CN1855365B - 使用电子束的面下成像 - Google Patents

Abstract

一种通过面下成像来定位或末端指示微观结构的方法，该面下成像使用具有足够能量的电子束以穿透表面并产生面下图像。对于末端指示来说，当该面下图像在已知的电子能量变得相对清楚时，使用者知道他正接近掩埋的特征。对定位来说，面下图像可以由基准点或其它特征形成，以便确定该器件上射束的位置。

Description

使用电子束的面下成像

技术领域

本发明涉及包括末端指示的定位(navigating)方法，该方法使用掩埋在工件表面之下的微观特征。

背景技术

现代集成电路由多层导体、绝缘体和半导体组成。许多现代集成电路使用“倒装晶片“工艺制造，其中将电路倒装到载体上。为了在芯片安装之后检查或改变这种电路的内部层，必须从背面接近电路。半导体晶片通常具有几百微米的厚度，因此在到达电路之前必须从该电路的背面去除相当多数量的材料。当从背面访问电路时，没有用于定位的参考点，也就是说，没有容易的方法精确地确定定位在电路上的特定特征的位置。这样，为了访问在倒装芯片上的电路，必须确定在何处去除材料以便从背面暴露电路，以及何时停止去除材料以防止对电路的破坏。将何时停止铣削的决定称作“末端指示”。

通常在几个步骤中执行去除背面材料。第一个步骤通常包括例如化学机械抛光的处理，该处理快速地使整个芯片变薄，留出足够的材料以便为处理该晶片提供机械强度。随后的步骤包括以重要电路特征的估计位置为中心在材料中形成大的孔。这种处理通常使用激光或离子束完成。快速去除材料的处理通常不能停止在精确的深度，因而在背面的孔接近电路时，通常使用第二个更加精确的处理。

一种使从背面接近电路变慢的方法使用与“末端指示”工艺在一起的离子束铣削，该“末端指示”工艺指示何时靠近或到达要暴露的特征。在一种末端指示工艺中，将光引入孔，并且当孔接近电路的晶体管区域时，该光感生了电流。当该光束感生的电流增加时，使用者知道他正靠近电路的晶体管区域。

Lundquist在美国公开专利申请No.2002/0074494中描述的另一种末端指示工艺使用聚焦离子束铣削以便从背面接近电路的主动晶体管区域。当离子束接近电路时，其产生使泄漏电流通过晶体管的电荷载流子。对离子束进行调制，并且频敏放大器在调制频率对电源泄漏电流放大。当电流达到某一级时，使用者认为该离子束非常接近电路的主动晶体管区域。虽然这种方法可以告诉使用者何时靠近主动晶体管区域，但是它不能提供离子束冲击表面的位置信息，除了在主动晶体管区域附近的冲击。

一种用于不管是在倒装芯片的背面还是传统电路的前面确定何时停止铣削的普通工艺是当铣削通过一层时观察电路的图像。虽然可以使用光学显微镜形成图像，光学显微镜的分辨率大约是0.5μm，这不足以观察大约是0.1μm的电路特征。观察显微装置的更适当方法是通过使用带电粒子束成像，例如扫描离子显微镜方法或扫描电子显微镜方法。

带电粒子束如聚焦离子束或电子束是横跨表面扫描的。带电粒子束的冲击造成包括次级电子、反向散射电子和离子的各种粒子的喷射。每个点发出的粒子的数量取决于在该点的组成和外形。在视频监视器上形成图像，该图像上每个点的亮度对应于在对应点的从表面发出的粒子的数量。如果将该图像与已知的关于电路的信息关联，则图像可以提供定位信息。

工件通常支撑在平台上。该平台可以在三维“X”、“Y”和“Z”上移动，该平台和射束的移动是特定的，并使用系统坐标控制。工件通常具有由设计者使用的其自身的坐标系，以指定形成不同特征的位置。通过找到结合到工件中的称为“基准点(fiducials)”的对准标记，可以使工件坐标与系统坐标相关联，因此用者可以使用工件坐标指定工件上的位置，该系统可以移动平台并且指引射束，即“定位”至该位置。这种关联被称作对准。当从背面铣削芯片时，基准点是不可见的，因此很难对准工件并找到所要的位置。

虽然成像技术对于在平面内定位是有用的，但是这种技术具有不利于末端指示的缺点。当使用成像确定何时暴露一层时，该层会在确定端点之前被破坏。而且，为了在图像中找到参考点以确定射束在电路上定位的位置，必须通过试验和误差暴露相对较大的区域，这潜在地破坏了暴露的每个区域。

Zaluzec在美国专利No.6548810“Scanning confocal Electron”中提出了一种可以成像面下(subsurface)特征的电子显微镜，但是因为系统使用透射电子，基片必须相对较薄，并且系统被配置为检测透射电子，因此不能容易地在现有的SEM中使用。

需要一种在半导体芯片或者其它具有掩埋的面下特征的工件上定位或末端指示的改进的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于面下观察的方法，以便确定掩埋的微观特征的位置，例如，将物理系统的坐标与系统图像的坐标或者计算机设计信息关联，或者确定何时停止接近该掩埋特征的铣削操作。

当带电粒子束冲击表面时，产生次级电子和反向散射电子。该次级电子和反向散射电子的数量提供关于该表面的信息。当离子束冲击该表面时，喷射的电子通常提供有关该表面的顶部几纳米的信息(虽然面下的电荷可以提供一些那些用于成像的特征的对比)。当将具有相对高的能量的电子束定向到该表面时，电子穿透该表面一定的深度，这取决于电子能量，因此可以将喷射的电子作为面下特征的指示。

在优选的实施方式中，将具有足够高的能量以便穿透表面的电子束定向到基片，并且形成面下特征的图像。使用者使用面下图像确定射束冲击的位置，并且将该射束定向到所要的面下特征。不同于聚焦离子束成像，其在表面的几纳米产生次级电子，具有足够能量的电子可以穿透该表面一个微米以上，以提供关于面下特征的信息。该面下特征例如可以是定向标记如在集成电路上的基准点或任何特征。观察基准点可以使使用者将基片映象如集成电路的计算机辅助设计数据与实际表面关联或记录，因此使用者可以使用该映象将该表面上的射束定位到实际表面上的精确位置。

由于观察的深度由电子能量确定，因而可以确定观察的特征在表面下的深度。这样，也可以将面下电子束观察用于末端指示，即何时停止铣削。

用于对准的面下观察对背面定位特别有用，其中没有暴露特征来定向。当基准点或其它标记由一层遮掩时，其还对正面对准有用。

前面相当概括地略述了本发明的特征和技术优点，以便可以更好地理解下面本发明的详细说明。在下文中将描述本发明的附加特征和优点。本领域的技术人员应当理解公开的观念和特定实施方式可以容易地用作用于修改或设计其它实现与本发明相同的目的的结构的基础。本领域的技术人员还应当理解，这种等价的结构没有脱离附加的权利要求所述的本发明的精神和范围。

附图说明

为了更全面地理解本发明及其优点，现在对下面结合附图的说明进行介绍，其中：

附图1示意性示出双射束(离子和电子柱)系统，该系统可用于实践本发明的优选实施方式。

附图2A-2D示出使用不同电子束电压掩埋金属层形成的图像。

附图3A和3B示出以不同的系统参数获得的附图2A-2D的掩埋金属层的图像。

附图4是示出在半导体器件上使用的优选实施方式的流程图。

附图5示出按附图4的步骤操作的器件。

附图6是示出将系统坐标与工件坐标关联的优选实施方式的流程图。

附图7示出按附图6所示的方法操作的晶片。

具体实施方式

附图1示意性示出实现本发明的双射束系统100。一个合适的系统例

如可以从本申请的受让人FEI公司得到的Model Strata 400。本发明可以使用任何电子束系统实践，该电子束系统具有产生足够射束能量的电子束的能力、信号探测器以及特定应用所需的分辨率。

在所示的实施方式中，将电子束柱102和离子束柱104以彼此成一定角度定向，每个柱产生的射束冲击基片108上相同的点106。在其它实施方式中，冲击点是分开的，平台在射束冲击位置之间精确地移动基片。在这种实施方式中，可以将射束以彼此成一定角度定向，以减少平台移动距离，或者该射束可以是平行的。在其它实施方式中，离子束和电子束可以是共轴的，如美国专利公开No.20040108458中描述的。探测器112检测目标在受到离子束或电子束的冲击时发出的次级电子。可选择地，可以使用反向散射电子探测器、通过透镜取景(through-the-lens)的探测器或者其它探测器。

本领域技术人员可以认识到系统100可以包括许多附加的特征，例如用于粒子束沉积或增强蚀刻的注气系统116。虽然本发明可以在低真空系统中实践，例如Mancuso等人在美国专利No.4785182中描述的环境扫描电子显微镜，该专利受让给本发明的受让人，但是通常将基片108保持在高真空中，例如大约10^-5bar(.001N/m²)。虽然优选实施方式包括用于改变工件的聚焦离子束，但是也可以使用适当的刻蚀辅助(etch-assisting)化工品通过激光或通过电子束改变工件，因此不是所有的实施方式都包括FIB柱。

本发明的一个方面包括使用具有足够高的能量的电子束来形成面下图像，即由另一种材料覆盖的特征的图像。在本发明中使用的电子能量通常大于在扫描电子显微镜中使用的能量，并小于在透射电子显微镜中使用的能量。优选的电子能量会根据材料的类型和覆盖层的厚度而变化。在不同的实施方式中，优选具有大于大约5keV、大于大约10keV、大于大约15keV、大于大约25keV、大于大约30keV或者大于大约50keV的能量的电子。本发明不局限于这些特定的电子能量；较低能量对较薄的层是有用的，而较高能量对较厚的层是有用的。

附图2A-2D表示使用不同能量的电子束产生的并用次级电子探测器在通过使用二氟化氩作为刻蚀增强气体的FIB铣削产生的槽内观察到的图像。附图2A-2D所示的基片包括掩埋在硅下面大约1μm到2μm的金属线，在硅上具有大约1μm的相对透明的FIB沉积二氧化硅。图2A中，形成图像的电子束具有5kV的加速电压，该图没有示出面下金属层的任何细节。图2B中，形成图像的电子束具有15kV的加速电压，该图在图像一部分上图像开始示出一些电路细节，可能是因为硅层在该部分图像上较薄，或者是因为在该部分图像之下的部分电路上的电荷增大。附图2C中，形成图像的电子束具有20kV的加速电压，更多的电路细节是可见的。附图2D中，形成图像的电子束具有30kV的加速电压，该图示出了足够的电路细节以定位表面，或者将该表面与计算机辅助设计数据、表面的光学映象或其它表示相关联。

电子束处理参数依据应用而改变，以产生有用的图像。附图3A和3B示出由30kV的电子束、通过改变样品室中的压力和工作距离(即电子透镜和工件之间的距离)形成的与附图2A-2D相同的基片的图像。附图3A示出在例如大约10^-5mbar(.0013N/m²)的高真空下使用27.7mm的工作距离而获取的图像，而附图3B表示以10^-1mbar(93N/m²)的压强和4.9mm的工作距离获取的图像。

根据本发明的一个方面，可以使用面下成像观察面下特征，以在基片周围定位并确定何时停止铣削，以便不破坏该基片。附图4是表示将设计数据与器件上的物理表面关联以便能够实现在该器件周围的定位的优选方法的流程图。附图5示出在其上执行附图4的步骤的器件500。器件500包括掩埋电路，该掩埋电路包括金属层502。在步骤400中，通过化学机械抛光从背面504使器件500变薄成大约200微米的厚度。在步骤402中，对估计包含所要的面下特征的重要区域进行定位，并且在该器件中铣削大约10-500μm深200μm×200μm的孔506，该孔以估计包含重要电路的点为中心。在步骤404中，在506的底部铣削1μm×1μm的孔512。周期性地暂停铣削，并且在步骤406中使用具有足够能量的能量电子束检查孔512的底部，以试图观察面下特征。该射束中的电子具有优选大于15keV、更优选地大于20keV、还更优选地大于25keV、并且最优选地接近30keV或者更大、或者接近50keV或者更大的能量。所用的电子能量取决于使用者想要观察表面下多远的距离以及电子柱的能力。

当覆盖材料的厚度对面下成像来说足够薄时，电子束图像在金属层、绝缘层和半导体层之间表现出显著的差异。不同类型的半导体之间的差异没有这么大。因此本发明有助于观察面下金属，这对在基片上定向是有用的。

当根据铣削速度和金属层上材料的厚度估计到孔512的底部接近金属层502时，使用者停止铣削，并且如上所述使用足够能量的电子束在步骤406获得面下图像。首先，如果使用者非常小心并且在接近金属层之前正好停止铣削，则电子束图像通常不会示出金属层，这是由于该金属层上的半导体材料太厚以致于不能被电子束穿透。如判定块410所示，如果金属层502不可见，使用者在步骤412中继续铣削。重复步骤406至412，随着去除掉更多的材料，使用者周期性地得到面下图像。当孔512的底部接近金属层502时，使用者首先在面下图像中开始看到模糊的金属线视图。

当孔512的底部更靠近时，金属层502的图像变得更清楚，并且取决于电子束能量，掩埋在材料下面1μm至2μm的金属线的图像对使用者确定在整个电路上射束定向的位置来说是足够清楚的。在步骤420中使用者可以将射束在视觉上定位到特征508。任选地，使用者可以在步骤422中将物理电路的图像与电路的已知映象关联，以便在步骤420有助于定位到电路上所要的特征508的位置。然后使用者在步骤424中对所要的精确特征或位置进行操作，而在试图找到射束位置时没有破坏其它区域。面下图像的清晰程度还提供了关于表面之下金属层的深度的信息，因而使用者可以保证在将电路无意破坏之前停止铣削。这样，本发明对在平面上定位以及在用于末端指示的三维上定位都是有用的。

在本发明的另一个方面中，使用者使用面下图像来观察掩埋的参考标记，以将物理样品与参考图像对准，该参考图像例如是计算机辅助设计数据，或者在特征暴露的处理阶段中获取的器件的光学图像。在集成电路的制造期间执行的一些处理中，沉积一层，以便覆盖用于在器件上对准和定位的基准点。虽然有时该基准点作为覆盖层中的凸起区域是可见的，但是如果表面是“平面化的”、即表面被抛光以产生为下一个处理层准备的光滑表面，则这些标记也可以被遮盖，

附图6是示出本发明的另一个实施方式的优选步骤的流程图。附图7示出包括多个器件或电路702的晶片700，每个电路包括通过将光刻图案应用于晶片以产生电路而在该晶片上产生的多个基准点704。电路和基准点由材料如金属或绝缘体覆盖，在前面制造步骤期间将该材料沉积到晶片上。在步骤600中，使用者定位到他估计的包括第一基准点704的区域，并且将相对较高能量的电子束以低放大率定向到一个宽的区域，以找到该基准点。该电子束能量“相对较高”，也就是通常高于仅用于表面特征成像的电子束的能量。在步骤602中，使用者定位到在步骤600中找到的基准点的区域。在步骤604中，使用者以更高的放大率观察基准点，以便更精确地确定其位置，并且系统在系统坐标上记录该基准点的位置。基于第一基准点的位置和定向，使用者可以在步骤608中定位到第二基准点的一般区域，并且使用相对较高能量的电子束以低放大率定位掩埋的基准点。在步骤610中，以增长的放大率观察第二基准点，并且系统在系统坐标系中记录其坐标。通常，使用者在步骤614中定位到掩埋的第三基准点，并且使用相对较高能量的电子束以低放大率观察基准点周围的区域，以便定位该基准点。在步骤618中，以增长的放大率观察第三基准点，并且系统记录其坐标。在步骤620中，将系统坐标系中的基准点的位置与工件坐标系关联，例如来自计算机辅助设计(CAD)数据库或者监视系统、如其它具有精确的平台定位以及可用于确定坐标的位置读数的另一个显微镜的数据。在步骤622中，使用者定位到工件上的任一点，使用该点的转换成系统坐标的CAD坐标以便移动工件平台，并且指引射束。

使用图像识别软件可以很容易地自动操作附图6的流程图中描述的处理图像，该图像识别软件例如可以从Cognex Corporation，Natick，Massachusetts得到。

本文使用的术语“定位”不仅包括确定位置和在基片的X和Y方向上移动，而且还包括确定垂直位置以帮助末端指示，也就是说，当接近掩埋的特征时确定何时停止铣削。本发明不局限于在集成电路上使用，而是可以用于任何包括由另一材料覆盖的微观特征的多层基片。

虽然详细地描述了本发明及其优点，但是可以理解，在不脱离由附加的权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以进行不同的改变、替换和修改。例如，本发明不限于上述集成电路的例子，而是用于任何类型的具有掩埋的特征的显微器件。而且，本申请的范围不限于说明书中所描述的处理、机器、制造、物质组成、手段、方法和步骤的特定实施方式。本领域的普通技术人员可以从说明书公开的内容容易地理解，根据本发明可以利用目前存在或者之后开发的执行与所描述的相应实施方式实质上相同功能或者得到实质上相同结果的处理、机器、制造、物质组成、手段、方法或步骤。因此，附加的权利要求要包括在它们的范围之内的这些处理、机器、制造、物质组成、手段、方法或步骤。

Claims (9)

1.一种使用离子束铣削和电子束成像来处理半导体器件的方法，包括：

将聚焦离子束指向半导体器件以便铣削接近掩埋金属层的孔；

将具有足够能量电子的电子束指向所述孔的底部，以便得到面下图像，并且收集从所述孔喷射出的电子以便通过至少1μm厚的硅观察所述金属层的面下图像；以及

使用所述金属层的面下图像确定何时停止使用所述聚焦离子束的铣削。

2.如权利要求1所述的方法，进一步包括使用所述面下图像识别用于定向或用于处理的面下特征。

3.如权利要求2所述的方法，其中使用所述面下图像定位用于定向或用于处理的特征包括将所述图像与所述器件的映象关联。

4.一种使用聚焦束在基片中切孔进行暴露以成像或改变微观面下特征的方法，包括通过将具有足够高的能量的电子束指向覆盖所述面下特征的表面以便根据次级电子或反向散射电子产生所述面下特征的图像并通过形成的所述特征的面下图像确定所述面下特征的位置或者确定射束何时暴露所述面下特征。

5.如权利要求4所述的方法，其中所述电子束中的电子具有大于15kV的平均能量。

6.如权利要求4所述的方法，其中所述电子束中的电子具有大于25kV的平均能量。

7.如权利要求4所述的方法，其中所述电子束中的电子具有大于30kV的平均能量。

8.如权利要求4所述的方法，其中覆盖所述面下特征的材料的深度大于1.0μm。

9.如权利要求4所述的方法，其中所述面下特征包括金属层。

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