TWI730316B

TWI730316B - 針狀樣品、針狀樣品的分析以及製備方法

Info

Publication number: TWI730316B
Application number: TW108112985A
Authority: TW
Inventors: 洪世瑋; 李　正中
Original assignee: 台灣積體電路製造股份有限公司
Priority date: 2019-04-15
Filing date: 2019-04-15
Publication date: 2021-06-11
Also published as: TW202040135A

Abstract

一種針狀樣品包括一樣品部、一底座部以及一焊料部。樣品部包括一針狀尖端以及一感興趣區域。底座部連接樣品部，其中樣品部的一最大長度與針狀樣品在樣品部相對於針狀尖端的一底端處的一直徑的一比值實質上介於1至2.5之間。焊料部覆蓋樣品部的一側面並連接於樣品部與底座部之間。針狀樣品的分析方法以及製備方法也被提出。

Description

針狀樣品、針狀樣品的分析以及製備方法

本發明實施例是有關於一種針狀樣品、針狀樣品的分析以及製備方法。

一般來說，為了分析半導體裝置的材料組成，會使用原子探針技術(atom probe technology)來對由半導體裝置製備的樣品進行分析。原子探針技術是利用對包括金屬及半導體等材料的樣品進行加熱與提供電場，使得離子由樣品表面入射至質譜儀，進而通過測量離子入射所需的時間以及電荷來識別離子種類。

然而，目前針狀樣品的製備及分析方法仍具有許多缺點。例如焊接樣品時易脫焊或產生缺陷、針狀樣品在測試過程中容易折斷、分析的結果雜訊較多、質譜分辨率較差等。

本發明實施例提供一種針狀樣品、針狀樣品的分析以及製備方法，其針狀樣品的可靠度較佳，且分析的結果較精確。

在本發明的一實施例中，一種針狀樣品包括一樣品部、一底座部以及一焊料部。樣品部包括一針狀尖端以及一感興趣區域。底座部連接樣品部，其中該樣品部的一最大長度與該針狀樣品在該樣品部相對於該針狀尖端的一底端處的一直徑的一比值實質上介於1至2.5之間。焊料部覆蓋樣品部的一側面並連接於樣品部與底座部之間。

在本發明的一實施例中，一種針狀樣品的分析方法包括下列步驟。提供一針狀樣品，其中針狀樣品包括一針狀尖端以及一感興趣區域。對針狀樣品進行一選擇性蝕刻製程，以移除感興趣區域周圍的一移除區域。對移除移除區域的針狀樣品進行一原子探針技術，以分析感興趣區域中的原子組成。

在本發明的一實施例中，一種針狀樣品的製備方法包括下列步驟。提供一樣品，其中樣品包括一感興趣區域，其中樣品的一最大長度實質上介於0.5微米至10微米之間。將樣品焊接至一樣品底座上。對經焊接的樣品以及樣品底座進行一研磨製程，以形成針狀樣品。

為讓本發明實施例的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

110:樣品

110’:樣品部

112:座體部

114:楔形部

116:元件層

120:焊料

120’:焊料部

130:樣品底座

130’:底座部

140、140’:針狀樣品

L1:最大長度

L2:長度

R1:感興趣區域

R2:移除區域

S1:斜面

W1:截面寬度

S110~S150:步驟

結合附圖閱讀以下詳細說明可最好地理解本發明實施例的各個方面。應注意的是，根據業界中的標準實務，各種特徵並非按比例繪製。事實上，為論述清晰起見，可任意增大或減小各種特徵的尺寸。

圖1是依照本發明的一實施例的一種針狀樣品的製備及分析方法的流程方塊示意圖。

圖2是依照本發明的一實施例的一種樣品的示意圖。

圖3是依照本發明的一實施例的一種樣品的局部放大示意圖。

圖4是依照本發明的一實施例的一種樣品焊接至樣品底座的示意圖。

圖5是依照本發明的一實施例的一種針狀樣品的示意圖。

圖6是依照本發明的一實施例的一種針狀樣品的局部放大示意圖。

圖7是圖6的針狀樣品經選擇性蝕刻後的示意圖。

以下揭露內容提供用於實作所提供標的之不同特徵的許多不同的實施例或實例。以下闡述元件及排列的具體實例以簡化本揭露內容。當然，這些僅為實例且不旨在進行限制。舉例來說，以下說明中將第一特徵形成於第二特徵「之上」或第二特徵「上」可包括其中第一特徵與第二特徵被形成為直接接觸的實施例，也可包括其中所述第一特徵與所述第二特徵之間可形成有附加特徵進而使得所述第一特徵與所述第二特徵可能不直接接觸的實施例。另外，本揭露內容可能在各種實例中重複使用標號及/或字母。這種重複是出於簡潔及清晰的目的，而不是自身表示所論述的各種實施例及/或配置之間的關係。

此外，為易於說明，本文中可能使用例如「之下(beneath)」、「下面(below)」、「下部(lower)」、「上方(above)」、「上部(upper)」等空間相對性用語來闡述圖中所示的一個元件或特徵與另一(其他)元件或特徵的關係。所述空間相對性用語旨在除圖中所繪示的取向外更囊括裝置在使用或操作中的不同取向。設備可具有其他取向(旋轉90度或處於其他取向)且本文中所用的空間相對性描述語可同樣相應地進行解釋。

圖1是依照本發明的一實施例的一種針狀樣品的製備及分析方法的流程方塊示意圖。圖2是依照本發明的一實施例的一種樣品的示意圖。請同時參照圖1及圖2，在某些實施例中，針狀樣品的製備及分析方法可包括下列步驟。首先，執行步驟S110，提供例如為圖2所示的樣品110，其中，樣品110的最大長度L1實質上為0.5微米至10微米之間。舉例而言，樣品110的最大長度L1可約為10微米，但本發明實施例並不以此為限。詳細而言，樣品110可包括座體部112以及連接座體部112的楔形部114。座體部112的最大寬度可為整個樣品110中的最大寬度，而楔形部114包括相對兩斜面S1，此兩斜面S1在一端彼此連接以共同形成一尖端。如此配置，由圖2的正視圖方向看來，楔形部114的寬度由連接座體部112的一端往遠離座體部112的方向逐漸減小。在本實施例中，楔形部114的長度L2實質上介於0.4至9.9微米之間。楔形部114的最大寬度(即，圖2中的楔形部114與座體部112交界處(以虛線標示)的寬度)實質上介於0.5至5微米之間。在某些實施例中，樣品110的最大長度L1與最大寬度(即，楔形部114的最大寬度)的比值約可介於1至2.5之間。

圖3是依照本發明的一實施例的一種樣品的局部放大示意圖。請同時參照2及圖3，在某些實施例中，提供樣品110的步驟可以透過切削一半導體裝置來達成，以自半導體裝置中切取並獲得此樣品110。在某些實施例中，半導體裝置例如是晶片，其可包括電晶體、電阻器、二極體等。進一步而言，半導體裝置可包括一基板以及配置於基板中或基板上的一元件層(例如圖3所示的部分元件層116)，其中，元件層116包括感興趣區域(待分析區域)R1。因此，自半導體裝置中切取出來的樣品110可包括部分基板與含有感興趣區域R1的部分元件層116。感興趣區域R1可例如位在樣品110的楔形部114。

在半導體裝置包括鰭式場效電晶體的實施例中，元件層116可為鰭片、溝道、柵極、源極與漏極、介電層等鰭式電晶體的構件，但本發明實施例並不以此為限。在一些實施例中，基板例如包括塊狀矽、摻雜或未經摻雜矽基板、絕緣層上矽(silicon on insulator,SOI)基板或藍寶石上矽(silicon on sapphire,SOS)基板。當然，在一些實施例中，基板也可包括例如鍺或金剛石等適當的元素半導體、例如碳化矽、氮化鎵、砷化鎵或磷化銦等適當的化合物半導體或例如矽化鍺、矽化銦、砷化鋁鎵或磷砷化鎵等適當的合金半導體。一般來說，元件層116包括導體層與介電層。導體層的材料可包括金屬、摻雜矽或多晶矽等。介電層的材料包括氧化物或氮化物，諸如氧化矽、氮化矽、氮化鈦、氮化鉭、碳化鈦鋁等。

在一些實施例中，切削半導體裝置的方法可包括使用聚焦離子束(Focused Ion Beam，FIB)法、電化學法、刀具切削法或任何能產生楔形切面的方法。聚焦離子束法例如是對部分半導體裝置的表層進行局部噴濺聚焦離子束來完成。舉例來說，在離子束切削過程中，通過將以鎵離子為主的聚焦離子束入射至半導體裝置表層，以選擇性地蝕刻半導體裝置。當然，本實施例並不以此為限。

圖4是依照本發明的一實施例的一種樣品焊接至樣品底座的示意圖。接著，請參照圖1及圖4，執行步驟S120，將樣品110焊接至一樣品底座130上。在某些實施例中，將樣品110焊接至樣品底座130上的步驟可包括將焊料120實質上全面覆蓋楔形部114的兩斜面S1。也就是說，焊料120的上邊緣可大致上與楔形部114的上邊緣對齊。焊料的材料可包括鉑(Pt)、鎢(W)、銅(Cu)或其他適合焊接的材料。在某些實施例中，上述的焊接製程可使用較大的焊接電流來進行，使焊料120可對樣品110有較大的包覆面積。舉例而言，本實施例的焊接製程可使用約介於5pA至50nA之間的焊接電流對樣品110進行焊接，以使焊料120可全面覆蓋楔形部114的兩斜面S1。在一實施例中，上述的焊接電流可約為40pA，但本發明實施例並不以此為限。

在這樣的配置下，由於本發明實施例的樣品110的整體長度以及楔形部114的兩斜面S1長度較長，並使焊料實質上全面覆蓋楔形部114的兩斜面S1，因而增加焊料120與樣品110的包覆與接觸面積，進而可增加樣品110、焊料120與樣品底座130之間的接合力。因此，本發明實施例可有效避免以往焊接樣品時易脫焊或產生缺陷以及後續製成的針狀樣品在測試過程中容易折斷等問題。

圖5是依照本發明的一實施例的一種針狀樣品的示意圖。請同時參照圖4及圖5，接著，執行步驟S130，對如圖4所示的經焊接的樣品110以及樣品底座130進行一研磨製程，以形成如圖5所示的針狀樣品140。在某些實施例中，研磨成針狀樣品140的方法包括使用聚焦離子束法、電化學法或任何能產生針狀截面的方法。聚焦離子束法例如是對經焊接的樣品110以及樣品底座130的表層進行局部噴濺聚焦離子束來完成。舉例而言，聚焦離子束可以例如以0度至5度等非常小的角度衝擊經焊接的樣品110以及樣品底座130，以得到如圖5所示的針狀樣品140。當然，本發明實施例並不限制研磨成針狀樣品140的方法。

圖6是依照本發明的一實施例的一種針狀樣品的局部放大示意圖。請同時參照圖5以及圖6，在某些實施例中，依上述步驟所製備出的針狀樣品140可如圖5所示的包括一樣品部110’、一焊料部120’以及一底座部130’。樣品部110’可包括針狀尖端以及具有感興趣區域R1的元件層116，其中，由於樣品部110’是由樣品110所研磨而成，樣品部110’的最大長度L1可約為0.5微米至10微米之間。在一實施例中，樣品部110’的最大長度L1可約為10微米，但本發明實施例並不以此為限。焊料部120’覆蓋樣品部的側面S1，並連接於樣品部110’與底座部130’之間，以使底座部130’經由焊料部120’而連接至樣品部110’。詳細而言，樣品部110’相對於針狀尖端的底端處可包括斜面S1，而焊料部120’則可實質上全面覆蓋此斜面S1。

在這樣的結構配置下，由於本發明實施例的樣品110的整體長度較長，因此，在研磨成針狀樣品140後，其針狀樣品140在樣品部110’的底端處的截面寬度W1較寬，因而與底座部130’的接合較為穩固。舉例而言，針狀樣品140在樣品部110’相對於針狀尖端的底端處的直徑W1(即，底座部130’的最大直徑/寬度)約介於0.4微米至4微米之間。在一實施例中，上述的直徑W1可約為2微米，但本發明實施例並不以此為限。據此，樣品部110’的最大長度L1與上述的直徑W1的比值實質上介於1至2.5之間。舉例而言，最大長度L1與直徑W1的比值實質上介於1.25至2.5之間。並且，焊料部120’也與樣品部110’有較大的接觸面積，兩者之間的接合力自然較強。因此，本發明實施例可有效避免針狀樣品140在測試過程中容易折斷等問題。

圖7是圖6的針狀樣品經選擇性蝕刻後的示意圖。在依如前所述的方法製備針狀樣品140之後，即可接著對此針狀樣品 140進行分析。請同時參照圖6以及圖7，在某些實施例中，執行步驟S140，對針狀樣品140進行選擇性蝕刻製程，以移除感興趣區域R1周圍的移除區域R2。換句話說，透過選擇性蝕刻製程在與感興趣區域R1的周圍移除一部分材料(即，移除區域R2)，以形成位在感興趣區域R1周圍的凹陷(例如，溝槽)，使感興趣區域R1的至少一部分相對於移除區域R2的至少一部分突出。在某些實施例中，移除區域R2可包括氧化物或淺溝槽隔離(Shallow trench isolation,STI)區域，也就是元件層116中的氧化物或淺溝槽隔離結構。上述的選擇性蝕刻製程可包括濕式蝕刻、乾式蝕刻(例如反應離子蝕刻(Reactive-Ion Etching,RIE))、電漿聚焦離子束(focused ion beam,FIB)蝕刻或其他適合的方式等。舉例來說，本實施例可使用氫氟酸(濕式蝕刻)來移除針狀樣品140中的氧化物等非感興趣的物質，以形成如圖7所示的經選擇性蝕刻的針狀樣品140’。

接著，執行步驟S150，對移除所述移除區域R2的針狀樣品140’進行原子探針技術，以分析感興趣區域R1中的原子組成。在某些實施例中，原子探針技術可以提供感興趣區域R1的原子級的立體圖像與化學材料組成。原子探針技術設備可例如包括雷射源、位置感應檢測器(position sensitive detector)以及處理單元。首先，以雷射源所產生的雷射脈衝照射針狀樣品140’的頂部。由於針狀樣品140’的頂部被雷射脈衝照射，因此，針狀樣品140’中的原子會一層一層地被移除(例如剝離)。接著，根據位置感應檢測器與針狀樣品140’之間所產生的電場，被移除原子會投射至位置感應檢測器上。因此，可以使用對雷射提供脈衝的時刻與所述被移除原子到達感應檢測器的時刻之間的時間來決定原子(也即離子)的飛行時間(time of flight)，進而確認質荷比(也即m/q)。而後，可使用感應檢測器上所檢測原子的x、y座標來重建對應於針狀樣品140’的頂部的原子原始位置。其中，處理單元可以由感應檢測器收集位置資料，並通過原子種類來重建針狀樣品140’的頂部的立體圖像。

在某些實施例中，由於感興趣區域R1周圍的例如氧化物、淺溝槽隔離區域等移除區域R2已被移除，因而能降低背景雜訊(background noise)，進而大幅提升質譜分辨率(mass resolution)。因此，經選擇性蝕刻後的針狀樣品140’可避免例如氧化物、淺溝槽隔離區域等移除區域R2的非感興趣材料干擾質譜分辨能力，或是減少質譜分辨的額外負擔。經實驗證實，本實施例的針狀樣品的良率(yield)可由約10%提升至約85%。在移除上述的移除區域R2後的針狀樣品140’的質譜分辨率則大幅提升至2000%。並且，在某些實施例中，針狀樣品的製備及分析方法具有簡單的步驟且可利用現有的機台來達成，故針狀樣品的製備及分析方法具有高良率與低成本的優點。

綜上所述，由於本發明實施例的樣品的整體長度較長，並使焊料實質上全面覆蓋樣品的楔形部的兩斜面，因而增加焊料與樣品的包覆與接觸面積，進而可增加後續形成的針狀樣品、焊料與樣品底座之間的接合力。因此，本發明實施例可有效避免以往焊接樣品時易脫焊或產生缺陷以及後續製成的針狀樣品在測試過程中容易折斷等問題。並且，本發明實施例在進行原子探針技術之前，先對針狀樣品進行選擇性蝕刻製程，以移除感興趣區域周圍的移除區域。如此，由於感興趣區域周圍的例如氧化物、淺溝槽隔離區域等移除區域已被移除，因而能降低分析結果的背景雜訊，進而大幅提升質譜分辨率。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

S110~S150:步驟

Claims

一種針狀樣品，包括：一樣品部，包括一針狀尖端以及一待分析區域；一底座部，連接該樣品部；以及一焊料部，覆蓋該樣品部的一側面並連接於該樣品部與該底座部之間，其中該側面與該針狀樣品的一軸向夾一銳角。
如申請專利範圍第1項所述的針狀樣品，其中該樣品部的該最大長度介於0.5微米至10微米之間，且該直徑介於0.4微米至4微米之間。
如申請專利範圍第1項所述的針狀樣品，其中該樣品部的一最大長度與該針狀樣品在該樣品部相對於該針狀尖端的一底端處的一直徑的一比值實質上介於1至2.5之間。
一種針狀樣品的分析方法，包括：提供一針狀樣品，其中該針狀樣品包括一針狀尖端以及一待分析區域；對該針狀樣品進行一選擇性蝕刻製程，以移除該待分析區域周圍的一移除區域；對移除該移除區域的該針狀樣品進行一原子探針技術，以分析該待分析區域中的原子組成。
如申請專利範圍第4項所述的針狀樣品的分析方法，其中該選擇性蝕刻製程包括濕式蝕刻、乾式蝕刻或電漿聚焦離子束(focused ion beam,FIB)蝕刻。
如申請專利範圍第4項所述的針狀樣品的分析方法，其中該移除區域包括氧化物或淺溝槽隔離(Shallow trench isolation)區域。
一種針狀樣品的製備方法，包括：提供一樣品，其中該樣品包括一待分析區域，其中；以焊料將該樣品焊接至一樣品底座上；以及對經焊接的該樣品以及該樣品底座進行一研磨製程，以形成該針狀樣品，其中該焊料所覆蓋的該樣品的一側面與該針狀樣品的一軸向夾一銳角。
如申請專利範圍第7項所述的針狀樣品的製備方法，其中提供一樣品的步驟包括：切削一半導體裝置，以獲得該樣品，其中該樣品包括一座體部以及連接該座體部的一楔形部，該楔形部的相對兩斜面彼此連接以形成一尖端。
如申請專利範圍第8項所述的針狀樣品的製備方法，其中將該樣品焊接至該樣品底座上的步驟包括：將該焊料全面覆蓋該楔形部的該兩斜面。
如申請專利範圍第8項所述的針狀樣品的製備方法，其中將該樣品焊接至該樣品底座上的步驟包括以介於5pA至50nA之間的焊接電流對該樣品進行焊接。