏转角度，也可以将该断面偏转装置与控制检测设备的控制系统相连，利用控制电路的电信号实现对样品台的连续偏转角度的自动调节控制，实现起来方便可靠。该断面偏转装置的具体安装及连接方法与聚焦偏转装置类似，在此不再赘述。

本发明的上述实施例中，断面偏转装置偏转的方向--第二方向与样品的断面方向一致，以确保仍能形成垂直于样品的断面，在本发明的其他实施例中，根据实际应用，也可以令该第二方向与断面方向不一致，此时离子束在样品内形成的是不垂直于样品的断面。

图10为说明本发明的FIB检测方法的流程图，下面结合图10对利用本发明的聚焦离子束设备进行检测的方法进行详细说明。

首先，将样品放在样品台上(S1001)，此时，样品台是水平放置于壳体中心下方的。通常FIB检测设备是工作于真空状态下的，因此，在测试前，需先将样品放置于样品台上，关上设备的壳体门，对由壳体包围形成的工作壳体进行抽真空的处理，为检测作好准备。

然后，利用扫描电子显微镜装置确定所述样品的检测区域(S1002)。样品检测时，通常需要对某一确定的区域进行检测，因此，检测时，先要对所要检测的检测区域进行定位，本步定位由扫描电子显微镜装置完成，此时，样品台正对着扫描电子显微镜装置。

检测时，通常要求形成垂直于样品的断面，因此，在利用聚焦离子束形成断面前，需要令样品与聚焦离子束入射方向相垂直。这样，对于聚焦离子束装置位于壳体斜上方、扫描电子显微镜装置位于壳体中心上方的聚焦离子束设备，在确定检测区后，还需要利用聚焦偏转装置将样品台沿第一方向调整至与聚焦离子束装置相垂直的位置(S1003)。而对于聚焦离子束装置位于壳体中心上方、扫描电子显微镜装置位于壳体斜上方的聚焦离子束设备则不需要这一调整步骤。

在样品与聚焦离子束入射方向相垂直后，为了防止高能的离子束直接轰击样品内的连接塞、接触插塞等结构的底部，在样品的断面内形成缺陷，影响检测的正常进行，本发明加入了一步沿断面所在方向偏转样品台的调整步骤(S1004)。本步调整是利用断面偏转装置实现的，该断面偏转装置安装与样品台下，与样品台相连。本步中偏转的调整是沿垂直于切片产生的断面的偏转轴线旋转样品台而实现的，因为断面方向与离子束切片方向有关，用于按断面的方向偏转的该断面偏转装置的安装方向也要受到离子束的切片方向的影响。对于前面所述第一和第二实施例中的断面偏转装置，其通常是在水平面内垂直于聚焦偏转装置的方向上安装。此时，断面偏转装置对样品台的偏转方向也会垂直于聚焦偏转装置的偏转方向。

本步的沿断面方向的偏转调整，可以令断面内的连接塞结构相对于高能离子束的注入方向发生倾斜，避免了高能离子束对样品中连接塞底部的直接轰击，也就避免了缝隙性缺陷的产生(如图9所示)。因此，加入本步沿垂直于断面的轴线旋转、调整样品台的偏转角度的步骤，可以令样品内缺陷的检测更为清晰，提高了缺陷检测的准确性。本步中样品台沿断面方向的偏转角度由样品内的连接塞或接触插塞的具体结构决定，通常在1至60°之间，如30°，其偏转方向可以是顺时针的，也可以是逆时针的。

再接着，可以利用聚焦离子束装置在所述样品的检测区形成断面(S1005)。因为上一步的沿断面方向的偏转没有改变离子束对样品切片时的产生断面的方向，本步中切片所产生的断面仍是垂直于样品所在平面的。

在切片的同时，可以利用扫描电子显微镜装置检测该样品的断面(S1006)。由于此时样品内的连接塞或接触插塞等结构已在断面内偏离了高能离子束的入射方向，该高能离子束不会再对连接塞或接触插塞的底部进行直接的垂直轰击，减小了其对连接塞或接触插塞的底部的损伤，明显改善了在样品断面内形成缝隙状缺陷的问题。因此，在本步检测缺陷的步骤中，所观察到的断面图像较为清晰，可以较为容易、较为准确地检测到样品内的缺陷，提高了检测的准确性。

以上介绍的是利用FIB技术对样品进行缺陷检测时，可以利用本发明的设备和方法提高检测的清晰度和准确度，在本发明的其他实施例中，还可以利用本发明的设备及方法进行微加工制作，其可以避免微加工过程中在样品内引入缺陷，提高微加工质量。

现有的聚焦离子束加工设备，通常包括壳体、用于确定加工区域的显微镜装置、用于在样品上产生断面的聚焦离子束装置，以及样品台，此外，其还包括与样品台相连，用于沿垂直于所述断面的偏转轴线旋转所述样品台的断面偏转装置。在加工过程中，聚集离子束装置通常要垂直于样品台，即高能的离子束是垂直入射到样品内的，易损伤样品的某些内部结构。本发明中的断面偏转装置的加入，可以在确保加工的垂直角度的前提下，避免加工过程中高能离子束对样品内结构的损伤。其设备结构与加工方法与上述实施例中的相似，本领域的技术人员应该可以很容易地推导出来，在此不再赘述。

注意到，只要是将样品沿垂直于断面的偏转轴线旋转一定角度，以防止高能离子束垂直入射至样品内时，对样品内结构造成损伤的设备及方法均应落入本发明的保护范围内。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (13)

1. 一种聚焦离子束设备，包括壳体、用于在样品上产生断面的聚焦离子束装置、用于检测所述断面的扫描电子显微镜装置，以及样品台，其特征在于：还包括与所述样品台相连的，用于旋转所述样品台的断面偏转装置，且所述断面偏转装置的偏转轴线垂直于所述断面。

2. 如权利要求1所述的设备，其特征在于：所述扫描电子显微镜装置垂直安装于所述壳体的内顶部，所述聚焦离子束装置倾斜安装于所述壳体的内顶部或内侧壁。

3. 如权利要求2所述的设备，其特征在于：还包括与样品台相连，用于将所述样品台调整至与所述聚焦离子束装置相垂直的聚焦偏转装置。

4. 如权利要求3所述的设备，其特征在于：所述断面偏转装置的偏转轴线垂直于所述聚焦偏转装置的偏转轴线。

5. 如权利要求3所述的设备，其特征在于：所述断面偏转装置与所述聚焦偏转装置的偏转轴线相交。

6. 如权利要求3所述的设备，其特征在于：所述断面偏转装置的偏转轴线与所述聚焦偏转装置的偏转轴线上、下交错。

7. 如权利要求1所述的设备，其特征在于：所述聚焦离子束装置垂直安装于所述壳体的内顶部，所述扫描电子显微镜装置倾斜安装于所述壳体的内顶部或内侧壁。

8. 如权利要求1所述的设备，其特征在于：所述断面偏转装置与控制系统相连。

9. 一种聚焦离子束检测方法，其特征在于，包括步骤：

利用扫描电子显微镜装置确定样品台上样品的检测区域；

利用断面偏转装置沿垂直于所述样品上将要产生的断面的偏转轴线旋转所述样品台；

利用聚焦离子束装置在所述样品的检测区域形成断面；

利用扫描电子显微镜装置检测所述样品的断面。

10. 如权利要求9所述的检测方法，其特征在于，在利用断面偏转装置旋转所述样品台之前，还包括：

利用聚焦偏转装置将所述样品台调整至与聚焦离子束装置相垂直的位置。

11. 如权利要求10所述的检测方法，其特征在于：所述聚焦偏转装置调整样品台的方向垂直于所述断面偏转装置旋转样品台的方向。

12. 如权利要求9所述的检测方法，其特征在于：所述样品的检测区包含连接塞和接触插塞结构。

13. 如权利要求9所述的检测方法，其特征在于：利用所述断面偏转装置旋转所述样品台的角度在1至60度之间。

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