專利名稱：一種tem的半導體樣品制備方法
技術領域：
本發明涉及一種半導體技術領域，特別涉及一種透射電子顯微鏡的半導體樣品制備方法。
背景技術：
目前，透射電子顯微鏡(TEM)越來越多地用于通過觀察半導體器件形貌對半導體器件進行失效分析。由于TEM的原理是電子衍射穿透樣品成像，因此TEM方法樣品制備的要求很高，通常要求樣品的厚度不能超過0.1微米。在晶片(wafer)上生長的半導體器件結構是層疊排列的，當以整片wafer上位于底層的某個半導體器件作為TEM的目標結構時， 就需要制備包含目標結構且滿足TEM樣品厚度要求的樣品。現有技術中，聚焦離子束(FIB) 機臺可以在整片wafer的局部區域完成TEM樣品的制備，其過程是將wafer作為樣品水平放置在FIB機臺的樣品臺上，從FIB機臺的液態金屬離子源(一般為鎵( )中抽取的離子束經過加速、質量分析。整形等處理之后形成具有一定束流和離子束斑直徑的聚焦離子束 (I beam)，聚焦在樣品表面轟擊wafer的局部區域，從而對wafer進行切割和微細加工制備 TEM樣品。I beam與水平方向上所成夾角為a = 38度，其是由FIB機臺的結構決定可以根據需要適當調節，定義樣品臺角度(stage tilt)為樣品臺與水平方向所成的角度，當stage tilt為0度時，I beam與樣品臺以及其上水平放置的wafer表面所成的夾角也為38度。 不同材料和結構的半導體器件的TEM樣品制備，需要I beam從不同角度轟擊wafer，也就是改變wafer表面與FIB所成的夾角。但是，由于I beam的角度是固定的，所以只能通過調整stage tilt實現。現在的FIB機臺普遍采用結合聚焦離子束和掃描電子顯微鏡的聚焦離子束-電子束(FIB-SEM)雙束系統；其中，聚焦離子束用于切割制備樣品，電子束(E beam) 用于掃描電子顯微觀察樣品情況，控制I beam的操作，可以在高分辨率掃描電子顯微圖像監控下發揮聚焦離子束的微細加工能力，充分利用離子束和電子束的優點，并有效地避免兩者的缺陷。由于掃描電子顯微鏡技術相對比較成熟，一種較方便的方法就是在掃描電子顯微鏡上增配聚焦離子束，使得聚焦離子束與電子束同時聚焦在樣品表面。在運用聚焦離子束進行微納級加工時，將聚焦離子束和樣品垂直，掃描電子束不僅可實時高分辨觀察成像，還可以中和離子電荷的積累。下面以使用具有FIB-SEM雙束系統的FIB機臺制備位于 wafer底層的半導體器件的TEM樣品為例說明現有技術中采用的步驟步驟一、將wafer水平放置于具有FIB-SEM雙束系統的FIB機臺的樣品臺上，在和目標結構103相距2微米左右的上下對稱區域各用束流范圍是6000 8000皮安(pA)的I beam轟擊形成一個長度至少大于目標結構103長度，寬度6 10微米，高度為至少露出整個目標結構103的凹槽。兩個凹槽之間的部分為包含目標結構103的樣品。其中，目標結構的位置在樣品制備前已經確定。如圖Ia所示，wafer的局部俯視圖，其中，包括waferlOO、 目標結構103上方的第一凹槽101、目標結構103下方的第二凹槽102和位于第一凹槽101 與第二凹槽102之間的目標結構103，需要說明的是在實際wafer的俯視圖中，并無法直接觀察到目標結構103，只是為了說明目標結構103的位置而畫出。
步驟二、用束流范圍是2000 4000pA的I beam分別對稱地粗切凹槽101和凹槽102中靠近樣品的側壁部分，使樣品厚度減小到1微米左右。該步驟要求保持樣品中目標結構103的完整性。在FIB在粗切過程中，由于I beam轟擊時聚焦離子束能量的損失， FIB的能量從樣品表面到底部逐漸變小，造成粗切后樣品的截面呈現上小下大的楔形結構， 如圖Ib所示，樣品底部厚度較大。步驟三、將stage tilt調整到0度，首先定義遠離凹槽底部的樣品面為樣品表面、 在靠近凹槽底部的樣品上先切出一條與樣品表面平行的橫向開口，該橫向開口的長度與凹槽長度相當，隔開了目標結構103與waferlOO ；再分別以橫向開口的兩端作為起點切出兩條垂直于橫向開口方向的縱向開口。其中，縱向開口的長度要求低于樣品的高度，使得切出縱向開口之后，樣品仍然連接在waferlOO上未脫離。如圖Ic所示，橫向開口和兩條縱向開口組合形成U型開口 104。步驟四、將stage tilt調整到53度，將束流范圍調整為300 ΙΟΟρΑ，用Ibeam細切一個所述凹槽中靠近樣品的側壁，直到在E beam的觀察圖像中出現目標結構。步驟五、將stage tilt調整到51度，將束流調整為300 IOOpA范圍，用Ibeam 細拋另一個所述凹槽中靠近樣品的側壁，直到包含目標結構103處的樣品厚度達到0. 1微米以下，以滿足作為TEM樣品的厚度要求。步驟六、切斷樣品與waferlOO的連接部分，取出樣品為TEM樣品。但是，制備位于底層的半導體器件為目標結構的TEM樣品的困難在于，目標結構往往位于楔形結構的底部。在后續的二次細拋過程中，由于目標結構與樣品表面之間的距離較大，從樣品表面向底部推進的FIB轟擊的能量嚴重衰減和分布不均勻，一方面難以在目標結構103所在區域達到TEM樣品厚度的要求無法用TEM觀察其形貌，另一方面還會造成TEM樣品的扭曲和破壞，無法觀察到wafer底層的半導體器件的實際形貌，造成TEM樣品制備成功率不高。
發明內容
有鑒于此，本發明解決的技術問題是位于晶片底層的半導體器件的TEM樣品制備中，由于目標結構與樣品表面之間的距離，使得FIB轟擊時的能量衰減且分布不均勻，容易扭曲和破壞TEM樣品，難以達到TEM樣品厚度的要求，成功率不高。為解決上述問題，本發明的技術方案具體是這樣實現的一種透射電子顯微鏡的半導體樣品制備方法，用于制備包括位于晶片底層的半導體器件目標結構的樣品，將晶片放入聚焦離子束機臺，用聚焦離子束在所述晶片上形成凹槽，所述目標結構位于兩個凹槽之間，所述制備方法進一步包括粗切所述兩個凹槽中靠近樣品的側壁部分，得到包含目標結構的樣品；在樣品底部切出一條長度能夠隔離所述目標結構和晶片的橫向開口 ；用聚焦離子束去除樣品內所述目標結構上方的晶片上層半導體器件；最后用聚焦離子束將一個所述凹槽中靠近樣品的側壁細切至觀察到目標結構后， 細拋另一個所述凹槽中靠近樣品的側壁，直到樣品厚度滿足透射電子顯微鏡樣品要求。所述粗切后樣品的厚度范圍是0. 5 1. 5微米。
所述用聚焦離子束去除樣品內位于目標結構上方的晶片上層的半導體器件所用的聚焦離子束的束流范圍是4000 6000皮安。所述用聚焦離子束去除樣品內位于目標結構上方的晶片上層半導體器件的過程為將晶片水平放置于聚焦離子束機臺的樣品臺上，調整所述樣品臺與水平方向的角度為b，利用公式y = tan(a+b)X，計算得出y的值之后，控制聚焦離子束的轟擊點與目標結構在樣品高度方向上的距離大于等于y，用聚焦離子束轟擊去除樣品中晶片上層半導體器件；其中，χ為粗切后的樣品厚度，Y為聚焦離子束轟擊所述樣品首先受到轟擊的第一面和轟擊結束的第二面之間的高度差，a是聚焦離子束與水平方向所成的角度。所述b的范圍是1 10度，所述a的取值范圍是37 39度。所述轟擊點與目標結構在樣品高度方向上的距離為大于等于所述y與保護層厚度的和。所述保護層的厚度范圍是1 2微米。由上述的技術方案可見，本發明提出的TEM樣品制備方法避免了由于目標結構與樣品表面的距離引起的聚焦離子束能量損失和分布不均勻造成TEM樣品厚度問題及TEM樣品扭曲和破壞，精確計算FIB轟擊點，提高了位于wafer底層的半導體器件的TEM樣品制備成功率。
圖Ia為現有技術TEM樣品制備中在晶片上兩個凹槽與目標結構位置關系俯視圖；圖Ib為現有技術TEM樣品制備中樣品粗切后的截面圖；圖Ic為現有技術TEM樣品制備中樣品U型切后的側視圖；圖2為本發明TEM樣品制備流程圖；圖3為本發明去除樣品中位于晶片上層的半導體器件的樣品截面示意圖。
具體實施例方式為使本發明的目的、技術方案、及優點更加清楚明白，以下參照附圖并舉實施例， 對本發明進一步詳細說明。一種透射電子顯微鏡的半導體樣品制備方法，用于制備包括位于晶片底層的半導體器件目標結構的樣品，將晶片放入聚焦離子束機臺，用聚焦離子束在所述晶片上形成凹槽，所述目標結構位于兩個凹槽之間，所述制備方法進一步包括粗切所述兩個凹槽中靠近樣品的側壁部分，得到包含目標結構的樣品；在樣品底部切出一條長度能夠隔離所述目標結構和晶片的橫向開口 ；用聚焦離子束去除樣品內所述目標結構上方的晶片上層半導體器件；最后用聚焦離子束將一個所述凹槽中靠近樣品的側壁細切至觀察到目標結構后， 細拋一個所述凹槽中靠近樣品的側壁，直到樣品厚度滿足透射電子顯微鏡樣品要求。所述粗切后樣品的厚度范圍是0. 5 1. 5微米。
所述用聚焦離子束去除樣品內位于目標結構上方的晶片上層的半導體器件所用的聚焦離子束的束流范圍是4000 6000皮安。所述用聚焦離子束去除樣品內位于目標結構上方的晶片上層半導體器件的過程為將晶片水平放置于聚焦離子束機臺的樣品臺上，調整所述樣品臺與水平方向的角度為b，利用公式y = tan(a+b)X，計算得出y的值之后，控制聚焦離子束的轟擊點與目標結構在樣品高度方向上的距離大于等于y，用聚焦離子束轟擊去除樣品中晶片上層半導體器件；其中，χ為粗切后的樣品厚度，Y為聚焦離子束轟擊所述樣品首先受到轟擊的第一面和轟擊結束的第二面之間的高度差，a是聚焦離子束與水平方向所成的角度。所述b的范圍是1 10度，所述a的取值范圍是37 39度。所述目標結構之間在樣品高度方向上的距離為大于等于所述y與保護層厚度的和。所述保護層的厚度范圍是1 2微米。具體實施例一結合本發明TEM樣品制備流程2和樣品制備過程中的樣品截面示意圖3，詳細說明本發明使用具有FIB-SEM雙束系統的FIB機臺進行位于wafer底層的半導體器件的 TEM樣品制備方法，其步驟如下步驟201、將wafer水平放置于具有FIB-SEM雙束系統的FIB機臺的樣品臺上，在距離目標結構2微米左右的上下對稱區域各用束流范圍是6000 8000皮安(pA)的I beam 轟擊形成一個長度至少大于目標結構長度，寬度范圍是6 10微米，高度為至少露出整個目標結構的凹槽。要求目標結構位于兩個凹槽之間。其中，目標結構的位置在樣品制備前已經確定。步驟202、用束流范圍是2000 4000pA的I beam分別對稱地粗切樣品兩個凹槽中靠近樣品的側壁部分，得到兩個凹槽之間的部分為包含目標結構的樣品，使樣品的厚度減小到1微米左右。其中，定義遠離凹槽底部的樣品面為樣品表面。本步驟中，粗切后樣品的厚度范圍是0. 5 1. 5微米，例如，0. 5微米，1. 2微米或1. 5微米；本步驟要求保持樣品中目標結構的完整性。步驟203、如圖3所示，將stage tilt調整為0度，在靠近凹槽底部的樣品上先切出一條與樣品表面平行的橫向開口，該橫向開口的長度與凹槽長度相當，隔開了目標結構與wafer。本步驟中，省略了現有技術中在樣品上形成兩條垂直于橫向開口的縱向開口的步驟，是為了避免后續步驟205中去除樣品中位于wafer上層的半導體器件時，與縱向開口相交，造成樣品從wafer上脫離。步驟204、將束流范圍調整為4000 6000pA，用Ibeam轟擊去除樣品內位于目標結構上方的晶片上層半導體器件，減小樣品表面到底部的距離。此步驟中，I beam從樣品側壁的一面開始轟擊直到穿透樣品。由于FIB-SEM機臺構造的原因，I beam不能垂直于樣品側壁轟擊，使得I beam轟擊后得到的樣品表面呈現一個斜面，也就是I beam在樣品側壁一面開始轟擊時的轟擊點的高度要大于轟擊結束時樣品側壁另一面轟擊點的高度。為了保持目標結構的完整性，需要恰當地選擇I beam在樣品側壁一面開始轟擊時轟擊點的位置， 保證轟擊結束時樣品側壁另一面轟擊點位于目標結構上方。如圖3所示，在本實施例中，把樣品的截面作為矩形處理，其中，I beam轟擊樣品時與樣品的水平面所成的角度為stage tile(b)與I beam與水平方向上所成夾角(a)之和；χ代表樣品的厚度，為計算方便以步驟 202粗切后樣品表面的厚度作為樣品的厚度。由公式y = tan(a+b)X代入(a+b)，計算得到y的值。本步驟中，a的范圍是37度 39度，例如，37度，38或39度；需要說明的是，當 b的取值越大，y的值也越大，為了盡可能地減小I beam轟擊穿透樣品時側壁兩面的高度差和縮短轟擊時間，要求控制b的取值范圍在0到10度，例如0度，5度和10度。當stage tilt為b = 0度時，I beam與樣品在水平方向上的夾角達到最小值a+b，例如a = 38度，b =0度，代入公式y = tan (a+b) χ得到y = tan 38° χ,計算得到y的值。在I beam開始轟擊樣品側壁的一面時，控制Ibeam的轟擊點的位置為與目標結構之間在樣品高度方向上的距離大于等于y，就可以保證在I beam轟擊過程中不會破壞目標結構。此外，當需要在目標結構上方保留厚度范圍是1到2微米左右的保護層時，I beam 轟擊點與目標結構之間在樣品高度方向上的距離則要大于等于保護層的厚度與上述計算得出的y相加的和。步驟205、將stage tilt調整到53度，將束流范圍調整為300 ΙΟΟρΑ，用I beam 對一個凹槽中靠近樣品的側壁細切，直到在E beam的觀察圖像中出現目標結構。步驟206、將stage tilt調整到51度，將束流范圍調整為300 ΙΟΟρΑ，用I beam 細拋另一個凹槽中靠近樣品的側壁，直到包含目標結構處的樣品厚度達到0. 1微米以下， 以滿足作為TEM樣品的厚度要求。本步驟中，由于樣品表面到底部的高度已經在步驟205 中減小，相當于減小了目標結構在樣品中的深度。因此在細拋過程中，FIB的I beam轟擊的能量損失也隨著樣品表面到底部高度差的減小而減小，能量分布相對均勻。在目標結構區域的厚度達到TEM樣品厚度要求的同時不會造成TEM樣品的扭曲和破壞，提高了位于wafer 底層的半導體器件的TEM樣品制備成功率。步驟207、切斷樣品與wafer的連接部分，取出樣品為TEM樣品。本發明在位于晶片底部的半導體器件的TEM樣品制備過程中，先利用FIB轟擊去除樣品中位于wafer上層的多余半導體器件部分，并通過公式精確計算FIB轟擊點，可控性大大提高，然后再對樣品進行細拋，達到TEM樣品厚度要求。本發明提出的方法避免了在 TEM樣品制備過程中，由于目標結構與樣品表面的距離較大引起的聚焦離子束能量損失和分布不均勻，造成TEM樣品厚度過大問題及TEM樣品的扭曲和破壞，提高了位于wafer底層的半導體器件的TEM樣品制備成功率。以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明保護的范圍之內。
權利要求
1.一種透射電子顯微鏡的半導體樣品制備方法，用于制備包括位于晶片底層的半導體器件目標結構的樣品，將晶片放入聚焦離子束機臺，用聚焦離子束在所述晶片上形成凹槽，所述目標結構位于兩個凹槽之間，其特征在于，所述制備方法進一步包括粗切所述兩個凹槽中靠近樣品的側壁部分，得到包含目標結構的樣品；在樣品底部切出一條長度能夠隔離所述目標結構和晶片的橫向開口；用聚焦離子束去除樣品內所述目標結構上方的晶片上層半導體器件；最后用聚焦離子束將一個所述凹槽中靠近樣品的側壁細切至觀察到目標結構后，細拋另一個所述凹槽中靠近樣品的側壁，直到樣品厚度滿足透射電子顯微鏡樣品要求。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述粗切后樣品的厚度范圍是0.5 1. 5 微米。
3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述用聚焦離子束去除樣品內位于目標結構上方的晶片上層的半導體器件所用的聚焦離子束的束流范圍是4000 6000皮安。
4.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述用聚焦離子束去除樣品內位于目標結構上方的晶片上層半導體器件的過程為將晶片水平放置于聚焦離子束機臺的樣品臺上，調整所述樣品臺與水平方向的角度為 b，利用公式y = tan(a+b)X，計算得出y的值之后，控制聚焦離子束的轟擊點與目標結構在樣品高度方向上的距離大于等于y，用聚焦離子束轟擊去除樣品中晶片上層半導體器件； 其中，χ為粗切后的樣品厚度，y為聚焦離子束轟擊所述樣品首先受到轟擊的第一面和轟擊結束的第二面之間的高度差，a是聚焦離子束與水平方向所成的角度。
5.根據權利要求4所述的方法，其特征在于，所述b的范圍是1 10度，所述a的取值范圍是37 39度。
6.根據權利要求4所述的方法，其特征在于，所述轟擊點與目標結構在樣品高度方向上的距離為大于等于所述y與保護層厚度的和。
7.根據權利要求6所述的方法，其特征在于，所述保護層的厚度范圍是1 2微米。
全文摘要
本發明提供了一種透射電子顯微鏡的半導體樣品制備方法，該方法包括在晶片上形成包含目標結構的樣品并用FIB將樣品切至1微米左右厚度，在樣品底部切出一條長度至少完全隔離目標結構和晶片的橫向開口；然后在目標結構上方保留保護層FIB去除樣品內位于目標結構上方的晶片上層的半導體器件；最后將樣品的兩面側壁進行細拋，直到包含目標結構區域的樣品厚度滿足TEM樣品的要求。本發明提出的TEM樣品制備方法避免了由于目標結構與樣品表面的距離引起的聚焦離子束能量損失和分布不均勻問題，從而造成的TEM樣品厚度無法滿足TEM要求及TEM樣品的扭曲和破壞，并精確計算FIB轟擊點，提高了位于wafer底層的半導體器件的TEM樣品制備成功率。
文檔編號G01N1/32GK102346109SQ20101024538
公開日2012年2月8日 申請日期2010年7月26日 優先權日2010年7月26日
發明者于會生, 李劍, 段淑卿, 芮志賢 申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司