CN111397989A - 一种半导体器件的检验样品的制备方法 - Google Patents

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陈�胜
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Abstract

本发明提供了一种半导体器件的检验样品的制备方法，具体包括：提供片状检验样品，片状检验样品被观察的横向表面暴露待测半导体器件竖直方向的第一待测截面；在对应待测半导体器件的片状检验样品的两侧形成保护层，以纵向包覆片状检验样品；以及纵向切割被保护层包覆的片状检验样品，以获取柱状检验样品，柱状检验样品被观察的纵向表面暴露待测半导体器件竖直方向上垂直于第一待测截面的第二待测截面。根据本发明所提供的制备方法，能够针对同一个芯片样品进行两个方向上的精确定点、超薄制样，从而能够从两个方向上对待测样品进行TEM分析，对复杂结构、复杂缺陷的分析都具有极大的帮助。

Description

一种半导体器件的检验样品的制备方法
技术领域
本发明涉及半导体领域，尤其涉及半导体测试分析领域中的TEM样品的制备方法。
背景技术
自从早年德州仪器的Jack Kilby博士发明了集成电路之时起，科学家和工程师已经在半导体器件和工艺方面作出了众多发明和改进。近50年来半导体尺寸已经有了明显的降低，这导致了不断增长的处理速度和不断降低的功耗。迄今为止，半导体的发展大致遵循着摩尔定律，摩尔定律大意是指密集集成电路中晶体管的数量约每两年翻倍。现在，半导体工艺正在朝着20nm以下发展，其中一些公司正在着手14nm工艺。这里只是提供一个参考，硅原子约为0.2nm，这意味着通过20nm工艺制造出的两个独立组件之间的距离仅仅约为一百个硅原子。
半导体器件制造因此变得越来越具有挑战性，并且朝着物理上可能的极限推进。为了保证半导体器件的质量，常常需要制备检测样品，通过对检测样品进行检测以确定所制造的半导体器件是否满足了制作工艺要求。
透射电子显微镜(TEM，Transmission Electron Microscope)由于其具有极高的分辨率，是先进制程的集成电路芯片样品最常用的物性分析方式。通常而言，适用于透射电子显微镜的TEM样品的厚度仅为几十个纳米。TEM样品的厚度越薄，越能够呈现准确的样品结构。
随着半导体技术的发展，已经发展出具有复杂3D立体结构的例如鳍式场效应晶体管(FinFET，Fin Field-Effect Transistor)的半导体器件，对于这样的半导体器件，经常需要从两个剖面方向上去分析半导体器件的结构。另外，随着半导体技术的发展，有些半导体器件缺陷的分析，也要求从两个方向上对样品进行分析，才能够知道缺陷发生的工艺步骤。
目前，已有的TEM样品的制备方法已经能够利用聚焦离子束(FIB，Focused IonBean)通过对芯片样品进行切割来获得超薄的片状TEM样品。这样的超薄片状TEM样品一旦制备完成，能够且仅能够暴露出待测半导体器件一个方向上的剖面结构，但是没有办法观察同一个待测半导体器件另一个方向上的剖面结构。
有鉴于此，亟需要一种TEM样品的制备方法，能够针对同一个样品，同时在两个方向上进行超薄制样。从而能够从两个方向上对待测样品进行TEM分析，获取同一个待测样品两个方向上的结构信息，以助于复杂结构、复杂缺陷的分析。
发明内容
以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。
为了能够从两个方向上对待测样品进行TEM分析，本发明提供了一种半导体器件的检验样品的制备方法，具体包括：
提供片状检验样品，上述片状检验样品被观察的横向表面暴露待测半导体器件竖直方向的第一待测截面；
在对应上述待测半导体器件的上述片状检验样品的两侧形成保护层，以纵向包覆上述片状检验样品；以及
纵向切割被上述保护层包覆的片状检验样品，以获取柱状检验样品，上述柱状检验样品被观察的纵向表面暴露上述待测半导体器件竖直方向上垂直于上述第一待测截面的第二待测截面。
在上述制备方法的一实施例中，可选的，形成上述保护层进一步包括：
提供带有沟槽的硅晶圆；
将上述片状检验样品竖直放置在上述沟槽中；以及
在对应上述待测半导体器件的沟槽中纵向沉积保护层，以包覆上述片状检验样品。
在上述制备方法的一实施例中，可选的，上述保护层为金属铂Pt或金属钨W。
在上述制备方法的一实施例中，可选的，采用聚焦离子束执行上述纵向切割。
在上述制备方法的一实施例中，可选的，提供上述片状检验样品进一步包括：采用聚焦离子束对上述待测半导体器件所在的晶圆进行切割，以获得上述片状检验样品。
在上述制备方法的一实施例中，可选的，上述片状检验样品的纵向厚度小于100纳米。
在上述制备方法的一实施例中，可选的，上述柱状检验样品的横向厚度小于100纳米。
在上述制备方法的一实施例中，可选的，上述柱状检验样品的纵向厚度小于100纳米。
在上述制备方法的一实施例中，可选的，采用透射电子显微镜观察上述片状检验样品的横向表面；和/或
采用透射电子显微镜观察上述柱状检验样品的纵向表面。
在上述制备方法的一实施例中，可选的，上述半导体器件为鳍式场效应晶体管。
根据本发明所提供的半导体器件的检验样品的制备方法，能够对待测半导体器件进行两个方向上的超薄制样，从而能够利用透射电子显微镜对所制备的检验样品进行两个方向的分析，以获取待测半导体器件两个方向上的结构信息。对于具有复杂结构的半导体器件结构分析，或者对于复杂缺陷的成因分析都具有极大的帮助。
附图说明
在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本发明的上述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。
图1示出了根据本发明的一方面所提供的制备方法一实施例的流程图。
图2示出了根据本发明的一方面形成保护层一实施例的流程图。
图3A示出了本发明的一方面中的片状检验样品的示意图。
图3B示出了本发明的一方面中的的片状检验样品的TEM图。
图4示出了本发明的一方面中的硅晶圆的示意图。
图5示出了本发明的一方面移动片状检验样品的示意图。
图6A示出了本发明的一方面将片状检验样品放置在沟槽中的示意图。
图6B示出了本发明的一方面将片状检验样品放置在沟槽中的TEM图。
图7A示出了本发明的一方面形成保护层的示意图。
图7B示出了本发明的一方面形成保护层的TEM图。
图8A从XY平面示出了图7A中形成保护层的示意图。
图8B从XY平面示出了图7A中形成保护层的TEM图。
图9从XY平面示出了形成柱状检验样品的示意图。
图10A从YZ平面示出了柱状检验样品的示意图。
图10B从YZ平面示出了柱状检验样品的TEM图。
图10C放大了图10B中的柱状检验样品的TEM图。
图11-13示出了根据本发明的一方面所制备的检验样品另一实施例的TEM图。
附图标记
100、110 第一片状检验样品
120 第二片状检验样品
130 柱状检验样品
200 载物台
210 纳米操作仪
300 硅晶圆
310 沟槽
400、410、420 保护层
910 待测半导体器件的第一剖面
920 待测半导体器件的第二剖面
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作详细描述。注意，以下结合附图和具体实施例描述的诸方面仅是示例性的，而不应被理解为对本发明的保护范围进行任何限制。
本发明涉及半导体器件的测试领域，尤其涉及一种半导体器件的测试样品的制备方法。本发明所提供的半导体器件的检验样品的制备方法，能够对待测半导体器件进行两个方向上的超薄制样，从而能够利用透射电子显微镜对所制备的检验样品进行两个方向的分析，以获取待测半导体器件两个方向上的结构信息。对于具有复杂结构的半导体器件结构分析，或者对于复杂缺陷的成因分析都具有极大的帮助。
给出以下描述以使得本领域技术人员能够实施和使用本发明并将其结合到具体应用背景中。各种变型、以及在不同应用中的各种使用对于本领域技术人员将是容易显见的，并且本文定义的一般性原理可适用于较宽范围的实施例。由此，本发明并不限于本文中给出的实施例，而是应被授予与本文中公开的原理和新颖性特征相一致的最广义的范围。
在以下详细描述中，阐述了许多特定细节以提供对本发明的更透彻理解。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，本发明的实践可不必局限于这些具体细节。换言之，公知的结构和器件以框图形式示出而没有详细显示，以避免模糊本发明。
请读者注意与本说明书同时提交的且对公众查阅本说明书开放的所有文件及文献，且所有这样的文件及文献的内容以参考方式并入本文。除非另有直接说明，否则本说明书(包含任何所附权利要求、摘要和附图)中所揭示的所有特征皆可由用于达到相同、等效或类似目的的可替代特征来替换。因此，除非另有明确说明，否则所公开的每一个特征仅是一组等效或类似特征的一个示例。
注意，在使用到的情况下，标志左、右、前、后、顶、底、正、反、顺时针和逆时针仅仅是出于方便的目的所使用的，而并不暗示任何具体的固定方向。事实上，它们被用于反映对象的各个部分之间的相对位置和/或方向。
如本文使用的术语“在...上方(over)”、“在...下方(under)”、“在...之间(between)”和“在...上(on)”指的是这一层相对于其它层的相对位置。同样地，例如，被沉积或被放置于另一层的上方或下方的一层可以直接与另一层接触或者可以具有一个或多个中间层。此外，被沉积或被放置于层之间的一层可以直接与这些层接触或者可以具有一个或多个中间层。相比之下，在第二层“上”的第一层与该第二层接触。此外，提供了一层相对于其它层的相对位置(假设相对于起始基底进行沉积、修改和去除薄膜操作而不考虑基底的绝对定向)。
首先，请参考图1，图1示出了根据本发明的一方面所提供的制备方法一实施例的流程图。如图1所示，本发明所提供的制备方法包括步骤S100：提供片状检验样品；步骤S200：在对应待测半导体器件的片状检验样品的两侧形成保护层，以纵向包覆片状检验样品；以及步骤S300：纵向切割被保护层包覆的片状检验样品以获取柱状检验样品。
具体的，请结合图3A和图3B来理解步骤S100中的提供片状检验样品。如图3A所示出的，第一片状检验样品100被放置在载物台200上。图3A从X方向示出了第一片状检验样品100。该X方向即第一片状检验样品100放置在载物台200上被观察的方向。也就是说，上述第一片状检验样品100被观察的横向表面(X向表面)暴露待测半导体器件竖直方向的第一待测截面。请结合图3B，图3B示出了本发明的一方面中的片状检验样品的TEM图。如图3B所示出的，第一片状检验样品100被观察的横向表面暴露待测半导体器件竖直方向的第一待测截面910。在上述的实施例中，可以理解的是，半导体器件的竖直方向是指半导体器件所在半导体晶圆或衬底的高度方向。
在一实施例中，采用透射电子显微镜(TEM)来观察上述的第一片状检验样品100。为了便于电子穿透样品，以形成效果更优的电子衍射图像，需要控制上述第一片状检验样品100的厚度小于100纳米。
在一实施例中，为了形成上述小于100纳米的第一片状检验样品100，可以通过聚焦离子束FIB对样品的局部进行切片，从而能够形成超薄的片状样品以供观察。需要注意的是，本领域技术人员可以采用现有或将有的技术来实现采用聚焦离子束FIB对样品的局部进行切片的具体步骤，关于聚焦离子束FIB进行切片的具体步骤不应不当地限制本发明的保护范围。
在另一实施例中，可以理解的是，本领域技术人员还能够通过现有或将有的其他技术来形成超薄的片状检验样品以用于TEM成像。
在步骤S200中，需要在对应待测半导体器件的片状检验样品的两侧形成保护层，以纵向包覆片状检验样品。通过在片状检验样品的两侧形成保护层，能够从纵向上包覆片状检验样品，从而能够在纵向上增加片状检验样品的厚度，便于后续的切割，从而能够形成柱状检验样品。
请参考图2，图2示出了步骤S200在片状检验样品的两侧形成保护层的一具体实现方法的流程图。如图2所示出的，在片状检验样品的两侧形成保护层具体包括步骤S210：提供带有沟槽的硅晶圆；步骤S220：将片状检验样品竖直放置在沟槽中；以及步骤S230：在对应待测半导体器件的沟槽中纵向沉积保护层，以保护片状检验样品。
请结合图4、图5、图6A、6B、图7A、7B、图8A、8B来理解上述步骤S200中在片状检验样品的两侧形成保护层的具体实现方法。首先，如图4所示出的，硅晶圆300中形成有沟槽310。本领域技术人员可以根据现有或将有的方式在硅晶圆的上部形成沟槽，形成沟槽的方法不应不当地限制本发明的保护范围。在一实施例中，沟槽的尺寸被设置为均略大于片状检验样品(大于1-2微米)，以使片状检验样品顺利地被放置在沟槽中。
如图5所示出的，采用纳米操作仪210的针尖将第一片状检验样品100从载物台200上提取出来。本领域技术人员可以通过但不限于通过将纳米操作仪的针尖与样品焊接上的方式使样品与纳米操作仪一起移动。
如图6A所示出的，已经将第一片状检验样品100通过纳米操作仪210放置在硅晶圆300的沟槽310中。需要注意的是，通过纳米操作仪210将第一片状检验样品100竖直地放入沟槽310，也就是说，第一片状检验样品100的横向表面(X向表面)对应于图6A中的XZ平面。图6B对应地示出了图6A中将片状检验样品放置在沟槽中的TEM图。
如图7A所示出的，在第一片状检验样品100被放入沟槽310中后，对应待测半导体器件所在的区域，在沟槽中纵向地沉积保护层400，以纵向包覆第一片状检验样品100。为了便于后续聚焦离子束的制样，所沉积的保护层还形成在片状检验样品的上方。
可以理解的是，由于第一片状检验样品100的横向表面(XZ表面)已经能够暴露待测半导体器件竖直方向的第一剖面，而需要被同时观察的竖直方向的另一剖面对应在YZ平面，因此，对应于需要在YZ平面被观察到的半导体器件的区域纵向沉积保护层。例如图7A中所示出的保护层沉积在第一片状检验样品100的中间区域，也就是说，需要被观察的半导体器件位于第一片状检验样品100的中间区域。
在上述的实施例中，在纵向上沉积保护层指的是在Y方向上沉积保护层。需要注意的是，保护层400是具有形成在沟槽中的部分的，从而能够起到填充第一片状检验样品100与沟槽310之间缝隙的作用，以在沟槽内从纵向上包覆第一片状检验样品100。并非如图7A所示出的仅仅形成在硅晶圆300的表面。图7A仅为示意，不应不当地限制本发明的保护范围。
图7B对应地示出了图7A中形成保护层的TEM图。需要注意的，受制于TEM成像的各种限制，图7B中的深灰色区域示意了所形成的保护层400。
在上述的实施例中，保护层的材质为金属铂Pt或金属钨W。
图8A从XY平面示意了硅晶圆300、沟槽310、第一片状检验样品100和保护层400的关系。上述的XY平面可以理解为是俯视视角平面。如上所描述的，需要被观察的待测半导体器件位于被保护层400包裹的部分，因此，从俯视图上无法显示该部分，图8A中通过虚线框作为被纵向包覆的部分第一片状检验样品110的示意。图8B对应地示出了图8A中形成保护层400的TEM图。
在已经将需要被观察的部分第一片状检验样品110从纵向上被保护层包覆起来后，需要被观察的这部分第一片状检验样品在纵向上的厚度增加，因此，能够在后续的步骤S300中纵向切割被保护层包覆的片状检验样品，以获取柱状检验样品。
图9示出了对被保护层包覆的第一片状检验样品100进行纵向切割后的示意图。如图9中所示出的，在纵向切割后，所形成的柱状检验样品130纵向上仍然被保护层所包覆，因此，在对被保护层包覆的第一片状检验样品100进行纵向切割后，能够得到包裹有柱状检验样品130的第二片状检验样品120(图9中的虚线框)。
可以理解的是，为了便于电子穿透样品，以形成效果更优的电子衍射图像，需要控制柱状检验样品130在X方向(横向)上的厚度小于100纳米。
在一实施例中，采用聚焦离子束来实现上述的纵向切割。具体的，采用聚焦离子束从第一片状检验样品100在X方向上的前后两个方向进行纵向切割加工，从而在中间留下超薄片状样品。图9中的白色矩形框可以理解为该部分结构已经被聚焦离子束切割去除。
图10A从YZ平面示出了第二片状检验样品120的示意图。如图10A所示出的，切割后的第二片状检验样品120包括硅晶圆300，形成在硅晶圆沟槽中的部分保护层420，形成在硅晶圆上方的部分保护层410，以及被保护层420在纵向(Y方向)上包覆的柱状检验样品130。图10B对应地示出了图10A中第二片状检验样品120的TEM图。
可以理解的是，柱状检验样品130在Y方向(纵向)上的厚度相当于第一片状检验样品100的厚度，即其厚度小于100纳米。
图10C放大了图10B中的柱状检验样品的TEM图。可以理解的是，YZ平面即暴露了待测半导体器件在竖直方向上的第二剖面。因此，如图10C所示出的，将图10B中的柱状检验样品放大后，能够非常清楚地看到待测半导体器件在竖直方向上的第二剖面920。
根据图3B、图10C所示出的待测半导体器件竖直方向上的两个剖面图，技术人员能够对待测半导体器件进行分析，从而能够制造工艺的改进提供反馈。尤其能够用来分析类似于鳍型场效应晶体管的复杂结构，或者能够用来分析复杂缺陷，能够有效地提高分析的效率。
图11-13示出了根据本发明的一方面所制备的检验样品另一实施例的TEM图。如图11所示出的，第一片状检验样品100已经能够暴露待测半导体器件的第一剖面910。根据本发明所提供的制备方法对该第一片状检验样品100进行处理后，能够得到第二片状检验样品，如图12所示出的。并且，在该第二片状检验样品中，包裹着需要被观察的柱状检验样品130。图13进一步方法了该柱状检验样品130，以示意出待测半导体器件的第二剖面920。
根据图11、12所示出的待测半导体器件竖直方向上的两个剖面图，技术人员能够对待测半导体器件进行分析，从而能够制造工艺的改进提供反馈。尤其能够用来分析类似于鳍型场效应晶体管的复杂结构，或者能够用来分析复杂缺陷，能够有效地提高分析的效率。
据此，已经描述了本发明所提供的半导体器件的检验样品的制备方法的具体实现方法。根据本发明所提供的半导体器件的检验样品的制备方法，能够对待测半导体器件进行两个方向上的超薄制样，从而能够利用透射电子显微镜对所制备的检验样品进行两个方向的分析，以获取待测半导体器件两个方向上的结构信息。对于具有复杂结构的半导体器件结构分析，或者对于复杂缺陷的成因分析都具有极大的帮助。
尽管已经关于特定的示例性实施例描述了本公开，但将明显的是，可以对这些实施例做出各种修改和改变而不偏离本公开的更广泛的精神和范围。因此，本说明书和附图应被视为是说明性的含义而不是限制性的含义。
应当理解的是，本说明书将不用于解释或限制权利要求的范围或意义。此外，在前面的详细描述中，可以看到的是，各种特征被在单个实施例中组合在一起以用于精简本公开的目的。本公开的此方法不应被解释为反映所要求保护的实施例要求比在每个权利要求中明确列举的特征更多的特征的目的。相反，如所附权利要求所反映的，创造性主题在于少于单个所公开的实施例的所有特征。因此，所附权利要求据此并入详细描述中，其中每个权利要求独立地作为单独的实施例。
在该描述中提及的一个实施例或实施例意在结合该实施例描述的特定的特征、结构或特性被包括在电路或方法的至少一个实施例中。在说明书中各处出现的短语一个实施例不一定全部指的是同一实施例。

Claims (10)

1.一种半导体器件的检验样品的制备方法，其特征在于，包括：
提供片状检验样品，所述片状检验样品被观察的横向表面暴露待测半导体器件竖直方向的第一待测截面；
在对应所述待测半导体器件的所述片状检验样品的两侧形成保护层，以纵向包覆所述片状检验样品；以及
纵向切割被所述保护层包覆的片状检验样品，以获取柱状检验样品，所述柱状检验样品被观察的纵向表面暴露所述待测半导体器件竖直方向上垂直于所述第一待测截面的第二待测截面。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，形成所述保护层进一步包括：
提供带有沟槽的硅晶圆；
将所述片状检验样品竖直放置在所述沟槽中；以及
在对应所述待测半导体器件的沟槽中纵向沉积保护层，以包覆所述片状检验样品。
3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述保护层为金属铂Pt或金属钨W。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，采用聚焦离子束执行所述纵向切割。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，提供所述片状检验样品进一步包括：采用聚焦离子束对所述待测半导体器件所在的晶圆进行切割，以获得所述片状检验样品。
6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述片状检验样品的纵向厚度小于100纳米。
7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述柱状检验样品的横向厚度小于100纳米。
8.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述柱状检验样品的纵向厚度小于100纳米。
9.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，采用透射电子显微镜观察所述片状检验样品的横向表面；和/或
采用透射电子显微镜观察所述柱状检验样品的纵向表面。
10.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述半导体器件为鳍式场效应晶体管。
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