晶片中检查体积的截面成像方法技术

本发明专利技术涉及一种双光束设备和三维电路图案检查技术，通过对半导体晶片表面以下超过1μm的大深度延伸的检查体积进行截面测量，并且更具体地，涉及一种方法、计算机程序产品和装置，用于在不从晶片移除样品的情况下生成晶片内部的深检查体积的3D体积图像数据。本发明专利技术还涉及利用双光束设备进行三维电路图案检查的3D体积图像生成、截面图像对准方法。截面图像对准方法。截面图像对准方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】晶片中检查体积的截面成像方法


[0001]本专利技术涉及通过对集成电路进行截面测量的三维电路图案检查和测量技术。更具体地说，本专利技术涉及一种通过对在包括集成电路的半导体晶片的测量位置处的检查体积进行截面测量(cross sectioning)的三维电路图案检查技术，并且更具体地说，涉及一种用于在半导体晶片的测量位置处获得检查体积的3D体积图像的方法、计算机程序产品和对应的半导体检查设备。该方法采用在倾斜角度下将截面表面铣削到晶片的检查体积中，并用带电粒子成像显微镜对倾斜截面表面进行成像。该方法、计算机程序产品和设备可用于半导体晶片内集成电路的定量计量、缺陷检测、过程监控、缺陷审查和检查。

技术介绍

[0002]半导体结构是最精细的人造结构之一，并且仅存在极少数缺陷。这些罕见的缺陷是缺陷检测或缺陷审查或定量计量设备正在寻找的特征。制造的半导体结构基于现有知识。半导体结构由平行于衬底的层的序列制成。例如，在逻辑型样品中，金属线在金属层或HAR(高纵横比)结构中平行延伸，并且金属通孔垂直于金属层延伸。不同层中的金属线之间的角度为0
°
或90
°
。另一方面，对于VNAND型结构，已知它们的截面平均是圆形的。
[0003]在集成电路的制造中，特征尺寸变得越来越小。当前的最小特征尺寸或临界尺寸低于10nm，例如7nm或5nm，并且在不久的将来接近低于3nm。因此，测量图案的边缘形状，并以高精度确定特征的尺寸或线边缘粗糙度变得具有挑战性。图案的边缘形状或线的粗糙度受到多种影响。一般来说，线或图案的边缘形状可能受所涉及的材料本身的特性、光刻曝光或任何其它所涉及的工艺步骤(例如蚀刻、沉积或植入)的影响。带电粒子系统的测量分辨率通常受到单个图像点的采样光栅或样品上每个像素的停留时间以及带电粒子束直径的限制。采样光栅分辨率可以在成像系统内设置，并且可以适应样品上的带电粒子束直径。典型的光栅分辨率为2nm或更低，但是光栅分辨率极限可以降低而没有物理限制。带电粒子束直径具有有限的尺寸，这取决于带电粒子束操作条件和透镜。光束分辨率受到光束直径大约一半的限制。分辨率可以低于2nm，例如甚至低于1nm。
[0004]随着集成半导体电路的特征尺寸越来越小，以及对带电粒子成像系统分辨率的要求越来越高，晶片中集成半导体电路的检查和3D分析变得越来越具有挑战性。半导体晶片具有300mm的直径，并且由多个的几个位置(所谓的管芯)构成，每个位置包括至少一个集成电路图案，例如用于存储器芯片或处理器芯片。半导体晶片经过大约1000个工艺步骤，并且在半导体晶片内，形成大约100个和更多的平行层，包括晶体管层、线中间的层和互连层，并且在存储器设备中，形成存储器单元的3D阵列。
[0005]从纳米级半导体样品生成3D断层扫描数据的常用方法是所谓的切片和图像方法，例如通过双光束设备进行详细说明。在这样的装置中，两个粒子光学系统以一定角度布置。第一粒子光学系统可以是扫描电子显微镜(SEM)。第二粒子光学系统可以是使用例如镓(Ga)离子的聚焦离子束光学系统(FIB)。镓离子的聚焦离子束(FIB)用于一片一片地切断半导体样品边缘的层，并且使用扫描电子显微镜(SEM)对每个截面进行成像。两个粒子光学系
统可以垂直或者以45
°
和90
°
之间的角度定向。图1示出了切片和图像方法的示意图：使用FIB光学柱50，在z方向上具有聚焦离子束51，并且在y
‑
z平面上扫描，从穿过半导体样品10的截面中移除薄层，以显示新的前表面52作为截面表面52。在下一步骤中，例如SEM 40用于截面表面52的前表面的扫描成像。在该示例中，SEM光轴42平行于x方向定向，并且通过在y
‑
z平面中沿着扫描成像线46扫描电子束44来生成图像。在执行截面表面52的光栅扫描之后，形成截面图像切片100.1。通过通过例如前截面表面53和54重复FIB铣削和SEM成像的这种方法，获得了具有距离d的截面图像切片100.2和100.3。最后，获得通过不同深度的样品的2D截面图像1000的序列。两个后续图像切片之间的距离d可以在1nm和几十nm之间，例如30nm。根据这些2D截面图像1000的序列，可以重建集成半导体结构的3D图像。
[0006]图1示出了在块状集成半导体样品10的示例中的切片和图像方法，该样品通过已知技术从半导体晶片上移除。基准在块状样品的顶部形成。在所谓的基准的帮助下，导出每个切片的横向位置以及层与层之间的距离是一种常用方法。US 9,633,819 B2公开了一种基于曝光于样品顶部的导向结构(“基准”)的对准方法。US 7,348,556描述了一种表面上的对准标记，用于从连续图像切片的序列中确定三维表面粗糙度。
[0007]现有技术的常见切片和图像方法不适用于晶片内部的检查体积。使用常见切片和成像方法，需要从半导体晶片中移除或提取样品，然后才能执行切片和图像方法来获取样品的3D体积图像。因此，任务是提供一种适用于晶片中检查体积的3D体积图像生成而不移除样品的切片和图像方法。
[0008]US 7,438,556示出了一种利用双光束FIB/SEM工具确定线边缘或表面粗糙度的方法。通过垂直于样品表面的FIB铣削生成一系列截面表面。在大约10nm或更大的切片距离处生成截面的序列。在顶表面上应用基准来确定截面的横向位置。SEM倾斜于样品表面的法线，并且用于形成截面图像的序列。根据每个截面图像，确定在平行于晶片表面的方向上的特征的临界尺寸(CD)。从CD确定特征的线边缘粗糙度，其中在每个截面图像中，参考基准确定特征的边缘。垂直于样品表面的边缘位置是参照SEM的已知角度和基准确定的。因此，不可能精确确定特征的深度。因此，所提出的方法限于平行于样品表面的半导体特征的1D测量。特别地，所提出的方法没有提供精确确定晶片表面下方的半导体特征的深度的手段。
[0009]为了分析重复性的和深的半导体特征，例如存储器设备的HAR结构，提出了在用于铣削的FIB光束的具有小倾角的单楔形切割几何形状下进行切片和成像。例如，US 9,466,537示出了一种检查具有模塑层的半导体设备的方法。通过以倾斜角度铣削入模塑层，形成穿过模塑层的倾斜截面表面。为了获得期望的倾斜角度，在铣削步骤和成像步骤之间倾斜保持正在研究的样品的载物台。分析切割或截面表面的所获得的图像，并且例如相对于用作参考的选定的半导体特征导出半导体特征的中心位置。据称，从这种分析中，可以导出制造工艺中的工艺偏差。然而，事实证明，对单个切口或截面的分析，以及利用感兴趣的特征作为参考，具有有限的精度，并且不能提供监控制造工艺所需的信息。此外，在铣削和成像之间倾斜载物台的要求对于高吞吐量的检查任务来说是不切实际的。
[0010]US 10,026,590公开了一种检查感兴趣特征的类似方法，通过以掠射角将单个截面表面铣削到样品中，并且虚拟特征由不同深度的不同感兴趣特征的截面构成。根据特征的截面到沟槽的边缘的横向距离来确定深度。通过附加的铣削本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种从截面图像切片的序列形成3D体积图像的方法，包括：获得包括检查体积的至少第一截面图像切片和第二截面图像切片的N个截面图像切片的序列，其中获得所述第一截面图像切片和所述第二截面图像切片包括随后通过用FIB柱近似以角度GF铣削到检查体积中来暴露检查体积中的至少第一截面表面和第二截面表面，以及用带电粒子成像设备对所述至少第一截面表面和所述第二截面表面成像，以获得所述至少第一截面图像切片和第二截面图像切片；其中与所述第二截面表面相比，所述第一截面图像表面在垂直于FIB光束的方向上以更大的延伸被铣削，使得在形成所述第二截面表面之后，保留所述第一截面表面的平行表面段。2.根据权利要求1所述的方法，还包括在所述第一截面表面的平行表面段上形成至少一个对准特征以用于所述第一截面图像切片和所述第二截面图像切片的第一相互横向对准的步骤。3.根据权利要求2的方法，进一步包括以下步骤确定所述第一截面图像切片和所述第二截面图像切片中的至少一个第一截面图像特征；基于所述第一相互横向对准执行所述第一截面图像切片和所述第二截面图像切片的第二相互横向对准，以实现所述第一截面图像切片和所述第二截面图像切片的预定相互位置精度。4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述第一截面图像特征是通孔、HAR结构或HAR通道的截面。5.根据权利要求3或4的方法，还包括以下步骤：确定所述第一截面图像切片和所述第二截面图像切片中的至少一个第二截面图像特征；和从所述第一截面图像切片中的所述至少一个第二截面图像特征的横向位置确定所述第一截面图像切片中的所述至少一个第一截面图像特征的深度，从所述第二截面图像切片中的所述至少一个第二截面图像特征的横向位置确定所述第二截面图像切片中的所述至少一个第一截面图像特征的深度，考虑所述第二相互横向对准中的所述深度，以实现所述至少第一截面图像切片和所述第二截面图像切片的相互位置精度低于5nm、低于3nm或者甚至低于2nm。6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述至少一个第二截面图像特征由隔离线或层、金属线或层、半导体线或层之一的截面形成。7.根据权利要求5或6所述的方法，进一步包括：计算所述第一截面图像切片和所述第二截面图像切片之间的所述第一截面图像特征的第一位移ΔY
′
Ch
，计算所述第一截面图像切片和所述第二截面图像切片之间的所述第二截面图像特征的第二位移ΔY
′
WL
，确定所述第一截面图像切片和所述第二截面图像切片之间的距离d，以及确定所述第一截面图像切片和所述第二截面图像切片之间的相互横向位移矢量ΔY
′
。8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中，倾斜角GF在25
°
和45
°
之间调整，或者在30
°
和36
°
之间调整。
9.一种形成多个截面图像切片的精确对准的方法，所述多个截面图像切片从晶片表面下方的检查体积内获得，所述方法包括：获得截面图像切片的序列形成截面图像表面的序列...

【专利技术属性】
技术研发人员：D科洛奇科夫，E福卡，T柯布，A布克斯鲍姆，JT纽曼，C休恩，B牛，
申请(专利权)人：卡尔蔡司SMT有限责任公司，
类型：发明
国别省市：