CN104428867A - 用于聚焦离子束处理的终点确定 - Google Patents

Abstract

为了暴露期望的特征，对来自横截面的薄片的聚焦离子束研磨与形成每个新暴露的横截面的扫描电子图像交替。当新暴露的横截面的电子束图像的自动分析示出满足预定标准时，停止研磨。

Description

用于聚焦离子束处理的终点确定

技术领域

本发明涉及带电粒子处理，并且尤其涉及一种用于自动化带电粒子束工艺的技术。

背景技术

纳米技术产生越来越小的电路和其它元件，产生和操纵纳米尺度的物体变得更加困难。而已知的是：期望使纳米工艺自动化，如果对于许多工艺不是不可能的话，那些工艺的精确性质使自动化困难。

半导体处理中可实现特征的线宽显著地小于100nm。为了控制制造期间的关键工艺，观察和测量这些工艺的结果是必要的。扫描电子显微镜（SEM）用来观察微观特征，但是随着制造的结构的特征大小减小，SEM的分辨率是不够的，并且在透射电子显微镜（TEM）上观察缺陷是必要的。虽然SEM可以观察厚工件上的特征，但为了在TEM上观察样品，它需要被减薄到小于100nm，使得电子将穿过该样品。将样品减薄到小于100nm同时确保需要观察的特征保持在样品中并且在减薄工艺中不被研磨掉可能是极其困难的。

随着样品被减薄，操作者通常将观察它，经常停下来观察样品，以查看该特征是否被暴露于观察。当被观察的特征暴露在表面上时，则停止减薄。这可能是非常耗时的且劳动密集的。此外，因为何时停止的决定是主观的，结果随操作者的不同而不一致。

Farber等人的美国专利公开2010243889描述一种在形成薄片时用于在透射电子显微镜上查看的终点确定（endpointing）的方法。根据Farber：随着离子束减薄该薄片，收集二次粒子，并且由二次粒子形成的图像用来形成截面的粗糙图像。图像是粗糙的，因为离子束以掠射角撞击薄片，并且因为没有检测到来自沟槽深处的二次粒子以及来自沟槽较高处的二次粒子。

发明内容

发明的目的是促进带电粒子束、纳米级工艺的自动化。

为了暴露示出满足聚焦离子束（FIB）研磨中预定义标准的特征的表面，研磨样品的薄部分，并且分析暴露的表面的电子束图像。如果暴露的特征不满足标准，则从表面研磨另一个切片，并且分析新暴露的表面，以确定暴露的特征是否满足标准。重复该工艺，直到暴露期望的面或者已经执行预定数量的切片。

预定义标准可由所暴露特征之间的几何关系定义，诸如线之间的距离，角度，或者线或角度之间的关系。在一些实施例中，自动分析图像以识别图像中的边缘。该边缘定义经测量以确定是否完成研磨的特征。

前述已经相当广泛地概述了本发明的特征和技术优点，以便下面的发明的详细描述可以被更好地理解。将在下文描述本发明的附加的特征和优点。应当由本领域技术人员理解的是：公开的概念和具体实施例可被容易地用作用于修改或设计其它结构的基础，以便实现本发明的相同目的。还应当由本领域技术人员认识到的是：这种等效构造不脱离如在所附权利要求中阐述的发明的精神和范围。

附图说明

为了本发明及其优点的更全面的理解，现在参考结合附图一起做出的以下描述，其中：

图1示出了可用来实现发明的带电粒子束系统；

图2示出一流程图，该流程图示出发明的实施例的步骤；

图3A示出根据图2的实施例制备的横截面的写入头极。图3B示出在横截或TEM制备前的写入头极的由顶向下的视图；

图4A-4E示出根据图2的实施例的图3的写入头极的研磨的几次重复；

图5A示出接触特征，而图5B至5E示出接触特征的横截面的序列；以及

图6示出来自用于实现本发明的实施例的系统的菜单。

具体实施方式

根据本发明的优选实施例，系统通过确定是否满足标准来确定何时停止研磨，该标准基于从由边缘识别软件确定的边缘的测量。

申请人已发现，在一些应用中，常规的图像识别软件不足以用于FIB研磨的终点确定。常规的图像识别相对于存储的参考图像关于两个主要条件：图像的独特性和对比度对当前图像进行计分。最佳得分的参考图像被选为“识别”的形象，并且起作用。

优选实施例使用图像识别软件用于终点的大致确定，并且然后使用一尺寸，该尺寸是使用用于精细终点确定的边缘识别确定的。边缘识别比图像识别简单，并且着眼于图像中像素的对比度，并通过对比度变化来确定边缘。通常应用平滑函数来产生对应于边缘的平滑曲线。在识别边缘之后，边缘之间的诸如距离或角度之类的几何关系可被确定，并且被用来评估图像，以确定何时停止研磨。该工艺提供闭环反馈，其中在一个或多个精细研磨步骤之后，检查该尺寸以确定是否停止研磨。

在一些应用中，本发明用来确定何时停止减薄薄片，该薄片被制备以用于在透射电子显微镜上查看。描述一种用于形成薄片的工艺，例如在针对“用于TEM查看的薄片的制备（Preparation of Lamellae for TEM Viewing）”、序号为61/649917、2012年5月21日提交的美国临时专利申请中，该申请被转让给本发明的受让人，并且在此通过引用将其并入。在序号为61/649917的美国临时专利申请中所述的现有技术工艺中，减薄是由离子束执行的，使用基准或者薄片本身的边缘来作为参考，以确定用于最终切割的射束的放置。在某些情况下，此射束放置并不足够精确以在期望的位置停止研磨，该期望的位置可由横截面的的面中特征的暴露而不是由横截面的厚度来确定。

图1示出适用于实施本发明的典型的离子束系统，即聚焦离子束（FIB）系统10。FIB系统10包括具有上颈部12的抽真空外壳11，在上颈部12内定位有液体金属离子源14和聚焦镜筒16，聚焦镜筒16包括提取器电极和静电光学系统。也可以使用其它类型的离子源（诸如多尖端或其它等离子体源）和其它光学镜筒（诸如定形射束镜筒）以及电子束和激光系统。

离子束18从液体金属离子源14穿过离子束聚焦镜筒16，并且在静电偏转板之间穿过，如在偏转板20处朝着样品22示意地指示的，样品22例如包括位于下腔室26内可移动XY台24上的半导体器件。系统控制器19控制FIB系统10的各个部分的操作。通过系统控制器19，用户能够通过输入到常规的用户界面（未示出）中的命令以期望的方式来控制扫描离子束18。替代地，系统控制器19可根据编程的指令控制FIB系统10。

例如，用户可使用指示器件在显示屏上描绘感兴趣区域，并且然后系统可自动执行下述步骤以提取样品。在一些实施例中，FIB系统10合并图像识别软件（诸如来自麻萨诸塞州内蒂克的Cognex公司的商业上可获得的软件）以自动识别感兴趣区域，并且然后系统可根据本发明手动或自动地提取样品。例如，系统可在包括多个器件的半导体晶片上自动定位相似特征，并取得不同（或相同）器件上的那些特征的样品。

离子泵28用于排空上颈部12。在真空控制器32的控制下，用涡轮分子和机械泵送系统30排空下腔室26。真空系统在下腔室26内提供在大约1x10^-7托（1.3x10^-7毫巴）和5x10^-4托（6.7x10^-4毫巴）之间的真空。如果使用蚀刻辅助气体，蚀刻阻滞气体或沉积前体气体，则腔室背景压强可以上升，通常上升到约1x10^-5托（1.3x10^-5毫巴）。

高压电源34连接到液体金属离子源14，以及连接到离子束聚焦镜筒16中适当的电极，以用于形成约1KeV至60KeV的离子束18并将其引导朝向样品。根据由图案发生器38提供的规定的图案操作的偏转控制器和放大器36耦合到偏转板20，由此离子束18可被手动或自动控制，以在样品22的上表面上勾画出相应的图案。在一些系统中，在最终透镜之前放置偏转板，如本领域中所公知的。当消隐控制器（未示出）将消隐电压施加到消隐电极时，离子束聚焦镜筒16内的射束消隐电极（未示出）使得离子束18撞击到消隐孔隙（未示出）而不是目标22上。

液体金属离子源14通常提供镓的金属离子束。该源通常能够在样品22处被聚焦成低于十分之一微米宽的射束，用于通过离子研磨、增强蚀刻、材料沉积来修改样品22，或者用于成像样品22的目的。诸如Everhart Thornley检测器、连续倍增电极电子倍增器检测器、多通道板检测器或固态检测器之类的带电粒子检测器40用于检测二次离子，或者电子发射连接到视频电路42，视频电路42给视频监视器44供应驱动信号，并且视频监视器44从系统控制器19接收偏转信号。在一些实施例中，二次电子从样品背面被向上吸引通过主电子透镜，并且然后偏转离开光轴用于检测。

在不同的实施例中，下腔室26内的带电粒子检测器40的位置可变化。例如，带电粒子检测器40可与离子束同轴，并且包括用于允许离子束穿过的孔。在其它实施例中，二次粒子可通过最终透镜来收集，并且然后被从轴转移以用于收集。扫描电子显微镜41连同其电源和控制45被可选地提供有FIB系统10。

气体输送系统46延伸到下腔室26中，用于朝着样品22引入和引导气态蒸汽。在Casella等人的序号为5851413、针对“用于粒子束处理的气体输送系统（Gas Delivery Systems for Particle Beam Processing）”、转让给本发明的受让人的美国专利描述了合适的气体输送系统。在Rasmussen等人的序号为5435850、针对“气体喷射系统（Gas Injection System）”、也转让给本发明的受让人的美国专利中描述另一个气体输送系统46。例如，可输送碘以增强蚀刻，或者可输送金属有机化合物以沉积金属。

诸如来自得克萨斯州达拉斯Omniprobe公司的AutoProbe 200™或者来自德国Reutlingen的Kleindiek Nanotechnik的Model MM3A之类的微操纵器47可在真空腔室内精确地移动物体。微操纵器47可包括位于真空腔室外部的精度电动机48，以提供位于真空腔室内的部分49的X、Y、Z以及theta控制。微操纵器47可配备有用于操纵小物体的不同的末端执行器。在下述实施例中，末端执行器是具有锥形末端的细探头50。细探头50可以电连接到系统控制器19，以将电荷应用到探头50，从而控制样品和探头之间的吸引力。

打开门60，用于将样品22插入到可被加热或冷却的X-Y台24上，并且还用于服务内部气体供应贮存器（如果使用门的话）。把门互锁，使得如果系统在真空条件下则它不能被打开。高压电源向离子束聚焦镜筒16中的电极提供适当的加速电压，用于激发和聚焦离子束18。当它撞击样品22时，从样品溅射材料，也就是物理地喷射。替代地，离子束18可分解前体气体以沉积材料。聚焦的离子束系统是商业上可获得的，例如从俄勒冈州希尔斯伯勒的FEI公司——本申请的受让人获得。虽然以上提供了合适硬件的示例，但该发明不限于在任何特定类型的硬件中实现。

图2是本发明的示例的流程图，其中薄片被自动减薄，直到满足预定的条件。在步骤200中，基于用户正在试图观察的内容，用户定义用于结束研磨的标准。例如，当最大化特定尺寸时或当边缘形成预定角度时，可结束研磨。用户可使用如下系统指定将被检测的边缘和将被测量的尺寸：该系统诸如在序号为8095231、Tasker等人的、针对“图形自动机器控制和计量（Graphical automated machine control and metrology）”的美国专利中描述，该专利被转让给本发明的受让人，并且通过引用将其并入于此。Tasker描述一种图形编程系统，其允许用户将几何形状放置到缩放的图像上，该形状具有相关联的行为，该行为在图像上或在形成图像的物体上操作。将形状从模板拖到由离子束或电子显微镜提供的图像上。该形状调用软件或硬件来定位和测量图像上的特征或在被成像的物体上执行操作，诸如离子束研磨。该系统“对准”类似于用户期望的图像的图像以发现何时完成横切。例如，图3A示出写入头极302和角度形状304A和304B的预期的图像，写入头极302用于写入到诸如硬盘之类的磁介质，用户已经将角度形状304A和304B从模板拖到图像上。角度形状304A指示系统应当检测线306并测量线和顶表面之间的角度。角度形状304B指示系统应当检测线310并测量线和顶表面之间的角度。尺寸形状316指示系统应当测量线310和318与顶表面相交的地方之间的长度。电子束或离子束图像的放大率是已知的，并且这样可通过图像上它们的大小来计算尺寸。

线310和表面之间的角度304B在整个写入头极中不是恒定的。图3B示出写入头极的顶视图，用虚线指示通过写入头极的FIB切片。当以45度倾斜来成像图3B的写入头极的横截面或薄片面时，观察图3A的图像。随着横截面或薄片表面的面通过基板（垂直于虚线）前进时，角度304B改变。在一个示例中，用于停止研磨的标准是角度304A和304B在暴露的横截面中相等时。图4A-4E利用从横截面研磨的后续切片示出角度304B的进展。角度304B变得逐步接近角度304A，直到在图4E的最终图像中线310和306彼此平行。如果那是指定的标准，则研磨在那点上停止。

图2，步骤202，示出：使用在样品的表面上可见的标记，通过用光学显微镜和/或扫描电子显微镜对表面成像，定位包含感兴趣特征的区域。在步骤204中，用户验证特征满足粗略的、自上而下的测量要求，也就是，自上而下的高度和宽度特征被认为对于配方继续有用。在步骤206中，在感兴趣区域的顶部上方沉积保护层。

在步骤208中，通过在感兴趣区域的两侧上体研磨沟槽来形成薄片，从而留下例如约500nm厚的区域。应用到基准的图案识别和卡钳，通常在没有闭环反馈的情况下，用于精确地放置研磨机。图案识别和卡钳软件足以准确地放置体研磨机，但是在执行最终减薄时不足以精确地确定切割放置位置。

在完成体研磨之后，在步骤209中，用依次更小的FIB射束电流将薄片制得更薄。在步骤210中通常使用如图示的“框研磨”来执行在薄片两侧上的最终减薄。在“框研磨”期间，离子束是从左向右扫描以形成线然后向前前进的光栅或蛇形。在区域（框）完成之后，该射束被返回到图案的开始（左下角），并且重复研磨图案。图案的这种重新扫描出现多次，并且对于清洁薄片的面和最小化研磨人为现象（例如再沉积）是至关重要的。研磨完成后，在步骤212中由电子束形成横截面的图像，通常以和横截面成45度角度取向。在步骤214中，边缘识别软件发现电子束图像中的边缘。在步骤216中，计算使用识别的边缘确定一个或多个尺寸。

在判定块218中，系统确定尺寸是否满足来自步骤200的标准。如果不满足尺寸标准，研磨继续步骤210。每个后续研磨从横截面去除少量的材料，逐渐更深地移动到样品中。在一些实施例中，射束被移动到横截面中优选地小于50nm，更优选地小于10nm，更优选地小于5nm，并且甚至更优选地小于3nm或小于1nm。在每次研磨之后用电子束成像横截面。当满足尺寸标准时，停止研磨。在一些实施例中，从图像确定后续切片的厚度。也就是说，如果图像指示横截面接近期望的点，研磨更小的切片。然后在步骤220中可以更详细地分析横截表面。例如，如果正在制备用于在SEM或TEM上查看的样品，则可查看该样品。

图5A-5E示出发明的使用的另一个示例。图5A示出半导体电路506中的接触特征502和导体504。在该示例中，期望在接触特征502的直径暴露在横截面中时停止研磨。在图5B中，横截面切割通过垫的边缘附近的环形垫，暴露接触特征502的一小部分。随着后续的研磨进一步切割到该特征中，如图5C中所示的，暴露更多特征，直到横截面在如图5D所示的特征的中心。后续研磨然后将暴露更少的特征。理想的是，将在图5E中所示的深度处停止研磨。在实践中，研磨略微超出最大特征暴露以确定何时达到最大特征暴露是必要的。例如，当暴露特征的部分在后续研磨中减小百分之几时，可停止研磨。

图6示出在双束系统上用于根据本发明的实施例执行研磨的菜单602。菜单示出选择“自动”，这意味着用户指定经评估以确定后续操作的规则。在框604中示出该规则，并且该菜单指示：在该过程之后（即，在用FIB研磨和用SEM成像之后）评估该规则。图3的实施例中的规则例如将确定角度304A和304B之间的差是否小于指定值。如果规则被评估为“真”，即，如果角度几乎相等，则系统执行对应于停止研磨的“章节2”。如果规则评估为“假”，即，如果角度不是几乎相等，则系统执行对应于研磨、成像和评估规则的另一次重复的“章节3”。菜单602示出序列将在7次重复之后停止，即使规则仍评估为“假”。

本发明的实施例允许用户横截小型器件而无需人类控制。没有人类控制使人类误差最小化。通过使用闭环反馈来控制FIB研磨，方法的一些实施例提高成品率和产量。通常，该方法还允许用户通过用SEM监视临界尺寸（CD）来控制FIB磨切放置。当获得期望的CD时，停止FIB研磨。除了使用CD外，一些实施例还允许FIB控制经由SEM图像图案识别来控制研磨机放置。可实时比较SEM图像和参考SEM图像。当图像匹配时（或者满足与如通过计分算法确定的参考图像相关联的指定的逻辑标准（例如对比度和/或像素数），FIB研磨停止；否则它继续。

制造用于在TEM上查看的薄片通常花费30分钟至2小时。如果离子束研磨进入薄片中太远，则可破坏感兴趣特征，这不仅浪费了制备时间，还破坏了可能对解决生产线成品率制造问题至关重要的样品。

虽然以上示例示出用于在TEM样品制备期间确定终点的发明，但本发明在制备用于在SEM或其它仪器中观察的横截面方面也是有用的。术语“横截面”被广泛用于包括暴露在样品一部分中的横截面，诸如用于SEM查看，或者任何薄的样品，诸如用于TEM查看，无论是横截面还是平面视图样品。

虽然以上描述描述了与制备横截面/薄片以观察用于工艺控制的设计结构有关的实施例，但其它实施例用来制备用于观察的缺陷的横截面/薄片。因为缺陷的大小、形状和位置通常是不确切已知的，终点确定可包括比较横截面/薄片面的SEM图像和已知良好的横截面/薄片面，并在图像偏离参考图像或满足特定的像素/对比度特征时停止研磨。

如本文所使用的术语“特征”可能不仅意味着结构，而且意味着横截面中结构的布置。

尽管已经详细描述了本发明及其优点，但应当理解的是：可在本文中作出各种变化、替换和变更而不脱离如由所附权利要求限定的发明的精神和范围。此外，本申请的范围并不意图限于在说明书中所述的工艺、机器、制造、物质组成、装置、方法和步骤的具体实施例。如本领域普通技术人员将易于从本发明的公开中理解的：根据本发明，可利用当前存在的或以后待开发的执行与本文中所述的对应实施例基本上相同的功能或实现基本上相同的结果的工艺、机器、制造、物质组成、装置、方法或步骤。因此，所附权利要求意图在其范围内包括这种工艺、机器、制造、物质组成、装置、方法或步骤。

Claims (17)

1.一种用带电粒子束自动处理工件的方法，包括：

定义标准，所述标准指定何时完成研磨；

朝着工件引导离子束以暴露横截面；

朝着横截面引导电子束，以形成横截面的电子束图像；

自动地评估电子束图像，以确定是否满足所述标准；

如果不满足所述标准，反复引导离子束，以暴露新的横截面，并且引导电子束，以形成横截面的图像，直到满足所述标准。

2.根据权利要求1所述的方法，其中自动地评估电子束图像包括：确定由图像中的特征定义的尺寸。

3.根据权利要求1所述的方法，其中自动地评估电子束图像包括确定由图像中的特征定义的尺寸，包括确定两条线之间的角度何时小于指定值。

4.根据权利要求1所述的方法，其中自动地评估电子束图像包括确定由图像中的特征定义的尺寸，包括确定两个特征之间的距离何时等于指定值。

5.根据权利要求1所述的方法，其中自动地评估电子束图像包括：自动地发现电子束图像中的边缘，并确定边缘之间的尺寸关系。

6.根据权利要求2所述的方法，其中发现边缘包括：使用图像中像素之间的对比度的变化来使用发现边缘。

7.根据权利要求6所述的方法，其中发现边缘包括：施加平滑算法，以改善边缘检测。

8.根据权利要求1所述的方法，其中定义指定何时完成研磨的标准包括：指定两个特征之间的距离。

9.根据权利要求1所述的方法，其中定义指定何时完成研磨的标准包括：指定两个特征之间的角度。

10.根据权利要求1所述的方法，其中反复引导离子束以暴露新的横截面包括：引导离子束，以在至少一次重复中从横截面去除小于10nm的材料。

11.根据权利要求10所述的方法，其中反复引导离子束以暴露新的横截面包括：引导离子束，以在至少一次重复中从横截面去除小于5nm的材料。

12.根据权利要求1所述的方法，其中自动地评估电子束图像包括：比较电子束图像和一个或多个参考图像。

13.根据权利要求1所述的方法，其中引导离子束以暴露横截面包括：引导离子束以暴露包括结构特征的横截面。

14.根据权利要求1所述的方法，其中引导离子束以暴露横截面包括：引导离子束以暴露包括缺陷的横截面。

15.根据权利要求1所述的方法，其中朝着工件引导离子束以暴露横截面包括：引导离子束以使薄片的一侧减薄，所述薄片具有用于TEM查看的小于100nm的厚度。

16.根据权利要求1所述的方法，其中朝着工件引导离子束以暴露横截面包括：引导离子束以在工件中形成垂直壁，并且其中朝着横截面引导电子束包括：形成垂直壁的SEM图像。

17.一种带电粒子束系统，包括：

工件真空腔室，用于容纳工件；

离子束镜筒，用于产生离子束并将其引导到工件；

电子束镜筒，用于产生电子束并将其引导到工件；二次粒子检测器，用于检测二次粒子并形成工件的一部分的图像；

处理器，用于执行计算机指令；以及

计算机存储器，包括用于执行权利要求1的步骤的计算机指令。