TWI761426B - 使用包括懸臂樑及探針尖端的探針來偵測樣本之表面上或表面下之結構的方法及系統 - Google Patents

使用包括懸臂樑及探針尖端的探針來偵測樣本之表面上或表面下之結構的方法及系統 Download PDF

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Abstract

本文獻係有關於一種包括懸臂樑及探針尖端的探針來偵測樣本之表面上或表面下之結構的方法，懸臂樑以包括一基本共振頻率的一或多個共振正規模式為特徵，該方法包括：使用一換能器施加一振動輸入信號至該樣本；在該探針尖端與該表面接觸時，感測表示該探針尖端由該振動輸入信號在該表面誘發之振動引起之運動的一輸出信號；其中，該振動輸入信號至少包含有在10至100百萬赫之範圍內之一頻率的一第一信號分量；與其中，該振動輸入信號為至少使用有低於5百萬赫之一調變頻率之一第二信號分量調變的振幅。本文獻進一步有關於一種掃描探針顯微方法。

Description

使用包括懸臂樑及探針尖端的探針來偵測樣本之表面上或表面下之結構的方法及系統
本發明針對一種使用包括懸臂樑及探針尖端的探針來偵測樣本之表面上或表面下之結構的方法，該懸臂樑以一懸臂樑共振頻率為特徵，該方法包括：使用換能器(transducer)施加振動輸入信號至樣本；與在該探針尖端與該表面接觸時，感測表示該探針尖端由該振動輸入信號在該表面誘發之振動引起之運動的一輸出信號。本發明進一步針對一種掃描探針顯微系統。
為了滿足致能裝置具有較高效能的需要，半導體工業生產越來越小之裝置的進行中目標在各種相關技術領域持續提供新的挑戰。例如，生產此類裝置需要在生產期間的檢驗，接著，這需要能夠使這些裝置可看見的成像技術。
在起初有相對基本類型之半導體結構的製造已使電子工業大步向前，使得結構不僅變小，也使其更加複雜。在早期，包括堆疊半導體層之各種結構的半導體元件偶而含有用蝕刻或類似技術製成的一些三維特徵。此類裝置仍然非常流行且使用於許多種應用。最近，半導體裝置包括更複雜的三維(3D)結構，它們有數十奈米的典型尺寸。預料此發展仍未停下來，從而可預見會創作有在更小尺寸重疊及互動之半導體特徵的更複雜3D結構。
過去數年已開發之半導體裝置的一特殊類別是多閘極裝置，或多閘場效電晶體(MuGFET)。該等裝置例如包括鰭片場效電晶體(finFET)或環繞式閘極(gate-all-around)場效電晶體(GAA或GAA-FET)，其中，閘極包圍在多個側面上的電晶體通道(或GAA裝置的所有側面)。使用finFET作為例子，此裝置便於只藉由增加鰭片的高度來提高效能(亦即，源極與汲極之間的電荷載體，其中，藉由偏壓閘極來形成傳導通道)。此技巧已使用於有10奈米及7奈米之厚度的鰭片，不過，此技術最終可能達到靜電整合(electrostatic integrity)的極限。5奈米節點技術(亦即，5奈米的鰭片厚度)還得要採用例如水平或垂直平行奈米線的橫向奈米線組態(環繞式閘極，GAA)以克服此問題。
5奈米節點裝置的接觸、閘極及奈米線鰭片(呈垂直堆疊)由在數層中之堆疊特徵的結構組成。此類結構可能嵌或埋在表面層下，例如非撓性硬材料層，例如陶瓷絕緣層或另一半導體層。用於致能此類裝置之大規模生產的生產方法要求檢驗方法變得可行。標準原子力顯微方法已用來測量及檢驗奈米線的表面形貌。不過，此類方法只允許成像及映射表面特徵，且未致能次表面結構的測量，例如埋嵌在硬材料層下的奈米級半導體裝置。在有些情形下，此類結構包括埋在有數十奈米厚之數層下的奈米線或其他奈米級元件，例如多晶矽或氧化物層。
因此，各種奈米級層的次表面成像變成測量關鍵尺寸(CD)一致性、缺陷偵測、對準目的(例如，疊置測量或晶圓對準)及邊緣偵測或邊緣置放的關鍵性能。特別是，為了可使用於各種應用，此類方法必須在層硬度的差異上提供高解析度，且能夠通過硬表面層來應用。目前可用的方法不足以提供允許此類檢驗的有用技術。替代方案之一是用穿透式電子顯微(TEM)法施加高能電子束。不過，此類方法會破壞裝置本身，因此不是理想的解決方案。
本發明的目標是要提供一種方法及設備用於致能偵測樣本之表面上或表面下的結構，該等結構可具有只有數奈米或更少的一或多個特性尺寸，且彼等甚至可能被一或多個重疊稠密或硬層覆蓋，例如其他的半導體層。
為此目的，根據第一方面，在此提供一種使用包括懸臂樑及探針尖端的探針來偵測奈米尺寸半導體元件在樣本之表面上或表面下之結構的方法，該懸臂樑以包括一基本共振頻率的一或多個共振正規模式為特徵，該方法包括：使用一換能器施加一振動輸入信號至該樣本；與在該探針尖端與該表面接觸時，感測表示該探針尖端由該振動輸入信號在該表面誘發之振動引起之運動的一輸出信號；其中，該振動輸入信號至少包含有在10百萬赫至10吉赫之範圍內之一頻率的一第一信號分量；與其中，該振動輸入信號為至少使用有低於5百萬赫之一調變頻率之一第二信號分量調變的振幅。
同樣，替換地，根據第二方面，在此提供一種使用包括懸臂樑及探針尖端的探針來偵測奈米尺寸半導體元件在樣本之表面上或表面下之結構的方法，該懸臂樑以包括一基本共振頻率的一或多個共振正規模式為特徵，該方法包括：使用一換能器施加一振動輸入信號至該探針；與在該探針尖端與該表面接觸時，感測表示該探針尖端由該振動輸入信號在該表面誘發之振動引起之運動的一輸出信號；其中，該振動輸入信號至少包含有在10百萬赫至10吉赫之範圍內之一頻率的一第一信號分量；與其中，該振動輸入信號為至少使用有低於5百萬赫之一調變頻率之一第二信號分量調變的振幅。
如上述，本發明方法致能以極高橫向及垂直解析度來成像埋藏的奈米結構。該方法非破壞性且可應用於各種的使用案例，包括剛性-剛性及剛性-柔性的介面及多層。已證實可實現數百奈米的深度敏感度。根據第一方面，該振動輸入信號可經由樣本施加。根據第二方面，該振動輸入信號可經由探針施加。該振動輸入信號不經由樣本與探針兩者施加，而是僅僅經由樣本或探針中之一者施加。
在不受限於理論下，在根據第一方面的方法中，該方法的極高敏感度被視為達成是由於施加10百萬赫(MHz)至10吉赫(GHz)的極高頻振動輸入信號至該樣本，結合在5 Mhz或更低之低很多頻率的振幅調變信號。該懸臂樑允許該探針在某些頻率更加敏感的機械特性造成該探針在施加至該樣本的極高頻率當作極硬挺的元件。該振幅調變振動輸入信號造成該樣本在該調變頻率周期性地壓頂該探針尖端，導致該表面凹入。該調變頻率是在使用該探針可良好地感測的範圍中，以經由與該表面接觸的探針尖端來提供輸出信號。
因此，在極高頻率，在第一方面中，振動的樣本本身頂著被動態凍結的懸臂樑尖端彈性「凹入」。該懸臂樑被動態凍結是由於在這些極高的頻率有極高的阻抗。但是樣本本身對該尖端凹入，因而改變尖端-樣本距離。不過，力-距離特性對於該探針尖端與該樣本之間的力是非線性的。由於尖端-樣本力-距離相依性F(z)的靈敏非線性，以超音波頻率重覆的此類凹入本身顯示為作用於該懸臂樑的附加力。在本發明，這是用對力極敏感的原子力顯微懸臂樑以低頻偵測。
同樣，在根據第二方面的方法中，在不受限於理論下，該方法的極高敏感度被視為達成是由於施加10百萬赫(MHz)至10吉赫(GHz)之極高頻振動輸入信號至該探針，結合在5 Mhz或更低之低很多頻率的振幅調變信號。該懸臂樑允許該探針在某些頻率更加敏感的機械特性造成該探針在施加至該探針的極高頻率當作極硬挺的元件。該振幅調變振動輸入信號造成該探針尖端在該調變頻率周期性地壓頂該樣本，導致該表面凹入。該調變頻率是在使用該探針可良好地感測的範圍中，以經由與該表面接觸的探針尖端來提供輸出信號。
因此，在極高頻率，在第二方面中，振動被動態凍結的懸臂樑尖端(亦即，探針尖端)造成本身頂著該樣本彈性「凹入」。該懸臂樑被動態凍結是由於在這些極高的頻率有極高的阻抗。但是由於低頻振幅調變信號，該探針尖端本身頂著該樣本表面凹入，因而改變尖端-樣本距離。不過，力-距離特性對於該探針尖端與該樣本之間的力是非線性的。由於尖端-樣本力-距離相依性F(z)的靈敏非線性，以超音波頻率重覆的此類凹入本身顯示為作用於該懸臂樑的附加力。在本發明，這是用對力極敏感的原子力顯微懸臂樑以低頻偵測。
在第一及第二方面兩者中，低於5 MHz的調變頻率是在該懸臂樑之少數較低共振模式(正規模式)的頻率範圍內。該懸臂樑在此頻率範圍中對信號分量充分敏感。因此，藉由使用適當的感測器及分析系統來測量及分析探針尖端運動，由於該第二信號分量有低於5 MHz的調變頻率，可測量由力-距離特性之凹入及非線性引起的前述附加力。不過，凹入量不僅被該樣本的表面層影響，也被底下的層影響。因此，分析由監控探針尖端運動之感測器提供的輸出信號允許偵測樣本之表面上及表面下的結構。這在AFM系統的圖形解析度可完成，藉此允許偵測半導體裝置在樣本表面下甚至是最小的特徵(0.1奈米(nm)及更大)。
根據第一及第二方面中之任一的一些具體實施例，該第二信號分量有在離該懸臂樑之該等共振正規模式中之至少一者有20%之範圍內的一調變頻率。特別是，藉由選擇接近該懸臂樑之共振正規模式的調變頻率，該系統的信噪比(SNR)可改善，藉此增強敏感度且致能偵測有較大深度的樣本內特徵。較佳地，選擇接近或在基本頻率的調變頻率；不過，接近其他正規模式中之任一者的調變頻率也可用來改善SNR。因此，根據各種具體實施例，該調變頻率等於a 乘基本頻率，其中，a 在0.8至1.2之範圍內，其中，a 在0.95至1.05之範圍內為較佳，其中，a 等於1.00更佳。因此，該調變頻率可在基本頻率的20%內，在10%內為較佳，甚至在5%內更佳，或最好在基本頻率。該懸臂樑對於在基本頻率的振動信號最敏感。
用於感測探針尖端運動的感測器可為在原子力顯微系統中適合使用於此目的的任何感測器。例如，可使例如雷射光束的光束打在探針尖端的背面上，而鏡面反射到光偵測器陣列上。該探針尖端的任何運動導致在光偵測器陣列上由反射束形成之光點(spot)的運動，且可監控此光點在陣列上的位置以及表示探針尖端運動。也可實作其他類型的感測器或讀出方法，例如(但不限於)電容感測器、壓阻式(piezo resistive)感測器、集成光件等等。
根據第一及第二方面中之任一的一些具體實施例，感測該輸出信號的步驟包含：測量該輸出信號在一測量頻率處或其附近之信號特性的一步驟。例如，濾波器或其他構件可用來只讓在測量頻率附近的選定頻率範圍通過到分析器系統，或甚至極小的頻帶。替換地或附加地，可取得該輸出信號的傅立葉轉換以致能監控一或多個選定測量頻率。應瞭解，替代方式可提供給熟諳此藝者且可用來調到或只通過輸出信號的選定頻率。特別是，由感測器信號或輸出信號所決定的信號特性包括該輸出信號的一相位或一振幅中之至少一者，亦即，至少是在測量頻率或數個頻率的信號分量。
根據第一及第二方面中之任一的一些具體實施例，該測量頻率在離該懸臂樑之該等共振正規模式中之至少一者有20%之範圍內。如以上所解釋的，在這些正規模式附近，該懸臂樑對作用於該探針尖端的被感測振動更加敏感，從而監控在這些頻率或在其附近的輸出信號提供改良的SNR。根據這些具體實施例中之一特定者，該測量頻率等於b 乘懸臂樑之共振的基本頻率，其中，b 在0.8至1.2之範圍內，其中，b 在0.95至1.05之範圍內為較佳，且其中，b 等於1.00更佳。因此，該測量頻率可在基本頻率的20%內，或在10%內為較佳，甚至在5%內為更佳，或最好在基本頻率。該懸臂樑對於在基本頻率的振動信號最敏感。根據一些特定具體實施例，該測量頻率等於該調變頻率或在該調變頻率的5%內。如上述，同時可選擇接近或在該懸臂樑之正規模式的調變頻率，或在其基本頻率為較佳。選擇實質相等的調變頻率與測量頻率兩者產生最佳SNR，在此這些頻率接近基本頻率。
根據第一及第二方面中之任一的一些具體實施例，本發明方法進一步包含以下步驟：在與該表面平行的一方向相對於該表面來掃描該探針尖端用以執行一線掃描(line scan)或一區域映射中之至少一者。藉由掃描該探針尖端遍及該樣本的表面，可取得線掃描或區域映射，從它可建立影像或允許對例如嵌在表面下的半導體裝置做種種的測量。
第一及第二方面中之任一的本發明方法不限於偵測半導體元件的次表面特徵，反而可更加寬廣地用來偵測其他次表面結構。不過，以偵測半導體元件之次表面特徵為目的的應用當然為本發明可提供特殊優點的應用領域，如以上所解釋的。特別是，致能製造期間的裝置檢驗，以非破壞或侵入的方式，使得該方法有可能可用來作為此類半導體裝置的大規模生產方法之一部份。藉此，這有助於進一步縮減半導體元件的尺寸和與此有關的效能增強。因此，根據一些具體實施例，該樣本包括以下各物中之至少一者或組合或所有：嵌在該樣本內的一半導體結構，一多層半導體結構或元件，一三維半導體結構，例如一環繞式閘極半導體裝置或一鰭片場效電晶體結構；一結構，其包含有小於10奈米之至少一大小尺寸的數個結構性特徵。
第一及第二方面中之任一的本發明方法致能偵測奈米尺寸半導體元件在軟及硬材料覆蓋層中之任一或兩者下的結構。該方法允許在數層底下的成像以及覆蓋層的可達硬度範圍在1 Mpa至數十GPa(例如，1 MPa至40 GPa)之間。此外，根據接觸勁度，相鄰層或結構的可測量硬度差異(亦即，該方法的硬度解析度)，該方法允許偵測下至0.1%的變化。相對於尺寸的解析度極限可下至1奈米，以及該方法的深度範圍(亦即，表面下可成像的可達深度)至少有1.6微米。
根據本發明的第三方面，提供一種用於偵測樣本之表面上或表面下之結構的掃描探針顯微系統，其包含用於掃描該樣本表面的一探針，其中，該探針包含裝在一懸臂樑上的一探針尖端，該懸臂樑以包括一基本共振頻率的一或多個共振正規模式為特徵，且其中，該探針裝在經配置成可使該探針尖端與該樣本表面接觸的一感測頭上，該系統進一步包含：用於施加一振動輸入信號至該樣本的一換能器，與一探針偏折感測器(probe deflection sensor)，其用於產生表示該探針尖端由該振動輸入信號在該表面誘發之振動引起之運動的一輸出信號；其中，該換能器經組配為可產生該振動輸入信號以便至少包含有在10百萬赫至10吉赫之範圍內之一頻率的一第一信號分量，且其中，該換能器經組配為可至少使用有低於5百萬赫之一調變頻率的一第二信號分量來振幅調變該振動輸入信號。根據第三方面的此一系統例如致能執行根據第一方面的方法，如前述。該調變頻率的極限此刻不受限於該AFM儀器的可偵測頻寬。如果更進一步開發的儀器允許更高的頻寬，則調變及測量頻率可進一步提高，而不脫離本發明。
根據本發明的第四方面，提供一種用於偵測樣本之表面上或表面下之結構的掃描探針顯微系統，其包含用於掃描該樣本表面的一探針，其中，該探針包含裝在一懸臂樑上的一探針尖端，該懸臂樑以包括一基本共振頻率的一或多個共振正規模式為特徵，且其中，該探針裝在經配置成可使該探針尖端與該樣本表面接觸的一感測頭上，該系統進一步包含：用於施加一振動輸入信號至該探針的一換能器，與一探針偏折感測器，其用於產生表示該探針尖端由該振動輸入信號在該表面誘發之振動引起之運動的一輸出信號；其中，該換能器經組配為可產生該振動輸入信號以便至少包含有在10百萬赫至10吉赫之範圍內之一頻率的一第一信號分量，且其中，該換能器經組配為可至少使用有低於5百萬赫之一調變頻率的一第二信號分量來振幅調變該振動輸入信號。根據第四方面的此一系統例如致能執行根據第二方面的方法，如前述。該調變頻率的極限此刻不受限於該AFM儀器的可偵測頻寬。如果更進一步開發的儀器允許更高的頻寬，則調變及測量頻率可進一步提高，而不脫離本發明。
根據一些具體實施例，此系統進一步包含一運動致動器(motion actuator)，其用於致能該探針相對於該樣本的運動，用於在與該表面平行的一方向相對於該表面來掃描該探針尖端用以執行一線掃描或一區域映射中之至少一者。該探針偏折感測器可為與打在該探針尖端之背面上之一光束合作的一光學感測器，如前述。
圖1示意圖示適合使用於本發明方法且根據本發明之一具體實施例的原子力顯微系統(AFM)1。圖1之系統1的另一印象圖示於列出對應元件符號的圖2。系統1包含有懸臂樑4及探針尖端5的探針3。探針尖端5與樣本12的表面15接觸。通常為雷射的光源7提供入射於探針尖端5之背面的信號光束8。反射光束9由光學感測器10接收。探針尖端5與表面15垂直的振動會導致反射光束9的偏折。用提供用於進一步分析之(電氣)輸出信號39的光學感測器10，可準確判定此偏折。根據本發明，系統1可使用於次表面測量，如下述。不過，視需要及另外，系統1可同時用來對表面15執行表面形貌測量，如果個別應用需要的話。此類表面形貌測量可與次表面測量同時進行。
本發明的偵測方法施加振動輸入信號至樣本12，這導致樣本12在表面15有可測量的振動。該振動輸入信號包含10至100 MHz的高頻信號分量，這造成懸臂樑4展現極高的動態勁度，如先前所解釋的。該振動輸入信號為使用低很多頻率(例如，5MHz以下)之另一信號分量調變的振幅。這些振動藉此導致樣本表面15頂著探針尖端5凹入，由於力-距離特性的非線性，這可用探針尖端5很準確地感測。
在圖1的系統1中，為了施加輸入信號至樣本12，換能器20配置在樣本12底下。耦合介質21(例如，液體、油或油脂(例如，凡士林))提供換能器20與樣本12之間的低電阻耦合。這允許由換能器20產生的振動輸入信號從樣本12的背面穿過它，如圖1的設置所示。在這方面，應注意，本發明不一定必須從樣本12的背面來施加聲音信號。用於施加振動輸入信號的換能器20可位在相對於半導體元件12的其他地方，這使得有可能從任何所欲方向(例如上方、下方、從旁、甚至通過另一部件或實體)來施加振動輸入信號。
樣本12在圖1中由有一或多個或許多半導體元件16嵌在其中的基板材料13組成。基板材料13本身圖示成為單塊材料，不過，這是為了不使圖1的圖示不必要地複雜化而這樣做。取決於應用，基板材料13可由數層的各種材料組成。例如，在半導體元件16的製造期間，逐層沉積基板材料13可能是有利的。基板材料13的諸層可為相同的材料(例如，陶瓷絕緣材料)，或可包含不同材料的各種層。例如，基板材料13可包含形成通到半導體元件16之電極之傳導路徑的各種傳導層，它們在功能上可結合陶瓷絕緣層，或鈍化層，或可為包圍半導體裝置16的圍封材料之一部份的其他層。如圖示，基板材料可為單一材料，若合宜的話。
圖1圖示埋在基板材料13內的單一半導體元件16，不過，例如半導體元件16的多個裝置可嵌在基板材料13內。例如，樣本12可為晶圓，其包含所有或許多嵌入或部份嵌入基板材料13的許多裝置，例如形成於其上的半導體元件16。該(等)半導體元件16可埋在基板材料13的一或多個材料層下。
本發明方法可用作製程的最後一個步驟，甚至在此之後，作為與製造方法無關的獨立測試。不過，鑑於本發明方法無破壞性且不損傷的事實，在製造期間的任何時刻也可應用該方法。因此，如圖示，圖1的樣本12可為完全製成的半導體元件16(例如，在晶圓上)，或替換地，可為稍後可能收容額外數層的半製成半導體元件。
半導體元件16例如可為多閘半導體裝置，例如鰭片場效電晶體(finFET)或環繞式閘極場效電晶體(GAA-FET)。半導體元件16可包含將會通過表面15及基板材料13之材料層來偵測的奈米尺寸結構18(亦即，奈米結構)，用於關鍵尺寸(CD)一致性的測量，用於缺陷偵測，用於對準目的(例如，疊置測量)以及用於邊緣偵測。應瞭解，圖1的半導體元件16(以及本文獻圖示於其他附圖的半導體元件)僅為實施例。
根據該方法，由換能器20提供聲音振動輸入信號50。一或多個信號產生器29(參考圖3)至少包含第一頻率產生器25，第二頻率產生器26，與信號混合器28。振動輸入信號50包含有由信號產生器25提供在10至100 MHz之範圍內之頻率f1 的高頻分量。此高頻分量為用由信號產生器26提供有頻率f2 之低頻分量調變的振幅且利用混合器元件28用高頻分量f1 調變的振幅。換能器20，經由耦合介質21(在本實施例，可為凡士林)，傳送聲音振動信號到樣本12的基板材料13中。頻率f2 小於5 MHz的低頻分量26將會在懸臂樑4之共振之較低正規模式位於其中的頻率範圍內。較佳地，為了優化信噪比(SNR)，頻率f1 與懸臂樑4的基本共振頻率重合或經選定成與其極為接近。替換地，頻率f1 與懸臂樑4的任一正規模式重合或經選定成與其極為接近。懸臂樑4對與懸臂樑之共振之基本頻率或任何其他正規模式(特別是，較低的正規模式)重合或與其接近的振動信號有增加的敏感度。
本發明方法可應用於嵌或埋在材料層下之其他種類特徵的測量、偵測或成像。特別的優點是該方法使得通過硬或稠密材料層，通過振動輸入信號之高頻分量(10至100 MHz)與振動輸入信號之低很多頻率分量在懸臂樑4之懸臂樑共振正規模式範圍內的組合，有可能高度準確地偵測。懸臂樑4對於高頻振動有高度動態勁度，從而可用作極硬挺槓桿。低頻分量振幅調變造成樣本本身頂著探針尖端凹入，這提供樣本振動(包括所有分量)進入探針尖端5的所欲耦合。因此可用系統1偵測次表面特徵的影響，甚至例如半導體元件16的奈米尺寸結構18(例如，在鰭片厚度只有5奈米之finFET中的奈米線)。
可使用光感測器10來監控探針尖端5例如在垂直於樣本12表面15的運動，如以上所解釋的。藉由相對於表面15來掃描探針3，致使探針尖端5遵循樣本12表面15上的路徑，樣本12的次表面形貌變成可測量且可映射。藉此，可偵測及視覺化半導體元件16及彼之任何奈米尺寸結構18。
可引導來自光學感測器10的感測器信號，亦即，輸出信號39，通過低通濾波器30，輸出信號39的低頻分量可提供給反饋控制系統31。該低通濾波器有例如2至5 kHz左右的截止頻率。相對於掃描速度，這是夠快的，但是只稍微高於取樣頻率(例如，一秒1024個像素對應至1.024 kHz的取樣頻率)。系統31使用比例-積分-微分(PID)反饋控制器65(參考圖3)及放大器66(參考圖3)控制AFM Z壓電單元23(參考圖3)以在反饋模式使探針尖端維持在它的設定點力(set point force)。儘管不是本發明的主題，然而此信號視需要含有所欲附加資訊用於執行表面15的表面形貌映射，從而建立表面15的影像。
來自光學感測器10的輸出信號39進一步提供給高通濾波器34。高通濾波器34也有例如2 kHz左右的截止頻率，從而藉此傳輸輸出信號39中包括高頻超音波信號(亦即，包括分量f1 )與低頻調變信號(亦即，包括分量f2 )的第二部份給解調器35。特別是，感測輸出信號39的步驟包含測量輸出信號39在測量頻率處或其附近之信號特性的步驟。為了受益於懸臂樑敏感度在這些頻率的提高，可選擇接近懸臂樑4之共振正規模式中之一或多個的測量頻率(例如，在20%內，或在10%內為較佳，甚至在5%內為更佳)。如同調變頻率f2 ，該測量頻率可與這些正規模式中之一或多個重合，最好與懸臂樑4的共振基本頻率重合。例如，該測量頻率可等於調變頻率，且為此，視需要可施加來自信號產生器26的調變頻率進一步作為解調器35的輸入(例如，如圖1至圖3(圖3的信號48)所示)。因此，解調器35視需要可進一步從信號產生器29接收低頻輸入信號f2 26作為參考信號。不過，這並非必要且可用其他方式設定等於調變頻率的測量頻率，例如在分析系統38中。解調器35的輸出信號提供給分析系統38，其允許分析位置相依輸出信號39以從探針尖端5的運動信號取得次表面測量資訊。頻率產生器25及26、混合器28、解調器35與視需要的分析系統38可形成集成系統43。在以下的圖3中，頻率產生器25及26、混合器28與解調器35全都是鎖相放大器43的部件。
替換地，圖7根據第二方面圖示適合使用於本發明方法之原子力顯微系統(AFM)41的替代具體實施例，其中，係施加振動輸入信號至探針3。圖7的大部份元件與圖3的對應元件類似，在此情形下，該等元件有對應的元件符號。圖7中不同的是換能器20的位置，它是位於在探針尖端5上方的懸臂樑4上。換能器20可安裝至懸臂樑4的不同部份，或可換成完全不同的刺激構件用以施加振動輸入信號50。因此，本發明不受限於壓電致動器作為換能器20的應用。在圖7的系統中，換能器單元20與探針尖端5接觸，且接收使用功率放大器69(此放大器69在圖3也可看到)放大的輸入信號50。換能器20把輸入信號50轉換成施加至探針尖端5的聲音信號。在所有其他方面中，圖7系統的操作類似圖3的系統，且參考以上圖3的說明。
經由探針3施加振動輸入信號的優點在於它致使本發明方法更加適用於在工業環境中的應用。這是因為施加振動輸入信號50至樣本12對於例如晶圓的較大樣本並非較佳。在此情形下，振動能量必須饋送到整個晶圓，鑑於它的尺寸，這是低效的。施加信號至探針使振動輸入信號局限於需要它的區域。
可應用本發明方法以便執行極高解析度的次表面成像。例如，該方法特別適合用於偵測在樣本12表面15上或下面的奈米尺寸半導體元件16之結構。圖4示意圖示通常埋在基板內且可使用描述於本文獻之方法及系統成像的鰭式場效電晶體(finFET)70，亦即，奈米尺寸半導體元件的實施例。FinFET 70為多閘極裝置或多閘場效電晶體(MuGFET)的特別實施例，其中，通過複數個閘極的運作可控制該裝置的行為。典型包括奈米尺寸特徵且同樣可根據本發明使用次表面成像法可視覺化的其他類型MuGFET為環繞式閘極型裝置。
在圖4的finFET 70中，複數個奈米線78、79、80及81(通常橫截面只有數奈米)形成堆疊82，其提供用於在奈米線78至81相對於半導體鰭片73之相對兩邊上的源極71及汲極72。finFET 70的鰭片73形成裝置的閘極74，以及它的運作致能控制裝置70在源極71與汲極72之間的阻抗。裝置70形成於基板75上。儘管finFET 70的最小特徵尺寸只有數奈米，且即使這些結構被埋在半導體材料層下，然而本發明的系統及方法允許其通過次表面成像來視覺化。
圖5A提供包括複數個finFET之樣本12的聚焦離子束型掃描電子顯微(FIB-SEM)影像，例如圖4的finFET 70。儘管聚焦離子束型掃描電子顯微鏡(FIB-SEM)致能透射穿過樣本的成像，以便視覺化次表面結構，此類成像的缺點是它本質上對樣本12有害。高能離子供FIB用來從表面撞出原子，因而會損傷樣本。圖5A的影像顯示各個finFET埋在表面15下之奈米線及閘極74的堆疊82。
圖5B為使用電子束在基板上取得的正規掃描電子顯微(SEM)影像。為了顯示奈米線堆疊82，為了允許它的成像，首先移除表面15與在半導體裝置結構上面的數個頂層。圖5B的影像因此是藉由樣本的破壞來提供。圖5B的影像圖示奈米線堆疊82的極稠密配置。影像的刻度為2微米的距離，其表示堆疊82中之線的奈米尺寸(例如，只有數奈米到10或20奈米)。
圖6A為相同樣本之表面形貌的原子力顯微影像(在移除該等頂面之前)。已使用本發明系統來建立該影像，但是沒有次表面成像，且圖示樣本12沒有任何進一步次表面結構的樣本15。圖6B為在移除用於建立圖4B影像之頂層前使用本發明方法及系統取得圖5A及圖5B的相同樣本之次表面影像。圖6B清楚顯示埋在樣本表面15下50奈米的finFET之奈米線的堆疊82。如圖5A-B及圖6A-B所示，本發明系統及方法非常適合用於埋在半導體樣本內之奈米結構的成像，以便在製造此類半導體裝置期間執行例如缺陷偵測或疊置檢驗。本發明的成像技術允許以非破壞的方式且以高解析度的高度準確執行該偵測。
已用一些特定具體實施例來描述本發明。應瞭解，圖示於附圖且描述於本文的具體實施例旨在只用來圖解說明而非旨在用任何方式或方法來限制本發明。相信從上述說明及附圖會明白本發明的操作及構造。熟諳此藝者會明白本發明不受限於描述於本文的任何具體實施例且可能有應被視為在隨附請求項之範疇內的修改。再者，運動逆推(kinematic inversions)本質上被視為已揭示且應在本發明範疇內。此外，各種揭露具體實施例的任何組件及元件在其他具體實施例中在視為有必要、為所欲或較佳時可予以組合或合併，而不脫離如在請求項中所界定的本發明範疇。
在請求項中，任何參考符號不應被視為請求項的限制。用語‘包含(comprising)'及‘包括(including)’在使用於說明或隨附請求項時不應被視為有排他或窮盡的意思反而是有含括的意思。因此，如使用於本文的措詞‘包含’不排除存在其他的元件或步驟，除了列於任何請求項中的以外。此外，用字‘一(a)’及‘一(an)’不應被視為受限於‘唯一’，反而是用來表示‘至少一’的意思，且不排除複數個。在本發明範疇內的結構中可另外包括未具體或明確描述或加以主張的特徵。措詞(例如「用於…之構件(means for…)」)應理解為：「經組配為可用於...之組件(component configured for…)」或「經建構以…之構件(member constructed to…)」且應視為包括所揭示之結構的等效形式。所用措詞(例如「關鍵的(critical)」、「較佳的(preferred)」、「特別較佳的(especially preferred)」)等等非旨在限制本發明。在不脫離取決於請求項的本發明精神及範疇下，大體可做出在熟諳此藝者之視界內的添加、刪除及修改。除具體描述於本文的以外，本發明可用其他方式來實施，且只受限於隨附請求項。
1‧‧‧原子力顯微系統(AFM)3‧‧‧探針4‧‧‧懸臂樑5‧‧‧探針尖端7‧‧‧光源8‧‧‧信號光束9‧‧‧反射光束10‧‧‧光學感測器/光感測器12‧‧‧樣本13‧‧‧基板材料15‧‧‧表面16‧‧‧半導體元件18‧‧‧奈米尺寸結構20‧‧‧換能器(單元)21‧‧‧耦合介質23‧‧‧AFM Z壓電單元25‧‧‧第一頻率產生器26‧‧‧第二頻率產生器/低頻輸入信號f228‧‧‧(信號)混合器/混合器元件29‧‧‧信號產生器30‧‧‧低通濾波器31‧‧‧反饋控制系統34‧‧‧高通濾波器35‧‧‧解調器38‧‧‧分析系統39‧‧‧(電氣)輸出信號/位置相依輸出信號41‧‧‧原子力顯微系統(AFM)43‧‧‧集成系統/鎖相放大器45‧‧‧次表面信號48‧‧‧信號50‧‧‧聲音振動輸入信號65‧‧‧比例-積分-微分(PID)反饋控制器66‧‧‧放大器69‧‧‧功率放大器70‧‧‧鰭式場效電晶體(finFET)71‧‧‧源極72‧‧‧汲極73‧‧‧半導體鰭片74‧‧‧閘極75‧‧‧基板78-81‧‧‧奈米線82‧‧‧堆疊
將會參考附圖用一些特定具體實施例的說明進一步闡述本發明。詳細說明提供本發明之可能實作的實施例，但是不應被視為只有提及具體實施例落在範疇內。本發明的範疇在請求項中界定，且該描述應被視為圖解說明而不是限制本發明。附圖中： 圖1示意圖示一原子力顯微系統(AFM)； 圖2示意圖示一原子力顯微系統(AFM)； 圖3示意圖示一原子力顯微系統(AFM)； 圖4示意圖示一鰭式場效電晶體(finFET)； 圖5A及圖5B圖示使用FIB-SEM及SEM取得的樣本影像； 圖6A為相同樣本之表面形貌的原子力顯微影像；與 圖6B圖示與用本發明方法及系統取得之圖6A類似且顯露finFET之奈米線堆疊的影像； 圖7圖示原子力顯微系統(AFM)之替代具體實施例。
1‧‧‧原子力顯微系統(AFM)
3‧‧‧探針
4‧‧‧懸臂樑
5‧‧‧探針尖端
7‧‧‧光源
8‧‧‧信號光束
9‧‧‧反射光束
10‧‧‧光學感測器/光感測器
12‧‧‧樣本
13‧‧‧基板材料
15‧‧‧表面
16‧‧‧半導體元件
18‧‧‧奈米尺寸結構
20‧‧‧換能器(單元)
21‧‧‧耦合介質
25‧‧‧第一頻率產生器
26‧‧‧第二頻率產生器/低頻輸入信號f2
28‧‧‧(信號)混合器/混合器元件
30‧‧‧低通濾波器
31‧‧‧反饋控制系統
34‧‧‧高通濾波器
35‧‧‧解調器
38‧‧‧分析系統
39‧‧‧(電氣)輸出信號/位置相依輸出信號
43‧‧‧集成系統/鎖相放大器
50‧‧‧聲音振動輸入信號

Claims (26)

  1. 一種使用包括懸臂樑及探針尖端的探針來偵測奈米尺寸半導體元件在樣本之表面上或表面下之結構的方法，該懸臂樑以包括一基本共振頻率的一或多個共振正規模式為特徵，該方法包括：使用一換能器施加一振動輸入信號至該樣本；在該探針尖端與該表面接觸時，感測一輸出信號，而該輸出信號表示出由該振動輸入信號在該表面所誘發之振動而引起之該探針尖端的運動；其中，該振動輸入信號至少包含有在10百萬赫至10吉赫之範圍內之一頻率的一第一信號分量；與其中，該振動輸入信號為至少使用有低於5百萬赫之一調變頻率之一第二信號分量來調變的振幅。
  2. 如請求項1之方法，其中，該第二信號分量有一調變頻率，其在離該懸臂樑之該等共振正規模式中之至少一者有20%之範圍內。
  3. 如請求項2之方法，其中，該調變頻率等於a乘基本頻率，其中，a在0.8至1.2之範圍內。
  4. 如請求項1至3中之任一項的方法，其中，感測該輸出信號的步驟包含：測量該輸出信號在一測量頻率處或其附近之信號特性的一步驟。
  5. 如請求項4之方法，其中，該測量頻率在離該懸臂樑之該等共振正規模式中之至少一者有20%之範圍內；或 其中，該測量頻率等於b乘懸臂樑之共振的基本頻率，其中，b在0.8至1.2之範圍內；或其中，該測量頻率等於該調變頻率或在該調變頻率的5%內。
  6. 如請求項1至3中之任一項的方法，其中，感測該輸出信號的步驟包含：測量該輸出信號之信號特性的一步驟，特別是，該輸出信號的一相位或一振幅中之至少一者。
  7. 如請求項1至3中之任一項的方法，其中，該樣本包括以下各物中之至少一者或組合或所有：嵌在該樣本內的一半導體結構，一多層半導體結構或元件，一三維半導體結構，例如一環繞式閘極半導體裝置或一鰭片場效電晶體結構；一結構，其包含有至少一大小尺寸是小於10奈米的數個結構性特徵。
  8. 一種用於偵測奈米尺寸半導體元件在樣本之表面上或表面下之結構的掃描探針顯微系統，其包含用於掃描樣本表面的一探針，其中，該探針包含裝在一懸臂樑上的一探針尖端，該懸臂樑以包括一基本共振頻率的一或多個共振正規模式為特徵，且其中，該探針裝在經配置成可使該探針尖端與該樣本表面接觸的一感測頭上，該系統進一步包含：用於施加一振動輸入信號至該樣本的一換能器，與用於產生一輸出信號的一探針偏折感測器，該輸出信號表示出由該振動輸入信號在該表面所誘發之振動而引起之該探針尖端的運動； 其中，該換能器經組配為可產生該振動輸入信號以便至少包含有在10百萬赫至10吉赫之範圍內之一頻率的一第一信號分量，且其中，該換能器經組配為可至少使用有低於5百萬赫之一調變頻率的一第二信號分量來振幅調變該振動輸入信號。
  9. 如請求項8之掃描探針顯微系統，其中，經組配為可使用該第二信號分量來振幅調變該振動輸入信號的該換能器，係經組配為可提供有在離該懸臂樑之該等共振正規模式中之至少一者有20%之範圍內之該調變頻率的該第二信號分量。
  10. 如請求項9之掃描探針顯微系統，其中，經組配為可使用該第二信號分量來振幅調變該振動輸入信號的該換能器，係經組配為可提供有等於a乘基本頻率之該調變頻率的該第二信號分量，其中，a在0.8至1.2之範圍內。
  11. 如請求項8至10中之任一項的掃描探針顯微系統，其更包含與該探針偏折感測器呈通訊連結的一控制器或分析器系統，其中，該控制器或分析器系統經組配為可判定該輸出信號在一測量頻率處或其附近的信號特性。
  12. 如請求項11之掃描探針顯微系統，其中，該控制器或分析器系統經組配為用於執行該輸出信號在該測量頻率處之信號特性的該判定，而該測量頻率是在離該懸臂樑之該等共振正規模式中之至少一者有20%之範圍 內；或其中，該測量頻率等於b乘懸臂樑之共振的基本頻率，其中，b在0.8至1.2之範圍內；或其中，該測量頻率等於該調變頻率或在該調變頻率的5%內。
  13. 如請求項8至10中之任一項的掃描探針顯微系統，其更包含與該探針偏折感測器呈通訊連結的一控制器或分析器系統，其中，該控制器或分析器系統經組配為可判定該輸出信號在一測量頻率處或其附近的信號特性，該信號特性包括該輸出信號的一相位或一振幅中之至少一者。
  14. 一種使用包括懸臂樑及探針尖端的探針來偵測奈米尺寸半導體元件在樣本之表面上或表面下之結構的方法，該懸臂樑以包括一基本共振頻率的一或多個共振正規模式為特徵，該方法包括：使用一換能器施加一振動輸入信號至該探針；在該探針尖端與該表面接觸時，感測一輸出信號，而該輸出信號表示出由該振動輸入信號在該表面所誘發之振動而引起之該探針尖端的運動；其中，該振動輸入信號至少包含有在10百萬赫至10吉赫之範圍內之一頻率的一第一信號分量；與其中，該振動輸入信號為至少使用有低於5百萬赫之一調變頻率之一第二信號分量調變的振幅。
  15. 如請求項14之方法，其中，該第二信號 分量有一調變頻率，其在離該懸臂樑之該等共振正規模式中之至少一者有20%之範圍內。
  16. 如請求項15之方法，其中，該調變頻率等於a乘基本頻率，其中，a在0.8至1.2之範圍內。
  17. 如請求項14至16中之任一項的方法，其中，感測該輸出信號的步驟包含：測量該輸出信號在一測量頻率處或其附近之信號特性的一步驟。
  18. 如請求項17之方法，其中，該測量頻率在離該懸臂樑之該等共振正規模式中之至少一者有20%之範圍內；或其中，該測量頻率等於b乘懸臂樑之共振的基本頻率，其中，b在0.8至1.2之範圍內；或其中，該測量頻率等於該調變頻率或在該調變頻率的5%內。
  19. 如請求項14至16中之任一項的方法，其中，感測該輸出信號的步驟包含：測量該輸出信號之信號特性的一步驟，特別是，該輸出信號的一相位或一振幅中之至少一者。
  20. 如請求項14至16中之任一項的方法，其中，該樣本包括以下各物中之至少一者或組合或所有：嵌在該樣本內的一半導體結構，一多層半導體結構或元件，一三維半導體結構，例如一環繞式閘極半導體裝置或一鰭片場效電晶體結構；一結構，其包含有至少一大小尺寸是小於10奈米的數個結構性特徵。
  21. 一種用於偵測奈米尺寸半導體元件在樣本之表面上或表面下之結構的掃描探針顯微系統，其包含用於掃描樣本表面的一探針，其中，該探針包含裝在一懸臂樑上的一探針尖端，該懸臂樑以包括一基本共振頻率的一或多個共振正規模式為特徵，且其中，該探針裝在經配置成可使該探針尖端與該樣本表面接觸的一感測頭上，該系統進一步包含：用於施加一振動輸入信號至該探針的一換能器，與用於產生一輸出信號的一探針偏折感測器，該輸出信號表示出該探針尖端由該振動輸入信號在該表面所誘發之振動而引起之該探針尖端的運動；其中，該換能器經組配為可產生該振動輸入信號以便至少包含有在10百萬赫至10吉赫之範圍內之一頻率的一第一信號分量，且其中，該換能器經組配為可至少使用有低於5百萬赫之一調變頻率的一第二信號分量來振幅調變該振動輸入信號。
  22. 如請求項21之掃描探針顯微系統，其中，經組配為可使用該第二信號分量來振幅調變該振動輸入信號的該換能器，係經組配為可提供有在離該懸臂樑之該等共振正規模式中之至少一者有20%之範圍內之該調變頻率的該第二信號分量。
  23. 如請求項22之掃描探針顯微系統，其中，經組配為可使用該第二信號分量來振幅調變該振動輸入信號的該換能器，係經組配為可提供有等於a乘基本頻率之該調變頻率的該第二信號分量，其中，a在0.8至1.2 之範圍內。
  24. 如請求項21至23中之任一項的掃描探針顯微系統，其更包含與該探針偏折感測器呈通訊連結的一控制器或分析器系統，其中，該控制器或分析器系統經組配為可判定該輸出信號在一測量頻率處或其附近的信號特性。
  25. 如請求項24之掃描探針顯微系統，其中，該控制器或分析器系統經組配為用於執行該輸出信號在該測量頻率處之信號特性的該判定，而該測量頻率是在離該懸臂樑之該等共振正規模式中之至少一者有20%之範圍內；或其中，該測量頻率等於b乘懸臂樑之共振的基本頻率，其中，b在0.8至1.2之範圍內；或其中，該測量頻率等於該調變頻率或在該調變頻率的5%內。
  26. 如請求項21至23中之任一項的掃描探針顯微系統，其更包含與該探針偏折感測器呈通訊連結的一控制器或分析器系統，其中，該控制器或分析器系統經組配為可判定該輸出信號在一測量頻率處或其附近的信號特性，該信號特性包括該輸出信號的一相位或一振幅中之至少一者。
TW107101424A 2017-01-13 2018-01-15 使用包括懸臂樑及探針尖端的探針來偵測樣本之表面上或表面下之結構的方法及系統 TWI761426B (zh)

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