TWI493167B - 利用聚焦離子束裝置及掃描式電子顯微鏡以產生半導體結構之三維影像的方法 - Google Patents

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Description

利用聚焦離子束裝置及掃描式電子顯微鏡以產生半導體結構之三維影像的方法
本發明係關於用於半導體、資料儲存器、平板顯示器、及同類或其他產業之度量衡設備的領域，本發明尤有關於利用聚焦離子束裝置及掃描式電子顯微鏡以產生三維影像的方法。
自從數十年前首次引進積體電路(IC)裝置，半導體元件之幾何形狀(即，積體電路設計法則)之尺寸已顯著縮減。IC通常遵循『摩爾定律』，意指在單一積體電路晶片上製造的元件數目每兩年便會增加一倍。今日的IC製造設備正量產特徵部尺寸為65奈米(0.065 μm)的元件，而未來工廠將很快地生產具有更小之特徵部尺寸的元件。
持續縮減之特徵部尺寸驅使設備供應商及元件製造業者兩者於製造期間在不同的位置檢驗且精確地量測IC裝置。後段(back-end-of-line)電子測試提供關於IC功能之通過/不通過量規(go/no-go gauge)，但分析工具如光學輪廓儀、原子力顯微鏡、及臨界尺寸掃描式電子顯微鏡(CD-SEM)係用來將IC各部分之表面形狀成像。橫剖面(即破壞性)分析提供故障IC之根本原因分析。有效率的故障鑑定執行通常僅藉由將IC內之各種元件進行橫剖面量測以及利用電子顯微鏡將橫剖面成像。此外，橫剖面分析提供生產線之重要的反饋(feed-back)及前饋(feed-forward)資訊。
通常用來進行橫剖面量測之兩種方法為：將上面有積體電路之晶圓切開及對元件進行離子研磨。離子研磨允許在選取小區域以在元件上進行檢驗方面有更好的控制。離子研磨藉由使原子剝落而從積體電路元件之表面移除材料，從而以層的方式將它們自元件移除。在許多操作後，在接近結構之處產生渠溝，利用SEM可得到元件之『側視圖』。
通常利用聚焦離子束(FIB,focused ion beam)裝置來執行離子研磨。FIB裝置通常搭配SEM一起使用。SEM利用電子聚焦光束將置於高真空腔室中的樣品(sample)加以成像；相對地，FIB使用離子聚焦光束。
不像SEM，FIB裝置由於其高能離子而對樣品具有本質上的破壞性。在受到高能離子撞擊後，原子自樣品濺射(即，物理地移除原子及分子)。濺射效應從而使FIB可用以作為微加工工具。除了導致表面損害，FIB裝置將離子植入表面之頂部幾奈米。佈植通常導致不正確的量測，如以下將討論者。
通常會選擇鎵作為FIB裝置之離子源，因為鎵液態金屬離子源(LMIS,liquid metal ion source)之製造相當容易。在鎵LMIS中，鎵金屬被設置於與鎢針接觸之處。接著加熱此組合。鎵使鎢濕潤並產生大電場(大於每公分108 伏特)。大電場導致電離作用及鎵原子之場發射。
鎵離子通常被加速到5-50 keV(千電子伏特)之能量，且被靜電鏡頭聚焦於樣品上。現代的FIB裝置可供給樣品幾十奈安培(nanoamp)之電流，有助於研磨處理。或者可減少電流導致更微細之研磨程度及光點尺寸之附帶縮減。光點尺寸因而能被控制以產生直徑僅幾奈米之光束。利用例如低電壓氬離子光束可將更薄之層移除。
參考圖1A，一部分之積體電路之橫剖面包含底層101及介電層103。介電層103具有介層窗105A，以將後來形成於介電層103上方之上層(未顯示)與底層101連接。
在圖1B中，連續的離子束研磨層已在暴露的介層窗105B前面打開一深渠溝107A。深渠溝107A將大量的材料研磨掉，僅於介層窗105A前面留下少量的介電層103。由離子束研磨之每一層具有深度『d』，因此深渠溝107A藉由一連串漸寬之離子束切割至介電層103而形成。各切割之深度『d』通常為數十到數百奈米之等級，實際深度係藉由離子束之能量及元件研磨之時間量來控制。
一旦深溝渠107A被聚焦離子束裝置切得夠深，利用FIB裝置之第二回合之操作來移除緊鄰介層窗105A之介電層103之剩餘部份107B之層。在完成介電層103之剩餘部份107B之各切割後，利用掃描式電子顯微鏡光束109以角度α(通常為15°-20°)來察看暴露的介層窗105B。圖1C為由掃描式電子顯微鏡光束109(圖1B)所成像之暴露的介層窗105B之理想橫剖面圖之圖式。
具有共軸掃描式電子顯微鏡(SEM)之聚焦式離子束(FIB)系統在技術中為已知。FIB亦能在一系統中與電子及離子束柱兩者結合，允許利用任一光束來研究相同的特徵部(例如暴露之介層窗105B)。
此外，雙束型系統(包含FIB及掃描式電子顯微鏡(SEM))已被引入，其能利用SEM將樣品成像並利用FIB研磨樣品。某些雙束型儀器利用同步FIB及SEM光束，其中光束在它們之間以大角度入射至表面上。
如上所述，SEM成像通常不顯著地損害工作件表面，不像利用離子束成像。相對於離子，電子在濺射材料方面無效率。在撞擊微粒與基板微粒之間之碰撞期間所轉移的動量數量取決於撞擊微粒之動量以及兩微粒之相對質量。當兩微粒具有相同質量時，最大動量被轉移；當基板微粒與撞擊微粒之質量間不匹配時，撞擊微粒之較少的動量被轉移至基板微粒。用於FIB研磨之鎵離子之質量比電子大128,000倍，因此鎵離子束中的微粒具有足夠的動量來濺射表面分子。一般的SEM電子束中之電子動量並不足以藉由動量轉移而自表面移除分子。
然而，由FIB研磨而導致的固有損害通常亦對於欲被成像之特徵部造成損害，因此通常將特徵部填滿另一材料以作為保護層。通常選擇具有與特徵部材料類似的機械蝕刻特性及類似的散射電子速率之其他材料。例如，介電層如二氧化矽可被填滿鎢(W)或鉑(Pt)塗料。雖然對比材料保護特徵部免於過度的損害，保護層導致稱為『幕』之現象，影響隨後SEM量測之準確度。由高能鎵離子植入非蝕刻之層導致幕現象。
參考圖2，將介電質201中所製造的介層窗203覆塗鎢保護層205，鎢保護層205確保FIB研磨期間介層窗203之結構完整。此外，鎢保護層205確保介層窗203之臨界尺寸(CD)量測及邊緣尋 找所需之對比差。然而，難以察覺介層窗203之整體實際高度h1 及實際寬度w1 。如技藝中所熟知，幕現象起因於與使用鎢(或各種其他材料)有關的研磨處理，因為植入離子部分地遮蔽材料邊緣。介層窗203之實際邊緣變得不清楚，可能會不正確地將介層窗203之高度及寬度之CD量測分別視為h2 及w2 。
因此，先前技術之FIB-SEM成像技術出現由(1)幕效應及(2)在最終之研磨及成像步驟之前於樣品上實施深溝渠之有角度切割所需之過量時間，所引起之許多挑戰。因此，需要有效率且準確的方法來測定半導體積體電路上各種特徵部之三維CD量測。此方法應避免幕效應並提供任何特徵部之真實三維影像。
在一例示性實施例中，揭露一種製造特徵部之橫剖面影像的產生方法。該方法包含研磨靠近該製造特徵部的表面，該被研磨之表面本質上平行於設有特徵部之層。該製造特徵部從本質上與該被研磨之表面垂直之位置被成像，從而產生複數之橫剖面影像之第一者。
在另一例示性實施例中，揭露一種產生一個以上之製造特徵部之影像的方法。該方法包含反覆地產生該一個以上之特徵部之橫剖面，包含：離子研磨靠近該一個以上之製造特徵部的表面，該被研磨之表面本質上平行於設有該特徵部之層，及執行該一個以上之製造特徵部之由上而下之成像，從而產生複數之橫剖面影像。
在另一例示性實施例中，揭露一種產生一個以上之製造特徵部之影像的方法。該方法包含反覆地產生該一個以上之特徵部之橫剖面，包含：離子研磨靠近該一個以上之製造特徵部的表面，該被研磨之表面本質上平行於設有該特徵部之層，及利用一掃描式電子顯微鏡來執行該一個以上之製造特徵部之由上而下之成像，從而產生複數之橫剖面影像。該複數之橫剖面影像之每一者被重建成該製造特徵部的表示圖。
以下所說明之各種實施例揭露一種提供各種特徵部類型之二維及三維影像的方法。實施例利用分層系統(layering system)，藉以使由上而下之圖(而非側視圖)成像於SEM上，因此，不需在特徵部旁邊蝕刻渠溝(據先前技術之要求)。當然，在檢驗之下，複數之階段平行於圍繞特徵部之分層材料而被研磨，在各階段被研磨後，形成特徵部之由上而下之影像。
在此所揭露之實施例顯著地降低準備用於SEM成像之樣品及實際資料收集與成像兩者所需的時間。例如，所揭露之實施例排除先前技術中切開鄰接樣品特徵部之FIB渠溝之需求，其中特徵部乃足夠大以容許SEM光束將特徵部成像。因此，在本發明中，準備以及將特徵部成像之時間從先前技術所需之分下降到秒。再者，假如FIB切割至特徵部下方，能簡易地停止研磨處理且能識別隨後的特徵部，研磨及成像能立即再開始。
熟習技術者在閱讀所揭露之各種實施例後將承認許多優點。例如，多種特徵部(例如，線、孔、卵形等等)能同時成像以進行統計比較，能分析不規則形狀(例如卵形)，當收集切割及由上而下之SEM影像時，能產生製造時間演進以顯示如高縱橫比扭轉現象。再者，能將FIB-SEM成像時間從例如每個位置五分鐘以上降低到每個位置小於一分鐘(取決於研磨速率及特徵部深度)。此外，可輕易分析蝕刻現象如蝕刻停止、條紋、及線邊緣或介層窗邊緣粗糙度。
再者，如以下更詳細之說明，可能需要保護某些材料之所考慮之特徵部免於離子束，以避免過度的表面及離子佈植(I2 )損壞。藉由在任何最接近的開放空間填充金屬(例如，鎢(W)、鈦(Ti)、銅(Cu)等等)或介電質(例如，旋塗式玻璃(SOG))可實現上述之保護，以避免從研磨處理而來的過度損壞。實施在此定義之本發明之實施例，藉由在FIB-SEM分析之前完全地塗佈整個晶圓或基板，而非在FIB-SEM內之每個特徵部位置塗佈(據先前技術之要求)，能超越先前技術方法而再節省時間。
現在參照圖3A，半導體裝置300之一部分的橫剖面圖包含底層301及介電層303。介電層303具有一介層窗305A形成於其中。介層窗305A具有一下部305B，當高縱橫比之介層窗(即，介層窗具有約大於30：1之高度對寬度之比率)形成時，該下部顯示在技術中常碰到且已知的『扭轉(twisting)』。中線參考基準307指出由於在介層窗305A之下部305B中的扭轉而產生的偏向。
在圖3B中，介層窗305A已被填滿保護材料309。保護材料309可包含，例如，鎢(W)、鉑(Pt)、旋塗式玻璃(SOG)、硼磷矽玻璃(BPSG)、或在技術中已知的各種其他材料。基於製造受到檢驗之特徵部材料來選取保護材料309，例如，假如特徵部由軟材料(如銅(Cu))構成，可選取具有類似的蝕刻或研磨特性之保護材料以使研磨速率保持前後一致。
如技術中所習知，FIB裝置柱中的靜電鏡頭可用來在x-y方位(即與下方基板之表面平行的x-y平面，半導體裝置係製造於此基板上)對FIB光束進行光柵掃描(raster scan)。離子束電流可依據期望之研磨階段有多大以及欲被蝕刻之材料成分而變化。圖3B顯示多種橫剖面記號，A-F，其指示由FIB裝置所研磨之階段。然而，由於FIB裝置每次能研磨之階段從數十到數百奈米，熟習技術者將承認小或大量之階段可被用於隨後之揭露內容。
在各階段被研磨後，指示掃描式電子顯微鏡光束311去掃描被研磨且暴露的剖面，由於並不需要有角度之SEM光束，由上而下之CD-SEM亦可輕易地用於此階段，從而增加準確度並以此準確度量測各剖面。
由於僅由上而下之SEM需要被使用，任何從離子研磨而來之穿隧或佈植效應係被減輕。因此，如上所述，先前技術之有害的幕效應(curtaining effect)對邊緣邊界判定的效應將會很少(若有的話)，更確保準確地決定橫剖面特徵部之尺寸。此外，由於所有成像相當平面(即，並不需要三維影像掃描)，假如非導電之特徵部被成像，可施加低加速電壓於SEM從而縮減或排除充電效應。另一個有利好處為任何特徵部之側壁粗糙度將被由上而下之SEM在各階段成像。因此，可蒐集製造期間之特徵部形成的漸進資訊。
參考圖4並繼續參考圖3B，多種橫剖面之SEM影像400對應到圖3B中由於離子研磨而暴露之複數階段中之每一者。如橫剖面之SEM影像400所示，尤其參考剖面D-D到F-F，可輕易識別介層窗305A下部305B中的扭轉。由於介層窗305A之橫剖面影像各被由上而下之SEM光束311成像，不管SEM光束311相對於介層窗305A之方位，扭轉總會出現。因此，不需進行特徵部之對準以將扭轉效應成像。
相對地，先前技術可能完全遺漏任何扭轉效應(取決於角度，由此角度捕捉影像)，例如，假如圖3B之介層窗305A利用傳統的研磨及側成像技術從左側被成像，扭轉效應不會被發現。再者，由於會發生縮減投影(即，介層窗305B之左方側壁輪廓與中線參考基準307結合之交點)，先前技術會不正確地描繪介層窗305A之長度(即使假設無幕效應)。若無額外的研磨無法找到介層窗305A之真實底部。
圖5表示介層窗305A(圖3B)之可能的二維重建。依次序配置橫剖面SEM影像400(圖4)之每一者，以提供介層窗305A之整體橫剖面。由於所有資料可從橫剖面SEM影像400取得，可旋轉二維重建500以從各種角度顯示介層窗305A。此外，可以類似方式建構三維重建550。依據用於分析成像特徵部之計量需求，重建500、550之每一者亦可被實體模型化。用來將上述影像結合、旋轉、及實體模型化以形成重建500、550之軟體在技術中為已知。
本發明已參考特定之實施例而說明如上。然而，熟習技術者應明白可在不離開本發明之精神及範疇下，如隨附之申請專利範圍所述，進行各種修改及變更。
例如，特定的實施例描述所使用之一些材料類型及層，熟習技術者將承認這些材料及層為可變通的，且顯示於此僅供例示性目的以闡明三維成像方法之新穎性。此外，熟習技術者將更承認在此說明之技術及方法可適用於任何種類之結構，對半導體介層 窗特徵部之應用僅作為一範例，說明本發明之各種實施例以協助通常技術者。
再者，熟習技術者檢閱在此所揭露之資訊後將承認可使用其他類型之研磨裝置(除了離子研磨)。例如，可藉由雷射剝離(laser ablation)裝置以梯級之方式來移除材料。
此外，一些分析工具(除了SEM)可用來將特徵部成像。例如，假如特徵部未填滿保護材料，一些裝置如光學輪廓儀或原子力顯微鏡或其他機械輪廓描繪裝置(profiling device)，能用來將特徵部成像。即使特徵部被填滿，可使用散射技術如拉曼光譜分析(Raman spectroscopy)或角度解析光散射(angle-resolved light scattering)以連續層次或切割之方式來將特徵部成像。
此外，說明中之半導體應推論為包含資料儲存器、平板顯示器、及同類或其他產業。這些及各種其他實施例皆在本發明之範疇內，因此說明書及圖式應被視為舉例性而非限制性者。
101‧‧‧底層
103‧‧‧介電層
105A‧‧‧介層窗
105B‧‧‧介層窗
107A‧‧‧深渠溝
107B‧‧‧剩餘部份
109‧‧‧掃描式電子顯微鏡光束
201‧‧‧介電質
203‧‧‧介層窗
205‧‧‧鎢保護層
300‧‧‧半導體裝置
301‧‧‧底層
303‧‧‧介電層
305A‧‧‧介層窗
305B‧‧‧下部
307‧‧‧中線參考基準
309‧‧‧保護材料
311‧‧‧掃描式電子顯微鏡光束
400‧‧‧掃描式電子顯微鏡影像
500‧‧‧二維重建
550‧‧‧三維重建
隨附之圖式僅用以闡明本發明之例示性實施例而並非用以限制其範疇。
圖1A為先前技術之介層窗的橫剖面圖。
圖1B為藉由聚焦離子束產生之連續切割而形成於圖1A之介層窗旁邊並使圖1A之介層窗露出之渠溝的橫剖面圖。
圖1C為由有角度之掃描式電子顯微鏡光束所成像之圖1B之暴露介層窗的理想圖。
圖2為表示在臨界尺寸量測上之先前技術幕效應之介層窗的橫剖面圖。
圖3A為顯示扭轉之介層窗的橫剖面圖。
圖3B為填滿保護材料之圖3A之介層窗，顯示各種FIB蝕刻階段。
圖4顯示圖3B之各FIB蝕刻階段後所取得之影像的複數橫剖面區域。
圖5顯示結合圖4之複數橫剖面區域以將圖3A之介層窗重建成二維及三維圖式。
301．．．底層
305A．．．介層窗
305B．．．下部
307．．．中線參考基準
309．．．保護材料
311．．．掃描式電子顯微鏡光束

Claims (20)

  1. 一種製造特徵部之複數橫剖面影像的產生方法，該方法包含：研磨步驟，在複數研磨迭代操作每一者期間，研磨一積體電路的一層，其中該層包含該製造特徵部，該複數研磨迭代操作每一者包含研磨靠近該製造特徵部之該層的一當前表面，以移除該層的一部分且暴露該層的次個表面，且對於該複數研磨迭代操作每一者，該當前表面係在與該當前表面垂直的方向上加以研磨，且該移除該層的該部分的步驟降低該層的厚度；及成像步驟，在該複數研磨迭代操作每一者之後，將該次個表面和該製造特徵部從本質上垂直於該次個表面的位置加以成像，以提供該複數之橫剖面影像之對應的一者，其中對於該複數研磨迭代操作每一者且在對應的成像步驟之後，該次個表面成為當前表面。
  2. 如申請專利範圍第1項之製造特徵部之複數橫剖面影像的產生方法，更包含：基於該等橫剖面影像，執行重建以提供該製造特徵部之表示圖；及基於該重建，偵測在該製造特徵部的一部分之中的扭轉。
  3. 如申請專利範圍第2項之製造特徵部之複數橫剖面影像的產生方法，其中該製造特徵部之表示圖係一二維表示圖。
  4. 如申請專利範圍第2項之製造特徵部之複數橫剖面影像的產生方法，其中該製造特徵部之表示圖係一三維表示圖。
  5. 如申請專利範圍第1項之製造特徵部之複數橫剖面影像的產生方法，其中該層的迭代研磨係由一聚焦離子束裝置所執行。
  6. 如申請專利範圍第1項之製造特徵部之複數橫剖面影像的產生方法，其中該層的迭代研磨係由一雷射剝離(laser ablation)裝置所執行。
  7. 如申請專利範圍第1項之製造特徵部之複數橫剖面影像的產生方法，其中該複數研磨迭代操作每一者之後所執行的成像係由一掃描式電子顯微鏡所執行。
  8. 如申請專利範圍第7項之製造特徵部之複數橫剖面影像的產生方法，其中該掃描式電子顯微鏡為一臨界尺寸之由上而下的掃描式電子顯微鏡。
  9. 如申請專利範圍第1項之製造特徵部之複數橫剖面影像的產生方法，其中該複數研磨迭代操作每一者之後所執行的成像係由一光散射裝置所執行。
  10. 如申請專利範圍第1項之製造特徵部之複數橫剖面影像的產生方法，其中該複數研磨迭代操作每一者之後所執行的成像係由一輪廓描繪裝置所執行。
  11. 如申請專利範圍第1項之製造特徵部之複數橫剖面影像的產生方法，更包含藉由以相異於該層之材料的一材料填滿該特徵部之任何開口部來保護該製造特徵部。
  12. 一種產生複數製造特徵部之複數橫剖面影像的方法，該方法包含：產生該複數製造特徵部的複數橫剖面，包含在複數研磨迭代操 作每一者期間，研磨一積體電路的一層，其中該層包含該複數製造特徵部，該複數研磨迭代操作每一者包含離子研磨步驟，離子研磨靠近該複數製造特徵部之該層的一當前表面，以移除該層的一部分且暴露該複數製造特徵部的該複數橫剖面其中一者及該層的次個表面，且對於該複數研磨迭代操作每一者，該當前表面係在與該當前表面垂直的方向上加以研磨，且該移除該層的該部分的步驟降低該層的厚度；及成像步驟，在該複數研磨迭代操作每一者之後，將該次個表面和該複數製造特徵部從垂直於該次個表面的位置加以成像，以提供該複數橫剖面影像之對應的一者，其中對於該複數研磨迭代操作每一者且在對應的成像步驟之後，該次個表面成為當前表面。
  13. 如申請專利範圍第12項之產生複數製造特徵部之複數橫剖面影像的方法，更包含執行重建以提供該複數製造特徵部之表示圖。
  14. 如申請專利範圍第12項之產生複數製造特徵部之複數橫剖面影像的方法，其中該複數研磨迭代操作每一者之後所執行的成像係由一掃描式電子顯微鏡所執行。
  15. 如申請專利範圍第14項之產生複數製造特徵部之複數橫剖面影像的方法，其中該掃描式電子顯微鏡為一臨界尺寸之掃描式電子顯微鏡。
  16. 如申請專利範圍第12項之產生複數製造特徵部之複數橫剖面影像的方法，其中該複數研磨迭代操作每一者之後所執行的成像係由一光散射裝置所執行。
  17. 如申請專利範圍第12項之產生複數製造特徵部之複數橫剖面影像的方法，其中該複數研磨迭代操作每一者之後所執行的成像係由一輪廓描繪裝置所執行。
  18. 如申請專利範圍第12項之產生複數製造特徵部之複數橫剖面影像的方法，更包含藉由以相異於該層之材料的一材料填滿該複數製造特徵部之任何開口部來保護該複數製造特徵部。
  19. 如申請專利範圍第13項之產生複數製造特徵部之複數橫剖面影像的方法，其中該複數製造特徵部之表示圖係一三維表示圖。
  20. 如申請專利範圍第19項之產生複數製造特徵部之複數橫剖面影像的方法，其中該三維表示圖可旋轉。
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