CN102016525B

CN102016525B - 原位差分谱仪

Info

Publication number: CN102016525B
Application number: CN200980116526.3A
Authority: CN
Inventors: M·维茨-依拉凡尼; M·那瑟尔戈德斯; G·赵
Original assignee: KLA Tencor Corp
Current assignee: KLA Corp
Priority date: 2008-05-08
Filing date: 2009-05-07
Publication date: 2014-07-02
Anticipated expiration: 2029-05-07
Also published as: US20090278044A1; WO2009137706A2; KR101524022B1; EP2294371A2; JP5639042B2; CN102016525A; JP2011520126A; KR20110011668A; EP2294371A4; US8283631B2; WO2009137706A3

Abstract

具有电子束生成器的谱仪，所述电子束生成器用于生成被导向试样的电子束。电子束定位器将所述电子束引导至所述试样上的适当位置上，并且从而产生来自所述试样的二次发射流，其中所述二次发射流包括电子和X射线中的至少一种。二次发射流定位器将所述二次发射流定位到检测器阵列上，所述检测器阵列接收所述二次发射流并且检测所述二次发射流的量和被接收到的位置两者。调制器调制被引导至所述试样上的所述电子束，并且从而在所述试样上的第一位置和第二位置之间扫描所述电子束。提取器与所述调制器和所述检测器阵列两者信号通信。

Description

原位差分谱仪

技术领域

本申请要求2008年5月8日递交的美国临时专利申请No.61/051,368的全部权利和优先权。本发明涉及集成电路制造领域。更具体地，本发明涉及使用谱仪检查衬底(substrate)。

背景技术

谱仪系统(例如俄歇谱仪)是用于各种领域(包括集成电路的制造工艺)中在微观层面上进行材料识别的重要工具。如本文所使用的，术语“集成电路”包括这样的器件，即，例如形成在单片(monolithic)半导体基板上的器件，例如由IV族材料(如硅或锗)、或者III-V族化合物(如砷化镓)、或者是这些材料的混合物形成的器件。该术语包括形成的所有类型的器件，例如存储和逻辑器件，以及这样的器件的所有设计，例如金属氧化物半导体(MOS)设计和双极性(bipolar)设计。该术语还包含诸如平面(flat panel)显示器、太阳能电池以及电荷耦合器件等的应用。

用于实现俄歇谱仪的传统技术包括在超高真空环境下采用顺序读取操作。另一技术使用大量并行的俄歇谱仪系统，该系统在中等真空环境下达到快得多的结果。

然而，这些方法都遭遇低对比度和易受背景噪声影响的问题。这需要获得许多平均值，并且需要特别注意在准确的关注区域上定位电子束。

因此，所需要的是至少部分地克服诸如上面所描述的问题的系统。

发明内容

通过这样的谱仪来满足上述和其他需求，该谱仪具有用于生成被导向试样的电子束的电子束生成器。电子束定位器将所述电子束引导至所述试样的适当位置上，并且从而产生来自所述试样的二次发射电子流。发射电子流定位器将所述发射电子流定位到检测器阵列上，所述检测器阵列接收所述发射电子流并且检测所述发射电子流的量和被接收的位置两者。调制器调制被引导至所述试样上的所述电子流，并且从而在所述试样上的第一位置和第二位置之间扫描(sweep)所述电子束。提取器与所述调制器和所述检测器两者信号通信，并且提取表征从所述第一位置接收到的所述信号与从所述第二位置接收到的所述信号之间的差别的差分信号。

通过观察差分信号而不是绝对信号，根据本发明的谱仪能够分辨比以传统方式构造并操作的谱仪的信号电平低许多的信号电平。因此，例如读取操作可以占用更少的时间，并且与谱仪系统的成本相关的其他事项可以减少或消除。在各种实施方案中，谱仪为俄歇谱仪或EDX谱仪。

根据本发明的另一方面描述了这样的谱仪，所述谱仪具有用于生成被导向试样的电子束的电子束生成器。电子束定位器将所述电子束引导至所述试样的适当位置上，并且从而产生来自所述试样的二次发射电子流。发射电子流定位器将所述发射电子流定位到检测器阵列上，所述检测器阵列接收所述发射电子流并且检测所述发射电子流的量和被接收的位置两者。调制器调制所述发射电子流定位器上的电压，并且从而跨所述检测器扫描所述发射电子流。提取器与所述调制器和所述检测器信号通信，并且提取表征与所述试样的本底组成(background composition)不同的所述试样的痕量成分(trace constituent)的差分信号。

根据本发明另一方面描述了用于通过这样的方式产生差分谱的方法，即将电子束引导至试样上，并且从而产生来自所述试样的二次发射电子流。所述发射电子流被定位到检测器阵列上，所述检测器阵列检测所述发射电子流的量和被接收的位置两者。调制器调制以下内容中的至少一个：(1)将所述电子流引导至所述试样上的所述导引，以及(2)将所述发射电子流定位到所述检测器之上的所述定位。在所述调制器和所述检测器之间提供信号通信，并且提取差分信号，所述差分信号表征由所述调制的电子束和所述调制的发射电子流中的至少一个生成的信号之间的差别。

所述方法可以由诸如俄歇谱仪或EDX谱仪的方式来实施。在一个实施方案中，所述调制器调制被引导至所述试样上的所述电子束，从而在所述试样上的第一位置和第二位置之间扫描所述电子束，并且所述差分信号表征从所述试样上的第一位置接收的信号和从所述试样上的第二位置接收的信号之间的差别。在另一实施方案中，所述调制器跨所述检测器调制所述发射电子流，从而跨所述检测器扫描所述发射电子流，并且所述差分信号表征与所述试样的本底组成不同的所述试样的痕量成分。

附图说明

通过在结合附图理解时参考具体的描述，本发明进一步的优点是明显的，所述附图不是按比例绘制的，从而更清楚地显示细节。其中，在全部的这些附图中相似的参考编号表示相似的要素，并且其中：

图1为根据本发明的俄歇谱仪的第一实施方案的图示表征，其中采用电压变化方法。

图2为根据本发明的俄歇谱仪的第二实施方案的图示表征，其中采用位置变化方法。

图3为根据本发明的所述第二实施方案的位置变化的图示表征。

图4为在本发明的所述第二实施方案中的信号和帧触发信号(frame trigger)的图示表征。

图5为在本发明的所述第二实施方案中的位置调制和帧触发信号的图示表征。

具体实施方式

本文所描述的实施方案使得甚至是在试样上给定位置的元素微小痕量的提取成为可能。本发明具有至少两种主要的实施方案(每一种都具有若干从属的实施方案)，所述两种主要的实施方案中的每一种生成可以被称为在所述试样上需要测定的位置的“差分(differential)”谱的谱。然而，该术语“差分”在应用于不同的实施方案时，具有稍稍不同的含义。

在第一实施方案中，“差分”表示相对于彼此在给定的需要测定的位置的成分上的差别(例如d(NE)/d(E))。这种形式的差分数据主要为“视觉辅助”(visualization aide)，因为其会导致加强所述谱中的细微之处。在如图1所描绘的这种实施方案中，谱仪10产生被导向试样14的电子束12，电子束12与试样14的碰撞产生俄歇电子16。诸如所表示的正弦电压被施加到收集系统的电极20上。并行检测系统18允许在多个通道(channel)上的俄歇电子的同时检测。这种正弦电压的应用意味着俄歇电子16采用的飞行路线如所表示的那样经历正弦摆动的特定电平(level)。因此，检测器18在每一单元处所获得的信号是表征本底的“DC”信号和表征所述差分值(d(NE)/d(E))的“AC”分量的结合。

在如图2所描绘的第二实施方案中，“差分”表示试样14上的第一位置的谱相对于试样14上的第二位置的谱之间的差别。在这种实施方案中，向电子束12的位置电极施加小幅度的正弦调制信号，如所表示的那样引起电子束12中的正弦摆动。在这种实施方案中，谱仪10没有以其他方式被改变。因此，谱仪10如在其通常情况下的那样继续分析俄歇电子。

在这种第二实施方案中，最终的(resulting)差分谱不包括针对出现在所述两个位置上的元素的具有相等幅度的任何信号，而仅仅示出试样14上的两点处的元素组成上的差别。换言之，当两个邻近位置的元素含量相同时，在所述两个俄歇电子流之间不存在元素的变化。在这种情况下，无论电子束12落于试样14上的什么地方，均生成相同的俄歇谱。

图3描绘电子束12在试样14上的两点之间的来回振荡，其中所述位置中的一个包括黑斑(black spot)，该黑斑表征并未出现在另一位置上的元素内含物(elemental inclusion)。即使在这两个位置之间的大部分元素组成是相同的，当所述振荡中的一个位置与试样14上的其他位置相比具有少量的元素变化时，则由于所述元素变化，在所述俄歇谱中会存在轻微改变。因此，最终俄歇谱以正弦方式变化。通过提取所述俄歇谱中的AC分量，即使是所述斑点(dot)的材料的最小痕量也可以提取，所述痕量达到这样的水平，即仅受限于系统10中的电子噪声。

信号提取

针对只具有单个元素检测器的俄歇谱仪，所述差分信号仅仅是可以通过锁相检测提取的所述AC信号。然而，当处理整个谱时这就不一样了。因为所述谱可以被看作一维图像，可以通过使用类似于锁相热成像中所使用的技术来提取所述信号。

如上面所提到的，利用周期性信号(例如正弦函数)来调制施加到谱仪10的电极20的电压，或者调制施加到电子束12的所述位置电极的电压。因此，所生成的俄歇谱为以正弦方式变化的谱。在所述样品保持静止状态时，获得所述图像的多个帧，即由所述检测器阵列以并行方式生成的谱。然后，通过以调制频率在时域中应用傅里叶滤波器来处理所述图像。给出幅度和相位图像(phase image)如下：

S (x_{i}) = \frac{1}{N} Σ_{i = 1}^{N} I_{m} (t_{i}) \sin (2 πi \frac{f_{1}}{f_{2}})

C (x_{i}) = \frac{1}{N} Σ_{i = 1}^{N} I_{m} (t_{i}) \cos (2 πi \frac{f_{1}}{f_{2}})

t_{i} = \frac{i}{f_{2}},

i＝0，1，2，...

x_i＝mP，m＝1，2，...N_X

A = \sqrt{S^{2} + C^{2}}

Φ = \tan^{- 1} \frac{S}{C}

其中f₁为电子束12位置调制(或电极20的电压调制)的频率，而f₂为帧速率。在一些实施方案中，f₂为f₁的偶数倍。X_i为检测器阵列18中的像素位置(或通道)。N为所获取的帧的总数目，在一个实施方案中，该获取的帧的总数目为可以被设置为期望数目的调制周期数目的整数倍。A为幅度而Φ为所述差分谱的相位。由此，取决于操作模式，所获得的结果是，试样14上的一点自身的纯(pure)差分谱(差分显示)，或者是该点相对于另一邻近点处(材料变化)的差分谱。

图4描绘帧触发信号如何可以被用来选择由所述两种不同的谱生成的信号。图5描绘电子束斑点(beam spot)位置之间的调制。

本文所描述的技术允许人们第一次具有试样14上的特定位置(特别是相对于邻近的位置)的完整差分谱。这使得能够以仅受限于系统10中的电子噪声的量的方式，对给定材料的微量痕量进行分离(isolation)和识别。这允许彻底删除本底信号(例如“共同模式/共同元素”信号)。

这种方法论还可以应用到其他谱技术中，例如EDX。在EDX的情况下，人们检测在所述试样上生成的X射线谱，该谱具有所述需要测定的点的成分材料的特征。在生成差分EDX谱过程中，只有电子束位置调制模式是可应用的。本文所描述的方法论在本质上基本上是分离试样上的任意两位置之间的变化。

为了举例说明和描绘的目的，已经给出了前述的本发明的优选实施方案的说明。这并不意图要穷尽本发明或要将本发明限制为已公开的精确形式。根据上述教导，明显的修改或变化是可能的。这些实施方案被选出并描述是试图提供本发明的原理及其实际应用的最佳说明，并且从而使本领域技术人员能够以各种实施方案利用本发明并且与符合特殊使用预期的各种修改一起利用本发明。当根据权利要求被公平、合法、公正地赋予的范围进行解释时，所有这样的修改和变化均落入由所附的权利要求书所确定的本发明的范围之内。

Claims

1.一种谱仪，所述谱仪包括电子束生成器，所述电子束生成器用于生成被导向试样的电子束；电子束定位器，所述电子束定位器用于将所述电子束引导至所述试样的适当位置上，并且从而产生来自所述试样的二次发射流；二次发射流定位器，所述二次发射流定位器用于将所述二次发射流定位到检测器阵列上，所述检测器阵列用于接收所述二次发射流并且检测所述二次发射流的量和被接收到的位置两者，其中所述二次发射流包括电子和X射线中的至少一种；调制器，所述调制器用于以一频率以正弦方式调制所述被引导至所述试样上的电子束的位置，并且从而在所述试样上的第一位置和第二位置之间反复扫描所述电子束；以及提取器，所述提取器与所述调制器和所述检测器阵列两者信号通信，用于通过以调制的频率在时域中应用傅里叶滤波器提取差分信号，所述差分信号表征在所述电子束的反复扫描期间从所述第一位置接收到的信号帧与在所述电子束的反复扫描期间从所述第二位置接收到的信号帧之间的差别。

2.如权利要求1所述的谱仪，其中所述谱仪为俄歇谱仪。

3.如权利要求1所述的谱仪，其中所述谱仪为EDX谱仪。

4.一种谱仪，所述谱仪包括电子束生成器，所述电子束生成器用来生成被导向试样的电子束；电子束定位器，所述电子束定位器用于将所述电子束引导至所述试样的适当位置上，并且从而产生来自所述试样的二次发射电子流；发射电子流定位器，所述发射电子流定位器用于将所述二次发射电子流定位到检测器阵列上，所述检测器阵列用于接收所述二次发射电子流并且检测所述二次发射电子流的量和被接收到的位置两者；调制器，所述调制器用于以一频率以正弦方式调制所述发射电子流定位器上的电压，并且从而跨所述检测器阵列反复扫描所述二次发射电子流；以及提取器，所述提取器与所述调制器和所述检测器阵列两者信号通信，用于通过以调制的频率在时域中应用傅里叶滤波器提取差分信号，所述差分信号表征与所述试样的本底组成不同的所述试样的痕量成分。

5.如权利要求4所述的谱仪，其中所述谱仪为俄歇谱仪。

6.如权利要求4所述的谱仪，其中所述谱仪为EDX谱仪。

7.一种用于产生差分谱的方法，所述方法包括如下步骤：

将电子束引导至试样上，并且从而产生来自所述试样的二次发射流，其中所述二次发射流包括电子和X射线中的至少一种，

将所述二次发射流定位到检测器阵列上，

利用所述检测器阵列检测所述二次发射流的量和被接收到的位置两者，

利用调制器以一频率以正弦方式调制被引导至所述试样上的所述电子束的位置，从而在所述试样上的第一位置和第二位置之间扫描所述电子束，

在所述调制器和所述检测器阵列之间提供信号通信，以及

通过以调制的频率在时域中应用傅里叶滤波器提取差分信号，所述差分信号表征在所述电子束的反复扫描期间从所述试样上的第一位置接收的信号帧和在所述电子束的反复扫描期间从所述试样上的第二位置接收的信号帧之间的差别。

8.如权利要求7所述的方法，其中所述方法由俄歇谱仪实施。

9.如权利要求7所述的方法，其中所述方法由EDX谱仪实施。

10.一种用于产生差分谱的方法，所述方法包括如下步骤：

将所述二次发射流定位到检测器阵列上，

利用调制器跨所述检测器阵列以一频率以正弦方式调制二次发射流，从而跨所述检测器阵列反复扫描所述二次发射流，

在所述调制器和所述检测器阵列之间提供信号通信，以及

通过以调制的频率在时域中应用傅里叶滤波器提取差分信号，所述差分信号表征与所述试样的本底组成不同的所述试样的痕量成分。

11.如权利要求10所述的方法，其中所述方法由俄歇谱仪实施。

12.如权利要求10所述的方法，其中所述方法由EDX谱仪实施。