CN104821284B - 利用编程操纵器的表面层剥离 - Google Patents

Abstract

提供了一种方法和设备，用于在表面层剥离中使用以进行样品工件的错误隔离和缺陷局部化。更具体地，提供了一种方法和设备，用于以快速、受控和准确的方式从样品机械地剥除一个或多个层。可编程致动器包括具有切割边缘的层剥离探针尖端，该切割边缘被定形为快速和准确地从样品剥除材料层。层剥离探针尖端的切割面被配置使得每个剥除步骤剥除具有线性尺度的材料区域，该线性尺度基本上等于层剥离探针尖端切割面的线性尺度。表面层剥离可以在真空腔室内部发生以使得样品的目标区域可以在原位利用FIB/SEM成像来观测。

Description

利用编程操纵器的表面层剥离

技术领域

本发明涉及用于对样品工件进行表面层剥离以隔离错误和局部化缺陷的方法和设备。

背景技术

在半导体工业中存在以较高器件密度产生半导体晶片的需求。这样的高密度要求器件的尺度被缩小以要求越来越小的特征尺寸。例如，半导体晶片通常由不同的互连层构成，并且互连线的宽度和间隔必须必要地在一起越来越近。

由于各种物理、化学或机械问题，有时发生半导体晶片的失效。例如，失效可以由于电气过度应力、污染或磨损而发生。当存在失效时，重要的是执行分析以发现器件失效的地点和原因。在可以执行错误分析之前，必须准备样品以隔离和暴露该错误以供分析。这个过程通常称为错误隔离。错误隔离过程可以使用已知方法（诸如例如，电气探测和主动或被动电压对比）在均匀表面上在有缺陷电路或错误的目标区域或区段处来执行。目标区域通常是被认为是失效诱因的位置。

使用电气探测的错误分析通常包括：把探针移动到与样品表面上的电路接触以及施加电压或电流。使用电气探测的错误隔离中一个重要的过程包括：在目标区域处或附近从样品表面移除材料，每次一层，以使得每个层可以顺序地被已知的电压对比方法检查或探测，以使得可以隔离和分析该失效。重要的是具有清洁均匀的表面以在探针和电路之间提供良好的电气或欧姆接触，以便测量电路的期望电气属性。可以使用扫描电子显微镜（SEM）或其它检查方法（诸如例如离子束成像）来进行目标区域的检查。对目标区域的检查通常要求受控环境，其中样品被放置在受控环境中，诸如例如真空腔室。

按层进行表面移除的过程通常被称为表面层剥离。已知的层剥离方法是耗时的、困难的并且经常导致在其上难以执行任何错误分析的样品表面。层剥离在目标区域被定位在一个或多个层下方时甚至更困难并且随着层变得越来越薄而变得更困难。

大多数当前的层剥离方法是非原位的。也即是说，这些方法在SEM真空腔室的外部执行。例如，从真空腔室移除样品以使得可以抛光、刻蚀或以其它方式暴露目标区域以用于检查，这在真空腔室内部进行。已知的表面层剥离方法包括机械抛光或磨削样品、湿法化学逆向处理（deprocessing）或干法刻蚀处理（RIE）。所有这些非原位方法要求非常精确地控制该过程中包括的每个步骤，以便确保准确的结果。通常，这些方法涉及从整个样品表面整体层剥离或移除层。另外，对层剥离过程和目标区域检查的监视要求频繁并且耗时地把样品从SEM腔室转移到另一个位置以用于处理并且然后转移回到SEM腔室以用于监视和检查。该过程是耗时的并且要求高水平的技巧来产生可靠的最终结果。如果该过程不产生期望的结果，则可能必须重复该过程直到实现期望的结果。即使利用所包括的高水平的技巧，该过程通常也会产生不均匀的样品表面，这干扰失效分析。另外，因为剩余碎片和/或污染物（诸如例如在层剥离过程中使用的磨削泥浆或化学产品），该过程导致目标区域的污染。

表面层剥离的另一已知方法使用聚焦离子束（FIB）。FIB层剥离的一个优点是它通常在原位或在真空腔室内执行以使得样品不必被移除并带到另一位置供处理。在典型FIB层剥离过程中，使用聚焦离子束来暴露目标区域。典型的FIB技术使用低水平的电流来从晶片表面移除材料区域。已知各种FIB技术。例如，一种FIB技术可以使用小于大约1000微微安（pA）来暴露大约15微米（μm）x15μm的目标面积。这个和其它FIB技术的一个问题是：由于低水平的电流，它们是耗时的，其可能是大约三十分钟的数量级。另外，通过FIB的表面层剥离经常导致非均匀的表面。因为探针和电路之间的接触质量不足，非均匀表面阻止探针和样品表面之间的良好欧姆接触，并且阻止测量错误隔离所需要的电路的期望电气属性。例如，在FIB层剥离的情况下，样品结构的表面经常由不同材料构成并且通常包含铜结构。各种材料具有不同的研磨速率，这可能是层剥离表面的不均匀性的一个诱因。非均匀表面的另一诱因是：铜结构通常是多晶的，其中某一晶粒以沟道方向（channeling direction）被定向。一旦非均匀表面被创建，进一步的层剥离就加剧表面的不一致性，尤其对于没有固有刻蚀停止层存在于其中的层。由FIB层剥离产生的不期望的非均匀样品表面的一个示例在图1中示出。样品100被示出为具有暴露层剥离表面104的区段102。这里，可以看见的是，样品100的层剥离表面104在深度方面是不均匀的，从而暴露某一电路，而其它电路被刻蚀掉或探针不可到达。这导致样品不能用于错误隔离。

已知其它原位工件处理方法，诸如例如，修补光刻光掩膜和半导体中的缺陷。一种这样的方法被示出在Linder等人的针对“Stylus System for Modifying SmallStructures”的美国专利号7375324的描述中。这个方法修补位于样品表面上方的类型的缺陷。在这个方法中，具有大约0.2μm或更小横截面的探针水平横跨样品的表面进行扫描。在各个位置处，探针停止并且降低直到它接触样品表面。探针尖端所停止的高度由电路测量。然后探针尖端缩回并且移动到另一预定位置，在该另一预定位置处再次测量高度。执行一系列这样的测量以提供样品的轮廓或表面状况，从而定位缺陷。一旦一个缺陷被定位，就使探针尖端与缺陷材料接触并且探针尖端以前和后的方式（称为颤振）移动以引起缺陷材料中的小破裂，这把缺陷打碎成片段，该片段然后被从样品的上表面推开。然而，这个方法和设备被用于修补缺陷并且不能层剥离样品表面以用于错误分析。

所需要的是如下设备和方法：通过消除耗时的非原位处理步骤来克服准备样品以用于错误分析的现有已知方法的问题。还需要的是如下设备和方法：准备没有污染和碎片的样品以用于错误分析。另外，进一步需要的是如下设备和方法：通过提供具有清洁和均匀表面的样品的目标区域来克服已知的原位处理步骤的问题。

发明内容

因此，本发明的目的是提供如下方法：对样品进行原位表面层剥离以产生清洁和均匀的表面用于错误分析。

本发明提供一种方法和设备，用于在半导体工业中的样品工件的错误隔离和缺陷局部化中使用，并且更具体地，提供了一种方法和设备，用于以快速、受控和准确的方式从样品机械地移除或剥除一个或多个层。根据本发明，表面层剥离可以在腔室（诸如例如真空腔室）内部发生以使得样品的目标区域可以在原位利用FIB/SEM成像来观测。

在优选实施例中，本发明提供一种专用层剥离探针尖端，其被定形为从具有多个层的样品快速并且准确地剥除材料层。根据本发明的优选实施例，层剥离探针尖端连接到致动器并且由其控制。层剥离探针尖端被移动为在预定位置与样品的表面接触，并且当层剥离探针尖端横跨样品表面移动时，力被施加到层剥离探针尖端以便每次剥除一个材料层从而露出样品的下层从而使得下层能够被观测和分析。

根据本发明的另一方面，层剥离探针尖端具有切割面，被配置为使得样品的每个个体切割或剥除区域的横向形状和尺寸由层剥离探针尖端切割面的横向尺寸和形状确定。层剥离探针尖端可以一次或多次横跨样本表面移动，以在样品表面中进行个体切割，从而提供观测和分析所必要的预定尺寸的区域。

在本发明的另一方面中，允许使用FIB/SEM对原位表面层剥离进行成像。当错误发生时，不清楚引起失效的原因或在样品中发生失效的地点。可以根据所发生错误的类型进行初步确定，以使得层剥离探针尖端能够被致动器移动到怀疑该错误发生的通常位置。施加到层剥离探针尖端的Z向力或垂直力可以根据样品上的位置而变化。成像允许操作员获知施加到探针尖端多少力，以使得例如更多的力可以被施加在表面非一致性的顶点上。

前面已经相当广泛地概括了本发明的特征和技术优点，以便后面本发明的详细描述可以被更好地理解。本发明的附加特征和优点将在后面被描述。本领域技术人员应当意识到的是，所公开的概念和特定实施例可以被容易地用作修改或设计用于实现本发明的相同目的的其它结构的基础。本领域技术人员还应当认识到的是，这样的等同构造没有脱离所附权利要求中阐述的本发明的精神和范围。

附图说明

为了更完全地理解本发明及其优点，现在参考连同附图一起做出的下面的描述，其中：

图1是使用FIB的样品层剥离区段的图像。

图2示出根据本发明的用于原位表面层剥离的优选系统。

图3是层剥离探针尖端的正视图。

图4是层剥离探针尖端的侧视图。

图5是示出层剥离样品的本发明的层剥离探针尖端的侧视图。

图6是示出层剥离样品的本发明的层剥离探针尖端的另一视图。

图7是图示层剥离样品以用于错误隔离和分析的方法的流程图。

具体实施方式

本发明提供一种方法和设备，用于针对错误隔离和缺陷局部化来准备样品，以便使用电气探测来执行失效分析。更具体地，本发明提供一种方法和设备，用于层剥离样品以在真空腔室内进行错误隔离和缺陷局部化，从而可以使用FIE/SEM成像（但是可以采用其它工具）来执行检查。本发明的方法可以在不从腔室移除样品的情况下被执行。

本发明消除用于层剥离样品的非原位步骤并且利用FIB/SEM腔室来进行原位层剥离步骤。可以在层剥离过程期间的任何时间使用高FIB/SEM精度监视层剥离。这消除了由常规方法所遭受的、改变的外部条件或样品属性（诸如例如由于暴露于周围环境的污染、剩余碎片和氧化）所引起的通常的依赖性和不确定性。

本发明的优选实施例提供了一种方法和设备，用于对样品进行层剥离以进行错误隔离和缺陷局部化。样品被放置到真空腔室内的支架上，并且被认为是失效的通常位置的样品上的目标区域被识别。层剥离探针尖端被选择和安装到可编程致动器。层剥离探针尖端具有切割边缘，该切割边缘接触样品表面并且从样品剥除一个或多个表面层，从而留下清洁和均匀的表面，使得电气探针能够接触暴露表面以进行错误分析。层剥离探针尖端的切割边缘被定形和配置为从样品移除材料以使得每个切割或剥除的区域的横向尺度由层剥离探针尖端的切割边缘的横向尺度限定。层剥离探针尖端被移动为在目标区域处或附近与样品表面接触，并且足以切割进入样品材料的第一层中的Z向力被施加到层剥离探针尖端。层剥离探针尖端然后在垂直于切割面的方向上向前移动以从样品剥除材料层，从而留下具有清洁和均匀表面的暴露区域用于与电气探针接触。每次剥除一层或剥除期望尺寸的区段的这个过程可以被重复直到确定错误已被定位。

图1示出了体现本发明的优选系统110。扫描电子显微镜（SEM）112或其它观测器件被提供在真空腔室114内并且沿光轴116被聚焦到样品118上，样品118通常将具有几层不同的材料。样品118被放置到载台120的支撑表面上，载台120的支撑表面能够在X、Y和Z轴上移动。如果必要，载台120可以被倾斜，以提供对样品118的水平二维和倾斜控制。计算机或控制器122被连接到SEM器件112和载台120以允许操作员控制该过程。具有电气探针尖端126的电气探针124被安置在样品118的附近，以使得电气探针尖端126能够被移动为与用于错误分析的样品表面接触或不接触。电气探针124被连接到计算机122并且通过计算机122由操作员控制。可编程致动器128被提供用于操纵层剥离探针尖端130。致动器128连接到计算机122并且通过计算机122由操作员控制。层剥离探针尖端130可移除地安装在卡盘或保持架132内并且向下突出以选择性地与样品118的顶表面接合从而剥除材料层。显示器134连接到计算机122并且向操作员提供信息，包括样品118的图像。层剥离探针尖端130可以在各个方向（包括水平X和Y方向以及垂直Z方向）上被移动横跨样品118的表面。剥除过程的进展可以通过在显示器134上的实时SEM成像来监视。

优选地，层剥离探针尖端130向下延伸以便以50°或更小的角度接合样品118的表面。例如，层剥离探针尖端130可以在大约45°到大约50°的范围中接合样品表面。一旦层剥离探针尖端130被安装，它就具有一些移动灵活性并且能够在x-y方向上加或减大约1mm的受限运动范围内移动。如果需要更大的运动范围，则如果需要的话，层剥离探针尖端130能够保持静止并且样品载台120可以被移动。

在优选实施例中，层剥离探针尖端130包括前侧136、背侧138和相对侧边缘140、142。层剥离探针尖端130的近端144被插入到致动器128的保持架132中并且由其保持。层剥离探针尖端130优选地沿其长度是均匀的以便具有方形矩形形状。然而，近端144可以按需要被配置为符合保持架132。终端146是方形的以形成锋利线性切割边缘148。切割边缘148优选地具有在大约10μm到大约50μm之间的范围内的宽度（d）。虽然所示出的层剥离探针尖端130具有带有平坦线性切割边缘148的方形配置，但是本发明也设想了切割边缘的其它形状和配置。例如，切割边缘可以沿着探针轴倾斜以终止于一侧的锋利点、沿每一侧倾斜以终止于中央锋利点或者成斜面。优选地，层剥离探针尖端130由金属制成，诸如例如钨。然而，可以使用其它金属或材料。如图5和6中能够看见的，当切割边缘148被安置成抵靠样品118的表面并且施加Z向力时，层剥离探针尖端130在垂直于切割边缘148的方向上向前移动以剥除材料层149。在样品118中产生的切割或剥除区域150具有如下宽度（w）：基本上与切割边缘148的宽度（d）相同。剥除区域150的长度是可变的并且由操作员确定，以便露出目标区域的足够清洁和不均匀表面152来供电气探针124探测。

样品表面的层剥离可以通过各种步骤发生。例如，如果错误的目标区域或可疑位置相对确定，则层剥离探针尖端130可以被促动以在相同位置每次产生一次切割或剥除，从而利用每次剥除暴露一个下层。电气探测可以在每次剥除之间执行，直到错误被确认。一旦错误被确认，层剥离过程就结束。替代地，在每一层可以执行两次或更多次的切割或剥除，以便在电气探测之前暴露下层的更大区域。

在图7中看见执行根据本发明的表面层剥离和错误隔离的一个方法。该方法包括使用在图2-6中示出和描述的系统110。开始，样品118被安装在真空腔室114内的可移动载台120上并且被对准以使得样品118的目标区域与用于对样品进行成像的射束轴116对准。然后，可以执行层剥离步骤160以便移除或剥除一层从而暴露下层上的清洁和均匀表面152。层剥离步骤160可以包括针对每个层进行单个切割或剥除，或者可以包括在相同层处进行两次或多次切割或剥除以暴露下层的较大表面区域。然后执行电气探测步骤162，其中电气探针尖端126被移动为与暴露表面152接触。电流或电压被施加到样品表面以确定目标区域是否是错误位置。如果在步骤164中在所暴露层处发现错误，则层剥离过程结束166。如果没有发现错误，则重复层剥离过程。下一个暴露表面以相同方式被电气探测并且如果发现错误，则层剥离过程结束。如果没有发现错误，则重复层剥离和电气探测步骤，直到发现错误并且层剥离过程结束。

虽然已经详细描述了本发明及其优点，但是应当理解的是，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下可以在本文中做出各种改变、替代和变更。此外，本申请的范围不意图被限制于说明书中描述的过程、机器、制造、物质组成、装置、方法和步骤的特定实施例。如本领域普通技术人员将从本发明的公开内容容易地意识到的，可以根据本发明利用与这里描述的对应实施例执行基本相同功能或实现基本相同结果的、现有的或以后开发的过程、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中包括这样的过程、机器、制造、物质组成、装置、方法或步骤。

Claims (17)

1.一种设备，用于在原位层剥离样品以用于错误隔离和缺陷局部化，所述设备包括：

光学器件，用于产生沿光轴的射束；

真空腔室；

运动载台，与真空腔室定位在一起，用于支撑用于表面层剥离的样品，运动载台能够相对于光轴移动；以及

致动器，具有与其连接的层剥离探针，层剥离探针包括具有线性切割边缘的层剥离探针尖端，所述致动器被配置成使得所述层剥离探针尖端在与所述线性切割边缘垂直的方向上的移动从样品剥除材料层，被剥除的材料层具有与所述线性切割边缘的宽度基本相等的宽度。

2.根据权利要求1的设备，其中层剥离探针尖端被定位成：在真空腔室内执行表面层剥离同时被所述光学器件观测。

3.根据权利要求1或权利要求2的设备，其中层剥离探针尖端的所述线性切割边缘具有50μm或更小的宽度。

4.根据权利要求3的设备，其中所述线性切割边缘的宽度在10μm到50μm的范围内。

5.根据权利要求2或权利要求4的设备，其中层剥离探针被安装在致动器内以便以50°或更小的角度接触样品的表面。

6.根据权利要求5的设备，其中层剥离探针被连接到致动器以便层剥离探针尖端以45°和50°之间的角度接触样品的表面。

7.根据权利要求1或权利要求2的设备，其中层剥离探针尖端由钨制成。

8.根据权利要求1或权利要求2的设备，其中光学器件是带电粒子束器件。

9.一种在原位层剥离样品以用于错误隔离和缺陷局部化的方法，包括：

把样品安装在可移动载台上；

把样品的目标区域与光束轴对准；

在与层剥离探针尖端的线性切割边缘垂直的方向上移动具有线性切割边缘的层剥离探针尖端以便从样品表面剥除材料层以暴露下层，所述线性切割边缘剥除具有与所述线性切割边缘的宽度基本相等的宽度的剥除层；以及

以电气方式探测暴露表面以确定电气失效的位置。

10.根据权利要求9的方法，进一步包括重复如下步骤直到错误被定位：移动所述层剥离探针尖端，以及以电气方式探测暴露表面。

11.根据权利要求9或10的方法，其中移动所述层剥离探针尖端包括：横跨所述表面移动所述层剥离探针尖端一次，以便剥除具有与所述线性切割边缘的宽度基本相等的宽度的剥除层。

12.根据权利要求9或权利要求10的方法，其中所述探针尖端的切割边缘具有50μm或更小的宽度。

13.根据权利要求9或权利要求10的方法，其中所述层剥离探针尖端以50°或更小的角度接触样品表面。

14.根据权利要求9或权利要求10的方法，其中所述层剥离探针尖端由钨制成。

15.根据权利要求9或权利要求10的方法，其中所述层剥离探针尖端在45°到50°的范围内接触样品表面。

16.根据权利要求9或权利要求10的方法，其中移动所述层剥离探针尖端以剥除层在带电粒子束系统的真空腔室中被执行。

17.根据权利要求14的方法，进一步包括：使用带电粒子束来观测所述样品表面。