CN103913358B - Tem样品的制备方法和失效分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种TEM样品的制备方法和失效分析方法，其在衬底上进行失效区的粗略定位后切出包含失效区的初始样品，再用TEM对初始样品中的具体失效点进行精准定位并减薄所述初始样品形成最终样品，即可供TEM电子穿透的TEM样品。如此一来解决了传统技术中FIB机台分辨率不足，无法对半导体内部厚度足够小的特定层的失效点精准定位，并制造出TEM样品的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及半导体领域，尤其涉及一种TEM样品的制备方法和失效分析方法。
背景技术
在半导体生产工艺中，难免会出现部分半导体器件在衬底上形成的过程中出现问题的情况，比如在淀积过程中薄膜淀积厚度不均匀。因此有必要在生产过程中对半导体器件的内部结构进行实时检验，以去除有问题的器件或器件的一部分，并找到出问题的原因，以利于后续的生产。
目前常用的方法是，从衬底中提取出可供透射电镜（TEM）观测的样品，并通过TEM观测TEM样品的横截面寻找失效点的位置，以及失效位置产生的现象，并进行失效原因的分析。TEM样品的制备方法有很多，较为有效的是采用FIB（聚焦离子束，Focused Ion beam)制备TEM样品。
FIB是将液态金属离子源产生的离子束经过离子枪加速，聚焦后照射于样品表面产生二次电子信号取得电子像。通过FIB制备TEM样品是指用FIB在衬底特定位置作截面断层，其特点是从纳米或微米尺度的试样中直接切取可供透射电镜研究的薄膜。该技术可以制备研究界面结构的TEM试样，其重要特点是对原始组织损伤很小。
在半导体器件内部检验前，首先会在衬底表面进行失效位置的粗略定位并进行一定范围的标注，然后在标注的范围内一边切割样品形成薄片，一边通过FIB的机台观察薄片的截面结构与材质，当发现薄片上存在异常区域时，将所述薄片提取并作为TEM样品进行TEM观测，查找失效点的具体位置，以及失效位置产生的现象，并进行失效原因的分析。
然而，由于FIB机台分辨率的限制，当半导体器件中特定层如超薄的栅极氧化层的厚度过小时（比如小于3nm），就无法被FIB机台观测到，自然也无法发现特定层上存在的异常区域。如此一来，在粗略定位的失效位置中提取出包含异常区域且可供TEM机台观测分析的TEM样品的目的就无法实现。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种TEM样品的制备方法和失效分析方法，当所述半导体器件内部特定层的厚度很小时，也能对存在于该层中的失效点进行精确定位以供TEM观测。
本发明提供一种TEM样品的制备方法，包括以下步骤：
S1：在一衬底上进行粗略定位，找到失效区并在所述衬底上标注所述失效区的范围；
S2：切割所述衬底形成初始样品，使所述初始样品包含所述失效区；
S3：垂直于所述初始样品的一截面观测所述初始样品以找到具体失效点，测量具体失效点的尺寸，并标注其在所述初始样品中的具体位置；
S4：切割所述初始样品制成最终样品，使所述最终样品包含所述失效点。
进一步的，步骤S2和步骤S4中的切割方向互相垂直，且观测所述初始样品时的方向与观测所述最终样品的方向相互垂直。
进一步的，步骤S2和步骤S4中的切割均采用FIB方式。
进一步的，步骤S3中采用TEM观测所述初始样品。
进一步的，所述初始样品为方形薄片，所述方形薄片的厚度满足TEM观测的要求。
进一步的，所述最终样品能够供TEM电子穿过。
进一步的，步骤S1中标注的方法是在所述失效区上沉积金属。
进一步的，步骤S3中标注的方法是测量所述失效点的尺寸及其到所述初始样品两侧的距离以确定所述失效点的位置，然后于FIB机台中在所述失效点上沉积金属。
进一步的，所述粗略定位的方法为热点定位或者是VC定位的方式。
本发明还提供一种失效分析方法，包括以下步骤：
采用所述TEM样品的制备方法制备最终样品；以及观测所述最终样品并分析所述失效点。
进一步的，上述失效分析方法采用TEM观测所述最终样品。
与现有技术相比，本发明的TEM样品的制备方法和失效分析方法并非如传统方法一样直接在衬底上制备出TEM样品，而是在衬底上进行失效区的粗略定 位后切割出包含失效区的初始样品，再用TEM对初始样品中的具体失效点进行精准定位并减薄所述初始样品形成最终样品，即可供TEM电子穿透的TEM样品。如此一来解决了传统技术中FIB机台分辨率不足，无法对半导体内部厚度足够小的特定层的失效点精准定位并制造出TEM样品的技术问题。
附图说明
图1为本发明一实施例所述失效分析方法的流程图。
图2～图4为本发明一实施例所述失效分析方法的各个步骤的示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
现结合图1至图4通过一实施例对本发明每个步骤分别进行详细说明。
本发明提供的TEM样品的制备方法和失效分析方法包括以下步骤：
S1：在衬底100上进行粗略定位，找到失效区10并在所述衬底100上标注所述失效区10的范围。
如图1所示，衬底100为半导体衬底，可以是单晶硅、多晶硅或非晶硅，也可以是硅、锗、硅锗化合物或砷化镓等，所述半导体衬底100还可以具有外延层或绝缘层上硅结构，还可以是其他半导体材料，这里不一一列举。在衬底100中具有多个已制作完成的待检验半导体器件。
对衬底100进行粗略定位意在找到出现问题的半导体器件以及在该器件中的大致失效区域，即失效区10。并在衬底100的表面S1上标注失效区10的范围。
在本实施例中，对衬底100进行粗略定位的方式为热点定位方式、VC（电压对比度）定位方式或者是两者的结合应用。具体地，热点定位方式是指利用机台光发射显微镜（EMMI）或者激光诱导电压/电流变化显微镜（Laser或OBIRCH）进行定位，可以得到一张利用颜色对击穿点（又称发光点或热点）进行标记的光学图片，然后依据这张光学图片提供的信息，再在实际的样品上对 击穿点进行定位。VC定位方式是指通过于去除样品表面的金属层后，在器件表面保留一定厚度的氧化层,利用中高加速电压（大于5KV且小于等于30KV）形成的电子束扫描去除金属层后待测半导体结构得到一具有失效点图形的电镜图，通过对比所述电镜图中图形的明暗程度来确定所述失效点图形的位置,从而能够更精确的定位栅氧化层的击穿点。
在衬底100的表面S1上标注失效区10的过程在FIB（聚焦离子束）机台中进行，具体的方法为沉积金属（如Pt），即在粗略定位确定的失效区10上沉积Pt作为标注，以利于后续的切割失效区10。
S2：切割所述衬底100形成初始样品200，使所述初始样品200包含所述失效区10，在所述初始样品200的周围形成截面。
在本实施例中，切割所述衬底形成初始样品200的方法是：在FIB（聚焦离子束）机台中，对衬底100或者包含沉积金属区域的衬底100的一部分沿着标注金属Pt的位置（即失效区10）的周围切下失效区10形成初始样品200，如图3所示。此时初始样品200包含了失效区10。在初始样品200的周围形成了截面，如截面201。
S3：垂直于所述截面201观测所述初始样品200以找到具体失效点20，测量具体失效点的尺寸，并标注其在所述初始样品200中的具体位置。
观测所述初始样品200的方向如图3中的箭头1所示，垂直于初始样品200的截面201，如此便可以观察失效区10，以便找到具体失效点20。具体的观测方法为，先用提取工具将所述初始样品200从底板上提取出来，然后放到TEM（透射电镜）的铜栅上，沿着箭头1的方向观察截面201并找到失效点20。
鉴于TEM机台的特点，其观测的样品越薄，得到的图像越清晰。因此所述截面的厚度L1应具有适合TEM观测的范围，即不宜太厚，当样品太厚(μm级别)的时候由于电子束无法透过样品，看到就是全黑的图像。但是对于几百纳米的样品即可以看到样品中的失效点。在本实施例中，初始样品为方形薄片，其厚度L1为600nm左右，但本发明不以此为限。
找到失效点20以后，标注其在所述初始样品200中的具体位置的方法为：测量所述失效点20到所述初始样品200两侧的距离，测量失效点20的尺寸，以确定所述失效点的位置。然后，用提取工具将初始样品200从TEM的铜栅上提取出来放到底板上，然后将承载初始样品200的底板放入FIB机台，根据在 所述失效点上测量的尺寸和位置沉积金属（如Pt）以作为标注，利于后续切割初始样品200。
S4：切割所述初始样品200制成最终样品300，使所述失效点20包含于所述最终样品300中。
切割的具体方法是：在FIB机台上沿着标注区域的周围切割初始样品200形成最终样品300，如图4所示。此时最终样品300包含了失效点20。在最终样品300的周围形成了截面，如截面301。
最终样品300应具有可供TEM电子穿过的厚度范围，即图3中的截面厚度L2。通常，100nm以下甚至是几十纳米的样品才可供电子穿过，实现TEM的具体观察与分析。在本实施例中，L2的长度为100nm左右，但本实施例不以此为限。
所述最终样品300即TEM样品，即可供TEM做最后的观测并分析出问题的原因的样品。
S5：观测最终样品300并分析所述失效点。
观测所述最终样品300的方向如图4中的箭头2所示，垂直于最终样品300的截面301，如此，TEM的电子束沿箭头2的方向穿过最终样品300，并可显示其中失效点的详细信息，供观察者分析出问题的具体原因。
观测的方法如前所述，首先用提取工具从底板上提取出最终样品300，然后放到TEM机台的铜栅上进行观测并分析。
在本实施例中，步骤S2和步骤S4中的切割方向互相垂直，即分别从两个互相垂直的方向切割减薄失效区10和初始样品200。实现了在包含失效点20的前提下提取出100nm厚度的可供TEM进行详细观测的TEM样品。由于步骤S2和步骤S4中的切割方向互相垂直，本实施例所述的观测初始样品200时的观测方向箭头1与观测最终样品300的观测方向箭头2互相垂直。
本实施例所述方法针对的是MOS器件的栅极氧化层的失效分析，即在衬底上形成栅极氧化层以后，检验形成的栅极氧化层是否存在影响器件性能的问题，即所述的失效。在本实施例中为找出失效点20以及分析的过程，但具体的应用场景，本发明不以此为限。
与现有技术相比，本发明的TEM样品的制备方法和失效分析方法并非如传统方法一样直接在衬底上制备出TEM样品，而是在衬底上进行失效区的粗略定 位后切出包含失效区的初始样品，在用TEM对初始样品中的具体失效点进行精准定位并减薄所述初始样品形成最终样品，即可供TEM电子穿透的TEM样品。如此一来解决了传统技术中FIB机台分辨率不足，无法对半导体内部厚度足够小的特定层的失效点精准定位，并制造出TEM样品的技术问题。
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，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。
Claims (9)
1.一种TEM样品的制备方法，包括以下步骤：
S1：在一衬底上进行粗略定位，找到失效区并在所述衬底上标注所述失效区的范围；
S2：切割所述衬底形成初始样品，使所述初始样品包含所述失效区；
S3：垂直于所述初始样品的一截面采用TEM观测所述初始样品以找到具体失效点，测量具体失效点的尺寸，并标注其在所述初始样品中的具体位置；
S4：切割所述初始样品制成最终样品，使所述最终样品包含所述失效点；
步骤S2和步骤S4中的切割方向互相垂直，且观测所述初始样品时的方向与观测所述最终样品的方向相互垂直。
2.如权利要求1所述的TEM样品的制备方法，其特征在于，步骤S2和步骤S4中的切割均采用FIB方式。
3.如权利要求1所述的TEM样品的制备方法，其特征在于，所述初始样品为方形薄片，所述方形薄片的厚度满足TEM观测的要求。
4.如权利要求1所述的TEM样品的制备方法，其特征在于，所述最终样品能够供TEM电子穿过。
5.如权利要求1所述的TEM样品的制备方法，其特征在于，步骤S1中标注的方法是在所述失效区上沉积金属。
6.如权利要求1所述的TEM样品的制备方法，其特征在于，步骤S3中标注的方法是测量所述失效点的尺寸以及其到所述初始样品两侧的距离以确定所述失效点的位置，然后于FIB机台中在所述失效点上沉积金属。
7.如权利要求1所述的TEM样品的制备方法，其特征在于，所述粗略定位的方法为热点定位或者是VC定位的方式。
8.一种失效分析方法，包括以下步骤：
采用如权利要求1至7中任意一项所述的TEM样品的制备方法制备最终样品；以及
观测所述最终样品并分析所述失效点。
9.如权利要求8所述的失效分析方法，其特征在于，采用TEM观测所述最终样品。
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