CN111829841A - 针状样品、针状样品的分析以及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种针状样品包括样品部、底座部以及焊料部。样品部包括针状尖端以及感兴趣区域。底座部连接样品部，其中所述样品部的最大长度与所述针状样品在所述样品部相对于所述针状尖端的底端处的直径的比值介于1至2.5之间。焊料部覆盖样品部的侧面并连接于样品部与底座部之间。针状样品的分析方法以及制备方法也被提出。

Description

针状样品、针状样品的分析以及制备方法

技术领域

本发明实施例涉及一种针状样品、针状样品的分析以及制备方法。

背景技术

一般来说，为了分析半导体装置的材料组成，会使用原子探针技术(atom probetechnology)来对由半导体装置制备的样品进行分析。原子探针技术是利用对包括金属及半导体等材料的样品进行加热与提供电场，使得离子由样品表面入射至质谱仪，进而通过测量离子入射所需的时间以及电荷来识别离子种类。

然而，目前针状样品的制备及分析方法仍具有许多缺点。例如焊接样品时易脱焊或产生缺陷、针状样品在测试过程中容易折断、分析的结果噪声较多、质谱分辨率较差等。

发明内容

本发明是针对一种针状样品、针状样品的分析以及制备方法，其针状样品的可靠度较佳，且分析的结果较精确。

根据本发明的实施例，一种针状样品包括样品部、底座部以及焊料部。样品部包括针状尖端以及感兴趣区域。底座部连接样品部，其中样品部的最大长度与针状样品在样品部相对于针状尖端的底端处的直径的比值介于1至2.5之间。焊料部覆盖样品部的侧面并连接于样品部与底座部之间。

根据本发明的实施例，一种针状样品的分析方法包括下列步骤。提供针状样品，其中针状样品包括针状尖端以及感兴趣区域。对针状样品进行选择性刻蚀工艺，以移除感兴趣区域周围的移除区域。对移除移除区域的针状样品进行原子探针技术，以分析感兴趣区域中的原子组成。

根据本发明的实施例，一种针状样品的制备方法包括下列步骤。提供样品，其中样品包括感兴趣区域，其中样品的最大长度大体上为介于0.5微米至10微米之间。将样品焊接至样品底座上。对经焊接的样品以及样品底座进行研磨工艺，以形成针状样品。

附图说明

包含附图以便进一步理解本发明，且附图并入本说明书中并构成本说明书的一部分。附图说明本发明的实施例，并与描述一起用于解释本发明的原理。

图1是依照本发明的一实施例的一种针状样品的制备及分析方法的流程方块示意图；

图2是依照本发明的一实施例的一种样品的示意图；

图3是依照本发明的一实施例的一种样品的局部放大示意图；

图4是依照本发明的一实施例的一种样品焊接至样品底座的示意图；

图5是依照本发明的一实施例的一种针状样品的示意图；

图6是依照本发明的一实施例的一种针状样品的局部放大示意图；

图7是依照本发明的一实施例的一种经选择性刻蚀的针状样品的局部放大示意图。

附图标号说明

110：样品；

110’：样品部；

112：座体部；

114：楔形部；

116：组件层；

120：焊料；

120’：焊料部；

130：样品底座；

130’：底座部；

140、140’：针状样品；

L1：最大长度；

L2：长度；

R1：感兴趣区域；

R2：移除区域；

S1：斜面；

W1：截面宽度；

S110～S150：步骤。

具体实施方式

以下公开内容提供用于实作所提供主题的不同特征的许多不同的实施例或实例。以下阐述组件及排列的具体实例以简化本公开内容。当然，这些仅为实例且不旨在进行限制。举例来说，以下说明中将第一特征形成于第二特征“之上”或第二特征“上”可包括其中第一特征与第二特征被形成为直接接触的实施例，且也可包括其中所述第一特征与所述第二特征之间可形成有附加特征进而使得所述第一特征与所述第二特征可能不直接接触的实施例。另外，本公开内容可能在各种实例中重复使用参考编号及/或字母。这种重复是出于简洁及清晰的目的，而不是自身表示所论述的各种实施例及/或配置之间的关系。

此外，为易于说明，本文中可能使用例如“之下(beneath)”、“下面(below)”、“下部(lower)”、“上方(above)”、“上部(upper)”等空间相对性用语来阐述图中所示的一个组件或特征与另一(其他)组件或特征的关系。所述空间相对性用语旨在除图中所绘示的取向外还囊括装置在使用或操作中的不同取向。设备可具有其他取向(旋转90度或处于其他取向)且本文中所用的空间相对性描述语可同样相应地进行解释。现将详细地参考本发明的示范性实施例，示范性实施例的实例说明于附图中。只要有可能，相同组件符号在图式和描述中用来表示相同或相似部分。

图1是依照本发明的一实施例的一种针状样品的制备及分析方法的流程方块示意图。图2是依照本发明的一实施例的一种样品的示意图。请同时参照图1及图2，在某些实施例中，针状样品的制备及分析方法可包括下列步骤。首先，执行步骤S110，提供例如为图2所示的样品110，其中，样品110的最大长度L1大体上为0.5微米至10微米之间。举例而言，样品110的最大长度L1可约为10微米，但本发明实施例并不以此为限。详细而言，样品110可包括座体部112以及底座体部112的楔形部114。座体部112的最大宽度可为整个样品110中的最大宽度，而楔形部114包括相对两斜面S1，此两斜面S1在一端彼此连接以共同形成尖端。如此配置，由图2的正视图方向看来，楔形部114的宽度由底座体部112的一端往远离座体部112的方向逐渐减小。在本实施例中，楔形部114的长度L2大体上介于0.4至9.9微米之间。楔形部114的最大宽度(即，图2中的楔形部114与座体部112交界处(以虚线标示)的宽度)大体上介于0.5至5微米之间。在某些实施例中，样品110的最大长度L1与最大宽度(即，楔形部114的最大宽度)的比值约可介于1至2.5之间。。

图3是依照本发明的一实施例的一种样品的局部放大示意图。请同时参照2及图3，在某些实施例中，提供样品110的步骤可以透过切削半导体装置来达成，以自半导体装置中切取并获得此样品110。在某些实施例中，半导体装置例如是芯片，其可包括晶体管、电阻器、二极管等。进一步而言，半导体装置可包括衬底以及配置于衬底中或衬底上的组件层(例如图3所示的部分组件层116)，其中，组件层116包括感兴趣区域R1。因此，自半导体装置中切取出来的样品110可包括部分衬底与含有感兴趣区域R1的部分组件层116。感兴趣区域R1可例如位在样品110的楔形部114。

在半导体装置包括鳍式场效晶体管的实施例中，组件层116可为鳍片、沟道、栅极、源极与漏极、介电层等鳍式晶体管的构件，但本发明实施例并不以此为限。在一些实施例中，衬底例如包括块状硅、掺杂或未经掺杂硅衬底、绝缘层上硅(silicon on insulator,SOI)衬底或蓝宝石上硅(silicon on sapphire,SOS)衬底。当然，在一些实施例中，衬底也可包括例如锗或金刚石等适当的元素半导体、例如碳化硅、氮化镓、砷化镓或磷化铟等适当的化合物半导体或例如硅化锗、硅化铟、砷化铝镓或磷砷化镓等适当的合金半导体。一般来说，组件层116包括导体层与介电层。导体层的材料可包括金属、掺杂硅或多晶硅等。介电层的材料包括氧化物或氮化物，诸如氧化硅、氮化硅、氮化钛、氮化钽、碳化钛铝等。

在一些实施例中，切削半导体装置的方法可包括使用聚焦离子束(Focused IonBeam，FIB)法、电化学法、刀具切削法或任何能产生楔形切面的方法。聚焦离子束法例如是对部分半导体装置的表层进行局部喷溅聚焦离子束来完成。举例来说，在离子束切削过程中，通过将以镓离子为主的聚焦离子束入射至半导体装置表层，以选择性地刻蚀半导体装置。当然，本实施例并不以此为限。

图4是依照本发明的一实施例的一种样品焊接至样品底座的示意图。接着，请参照图1及图4，执行步骤S120，将样品110焊接至样品底座130上。在某些实施例中，将样品110焊接至样品底座130上的步骤可包括将焊料120大体上全面覆盖楔形部114的两斜面S1。也就是说，焊料120的上边缘可大致上与楔形部114的上边缘对齐。焊料的材料可包括铂(Pt)、钨(W)、铜(Cu)或其他适合焊接的材料。在某些实施例中，上述的焊接工艺可使用较大的焊接电流来进行，使焊料120可对样品110有较大的包覆面积。举例而言，本实施例的焊接工艺可使用约介于5pA至50nA之间的焊接电流对样品110进行焊接，以使焊料120可全面覆盖楔形部114的两斜面S1。在一实施例中，上述的焊接电流可约为40pA，但本发明实施例并不以此为限。

在这样的配置下，由于本发明实施例的样品110的整体长度以及楔形部114的两斜面S1长度较长，并使焊料大体上全面覆盖楔形部114的两斜面S1，因而增加焊料120与样品110的包覆与接触面积，进而可增加样品110、焊料120与样品底座130之间的接合力。因此，本发明实施例可有效避免以往焊接样品时易脱焊或产生缺陷以及后续制成的针状样品在测试过程中容易折断等问题。

图5是依照本发明的一实施例的一种针状样品的示意图。请同时参照图4及图5，接着，执行步骤S130，对如图4所示的经焊接的样品110以及样品底座130进行研磨工艺，以形成如图5所示的针状样品140。在某些实施例中，研磨成针状样品140的方法包括使用聚焦离子束法、电化学法或任何能产生针状截面的方法。聚焦离子束法例如是对经焊接的样品110以及样品底座130的表层进行局部喷溅聚焦离子束来完成。举例而言，聚焦离子束可以例如以0度至5度等非常小的角度冲击经焊接的样品110以及样品底座130，以得到如图5所示的针状样品140。当然，本发明实施例并不限制研磨成针状样品140的方法。

图6是依照本发明的一实施例的一种针状样品的局部放大示意图。请同时参照图5以及图6，在某些实施例中，依上述步骤所制备出的针状样品140可如图5所示的包括样品部110’、焊料部120’以及底座部130’。样品部110’可包括针状尖端以及具有感兴趣区域R1的组件层116，其中，由于样品部110’是由样品110所研磨而成，样品部110’的最大长度L1可约为0.5微米至10微米之间。在一实施例中，样品部110’的最大长度L1可约为10微米，但本发明实施例并不以此为限。焊料部120’覆盖样品部的侧面S1，并连接于样品部110’与底座部130’之间，以使底座部130’经由焊料部120’而连接至样品部110’。详细而言，样品部110’相对于针状尖端的底端处可包括斜面S1，而焊料部120’则可大体上全面覆盖此斜面S1。

在这样的结构配置下，由于本发明实施例的样品110的整体长度较长，因此，在研磨成针状样品140后，其针状样品140在样品部110’的底端处的截面宽度W1较宽，因而与底座部130’的接合较为稳固。举例而言，针状样品140在样品部110’相对于针状尖端的底端处的直径W1(即，底座部130’的最大直径/宽度)约介于0.4微米至4微米之间。在一实施例中，上述的直径W1可约为2微米，但本发明实施例并不以此为限。据此，样品部110’的最大长度L1与上述的直径W1的比值大体上介于1至2.5之间。举例而言，最大长度L1与直径W1的比值大体上介于1.25至2.5之间。并且，焊料部120’也与样品部110’有较大的接触面积，两者之间的接合力自然较强。因此，本发明实施例可有效避免针状样品140在测试过程中容易折断等问题。

图7是依照本发明的一实施例的一种经选择性刻蚀的针状样品的局部放大示意图。在依如前所述的方法制备针状样品140之后，即可接着对此针状样品140进行分析。请同时参照图6以及图7，在某些实施例中，执行步骤S140，对针状样品140进行选择性刻蚀工艺，以移除感兴趣区域R1周围的移除区域R2。换句话说，透过选择性刻蚀工艺在与感兴趣区域R1的周围移除部分材料(即，移除区域R2)，以形成位在感兴趣区域R1周围的凹陷(例如，沟槽)，使感兴趣区域R1的至少一部分相对于移除区域R2的至少一部分突出。在某些实施例中，移除区域R2可包括氧化物或浅沟槽隔离(Shallow trench isolation,STI)区域，也就是组件层116中的氧化物或浅沟槽隔离结构。上述的选择性刻蚀工艺可包括湿式刻蚀、干式刻蚀(例如反应离子刻蚀(Reactive-Ion Etching,RIE))、电浆聚焦离子束(focused ionbeam,FIB)刻蚀或其他适合的方式等。举例来说，本实施例可使用氢氟酸(湿式刻蚀)来移除针状样品140中的氧化物等非感兴趣的物质，以形成如图7所示的经选择性刻蚀的针状样品140’。

接着，执行步骤S150，对移除所述移除区域R2的针状样品140’进行原子探针技术，以分析感兴趣区域R1中的原子组成。在某些实施例中，原子探针技术可以提供感兴趣区域R1的原子级的立体图像与化学材料组成。原子探针技术设备可例如包括激光源、位置感应检测器(position sensitive detector)以及处理单元。首先，以激光源所产生的激光脉冲照射针状样品140’的顶部。由于针状样品140’的顶部被激光脉冲照射，因此，针状样品140’中的原子会一层一层地被移除(例如剥离)。接着，根据位置感应检测器与针状样品140’之间所产生的电场，被移除原子会投射至位置感应检测器上。因此，可以使用对激光提供脉冲的时刻与所述被移除原子到达感应检测器的时刻之间的时间来决定原子(也即离子)的飞行时间(time of flight)，进而确认质荷比(也即m/q)。而后，可使用感应检测器上所检测原子的x、y坐标来重建对应于针状样品140’的顶部的原子原始位置。其中，处理单元可以由感应检测器收集位置数据，并通过原子种类来重建针状样品140’的顶部的立体图像。

在某些实施例中，由于感兴趣区域R1周围的例如氧化物、浅沟槽隔离区域等移除区域R2已被移除，因而能降低背景噪声(background noise)，进而大幅提升质谱分辨率(mass resolution)。因此，经选择性刻蚀后的针状样品140’可避免例如氧化物、浅沟槽隔离区域等移除区域R2的非感兴趣材料干扰质谱分辨能力，或是减少质谱分辨的额外负担。经实验证实，本实施例的针状样品的良率(yield)可由约10％提升至约85％。在移除上述的移除区域R2后的针状样品140’的质谱分辨率则大幅提升至2000％。并且，在某些实施例中，针状样品的制备及分析方法具有简单的步骤且可利用现有的机台来达成，故针状样品的制备及分析方法具有高良率与低成本的优点。

综上所述，由于本发明实施例的样品的整体长度较长，并使焊料大体上全面覆盖样品的楔形部的两斜面，因而增加焊料与样品的包覆与接触面积，进而可增加后续形成的针状样品、焊料与样品底座之间的接合力。因此，本发明实施例可有效避免以往焊接样品时易脱焊或产生缺陷以及后续制成的针状样品在测试过程中容易折断等问题。并且，本发明实施例在进行原子探针技术之前，先对针状样品进行选择性刻蚀工艺，以移除感兴趣区域周围的移除区域。如此，由于感兴趣区域周围的例如氧化物、浅沟槽隔离区域等移除区域已被移除，因而能降低分析结果的背景噪声，进而大幅提升质谱分辨率。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种针状样品，其特征在于，包括：

样品部，包括针状尖端以及感兴趣区域；

底座部，连接所述样品部，其中所述样品部的最大长度与所述针状样品在所述样品部相对于所述针状尖端的底端处的直径的比值介于1至2.5之间；以及

焊料部，覆盖所述样品部的侧面并连接于所述样品部与所述底座部之间。

2.根据权利要求1所述的针状样品，其中所述样品部的所述最大长度介于0.5微米至10微米之间，且所述直径介于0.4微米至4微米之间。

3.根据权利要求1所述的针状样品，其中所述样品部相对于所述针状尖端的底端处包括斜面，且所述焊料部全面覆盖所述斜面。

4.种针状样品的分析方法，包括：

提供针状样品，其中所述针状样品包括针状尖端以及感兴趣区域；

对所述针状样品进行选择性刻蚀工艺，以移除所述感兴趣区域周围的移除区域；

对移除所述移除区域的所述针状样品进行原子探针技术，以分析所述感兴趣区域中的原子组成。

5.根据权利要求4所述的针状样品的分析方法，其中所述选择性刻蚀工艺包括湿式刻蚀、干式刻蚀或电浆聚焦离子束刻蚀。

6.根据权利要求4所述的针状样品的分析方法，其中所述移除区域包括氧化物或浅沟槽隔离区域。

7.一种针状样品的制备方法，包括：

提供样品，其中所述样品包括感兴趣区域，其中所述样品的最大长度与最大宽度的比值介于1至2.5之间；

将所述样品焊接至样品底座上；

对经焊接的所述样品以及所述样品底座进行研磨工艺，以形成所述针状样品。

8.根据权利要求7所述的针状样品的制备方法，其中提供样品的步骤包括：

切削半导体装置，以获得所述样品，其中所述样品包括座体部以及连接所述座体部的楔形部，所述楔形部的相对两斜面彼此连接以形成尖端。

9.根据权利要求8所述的针状样品的制备方法，其中将所述样品焊接至所述样品底座上的步骤包括：

将焊料全面覆盖所述楔形部的所述两斜面。

10.根据权利要求8所述的针状样品的制备方法，其中将所述样品焊接至所述样品底座上的步骤包括以介于5pA至50nA之间的焊接电流对所述样品进行焊接。

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