CN106289909B - 制备透射电子显微镜样品的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种制备透射电子显微镜样品的方法，包括：第一步骤：针对样品上的需要分析的特定目标形成用于标定特定目标的标记；第二步骤：向芯片样品射入聚焦离子束，根据标记找到特定目标所处的区域，使用与样品垂直的离子束将芯片样品切割至靠近特定目标预定距离的位置；第三步骤：倾斜样品，利用预定倾角的离子束在目标结构上切割，同时利用电子束观测目标处图形进行判断，将该特定目标上方切割至剩余预定厚度的位置；第四步骤：将样品平面倾斜至与离子束垂直，在目标结构上方沉积金属保护层；第五步骤：利用金属保护层完成透射电子显微镜制样以形成透射电子显微镜样品。

Description

制备透射电子显微镜样品的方法
技术领域
本发明涉及集成电路分析领域，更具体地说，本发明涉及一种制备透射电子显微镜样品的方法。
背景技术
透射电子显微镜在包括集成电路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透射电子显微镜样品制备手段。
由于透射电子显微镜样品的尺寸很小，只有微米级别，为了更好地控制透射电子显微镜样品厚度，一般要求在聚焦离子束制样开始前，芯片样品的表面距离其下的分析结构约0.1～0.5微米。但是，很多芯片样品由于工艺步骤的不同，目标上方经常已经有很厚的多层材质，而造成表面距离目标结构较远，例如分析特定位置的多晶硅目标200，但是工艺步骤已做完了全部的工艺步骤，且表面很不平整，如图1所示，硅衬底200上布置有特定目标200(例如多晶硅目标)，特定目标200上面的第一金属层M1通过接触孔200连接至硅衬底100，第一金属层M1上依次布置有例如第二金属层M2、第三金属层M3和第四金属层M4，在第四金属层M4的一部分上存在铝层10。直接使用聚焦离子束进行透射电子显微镜制样很容易失败。
对于这些样品，常规的方法是用研磨、化学溶液处理或反应离子刻蚀的方式将芯片样品去层次至距目标剩余约0.1～0.5微米左右，并且要保证表面比较平坦(如图2所示)，再用聚焦离子束按照常规透射电子显微镜制样的流程，沉积金属保护层30(如图3所示)，离子束切割减薄完成最终制样(如图4所示)。
对于这些具有特定目标的芯片样品的透射电子显微镜样品制备，额外的去层次步骤(研磨、化学溶液处理或反应离子刻蚀)虽然能够达到目的，为后续的聚焦离子束制样做好准备，但是也带来以下几个问题：
1.整个透射电子显微镜制样所需的时间由于额外的研磨、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％)；
2.研磨和化学处理比较难以精确控制，有时会造成样品损伤，比如过研磨、划痕、裂片、表面粗糙等；
3.对于不能去层次后再使用聚焦离子束制样的芯片样品，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下降。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在上述缺陷，提供一种能够提高制样的成功率和质量并且不会伤害整个芯片样品的制备透射电子显微镜样品的方法。
为了实现上述技术目的，根据本发明，提供了一种制备透射电子显微镜样品的方法，包括：
第一步骤：针对样品上的需要分析的特定目标形成用于标定特定目标的标记；
第二步骤：向芯片样品射入聚焦离子束，根据标记找到特定目标所处的区域，使用与样品垂直的离子束将芯片样品切割至靠近特定目标预定距离的位置；
第三步骤：倾斜样品，利用预定倾角的离子束在目标结构上切割，同时利用电子束观测目标处图形进行判断，将该特定目标上方切割至剩余预定厚度的位置；
第四步骤：将样品平面倾斜至与离子束垂直，在目标结构上方沉积金属保护层；
第五步骤：利用金属保护层完成透射电子显微镜制样以形成透射电子显微镜样品。
优选地，在第一步骤用激光或离子束对样品上的需要分析的特定目标进行标记。
优选地，特定目标是多晶硅目标。
优选地，在第二步骤根据电子束影像中特定的结构来判断位置。
优选地，所述预定距离为0.5～2微米。
优选地，所述预定厚度为0.1～0.5微米。
优选地，第三步骤将该特定目标上方切割至第一金属层的位置。
优选地，预定倾角为30～60度。
根据本发明的制备透射电子显微镜样品的方法直接将初始的芯片样品利用聚焦离子束在芯片样品上所要分析的特定的目标位置进行切割、去层次和透射电子显微镜制样，大大缩短了整个透射电子显微镜制样所需的时间，通过对离子束的设定可以精确控制切割和去层次的位置和深度，提高了制样的成功率和质量，并且不会伤害整个芯片样品。
附图说明
结合附图，并通过参考下面的详细描述，将会更容易地对本发明有更完整的理解并且更容易地理解其伴随的优点和特征，其中：
图1示意性地示出了样品截面示意图。
图2示意性地示出了样品去层次示意图。
图3示意性地示出了现有技术的方法中沉积金属保护层之后的示意图。
图4示意性地示出了现有技术的方法中离子束切割减薄完成最终制样之后的示意图。
图5、图6、图7、图8、图9和图10示意性地示出了根据本发明优选实施例的制备透射电子显微镜样品的方法的各个步骤。
图11是待分析样品的俯视显微照片。
图12是切割截面至靠近目标的显微照片。
图13是目标结构上方减薄的显微照片。
图14是沉积保护层的显微照片。
图15是透射电子显微镜样品减薄的显微照片。
图16是透射电子显微镜制样完成的显微照片。
图17是小倍率透射电子显微镜照片。
图18是大倍率透射电子显微镜照片。
需要说明的是，附图用于说明本发明，而非限制本发明。注意，表示结构的附图可能并非按比例绘制。并且，附图中，相同或者类似的元件标有相同或者类似的标号。
具体实施方式
为了使本发明的内容更加清楚和易懂，下面结合具体实施例和附图对本发明的内容进行详细描述。
图5、图6、图7、图8、图9和图10示意性地示出了根据本发明优选实施例的制备透射电子显微镜样品的方法的各个步骤。
如图5、图6、图7、图8、图9和图10所示，根据本发明优选实施例的制备透射电子显微镜样品的方法包括：
第一步骤：针对样品上的需要分析的特定目标200形成用于标定特定目标200的标记300，如图5的俯视图所示；
其中，在第一步骤S1可用激光或离子束对样品上的需要分析的特定目标进行标记。
例如，特定目标200是多晶硅目标。
第二步骤：向芯片样品射入聚焦离子束，根据标记300找到特定目标200所处的区域，使用与样品垂直的离子束将芯片样品切割至靠近特定目标200预定距离的位置，如图6的俯视图和图7的截面图所示；
在第二步骤可根据电子束影像中特定的结构(比如接触孔20或有源区101等)来判断位置
例如，所述预定距离为0.5～2微米。
第三步骤：倾斜样品，利用预定倾角的离子束在目标结构上切割，同时利用电子束观测目标处图形进行判断，将该特定目标200上方切割至剩余预定厚度的位置，如图8所示；
所述预定厚度为0.1～0.5微米。例如，可以将该特定目标200上方切割至第一金属层M1的位置。
优选地，预定倾角为30～60度。
第四步骤：将样品平面倾斜至与离子束垂直，在目标结构上方沉积金属保护层30(如图9所示)；
第五步骤：利用金属保护层30完成透射电子显微镜制样以形成透射电子显微镜样品300(如图10所示)。
根据本发明优选实施例的制备透射电子显微镜样品的方法直接将初始的芯片样品利用聚焦离子束在芯片样品上所要分析的特定的目标位置进行切割、去层次和透射电子显微镜制样，大大缩短了整个透射电子显微镜制样所需的时间，通过对离子束的设定可以精确控制切割和去层次的位置和深度，提高了制样的成功率和质量，并且不会伤害整个芯片样品。
例如某一全制程芯片样品(如图11)，需要在某特定的测试结构区域做一个透射电子显微镜样品来观测硅化物形貌，从而分析该测试结构阻值异常的原因。
将芯片样品放入聚焦离子束，此时离子束与芯片样品垂直。通过旁边的Pad判断目标结构大致的位置(也可在放入聚焦离子束前使用激光标记)，使用离子束切割样品至靠近目标结构(图12)。然后将样品倾斜至与离子束呈30～60度夹角，根据刚才截面的位置可知目标结构的准确位置，使用离子束切割目标上表面，同时利用电子束观测，直至目标上方有M1露出(如图13)。倾斜芯片样品至与离子束垂直，在目标结构上方沉积金属保护层(如图14)，再利用离子束完成后续的制样步骤(如图15和16)，完成透射电子显微镜样品，最终获得了该目标结构的清晰的透射电子显微镜图像(如图17和18)。
根据本发明优选实施例的制备透射电子显微镜样品的方法至少具有以下的效果：
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，制样时间缩短约1/3～2/3；
2.使用可精确控制的离子束方法，可以避免定位不准、过研磨、划痕、裂片、表面粗糙等制样问题的出现，从而提升透射电子显微镜制样成功率；
3.对于不能去层次后再使用聚焦离子束制样的芯片样品，例如做反向工程或结构分析的芯片，目标位置的透射电子显微镜制样不会破坏整个芯片样品；
4.对于在整片晶圆上的聚焦离子束定点制样具有很大的帮助。
此外，需要说明的是，除非特别说明或者指出，否则说明书中的术语“第一”、“第二”、“第三”等描述仅仅用于区分说明书中的各个组件、元素、步骤等，而不是用于表示各个组件、元素、步骤之间的逻辑关系或者顺序关系等。
可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (8)

1.一种制备透射电子显微镜样品的方法，其特征在于包括：
第一步骤：针对样品上的需要分析的特定目标形成用于标定特定目标的标记；
第二步骤：向芯片样品射入聚焦离子束，根据标记找到特定目标所处的区域，使用与样品垂直的离子束将芯片样品切割至靠近特定目标预定距离的位置；
第三步骤：倾斜样品，利用预定倾角的离子束在目标结构上切割，同时利用电子束观测目标处图形进行判断，将该特定目标上方切割至剩余预定厚度的位置；
第四步骤：将样品平面倾斜至与离子束垂直，在目标结构上方沉积金属保护层；
第五步骤：利用金属保护层完成透射电子显微镜制样以形成透射电子显微镜样品。
2.根据权利要求1所述的制备透射电子显微镜样品的方法，其特征在于，在第一步骤用激光或离子束对样品上的需要分析的特定目标进行标记。
3.根据权利要求1或2所述的制备透射电子显微镜样品的方法，其特征在于，特定目标是多晶硅目标。
4.根据权利要求1或2所述的制备透射电子显微镜样品的方法，其特征在于，在第二步骤根据电子束影像中特定的结构来判断位置。
5.根据权利要求1或2所述的制备透射电子显微镜样品的方法，其特征在于，所述预定距离为0.5～2微米。
6.根据权利要求1或2所述的制备透射电子显微镜样品的方法，其特征在于，所述预定厚度为0.1～0.5微米。
7.根据权利要求1或2所述的制备透射电子显微镜样品的方法，其特征在于，第三步骤将该特定目标上方切割至第一金属层的位置。
8.根据权利要求1或2所述的制备透射电子显微镜样品的方法，其特征在于，预定倾角为30～60度。
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