CN106653536A - 由暗场电子全像以高解析度产生不失真暗场应变图的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开由暗场电子全像以高解析度产生不失真暗场应变图的方法，具体涉及一种用于测量半导体材料或其它晶体材料的应变的线内暗场全像方法，其使用具有用于使电子射束穿过应变及无应变样本的电子枪的穿透式电子显微镜。于磁倾斜线圈与该样本之间的聚光迷你‑透镜在穿过该对样本之前以一角度增加该射束的偏斜。第一物镜透镜形成各该样本的虚拟影像，而第二物镜透镜将各该样本的该虚拟影像聚焦在中介影像平面，以形成各该样本的中介影像。双棱镜在该样本之间产生形成于该影像平面的干涉图案，接着可观察该干涉图案以判断该应变样本的应变程度，并提供具有最小光学失真的无慧星像差的应变图。
Description
技术领域
本发明针对藉由暗场电子全像以高空间解析度产生半导体材料的不失真暗场应变图的系统及方法。
背景技术
电子显微镜已广泛使用于观看纳米尺度的结构。从电子显微镜得到的大部分讯息是振幅讯息。然而，电子显微镜的相位讯息(能从离轴电子全像得到)提供电子结构的独特讯息及多样化材料的结构改变。单晶硅(Si)广泛使用于半导体装置中，且具有钻石立方晶体结构。在Si装置中的较佳电子流动方向是沿着<220>晶体方向。已发现沿着此方向的应变不但能增强也能阻碍电流流动。对于半导体产业，高空间解析度的硅(Si)的接面轮廓及应变绘图(strain mapping)提供对于进一步微缩半导体装置的关键讯息。明场全像能测量穿越该材料的电子的相位改变，该相位改变与硅的平均内电位直接相关，指出纳米尺度的接面位置。进一步而言，近年应力体已被纳入装置以改变通道区域中的半导体晶格常数且从而增强电洞及电子迁移率。如同接面定义，用以加入应变至装置中所涉及的额外处理步骤会增加开发及制造成本。用来最小化开发周期时间的一种方式是以纳米尺度监控由制程改变所导致的通道变形中的改变。硅中沿着<220>方向的应变绘图提供对半导体产业重要的通道应变讯息。对于pFET而言，压缩应变改善装置迁移率；而对于nFET而言，拉伸应变改善装置性能。
双-透镜操作允许电子全像从低至高放大率进行且提供对于二维(2D)接面轮廓必要的视场(field of view；FOV)和条纹间距(fringe spacing)以及对于具有各种尺寸的装置的应变测量。此领域的先前技术专利包含美国专利第7,015,469号及美国专利第7,102,145号。
发明内容
记住先前技术的问题及缺点，因此本发明的目标是提供藉由暗场电子全像以高空间解析度产生半导体材料的不失真暗场应变图的系统及方法。
本发明的另一目标是提供用于半导体装置中的硅的改善且无慧星像差的暗场全像干涉影像。
本发明的其它额外优点将部分显而易见且将部分从说明书而清楚明白。
本发明是针对用于测量半导体材料或其它晶体材料的应变的线内(inline)暗场全像方法，其中，设有穿透式电子显微镜，其具有：电子枪，用于使电子射束沿着轴穿过至少一个样本；磁倾斜线圈，用于使该射束以一角度以相对于该轴而偏斜；沿着该射束轴的隔开的第一及第二物镜透镜；以及双棱镜，用于将该电子射束中穿越该样本的一部分与绕过该样本的一部分结合。该方法包含于该磁倾斜线圈与该样本之间设置聚光迷你-透镜，用于增加该射束以一角度相对于该轴的偏斜。该方法接着包含提供该半导体材料的一对样本，其中一个样本具有待测的应变晶体结构而另一样本具有无应变晶体结构。该方法进一步包含：在有该磁倾斜线圈的情况下，该电子射束以一角度相对于该轴而偏斜；在有该聚光迷你-透镜的情况下，在穿过该对样本之前，以一额外、较高的角度相对于该轴而偏斜来自该磁倾斜线圈的该电子射束；以该第一物镜透镜形成各该样本的虚拟影像；以该第二物镜透镜将各该样本的该虚拟影像聚焦在中介影像平面，以形成各该样本的中介影像；以及，以双棱镜导致各该样本的该中介影像重叠，使得该样本之间的干涉图案形成在该影像平面。可接着观察该干涉图案以判断该应变样本的应变程度。
该方法产生实质上无慧星像差且可具有低至1nm的解析度的暗场干涉图案。该应变可沿着应变硅样本的<220>平面方向而测量。
可沿着该射束的该轴定位该第一及第二物镜透镜的孔径。该第一物镜透镜可通电至小于最大能量的一半的等级，且该第二物镜透镜可通电至大于最大能量的一半的等级。该聚光迷你-透镜可将该射束的限制倾斜成大于该磁倾斜线圈相对于该轴的偏斜的该角度的三倍。对于200keV的电子射束，这可大于相对于该轴的24mrad。
附图说明
本发明中具有新颖性的特征及本发明的元件特性是特别在所附权利要求书中提出。图式是仅用于说明目的且不按比例描绘。然而，就组织及操作方法两者而言，本发明可参照下列实施方式并搭配随附图式而获得最佳理解，其中：
图1为用于本发明中的双透镜部分(先前技术美国专利第7015469号)的侧面光线示意图。
图2为表示作为用于图1的双透镜系统中的第一物镜透镜的放大率的函数的条纹间距及条纹宽度或视场的效果图示。
图3为用以显示藉由中间的双棱镜分开的兴趣区及参照区的说明图。
图4为后聚焦平面的影像，其显示在图中具有<220>及<004>绕射点的Si晶体的绕射图案，移动至物镜孔径内以形成<220>绕射射束或<004>绕射射束的暗场影像。
图5为穿透式电子显微镜(TEM)的侧面示意图，其设定成实施使用暗场全像以判断用于本发明的半导体材料中的应变的方法。
图6为图5的该TEM的一部分的侧面示意图，其显示当电子射束穿过聚光迷你-透镜(CM)时的进一步偏斜。
图7为图5的该TEM的一部分的侧面示意图，其显示当绕射电子射束部分穿过应变及无应变硅样本、双物镜透镜及轴向对齐的物镜孔径、然后藉由双棱镜在影像平面重叠以得到暗场全像影像(干涉图案)时该绕射电子射束部分的通过。
图8为显示于兴趣区与参考区之间产生的干涉图案所撷取的电子全像，且条纹间距的测量以放大插图显示。
符号说明
21 电子枪
22 电子双棱镜、电双棱镜
24 射束倾斜线圈、倾斜磁线圈
28 下物镜罗伦兹或迷你透镜、第二物镜透镜、透镜
28' 线圈、罗仑兹物镜透镜
30 样本或物体
30a、30b 样本
32 上物镜透镜、透镜
32' 线圈、物镜透镜
34 中介影像平面、影像平面
38、38' 电子射束、射束
38a、38b 平行射束部分、绕射射束
40 第三透镜
42 光学轴、轴
50 干涉图案
50a 特写视图
60 孔径
128、132、140 磁场
130a、130b 影像。
具体实施方式
于描述本发明的(复数)实施例时，图式中图1至8将以相同的元件符号标示本发明的类似特征。
穿过样本的电子含有振幅讯息以及相位讯息。常规的穿透式电子显微镜仅能测量振幅讯息。然而，电子全像能被用来测量穿过该样本的电子波函数的振幅及相位讯息两者。电子全像是藉由通过双棱镜的二个电子射束的干涉而达成：其中一个电子射束穿过兴趣区(the region of interest)而另一电子射束穿过参考区(the reference region)。
为了检查半导体装置的电流产生，电子全像的条件为：(1)对于适当的视场(FOV)有约100nm至800nm的范围内的条纹宽度(条纹重叠)，(2)对于有意义的空间解析度有在0.5nm与5nm之间的条纹间距，(3)对于有用的信号杂讯比有条纹对比(10–40％)的可视度，以及(4)相对于该样本有该FOV及该条纹间距两者的可调整性。
于影像平面的条纹间距σi及条纹重叠Wi是由双棱镜电压所决定且由于对于资料处理[4-12]的条纹对比值μ的条件而具有有限范围。对于条纹间距及条纹重叠和物体(或样本)的关系，σo与Wo能写成：
σ0＝σi/M0
以及
W0＝Wi/M0
其中Mo是(复数)成像透镜的放大率。该方程式显示出对于相对于该物体的条纹间距及条纹重叠的变化而言，放大率为支配因子。
本发明是特别针对使用暗场全像以高空间解析度产生不失真暗场干涉或半导体材料的应变图。暗场全像的原理是使用双棱镜以使装置中的硅的应变区(兴趣区)与硅的无应变区(参考区)重叠。暗场全像的强度能写成如下：
I＝A2 obj+A2 ref+2μAobjArefcos[2πqcr+2π(gref–gobj)·r+φref–φobj]
其中gobj及gref是分别为来自兴趣区(物体)及参考区的g向量。该全像的相位为：
φ＝2π(gref–gobj)·r+φref–φobj
改变至第一阶的晶格常数能近似为：
其中i＝x，y，g＝1/d，且d是晶格间隔。藉由用一物镜孔径选择特定绕射射束以得到暗场全像，便能测量在应变与无应变的硅之间的晶格间隔的差异。
图1说明对实践本发明有用的系统的一部分的电子光学射线概图。可使用一种双透镜系统，其结合上物镜透镜(OL)32及下物镜罗伦兹或迷你透镜(OM)28的操作，如用于暗场应变绘图的背景技术的双透镜方法及系统。可设定OL 32的放大率(电压或电流)以使样本或物体30的位置位于第一焦点FOL之后但在透镜OL 32之前，从而形成该物体的虚拟影像。(给定的顺序或位置是参照该电子射束的流向，其通常从电子枪的方向向下。然而，在图1中，电子方向是从左至右)。第二物镜透镜(OM)28被用来将透镜32(OL)的虚拟影像的真实影像投影至位于比双棱镜更远处的中介影像平面34。当OL的焦点FOL变得接近样本时，虚拟影像则更远离该样本且变得更放大。为了将OL虚拟影像重新聚焦到相同的影像平面34上，可增加OM(透镜28)的焦距(即，减小OM的强度)以补偿虚拟影像位置的移动。可藉由变更第一物镜透镜(OL)的焦距而调整样本在影像平面34的放大率，以产出可变尺寸的虚拟影像，然后该虚拟影像藉由物镜迷你-透镜(OM)重新聚焦至中介影像平面。
因此，使用上述所提方法，藉由改变第一物镜透镜(OL)的焦距以给定一可变尺寸的虚拟影像，能够调整样本在影像平面处的放大率Mo，使得该虚拟影像藉由第二物镜透镜(OM)而重新聚焦至中介影像平面。藉由同时操作这两个透镜，可改变放大率而不更改透镜的位置。更具体而言，藉由使用第一透镜(OL)及第二透镜(OM)两者，该第一透镜的影像作用为该第二透镜的物，只要最终的影像平面位在双棱镜之下。
图2为作为用于图1的双透镜系统的第一物镜透镜OL电流的函数(显示为最大放大率的百分比)的条纹间距σobj(方块)及条纹宽度或视场Wobj(圆点)的效果图。该双透镜系统允许可藉由以范围从700nm至100nm的场及范围从约4nm至0.5nm的条纹间距来调整物镜透镜(透镜32)电流及物镜迷你-透镜(透镜28)电流两者而调整视场及空间解析度。在OL电流小于40％的区域中，该视场是大于400nm且条纹间距是大于2nm。在此操作区域(OL值在0-40％之间)中，射束倾斜是限制在小于8mrad，此范围是不足以让硅<220>的绕射射束以及硅<004>的绕射射束的倾斜来得到没有光学成像失真的暗场电子全像。例如，为了将硅<220>的绕射点移动到光学轴上，需要200keV的电子射束倾斜13mrad。类似地，为了将硅<004>的绕射点移动到光学轴上，需要18.5mrad的射束倾斜。当OL透镜电流大于50％时，视场是小于400nm且条纹间距是小于2nm。在此操作规则中，如以椭圆形标示的区域所指出者，进入的电子射束的倾斜极限被增加以允许在<220>的绕射射束以及<004>的绕射射束两者上暗场成像。然而，因为在物镜透镜电流范围低于40％的操作区域中的倾斜受限，所以暗场倾斜是不足以容许可接受的样本的暗场全像，例如于硅中的应变图。本发明是特别针对此双透镜系统的操作，使得物镜透镜的放大率可设定在相对低的放大率程度，举例而言，低于最大值的40％，或甚至低于最大值的30％，以得到具有在高于400nm且达到约700nm的大视场的暗场电子全像，而不具有光学成像失真。
在暗场全像中，进入的电子射束是倾斜或从其垂直轴偏离，穿过样本，而影像是利用有兴趣的绕射射束所形成。对于前述的硅材料，<220>的绕射射束用以测量于电流(电子)流sxx的方向的应变，而<004>绕射射束用以测量垂直于syy的应变。偏离的电子射束穿过一起放置的应变及无应变的硅样本，且双棱镜放置于下游处以重叠该影像，进而产生在应变影像与无应变影像之间的干涉图案(图3、图4、图7)。物镜孔径60及由后聚焦平面(backfocal plane)处的影像所产生的<220>及<004>平面的偏移绕射图案(offset diffractionpattern)显示在图4中。本发明提供一种集中<220>及<004>的绕射射束进入沿光学轴42的物镜孔径60的方法。
用以施用本发明的方法的穿透式电子显微镜(TEM)20显示在图5中，其具有电子枪21、射束倾斜线圈24及其上放置有硅样本30a和30b的样本支承件。样本30a为待测量的应变硅，而样本30b为可比较的无应变硅。在这些样本下方为产生第一物镜透镜OL的磁场的线圈32'及产生第二或罗伦兹物镜透镜OM的磁场的线圈28'。虽然线圈28'和32'显示为重叠，但所产生的磁场透镜如图1所示为相同顺序且具有相同功能，其中物镜透镜非常靠近该样本，且第二物镜或罗伦兹透镜(OM)在比OL更远处及在该OL下方。电子双棱镜22位于OL28'下方且比OL28'更远处，且在例如用于观看影像130a和130b的投影的成像器36(观察或记录装置)下方且比成像器36更远处，影像130a和130b分别为样本30a和30b的重叠干涉影像。在影像平面34与装置36之间，有投影透镜(通常为四个电子磁透镜(未图示))以进一步放大重叠干涉影像130a和130b且将该影像投影至装置36上。举例而言，观察/记录装置36可为萤光幕、照相装置或电视相机。
根据本发明的方法，第三透镜40设置在射束倾斜线圈24与用于样本30a和30b的支承件之间，用以放大该倾斜以及在电子射束穿过该倾斜线圈之后进一步偏斜该电子射束。第三透镜40可为FEI公司贩售的双透镜系统中的聚光迷你-透镜(CM)。该第三透镜或CM40可以范围为最大放大率的约25％至75％的放大率(电压或电流)等级而通电，举例而言约最大值的60％，同时物镜透镜OL是于前述的低放大率等级，举例而言，从最大放大率的0至约40％，以提供额外的倾斜给该电子射束并同时达到用于系统20的最大视场。在第一物镜透镜OL处于相对低的放大率等级的情况下，可增加第二物镜透镜OM的放大率。在聚光迷你-透镜上方的聚光透镜的能量可因此改变而满足该射束的平行照明。
如图5所示，电子射束38从与光学轴42平行且沿着光学轴42的电子枪21发射。当无绕射射束通过倾斜磁线圈24时，该无绕射射束以第一角度α1朝轴42改变方向，第一角度α1是一般小于8mrads。当射束38接着穿过第三透镜或CM 40的磁场140时，该射束会相对于轴42以较大的角度α2进一步偏斜且朝轴42比原始倾斜角度极限向内三(3)倍或更多倍，一般大于24mrad，如图6所示。虽然这些角度对于约200keV的电子射束能量而言为一般，但若能量更高或更低，举例而言为100keV或300keV，则可改变这些角度。当无绕射的射束38'继续以角度á2向前时，通过样本30a和30b的射束38沿着并平行于轴42继续，如图5所示。比第三透镜40更远且于第三透镜40之下的偏斜的电子射束是以平行射束部分38a和38b显示于图7中，平行射束部分38a和38b一起分别穿过应变硅样本30a及无应变硅样本30b，且在藉由物镜透镜OL32'的磁场132及罗仑兹物镜透镜OM28'的磁场128而在轴42上聚焦时作为绕射射束部分继续向前。所产生的效果是将电子射束的实际来源移动至侧向远离光学轴的中心的较高角度，这样允许绕射射束(38a及38b)沿着后聚焦平面移动至物镜孔径60中，后聚焦平面是在光学轴42上。不像其它的现有系统，其中射束倾斜极限较小，本发明不需要孔径60被移动至离开光学轴42的绕射射束位置以形成暗场全像。藉由移动物镜孔径60从光学轴42远离，具有离-光学轴(off-optical axis)的暗场全像将含有光学失真(慧星像差(coma)的暗场影像，这会导致失真的应变影像。
在穿过电双棱镜22之后，绕射射束38a和38b接着导向轴42，使得波干涉以及样本30a的影像130a和样本30b的影像130b于影像平面34重叠。该重叠、干涉影像在两个影像(图8)之间产生干涉图案50，从干涉图案50可以决定出如特写视图50a所示的条纹间距52。然后，藉由已知为快速傅立叶转换(FFT)及反快速傅立叶转换(FFT-1)的广为人知的资料处理方法(其选择旁带以得到如上述方程式中的相位(φ)的导数)，可决定出在应变硅样本30a上的应变程度。
当电子射束穿过样本时，该电子射束可达到的偏斜或倾斜程度大于背景技术的另外的传统射束倾斜线圈所达到者，且已经发现在物镜透镜OL的放大率减小至低于40％时特别有效且有用。本发明的额外优点是条纹间距及条纹宽度得以增加，提供样本较大的视场。
因此，本发明能够提供改善且无慧星像差的暗场全像干涉影像的样本，这使得藉由暗场电子全像以高空间解析度产生半导体材料的不失真暗场应变图。
尽管已结合特定较佳实施例来特别描述本发明，但对本领域技术人员而言，鉴于前文描述显然有许多替代、修饰及变化。因此，应深思到，所附权利要求书将含括落入本发明的真实范畴及精神内的任何此种替代、修饰及变化。
Claims (20)
1.一种用于测量半导体材料或其它晶体材料的应变的线内暗场全像方法，其包括：
设置穿透式电子显微镜，其具有：电子枪，用于让电子射束沿着轴穿过至少一个样本；磁倾斜线圈，用于使该射束以一角度相对于该轴而偏斜；沿着该射束轴的隔开的第一及第二物镜透镜；以及双棱镜，用于将该电子射束中穿透该样本的一部分与绕过该样本的一部分结合；
于该磁倾斜线圈与该样本之间设置聚光迷你-透镜，用于增加该射束以一角度相对于该轴的偏斜；
提供该半导体材料的一对样本，其中一个样本具有待测量的应变晶体结构，而另一样本具有无应变晶体结构；
在有该磁倾斜线圈的情况下，该电子射束以一角度相对于该轴而偏斜；
在有该聚光迷你-透镜的情况下，在穿过该对样本之前，以一额外、较高的角度相对于该轴而偏斜来自该磁倾斜线圈的该电子射束；
以该第一物镜透镜形成各该样本的虚拟影像；
以该第二物镜透镜将各该样本的该虚拟影像聚焦在中介影像平面，以形成各该样本的中介影像；
以该双棱镜导致各该样本的该中介影像重叠，使得该样本之间的干涉图案形成于该影像平面；以及
观察该干涉图案且判断该应变样本的应变程度。
2.如权利要求1所述的方法，其中，该暗场干涉图案实质上无慧星像差。
3.如权利要求1所述的方法，其中，该暗场干涉图案具有低至1nm的解析度。
4.如权利要求1所述的方法，其中，该第一物镜透镜通电至小于最大能量的一半的等级。
5.如权利要求1所述的方法，其中，该第二物镜透镜通电至大于最大能量的一半的等级。
6.如权利要求1所述的方法，其中，该应变沿着该应变样本的<220>平面方向而测量。
7.如权利要求1所述的方法，其中，该聚光迷你-透镜将该射束的限制倾斜成大于该磁倾斜线圈相对于该轴的偏斜的该角度的三倍。
8.如权利要求1所述的方法，其中，该聚光迷你-透镜将该射束的限制倾斜成大于相对于该轴的24mrad。
9.如权利要求1所述的方法，其中，该第一及第二物镜透镜的孔径位于沿着该射束的该轴。
10.一种用于测量半导体材料或其它晶体材料的应变的线内暗场全像方法，其包括：
设置穿透式电子显微镜，其具有：电子枪，用于让电子射束沿着轴穿过至少一个样本；磁倾斜线圈，用于以一角度相对于该轴而偏斜该射束；沿着该射束轴的隔开的第一及第二物镜透镜；以及双棱镜，用于将该电子射束中穿透该样本的一部分与绕过该样本的一部分结合；
于该磁倾斜线圈与该样本之间设置聚光迷你-透镜，用于增加该射束以一角度相对于该轴的偏斜；
提供该半导体材料的一对样本，其中一个样本具有待测的应变晶体结构，而另一样本具有无应变晶体结构；
在有该磁倾斜线圈的情况下，该电子射束以一角度相对于该轴而偏斜；
在有该聚光迷你-透镜的情况下，在穿过该对样本之前，以一额外、较高的角度相对于该轴而偏斜来自该磁倾斜线圈的该电子射束；
沿着该射束的该轴定位该第一及第二物镜透镜的孔径；
以该第一物镜透镜形成各该样本的虚拟影像；
以该第二物镜透镜将各该样本的该虚拟影像聚焦在中介影像平面，以形成各该样本的中介影像；
以该双棱镜导致各该样本的该中介影像重叠，使得该样本之间的干涉图案形成在该影像平面；以及
观察该干涉图案且判断该应变样本的应变程度。
11.如权利要求10所述的方法，其中，该暗场干涉图案实质上无慧星像差且具有低至1nm的解析度。
12.如权利要求10所述的方法，其中，该第二物镜透镜通电至大于最大能量的一半的等级。
13.如权利要求10所述的方法，其中，该应变沿着该应变样本的<220>平面方向而测量。
14.如权利要求10所述的方法，其中，该聚光迷你-透镜将该射束的限制倾斜成大于该磁倾斜线圈相对于该轴的偏斜的该角度的三倍。
15.如权利要求10所述的方法，其中，该聚光迷你-透镜将该射束的限制倾斜成大于相对于该轴的24mrad。
16.一种用于测量半导体材料或其它晶体材料的应变的线内暗场全像方法，其包括：
设置穿透式电子显微镜，其具有：电子枪，用于让电子射束沿着轴穿过至少一个样本；磁倾斜线圈，用于以一角度相对于该轴而偏斜该射束；沿着该射束轴的隔开的第一及第二物镜透镜；以及双棱镜，用于将该电子射束中穿透该样本的一部分与绕过该样本的一部分结合；
于该磁倾斜线圈与该样本之间设置聚光迷你-透镜，用于增加该射束以一角度相对于该轴的偏斜；
提供该半导体材料的一对样本，其中一个样本具有待测的应变晶体结构，而另一样本具有无应变晶体结构；
将该第一物镜透镜通电至小于最大能量的一半的等级；
将该第二物镜透镜通电至大于最大能量的一半的等级；
在有该磁倾斜线圈的情况下，该电子射束以第一角度相对于该轴而偏斜；
在有该聚光迷你-透镜的情况下，在穿过该对样本之前，以至少比该第一角度大三倍的第二角度相对于该轴而偏斜来自该磁倾斜线圈的该电子射束；
以该第一物镜透镜形成各该样本的虚拟影像；
以该第二物镜透镜将各该样本的该虚拟影像聚焦在中介影像平面，以形成各该样本的中介影像；
以该双棱镜导致各该样本的该中介影像重叠，使得该样本之间的干涉图案形成在该影像平面；以及
观察该干涉图案且判断该应变样本的应变程度。
17.如权利要求16所述的方法，其中，该暗场干涉图案实质上无慧星像差且具有低至1nm的解析度。
18.如权利要求16所述的方法，其中，该应变沿着该应变样本的<220>平面方向而测量。
19.如权利要求16所述的方法，其中，该聚光迷你-透镜将该射束的限制倾斜成大于相对于该轴的24mrad。
20.如权利要求16所述的方法，其中，沿着该射束的该轴定位该第一及第二物镜透镜的孔径。
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