CN105699698A - 一种tem样品的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种TEM样品的制备方法，通过利用离子束在芯片样品表面形成倾斜的切割开口，对目标区域位置直接进行去层次和TEM制样，可以大大缩短整个TEM制样所需的时间，精确控制去层次的位置和深度，提高制样的成功率和质量，并且不会伤害整个芯片样品。

Description

一种TEM样品的制备方法

技术领域

本发明涉及集成电路样品分析技术领域，更具体地，涉及一种TEM样品的制备方法。

背景技术

TEM(透射电镜)在包括集成电路样品分析在内的各个领域都有着极为广泛且越来越重要的应用，而双束聚焦离子束(FIB)制样则是半导体领域最为主要的TEM样品制备手段。

由于TEM样品的尺寸很小，只有微米级别，为了更好地控制TEM样品厚度，一般在FIB制样开始前，要求芯片样品的表面距离其下方的目标分析结构约0.1-0.5微米。但是，很多芯片样品由于工艺步骤的不同，在目标分析结构上方经常已经有很厚的多层材质，而造成样品表面距离目标分析结构较远的现象。如图1A的一种芯片样品的截面示意图所示，例如目标分析结构是位于硅衬底SiliconSub上的多晶硅栅极Poly，但是工艺步骤已到第四金属层M4(M1-M4分别代表第一-第四金属层，金属层通过接触孔CT与硅衬底中的电路结构形成连接)，因而M4上方的样品表面距离Poly较远，不符合制样要求。

而又有一些芯片样品，如图1B所示，在例如M4之上的部分位置具有铝线层AlLayer，使得芯片样品的整体表面很不平整，直接使用FIB进行TEM制样很容易失败。

对于上述这些样品，常规的TEM样品制备方法是先如图2A所示，用研磨、化学溶液处理或反应离子刻蚀的方式(如图中垂直箭头所指)，将芯片样品去层次至距目标分析结构剩余约0.1-0.5微米左右，并且要保证表面比较平坦；然后，如图2B所示，再用FIB按照常规TEM制样的流程，利用设备自身的气体辅助系统在芯片样品表面沉积金属保护层10，以便在进行离子束切割时对芯片样品表面进行保护；最后，如图2C所示，再利用离子束对芯片样品进行切割减薄(如图中垂直箭头所指)，并完成TEM样品11的最终制样。

对于上述这些芯片样品的TEM样品制备，额外的去层次步骤(即研磨、化学溶液处理或反应离子刻蚀)虽然能够达到目的，为后续的FIB制样作好准备，但是也会带来以下几个问题：

1、整个TEM制样所需的时间由于额外增加的研磨、化学溶液处理或反应离子刻蚀步骤，将增加约0.5-2小时(约增加50％-200％的制样时间)；

2、研磨和化学溶液处理过程比较难以精确控制，有时会造成样品损伤，比如产生过研磨、划痕、裂片、表面粗糙等问题；

3、对于不能去层次后再使用FIB制样的芯片样品，例如做反向工程或结构分析的芯片，会造成制样成功率和质量的下降。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种TEM样品的制备方法，通过利用离子束在芯片样品表面形成倾斜的切割开口，对目标区域位置直接进行去层次和TEM制样，可以大大缩短整个TEM制样所需的时间，精确控制去层次的位置和深度，提高制样的成功率和质量，并且不会伤害整个芯片样品。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种TEM样品的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：将待制样的芯片样品放入FIB设备，并选定目标区域，所述目标区域含有需分析的目标结构；

步骤二：利用离子束从目标区域处的芯片样品表面以倾斜的角度向芯片样品内部进行切割开口，并使切割开口从靠近目标结构处经过；

步骤三：利用FIB设备的气体辅助系统，在靠近目标结构上方的芯片样品切割开口断面上沉积金属保护层；

步骤四：利用离子束对芯片样品进行切割减薄，完成TEM样品制备。

优选地，步骤二中，离子束的倾斜角度为30-60度。

优选地，所述倾斜角度为50-55度。

优选地，步骤二中，在进行切割开口时，利用电子束观测目标结构上方露出的不同层的图形结构特征，对切割开口靠近目标结构的程度进行判断。

优选地，使切割开口从靠近目标结构上方0.1-0.5微米的方位倾斜经过。

优选地，以露出目标结构上方的相邻层图形结构，作为切割开口靠近目标结构的程度限定。

优选地，步骤三中，利用电子束或离子束沉积金属保护层。

优选地，沉积金属保护层前，先使芯片样品的表面与离子束的方向垂直。

优选地，步骤四中，以垂直于芯片样品表面的方向，从目标区域的切割开口侧及其相对侧对芯片样品进行切割减薄。

优选地，位于芯片样品表面的所述切割开口顶部轮廓的垂直投影至少将目标结构覆盖。

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、对于目标结构上有较厚层次，或表面非常不平整的芯片样品，避免了额外的研磨、化学溶液处理或反应离子刻蚀步骤，可缩短约1/3-2/3的制样时间；

2、使用能精确控制的离子束切割方法，可以避免过研磨、划痕、裂片、表面粗糙等制样问题的出现，从而提升了TEM制样成功率；

3、对于不能去层次后再使用FIB制样的芯片样品，例如做反向工程或结构分析的芯片，仅对目标区域位置进行局部去层次的TEM制样，不会对整个芯片样品造成破坏。

附图说明

图1A是一种层次较多的芯片样品的截面示意图；

图1B是一种表面不平的芯片样品的截面示意图；

图2A-图2C是采用现有的一种制备TEM样品的方法的步骤示意图；

图3是本发明一种TEM样品的制备方法流程图；

图4-图7是本发明一较佳实施例中根据图3的方法制备TEM样品的步骤示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

需要说明的是，在下述的具体实施方式中，在详述本发明的实施方式时，为了清楚地表示本发明的结构以便于说明，特对附图中的结构不依照一般比例绘图，并进行了局部放大、变形及简化处理，因此，应避免以此作为对本发明的限定来加以理解。

在以下本发明的具体实施方式中，请参阅图3，图3是本发明一种TEM样品的制备方法流程图；同时，请参阅图4-图7，图4-图7是本发明一较佳实施例中根据图3的方法制备TEM样品的步骤示意图，图4-图7中的各步骤，可与图3中方法的各步骤相对应，以便于理解本发明。如图3所示，本发明的一种TEM样品的制备方法，可包括以下步骤：

如框01所示，步骤一：将待制样的芯片样品放入FIB设备，并选定目标区域，所述目标区域含有需分析的目标结构。

请参阅图4。下面选用一种具有较多层次的芯片样品(但也可以是表面不平或具有其他特征的芯片样品)为例来对本发明的方法进行详细说明。如图4所示，例如某一芯片样品已加工至金属层M4，芯片样品自下而上包括硅衬底SiliconSub、多晶硅栅极Poly、接触孔CT以及第一-第四金属层M1-M4。现在，需要在芯片样品上图示A部的SRAM区域制作一个TEM样品，来分析多晶硅栅极等结构。由于工艺步骤已到M4，因而M4上方样品表面距离Poly较远，这不符合TEM制样要求。

首先，将图示待制样的芯片样品水平放入FIB(双束聚焦离子束)设备，并选定图示A部的SRAM区域作为目标区域，使需分析的目标结构Poly20处于目标区域内。

如框02所示，步骤二：利用离子束从目标区域处的芯片样品表面以倾斜的角度向芯片样品内部进行切割开口，并使切割开口从靠近目标结构处经过。

请参阅图5。在视场中找到A部的目标区域，然后，调整离子束的发射角度，使离子束以倾斜的角度(如图中向右下倾的箭头所指)射向芯片样品的目标区域表面。在离子束的轰击下，对芯片样品进行切割，并在目标区域表面形成一个向芯片样品内部倾斜进入的切割开口21。

在进行切割的同时，可利用FIB设备的电子束观测目标结构20上方芯片样品切割开口断面211中露出的不同层的图形结构特征(例如M1-M4)，对切割开口21靠近目标结构20的程度进行判断，使切割开口21从靠近目标结构20上方0.1-0.5微米的方位倾斜经过。也就是说，通过对芯片样品的目标区域进行倾斜切割，并进行调整，使芯片样品的不同层图形结构逐渐从切割断面处露出，最终当目标结构Poly20在竖直方向与切割开口形成的断面211相距0.1-0.5微米时，完成切割开口步骤。这样，即可利用离子束直接对芯片样品的目标区域进行局部去层次处理，并使切割断面211成为新的芯片样品表面，以在目标结构20一侧位置(图示为Poly的左侧)形成满足TEM制样要求的芯片样品表面至目标结构之间的合适距离。

作为一优选的实施方式，可调整使离子束以30-60度的倾斜角度对芯片样品的目标区域进行切割开口以及去层次处理。较佳的倾斜角度可以是50-55度，例如，可采用52度的倾斜角度，对芯片样品的目标区域进行切割开口以及去层次处理。

同时，还可根据芯片样品目标区域的各层图形结构特点作为切割时的位置参照。例如，当以Poly20作为目标结构时，可将金属层M1作为切割开口21靠近目标结构20的程度参照，并以M1露出作为切割开口21靠近目标结构20的程度限定，即当M1露出时，完成切割开口步骤。

如框03所示，步骤三：利用FIB设备的气体辅助系统，在靠近目标结构上方的芯片样品切割开口断面上沉积金属保护层。

请参阅图6。接下来，可按照公知的方法，利用FIB设备的气体辅助系统，在靠近目标结构Poly20上方的芯片样品切割开口断面211上沉积金属保护层22，用于后续进行离子束切割减薄时对样品表面进行保护。金属保护层22可采用常用的金属钨或铂等制备。

金属保护层可利用FIB设备的离子束来沉积，或者也可以利用FIB设备的电子束来沉积。以利用离子束沉积为例，在沉积金属保护层22前，先使芯片样品的表面与离子束的方向垂直。具体而言，当离子束保持步骤二中的倾斜方向、例如以52度倾斜时，可将芯片样品从表面水平状态转至表面与离子束相垂直的方向，即将芯片样品相对转动52度，与离子束相垂直；然后，进行金属保护层22沉积。金属保护层的形状、大小及厚度可根据需保护的部位状况进行确定。

为保证金属保护层的有效沉积，切割开口的尺寸应适当，例如可以是具有一定开口大小H的矩形或多边形等，以便使位于芯片样品表面的所述切割开口顶部轮廓的垂直投影至少可将目标结构20覆盖(例如图示开口H的垂直投影可将目标结构20覆盖)，从而当芯片样品表面正对离子束时，能够顺利地在靠近目标结构侧的切割开口断面上进行足够的金属保护层沉积。

如框04所示，步骤四：利用离子束对芯片样品进行切割减薄，完成TEM样品制备。

请参阅图7。接下来，可按照公知的方法，对芯片样品进行切割减薄。此时，可再次利用离子束，并以垂直于芯片样品表面的方向(如图中垂直向下的箭头所指)，从目标区域的切割开口侧(即图示目标区域的左侧)及其相对侧(即图示目标区域的右侧)，对芯片样品进行切割减薄。实际是对芯片样品的目标区域进行切割减薄，再将经过减薄后的目标区域从芯片样品整体上分离，即得到所需的TEM样品23。上述芯片样品可以是一晶圆硅片上的一部分，也可以是从晶圆硅片上事先分离的芯片样品。

采用本发明上述的方法，对于目标结构上有较厚层次，或表面非常不平整的芯片样品，可直接将初始的芯片样品利用FIB在芯片样品目标位置上方进行去层次和TEM制样，避免了进行额外的研磨、化学溶液处理或反应离子刻蚀步骤，因而可将整个TEM制样所需的时间缩短约1/3-2/3，效果显著；使用能精确控制的离子束切割方法，可以避免过研磨、划痕、裂片、表面粗糙等制样问题的出现，从而提升了TEM制样的成功率和质量；此外，对于不能去层次后再使用FIB制样的芯片样品，例如做反向工程或结构分析的芯片，通过本发明的方法，可仅对目标区域位置进行局部去层次的TEM制样，因此不会对整个芯片样品造成破坏。

以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种TEM样品的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：将待制样的芯片样品放入FIB设备，并选定目标区域，所述目标区域含有需分析的目标结构；

步骤二：利用离子束从目标区域处的芯片样品表面以倾斜的角度向芯片样品内部进行切割开口，并使切割开口从靠近目标结构处经过；

步骤三：利用FIB设备的气体辅助系统，在靠近目标结构上方的芯片样品切割开口断面上沉积金属保护层；

步骤四：利用离子束对芯片样品进行切割减薄，完成TEM样品制备。

2.根据权利要求1所述的TEM样品的制备方法，其特征在于，步骤二中，离子束的倾斜角度为30-60度。

3.根据权利要求2所述的TEM样品的制备方法，其特征在于，所述倾斜角度为50-55度。

4.根据权利要求1所述的TEM样品的制备方法，其特征在于，步骤二中，在进行切割开口时，利用电子束观测目标结构上方露出的不同层的图形结构特征，对切割开口靠近目标结构的程度进行判断。

5.根据权利要求1或4所述的TEM样品的制备方法，其特征在于，使切割开口从靠近目标结构上方0.1-0.5微米的方位倾斜经过。

6.根据权利要求4所述的TEM样品的制备方法，其特征在于，以露出目标结构上方的相邻层图形结构，作为切割开口靠近目标结构的程度限定。

7.根据权利要求1所述的TEM样品的制备方法，其特征在于，步骤三中，利用电子束或离子束沉积金属保护层。

8.根据权利要求1或7所述的TEM样品的制备方法，其特征在于，沉积金属保护层前，先使芯片样品的表面与离子束的方向垂直。

9.根据权利要求1所述的TEM样品的制备方法，其特征在于，步骤四中，以垂直于芯片样品表面的方向，从目标区域的切割开口侧及其相对侧对芯片样品进行切割减薄。

10.根据权利要求1、4、6或9所述的TEM样品的制备方法，其特征在于，位于芯片样品表面的所述切割开口顶部轮廓的垂直投影至少将目标结构覆盖。