当前位置: 首页 > 专利查询>瑞沃拉公司专利>正文

用于使用二次离子质谱的半导体计量和表面分析的系统和方法技术方案

技术编号:16721985 阅读:41 留言:0更新日期:2017-12-05 18:48
公开了用于使用二次离子质谱(SIMS)的半导体计量和表面分析的系统和方法。在实例中,二次离子质谱(SIMS)系统包括样品台。一次离子束被引导至样品台。提取透镜对准样品台。配置提取透镜为从样品台上的样品发射的二次离子提供低提取场。磁扇区光谱仪沿着SIMS系统的光学路径耦合到提取透镜。磁扇区光谱仪包括耦合到磁扇区分析仪(MSA)的静电分析仪(ESA)。

Systems and methods for measuring and surface analysis of semiconductors using two ion mass spectrometry

A system and method for semiconductor metrology and surface analysis used for the use of two ion mass spectrometry (SIMS) is disclosed. In the example, the two ion mass spectrometry (SIMS) system consists of a sample table. One ion beam is guided to the sample table. The lens is extracted for the sample table. The extraction lens is configured to provide a low extraction field for the two ions emitted from the sample on the sample table. The magnetic sector spectrometer coupled the optical path of the SIMS system to the extraction of the lens. The magnetic sector spectrometer includes an electrostatic analyzer (ESA) coupled to the magnetic sector analyzer (MSA).

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于使用二次离子质谱的半导体计量和表面分析的系统和方法相关申请的引用本申请要求于2015年2月10日提交的美国临时申请No.62/114,521的权益,其全部内容通过引用并入本文。本申请还要求于2015年2月10日提交的美国临时申请No.62/114,519的权益,其全部内容通过引用并入本文。本申请还要求于2015年2月10日提交的美国临时申请No.62/114,524的权益,其全部内容通过引用并入本文。
本专利技术的实施方式在半导体计量领域,并且具体而言是使用二次离子质谱(SIMS)的半导体计量和表面分析的系统和方法。
技术介绍
二次离子质谱(SIMS)是通过用聚焦的一次离子束溅射样本的表面并收集和分析喷射(弹射,ejected)的二次离子来用于分析固体表面和薄膜的组成的技术。用质谱仪测量这些二次离子的质量/电荷比来确定表面至1至2纳米的深度的元素、同位素或分子组成。由于不同材料之间电离概率的变化很大,尽管使用标准可以进行定量,但通常将SIMS认为是定性技术。SIMS是最敏感的表面分析技术,其中元素检测限范围为从百万分率到十亿分率。通常,SIMS需要具有低于10-4Pa的压强的高真空。需要高真空以确保二次离子在它们到达检测器的途中不会与背景气体碰撞(即,与仪器的尺寸相比,检测器内的气体分子的平均自由路径必须是大的),并且还可防止在测量期间通过吸附背景气体颗粒而可能发生的表面污染。在SIMS分析中采用三种基本类型的离子枪。在一种类型中,通常用双等离子管或由电子电离产生气态元素的离子,例如稀有气体(40Ar+,Xe+)、氧(16O-,16O2+,16O2-),或者甚至电离的分子,如SF5+(由SF6产生)或C60+(富勒烯)。这种类型的离子枪是容易操作的,并产生大致聚焦的但高电流的离子束。第二种源类型是表面电离源,产生133Cs+一次离子。铯原子蒸发通过多孔钨塞,并在蒸发过程中被电离。取决于枪设计,可获得精细聚焦或高电流。第三种源类型是液态金属离子枪(LMIG),用金属或金属合金操作,它们在室温或略高于室温下是液态。液态金属覆盖钨尖端并在强电场的影响下发射离子。虽然镓源能够以元素镓操作,但最近开发的金、铟和铋的源使用降低其熔点的合金。LMIG提供具有适度强度的紧密聚焦的离子束(小于50纳米),并且还能够产生短脉冲离子束。因此,它通常用于静态SIMS设备。离子种类和离子枪的选择分别取决于所要求的电流(脉冲或连续)、所需的一次离子束的束尺寸和待分析的样品。由于正二次离子的产生概率的增加,氧一次离子通常用于研究电正性元素,而当研究电负性元素时,通常使用铯一次离子。对于静态SIMS中的短脉冲离子束,最常采用LMIG来分析。在元素深度剖析(profiling)期间,LMIG可与氧枪或铯枪组合,或在分子深度剖析期间与C60+或气体簇离子源组合。取决于SIMS类型,有三种基本分析仪可用:扇区、四极和飞行时间(time-of-flight)。扇区场质谱仪使用静电分析仪和磁分析仪的组合来通过二次离子的质荷比分离它们。四极质量分析仪通过谐振电场分离质量,这只允许选定的质量通过。飞行时间质量分析仪根据其速度将无场漂移路径中的离子分离。由于所有离子具有相同的动能,所以速度和因此的飞行时间根据质量而变化。飞行时间质量分析仪需要使用脉冲一次离子枪或脉冲二次离子提取进行脉冲二次离子生成。飞行时间质量分析仪是能够同时检测所有生成的二次离子的唯一分析仪,也是静态SIMS仪器的标准分析仪。在表面分析领域,通常区分静态SIMS和动态SIMS。静态SIMS是涉及表面原子单层分析或表面分子分析的方法,通常用脉冲离子束和飞行时间质谱仪。同时,动态SIMS是涉及整体分析(bulkanalysis)的方法,与溅射方法密切相关。动态SIMS采用DC一次离子束和磁扇区或四极质谱仪。SIMS是一种非常强大的技术。但是,在SIMS测量设备、系统和方法方面需要进步。
技术实现思路
本专利技术的实施方式包括使用二次离子质谱(SIMS)的半导体计量和表面分析的系统和方法。在一个实施方式中,二次离子质谱(SIMS)系统包括样品台。一次离子束被引导至样品台。提取透镜对准样品台。配置提取透镜为从样品台上的样品发射的二次离子提供低提取场。磁扇区光谱仪沿着SIMS系统的光学路径耦合到提取透镜。磁扇区光谱仪包括耦合到磁扇区分析仪(MSA)的静电分析仪(ESA)。在一个实施方式中,测量和控制样品的表面电势的方法包括测量从样品表面发射的带电粒子的动能。该方法还涉及确定带电粒子的动能的位移(变化,shift)。响应于带电粒子的动能的位移,样品表面的表面电势发生改变。在一个实施方式中,确定晶片背面接触电阻的方法包括测量晶片的表面的间隙距离值,其基于用第一驱动信号驱动的主要电容式传感器电极和用第二驱动信号驱动的补偿电容式传感器电极的比较,与第一驱动信号相比,第二驱动信号的振幅或相位发生位移。测量第二驱动信号的值。将第二驱动信号的值校准为参考阻抗标准以确定晶片对地的阻抗值。基于间隙距离值和晶片对地的阻抗值确定晶片的表面的接触电阻值。附图说明图1示出根据本专利技术的实施方式的SIMS测量系统的示意图。图2图示说明根据本专利技术的实施方式的SIMS系统的电荷补偿考虑。图3示出根据本专利技术的实施方式的包括法拉第杯和用于存储校准标准的区域的台面区域。图4A和图4B包括根据本专利技术的实施方式的使用静电分析仪系统和配备有电流传感器的能量狭缝以监测和控制电荷补偿系统的示意图。图5示出根据本专利技术的实施方式的通过上光谱仪和转动静电分析仪(ESA)扇区的二次离子束路径。图6示出根据本专利技术的实施方式的用于通过上光谱仪和转动静电分析仪(ESA)扇区的正离子的二次离子束路径。图7示出根据本专利技术的实施方式的朝向高能量的能量扫描分布,其使用改变静电分析仪的平均通过能量的转动ESA116之后的低能量电流传感器和高能量电流传感器作为反馈。图8A,图8B,图8C和图8D包括根据本专利技术的实施方式的用于使用静电转动ESA116测量二次离子能量分布的示意图,以及与图7相关描述的高地低能量狭缝传感器。图9示出根据本专利技术的实施方式的涉及以相同的电压在ESA116和ESA118上扫描的转动ESA扫描的能量分布扫描。图10是示出根据本专利技术的实施方式的由于表面充电而在样品上的正电势的示意图。图11是示出根据本专利技术的实施方式的基于电子束的电荷中和和控制的示意图。图12是示出根据本专利技术的实施方式的使用强度可变光子源的样品的光电导性的示意图。图13A是示出根据本专利技术实施方案的使用远离样品的电子发射材料的电荷中和的示意图。图13B是示出根据本专利技术的实施方式的如果电子通量超过一次离子诱导的正表面电荷的有效电荷中和的示意图。图14图示说明使用补偿电极以确定间隙距离所涉及的一些参数。图15示出根据本专利技术的实施方式的示例性计算机系统的框图。具体实施方式描述了使用二次离子质谱(SIMS)的半导体计量和表面分析的系统和方法。在下面的描述中,阐述了许多具体细节,如SIMS分析技术和系统配置,以便提供对本专利技术的实施方式的透彻理解。对于本领域技的术人员显而易见的是可在没有这些具体细节的情况下实施本专利技术的实施方式。在其他情况下,不详细描述众所周知的特征如整体半导体器件堆叠,以本文档来自技高网
...
用于使用二次离子质谱的半导体计量和表面分析的系统和方法

【技术保护点】
一种二次离子质谱(SIMS)系统,包括:样品台;一次离子源和离子光学器件,用于产生并将一次离子束引导至所述样品台;提取透镜,对准所述样品台,配置所述提取透镜为从所述样品台上的样品发射的二次离子提供低提取场;和磁扇区光谱仪,沿着所述SIMS系统的光学路径耦合到所述提取透镜,所述磁扇区光谱仪包括耦合到磁扇区分析仪(MSA)的静电分析仪(ESA)。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.02.10 US 62/114,521;2015.02.10 US 62/114,519;1.一种二次离子质谱(SIMS)系统,包括:样品台;一次离子源和离子光学器件,用于产生并将一次离子束引导至所述样品台;提取透镜,对准所述样品台,配置所述提取透镜为从所述样品台上的样品发射的二次离子提供低提取场;和磁扇区光谱仪,沿着所述SIMS系统的光学路径耦合到所述提取透镜,所述磁扇区光谱仪包括耦合到磁扇区分析仪(MSA)的静电分析仪(ESA)。2.根据权利要求1所述的SIMS系统,其中,所述样品台包含法拉第杯。3.根据权利要求1所述的SIMS系统,进一步包括:沿着所述磁扇区光谱仪的平面间隔开的多个检测器。4.根据权利要求3所述的SIMS系统,其中,所述多个检测器用于检测来自从所述样品发射的二次离子束的相应的多个不同物质。5.根据权利要求1所述的SIMS系统,进一步包括:沿着所述SIMS系统的光学路径耦合的第一附加ESA,在所述提取透镜和所述磁扇区光谱仪的ESA之间;和沿着所述SIMS系统的光学路径耦合的第二附加ESA,在所述第一附加ESA和所述磁扇区光谱仪的ESA之间。6.根据权利要求5所述的SIMS系统,其中,所述第一附加ESA被配置为扩展从所述样品发射的二次离子束,并且其中,所述第二附加ESA被配置为集中从所述第一附加ESA接收的二次离子束。7.根据权利要求6所述的SIMS系统,进一步包括:沿着所述SIMS系统的光学路径的一个或多个狭缝,在所述第一附加ESA和所述第二附加ESA之间。8.根据权利要求7所述的SIMS系统,其中,所述第一附加ESA、所述第二附加ESA和所述一个或多个狭缝被包括在所述SIMS系统的电荷补偿系统中。9.根据权利要求5所述的SIMS系统,其中,所述第一附加ESA和所述第二附加ESA一起将所述SIMS系统的光学路径从所述样品台的上方引导至所述样品的下方。10.根据权利要求9所述的SIMS系统,其中,所述MSA的磁体位于所述样品台的下方。11.根据权利要求1所述的SIMS系统,其中,所述低提取场具有至多为约10伏特/毫米的绝对值。12.根据权利要求1所述的SIMS系统,进一步包括:耦合到所述样品台的传送机器人。13.根据权利要求12所述的SIMS系统,进一步包括:耦合到所述传送机器人的容器,所述容器能够包含校准或参考晶片或者能够包含校准或参考样品的晶片样载体。14.一种测量和控制样品的表面电势的方法,所述方法包括:测量从样品表面发射的带电粒子的动能分布;确定所述带电粒子的动能的位移;和响应于所述带电粒子的动能的位移,改变所述样品表面的表面电势。15.根据权利要求14所述的方法,其中,改变所述样品表面的表面电势包括调整支撑所述样品的电极的偏差电压。16.根据权利要求14所述的方法,其中,改变所述样品表面的表面电势包括在所述样品表面引导电子束。17.根据权利要求16所述的方法,其中,在所述样品表面引导所...

【专利技术属性】
技术研发人员:戴维·A·雷德布鲁诺·W·许勒尔布鲁斯·H·纽科姆罗德尼·斯梅德特克里斯·贝维斯
申请(专利权)人:瑞沃拉公司
类型:发明
国别省市:美国,US

网友询问留言 已有0条评论
  • 还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。

1