CN103822806A

CN103822806A - Tem样品的制备方法

Info

Publication number: CN103822806A
Application number: CN201210466615.4A
Authority: CN
Inventors: 赵燕丽; 齐瑞娟; 段淑卿; 李明
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp; Semiconductor Manufacturing International Corp
Priority date: 2012-11-16
Filing date: 2012-11-16
Publication date: 2014-05-28
Anticipated expiration: 2032-11-16
Also published as: CN103822806B

Abstract

本发明提供一种TEM样品制备方法，在样品载入FIB机台处理前增加了前处理步骤，即对切割出的第一待处理样品进行背面减薄处理，然后将第一待处理样品和第二待处理样品的正面面对面贴合，然后再按照常规的FIB制备样品的过程进行两个TEM样品的制备。由于背面减薄处理后的第一待处理样品在要形成第一TEM样品的区域会有硅衬底残留，这样在FIB机台上进行TEM样品制备过程中省略镀保护层的步骤，缩短了制样的时间；而且一次可得两个TEM样品，提高了制备效率，同时缩短了单个样品制备的周期。

Description

TEM样品的制备方法

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种TEM样品的制备方法。

背景技术

目前，透射电子显微镜(TEM)是电子显微学的重要工具，TEM通常用于检测组成半导体器件的薄膜的形貌、尺寸和特征等。将TEM样品放入TEM观测室后，TEM的主要工作原理为：高能电子束穿透TEM样品时发生散射、吸收、干涉及衍射等现象，使得在成像平面形成衬度，从而形成TEM样品的图像，后续再对所述TEM样品的图像进行观察、测量以及分析。

现有技术中，聚焦离子束(FIB)机台可以在整片晶片(wafer)的局部区域完成TEM样品的制备，其过程是将wafer作为样品水平放置在FIB机台的样品台上，从FIB机台的液态金属离子源(一般为镓Ga)中抽取的离子束经过加速、质量分析、整形等处理之后形成具有一定束流和离子束斑直径的聚焦离子束(Ibeam)，聚焦在样品表面轰击wafer的局部区域，从而对wafer进行切割和微细加工，以制备TEM样品。

如图1所示，现有技术中，在FIB机台上制备TEM样品的方法，包括：

步骤S101，从晶片上切割出待处理样品，根据激光标识确定目标样品位置后，将待处理样品载入FIB机台；

步骤S102，用离子束初步切割，在所述目标样品两侧形成两个洞；

步骤S103，用离子束在两个洞的底部分别形成U型开口；

步骤S104，用离子束分别从目标样品两侧细切每个洞中靠近目标样品的侧壁，直到目标样品厚度达到要求；

步骤S105，切断样品与晶片的连接部分，取出样品即为TEM样品。

采用上述步骤在FIB机台上制备一个TEM样品，通常要耗费1.5～2个小时，而且FIB机台的市场价格较高，因此需要制备多个TEM样品时，生产成本和制备效率较低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种TEM样品的制备方法，可以同时制备两个TEM样品，降低生产成本，提高制备效率。

为解决上述问题，本发明提出一种TEM样品的制备方法，包括以下步骤：

从晶片上切割出第一待处理样品和第二待处理样品，所述第一待处理样品包含后续要形成的第一TEM样品，所述第二待处理样品包含后续要形成的第二TEM样品；

从所述第一待处理样品的正面确定要形成的第一TEM样品的位置；

对所述第一待处理样品进行背面减薄处理；

将所述第一待处理样品的正面和第二待处理样品的正面对齐贴合在一起，形成待处理样品；

将所述待处理样品载入FIB机台，并从所述第一待处理样品的背面处理所述待处理样品；

形成包含第一TEM样品和第二TEM样品两种结构的TEM样品。

进一步的，对所述第一待处理样品进行背面减薄处理后，所述第一待处理样品的厚度为3～10μm。

进一步的，采用粘合剂将所述第一待处理样品的正面和第二待处理样品的正面贴合在一起。

进一步的，所述粘合剂的厚度为200～300nm。

进一步的，所述第一待处理样品为NMOS、PMOS、接触孔或互连线等结构。

进一步的，所述第二待处理样品为NMOS、PMOS、接触孔或互连线等结构。

进一步的，从所述第一待处理样品的背面处理所述待处理样品的步骤包括：

用离子束初步切割，在所述第一待处理样品要形成的第一TEM样品的两侧形成两个洞，所述洞的深度能暴露出包含第二TEM样品的第二待处理样品的侧壁；

用离子束在两个洞的底部分别形成开口；

用离子束分别从每个洞中细切要形成的第一TEM样品和第二TEM样品的侧壁，直到要形成的第一TEM样品和第二TEM样品的厚度均达到要求。

进一步的，所述洞的宽度3～10μm。

进一步的，所述第一TEM样品和第二TEM样品的厚度均小于0.1μm。

进一步的，所述开口为U型开口。

进一步的，所述第二待处理样品的横截面面积大于第一待处理样品的横截面面积，以方便两个样品对面贴时对准。

进一步的，通过所述第一待处理样品的激光标识位置从所述第一待处理样品的正面确定所述第一待处理样品的要形成的第一TEM样品的位置。

进一步的，所述第一待处理样品的正面和第二待处理样品的正面贴合在一起时，使得第一待处理样品的激光标识位置与第二待处理样品的图形对准。

与现有技术相比，本发明的TEM样品制备方法，在样品载入FIB机台处理前增加了前处理步骤，即对切割出的第一待处理样品进行背面减薄处理，然后将第一待处理样品和第二待处理样品的正面面对面贴合，然后再按照常规的FIB制备样品的过程进行两个TEM样品的制备。由于背面减薄处理后的第一待处理样品在要形成第一TEM样品的区域会有硅衬底残留，这样在FIB机台上进行TEM样品制备过程中省略镀保护层的步骤，缩短了制样的时间，而且一次可得两个TEM样品，提高了制备效率，同时缩短了单个样品制备的周期。

附图说明

图1是现有技术中TEM样品的制备方法流程图；

图2本发明的TEM样品的制备方法流程图；

图3A至图3D是本发明实施例一的TEM样品的制备过程中的器件结构剖视图；

图4A至4D和图5A至5D是本发明实施例二的TEM样品的制备过程中的器件结构剖视图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的TEM样品的制备方法作进一步详细说明。

请参考图2，本发明提供一种TEM样品的制备方法，包括以下步骤：

S201，从晶片上切割出第一待处理样品和第二待处理样品，所述第一待处理样品包含后续要形成的第一TEM样品，所述第二待处理样品包含后续要形成的第二TEM样品；

S202，从所述第一待处理样品的正面确定要形成的第一TEM样品的位置；

S203，对所述第一待处理样品进行背面减薄处理；

S204，将所述第一待处理样品的正面和第二待处理样品的正面贴合在一起，形成待处理样品；

S205，将所述待处理样品载入FIB机台，并从所述第一待处理样品的背面处理所述待处理样品；

S206，形成包含第一TEM样品和第二TEM样品两种结构的TEM样品。

在步骤S201中，可以从相同或不同的晶片上切割出第一待处理样品和第二待处理样品，切割出的所述第一待处理样品(定义为样品A)可以为NMOS、PMOS、接触孔或互连线等结构；所述第二待处理样品(定义为样品B)为NMOS、PMOS、接触孔或互连线等结构，其中，样品A包含后续要形成的第一TEM样品，样品B包含后续要形成的第二TEM样品，而且样品A上可以有预先制作的激光标识(Laser mark)，该激光标识一般位于正面。优选的，切割出的样品B的横截面面积大于样品A的横截面面积，该横截面积一般指的是包含要形成的TEM样品的整个器件区域的面积。

在步骤S202中，通过样品A上预先制作的激光标识(Laser mark)，并从样品A的正面确定样品A的要形成的第一TEM样品的位置。

在步骤S203中，对所述样品A进行背面减薄处理后，使得从样品A背部可以识别出样品A的激光标识以及器件图案，而且背部减薄(简称背减)后的样品A在要形成第一TEM样品的区域会有硅衬底残留，使得后续第一TEM样品制备时，无需再样品A表面沉积保护层，省去了一道工序，节约了时间和成本。减薄后的样品A的厚度一般为3～10μm。

在步骤S204中，采用粘合剂将减薄后的样品A的正面和样品B的正面贴合在一起，所述粘合剂的厚度为200～300nm。将所述第一待处理样品的正面和第二待处理样品的正面贴合在一起时，使得第一待处理样品的激光标识位置与第二待处理样品的图形对准。

在步骤S205中，由于样品A的背部被减薄处理到可以识别出样品A的激光标识以及器件图案，因此，将正面贴合的样品A和B(即待处理样品)载入FIB机台后，可以从样品A背部进行现有技术中所述TEM样品处理步骤，包括：

a：用离子束初步切割，在样品A要形成的第一TEM样品的两侧形成两个洞，所述洞的深度能暴露出包含第二TEM样品的样品B的侧壁；

b：用离子束在两个洞的底部分别形成开口；

c：用离子束分别从每个洞中细切要形成的第一TEM样品和第二TEM样品的侧壁，直到要形成的第一TEM样品和第二TEM样品的厚度均达到要求。

详细地，在步骤a中，将正面贴合的样品A和B(即待处理样品)水平放置于FIB机台的样品台上(即样品A在上，样品B在下)，进行FIB的初步切割，该过程中，首先，在要第一TEM样品结构相距2微米左右的对称区域中，各用束流范围是6000～8000皮安(pA)的I beam(聚焦离子束)轰击形成一个长度至少大于第一TEM样品结构长度，宽度3～10μm，例如是3.6μm、4μm、4.5μm、5μm、5.5μm、6μm、6.5μm、7μm、7.5μm、8μm、8.5μm、9μm、9.5μm。高度为至少露出整个第二TEM样品结构的洞(或凹槽)。两个洞(或凹槽)之间的部分为包含整个要形成的第一TEM样品结构和第二TEM样品结构的样品。其中，整个第一TEM样品结构的位置和第二TEM样品结构的位置在样品A和B制备前已经确定，一个洞截面边缘上两点间的最大距离是该洞的长度，而该洞截面边缘上两点间的最小距离是该洞的宽度，若洞的截面为椭圆，则洞的长度为长轴长，宽度为短轴长；然后，用束流范围是2000～4000pA的I beam分别对称地粗切洞靠近样品A和B的侧壁部分，尤其是样品B的侧壁，使两洞之间的样品的厚度减小到1微米左右。

在步骤b中，首先定义远离洞底部的样品面为样品表面、在靠近洞底部的样品上先切出一条与样品表面平行的横向开口，该横向开口的长度与洞(或凹槽)长度相当，隔开了要形成的第二TEM样品结构与样品B；再分别以横向开口的两端作为起点，切出两条垂直于横向开口方向的纵向开口。其中，纵向开口的长度要求低于样品的高度，使得切出纵向开口之后，第二TEM样品样品仍然连接在样品B上未脱离，横向开口和两条纵向开口组合形成U型开口。

在步骤c中，先将束流调整为300～100pA范围，用I beam分别细切每个洞(或凹槽)中要形成的第一TEM样品和第二TEM样品的侧壁，直到在E beam(聚焦电子束)的观察图像中出现该第一TEM样品和第二TEM样品结构，继续用束流为300～100pA的I beam细抛洞(或凹槽)中要形成的第一TEM样品和第二TEM样品的另一侧壁，直到在E beam的观察图像中该第一TEM样品和第二TEM样品厚度达到0.1μm以下。

在步骤S206中，可以直接用离子束切断第二TEM样品与样品B的连接部分，取出样品，该样品即为包含第一TEM样品和第二TEM样品两种结构的TEM样品，将该包含第一TEM样品和第二TEM样品两个不同结构的样品同时送入TEM进行观测。由此可见，本发明的TEM制备方法，实质上可以一次制得两个TEM样品，即由所述第一待处理样品形成的第一TEM样品，由所述第二待处理样品形成的第二TEM样品。

下面结合具体实施例对本发明的TEM样品制备方法进行更详细的描述。

实施例一

首先，请参考图3A和图3B，图3A和图3B分别为从晶片上切割出样品A和样品B，本实施例中，样品A和样品B为类似结构，样品A的器件密度大于样品B的器件密度。样品A中包含后续要形成的第一TEM样品，样品B中包含后续要形成的第二TEM样品。

其次，请参考图3C，根据样品A的激光标识，从样品A的正面确定样品A的要形成的第一TEM样品的位置，并对样品A进行背面减薄处理，减薄后的样品A的厚度可以为3.1μm、3.2μm、3.3μm、3.4μm、3.5μm、3.6μm、3.7μm、3.8μm、3.9μm、4.0μm、4.1μm、4.2μm、4.3μm、4.4μm、4.5μm、4.6μm、4.7μm、4.8μm、4.9μm、5.0μm、5.1μm、5.2μm、5.3μm、5.4μm、5.5μm、5.6μm、5.7μm、5.8μm、5.9μm、6.0μm、6.1μm、6.2μm、6.3μm、6.4μm、6.5μm、6.6μm、6.7μm、6.8μm、6.9μm、7.0μm、7.1μm、7.2μm、7.3μm、7.4μm、7.5μm、7.6μm、7.7μm、7.8μm、7.9μm、8.0μm、8.1μm、8.2μm、88.3μm、8.4μm、8.5μm、8.6μm、8.7μm、8.8μm、8.9μm、9.0μm、91μm、9.2μm、9.3μm、9.4μm、9.5μm、9.6μm、9.7μm、9.8μm、9.9μm。

接着，请参考图3D，采用粘合剂将减薄后的样品A的正面和切割出的样品B的正面贴合在一起，形成待处理样品，所述粘合剂的厚度为210nm，215nm、220nm、225nm、230nm、235nm、236nm、240nm、245nm、248nm、250nm、255nm、260nm、265nm、270nm、275nm、280nm、285nm、290nm、295nm、296nm。

然后，将所述待处理样品载入FIB机台，并从所述第一待处理样品的背面处理所述待处理样品，具体步骤包括：

(1)用离子束初步切割，在所述第一待处理样品要形成的第一TEM样品的两侧形成两个洞，所述洞的深度能暴露出包含第二TEM样品的第二待处理样品的侧壁；

(2)用离子束在两个洞的底部分别形成开口；

(3)用离子束分别从每个洞中细切要形成的第一TEM样品和第二TEM样品的侧壁，直到要形成的第一TEM样品和第二TEM样品的厚度均达到要求。

最后，切断第二TEM样品与样品B的连接部分，取出样品，该样品即为包含第一TEM样品和第二TEM样品两种结构的TEM样品，将该包含第一TEM样品和第二TEM样品两个不同结构的样品同时送入TEM进行观测。

实施例二

首先，请参考图4A、图4B、图5A和图5B，图4A和图4B为分别从晶片上切割出样品A和样品B，图5A和图5B亦为分别为从晶片上切割出样品A和样品B，本实施例中，样品A为线型结构(如NMOS、PMOS等)，样品B为互连线结构。样品A中包含后续要形成的第一TEM样品，样品B中包含后续要形成的第二TEM样品。

其次，请参考图4C和5C，根据样品A的激光标识，从样品A的正面确定样品A的要形成的第一TEM样品的位置，并对样品A进行背面减薄处理，减薄后的样品A的厚度可以为3.1μm、3.2μm、3.3μm、3.4μm、3.5μm、3.6μm、3.7μm、3.8μm、3.9μm、4.0μm、4.1μm、4.2μm、4.3μm、4.4μm、4.5μm、4.6μm、4.7μm、4.8μm、4.9μm、5.0μm、5.1μm、5.2μm、5.3μm、5.4μm、5.5μm、5.6μm、5.7μm、5.8μm、5.9μm、6.0μm、6.1μm、6.2μm、6.3μm、6.4μm、6.5μm、6.6μm、6.7μm、6.8μm、6.9μm、7.0μm、7.1μm、7.2μm、7.3μm、7.4μm、7.5μm、7.6μm、7.7μm、7.8μm、7.9μm、8.0μm、8.1μm、8.2μm、88.3μm、8.4μm、8.5μm、8.6μm、8.7μm、8.8μm、8.9μm、9.0μm、91μm、9.2μm、9.3μm、9.4μm、9.5μm、9.6μm、9.7μm、9.8μm、9.9μm。

接着，请参考图4D和5D，采用粘合剂将减薄后的样品A的正面和切割出的样品B的正面贴合在一起，形成待处理样品，所述粘合剂的厚度为210nm，215nm、220nm、225nm、230nm、235nm、236nm、240nm、245nm、248nm、250nm、255nm、260nm、265nm、270nm、275nm、280nm、285nm、290nm、295nm、296nm。

(2)用离子束在两个洞的底部分别形成开口；

最后，切断第二TEM样品与样品B的连接部分，取出样品，，该样品即为包含第一TEM样品和第二TEM样品两种结构的TEM样品，将该包含第一TEM样品和第二TEM样品两个不同结构的样品同时送入TEM进行观测。

综上所述，本发明的TEM样品制备方法，在样品载入FIB机台处理前增加了前处理步骤，即对切割出的第一待处理样品进行背面减薄处理，然后将第一待处理样品和第二待处理样品的正面面对面贴合，然后再按照常规的FIB制备样品的过程进行两个TEM样品的制备。由于背减后的第一待处理样品在要形成第一TEM样品的区域会有硅衬底残留，这样在FIB机台上进行TEM样品制备过程中省略镀保护层的步骤，缩短了制样的时间；而且一次可得两个TEM样品，提高了制备效率，同时缩短了单个样品制备的周期。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种TEM样品的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

对所述第一待处理样品进行背面减薄处理；

将所述第一待处理样品的正面和第二待处理样品的正面贴合在一起，形成待处理样品；

形成包含第一TEM样品和第二TEM样品两种结构的TEM样品。

2.如权利要求1所述的TEM样品的制备方法，其特征在于，对所述第一待处理样品进行背面减薄处理后，所述第一待处理样品的厚度为3～10μm。

3.如权利要求1所述的TEM样品的制备方法，其特征在于，采用粘合剂将所述第一待处理样品的正面和第二待处理样品的正面贴合在一起。

4.如权利要求3所述的TEM样品的制备方法，其特征在于，所述粘合剂的厚度为200～300nm。

5.如权利要求1所述的TEM样品的制备方法，其特征在于，所述第一待处理样品为NMOS、PMOS、接触孔或互连线结构。

6.如权利要求1所述的TEM样品的制备方法，其特征在于，所述第二待处理样品为NMOS、PMOS、接触孔或互连线结构。

7.如权利要求1所述的TEM样品的制备方法，其特征在于，从所述第一待处理样品的背面处理所述待处理样品的步骤包括：

用离子束在两个洞的底部分别形成开口；

8.如权利要求7所述的TEM样品的制备方法，其特征在于，所述洞的宽度3～10μm。

9.如权利要求7所述的TEM样品的制备方法，其特征在于，所述第一TEM样品和第二TEM样品的厚度均小于0.1μm。

10.如权利要求7所述的TEM样品的制备方法，其特征在于，所述开口为U型开口。

11.如权利要求1所述的TEM样品的制备方法，其特征在于，所述第二待处理样品的横截面面积大于第一待处理样品的横截面面积。

12.如权利要求1所述的TEM样品的制备方法，其特征在于，通过所述第一待处理样品的激光标识位置从所述第一待处理样品的正面确定所述第一待处理样品的要形成的第一TEM样品的位置。

13.如权利要求12所述的TEM样品的制备方法，其特征在于，将所述第一待处理样品的正面和第二待处理样品的正面贴合在一起时，使得第一待处理样品的激光标识位置与第二待处理样品的图形对准。