本发明专利技术涉及制备用于TEM成像的薄样本的方法。本发明专利技术的目的在于提供一种方法和设备，用于以减少或防止弯曲和垂落的方式制备TEM样本。本发明专利技术的优选实施例在制备样本的过程期间把材料沉积在TEM样本的面上。在一些优选实施例中，该材料能够在减薄相反面之前沉积在已经被减薄的样本面上，这能够用于加强样本的结构完整性并再填补由于垂落现象而被过度减薄的区域。在优选实施例中，材料也能够沉积在正被铣削的面上，这能够用于减少或消除样本面上的垂落。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及用于透射电子显微镜(transmission electron microscopy)的薄样本的制备，且具体地讲，涉及厚度小于60 nm的高质量样本的制备。
技术介绍
半导体制造(诸如，集成电路的加工)通常需要使用光刻法。其上面形成电路的半导体基底(通常是硅晶圆)被涂覆诸如光刻胶的材料，该材料在暴露于辐射时改变可溶性。位于辐射源和半导体基底之间的光刻工具(诸如，掩模或分划板)投射(cast)阴影以控制基底的哪些区域暴露于辐射。在曝光之后，从暴露区域或未暴露区域去除光刻胶，在晶圆上留下在随后的蚀刻或扩散过程期间保护晶圆的各部分的光刻胶的图案层。光刻过程允许多个集成电路装置或机电装置(经常称为“芯片”)形成在每个晶圆 上。晶圆随后被切割成个体管芯，每个管芯包括单个集成电路装置或机电装置。最后，这些管芯经受另外的操作并封装成个体集成电路芯片或机电装置。在制造过程期间，曝光和焦点的变化要求持续地监测或测量通过光刻过程产生的图案以确定图案的尺寸是否在可接受的范围内。随着图案尺寸变得更小，尤其是当最小特征尺寸接近通过光刻过程可获得的分辨率的极限时，这种监测(经常称为过程控制)的重要性显著增加。为了实现越来越高的装置密度，需要越来越小的特征尺寸。这可包括互连线的宽度和间隔、接触孔的间隔和直径以及表面几何构造(诸如，各种特征的拐角和边缘)。晶圆上的特征是三维结构，并且完整的表征必须不仅描述表面尺寸(诸如，线或沟槽的顶部宽度)，还描述特征的完整三维轮廓。工艺工程师必须能够准确地测量这些表面特征的关键尺寸(CD)以精细地调整制造过程并确保获得所希望的装置几何构造。典型地，使用诸如扫描电子显微镜(SEM)的仪器进行CD测量。在扫描电子显微镜(SEM)中，一次(primary)电子束聚焦到扫描待观测的表面的细小斑点。当表面被一次射束撞击时，从表面发射二次电子。检测二次电子，并形成图像，其中在图像的每个点的亮度由当射束撞击表面上的对应斑点时检测的二次电子的数量确定。然而，随着特征持续变得越来越小，出现这样的情况，其中对于由普通SEM提供的分辨率而言，待测量的特征太小。透射电子显微镜(TEM)允许观测者看见极小的特征(在纳米的量级)。与仅对材料的表面成像的SEM相比，TEM也允许样本的内部结构的分析。在TEM中，宽射束撞击样本并且透射通过样本的电子聚焦以形成样本的图像。样本必须足够薄以允许一次射束中的许多电子穿过样本并在对面位置离开。样本的厚度通常小于100 nm。在扫描透射电子显微镜(STEM)中，一次电子束聚焦到细小斑点，并且在样本表面上扫描该斑点。透射通过基底的电子由位于样本的远侧的电子检测器收集，并且图像上的每个点的强度对应于当一次射束撞击表面上的对应点时收集的电子的数量。随着半导体几何构造持续变小，制造商越来越依赖透射电子显微镜(TEM)来监测过程，分析缺陷以及检查界面层形态。如本文所使用的术语“TEM”表示TEM或STEM，且提及制备用于TEM的样本应该理解为也包括制备用于在STEM上观察的样本。在TEM中，宽射束撞击样本并且透射通过样本的电子聚焦以形成样本的图像。样本必须足够薄以允许一次射束中的许多电子穿过样本并在对面位置离开。从大块样本材料切割的薄TEM样本称为“薄片”。薄片的厚度通常小于100 nm，但对于一些应用，薄片必须显著更薄。利用30 nm及以下的先进半导体加工工艺，薄片的厚度需要小于20 nm以便避免小规模结构之间的重叠。当前60 nm以下的减薄很困难并且不结实。样本的厚度变化导致薄片弯曲、过度纟先削(over-mi I ling)或其它灾难性缺陷。对于这种薄样本，薄片制备是TEM分析中在很大程度上确定最小和最关健的结构的结构表征和分析的质量的关健步骤。使用聚焦离子束(FIB)系统产生用于TEM显微镜的薄片在现有技术中是已知的。FIB系统能够铣削将要在TEM系统中使用的足够薄的薄片。使用双射束系统进行TEM样本制备在现有技术中是已知的。双射束系统具有FIB柱，用于从大块样本铣削薄片；和SEM柱，用于通常在正在铣削薄片时对薄片成像。双射束系统改善了制备用于TEM分析的样本所需的时间。尽管在样本制备中使用FIB方法已把制备用于TEM分析的样本所需的时间减少至仅几小时，但从给定晶圆分析15至50个TEM样本并非罕见。结果，尤其对于半导体过 程控制，在TEM分析的使用中，样本制备的速度是非常重要的因素。图I显示现有技术FIB系统，其处于从大块样本材料制备用于TEM分析的样本薄片的初始取向。大块样本材料108被装在样本镜台(sample stage)中并定向，以使它的顶表面垂直于从FIB柱发射的聚焦离子束104。具有相应大的射束尺寸的使用高射束电流的聚焦离子束用于从感兴趣区域的正面部分和背面部分铣削掉大量的材料。两个铣削矩形14和15之间的剩余材料形成薄的垂直样本区102，样本区102包括感兴趣区域。在大块减薄之后，对样本区进行减薄(通常使用逐渐地更细的射束尺寸和更低的射束能量)，直至达到所希望的厚度(通常小于100 nm)。利用处于这个取向的大块样本材料108和FIB柱执行为产生薄片110而进行的离子束加工的大部分。一旦样品达到所希望的厚度，镜台通常倾斜并且部分地沿着样本区102的底部和侧面按照一定角度进行U形切割，使样本通过位于样本的顶部的任一侧的拉片(tab)悬挂。小拉片允许在样本完全经受FIB抛光之后自由铣除最少量的材料，减小了再沉积瑕疵(artifact)积累在薄样品上的可能性。然后,使用逐渐更细的射束尺寸进一步减薄样本区。最后，切IllJ拉片以完全松开减薄的薄片110。在减薄之后，在侧面和底部从大块材料松开样本，并且能够提取减薄的TEM样本。不幸的是，使用上述现有技术方法形成的超薄薄片经受不希望的副作用，称为“弯曲”和“垂落(curtaining)”。当试图生产超薄样本(例如,30 nm厚度或更小)时,样本可能由于作用于样本上的力而失去结构完整性并变形，典型地，朝着一个样本面或另一样本面弯曲或弯折。如果在FIB减薄步骤期间或者在FIB减薄步骤之前发生这种情况，则感兴趣区域的朝着射束或沿着远离射束的方向的变形可能对样本引起不可接受的损伤。由称为“垂落”的铣削瑕疵引起的厚度变化也能够对TEM样本质量具有显著影响。当大块样本材料108由非均匀结构(例如，金属栅和罩以及硅和二氧化硅)形成时，离子束104优先以较高铣削速度铣削较轻元件。较重金属元件常常把较轻材料遮蔽在它们下面。所获得的效果是波纹薄片面，在金属的区域中不像在没有金属的区域中铣削所述波纹薄片面那样把所述波纹薄片面向回铣削得那么远。图2是显示一个样本面上的垂落的减薄的TEM样本102的显微照片，其中薄片面上的波纹特征看起来像悬挂的垂落。垂落瑕疵降低了 TEM成像的质量并限制了最小可用样品厚度。对于超薄TEM样本，两个横截面表面非常接近，从而源自垂落效应的厚度变化能够导致样本薄片不可用。因此，希望在TEM样本薄片的制备期间减少垂落瑕疵。虽然存在垂落问题的替换方案，但最有效并且广泛证实的替换方案，即背侧铣削，很好地适用于具有50到100 nm的厚度的TEM样本，但对于超薄样本(具有30 nm或更小的样本厚度)，甚至由背侧铣本文档来自技高网...
【技术保护点】
上述本专利技术。
【技术特征摘要】
...
【专利技术属性】
技术研发人员：M莫里亚蒂，S斯通，J布莱克伍德，
申请(专利权)人：FEI公司，
类型：发明
国别省市：
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