聚焦離子束設備及聚焦離子束檢測方法

2023-06-17 12:43:21 4

專利名稱：聚焦離子束設備及聚焦離子束檢測方法
技術領域：
本發明涉及半導體製造技術領域，特別涉及一種聚焦離子束設備及 聚焦離子束^^測方法。
背景技術：
聚焦離子束(FIB, Focused Ion Beam)技術是一種集形貌觀測、定 位制樣、成份分析、薄膜澱積和無掩模刻蝕各過程於一身的新型微加工 技術。在半導體製造技術領域中，它常用來檢測分析工藝製作的質量， 如用來對集成電路晶片進行斷面(Cross Section)分析，以觀察和確定芯 片中的缺陷。目前該技術已經成為集成電路製作過程中必不可少的關鍵 技術之一。圖l為現有的聚焦離子束設備的示意圖，如圖1所示，其由殼體100、 FIB裝置101、掃描電子顯微鏡(SEM， Scanning Electron Microscope)裝 置102、樣品臺105及與樣品臺相連的聚焦偏轉裝置106組成，工作時，先 利用SEM裝置發射電子104，對樣品進行定位，然後，利用聚焦偏轉裝置 106按圖中110所示方向將該樣品臺偏轉一定角度，使其垂直於FIB裝置 101所發射的離子束103，接著，利用FIB裝置101中的靜電透鏡(圖未示) 將離子束(通常是鎵離子)聚焦至樣品的指定位置處，對樣品進行垂直 切片處理以產生斷面，在切片的同時，可以利用SEM裝置對該斷面進行 觀察分析，檢測晶片中各個斷層中的缺陷。圖2至圖4為說明利用聚焦離子束設備進行斷面分析的原理的樣品剖 面圖，其中，圖2為現有的測試樣品的剖面圖，如圖2所示，該樣品由襯 底201和待測試層202組成。圖3為現有的切割形成斷面後的樣品剖面圖， 如圖3所示，切割後在樣品內形成了垂直於樣品表面的斷面310。實現過 程為將該樣品置於樣品臺上，利用SEM裝置確定切割點後，將其轉至 與FIB裝置垂直，再由聚焦離子束103對其進行垂直切割，在待測試層202中形成垂直於樣品表面的斷面310。圖4為現有的利用SEM對樣品的斷面 進行檢測的樣品剖面圖，如圖4所示，利用SEM裝置發出的電子束104對 由離子束切片形成的斷面310進行觀察，檢測其內是否存在缺陷。現有的 聚集離子束設備中，這一切片和觀察過程可以同時進行，為斷面檢測分 析工作提供了便利。隨著超大規模集成電路的迅速發展，晶片的集成度越來越高，元器 件的尺寸越來越小，對利用FIB設備進行檢測的精細度要求也越來越高， 此時，上述FIB設備在檢測器件結構時出現的一些問題，會不可避免地影 響到缺陷檢測的正常進行，需對其進行改進。利用現有的聚焦離子束分析樣品的斷面存在如下缺陷因離子束具 有高能，若檢測的樣品中存在有連接塞、接觸插塞等結構，且該連接塞 或接觸插塞位於切片位置上，則在切片時，該高能離子束會垂直打穿連 接塞或接觸插塞的底部，產生縫隙狀缺陷。圖5為現有的利用FIB設備檢 測時產生了縫隙缺陷的樣品斷面示意圖，如圖5所示，切片時在待測樣品 上產生的斷面500內有一連接塞501，在利用聚焦離子束103對其進行切片 處理時，高能的離子束垂直地將該連接塞501的底打穿，形成了縫隙狀缺 陷502，這一缺陷的形成， 一方面會導致在用SEM觀察時不能確定檢測到 的該縫隙狀缺陷502是在生產工藝中形成的還是在該樣品製備過程中產 生的，另一方面，還會使斷面的SEM圖像不清晰，導致識別真正的缺陷 503的難度增加，這兩方面都不利於對缺陷的準確檢測。為了在檢測中更好地確認缺陷，申請號為200310122586.0的中國專利 申請公開了一種;f企測方法，該方法在測試前，先利用聚焦離子束將位於 要測試的目標層之上的各層去除，曝露出要測試的目標層，然後再對其 進行切片測試，但是，該方法顯然實現起來既麻煩又費時，另外，其也 無法解決上述對連接塞、接觸插塞等結構進行切片時，因高能離子束垂 直轟擊連接塞、接觸插塞等結構的底部而導致的產生縫隙性缺陷的問題。發明內容本發明提供一種聚焦離子束設備及聚焦離子束檢測方法，改善了現有的聚焦離子束^r測過程中產生縫隙缺陷的問題。本發明提供的一種聚焦離子束設備，包括殼體、用於在樣品上產生 斷面的聚焦離子束裝置、用於檢測所述斷面的掃描電子顯微鏡裝置，以 及樣品臺，此外，還包括與所述樣品臺相連的，用於旋轉所述樣品臺的 斷面偏轉裝置，且所述斷面偏轉裝置的偏轉軸線垂直於所述斷面。該設備中，可以將所述掃描電子顯微鏡裝置垂直安裝於所述殼體的 內頂部，所述聚焦離子束裝置傾斜安裝於所述殼體的內頂部或內側壁。 此時，該聚焦離子束設備還可以包括與樣品臺相連，用於將所述樣品臺 調整至與所述聚焦離子束裝置相垂直的聚焦偏轉裝置；且所述斷面偏轉 裝置的偏轉軸線垂直於所述聚焦偏轉裝置的偏轉軸線；具體來說，可以 是所述斷面偏轉裝置與所述聚焦偏轉裝置的偏轉軸線相交，也可以是所 述斷面偏轉裝置的偏轉軸線與所述聚焦偏轉裝置的偏轉軸線上、下交 錯。也可以將所述聚焦離子束裝置垂直安裝於所述殼體的內頂部，所述 掃描電子顯微鏡裝置傾斜安裝於所述殼體的內頂部或內側壁。其中，所述斷面偏轉裝置可以與控制系統相連，實現對斷面偏轉的 自動連續控制。本發明具有相應技術特徵的一種聚焦離子束檢測方法，包括步驟 利用掃描電子顯微鏡裝置確定樣品臺上樣品的檢測區域； 利用斷面偏轉裝置沿垂直於所述樣品上將要產生的斷面的偏轉軸 線旋轉所述樣品臺；利用聚焦離子束裝置在所述樣品的檢測區域形成斷面； 利用掃描電子顯微4免裝置檢測所述樣品的斷面。其中，在利用斷面偏轉裝置旋轉所述樣品臺之前，還可以包括利用聚焦偏轉裝置將所述樣品臺調整至與聚焦離子束裝置相垂直的位置。 此時，所迷聚焦偏轉裝置與所述斷面偏轉裝置對樣品臺的調整方向相互垂直。其中，所述樣品的^r測區包含連接塞和接觸插塞結構。其中，可以沿順時針或逆時針方向利用所述斷面偏轉裝置旋轉所述 樣品臺，其調整的角度通常在1至60度之間。與現有技術相比，本發明具有以下優點本發明聚焦離子束設備，增加了一個斷面偏轉裝置，增強了樣品臺 的角度控制功能，可以在保證切片時所產生的斷面與樣品相垂直的前提 下，沿垂直於斷面的偏轉軸線旋轉樣品臺，實現對樣品的一定的偏離角 度的調整，避免了高能離子束對樣品中連接塞或接觸插塞底部的直接轟 擊，也就避免了縫隙性缺陷的產生，提高了樣品製備和觀察檢測的準確 度。利用本發明的聚焦離子束設備進行檢測的方法，與傳統檢測方法相 比，增加了沿垂直於斷面的偏轉軸線旋轉樣品臺的步驟，這一樣品臺的 偏轉調整可以避免離子束在樣品內造成的損傷性缺陷，使得檢測結果更 為準確清晰，並且在實現上也簡單方便。


圖1為現有的聚焦離子束設備的示意圖；圖2為現有的測試樣品的剖面圖；圖3為現有的切割形成斷面後的樣品剖面圖；圖4為現有的利用SEM對樣品的斷面進行-險測的樣品剖面圖；圖5為現有的利用FIB設備檢測時產生了縫隙缺陷的樣品斷面示意圖；圖6為本發明第一實施例的聚焦離子束設備的示意圖；圖7為本發明第二實施例的聚焦離子束設備的示意圖； 圖8為本發明第三實施例的聚焦離子束設備的示意圖； 圖9為利用本發明的FIB設備檢測時的樣品斷面示意圖； 圖10為說明本發明的FIB檢測方法的流程圖。
具體實施方式
為使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更加明顯易懂，下面結合 附圖對本發明的具體實施方式
做詳細的說明。本發明的處理方法可被廣泛地應用到許多應用中，並且可利用許多 適當的材料製作，下面是通過較佳的實施例來加以說明，當然本發明並 不局限於該具體實施例，本領域內的普通技術人員所熟知的一般的替換 無疑地涵蓋在本發明的保護範圍內。其次，本發明利用示意圖進行了詳細描述，在詳述本發明實施例時， 為了便於說明，各示意圖會不依一般比例作局部放大，不應以此作為對 本發明的限定，此外，在實際的製作中，應包含長度、寬度及深度的三 維空間尺寸。本發明提出了一種新的聚集離子束設備，包括殼體、用於在樣品上 產生斷面的聚焦離子束裝置、用於檢測所述斷面的掃描電子顯微鏡裝 置，以及樣品臺，此外，其還包括與所述樣品臺相連的，用於旋轉所述 樣品臺的斷面偏轉裝置，且所述斷面偏轉裝置的偏轉軸線垂直於所述斷 面。這一斷面偏轉裝置的加入，可以避免高能的聚焦離子束對樣品中各 結構，如連接塞結構的底部的直接轟擊，避免了縫隙性缺陷的產生，對 樣品內缺陷的檢測更為清晰，提高了缺陷檢測的準確性。圖6為本發明第一實施例中的聚焦離子束設備的示意圖，如圖6所 示，本實施例中的聚焦離子束設備包括殼體100、傾斜安裝於該殼體內 頂部或內側壁(圖中所示為後者)的聚焦離子束裝置101，垂直安裝於 所述殼體的內頂部的掃描電子顯微鏡裝置102，以及樣品臺105，所述聚焦離子束裝置101用於在樣品上產生斷面。除此以外，本發明的FIB 檢測設備還包括與樣品臺105相連的斷面偏轉裝置601,該斷面偏轉裝105，按圖中的方向B調整樣品臺105的偏轉角度。此外，對於本實施例中的聚焦離子束設備，與樣品臺相連的通常還 有與所述樣品臺相連的聚焦偏轉裝置106，該聚焦偏轉裝置106沿圖中 所示的第一方向A對樣品臺105進行偏轉角度調整，用於將所述樣品臺 調整至與所述聚焦離子束裝置相垂直的位置。本發明中的斷面偏轉裝置601與聚焦偏轉裝置106均與樣品臺相 連，並分別從兩個方向A和B實現對樣品臺的偏轉角度的調整，其具 體的安裝方式可以有多種，如，可以如圖6中所示，令斷面偏轉裝置601 的偏轉軸線與聚焦偏轉裝置106的偏轉軸線上、下交錯。此外，還可以 令該斷面偏轉裝置601與聚焦偏轉裝置106的偏轉軸線相交。圖7為本 發明第二實施例的聚焦離子束設備的示意圖，如圖7所示，其斷面偏轉 裝置601與聚焦偏轉裝置106的偏轉軸線相交於樣品臺的中心。上述本發明第一、第二實施例中的設備工作時，在利用掃描電子顯 微鏡裝置102確定樣品的檢測區域後，先利用聚焦偏轉裝置106從第一 方向A調整樣品臺的偏轉角度，將樣品臺調整至與聚焦離子束裝置101 相垂直，確保離子束在樣品上切片形成的斷面與樣品相垂直。再利用斷 面偏轉裝置601沿圖中所示的第二方向B調整樣品臺105的偏轉角度。 該第二方向B的偏轉是在離子束垂直入射樣品，產生垂直於樣品表面的 斷面的基礎上，保持該斷面所在平面不變對樣品進行的偏轉。其中，第 二方向B是平行於用離子束對樣品進行切片時產生的斷面的，具體方向 與該設備的離子束切片方向有關，通常該第二方向與第一方向間是相互 垂直的，如圖中A和B所示，因此，在安裝這兩個偏轉裝置106和601 時，其偏轉軸線通常是相互垂直的。注意在第二方向與斷面方向一致的情況下，兩個偏轉裝置之間並不一定是相互垂直的關係，也可能會因設 備設計的不同而在二者間形成不同的夾角。圖8為本發明第三實施例的聚焦離子束設備的示意圖，該實施例中，聚焦離子束裝置101聚焦離子束裝置垂直安裝於殼體IOO的內頂部，掃 描電子顯微鏡裝置102傾斜安裝於殼體100的內頂部或內側壁(圖中所 示為後者)。其中，聚焦離子束裝置仍是用於在樣品上形成斷面。此時， 可以利用本發明的方法，在樣品臺下加入一個與樣品臺相連的斷面偏轉 裝置，該偏轉裝置用於沿垂直於樣品上產生的斷面旋轉樣品臺，調整樣 品臺的偏轉角度。其同樣可以提高缺陷檢測的準確性。圖9為利用本發明的FIB設備檢測時的樣品斷面示意圖，如圖9所 示，該樣品的斷面500內包含有一連接塞結構501，在利用本發明的FIB 設備進行檢測時，利用聚焦偏轉裝置實現了該樣品與聚焦離子束裝置間 的垂直放置關係，確保了其形成的斷面500垂直於樣品所在平面(其檢 測的斷面與圖5中利用傳統的FIB檢測設備檢測的斷面500相同)，接 著，在保持該斷面500所在平面不變的情況下，利用斷面偏轉裝置對該 樣品進行了偏轉，令其內的連接塞結構501發生傾斜，偏離了高能離子 束510注入的方向，避免了高能離子束對樣品中連接塞底部的直接轟擊， 也就避免了縫隙性缺陷的產生，在此情況下，對樣品內缺陷503的檢測 會更為清晰，提高了缺陷檢測的準確性。上述本發明的三個實施例中的斷面偏轉裝置是利用貫穿樣品臺的 偏轉軸線對樣品臺進行偏轉角度的調整的，在本發明的其他實施例中， 還可以利用其他方式對樣品臺的偏轉進行調整，如可以在樣品臺下，與 斷面平行且穿過樣品臺中心的軸線兩端或一端各安裝一個升降裝置，利 用樣品臺 一端抬起比另 一端高的方式對樣品臺進行偏轉調整，且該調整 實質上也是沿垂直於所述斷面的偏轉軸線旋轉樣品臺，實現樣品沿斷面 所在平面偏轉一定角度。注意到，上述實施例中只示出了沿逆時針旋轉時的B方向，實際也可以按順時針方向旋轉樣品臺進行調整。此外，可以利用本發明中所增加的斷面偏轉裝置手動調節樣品臺的 偏轉角度，也可以將該斷面偏轉裝置與控制檢測設備的控制系統相連， 利用控制電路的電信號實現對樣品臺的連續偏轉角度的自動調節控制， 實現起來方便可靠。該斷面偏轉裝置的具體安裝及連接方法與聚焦偏轉 裝置類似，在此不再贅述。本發明的上述實施例中，斷面偏轉裝置偏轉的方向一 一 第二方向與 樣品的斷面方向一致，以確保仍能形成垂直於樣品的斷面，在本發明的 其他實施例中，根據實際應用，也可以令該第二方向與斷面方向不一致， 此時離子束在樣品內形成的是不垂直於樣品的斷面。圖IO為說明本發明的FIB檢測方法的流程圖，下面結合圖10對利 用本發明的聚焦離子束設備進行檢測的方法進行詳細說明。首先，將樣品放在樣品臺上(S1001),此時，樣品臺是水平放置於 殼體中心下方的。通常FIB檢測設備是工作於真空狀態下的，因此，在 測試前，需先將樣品放置於樣品臺上，關上設備的殼體門，對由殼體包 圍形成的工作殼體進行抽真空的處理，為檢測作好準備。然後，利用掃描電子顯孩h鏡裝置確定所述樣品的糹企測區域(S1002 )。 樣品檢測時，通常需要對某一確定的區域進行檢測，因此，檢測時，先 要對所要檢測的檢測區域進行定位，本步定位由掃描電子顯微鏡裝置完 成，此時，樣品臺正對著掃描電子顯微鏡裝置。檢測時，通常要求形成垂直於樣品的斷面，因此，在利用聚焦離子 束形成斷面前，需要令樣品與聚焦離子束入射方向相垂直。這樣，對於 聚焦離子束裝置位於殼體斜上方、掃描電子顯微鏡裝置位於殼體中心上 方的聚焦離子束設備，在確定檢測區後，還需要利用聚焦偏轉裝置將樣 品臺沿第一方向調整至與聚焦離子束裝置相垂直的位置(SIO(B)。而對 於聚焦離子束裝置位於殼體中心上方、掃描電子顯微鏡裝置位於殼體斜上方的聚焦離子束設備則不需要這一調整步驟。在樣品與聚焦離子束入射方向相垂直後，為了防止高能的離子束直 接轟擊樣品內的連接塞、接觸插塞等結構的底部，在樣品的斷面內形成 缺陷，影響檢測的正常進行，本發明加入了一步沿斷面所在方向偏轉樣 品臺的調整步驟(S1004)。本步調整是利用斷面偏轉裝置實現的，該斷 面偏轉裝置安裝與樣品臺下，與樣品臺相連。本步中偏轉的調整是沿垂 直於切片產生的斷面的偏轉軸線旋轉樣品臺而實現的，因為斷面方向與 離子束切片方向有關，用於按斷面的方向偏轉的該斷面偏轉裝置的安裝 方向也要受到離子束的切片方向的影響。對於前面所述第一和第二實施 例中的斷面偏轉裝置，其通常是在水平面內垂直於聚焦偏轉裝置的方向 上安裝。此時，斷面偏轉裝置對樣品臺的偏轉方向也會垂直於聚焦偏轉 裝置的偏轉方向。本步的沿斷面方向的偏轉調整，可以令斷面內的連接塞結構相對於 高能離子束的注入方向發生傾斜，避免了高能離子束對樣品中連接塞底部的直接轟擊，也就避免了縫隙性缺陷的產生(如圖9所示)。因此，加入本步沿垂直於斷面的軸線旋轉、調整樣品臺的偏轉角度的步驟，可 以令樣品內缺陷的檢測更為清晰，提高了缺陷檢測的準確性。本步中樣 品臺沿斷面方向的偏轉角度由樣品內的連接塞或接觸插塞的具體結構決定，通常在1至60。之間，如30°，其偏轉方向可以是順時針的，也 可以是逆時針的。再接著，可以利用聚焦離子束裝置在所述樣品的檢測區形成斷面 (S1005 )。因為上一步的沿斷面方向的偏轉沒有改變離子束對樣品切片 時的產生斷面的方向，本步中切片所產生的斷面仍是垂直於樣品所在平 面的。在切片的同時，可以利用掃描電子顯微鏡裝置檢測該樣品的斷面 (S1006 )。由於此時樣品內的連接塞或接觸插塞等結構已在斷面內偏離了高能離子束的入射方向，該高能離子束不會再對連接塞或接觸插塞的 底部進行直接的垂直轟擊，減小了其對連接塞或接觸插塞的底部的損 傷，明顯改善了在樣品斷面內形成縫隙狀缺陷的問題。因此，在本步檢 測缺陷的步驟中，所觀察到的斷面圖像較為清晰，可以4交為容易、較為 準確地檢測到樣品內的缺陷，提高了檢測的準確性。以上介紹的是利用FIB技術對樣品進行缺陷檢測時，可以利用本發 明的設備和方法提高檢測的清晰度和準確度，在本發明的其他實施例 中，還可以利用本發明的設備及方法進行微加工製作，其可以避免微加 工過程中在樣品內引入缺陷，提高微加工質量。現有的聚焦離子束加工設備，通常包括殼體、用於確定加工區域的 顯微鏡裝置、用於在樣品上產生斷面的聚焦離子束裝置，以及樣品臺， 此外，其還包括與樣品臺相連，用於沿垂直於所述斷面的偏轉軸線旋轉 所述樣品臺的斷面偏轉裝置。在加工過程中，聚集離子束裝置通常要垂 直於樣品臺，即高能的離子束是垂直入射到樣品內的，易損傷樣品的某 些內部結構。本發明中的斷面偏轉裝置的加入，可以在確保加工的垂直 角度的前提下，避免加工過程中高能離子束對樣品內結構的損傷。其設 備結構與加工方法與上述實施例中的相似，本領域的技術人員應該可以 很容易地推導出來，在此不再贅述。注意到，只要是將樣品沿垂直於斷面的偏轉軸線旋轉一定角度，以 防止高能離子束垂直入射至樣品內時，對樣品內結構造成損傷的設備及 方法均應落入本發明的保護範圍內。本發明雖然以較佳實施例公開如上，但其並不是用來限定本發明， 任何本領域技術人員在不脫離本發明的精神和範圍內，都可以做出可能 的變動和修改，因此本發明的保護範圍應當以本發明權利要求所界定的 範圍為準。
權利要求
1. 一種聚焦離子束設備，包括殼體、用於在樣品上產生斷面的聚焦離子束裝置、用於檢測所述斷面的掃描電子顯微鏡裝置，以及樣品臺，其特徵在於還包括與所述樣品臺相連的，用於旋轉所述樣品臺的斷面偏轉裝置，且所述斷面偏轉裝置的偏轉軸線垂直於所述斷面。
2、 如權利要求1所述的設備，其特徵在於所述掃描電子顯微鏡 裝置垂直安裝於所述殼體的內頂部，所述聚焦離子束裝置傾斜安裝於所 述殼體的內頂部或內側壁。
3、 如權利要求2所述的設備，其特徵在於還包括與樣品臺相連， 用於將所述樣品臺調整至與所述聚焦離子束裝置相垂直的聚焦偏轉裝置。
4、 如權利要求3所述的設備，其特徵在於所述斷面偏轉裝置的 偏轉軸線垂直於所述聚焦偏轉裝置的偏轉軸線。
5、 如權利要求3所迷的設備，其特徵在於所述斷面偏轉裝置與 所述聚焦偏轉裝置的偏轉軸線相交。
6、 如權利要求3所述的設備，其特徵在於所述斷面偏轉裝置的 偏轉軸線與所述聚焦偏轉裝置的偏轉軸線上、下交錯。
7、 如權利要求1所述的設備，其特徵在於所述聚焦離子束裝置 垂直安裝於所述殼體的內頂部，所述掃描電子顯微鏡裝置傾斜安裝於所 述殼體的內頂部或內側壁。
8、 如權利要求1所述的設備，其特徵在於所述斷面偏轉裝置與 控制系統相連。
9、 一種聚焦離子束檢測方法，其特徵在於，包括步驟 利用掃描電子顯微鏡裝置確定樣品臺上樣品的檢測區域；利用斷面偏轉裝置沿垂直於所述樣品上將要產生的斷面的偏轉軸 線旋轉所述樣品臺；利用聚焦離子束裝置在所述樣品的檢測區域形成斷面； 利用掃描電子顯微鏡裝置檢測所述樣品的斷面。
10、 如權利要求9所述的檢測方法，其特徵在於，在利用斷面偏轉 裝置旋轉所述樣品臺之前，還包括利用聚焦偏轉裝置將所述樣品臺調整至與聚焦離子束裝置相垂直 的位置。
11、 如權利要求10所述的檢測方法，其特徵在於所述聚焦偏轉 裝置調整樣品臺的方向垂直於所述斷面偏轉裝置旋轉樣品臺的方向。
12、 如權利要求9所述的檢測方法，其特徵在於所述樣品的檢測 區包含連接塞和接觸插塞結構。
13、 如權利要求9所述的檢測方法，其特徵在於利用所述斷面偏 轉裝置旋轉所述樣品臺的角度在1至60度之間。
全文摘要
本發明公開了一種聚焦離子束設備，包括殼體、用於在樣品上產生斷面的聚焦離子束裝置、用於檢測所述斷面的掃描電子顯微鏡裝置，以及樣品臺，此外，還包括與所述樣品臺相連的，用於旋轉所述樣品臺的斷面偏轉裝置，且所述斷面偏轉裝置的偏轉軸線垂直於所述斷面。本發明的聚焦離子束檢測方法中，增加了沿垂直於所述斷面的偏轉軸線旋轉樣品臺以調整樣品臺偏轉角度的步驟，避免了離子束在樣品內造成的損傷性缺陷，使得檢測結果更為準確清晰，並且在實現上也簡單方便。
文檔編號G01N23/04GK101246132SQ20071003767
公開日2008年8月20日 申請日期2007年2月13日 優先權日2007年2月13日
發明者賴李龍 申請人:中芯國際集成電路製造(上海)有限公司