TWI220533B - System for imaging a cross-section of a substrate - Google Patents

Description

1220533

子束達成半導體

五、發明說明（l) 發明範E 本發明有關粒子束，尤其有關使用粒 基底截面成像之系統與方法。 發明背景 積體電路中經常併有延伸深入半導體基底或晶圓的哭 件。製造此類積體電路時，最好定期檢驗這些器件的結°° 構。在多數情況中，是藉由檢驗設有積體電路之晶圓^截 面而達到檢驗器件結構的目的。 習式的半導體基底截面檢驗方法，通常包括去除基底 ^料以便露出一橫截面。隨後用一成像光束照射該表面。 路出檢截面之步驟，通常是用一聚焦離子束掃描半導體基 底之正面’以挖出一道溝槽，而此溝槽的垂壁形成欲以成 像光束成像的橫截面。 ^ 成像光束通常是一粒子束，用以掃描經由聚焦離子束 掃描而外露的橫截面。粒子束與橫截面交互作用的結果， 造成帶電粒子的發射。這些帶電粒子被一檢測器檢測到， ，檢測器^供數據至一處理器，再由處理器將數據轉換成 ，半導體基底的截面圖像。 前述方法的缺點在於係用一聚焦離子束逐點外露橫截

⑽533

的圖像。由於離子束要聚焦為-小點，所 源稱亮，,1/以通在^^積内//大量離子流。此種離子 ^為=源通㊉使用一種在室溫或稍高於室溫時為 液 \之金屬=離子源m我們稱此種金屬為 之L金屬。在這些液態金屬中，鎵（Ga)因為具有高沸 點，所以一般認為最實用。 很不幸，在半導體製造過程中引用雜散（stray)金屬 離子’諸如鎵，是極*理想的。經聚焦離子束掃描後的半 導體基底上，即使只遺留極小量的金屬離子，也可能經由 擴散而汙染設於基底上的其他電路。結果，在晶圓截面檢 驗後，造成整個晶圓依常規被棄置。 因此，最好能在相關技術範圍内提供一種不會在基底 上造成雜散金屬離子沉澱的基底截面成像方法與系統。 發明概要 根據本發明之系統’並不使用聚焦離子束掃描基底， 而是在基底上投射一孔徑圖像，藉此在基底上開挖一溝 槽。此種方法解除了離子源必須為一亮源的限制，並開啟 液態金屬源以外的離子源使用之門。 更明確地說’在具體實現本發明之系統中，是在一工

五、發明說明（3) =面之Π束圖像，而使欲成像之橫截 、並不直接聚體；底或晶圓。由於離子束 ，制大幅放鬆。尤其是，在一包：：於離子源党度的限 使用液態金屬源以外的離子 】=理之系統中，可 離子汙染的風險降低，所以太恭H離子束。由於雜散金屬 導體晶圓之截面成像。 發明之系統格外適合用於半 根據本發明之系統，肖鉍 投射筒。離子投射筒在工；；：：：： =成：束離子 同，包括二放ΐϊ:及形狀與離子投射筒投射的孔徑相 = 垂ΐ形成-橫 焦粒子束筒沿第-軸定* ί聚焦粒子束照射。聚 声相$ 而第二軸與第一轴成一預定角 聚隹=子iri 一掃描電子顯微鏡，以電子束作為 聚焦離子束筒’以離子束作為聚 成形束離子投射筒内的離子源可為-相當低亮产源 此種低亮度源通常之特徵為亮度低於每平方立 角100, 〇〇〇安培截面電流（amps/cm2/steradian)。早然^立體 1220533 五、發明說明（4) 離子源亦可為一液態金屬源，諸如一鎵源。 ' 成形束離子投射筒可包括一設有孔徑之掩膜，孔徑之 -形狀與欲開挖之區域相同。掩膜通常置於離子源與晶^表 面間。孔徑雖然可為任何形狀，但是最好具有至/少二平直 邊緣’以形成易於成像之橫截面。 在實務上，孔徑各邊緣不可能完全平滑。為了降低孔 徑邊緣不完美所產生的效應，本發明之裝置進而包括: 用性的顏動調諧系統。此種顏動調諸系統包 晶圓，面間的複數個偏轉板。這些偏轉板上的時變電壓產 生一時變電場，形成孔徑圖像的離子於其 途中，通過時變電場。離子束塑應其g 阳囫表面的 ^ ^ 不，應其所通過的時轡雷揚作 周期平移，使工件正面上的投射圖像 作 此種投射圖像位置之定期變化，可 生的效應。 彳工邊緣不兀吳所 在另一實施例中，有一工件庙 對一離子束筒產生的離子束成一可擇工，相 例中，系統係在一切割模i I 一 4、選擇的角度。在此貫施 模式時，工件座扣持的工；：、像模式間切換。在切割 -束筒然後在工件正面聚焦與離子束垂直。離子 孔徑投射大小及形狀相同之圖像，以於工件上開挖與 、成一橫截面。在成像模式時挖區段之一垂壁 工件座扣持的工件相對離 ----- 五、發明說明（5) 子束成一角度 焦離子束掃描 ，此模式時’離子束筒沿著該橫截面以聚 藉此形成該表面之圖像。 本發明前述及装# 及附圖而趨於明確括特徵與優點，可藉以下説明 圖2 ;t:人截面成像系統第-實施例之概略圖； 像；4不圖1中之離子束筒在—工件上投射一孔徑圖 圖3顯示利用9 - 的孔徑； 所不之離子束筒投射而在工件上形成 圖4為一流程圖， 成工件截面圖像時遵循你的步驟；、統於圖3所不工件上形 式中操 ^#j ^ 圖6顯禾圓牛表面與離子束垂直； 工件表面V對離子束；= 圖7為一流程圖， 面圖像時遵循的步驟。、、、’、曰及圖6之系統於形成工件截 發明詳細說明 工件11截面圖像之粒子束系

$ 9頁 如圖1所示，用以取得一 1220533 五、發明說明（6) 統1 0，包括一成形束離子投射筒1 2，其架構可在工件11之 正面1 4投射一孔徑圖像。較佳是，投射筒1 2沿第一軸1 8定 向’而與工件11之正面丨4垂直，以使離子束相對正面14位 .於垂直入射角上。 糸統1 0進而包括一聚焦粒子束成像筒2 〇，沿第二軸2 2 定向。第二轴22相對第一轴18為傾斜，以與第一軸18以一 選取之角度相交。此一選取之角度為90度以外之角度，較 佳是在30與60度之間。然而，本發明包括使用其他非直角 之角度。 工件11係安置在一工件台24上。工件台24可響應一處 理器28提供之指令而平移。處理器28亦提供指令給投射筒 12與成像筒20。操作者利用一使用者界面3〇與處理器28通 信，藉此控制處理器28。使用者界面3〇為一鍵盤及/或一 觸摸反應式顯示幕。 圖2較詳細地顯示投射筒12 ,其中包括一離子源32， 可朝工件11的方向發射與第一轴18共線的離子束。離子束 於投向工件11之途中，通過一掩膜Μ中的孔徑％。孔徑34 之形狀定義工件11上欲以離子束開挖的區域形狀。離子束 然後通過一透鏡系統38，由透鏡38將一孔徑圖像聚焦在工 件11之正面14上。在一較佳實施例中，透鏡系統38中所 擇的透鏡數目與排列方式，係可控制此孔徑圖像之照 放大率。 ，、

第10頁 五、發明說明（7) 的圖段中’其Γ銳度視透鏡系統38造成 段之邊緣將會輪廓分明，否㈣，其邊緣= 離最2 ΐ 接近離子源入射工件時的角度大小與工件偏 深。…、面程度的乘積。最大允許偏位通常稱為系統之焦 在掩膜36内形成的孔徑34形狀，可為矩形、三角形、 圓形或任何其他孔徑輪廓。然而，孔徑3交 一 =直邊、緣，以便所產生的工件Η開挖區具有適#長度的 ★土 ’形成欲以成像筒2〇成像的橫截面。 一口雖，離子源32可為一液態金屬源，但是開挖工件Η某 =域蚪，不再需要此種離子源的亮度。假設有一固定離 π = >1 ( 1)聚焦離子束系統所需之亮度與（i i )投射束系統 而，度之比，視聚焦離子束照亮面積與投射束系統内投 :孔徑面積之比而定。以照亮直徑為一百納米（毫微米）圓 =的二型裝焦離子束以及線性尺寸為十微米之典型投射孔 控而言，離子源之亮度需求降低一萬倍。 古^由於投射系統内的離子源不需如此高的亮度，所以含 >技射筒的系統可有更廣泛的離子源選擇性。在一較佳實 施例中的離子源32，並不發射微量金屬離子。此種較佳之

第11頁 1220533 五、發明說明（8) 離子源包括等離子體源、場致發射氣體離子源、或表面等 離子體源。低亮度源通常有一特徵，即其亮度低於每平方 厘米單位立體角100, 000安培截面電流。 投射筒1 2的離子源選擇受一條件限制，亦即，離子源 3 2的發射強度須夠高，以使其提供的離子流適於開挖基底 的某一區域。發射強度是離子束之投射面積與其在一光學 平面内之聚束角度的乘積。在一投射系統内的離子源，其 所需發射強度通常比一探針系統所需發射強度高出許多大 小級次。在P· Hawkes與E· Kasper 所著的Principles 〇f Electron Optics(電子光學原理）一書中，對發射強度與 亮度的概念有廣泛的探討。在此提及作為參考。 在實務中，藉由提供擴展離子源取代點狀離子源，可 達成高發射強度的條件。1 99 6年之真空科學與技術雜諸 中，刊於B 14(6)，3947 由 Y· Lee 等人所著之 Development of Ion sources f〇r ion pr〇jecti〇n Lith〇graphy(離子 投射石版印刷用離子源之發展），提供了適於實施本發明 的擴展離子源範例。 ，由於孔徑34的形成不完美，所以孔徑34之邊緣並不全 …然光滑。為了減輕孔徑34邊緣任何粗糙度產生的效應，投 射筒12可選擇性地包括一顫動調諧系統4〇，以校正孔徑^ 邊緣的粗糖度效應。

第12頁 1220533 五、發明說明（9) 圖中所示的顫動調諧系統4〇包括設於透鏡系統38與工 件11間的偏轉板42a、42b。一信號源44在偏轉板42a、42b 間提供一時變電場，偏轉板42a、42b則與信號源44連接。 由於離子是帶電粒子，所以時變電場造成一投射圖像45在 工件11上的時變移動，如圖3所示。藉由適當選擇信號源 44產生之信號的幅度與頻率，可將孔徑34邊緣内的粗糙效 應整平或平均，藉此模擬具有完美光滑邊緣之孔徑。 較佳是’加載於偏轉板42a、42b的信號所選取的幅 度’宜使顫動調諧運動的幅度大於孔徑邊緣的粗糙度。所 選取的信號頻率則宜使工件表面上產生的開挖具有大致垂 直之壁面。由彳§號產生器44產生的波形較佳為三角波形， 並具有與前述條件相符的幅度與頻率。 圖4概述根據本發明達成工件橫截面成像之方法46。 此方法包括的步驟為：在工件上投射一孔徑之圖像（步驟 48)。如此可在工件表面上開挖一區域。開挖的區域具有 一垂壁，形成稍後欲以成像筒成像的橫截面。或者可選擇 性地用一顫動調諧子系統顫動工件上投射孔徑之位置，以 整平孔徑任何粗糖邊緣產生的效應（步驟5〇)。 經過適當期間之曝照後，關斷離子束（步驟52)。曝照 期間視離子源的特性、基底的性質及所需的開挖區深度：

第13頁 1220533 五、發明說明（10) 定σ適合的曝照期間可用已知方法或依經驗計算來決定 經投射筒外露的橫 粒子束掃描（步驟54)。 離子束的解析度顯著低 非用於開挖工件，所以 佳實施例中，用於工件 顯微鏡提供之電子束。 所示，有一離子束筒可 用以達成工件橫截面成 時，離子束投射筒62在 挖工件正面的一部份， 件表面開挖之細節，係 相關說明完全相同，因 截面，隨後再用成 雖然聚焦粒子束可 於電子束的解析度 使用離子束並無好 成像之聚焦粒子束 在本發明之第二實 在用以開挖工件表 像之成像模式間切 一工件64上投射孔 並外露一橫截面用 與第一實施例1 〇中 此不需在此重複。 像筒提供的聚焦 為一離子束，但 成像筒並 由於 處。此 ，為藉 施例中 面之投 換。在 徑圖像 以成像 已作的 處，在較 由一掃描 ，如圖5 射模式及 投射模式 ，藉此開 。關於工 投射筒1 2 在第二實施例60中，工件64係安置在一傾斜台66上。 一處理器70可與傾斜台66及離子束筒62二者通信，當操作 者經由與處理器70接合之使用者界面72提供指^時:處理 器70響應指令而控制傾斜台66與離子束筒62。 操作時’先以投射模式操作離子束筒62，如圖5所 示，其中，傾斜台66扣持工件64，使工件64之表面與離子 束筒62之筒轴線74垂直。在此投射模式期間，離子束筒62 在工件64投射一孔徑圖像，其方式與先前圖i及圖2所示離

第14頁 1220533 五、發明說明（11) ^ ^ 子束筒12之相關說明完全相同。如此造成工件露出 而。 、以 形成橫截面後，再以成像模式操作離子束筒62，如 6所示。在成像模式期間，傾斜台66扣持工件“，使i圖 面相對離子束筒62之筒轴線74成一角度。此一傾斜^ 截面曝在離子束筒62產生的聚焦離子束之内。因此，在^ 第二實施例中，離子束筒62是在工件64上投射一孔徑圖像 與在工件64上用聚焦離子束掃描二者間切換。前一操作模 式極適於開挖工件上某一區域，但不能隨意用於形成一圖 像。後一操作模式極適於成像，但開挖效率較低。 圖7概述使用圖5與圖6所示系統達成工件橫截面成像 之方法76中的各步驟。首先使工件定向，以使其正面與離 子束垂直（步驟78)。然後在工件上投射一孔徑圖像（步驟 80)。如此可在工件表面上開挖一區域。開挖的區域具有 一垂壁，形成稍後欲以成像筒成像的橫截面。依照孔徑邊 緣不完全光滑的程度，以一顫動調諧子系統顫動工件上投 射孔徑的位置（步驟82)，藉此平均孔徑邊緣任何不規則造 成的效應。 經過適當曝照期間後，關斷離子束（步驟84)。曝照期 間視離子源的特性、基底的性質及所需的開挖區深度而 定。適合的曝照期間可用已知方法或依經驗計算來決定。

第15頁 1220533 五、發明說明（12) 一=由杈射筒而使橫截面外露後，即將工 以使其正面蛊籬早击士 . ^ 里啊疋向， 束係聚隹在；：：ΐ 角度交叉(步驟86)。現在，離子 束係：在铋截面i，並沿該表面掃描， 面圖像（步驟88)。 /战所而的截 因此可以看出，本發明極有效率地達成 於上述結構中可作：g：此# ^ Ί之目的。由 上述說明或附圖中顯示的所有事項，其ΐ，所以 限制。 另爭項具曰思在於舉例而非 同時亦須了解以下申請專利範圍之 明書内a及之發明其所有一t與特定特、^涵蓋本說 之間有關本發明圍之所有产東述。經=此二者 為本發明視為新穎並欲以專利證書保，=後，以下 叉 < 蚺求事項。

1220533 圖式簡單說明 ' ' ^一'--- 圖1為本發明截面成像系統第一實施例之概略圖； 圖2顯示圖1中之離子束筒在一工件上投射一孔徑圖像； ，3.顯不利用圖2所示之離子束筒投射而在工件上形成的孔 顯示圖1之系統於圖3所示 圖4為一流程圖 件載面圖像時遵循的步驟； 中 圖5顯示本發明截面 操作之情況，其中，工株系統之第二實施例在切割模式 __示圖5之系統在成; 表面相對離子束呈一傾；模式中操作之情況，其中，> ^ 圖7為一流程圖，顯1 &置；及 像時遵循的步驟。，、，、圖及圖6之系統於形成工件截面園

Claims (1)

1220533 六、申請專利範圍 1 · 一種工件截面成像裝置，該一裝置包括： 一成形束離子投射筒，沿一第一轴定向並照射該工 件，以於該工件上形成一截面；及 一聚焦粒子束筒，沿一與該第一轴成一預定角度相交 之第二軸定向，該聚焦粒子束筒產生一聚焦粒子束照射該 截面。 2.如申請專利範圍第丨項所述之裝置，其中該聚焦粒子束 筒包括一掃描電子顯微鏡。 3 ·如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該聚焦粒子束 筒包括一聚焦離子束筒。 4 ·如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該成形束離子 投射清包括一低亮度離子源。 5 ·如申請專利範圍第4項所述之裝置，其中該離子源之亮 度低於每平方厘米單位立體角100, 〇〇〇安培截面電流。 6 ·如申請專利範圍第5項所述之裝置，其中該離子源之亮 度低於每平方厘米單位立體角1 0, 0 00安培截面電流。 7 ·如申請專利範圍第4項所述之裝置，其中該離子源係選 自包括等離子體源、場致發射氣體離子源、表面等離子體

第18頁 1220533 六、申請專利範圍 源及液態金屬源之群組。 8.如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該成形束離子 投射筒包括： 一產生離子束之離子源；及 一離子阻擋掩膜，其上設有穿透之孔徑，該掩膜係置 於該離子源與該工件之間。 9·如申請專利範圍第8項所述之裝置，其中該成形束離子 投射筒進而包括： 一偏轉板’置於離子阻擋掩膜與該工件之間丨及 一電壓源，與該偏轉板連接，以於偏轉板上產生一電 荷。 10·如申請專利範圍第9項所述之裝置，其中該電壓源包括 一信號產生器，以於該偏轉板上產生一時變電荷。 11·如申請專利範圍第8項所述之裝置，其中該離子阻擔掩 膜包括至少一個平直邊緣，以使投射之孔徑具有至少一個 平直邊緣。 1 2 ·如申請專利範圍第丨項所述之裝置，其中該預定角度介 於大約三十度與六十度之間。

第19頁 1220533

種工件戴面成像裝置，該工件具有一正 面 包括 一離子束投射筒，可在一切割模式與一成像模式間切 換，於該切割模式時，可在該工件上投射一孔徑圖像，= 該成像模式時，可用一聚焦離子束照射該工件；該離子束 投射筒係沿一筒軸線定向；及 一工件座，具有一切割位置與一成像位置；在該切割 位置時，該工件座扣持之該工件正面相對該筒軸線成一 ^ 一角度，以及，在該成像位置時，該工件座扣持之該工件 正面相對該筒軸線成一第二角度。 1 4·如申請專利範圍第13項所述之裝置，其中該第一角度 之選擇係使該筒軸線及該工件玉面大致為垂直。 1 5 ·如申請專利範圍第1 3項所述之裝置，其中該第二角度 大約介於三十度與六十度之間。 16· —種工件截面成像方法，該方法包括以下步驟： 沿一第，轴在該工件上投射一孔徑之離子束圖像，以 外露該工件之^一橫截面，及 使用沿，第二轴定向之聚焦粒子束照射該橫截面，而 該第二轴與該第一轴成一預定角度相交。 ~ 1 7 ·如申請專利範圍第1 6項所述之方法，其中該外露截面

第20頁 1220533 六、申請專利範圍 之步驟，包括使用一低亮度離子源產生之離子照射該工 件。 _1 8·如申請專利範圍第丨7項所述之方法，進而包括以下步 驟··選擇亮度低於每平方厘米單位立體角1〇〇,〇〇〇安培截 面電流之離子源。 19·如申睛專利範圍第Μ項戶斤述之方法，進而包括以下步 驟·選擇亮度低於每平方厘米單位立體角10, 〇〇〇安培截面 電流之離子源。 2〇·如申請專利範圍第16項所述之方法，其中該外露截面 乂驟進而包括顫動該孔徑I離子束圖像。 2 1 ·如申請專利範圍第2 0項所述之方法，其中該顫動步驟 匕括使用周期波形偏轉該離孑束圖像。