CN111366428A - Fib倒切制备tem样品的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种FIB倒切制备TEM样品的方法，包括：步骤一、将薄膜样品粘接在样品台上；步骤二、采用FIB对薄膜样品的远离样品台的第四侧面进行刻蚀直至露出图形结构；步骤三、采用FIB在第四侧面上进行划线并刻蚀形成两条凹槽线标记；步骤四、在凹槽线标记中填充金属层形成金属线标记；步骤五、采用FIB对薄膜样品的长边对应的第一侧面进行倒切的第二次刻蚀，终点位置由对应的金属线标记确定；步骤六、采用FIB对薄膜样品的长边对应的第二侧面进行倒切的第三次刻蚀，终点位置由对应的金属线标记确定；由第二和第三次刻蚀都完成后的薄膜样品组成TEM样品。本发明能快速判断样品的厚度，大幅减少样品厚度判断的时间，从而减少整体的制样时间。

Description

FIB倒切制备TEM样品的方法
技术领域
本发明涉及一种半导体集成电路制造方法，特别涉及一种聚焦离子束(FocusedIon Beam，FIB)倒切制备TEM样品的方法。
背景技术
FIB在半导体芯片制造行业的失效分析领域常用来制备TEM样品、标记以及进行线路修补。随着半导体制程的缩小，需要制得的TEM样品厚度也在不断减小。为了防止图形(pattern)的重叠，一般都会使用低kV清洗(low kV clean)的方法来减少表面非晶层，达到制备超薄样品的目的，low kV clean的电压通常为几个kV如5kV或2kV。
在low kV clean的作用下，由于不能同时匀速的刻蚀半导体器件(device)层和半导体基底如硅(Si)基底，导致样品制备产生窗帘(curtaining)效应，造成样品区域厚度的不均匀性，进而导致局部细微结构不能通过TEM观察清楚，达不到最终分析目的。
样品倒切是一种有效的制备超薄TEM样品的方法，能够避免low kV clean下产生的窗帘效应，该方法是将TEM lamella倒置，让离子束刻蚀方向从硅基底到半导体器件层来减少窗帘效应的产生，也即在倒切工艺中，离子束会先刻蚀硅基底，再刻蚀包括了各种图形结构如金属图形结构的半导体器件层，从而能放置防止半导体器件层中的金属图形结构对硅衬底的刻蚀产生窗帘效应的影响。
但是由于倒切方法制备的最终样品是上厚下薄的，无法通过常规的Si基底剩余量来判断样品的厚度，也即，现有倒切工艺方法中，先刻蚀硅基底再刻蚀半导体器件层时，硅基底和半导体器件层的厚度会不一致，现有方法通常是根据Si基底的剩余厚度来判断所得到的TEM样品的厚度，所需要分析的缺陷通常位于半导体器件层中，但是由于Si基底的厚度和半导体器件层的厚度不一致，故会使得TEM样品的厚度和实际所需要的厚度不一致，不利于对半导体器件层中的缺陷的分析。因此样品倒切过程中的厚度判断成为超薄样品制备的关键难题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种FIB倒切制备TEM样品的方法，能快速判断样品的厚度，大幅减少样品厚度判断的时间，从而减少整体的制样时间。
为解决上述技术问题，本发明提供的FIB倒切制备TEM样品的方法包括如下步骤：
步骤一、将薄膜样品粘接在具有FIB和电子束的双束系统的样品台上，所述薄膜样品包括半导体衬底、形成于半导体衬底正面的具有图形结构的半导体器件层和保护层，所述薄膜样品具有长方体结构，所述薄膜样品的底部表面为所述半导体衬底的底部表面，所述薄膜样品的顶部表面为所述保护层的顶部表面，所述薄膜样品包括由长和高组成的两个相对的第一侧面和第二侧面以及由宽和高组成的两个相对的第三侧面和第四侧面；所述第三侧面靠近所述样品台的一侧，所述第四侧面远离所述样品台一侧；所述样品台具有倾斜和转动的功能。
步骤二、采用FIB对所述第四侧面进行第一次刻蚀直至在所述第四侧面露出能判断所需的TEM样品的厚度的所述半导体器件层的图形结构。
步骤三、根据所述芯片的图形结构并采用FIB在所述第四侧面上进行划线并刻蚀形成两条凹槽线标记(mark)，两条所述凹槽线标记都沿所述薄膜样品的高的方向且平行，两条所述凹槽线标记之间的距离为所需的所述薄膜样品的厚度，所述凹槽线标记从所述半导体器件层延伸到所述半导体衬底中。
步骤四、采用电子束电压辅助沉积工艺在所述凹槽线标记中填充金属层形成金属线标记。
步骤五、采用FIB对所述第一侧面进行第二次刻蚀，所述第二次刻蚀从第一次侧面向内对所述薄膜样品进行减薄，所述第二次刻蚀为从所述薄膜样品的底部表面向顶表面的方向进行刻蚀以消除窗帘效应，所述第二次刻蚀的终点位置由靠近所述第一侧面的一根所述金属线标记确定。
步骤六、采用FIB对所述第二侧面进行第三次刻蚀，所述第三次刻蚀从第二次侧面向内对所述薄膜样品进行减薄，所述第三次刻蚀为从所述薄膜样品的底部表面向顶表面的方向进行刻蚀以消除窗帘效应，所述第三次刻蚀的终点位置由靠近所述第二侧面的另一根所述金属线标记确定；由所述第二次刻蚀和所述第三次刻蚀都完成后的所述薄膜样品组成TEM样品。
进一步的改进是，步骤一中所述薄膜样品的宽度作为厚度，所述薄膜样品的厚度为500nm以上。
进一步的改进是，所述薄膜样品通过对所述半导体衬底组成的晶圆进行切割和减薄工艺得到。
进一步的改进是，所述晶圆的直径包括6英寸、8英寸和12英寸以上。
进一步的改进是，所述TEM样品的厚度为100nm以下。
进一步的改进是，所述TEM样品的厚度为30nm以下。
进一步的改进是，步骤一中使用在线样品提取装置(Easy Lift)将所述薄膜样品挑起并粘接在所述样品台上。
进一步的改进是，所述在线样品提取装置包括探针。
进一步的改进是，所述样品台包括格栅(Grid)，所述格栅上包括立柱，所述薄膜样品粘接在所述立柱上。
进一步的改进是，步骤二中的所述第一次刻蚀采用30keV的离子束进行刻蚀，在所述第一次刻蚀的30keV的离子束刻蚀之前还包括进行离子束清洗的步骤，离子束清洗的电压为5keV或2keV。
进一步的改进是，步骤三中采用30keV电压以及1pA电流的离子束进行划线形成所述凹槽线标记。
进一步的改进是，步骤四中填充的所述金属层的材料为Pt，采用10keV电子束电压辅助沉积工艺沉积所述金属层。
沉积的所述金属层还会延伸到所述凹槽线标记外侧，之后还包括采用离子束清洗工艺将所述凹槽线标记外侧的所述金属层去除的步骤，离子束清洗的电压为5keV或2keV。
进一步的改进是，步骤五和步骤六的顺序能互换，所述第二次刻蚀和所述第三次刻蚀的工艺条件相同。
进一步的改进是，所述第二次刻蚀和所述第三次刻蚀都是采用30keV的离子束进行刻蚀，在观察到对应的所述金属线标记后停止30keV的离子束刻蚀，之后进行5keV或2keV的离子束清洗且将所述金属线标记清洗干净。
进一步的改进是，FIB和电子束之间具有52度夹角。
本发明通常采用FIB倒切工艺制备TEM样品，从而能防止FIB正面切割TEM样品时产生的窗帘效应。同时，本发明针对现有倒切工艺中半导体衬底如硅衬底的厚度和半导体器件层的厚度不一致并从而不利于TEM样品的厚度控制的缺陷，本发明在对薄膜样品的长边对应的侧面即第一和第二侧面进行FIB倒切工艺之前，先在远离样品台一侧的宽度边对应的侧面即第四侧面进行FIB划线并形成凹槽线标记，之后采用电子束工艺在凹槽线标记中填充金属层并形成金属线标记，由从半导体器件层延伸到半导体衬底中的金属线标记预先定义出TEM样品的厚度，之后再进行FIB倒切工艺即第二次刻蚀和第三次刻蚀工艺，所以，本发明能在使用倒切方法制备TEM样品时快速判断样品的厚度，大幅减少样品厚度判断的时间，从而减少整体的制样时间。
另外，采用本发明方法倒切制备TEM样品时，即便是对于具有重复图形结构的硅片即硅衬底也可以通过截面Mark即金属线标记之间是否还有层叠以及有几层重复结构，来快速判断样品厚度，从而减少现有常规方法倒切制备样品厚度的时间，大大提高倒切样品制备效，所以本发明也能适用于具有重复结构区域的芯片样品即芯片的TEM样品制备上；另外，对于未知版图(lay out)的芯片样品，本发明同样可以快判断样品厚度，达到快速制样的目的。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1是本发明实施例FIB倒切制备TEM样品的方法的流程图；
图2A-图2H是本发明实施例方法各步骤中的薄膜样品的立体结构图；
图3A-图3H是图2A-图2H对应的放大结构图；
图4A-图4K是本发明实施例方法各步骤中的薄膜样品的照片。
具体实施方式
如图1所示，是本发明实施例FIB倒切制备TEM样品的方法的流程图；如图2A至图2H所示，是本发明实施例方法各步骤中的薄膜样品的立体结构图；图3A-图3H是图2A-图2H对应的放大结构图；本发明实施例FIB倒切制备TEM样品的方法包括如下步骤：
步骤一、如图2A所示，对应的放大图为图3A，将薄膜样品粘接在具有FIB和电子束的双束系统的样品台上，所述薄膜样品包括半导体衬底1、形成于半导体衬底1正面的具有图形结构的半导体器件层2和保护层3，所述薄膜样品具有长方体结构，所述薄膜样品的底部表面为所述半导体衬底1的底部表面，所述薄膜样品的顶部表面为所述保护层3的顶部表面，所述薄膜样品包括由长和高组成的两个相对的第一侧面103a和第二侧面103b以及由宽和高组成的两个相对的第三侧面和第四侧面101；所述第三侧面靠近所述样品台的一侧，所述第四侧面101远离所述样品台一侧；所述样品台具有倾斜和转动的功能。图2A中标出了所述第四侧面101，图2F中标出了第一侧面103a和第二侧面103b。
本发明实施例方法中，步骤一中所述薄膜样品的宽度作为厚度，所述薄膜样品的厚度为500nm以上。
所述薄膜样品通过对所述半导体衬底1组成的晶圆进行切割和减薄工艺得到。
所述晶圆的直径包括6英寸、8英寸和12英寸以上。
本发明实施例方法中，使用在线样品提取装置将所述薄膜样品挑起并粘接在所述样品台上。所述在线样品提取装置包括探针。
所述样品台包括格栅，所述格栅上包括立柱，所述薄膜样品粘接在所述立柱上。
FIB即聚焦离子束和电子束之间具有52度夹角，通常电子束为垂直向下，FIB则偏离垂直线52度。通过样品台的倾斜移动和转动来调节对应的所述薄膜样品的处理面的位置，例如将对应的表面对准电子束之后，能通过电子束蒸发在对应的表面上沉积金属层；将对应的的表面对准FIB后，从实现从对应的表面开始的垂直切割。所述样品台的倾斜移动能使对应的表面在和电子束以及FIB的垂直位置转换，通过对样品台的转动，能实现和电子束或FIB对准的表面的切换。
步骤二、如图2A所示，采用FIB对所述第四侧面101进行第一次刻蚀直至在所述第四侧面101露出能判断所需的TEM样品的厚度的所述半导体器件层2的图形结构。图2A中中深颜色标出的区域为所述第四侧面101被刻蚀的区域，图2B显示了所述第一次刻蚀完成后的结构图，图3B为图2B对应的放大图。
本发明实施例方法中，所述第一次刻蚀采用30keV的离子束进行刻蚀，在所述第一次刻蚀的30keV的离子束刻蚀之前还包括进行离子束清洗的步骤，离子束清洗的电压为5keV或2keV。
步骤三、如图2C所示，对应的放大图为图3C，根据所述芯片的图形结构并采用FIB在所述第四侧面101上进行划线并刻蚀形成两条凹槽线标记102a(mark)，两条所述凹槽线标记102a都沿所述薄膜样品的高的方向且平行，两条所述凹槽线标记102a之间的距离为所需的所述薄膜样品的厚度，所述凹槽线标记102a从所述半导体器件层2延伸到所述半导体衬底1中，图2C中，所述凹槽线标记102a还延伸到所述保护层3中。
本发明实施例方法中，中采用30keV电压以及1pA电流的离子束进行划线形成所述凹槽线标记102a。
步骤四、如图2D所示，对应的放大图为图3D，采用电子束电压辅助沉积工艺在所述凹槽线标记102a中填充金属层102b形成金属线标记102。
本发明实施例方法中，填充的所述金属层102b的材料为Pt，采用10keV电子束电压辅助沉积工艺沉积所述金属层102b。
如图2D所示，沉积的所述金属层102b还会延伸到所述凹槽线标记102a外侧。之后还包括采用离子束清洗工艺将所述凹槽线标记102a外侧的所述金属层102b去除的步骤，离子束清洗的电压为5keV或2keV，如图2E所示，对应的放大图为图3E，图2E为将所述凹槽线标记102a外侧的所述金属层102b都清洗掉后的对应的结构图，可以看出，由保留在所述凹槽线标记102a中的所述金属层102b组成所述金属线标记102。
步骤五、如图2F所示，对应的放大图为图3F，采用FIB对所述第一侧面103a进行第二次刻蚀，所述第二次刻蚀从第一次侧面向内对所述薄膜样品进行减薄，所述第二次刻蚀为从所述薄膜样品的底部表面向顶表面的方向进行刻蚀以消除窗帘效应，所述第二次刻蚀的终点位置由靠近所述第一侧面103a的一根所述金属线标记102确定。
步骤六、如图2F所示，对应的放大图为图3F，采用FIB对所述第二侧面103b进行第三次刻蚀，所述第三次刻蚀从第二次侧面向内对所述薄膜样品进行减薄，所述第三次刻蚀为从所述薄膜样品的底部表面向顶表面的方向进行刻蚀以消除窗帘效应，所述第三次刻蚀的终点位置由靠近所述第二侧面103b的另一根所述金属线标记102确定。
如图2H所示，对应的放大图为图3H，由所述第二次刻蚀和所述第三次刻蚀都完成后的所述薄膜样品组成TEM样品。本发明实施例方法中，所述TEM样品的厚度为100nm以下。较佳为，所述TEM样品的厚度为30nm以下。
步骤五和步骤六的顺序能互换，所述第二次刻蚀和所述第三次刻蚀的工艺条件相同。
本发明实施例方法中，所述第二次刻蚀和所述第三次刻蚀都是采用30keV的离子束进行刻蚀，在观察到对应的所述金属线标记102后停止30keV的离子束刻蚀，所述第二次刻蚀和所述第三次刻蚀的30keV的离子束刻蚀工艺对应于图2F；之后进行5keV或2keV的离子束清洗且将所述金属线标记102清洗干净，所述第二次刻蚀和所述第三次刻蚀的5keV或2keV的离子束清洗工艺对应于图2G；对应的放大图为图3G。
本发明实施例通常采用FIB倒切工艺制备TEM样品，从而能防止FIB正面切割TEM样品时产生的窗帘效应。同时，本发明实施例针对现有倒切工艺中半导体衬底1如硅衬底的厚度和半导体器件层2的厚度不一致并从而不利于TEM样品的厚度控制的缺陷，本发明实施例在对薄膜样品的长边对应的侧面即第一和第二侧面103b进行FIB倒切工艺之前，先在远离样品台一侧的宽度边对应的侧面即第四侧面101进行FIB划线并形成凹槽线标记102a，之后采用电子束工艺在凹槽线标记102a中填充金属层102b并形成金属线标记102，由从半导体器件层2延伸到半导体衬底1中的金属线标记102预先定义出TEM样品的厚度，之后再进行FIB倒切工艺即第二次刻蚀和第三次刻蚀工艺，所以，本发明实施例能在使用倒切方法制备TEM样品时快速判断样品的厚度，大幅减少样品厚度判断的时间，从而减少整体的制样时间。
另外，采用本发明实施例方法倒切制备TEM样品时，即便是对于具有重复图形结构的硅片即硅衬底也可以通过截面Mark即金属线标记102之间是否还有层叠以及有几层重复结构，来快速判断样品厚度，从而减少现有常规方法倒切制备样品厚度的时间，大大提高倒切样品制备效，所以本发明实施例也能适用于具有重复结构区域的芯片样品即芯片的TEM样品制备上；另外，对于未知版图(lay out)的芯片样品，本发明实施例同样可以快判断样品厚度，达到快速制样的目的。
如图4A至图4K所示，是本发明实施例方法各步骤中的薄膜样品的照片，其中，图4A至图4J都是SEM照片，图4K是对TEM样品做的TEM照片；实际操作中还设计到对所述样品台的倾斜和转动角度的控制，现单独说明如下：
步骤一中，首先使用在线样品提取装置(Easy Lift)将目标样品挑起粘接在Gird上，并翻转Grid，使Grid处于垂直状态；
样品台倾斜至垂直于离子束52°，这里的离子束52°表示FIB的入射角度，如图4A。
步骤二中首先，使用离子束将样品远离Grid一端即所述第四侧面101清理干净，完成后如图4B；其次，如图4C所示，将Grid旋转90°，使用电子束观察截面即第四侧面101形貌；如图4D所示，进行离子束刻蚀截面101即进行所述第一次刻蚀，至能够判断样品厚度的形貌露出。
步骤三中，如图4E所示，样品台倾斜归至0°，并旋转180°，使用离子束小电流1pA来观察截面形貌；如图4F所示，并在所需制样位置的两边打上线标记即形成所述凹槽线标记102a。
步骤四中，如图4G所示，将样品台旋转180°后再将样品台倾斜至垂直于离子束52°，使用电子束高电压10kv沉积金属层即Pt层102b，将离子束制好的所述凹槽线标记102a填实；之后如图4H所示，使用离子束清洁截面，使用电子束拍摄到线标记的位置并保留图片即所述金属线标记102。
步骤五中，如图4I所示，将样品台旋转-90°进行样品加工即进行第二次刻蚀的30keV的离子束刻蚀，加工至所述金属线标记102区域时,可以看到样品的所述金属线标记102位置，所述金属线标记102的区域如圆圈201所示；如图4J所示，然后再进行低电压清洁即进行所述第二次刻蚀的5keV或2keV的离子束清洗工艺，清洁至目标位置即可。
步骤六中，将样品台旋转180°，对样品另一面进行同样的操作减薄，样品即制备完成，效果如图4K所示，图4K是对TEM样品做的TEM照片。
以上通过具体实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。

Claims (15)

1.一种FIB倒切制备TEM样品的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、将薄膜样品粘接在具有FIB和电子束的双束系统的样品台上，所述薄膜样品包括半导体衬底、形成于半导体衬底正面的具有图形结构的半导体器件层和保护层，所述薄膜样品具有长方体结构，所述薄膜样品的底部表面为所述半导体衬底的底部表面，所述薄膜样品的顶部表面为所述保护层的顶部表面，所述薄膜样品包括由长和高组成的两个相对的第一侧面和第二侧面以及由宽和高组成的两个相对的第三侧面和第四侧面；所述第三侧面靠近所述样品台的一侧，所述第四侧面远离所述样品台一侧；所述样品台具有倾斜和转动的功能；
步骤二、采用FIB对所述第四侧面进行第一次刻蚀直至在所述第四侧面露出能判断所需的TEM样品的厚度的所述半导体器件层的图形结构；
步骤三、根据所述芯片的图形结构并采用FIB在所述第四侧面上进行划线并刻蚀形成两条凹槽线标记，两条所述凹槽线标记都沿所述薄膜样品的高的方向且平行，两条所述凹槽线标记之间的距离为所需的所述薄膜样品的厚度，所述凹槽线标记从所述半导体器件层延伸到所述半导体衬底中；
步骤四、采用电子束电压辅助沉积工艺在所述凹槽线标记中填充金属层形成金属线标记；
步骤五、采用FIB对所述第一侧面进行第二次刻蚀，所述第二次刻蚀从第一次侧面向内对所述薄膜样品进行减薄，所述第二次刻蚀为从所述薄膜样品的底部表面向顶表面的方向进行刻蚀以消除窗帘效应，所述第二次刻蚀的终点位置由靠近所述第一侧面的一根所述金属线标记确定；
步骤六、采用FIB对所述第二侧面进行第三次刻蚀，所述第三次刻蚀从第二次侧面向内对所述薄膜样品进行减薄，所述第三次刻蚀为从所述薄膜样品的底部表面向顶表面的方向进行刻蚀以消除窗帘效应，所述第三次刻蚀的终点位置由靠近所述第二侧面的另一根所述金属线标记确定；由所述第二次刻蚀和所述第三次刻蚀都完成后的所述薄膜样品组成TEM样品。
2.如权利要求1所述的FIB倒切制备TEM样品的方法，其特征在于：步骤一中所述薄膜样品的宽度作为厚度，所述薄膜样品的厚度为500nm以上。
3.如权利要求2所述的FIB倒切制备TEM样品的方法，其特征在于：所述薄膜样品通过对所述半导体衬底组成的晶圆进行切割和减薄工艺得到。
4.如权利要求3所述的FIB倒切制备TEM样品的方法，其特征在于：所述晶圆的直径包括6英寸、8英寸和12英寸以上。
5.如权利要求2所述的FIB倒切制备TEM样品的方法，其特征在于：所述TEM样品的厚度为100nm以下。
6.如权利要求5所述的FIB倒切制备TEM样品的方法，其特征在于：所述TEM样品的厚度为30nm以下。
7.如权利要求1所述的FIB倒切制备TEM样品的方法，其特征在于：步骤一中使用在线样品提取装置将所述薄膜样品挑起并粘接在所述样品台上。
8.如权利要求7所述的FIB倒切制备TEM样品的方法，其特征在于：所述在线样品提取装置包括探针。
9.如权利要求7所述的FIB倒切制备TEM样品的方法，其特征在于：所述样品台包括格栅，所述格栅上包括立柱，所述薄膜样品粘接在所述立柱上。
10.如权利要求1所述的FIB倒切制备TEM样品的方法，其特征在于：步骤二中的所述第一次刻蚀采用30keV的离子束进行刻蚀，在所述第一次刻蚀的30keV的离子束刻蚀之前还包括进行离子束清洗的步骤，离子束清洗的电压为5keV或2keV。
11.如权利要求1所述的FIB倒切制备TEM样品的方法，其特征在于：步骤三中采用30keV电压以及1pA电流的离子束进行划线形成所述凹槽线标记。
12.如权利要求1所述的FIB倒切制备TEM样品的方法，其特征在于：步骤四中填充的所述金属层的材料为Pt，采用10keV电子束电压辅助沉积工艺沉积所述金属层；
沉积的所述金属层还会延伸到所述凹槽线标记外侧，之后还包括采用离子束清洗工艺将所述凹槽线标记外侧的所述金属层去除的步骤，离子束清洗的电压为5keV或2keV。
13.如权利要求1所述的FIB倒切制备TEM样品的方法，其特征在于：步骤五和步骤六的顺序能互换，所述第二次刻蚀和所述第三次刻蚀的工艺条件相同。
14.如权利要求13所述的FIB倒切制备TEM样品的方法，其特征在于：所述第二次刻蚀和所述第三次刻蚀都是采用30keV的离子束进行刻蚀，在观察到对应的所述金属线标记后停止30keV的离子束刻蚀，之后进行5keV或2keV的离子束清洗且将所述金属线标记清洗干净。
15.如权利要求1所述的FIB倒切制备TEM样品的方法，其特征在于：FIB和电子束之间具有52度夹角。
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