TWI409847B - 聚焦離子束設備及試料剖面形成及薄片試料製備方法 - Google Patents

聚焦離子束設備及試料剖面形成及薄片試料製備方法 Download PDF

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Description

聚焦離子束設備及試料剖面形成及薄片試料製備方法
本發明係有關於藉由使用聚焦離子束設備來形成試料剖面，及使穿透式電子顯微鏡(TEM，transmission electron microscope)試料運作。
使用圖9，對使用習知的聚焦離子束掃描式電子顯微鏡(FIB-SEM，focused ion beam scanning electron microscope)設備來使缺陷區域運作之觀察方法做解釋。首先，試料22係藉由照射離子束IB來予以運作，以形成矩形開口21。在形成開口之後，電子束EB被掃瞄照射於剖面D。藉由偵測此時所產生的二次電子，會觀察出有關於剖面D之二次電子影像。在缺陷分析中，為了經由缺陷中心來取得剖面，在所取得的二次電子影像內，於特定結構的端點中會指定兩點。然後，特定結構係藉由離子束IB來予以逐漸研磨，以量測研磨中之特定結構的端點至端點距離。藉由在距離的變化變成幾乎為零的時候，使以離子束IB的研磨終止，可於缺陷的中心區域中得到剖面。
[專利文件1]JP-A-H11-273613
在以上藉由使用習知的聚焦離子束掃描式電子顯微鏡(FIB-SEM)設備之運作方法來偵測觀察中，需要將電子束照射於試料剖面，以便偵測出缺陷或接觸孔的中心位置。這需要具有掃描式電子顯微鏡(SEM)圓柱的聚焦離 子束掃描式電子顯微鏡(FIB-SEM)設備。同時，因為以聚焦離子束(FIB)來運作，及藉由將照射光束切換至掃描式電子顯微鏡(SEM)來確認端點，所以在切換時很費時。本發明係提出甚至是不具有掃描式電子顯微鏡(SEM)觀察功能的聚焦離子束(FIB)設備，可有效地偵測出缺陷或接觸孔的中心位置之試料剖面形成方法。同時，提出有效地製備薄片試料之方法，使得缺陷或接觸孔的中心來到用於穿透式電子顯微鏡(TEM)或類似之觀看的薄片試料之中心為目的之一。
為了達成上述目的，所使用的是一種試料剖面形成方法，包含有關於與藉由使用聚焦離子束設備的試料表面平行之方向的兩種不同材料，使用該聚焦離子束設備的試料剖面形成方法包含：當藉由掃瞄照射聚焦離子束，對試料的想要區域實施蝕刻，以垂直地形成剖面於該試料表面時，偵測藉由照射聚焦離子束所產生的二次電荷粒子之步驟；以及藉由偵測出的二次電荷粒子的訊號來偵測訊號的變化量，且依據此變化量來終止蝕刻之步驟。換言之，使用聚焦離子束設備，聚焦離子束係掃瞄照射於與聚焦離子束設備的鏡身之軸平行的方向上之試料表面的想要區域，藉此形成試料剖面。當在形成剖面之後，包含不同材料的試料表面出現，而形成試料剖面時，會包括當在形成剖面的期間，包含不同材料的試料剖面出現，而形成試料剖面 時，偵測藉由照射聚焦離子束所產生的二次電荷粒子，而經由掃瞄照射聚焦離子束，對試料想要區域實施蝕刻之步驟；以及依據偵測出的二次電荷粒子之訊號來偵測訊號變化量，且根據其變化量來終止蝕刻之步驟。另外，其可為一種試料表面中的剖面之形成方法，此試料表面中的剖面係藉由掃瞄照射在與聚焦離子束設備的鏡身之軸平行的方向上之聚焦離子束來予以形成，且當蝕刻剖面時，形成試料剖面於試料的想要區域中，使用聚焦離子束設備的試料剖面形成方法之特徵在於包括：偵測藉由照射聚焦離子束所產生的二次電荷粒子之步驟；以及偵測二次電荷粒子之偵測出的訊號之訊號變化量，且當有訊號量的變化時，依據此變化量來終止蝕刻之步驟。
第二種解決問題方式使用如申請專利範圍第1項之使用聚焦離子束設備的試料剖面形成方法，其中想要區域係建構成具有與試料表面中之想要區域的一側幾乎平行之一側，以形成包括此平行一側的剖面之方式實施蝕刻，接著當形成朝向想要區域且以一方向擴展之工作區域的剖面時，以掃瞄照射聚焦離子束，對工作區域實施蝕刻，使得各剖面位置的訊號變化量係根據終止蝕刻的變化量之此時所產生之二次電荷粒子的訊號來予以偵測。
第三種解決問題方式使用如申請專利範圍第1或2項之使用聚焦離子束設備的試料剖面形成方法，其中藉由以偵測出的二次電荷粒子訊號偵測訊號變化量來終止蝕刻之步驟包括若與想要區域的一側幾乎平行之方向係視為主掃 瞄方向，且與主掃瞄方向垂直的方向係視為次掃瞄方向，則在各次掃瞄位置，累積有關於次掃瞄方向之主掃瞄方向上的蝕刻中所偵測出的二次電荷粒子，偵測累積的訊號量之變化，及根據其變化量來終止蝕刻。
第四種解決問題方式使用一種使用聚焦離子束設備的薄片試料製備方法，其特徵在於：藉由使用如第一至第三種解決問題方式的任一之使用聚焦離子束設備的試料剖面形成方法來形成試料剖面的步驟；以及類似地形成有關於想要的薄片試料區域之與形成的試料剖面相對之剖面，以形成薄片試料區域的步驟。
第五種解決問題方式使用一種聚焦離子束設備，包含：離子產生源，用於產生離子；離子光學系統，用以將離子限制成聚焦離子束，且當掃瞄時，將聚焦離子束照射於試料表面；試料桌，用於支撐試料；試料桌控制機構，用於移動試料桌；二次電荷粒子偵測器，用以偵測藉由照射聚焦離子束所產生的二次電荷粒子；以及端點偵測機構，用以當對垂直地形成於藉由掃瞄照射該聚焦離子束的試料表面之剖面繼續實施蝕刻時，自該二次電荷粒子偵測器處所偵測之二次電荷粒子訊號量的變化量中，偵測出端點。
根據第一種解決問題方式之運作如下。藉由透過偵測所偵測出的二次電荷粒子訊號量的變化來終止蝕刻，可使運作停止於包含不同材料的想要剖面曝光之狀態中。
根據第二種解決問題方式之運作如下。藉由透過將與 想要的試料剖面幾乎平行的平面視為一側來建構及蝕刻工作區域，且朝著此想要的試料剖面來擴展工作區域，直到偵測出蝕刻終止訊號，可形成想要的剖面，而不會遭遇運作不足或過多的問題。
根據第三種解決問題方式之運作如下。甚至二次電荷粒子訊號的量很小，或訊號變化量無法輕易偵測出來，運作可藉由累積的二次電荷粒子訊號，及偵測累積的訊號量之變化，而終止於使想要的剖面曝光之狀態中。
根據第四種解決問題方式之運作如下。藉由類似地形成有關於想要的薄片試料區域之與形成的試料剖面相對之剖面，可使薄片試料製備於想要的薄片試料區域中。
根據第五種解決問題方式之運作如下。藉由使用具有自偵測出的二次電荷粒子訊號來偵測端點之端點偵測機構的聚焦離子束設備，可使運作終止於包含不同材料的想要剖面曝光之狀態中。
如以上所述，依據本發明的聚焦離子束設備，及使用聚焦離子束設備的試料剖面形成方法，藉由當實施蝕刻時，透過偵測所產生的二次電荷粒子之訊號變化量來終止蝕刻，甚至是不具有掃描式電子顯微鏡(SEM)觀察功能的聚焦離子束(FIB)設備，可偵測出自上方所看到的接觸孔中心位置，因此有效地形成試料剖面。同時，依據本發明的聚焦離子束設備，及使用聚焦離子束設備的薄片試料製備方法，甚至在不具有掃描式電子顯微鏡(SEM)觀察功能的聚焦離子束(FIB)設備中，可有效地使用於穿 透式電子顯微鏡(TEM)觀察的薄片試料製備於缺陷或接觸孔的中心軸所在之中心中。
根據圖1至7，現在將對本發明的一實施例做解釋。
圖1係顯示根據本發明的一實施例之聚焦離子束(FIB)設備的概圖。由離子源11所產生離子係藉由光學系統12來予以聚集成為聚焦離子束1，且被掃瞄照射於與半導體裝置類似的試料10。被支撐於試料台13上的試料10可藉由機台驅動機構14來予以移動。二次電子2(其為藉由將聚焦離子束1照射於試料10所產生的二次電荷粒子)係藉由用來做為二次電荷偵測器的二次電子偵測器3來予以偵測。自所偵測出的二次電子之訊號中，試料10的二次電子影像係顯示於顯示器17上。同時，端點偵測機構16可根據在運作期間，所偵測出之二次電子的訊號量之變化量來偵測出端點。
使用圖2A-2D、3A-3D及6，對觀察包括接觸孔的軸之剖面的情況做解釋。
圖2A-2D係顯示本發明的一實施例之試料表面圖。在覆蓋表面保護膜4的試料10中，包括由絕緣體所組成的層間膜6，及垂直設置於試料表面的金屬接觸孔7。接觸孔7無法自試料表面觀察出來。若接觸孔7係沿著與試料表面平行的平面來予以切割，則在切割表面的方向上，存在與絕緣體及金屬類似的材料之不同區域。
圖3A-3D顯示位置與累積的二次電子訊號量之間的關聯，其中若與剖面的一側幾乎平行之方向係視為主掃瞄方向，且與主掃瞄方向幾乎垂直的方向係視為次掃瞄方向，則橫座標的軸代表主掃瞄方向上的位置，而縱橫座標的軸表示次掃瞄方向上所累積的二次電子訊號量。其中，二次電子訊號量累積係有關於計算在相對於主掃瞄方向的各自次掃瞄方向位置處所偵測出的二次電子訊號量。儘管依據試料材料的某種情況及聚焦離子束照射來偵測二次電子變化量有難度，但是藉由計算二次電子訊號量可清楚地確認變化。
使用繪示本發明的實施例之圖6中的流程圖，對依據本發明的試料剖面形成方法做解釋。有關於試料表面的二次電子影像係藉由使用設計佈局圖的座標資訊及缺陷檢查設備，使試料台13移動至接觸孔7的位置而得到。然而，因為接觸孔7覆蓋表面保護膜4，所以無法得知所得到的二次電子影像中之接觸孔7的正確位置。使用所得到的二次電子影像，工作區域係藉由估測接觸孔7可工作於剖面中的位置，而建構於試料表面上。
圖2A中的工作區域8a繪示接觸孔7未工作於剖面中的情況。
然後，當以聚焦離子束1掃瞄照射於所建構的工作區域8a來實施蝕刻時，會偵測出蝕刻中所產生的二次電子2，其中與剖面的一側幾乎平行之方向係視為主掃瞄方向，而與主掃瞄方向幾乎垂直的方向係視為次掃瞄方向。
至於此情況中之累積的二次電子訊號量，累積的二次電子訊號量相對於圖3A中的主掃瞄方向為定值。
然後，在圖2B中，工作區域8b係建構成以新的方式，使接觸孔7工作於其剖面中，藉此對此工作區域實施蝕刻。有關於在蝕刻期間所偵測且累積的二次電子訊號量，累積的二次電子數量於圖3B中的某個位置會變化。累積的二次電子訊號量之變化可歸因於在形成圖2B中的工作區域8b時，將聚焦離子束1照射於一部分的接觸孔7。因為藉由照射聚焦離子束1所產生之二次電子的數量會因材料而有所差異，所以將聚焦離子束1照射於接觸孔7會使相對於如圖3B中之聚焦離子束1的主掃瞄方向之接觸孔7存在的位置中之二次電子的數量變化。
再者，如圖2C中，係建構新的工作區域8c，以對此工作區域實施蝕刻。在圖3C中，於二次電子訊號量峰值的頂端處，在蝕刻期間所偵測且累積的二次電子訊號量係顯示為平坦。平坦部分代表接觸孔7上的蝕刻。
再者，在圖2D中，係建構工作區域8d，以對此工作區域實施蝕刻。如在圖3D中，此時所累積的二次電子訊號量之峰值寬度大於圖3C中之所累積的二次電子訊號量之峰值寬度。當此峰值寬度變成最大時，藉由蝕刻所產生之接觸孔的剖面係視為位於接觸孔的直徑內。可判斷出蝕刻已到達接觸孔的中心或周圍。其中，在觀察由於形成所產生的峰值之尺寸的期間，當峰值增加為最小的時候，會判斷出峰值寬度為最大的時間。然後，完成蝕刻。以上方 法可用來形成包括接觸孔7的軸之剖面。最後，使試料台13傾斜，以將聚焦離子束1照射於如此所形成的剖面。藉由將聚焦離子束1掃瞄照射於此剖面，可觀察出此剖面包括接觸孔7的中心軸。
使用圖4A-4C、5A-5C及7，對製備包括接觸孔的軸之薄片試料的情況做解釋。
圖4A-4C為包括接觸孔的試料10之試料表面圖。圖5A-5C為圖4A-4C的A-A剖面圖。試料10的構造為層間膜6、互連線5、及連接互連線5之間的接觸孔7。
使用顯示本發明的此實施例之流程圖來做解釋。使用設計佈局圖的座標資訊及缺陷檢查設備，工作區域係建構於試料表面上。藉由以掃瞄的方式，將聚焦離子束1照射於所建構的工作區域，當形成自離接觸孔很遠的位置開始之剖面時，會朝著接觸孔7實施蝕刻，藉此形成如圖4A及5A中的渠溝9a。在此情況中，當確認正好如在觀看包括接觸孔的軸之剖面的情況中之二次電子訊號量時，會實施蝕刻。當在藉由蝕刻渠溝9a而形成剖面的期間，於相對於此剖面的位置中，未觀察出二次電子訊號變化的部分時，工作區域係以擴展如圖4B及5B中的工作區域之方式來予以建構，以藉由蝕刻來形成渠溝9b。使用確認二次電子訊號的數量時所實施的蝕刻，當觀察出二次電子訊號量的變化位置時，蝕刻係視為已實施到達接觸孔7，因此終止渠溝9的形成。
然後，新的工作區域係建構於與相對於接觸孔7的渠 溝9b相反的位置中，如圖4C及5C中所顯示。對與以上方法類似之所建構的工作區域實施蝕刻，藉此形成渠溝9c。當與渠溝9b的形成類似，確認二次電子的訊號量之變化位置時，假設渠溝9c到達接觸孔7，會結束蝕刻。這樣可製備包括接觸孔7的中心軸之薄片試料。然後，所製備的薄片試料會與試料10分離，以便穿透式電子顯微鏡(TEM)觀察它，且固定於穿透式電子顯微鏡(TEM)觀察試料固持器上，因此被轉移至穿透式電子顯微鏡(TEM)設備。藉由將電子束垂直地照射於穿透式電子顯微鏡(TEM)設備上的薄片試料，可觀察出有關於包括接觸孔7的中心軸之薄片試料的穿透式電子顯微鏡(TEM)影像。
同時，對觀察接觸孔係以固定區間來予以配置之試料的剖面做解釋。圖8A為接觸孔7係以固定區間來予以配置的試料之試料表面圖。為了觀察接觸孔7的剖面，會建構工作區域。渠溝9係藉由掃瞄照射聚焦離子束1來予以形成，其中與剖面的一側幾乎平行之方向係視為主掃瞄方向，而與主掃瞄方向幾乎垂直的方向係視為次掃瞄方向。圖8B顯示此情況中的位置與二次電子的累積訊號量之間的關聯，其中所偵測出的是與接觸孔7的區間匹配之累積的二次電子訊號量之峰值。由於此，其中接觸孔7的區間為已知，所以接觸孔7的位置可藉由檢查累積的二次電子訊號量之峰值區間來予以確認，因此能判斷出結束位置。雖然在此解釋剖面觀察，但是使用以上方法使其可製備包 括接觸孔7的中心之薄片試料。
雖然藉由使用接觸孔做為觀察的物體來做解釋，但是本發明的標的不受限於此。例如，本發明也顯現出剖面地觀察試料中的缺陷，或製備缺陷部分的穿透式電子顯微鏡(TEM)試料之效果。同時，二次電子偵測的例子可使用如二次電荷粒子，二次離子來做解釋。
1‧‧‧聚焦離子束
2‧‧‧二次電子
3‧‧‧二次電子偵測器
4‧‧‧表面保護膜
5‧‧‧互連線
6‧‧‧層間膜
7‧‧‧金屬接觸孔
8a‧‧‧工作區域
8b‧‧‧工作區域
8c‧‧‧工作區域
8d‧‧‧工作區域
9‧‧‧渠溝
9a‧‧‧渠溝
9b‧‧‧渠溝
9c‧‧‧渠溝
10‧‧‧試料
11‧‧‧離子源
12‧‧‧光學系統
13‧‧‧試料台
14‧‧‧機台驅動機構
16‧‧‧端點偵測機構
17‧‧‧顯示器
21‧‧‧矩形開口
22‧‧‧試料
圖1係顯示根據本發明的一實施例之聚焦離子束(FIB)設備的概圖；圖2A-2D係顯示本發明的此實施例之試料表面圖；圖3A-3D係顯示本發明的此實施例之位置與累積的二次電子訊號量之間的關聯；圖4A-4C係顯示本發明的此實施例之試料表面圖；圖5A-5C係圖4A-4C的A-A試料剖面圖；圖6係顯示本發明的此實施例之流程圖；圖7係顯示本發明的此實施例之流程圖；圖8A為試料表面圖，而圖8B係顯示本發明的此實施例之位置與累積的二次電子訊號量之間的關聯；以及圖9係顯示習知技術中的一實施例之聚焦離子束掃描式電子顯微鏡(FIB-SEM)設備。
1‧‧‧聚焦離子束
2‧‧‧二次電子
3‧‧‧二次電子偵測器
10‧‧‧試料
11‧‧‧離子源
12‧‧‧光學系統
13‧‧‧試料台
14‧‧‧機台驅動機構
16‧‧‧端點偵測機構
17‧‧‧顯示器

Claims (6)

  1. 一種試料剖面形成方法，包含有關於與藉由使用聚焦離子束設備的試料表面平行之方向的至少兩種不同材料，使用該聚焦離子束設備的該試料剖面形成方法包含下列步驟：當藉由掃瞄照射聚焦離子束，對試料的想要區域實施蝕刻，以垂直地形成剖面於該試料表面時，偵測藉由照射該聚焦離子束所產生的二次電荷粒子；以及根據該等偵測出的二次電荷粒子來偵測訊號的變化量，且依據該等變化量來終止蝕刻。
  2. 如申請專利範圍第1項之使用聚焦離子束設備的試料剖面形成方法，其中該想要區域係建構成具有與該試料表面中之想要區域的一側幾乎平行之一側，以形成包括該平行一側的剖面之方式實施蝕刻，接著當形成朝向該想要區域且以一方向擴展之工作區域的剖面時，以掃瞄照射該聚焦離子束，對該工作區域實施蝕刻，使得各剖面位置的訊號變化量係根據終止該蝕刻的變化量之此時所產生之二次電荷粒子的訊號來予以偵測。
  3. 如申請專利範圍第1項之使用聚焦離子束設備的試料剖面形成方法，其中藉由以該偵測出的二次電荷粒子訊號偵測訊號變化量來終止該蝕刻之步驟包括：若與該想要區域的一側幾乎平行之方向係視為主掃瞄方向，且與該主掃瞄方向垂直的方向係視為次掃瞄方向，則在各次掃瞄位置，累積有關於該次掃瞄方向之該主掃瞄 方向上的該蝕刻中所偵測出的二次電荷粒子，偵測該累積的訊號量之變化，及根據其變化量來終止該蝕刻。
  4. 一種使用聚焦離子束設備的薄片試料製備方法，包含：藉由使用如申請專利範圍第1項之使用聚焦離子束設備的試料剖面形成方法來形成試料剖面的步驟；以及類似地形成有關於想要的薄片試料區域之與該形成的試料剖面相對之剖面，以形成薄片試料區域的步驟。
  5. 一種聚焦離子束設備，包含：離子產生源，用於產生離子；離子光學系統，用以將離子限制成聚焦離子束，且當掃瞄時，將該聚焦離子束照射於該試料表面；試料桌，用於支撐試料；試料桌控制機構，用於移動該試料桌；二次電荷粒子偵測器，用以偵測藉由照射該聚焦離子束所產生的二次電荷粒子；以及端點偵測機構，用以當對垂直地形成於藉由掃瞄照射該聚焦離子束的該試料表面之剖面繼續實施蝕刻時，自該二次電荷粒子偵測器處所偵測之二次電荷粒子訊號量的變化量中，偵測出端點。
  6. 一種試料表面中的剖面之形成方法，該試料表面中的該剖面係藉由掃瞄照射在與聚焦離子束設備的鏡身之軸平行的方向上之聚焦離子束來予以形成，且當蝕刻剖面時，形成該試料剖面於試料的想要區域中，使用該聚焦離 子束設備的該試料剖面形成方法之特徵在於包括：偵測藉由照射該聚焦離子束所產生的二次電荷粒子之步驟；以及偵測該二次電荷粒子之偵測出的訊號之訊號變化量，且當有訊號量的變化時，依據該變化量來終止該蝕刻之步驟。
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