TWI707143B - 度量工具及其使用方法以及帶電粒子偵測系統 - Google Patents

度量工具及其使用方法以及帶電粒子偵測系統 Download PDF

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Abstract

本揭露提供一種度量工具、帶電粒子偵測系統及用於偵測半導體度量工具中的電離原子的方法。度量工具包括粒子產生系統、局部電極、粒子捕捉裝置、位置偵測器與處理器。粒子產生系統配置以從樣品中移除粒子。局部電極配置以產生吸引電場，並將被移除的粒子引向局部電極的孔徑。粒子捕捉裝置配置以在樣品與局部電極之間的區域周圍產生排斥電場，並將被移除的粒子排斥到孔徑。位置偵測器配置以確定被移除的粒子的二維位置座標與被移除的粒子的飛行時間。處理器配置以基於飛行時間來辨識被移除的粒子。

Description

度量工具及其使用方法以及帶電粒子偵測 系統
本揭露是一種關於度量工具、帶電粒子偵測系統及用於偵測半導體度量工具中的電離原子的方法。
隨著半導體技術的進步，對於較高的存儲容量、較快的處理系統、較高的性能與較低的成本之需求不斷增加。為了滿足這些要求，半導體工業繼續縮小半導體元件的尺寸及其製造公差。這種縮小半導體元件的方式增加了對用於半導體元件製造製程的高精度、靈敏度與精確的度量工具的需求。
在一些實施方式中，一種度量工具包括粒子產生系統、局部電極、粒子捕捉裝置、位置偵測器與處理器。粒子產生系統配置以從樣品中移除粒子。局部電極配置以產生吸引電場，並將被移除的粒子引向局部電極的孔徑。粒子捕捉裝置配置以在樣品與局部電極之間的區域周圍產生排斥電場，並將 被移除的粒子排斥到孔徑。位置偵測器配置以確定被移除的粒子的二維座標位置與被移除的粒子的飛行時間。處理器配置以基於飛行時間來便是被移除的粒子。
在一些實施方式中，一種帶電粒子偵測系統，包括局部電極、加速系統、導向系統與位置偵測器。局部電極配置以產生吸引電場並將帶電粒子從樣品引向局部電極的孔徑。加速系統包含第一類型加速器與第二類型加速器，第一類型加速器與第二類型加速器相異。第一類型加速器配置以將離開局部電極的帶電粒子的第一速度加速至第二速度，第二速度高於第一速度。第二類型加速器配置以將離開第一加速器的帶電粒子的第二速度加速至第三速度，第三速度高於第二速度。導向系統配置以產生導向場並改變離開第二類型加速器的帶電粒子的飛行路徑方向。位置偵測器配置以偵測被移除的帶電粒子的二維位置座標與帶電粒子的飛行時間。
在一些實施方式中，一種用於偵測半導體度量工具的電離原子的方法，包括以下步驟。從樣品中產生複數電離原子。產生吸引電場，以將電離原子導向局部電極的孔徑。產生排斥電場，以將電離原子導向孔徑，防止電離原子漂移。偵測電離原子的二維位置座標與電離原子的飛行時間。
100:半導體度量工具
102:樣品
102t:頂部
103A、103B、103C:飛行路徑
104:分析腔室
106:樣品支架
108:帶電粒子產生系統
110:帶電粒子偵測系統
112:帶電粒子收集系統
114:局部電極
114b:基座
114t:底部
115:包圍區域
116:帶電粒子捕捉裝置
116b:基座
116s:側壁
118:帶電粒子加速系統
118A:第一加速器
118B:第二加速器
118C:第三加速器
120:帶電粒子飛行導向系統
120A、120B、120C:導向元件
122:帶電粒子位置偵測器
124:處理系統
216s:側壁
316s:側壁
616s1、616s2、616s3、616s4:區段
716s1、716s2、716s3、716s4:區段
800:方法
805、810、815、820、825、830、835:步驟
D1、D2:距離
B、C:角度
A-A:線
當結合圖式進行閱讀時得以自以下詳細描述最佳地理解本揭露之態樣。應注意，根據工業上之標準實務，各種 特徵並未按比例繪製。實際上，為了論述清楚可任意地增大或減小各種特徵之尺寸。
第1圖繪示根據一些實施方式的用於半導體元件製造製程的度量工具的剖面圖。
第2圖與第3圖繪示根據一些實施方式的具有度量工具的帶電粒子捕捉裝置的不同配置的帶電粒子收集系統的剖面圖。
第4圖至第7圖繪示根據一些實施方式的度量工具的帶電粒子捕捉裝置的不同剖面圖。
第8圖是根據一些實施方式的用於操作半導體度量工具的方法的流程圖。
現在將參考圖式以說明實施方式。在圖式中，相同的圖式標記通常表示相同的、功能相似的及/或結構相似的元件。
以下揭示內容提供用於實施所提供標的物之不同特徵的許多不同實施例或實例。以下描述部件及佈置之特定實例以簡化本揭露。當然，此等僅為實例且並不意欲為限定性的。舉例而言，在如下描述中第一特徵在第二特徵之上或在第二特徵上的形成可包括其中第一及第二特徵直接接觸形成之實施例，且亦可包括其中額外特徵可在第一及第二特徵之間形成而使得第一及第二特徵可不直接接觸的實施例。另外，本揭露可在各種實例中重複元件符號及/或字母。此重複是出於簡 化及清楚目的，且其本身並不指示所論述之各種實施例及/或配置之間的關係。
另外，為了描述簡單起見，可在本文中使用諸如「在......之下」、「在......下方」、「下方」、「在......上方」、「上方」以及其類似術語的空間相對術語，以描述如諸圖中所說明之一個元件或特徵相對於另一(其他)元件或特徵的關係。除了諸圖中所描繪之定向以外，所述空間相對術語意欲亦涵蓋在使用中或操作中部件的不同定向。裝置可以其他方式定向(旋轉90度或在其他定向上)，且本文中所使用之空間相對描述詞可同樣相應地作出解釋。
應注意到在說明書中對「一實施方式」、「實施方式」，「示例實施例方式」、「示例性」等的引用指示所描述的實施方式可包括特定特徵、結構或特性，但是每個實施方式可以不必包括特定的特徵、結構或特徵。再者，這些術語不一定指的是同一實施方式。此外，當結合實施方式描述特定特徵、結構或特性時，無論是否明確描述結合其他實施方式來實現這樣的特徵、結構或特性，此應在本領域的技術人員的知識範圍內。
應了解到本揭露中的措辭或術語是出於描述而非用以限制其目的，使得本說明書的術語或措辭是由相關領域的技術人員根據其教示來加以解釋。
在一些實施方式中，術語「約」與「實質上」可以指示在該值的5%內變化的給定量的值(例如，±1%、±2%、±3%、±4%與±5%的值)。
在半導體元件製造中，不同的度量過程(例如，臨界尺寸掃描電子顯微鏡、質譜、原子力顯微鏡、穿透式電子顯微鏡或原子探針顯微鏡)被集成於製程的流程中的不同點，以確保能實現製造半導體元件所需的品質。舉例來說，在鰭式場效應晶體體(fin field effect transistor；finFET)的製造製程中，可以在形成鰭區域及/或摻雜的磊晶源極/極區域之後執行度量製程，以分析所製造的鰭與源極/汲極區域的品質與化學成分。其中一種用於此裝置品質與化學成分分析的度量工具可以是原子探針顯微鏡(atom probe microscope)。
原子探針顯微鏡可以分析欲知的元件區域的樣品，並提供具有原子尺度(例如，亞奈米級)的樣品的元素映射(mapping)的三維圖像。樣品的分析包括通過以下的方式來分別分析樣品的原子。第一，以帶電粒子(例如，電離原子)的形式一次一個地從樣品中移除原子。第二，辨識被移除的原子。第三，偵測被移除的原子的二維位置座標(例如，X-Y座標)。第四，及時追蹤被移除的原子的偵測序列。基於二維位置座標與被移除的原子的偵測順序，可以確定被移除的原子的三維位置，並且可以產生具有分析樣品的元素映射的三維圖像。
原子探針顯微鏡可包括帶電粒子產生系統、局部電極、帶電粒子位置偵測器與處理器。帶電粒子產生系統用於從樣品中移除原子。局部電極用於收集被移除的原子。帶電粒子位置偵測器用於偵測被移除的原子的二維位置座標。處理器用於基於其質量值及/或從其飛行時間(time-of-flight或 flight time)測量計算的質荷比(m/z)來辨識被移除的原子。每個被移除的原子的飛行時間測量可以指在原子的移除時間與位置偵測器的偵測時間之間測量的時間間隔。每個被移除的原子的飛行時間可以通過以下等式與其質量值相關聯：m=(2E/L2)t2....(1)，其中m是被移除的原子的質量值，t是被移除的原子的飛行時間，L是被移除的原子在帶電粒子產生系統與帶電粒子位置偵測器之間行進的飛行路徑長度，E是被移除的原子在從樣品中移除時的動能。因此，對於給定的動能(E)和飛行路徑長度(L)，被移除的原子的質量(m)值或m/z比可以與其飛行時間(t)的平方成比例。
原子探針顯微鏡的挑戰之一是防止被移除的原子在從帶電粒子產生系統飛行到帶電粒子位置偵測器期間的損失。被移除的原子的損失會對原子探針顯微鏡的偵測效率產生負面的影響。另一個挑戰是準確地辨識被移除的原子，其飛行時間彼此接近。被移除的原子的飛行時間(例如，小於1ms、1μs或1ns)之間的微小差異，使得精確地分辨由飛行時間計算的接近質量值，以準確的元素辨識被移除的原子是具有挑戰性的。不良的質量分辨率(mass resolution)可能會對原子探針顯微鏡的三維元素映射的精確度產生負面的影響。
本揭露提供用於半導體度量工具(例如，原子探針顯微鏡)的示例的帶電粒子偵測系統，以提高其偵測效率與質量分辨率，以分析樣品(例如，欲知的元件區域)。在一些實施方式中，帶電粒子偵測系統可包括帶電粒子捕捉裝置，其配置以在樣品與帶電粒子偵測系統的局部電極之間的區域周 圍提供電場籠(field cage)。電場籠可以配置以防止從樣品產生的帶電粒子從其飛行路徑漂移到局部電極。如此一來，帶電粒子捕捉裝置可配置以在朝向局部電極的飛行期間防止及/或減少帶電粒子的損失。在一些實施方式中，還可以通過加寬局部電極的帶電粒子收集區域來防止及/或減少朝向局部電極行進的帶電粒子的損失。相較於沒有帶電粒子捕捉裝置與加寬局部電極的半導體度量工具相比，這種帶電粒子損失的防止及/或減少可以將半導體度量工具的偵測效率提高約60%至約90%(例如，約60%、約65%、約70%、約75%、約80%、約85%，或約90%)。
在一些實施方式中，帶電粒子偵測系統可進一步包括帶電粒子加速系統。帶電粒子加速系統配置以增強離開局部電極並朝向帶電粒子位置偵測器行進的帶電粒子的動能。如果帶電粒子沒有足夠的能量可到達帶電粒子位置偵測器，則動能的增強可以防止及/或減少帶電粒子的損失。相較於沒有帶電粒子加速系統的半導體度量工具相比，這種帶電粒子損失的防止及/或減少可以將半導體度量工具的偵測效率提高約50%至約60%(例如，約50%、約55%，或約60%)。
在一些實施方式中，帶電粒子偵測系統還可包括帶電粒子飛行導向系統。帶電粒子飛行導向系統配置以改變離開帶電粒子加速系統的帶電粒子的飛行方向。改變的飛行方向可以與離開局部電極的帶電粒子的飛行方向相反並且實質上平行。通過改變飛行方向，帶電粒子飛行導向系統可以增加帶電粒子的飛行路徑長度。利用增加的飛行路徑長度，可以增加 飛行時間與帶電粒子的計算質量值之間的差異，進而提高質量分辨率，以克服上述討論的準確辨識具有接近飛行時間的帶電粒子的挑戰。在一些實施方式中，相較於沒有帶電粒子飛行導向系統的半導體度量工具相比，質量分辨率可以提高約15%至約30%(例如，約15%、約20%、約25%，或約30%)。
儘管本揭露以原子探針顯微鏡為參考來討論，但是在不脫離本揭露的精神與範圍的情況下，帶電粒子偵測系統的實施方式可以應用於其他基於質譜的半導體度量工具。
第1圖繪示根據一些實施方式的半導體度量工具100的剖面圖，半導體度量工具100配置以分析樣品102(例如，欲知的元件區域)，並輸出具有原子的樣品102的元素映射(mapping)的三維圖像，根據一些實施方式中，此三維圖像的比例為一原子比例(atomic scale)，例如是亞納米級(sub-nanometer scale)。在一些實施方式中，半導體度量工具100可以是原子探針顯微鏡。半導體度量工具100可包括分析腔室104、樣品支架106、帶電粒子產生系統108、帶電粒子偵測系統110與處理系統124。
分析腔室104可以在結構上由腔室壁所定義，腔室壁包括導電材料，例如銅(Cu)、鋁(Al)、銀(Ag)、金(Au)、鎳(Ni)、鎢(W)、鉬(Mo)、鉑(Pt)、黃銅或不銹鋼。在一些實施方式中，分析腔室104可以保持在接地電位。在一些實施方式中，分析腔室104可包括耦合到真空系統(未繪示)的氣體入口與出口端口(未繪示)，真空系統係配置以在分析腔室104分析樣品102的期間維持超高真空(ultra-high vacuum)，介於 從約10托(torr)至約15托之間。分析腔室104內的超高真空可以限制及/或防止從樣品102產生的帶電粒子(例如，電離原子)在其飛行通過帶電粒子偵測系統110的期間與任何不需要的粒子(例如，污染物)的相互作用。由於與分析腔室104內的不需要的粒子的相互作用所引起的帶電粒子的飛行路徑的偏差，可以防止帶電粒子被偵測，進而導致半導體度量工具100的偵測效率變差。
樣品支架106可以配置以在分析腔室104內的分析期間支撐樣品102。在一些實施方式中，樣品支架106可以包括導電材料，例如銅(Cu)、鋁(Al)、銀(Ag)、金(Au)、鎳(Ni)、鎢(W)、鉬(Mo)、鉑(Pt)、黃銅、不銹鋼，或其組合。在安裝於樣品支架106上之前，樣品102可以製備成具有針狀的幾何形狀。針狀的幾何形狀可以具有介於從約100nm至約150nm之間的尖端半徑，以及沿著X軸的介於從約2μm至約10μm之間的尺寸。樣品支架106可以定位樣品102，使得樣品102的尖銳尖端面向帶電粒子偵測系統110。對於樣品102分析製程，通過耦合到樣品支架106的電壓供應系統(未繪示)，樣品102可以在約1kV至約15kV(例如，約1kV、約3kV、約5kV、約10kV，或約15kV)的高DC電壓下帶正電與偏壓。此外，在樣品102分析製程期間，樣品102可以通過與樣品支架106耦接的冷卻系統(未繪示)，將溫度保持在約20K至約100K(例如，約20K、約40K、約60K、約80K，或約100K)。
帶電粒子產生系統108可配置以間歇地將正高電壓脈衝(也稱為高壓脈衝)及/或雷射脈衝施加到樣品102。電 脈衝或雷射脈衝的重複率可以是數百個千赫茲(kilo hertz；kHz)的範圍，以及高電壓可介於從約1kV至約20kV之間(例如，約1kV、約5kV、約10kV，或約20kV)。施加高壓脈衝及/或雷射脈衝可以在樣品102分析製程中從樣品102中以帶電粒子(例如，電離原子)的形式個別地移除原子。高壓及/或激光的每個脈衝可以配置以誘導從樣品102中移除個別的原子。每個脈衝的時間可以被視為是由於原子從樣品102分離而形成的每個相應帶電粒子的產生時間。通過由高壓脈衝及/或來自雷射脈衝的熱於樣品102的尖端的周圍產生的高電場(例如，介於從約10V/nm至約50V/nm之間)所提供的能量來誘導原子的分離。能量可以大於個別原子的電離能。
帶電粒子偵測系統110可以配置以在樣品102分析製程期間收集、加速、辨識與空間分辨所產生的帶電粒子。在一些實施方式中，帶電粒子偵測系統110可包括帶電粒子收集系統112、帶電粒子加速系統118、帶電粒子飛行導向系統120與帶電粒子位置偵測器122。
帶電粒子收集系統112可包括局部電極114與帶電粒子捕捉裝置116。局部電極114可定位在樣品102與帶電粒子加速系統118之間，並且可配置以收集產生的帶電粒子。對於帶電粒子的收集過程，局部電極114可以被偏壓在接地電位或低於樣品102的DC偏壓的電壓，以在樣品102與局部電極114之間產生吸引的電場。前述的電場可以通過局部電極114的基座114b處的孔徑(未繪示)，將產生的帶電粒子吸引與引導到局部電極114。孔徑可以約10倍至約200倍(例如，約10 倍、約50倍、約100倍，或約200倍)的大於樣品102的基座的半徑或寬度，以有效地收集所產生的帶電粒子。
相較於樣品102，這種寬孔徑可以防止及/或減少具有寬軌跡角度的樣品102產生的帶電粒子的損失。當所產生的帶電粒子的飛行路徑(例如，第1圖中的飛行路徑103B與103C)產生的角度(例如，第1圖中的角度B與C)相對於垂直於局部電極114的基座114b之帶電粒子的飛行路徑(例如，飛行路徑103A)等於或大於約10度(例如，約15度、約20度、約25度、約30度、約45度、約60度，或約75度)時，軌跡的角度可以被認為是寬的。相較於沒有局部電極114的加寬孔徑的半導體度量工具100，防止及/或減少帶電粒子的損失可以將半導體度量工具100的偵測效率提高約60%至約90%(例如，約60%、約65%、約70%、約75%、約80%、約85%，或約90%)。
通過在樣品102的尖端與局部電極114的基座114b之間保持沿X軸的水平距離介於從約0.5mm至約5mm之間(例如，約0.5mm、約1mm、約3mm，或約5mm)，可以在分析製程期間進一步提高帶電粒子收集的效率。隨著樣品102的尖端在帶電粒子產生過程中連續地偏移局部電極114，局部電極114的位置可以持續地調整，以保持在樣品102尖端與基座114b之間的水平距離。在約0.5mm至約5mm範圍之外的水平距離會對帶電粒子收集效率產生負面的影響。
樣品102與局部電極114之間的吸引電場的存在還可以改善帶電粒子產生效率。除了由帶電粒子產生系統108提供的能量之外，電場還可以為從樣品102中移除原子提供能 量。如此一來，高電壓脈衝的電壓幅度及/或帶電粒子產生系統108的雷射脈衝的能量可以被減少。較低幅度的電壓脈衝及/或雷射脈衝可以允許更快的脈衝，並因此更快地產生帶電粒子，這可以導致樣品102分析製程的更快的數據採集。
帶電粒子捕捉裝置116還可以防止及/或減少從樣品102產生的帶電粒子的損失，進而與沒有帶電粒子捕捉裝置116的半導體度量工具100相比，可改善產生的粒子收集與偵測效率。在一些實施方式中，如第1圖所示，帶電粒子捕捉裝置116可以定位在樣品102與局部電極114之間，使得其包圍樣品102的頂部102t、局部電極114的底部114t，以及樣品102與局部電極114之間的區域，以形成包圍區域115。頂部102t可具有沿X軸的尺寸，介於從約100nm至約200nm之間(例如，約100nm、約150nm，或約200nm)。底部114t可具有沿X軸的尺寸，介於從約10nm至約1mm之間(例如，約10nm、約100nm、約500nm、約700nm、約1μm、約500μm，或約1毫米)。在一些實施方式中，帶電粒子捕捉裝置116可以安裝在分析腔室104內，使得其側壁116s與基座116b不物理接觸於樣品102。在一些實施方式中，如第1圖所示，側壁116s的頂部可以直接或間接地耦合(未繪示)於局部電極114，或是可與局部電極114分開。
帶電粒子捕捉裝置116可以被正偏壓，其電壓介於從約1V至約1kV之間(例如，約1V、約50V、約100kV、約250kV、約500kV，或約1kV)，以在包圍區域115的周圍產生排斥電場籠。排斥電場籠可以排斥具有軌跡角度(例如， 第1圖中的角度B與C)等於或大於約30度(例如，約35度、約45度、約60度、約75度、約90度、約120度，或約145度)產生的帶電粒子，朝向局部電極114的飛行路徑103A至103C與孔徑。排斥電場籠也可以排斥由飄移遠離飛行路徑103A至103C所產生的帶電粒子。如此一來，帶電粒子捕捉裝置116可以防止及/或減少帶電粒子在向局部電極114飛行期間的損失。相較於沒有帶電粒子捕捉裝置116的半導體度量工具100相比，防止及/或減少帶電粒子的損失可以提高半導體度量工具100的偵測效率從約60%與約90%(例如，約60%、約65%、約70%、約75%、約80%、約85%，或約90%)。
在一些實施方式中，帶電粒子捕捉裝置116可包括導電材料，例如銅(Cu)、鋁(Al)、銀(Ag)、金(Au)、鎳(Ni)、鎢(W)、鉬(Mo)、鉑(Pt)、黃銅、不銹鋼，或其組合。在一些實施方式中，帶電粒子捕捉裝置116的側壁116s及/或基座116b可具有固體材料、網狀材料，或其組合。在一些實施方式中，如第2圖所示，不同於第1圖的直線的側壁116s，帶電粒子捕捉裝置116可以具有傾斜的側壁216s。第2圖的帶電粒子捕捉裝置116的這種結構配置相較於第1圖的帶電粒子捕捉裝置116相比，可以產生更靠近樣品102的排斥電場籠，以更快地將帶電粒子排斥到局部電極114上。如果帶電粒子捕捉裝置116具有如第3圖所示的漏斗狀(funnel-shaped)結構，則可以產生更靠近樣品102的排斥電場籠。
參閱第1圖，在一些實施方式中，帶電粒子捕捉裝置116的側壁116s可以是圍繞包圍區域115的連續結構。在 這樣的實施方式中，沿著第1圖的線A-A，帶電粒子捕捉裝置116可以分別具有如第4圖與第5圖所示的閉合的圓形或矩形剖面。儘管如第4圖與第5圖所示的是閉合的圓形與矩形剖面，帶電粒子捕捉裝置116也可以是具有任何幾何形狀的剖面，例如沿第1圖中的線A-A的三角形、橢圓形、梯形，或多邊形。
參閱第1圖，在一些實施方式中，帶電粒子捕捉裝置116的側壁116s可包括圍繞包圍區域115的多個側壁區段，例如第6圖的區段616s1、616s2、616s3與616s4，或是第7圖的區段716s1、716s2、716s3與716s4。具有多個側壁區段的側壁116s可基於樣品102及/或局部電極114的尺寸，而有助於調節包圍區域115的體積。在這樣的實施方式中，沿著第1圖的線A-A，帶電粒子捕捉裝置116可以具有如第6圖與第7圖所示的分段的圓形或矩形剖面。如第6圖所示，側壁116s可以具有圍繞包圍區域115以圓形方式佈置的多個區段616s1至616s4，或是如第7圖所示，可以具有圍繞包圍區域115以矩形方式佈置的多個區段716s1至716s4。
如第6圖與第7圖分別所示，多個區段616s1至616s4或區段716s1至716s4中的每一個區段可以與其相鄰的區段分離，或是可以分別與相鄰的區段(未繪示)物理接觸。儘管在多個區段616s1至616s4與區段716s1至716s4中的每一個中繪示四個區段，但是側壁116s可以具有兩個或更多個的區段。儘管如第6圖與第7圖所示的多個區段616s1至616s4與區段716s1至716s4，它們是以相應的圓形與矩形方式排列，但它們亦可以以任何幾何形狀排列，例如橢圓形、三角形、梯形或多 邊形。上述參閱第4圖至第7圖的側壁116s的討論，可適用於側壁216s與側壁316s(如第2圖與第3圖所示)。
參閱第1圖，帶電粒子偵測系統110可額外或選擇性地具有帶電粒子加速系統118，以用低能量(例如，小於約500eV、約200eV、約100eV、約50eV、約30eV，或約10eV)，防止及/或減少離開局部電極114的帶電粒子的損失。相較於沒有帶電粒子加速系統118的半導體度量工具100相比，這種帶電粒子損失的預防及/或減少可以將半導體度量工具100的偵測效率提高約50%至約60%(例如，約50%、約55%，或約60%)。
帶電粒子加速系統118可配置以從局部電極114接收帶電粒子並加速接收的帶電粒子。在一些實施方式中，帶電粒子加速系統118可包括第一加速器118A、第二加速器118B與第三加速器118C。第一加速器118A可以被配置以從局部電極114接收帶電粒子，並且將帶電粒子從第一速度加速到第二速度，第二速度高於第一速度。第二加速器118B可配置以從第一加速器118A接收帶電粒子，並且將帶電粒子從第二速度加速到第三速度，第三速度高於第二速度。第三加速器118C可配置以從第二加速器118B接收帶電粒子，並且將帶電粒子從第三速度加速到第四速度，第四速度高於第三速度。
在一些實施方式中，第一加速器118A可以是線性加速器(linear accelerator)，在射入具有高於第一能量的第二能量的第二加速器118B之前，配置以提供介於從約1kV至約5000kV之間的DC電壓，以提供初始低能量至由局部電極114 接收的具有第一能量的帶電粒子。線性加速器可以具有加速管，並具有介於從約10至約1000之間(例如，約10、約100、約500，或約1000)的縱橫比(aspect ratio)，其中縱橫比可以是管的長度與管的直徑的比值。
在一些實施方式中，第二加速器118B可以是循環加速器(cyclic accelerator)，例如是迴旋加速器(cyclotron)，其配置以提供頻率介於從約1MHz至約500MHz之間的AC電壓(例如，約1MHz、約50MHz、約100MHz、約300MHz，或約500MHz)，以進一步增加從第一加速器118A接收的帶電粒子的能量。在射入具有高於第二能量的第三能量的第三加速器118C之前，通過使帶電粒子穿越循環加速器的磁場，以增加能量。循環加速器可以具有加速管，並具有介於從90mm至約1m(例如，約90mm、約50cm、約75cm，或約1m)沿X軸的尺寸。
在一些實施方式中，第三加速器118C可以是同步加速器(synchrotron)，並在導向至具有高於第三能量的第四能量的帶電粒子飛行導向系統120之前，配置以提供具有介於從約1MHz到約500MHz(例如，約1MHz、約50MHz、約100MHz、約300MHz，或約500MHz)的頻率的AC電壓，以進一步增加從第二加速器118B接收的帶電粒子的能量。在一些實施方式中，第四能量可以比第一能量高於約5%至約50%(例如，約5%、約10%、約30%，或約50%)。同步加速器可以具有加速管，並具有介於約1cm至約1m之間(例如，約1cm、約10cm、約50cm、約75cm，或約1m)的直徑。儘管 帶電粒子加速系統118在第1圖中繪示為具有三種不同類型的加速器，但帶電粒子加速系統118也可以是具有單一類型或任何兩種不同類型的加速器。
額外或選擇性地，帶電粒子偵測系統110可以具有帶電粒子飛行導向系統120，其配置以增加樣品102與帶電粒子位置偵測器122之間的帶電粒子飛行路徑長度，而不增加分析腔室104的長度。在一些實施方式中，為了有效偵測，帶電粒子飛行路徑長度可以介於從約5cm至約50cm之間(例如，約5cm、約10cm、約20cm、約30cm、約40cm，或約50cm)。增加帶電粒子飛行路徑長度可以提高質量分辨率，並克服上述討論的精確辨識具有接近飛行時間的帶電粒子之挑戰。在一些實施方式中，相較於沒有帶電粒子飛行導向系統120的半導體度量工具100相比，質量分辨率可以提高介於從約15%至約30%之間(例如，約15%、約20%、約25%，或約30%)。
帶電粒子飛行導向系統120可包括導向元件120A、120B及120C，其配置以產生導向場(guide field)，導向場可例如是電場、磁場，或電磁場。在一些實施方式中，導向場可以是具有介於從約1kV至約10kV之間(例如，約1kV、約5kV、約7kV，或約10kV)的電場及/或介於從10-5特斯拉(tesla)至約3000特斯拉之間(例如，約10-5特斯拉、約10-2特斯拉、約1特斯拉、約100特斯拉、約500特斯拉、約1000特斯拉、約2000特斯拉，或約3000特斯拉)的磁場。導向元件120A至120C可定位在分析腔室104內，使得飛行中的帶電粒子與導向元件120A至120C中的每一個之間的最短距離可在介於約 5cm至約10cm之間(例如，約5cm、約8cm，或約10cm)。在一些實施方式中，導向元件120A至120C可包括電極、電磁鐵及/或磁透鏡，以產生導向場。
導向場可配置以偏轉帶電粒子離開帶電粒子加速系統118，並改變它們的飛行方向。改變的飛行方向(例如，在負X方向上)可以相反並且實質上平行於帶電粒子離開局部電極114的飛行方向(例如，在正X方向上)。在一些實施方式中，沿著Y軸的距離D1介於帶電離子離開局部電極114的飛行路徑與改變的飛行路徑之間，並可以介於從約10cm至約20cm之間(例如，約10cm、約15cm，或約20cm)。通過增加飛行路徑長度，可以在空間與時間上分離具有小的速度差異的帶電粒子，並且可以它們的飛行時間之間的差異可以被增加，以提高質量分辨率。儘管第1圖中繪示三個導向元件120A至120C，但帶電粒子飛行導向系統120可具有一個或多個的導向元件。
帶電粒子位置偵測器122可配置以在被帶電粒子飛行導向系統120偏轉之後偵測帶電粒子。對於偵測製程，帶電粒子位置偵測器122可以相對於樣品102負偏壓及/或以低於樣品102的偏壓電壓且高於局部電極114的偏壓電壓來偏壓。在一些實施方式中，帶電粒子位置偵測器122可以具有微通道板(未繪示)，以提高偵測效率。在一些實施方式中，帶電粒子位置偵測器122的頂表面與面向帶電粒子位置偵測器122的局部電極114的側壁之間沿Y軸的距離D2可介於從約10cm至約20cm之間(例如，約10cm、約15cm，或約20cm)。
帶電粒子位置偵測器122還可配置以測量所接收的帶電粒子的二維位置座標(例如，X-Y座標)。這些帶電粒子的測量位置與它們在樣品102中的原始位置相關。帶電粒子位置偵測器122可以進一步配置以測量接收的帶電粒子的飛行時間。帶電粒子的飛行時間可以是帶電粒子產生系統108產生的時間與帶電粒子位置偵測器122的偵測時間之間的時間間隔。
處理系統124可配置以從帶電粒子位置偵測器122接收帶電粒子的測量的二維位置座標和飛行時間。基於測量的飛行時間，處理系統124可以確定質量值及/或m/z比，以辨識偵測到的帶電粒子。處理系統124還可配置以確定帶電粒子位置偵測器122的偵測帶電粒子的順序(sequence)。基於偵測順序與測量的二維位置座標，處理系統124可以確定偵測的帶電粒子的三維位置(例如，X-Y-Z座標)。因此，利用所確定的辨識與偵測的帶電粒子的三維位置，處理系統124可以創造並輸出具有樣品102的元素映射的三維圖像。
第8圖是根據一些實施方式的用於操作半導體度量工具的方法800的流程圖。第1圖的半導體度量工具100可用於特徵(characterization)平面與3-D半導體元件。為了說明的目的，參考第1圖的實施例以描述方法800。然而，方法800不限於這些實施方式。本揭露不限於這些步驟地描述。相對地，其它的步驟亦在本揭露的精神與範圍之內。應了解到可執行額外的步驟。再者，並非本揭露所有提供的步驟都需要被執行。此外，一些步驟是可以同時執行的，或者可以與第8圖中所示 的不同順序來執行。在一些實施方式中，可以執行除當前描述的步驟之外，或代替當前描述的步驟的一個或多個的其他步驟。
在第8圖的步驟805中，從樣品個別地產生帶電粒子。舉例來說，參閱第1圖所示與所討論的，帶電粒子的產生可包括製備樣品102、將樣品102安裝在樣品支架106上，以及將脈衝能量施加到樣品102。樣品102的製備可包括以下步驟。第一，通過聚焦離子束(focused ion-beam；FIB)銑削，以在欲知的區域(例如，finFET的鰭區域或源極/汲極區域)形成具有楔狀(wedge-shaped)結構。第二，使用聚焦離子束沉積的連接到楔狀結構的微操縱器，以抬起楔狀結構。第三，將楔狀結構安裝在矽微尖(microtip)上。第四，電拋光或離子銑削楔狀結構，以形成具有尖端半徑的針形尖端，前述的半徑介於從約100nm至約150nm之間。將脈衝能量施加到樣品102可包括通過帶電粒子產生系統108將高壓脈衝及/或雷射脈衝施加到樣品102，以從樣品102單獨產生帶電粒子。
在第8圖的步驟810中，收集產生的帶電粒子。舉例來說，參閱第1圖所示與所討論的，產生的帶電粒子可以由帶電粒子收集系統112來收集。產生的帶電粒子的收集可以包括通過局部電極114創造吸引電場，並將產生的帶電粒子導向朝局部電極114的孔徑。產生的帶電粒子的收集可以進一步包括通過帶電粒子捕捉裝置116產生排斥電場籠，並且將產生的帶電粒子排斥到局部電極114的孔徑。
在第8圖的步驟815中，加速收集的帶電粒子。舉例來說，參閱第1圖所示與所討論的，收集的帶電粒子可以通過帶電粒子加速系統118加速。收集的帶電粒子的加速可以包括通過第一加速器118A將帶電粒子從第一速度加速到第二速度，然後再通過第二加速器118B將帶電粒子從第二速度加速到第三速度，然後再通過第三加速器118C將帶電粒子從第三速度加速到第四速度。第四速度可以高於第三速度，第三速度可以高於第二速度，第二速度可以高於第一速度。
在第8圖的步驟820中，偏轉加速的帶電粒子。舉例來說，參閱第1圖所示與所討論的，加速的帶電粒子可以通過帶電粒子飛行導向系統120而被偏轉，以改變加速的帶電粒子的飛行方向，並增加它們的飛行路徑長度。帶電粒子的偏轉可包括將導向元件120A至120C定位在分析腔室104內，使得飛行中的帶電粒子與導向元件120A至120C中的每一個之間的最短距離可介於從約5cm至約10cm之間，並且創造具有導向元件120A至120C的導向場，以改變帶電粒子的飛行方向。
在第8圖的步驟825中，偵測偏轉的帶電粒子的二維位置座標與飛行時間。舉例來說，參閱第1圖所示與所討論的，可以通過帶電粒子位置偵測器122來偵測偏轉的帶電粒子的二維位置座標與飛行時間。在一些實施方式中，步驟815及/或步驟820可以是可選擇的，步驟810可以在步驟825之後。在這樣的實施方式中，偵測過程可以包括偵測收集的帶電粒子，而不是偏轉的帶電粒子。
在第8圖的步驟830中，辨識偵測的帶電粒子，並確定帶電粒子的偵測順序。舉例來說，參閱第1圖所示與所討論的，偵測到的粒子的辨識可包括基於處理系統124偵測的飛行時間，以確定質量值及/或m/z比。帶電粒子的偵測順序的確定可包括通過處理系統124來監測帶電粒子到達帶電粒子位置偵測器122。
在第8圖的步驟835中，產生具有樣品的元素映射的三維圖像。舉例來說，參閱第1圖所示與所討論的，通過元素映射產生三維圖像可以包括基於偵測順序與二維位置座標，確定處理系統124偵測的帶電粒子的三維位置(例如，X-Y-Z座標)。
本揭露提供用於半導體度量工具100的示例性帶電粒子偵測系統110，以提高其偵測效率與質量分辨率，以用於樣品102的分析。在一些實施方式中，帶電粒子偵測系統110可包括帶電粒子捕捉裝置116，帶電粒子捕捉裝置116配置以在樣品102與帶電粒子偵測系統110的局部電極114之間的區域周圍提供電場籠。電場籠可以配置以防止從樣品102產生的帶電粒子從飛行路徑漂移到局部電極114的孔徑。如此一來，帶電粒子捕捉裝置116可以在朝向局部電極114的飛行期間，配置以防止及/或減少帶電粒子的損失。在一些實施方式中，通過加寬局部電極114的孔徑也可以防止及/或減少帶電粒子朝向局部電極114行進的損失。相較於沒有帶電粒子捕捉裝置116與局部電極114的加寬孔徑的半導體度量工具100相比，這種帶電粒子的損失的防止及/或減少可以將半導體度量工具 100的偵測效率提高約60%至約90%(例如，約60%、約65%、約70%、約75%、約80%、約85%，或約90%)。
在一些實施方式中，帶電粒子偵測系統110還可以包括帶電粒子加速系統118，其配置以增強離開局部電極114並朝向帶電粒子位置偵測器122行進的帶電粒子的動能。如果帶電粒子沒有足夠的能量到達帶電粒子位置偵測器122，則動能的增強可以防止及/或減少帶電粒子的損失。相較於沒有帶電粒子加速系統118的半導體度量工具100相比，這種帶電粒子的損失的防止及/或減少可以將半導體度量工具的偵測效率提高約50%至約60%(例如，約50%、約55%，或約60%)。
在一些實施方式中，帶電粒子偵測系統110還可以包括帶電粒子飛行導向系統120，帶有導向元件120A至120C(例如，電極、電磁鐵及/或磁透鏡)，其配置以產生導向場(例如，電、磁或電磁)，以改變離開帶電粒子加速系統118的帶電粒子的飛行方向。改變的飛行方向可以相反且本質上平行於離開局部電極114的帶電粒子的飛行方向。通過改變飛行方向，帶電粒子飛行導向系統120可以增加帶電粒子的飛行路徑長度。隨著飛行路徑長度的增加，可以增加飛行時間與帶電粒子的計算質量值之間的差異，進而提高質量分辨率，以克服精確地辨識具有接近飛行時間的帶電粒子的挑戰。在一些實施例中，相較於沒有帶電粒子飛行導向系統120的半導體度量工具100相比，質量分辨率可以提高約15%至約30%(例如，約15%、約20%、約25%，或約30%)。
在一些實施方式中，度量工具可包括粒子產生系統、局部電極、粒子捕捉裝置、位置偵測器以及處理器。粒子產生系統配置以從樣品中移除粒子。局部電極配置以產生吸引電場，並將被移除的粒子引向局部電極的孔徑。粒子捕捉裝置配置以在樣品與局部電極之間的區域周圍產生排斥電場，並將被移除的粒子排斥到孔徑。位置偵測器配置以確定被移除的粒子的二維位置座標與被移除的粒子的飛行時間。處理器被配置為基於飛行時間辨識移除的粒子。
在一些實施方式中，粒子捕捉裝置位於樣品與局部電極之間，以包圍樣品的頂部、局部電極的底部，以及樣品與局部電極之間的區域。在一些實施方式中，粒子捕捉裝置不物理接觸於頂部與底部。
在一些實施方式中，粒子捕捉裝置的側壁包括固體材料、網狀材料或其組合。
在一些實施方式中，粒子捕捉裝置包含導電材料。
在一些實施方式中，粒子捕捉裝置的側壁包括複數側壁區段，側壁區段被佈置成以圓形方式或矩形方式圍繞樣品的頂部。
在一些實施方式中，粒子捕捉裝置位於樣品與局部電極之間，以形成包圍區域。粒子捕捉裝置包括可調節的複數側壁區段，以基於樣品或局部電極的尺寸來調節包圍區域的體積。
在一些實施方式中，帶電粒子偵測系統包括：局部電極、加速系統、導向系統以及位置偵測器。局部電極配置 以產生吸引電場並將帶電粒子從樣品引向局部電極、加速系統、導向系統與位置偵測器的孔徑。局部電極配置以產生吸引電場並將帶電粒子從樣品引向局部電極的孔徑。加速系統包括彼此不同的第一類型加速器與第二類型加速器。第一類型加速器配置以將離開局部電極的帶電粒子的從第一速度加速到高於第一速度的第二速度，並且第二類型加速器配置以將離開第一加速器的帶電粒子從第二速度加速到高於第二速度的第三速度。導向系統配置以產生導向場並改變離開第二加速器的帶電粒子的飛行路徑方向。位置偵測器配置以偵測被移除的粒子的二維位置座標與帶電粒子的飛行時間。
在一些實施方式中，第一類型加速器包括線性加速器，其配置以提供DC電壓，DC電壓介於從1kV至5000kV之間，且線性加速器包括縱橫比為10至1000之間的加速管，其中縱橫比是加速管的長度與直徑的比值。
在一些實施方式中，第二類型加速器包括循環加速器，循環加速器配置以提供AC電壓，AC電壓的頻率介於從1MHz至500MHz之間，且其中循環加速器包括加速管，加速管的直徑介於從1cm至1m之間。
在一些實施方式中，導向系統包括導向元件，導向元件配置以產生導向場。
在一些實施方式中，帶電粒子與導向元件間的最小距離介於從10cm至20cm之間。
在一些實施方式中，導向元件包括電極、電磁鐵或磁透鏡。
在一些實施方式中，局部電極與位置偵測器間的距離介於從10cm至20cm之間。
在一些實施方式中，用於偵測半導體度量工具中的電離原子的方法包括從樣品產生電離原子、產生吸引電場以將電離原子導向局部電極的孔徑、產生排斥電場以將電離原子導向孔徑且防止電離原子漂移，以及偵測電離原子的二維位置座標與電離原子的飛行時間。
在一些實施方式中，產生排斥電場包括以一導電材料施加正偏壓至包圍樣品的頂部的粒子捕捉裝置、局部電極的底部以及樣品與局部電極之間的區域。
在一些實施方式中，用於偵測半導體度量工具中的電離原子的方法更包括以下步驟。通過第一類型加速器將電離原子從第一速度加速至第二速度，第二速度高於第一速度。通過不同於第一類型加速器的第二類型加速器將電離原子從第二速度加速至第三速度，第三速度高於第二速度。
在一些實施方式中，用於偵測半導體度量工具中的電離原子的方法更包括以下步驟。偏轉由第二加速器離開的電離原子。改變電離原子的飛行方向，其中改變的飛行方向相反且平行於離開局部電極的該些電離原子的飛行方向。
前文概述了若干實施例之特徵，使得熟習此項技術者可較佳理解本揭露之態樣。熟習此項技術者應瞭解，其可容易地使用本揭露作為設計或修改用於實現相同目的及/或達成本文中所介紹之實施例之相同優勢的其他製程及結構的基礎。熟習此項技術者亦應認識到，此等等效構造不脫離本揭露 之精神及範疇，且其可在不脫離本揭露之精神及範疇的情況下於本文中進行各種改變、代替及替換。
100:半導體度量工具
102:樣品
102t:頂部
103A、103B、103C:飛行路徑
104:分析腔室
106:樣品支架
108:帶電粒子產生系統
110:帶電粒子偵測系統
112:帶電粒子收集系統
114:局部電極
114b:基座
114t:底部
115:包圍區域
116:帶電粒子捕捉裝置
116b:基座
116s:側壁
118:帶電粒子加速系統
118A:第一加速器
118B:第二加速器
118C:第三加速器
120:帶電粒子飛行導向系統
120A、120B、120C:導向元件
122:帶電粒子位置偵測器
124:處理系統
D1、D2:距離
B、C:角度
A-A:線

Claims (10)

  1. 一種度量工具，包含：一粒子產生系統，配置以從一樣品中移除一粒子；一局部電極，配置以產生一吸引電場並將被移除的該粒子引向該局部電極的一孔徑；一粒子捕捉裝置，配置以在該樣品與該局部電極之間的一區域的周圍產生一排斥電場並將被移除的該粒子排斥到該孔徑；一位置偵測器，配置以確定被移除的該粒子的二維位置座標與被移除的該粒子的一飛行時間；以及一處理器，配置以基於該飛行時間來辨識被移除的該粒子。
  2. 如請求項1所述之度量工具，其中該粒子捕捉裝置位於該樣品與該局部電極之間，以包圍該樣品的一頂部、該局部電極的一底部，以及該樣品與該局部電極之間的該區域。
  3. 如請求項1所述之度量工具，其中該粒子捕捉裝置的一側壁包含複數側壁區段，該些側壁區段係被佈置成以一圓形方式或一矩形方式圍繞該樣品的頂部。
  4. 如請求項1所述之度量工具，其中該粒子捕捉裝置位於該樣品與該局部電極之間，以形成一包圍區域， 且其中該粒子捕捉裝置包含可調節的複數側壁區段，以基於該樣品或該局部電極的一尺寸來調節該包圍區域的一體積。
  5. 一種帶電粒子偵測系統，包含：一局部電極，配置以產生一吸引電場並將一帶電粒子從一樣品引向該局部電極的一孔徑；一加速系統，包含一第一類型加速器與一第二類型加速器，該第一類型加速器與該第二類型加速器相異，其中，該第一類型加速器配置以將離開該局部電極的該帶電粒子的一第一速度加速至一第二速度，該第二速度高於該第一速度，以及其中，該第二類型加速器配置以將離開該第一加速器的該帶電粒子的該第二速度加速至一第三速度，該第三速度高於該第二速度；一導向系統，配置以產生一導向場並改變離開該第二類型加速器的該帶電粒子的一飛行路徑方向；以及一位置偵測器，配置以偵測被移除的該帶電粒子的二維位置座標與該帶電粒子的一飛行時間。
  6. 如請求項5所述之帶電粒子偵測系統，其中該第一類型加速器包含一線性加速器，該線性加速器配置以提供一DC電壓，該DC電壓介於從1kV至5000kV之間，且其中該線性加速器包含縱橫比為10至1000之間的一加速管，其中縱橫比是該加速管的一長度與一直徑的比值。
  7. 如請求項5所述之帶電粒子偵測系統，其中該第二類型加速器包含一循環加速器，該循環加速器配置以提供一AC電壓，該AC電壓的一頻率介於從1MHz至500MHz之間，且其中該循環加速器包含一加速管，該加速管的一直徑介於從1cm至1m之間。
  8. 一種用於偵測半導體度量工具中的電離原子的方法，包含：從一樣品中產生複數電離原子；產生一吸引電場，以將該些電離原子導向一局部電極的一孔徑；通過一帶電粒子捕捉裝置產生一排斥電場，以將該些電離原子導向該孔徑，防止該些電離原子漂移；以及通過一帶電粒子位置偵測器偵測該些電離原子的二維位置座標與該些電離原子的飛行時間。
  9. 如請求項8所述之用於偵測半導體度量工具中的電離原子的方法，更包含：通過一第一類型加速器將該些電離原子從一第一速度加速至一第二速度，該第二速度高於該第一速度；以及通過不同於該第一類型加速器的一第二類型加速器將該些電離原子從該第二速度加速至一第三速度，該第三速度高於該第二速度。
  10. 如請求項9所述之用於偵測半導體度量工具中的電離原子的方法，更包含：偏轉由該第二加速器離開的該些電離原子；以及改變該些電離原子的飛行方向，其中改變的該些飛行方向相反且平行於離開該局部電極的該些電離原子的飛行方向。
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