利用聚焦离子束加工半导体芯片结构透射样品的方法技术

本申请公开了一种利用聚焦离子束加工半导体芯片结构透射样品的方法，在常规透射样品制备流程的基础上进行了减薄流程的改进，采用特定参数进行切割加工时两步切割法和间隙切割法，实现半导体芯片结构的均匀厚度加工，特别是针对钨柱结构的切割方式进行了优化设计，并且提供了判断观测薄片厚度的多种参考依据。可以实现高效的半导体芯片结构的透射样品制备工作，并且获得关键器件结构的高分辨透射图像。像。像。

【技术实现步骤摘要】
利用聚焦离子束加工半导体芯片结构透射样品的方法


[0001]本申请涉及样本制备
，特别涉及一种利用聚焦离子束加工半导体芯片结构透射样品的方法。

技术介绍

[0002]为了突破发达国家对我国的技术封锁政策，我国需要实现自主芯片制造，占据半导体技术行业的领先地位。半导体芯片结构的微观表征是我国实现芯片的自主制造的必要手段。随着半导体制造技术的发展，芯片中的晶体管结构制程已经减小到7nm，并且3nm制程的工业化也在稳步推进中。芯片的实际结构是否与设计结构相符，只能通过纳米尺度的微观结构表征手段进行验证测试。这就需要对半导体芯片进行透射电镜样品制备与纳米尺度下的微观结构表征。整个测试过程的关键在于对半导体芯片进行精准定位的透射电镜样品制备，确保目标结构在观测薄区的范围内；并且整个观测区域的厚度均匀，确保半导体芯片的复杂内部结构得到清晰的呈现；另外，需要特定结构膜层的观测厚度小于50nm，确保观测到的组分与结构信息为工艺优化提供最优的参考数据。
[0003]现有的采用聚焦离子束显微镜进行透射样品制备方案是针对材质均匀的块体样品设计的。一般包括以下五个步骤：(1)沉积保护层：在目标加工区域表面，用电子束或者离子束沉积的方法沉积一层厚度为2微米的保护材料；(2)切割薄片：在目标区域两侧加工深度为10微米以上的凹槽，使目标区域成为一个1
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2um厚的薄片，(3)提取与固定：在薄片周边加工切断槽，将薄片焊接在纳米手上，再转移到透射电镜制样专用的支撑网上；(4)粗切：采用30kV电压下的几百pA至几十pA级别的离子束对薄片进行减薄加工，直至薄片厚度为80
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100纳米，(5)细切：采用5kV至1kV电压下50
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100pA的离子束流，对薄片进行减薄加工，直至薄片厚度达到50nm以下。
[0004]采用常规的透射样品制备流程对半导体芯片结构进行制样加工时，存在如下缺陷：
[0005]第一，半导体芯片结构的薄区厚度不均匀。采用标准流片工艺制备的半导体芯片结构通常含有4
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6层金属连接层，采用铜或者铝作为电极连接的金属材料，采用金属钨柱作为层间通管的填充材料，采用二氧化硅作为电路之间的绝缘材料，另外还存在其他构成特定器件结构的多种功能性材料。不同的材料之间具有差异较大的溅射速率，因此，采用常规的透射样品制备方法进行加工时，会出现不同区域被切割的厚度出现较大的差距，导致观测薄区在不同的材料位置存在不均匀的厚度，影响最终的透射电镜观测效果。
[0006]第二，在采用聚焦离子束制备透射样品的过程中缺少判断薄区厚度的量化标准。完成透射样品加工之后，薄区的厚度是否满足透射电镜观测的需求，是否能够获得优质的高分辨图像，这个问题只能依靠制样者的经验去判断，或者到最终的透射电镜观测时才能得到最终的结论。常规的经验是依靠薄区在低电压，5kv或者3kv下的透光度来判断，但是，对导电性好与导电性差的样品，很难通过这样的依据做出准确的判断。
[0007]第三，采用常规的制样方法很难获得钨柱顶端结构的高分辨图像。由于镓离子束
切割钨柱的溅射速率比切割硅的速率的一半还要低(钨的溅射速率为11.21，硅的溅射速率为27.61)，因此，当半导体芯片的主体材料硅基底和二氧化硅绝缘材料被切割时，作为填充通管的钨柱只有一半的厚度得到切割，进而导致钨柱上层制作的器件结构得不到充分的减薄。这些结构在最终的透射电镜观测时，由于厚度过大而得不到优质的高分辨图像。然而，这些钨柱上制作的器件结构通常是工艺技术开发和科研探索工作中设计的新型器件结构，是技术进步的关键所在。

技术实现思路

[0008]本申请提供一种利用聚焦离子束加工半导体芯片结构透射样品的方法，能够实现50nm尺度的精确定位制样，对垂直方向上存在的异质材料进行均匀厚度的减薄加工，并且提供了判断薄区厚度的参考标准，以便获得优质的透射电镜观测结果。
[0009]本申请的实施例提供一种利用聚焦离子束加工半导体芯片结构透射样品的方法，包括以下步骤：获取半导体芯片截面的样本薄片；选取切割参数对所述样本薄片进行多次粗切和多次细切，将所述样本薄片加工到设定厚度，其中，在粗切中，所述样本薄片的厚度为减压厚度时，降低切割时的离子束电压继续进行切割，并且在粗切和细切中均利用两步切割法和间隙减薄法进行切割；利用厚度判断方法评估所述设定厚度是否满足预设要求，在所述设定厚度满足所述预设要求时，得到半导体芯片结构透射样品。
[0010]可选地，在本申请的一个实施例中，所述多次粗切包括：粗切步骤1：在所述样本薄片距离钨柱中心的第一距离处，采用步进式切割模式，以第一离子束电压与电流，第一切割角度，第一切割深度将所述样本薄片加工到第一预设厚度，其中，所述第一切割深度大于目标加工深度；粗切步骤2：在所述样本薄片距离钨柱中心的第二距离处，采用步进式切割模式，以第二离子束电压与电流，第二切割角度，第二切割深度进行两次减薄，在第二次减薄中利用间隙减薄法将所述样品薄片厚度加工到第二预设厚度，其中，所述第二切割深度为所述目标加工深度，所述第二离子束电压与电流均小于所述第一离子束电压与电流，所述第二距离小于所述第一距离；粗切步骤3：在所述样本薄片距离钨柱中心的第三距离处，采用第三离子束电压与电流进行两次减薄，在第二次减薄中利用所述间隙减薄法将所述样品薄片厚度加工到第三预设厚度，其中，所述第三距离小于所述第二距离，第二离子束电压电流小于第一离子束电流；粗切步骤4：在所述样本薄片距离钨柱中心的第四距离处，采用第四离子束电压与电流进行两次减薄，将所述样品薄片厚度加工到第三预设厚度，其中，所述第四距离小于所述第三距离，所述第四离子束电压与电流均小于所述第三离子束电压与电流。
[0011]可选地，在本申请的一个实施例中，所述多次细切包括：细切步骤1：在所述样本薄片距离钨柱中心的第五距离处，采用步进式切割模式，以第五离子束电压与电流，第一切割角度，第三切割深度进行两次减薄，在第二次减薄中采用所述间隙减薄法将所述样品薄片厚度加工到第五预设厚度，其中，所述第五距离小于所述第四距离，所述第五离子束电压与电流均小于所述第四离子束电压与电流，所述第三切割深度小于目标加工深度；细切步骤2：在所述样本薄片距离钨柱中心的第六距离处，采用第六离子束电压与电流进行两次减薄，在第二次减薄中采用所述间隙减薄法将所述样品薄片厚度加工第六预设厚度，其中，所述第六距离小于所述第五距离，所述第六离子束电流小于所述第五离子束电流；细切步骤
3：采用整体切割模式，以第七离子束电压与电流，第三切割角度，第一切割时间，切割位置设置为离子束视野下可见的全部观测区，先进行正面减薄，再进行反面减薄，将所述样品薄片厚度加工到第七预设厚度，其中，所述第七离子束电压小于所述第六离子束电压；细切步骤4：采用整体切割模式，采用第八离子束电压与电流，先进行正面减薄，再进行反面减薄，将所述样品薄片厚度加工到所述设定厚度，其中，所述第八离子束电流小于第七离子束电流。
[0012]可选地，在本申请的一个本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种利用聚焦离子束加工半导体芯片结构透射样品的方法，其特征在于，包括以下步骤：获取半导体芯片截面的样本薄片；选取切割参数对所述样本薄片进行多次粗切和多次细切，将所述样本薄片加工到设定厚度，其中，在粗切中，所述样本薄片的厚度为减压厚度时，降低切割时的离子束电压继续进行切割，并且在粗切和细切中均利用两步切割法和间隙减薄法进行切割；利用厚度判断方法评估所述设定厚度是否满足预设要求，在所述设定厚度满足所述预设要求时，得到半导体芯片结构透射样品。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多次粗切包括：粗切步骤1：在所述样本薄片距离钨柱中心的第一距离处，采用步进式切割模式，以第一离子束电压与电流，第一切割角度，第一切割深度将所述样本薄片加工到第一预设厚度，其中，所述第一切割深度大于目标加工深度；粗切步骤2：在所述样本薄片距离钨柱中心的第二距离处，采用步进式切割模式，以第二离子束电压与电流，第二切割角度，第二切割深度进行两次减薄，在第二次减薄中利用间隙减薄法将所述样品薄片厚度加工到第二预设厚度，其中，所述第二切割深度为所述目标加工深度，所述第二离子束电压与电流均小于所述第一离子束电压与电流，所述第二距离小于所述第一距离；粗切步骤3：在所述样本薄片距离钨柱中心的第三距离处，采用第三离子束电压与电流进行两次减薄，在第二次减薄中利用所述间隙减薄法将所述样品薄片厚度加工到第三预设厚度，其中，所述第三距离小于所述第二距离，第二离子束电压电流小于第一离子束电流；粗切步骤4：在所述样本薄片距离钨柱中心的第四距离处，采用第四离子束电压与电流进行两次减薄，将所述样品薄片厚度加工到第三预设厚度，其中，所述第四距离小于所述第三距离，所述第四离子束电压与电流均小于所述第三离子束电压与电流。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述多次细切包括：细切步骤1：在所述样本薄片距离钨柱中心的第五距离处，采用步进式切割模式，以第五离子束电压与电流，第一切割角度，第三切割深度进行两次减薄，在第二次减薄中采用所述间隙减薄法将所述样品薄片厚度加工到第五预设厚度，其中，所述第五距离小于所述第四距离，所述第五离子束电压与电流均小于所述第四离子束电压与电流，所述第三切割深度小于目标加工深度；细切步骤2：在所述样本薄片距离钨柱中心的第六距离处，采用第六离子束电压与电流进行两次减薄，在第二次减薄中采用所述间隙减薄法将所述样品薄片厚度加工第六预设厚度，其中，所述第六距离小于所述第五距离，所述第六离子束电流小于所述第五离子束电流；细切步骤3：采用整体切割模式，以第七离子束电压与电流，第三切割角度，第一切割时间，切割位置设置为离子束视野下可见的全部观测区，先进行正面减薄，再进行反面减薄，将所述样品薄片厚度加工到第七预设厚度，其中，所述第七离子束电压小于所述第六离子束电压；细切步骤4：采用整体切割模式，采用第八离子束电压与电流，先进行正面减薄，再进行反面减薄，将所述样品薄片厚度加工到所述设定厚度，其中，所述第八离子束电流小于第七
离子束电流。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述粗切步骤1具体包括：将切割位置设置在距离钨柱中心500纳米处，采用步进式切割模式，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴华强，孙雯，唐建石，高滨，钱鹤，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：