TW201003056A - Method to create three-dimensional images of semiconductor structures using a focused ion beam device and a scanning electron microscope - Google Patents

Description

201003056 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 、本發明係關於用於半導體、資料儲存器、平板顯示器、及同 類或^他產業之度量衡設備的領域，本發明尤有關於利用聚焦離 子束敕置及掃描式電子顯微鏡以產生三維影像的方法。 【先前技術】 ,自從數十年前首次引進積體電路(ic)裝置，半導體元件之幾何 形狀(即’積體電路設計法則)之尺寸已顯著縮減。IC通常遵循『摩 爾定律』，意指在單一積體電路晶片上製造的元件數目每兩年便會 增加一倍。今日的IC製造設備正量產特徵部尺寸為65夺米(〇 〇65 μιη)的tl件’而未來工廠將很快地生產具有更小之特徵部尺寸的元 件0 持續縮減之特徵部尺寸驅使設備供應商及元件製造業者兩者 於製造期間在不同的位置檢驗且精確地量測IC裝置。後段 (back-end-of-line)電子測試提供關於IC功能之通過/不通過X量規 但分析"具如光學輪廓儀、原子力顯微鏡、及 臨界尺寸知描式電子顯微鏡(CD_SEM)係用來將IC各部分之表面 形狀成像。橫剖面(即破壞性)分析提供故障IC之根本原因 ^效率的轉鑑定執行通常鶴由將IC狀各種元件進行橫剖面 篁測以及利用電子顯微鏡將橫剖面成像。此外，橫剖面分析提供 生產線之重要的反饋(feed_back)及前饋浪ed_f〇rw_資訊。’、 通常用來進行翻面制之兩财法為：將上面 之^曰圓^開及對元件進行離子研磨。離子研磨允許在選取小: 有更好的控制。離子_藉由使原子剝 洛而攸積4路讀之表面移除材料，從*崎的方 70件移除。在許多操作後，在接近結構之處產 利 可得到元件之『侧视圖』。 丹欄 通常利用聚焦離子束(FIB，focused i〇n beam)裝置來 研磨。FIB裝置通常搭配SEM—域用。SEM细電子聚焦光束 201003056 將置於高真空腔室中的樣品(sample)加以成像；相對地，ΠΒ使用 離子聚焦光束。 不像SEM，Fffi裝置由於其高能離子而對樣品具有本質上的 破壞性。在受到高能離子撞擊後，原子自樣品濺射(即，物理地移 除原子及分子）。錢射效應從而使FIB可用以作為微加工工具。除 ^導致表面損害，FIB裝置將離子植入表面之頂部幾奈米。佈植通 常導致不正確的量測，如以下將討論者。 、通#會選擇鎵作為FKB裝置之離子源，因為鎵液態金屬離子 源(LMIS，liquid metal ion source)之製造相當容易。在鎵LMIS中， $金屬被没置於與鎢針接觸之處。接著加熱此組合。鎵使鶴濕潤 並產生大電場(大於每公分108伏特）。大電場導致電離作用及 子之場發射。 鎵離子通常被加速到5-50 keV(千電子伏特)之能量，且被靜 鏡頭聚焦於樣品上。現代的FIB裝置可供給樣品幾十奈安培 (nano^nP)n有祕研縣理。或者可齡電料致更微細 絲尺寸之附帶賴。絲尺寸_馳控制以產 Α奈光束。利用例如低電·氬離子光束可將更薄Ϊ 厚〗一部分之積體電路之橫剖面包含底層101及介電 具有介層窗1〇5A，以將後來形成於介電層1〇3 上方之上層(未顯示)與底層101連接。 在圖1B中，連續的離子束研磨層已 ^ —深_G7A。深渠溝職將大細;^自掉 1〇5= 的介電層103 °由離子束研磨之每一層 S電層103而形成。:切割 =度”JSSi 窘 之篦^人溝4木1〇7八被《焦離子束裝置切得夠深，利用FIB #罟 ί ^t 緊鄰介層窗職之介電層卿之剩3 之層。在完成介電層1〇3之剩餘部份卿之各切 201003056 暴露的介以15。·2嶋看 所成鳩難幻G9(圖1B) 在技術式離子束卿)系統 樹嘯目 ==步™及嶋光束’其中光束在它們之間t二 用離子sem成像通常不顯著地損害工作件表面，不像利 擊微粒與基板 ======無鱗。在撞 取大動1雜移；當基板微粒與_ 胃^相叩里時， 擊微粒之較少_量被轉移至配時’撞 之質量比電子大128,000倍，因此鎵齄早φ 、'研磨之鎵離子 面分子。一般的SEM電子束 由動1轉移而自表面移除分子。 冤子動里亚不足以错 然而，由FIB研磨而導致的固有損宝 特徵部造成損害，因此通常將特徵吊=於欲被成像之 層。通常選擇具有與特徵部材二 以作為保護 射電子速率之其他材料。例如，*、(/及類似的散 或鈾㈣塗料。雖然對比材料保護；= 匕f可被填滿鎢(W) _子植入非餘刻之層導致幕現象。 萑度。由冋豕 2〇5，參 = 層覆塗賴層 外，•護麟5確保介層窗 201003056 找所需之對比差。然^ ’難以察覺介層窗2。3之整體實際高度^ :實際寬度…。如=中所熟知’幕現象起因於與使用鎢(或各種 其他材料)有關的研磨處理，因為植人離子部分地遮蔽 介層窗203之實際邊緣變得不清楚，可能會不正確地 窗 之高度及寬度之CD量測分別視為h2&W2。 I曰固w :因此’先前技術之FIB-SEM成像技術出現由⑴幕效應 在最終之研磨及成像步驟之前於樣品上實施深溝渠； 所需之過量_，所引起之許多挑戰。因此，f要有效 ^方法來献半導體紐電路上各機徵部之三維cd量測。此 方法應避免幕效應並提供任何特徵部之真實三維影像。 【發明内容】 部之二性丄揭露一種產生-個以上之⑽ 離;聰生該更多之-卿^ 該被研磨面ί:Τί副一個以上之製造特徵部的表面， 以上之製造^彳仃於紗該特徵部之層，及執行該一個 像。衣奴由為下之雜，從而產生複數之橫剖面影 在另一例示性實施例中 部之影傻的古、 么二〜.揭露一種產生一個以上之製造特徵 橫剖面，包含.離含反覆地產生該更多之-之特徵部之 該被研磨^面靠近該—個以上之製造特徵部的表面， 像，從而產ίΐϊίϋ個以上之製造特徵部之由上而下之成 被重建成:該複數之橫剖面影像之每-者 201003056 【實施方式】 以下所說明之各種實施 維及三維影像的方法。每 褐路—種提供各種特徵部類型之二 以使由上而下之圖（而非^=用，層系統(咏__咖），藉 徵部旁邊餘刻渠溝(據先前&象上’因此，不需在特 之階段平行於圍繞特徵部丁^求）。當然，在檢驗之下，複數 後，形成特徵部之由上而下之料而被研磨，在各階段被研磨 實際資料準=於，成像之樣品及 除先前技術中切開鄰接樣所=之實施例排 部乃足夠大以容許SEM 之FIB渠溝之需求，其中特徵 準備以及將特徵部雜之時。目此’在本發明中， 者，假如HB切割至特徵=先 別隨後的特徵部，研磨及成像能^止研磨處理且能識 例如了 所^露之各種實補後縣認許多優點。 士丄樹徵如’線、孔、印形等等)能同時成像以雜絲 能ί析不規則形狀(例如_，當收集切割及由上而下之 能產生製造時間演進以顯示如高縱橫比扭轉現象。 二者’祕FIB-SEM成像時間從例如每她置五分鐘以上降^ ，個位置小於一分鐘(取決於研磨速率及特徵部深度）。此外，可輕 ^分析磁彳縣如侧停止、條紋、及線邊緣或介層窗邊緣 度。 再者，如以下更詳細之說明，可能需要保護某些材料之所考 ^之特徵部免於離子束，以避免過度的表面及離子佈植(12)損壞。 藉由在任何最接近的開放空間填充金屬(例如，鎢(w)、鈦(Ti')、銅 (Cu)等等)或介電質(例如，旋塗式玻璃(SOG))可實現上述之保護， 以避免從研磨處理而來的過度損壞。實施在此定義之本發明之實 施例，藉由在FIB-SEM分析之前完全地塗佈整個晶圓或基板，而 非在FIB-SEM内之每個特徵部位置塗佈(據先前技術之要求广能 201003056 超越先前技術方法而再節省時間。 層ί導體裝置細之—部分的橫剖面圖包含底 “ t 75A 職其中。 呈有约§叩輪比之介層窗(即，介層窗 G中當碰至:丨θ Pi：之馬度對寬度之比率〕形成時，該下部顯示在技 於!介巧3〇Hi_(twisting)』。中線參考基準3G7指出由 下部3G5B中的扭轉而產生的偏向。 309 Ϊ1 L，介層窗遍6被填滿保護材料。保護材料 璃ωρ^ 鎢(W)、鉑(Pt)、旋塗式玻璃(S0G)、硼磷矽玻 璃(BPSG)、或在技術巾已知的各種其他材料。基於 $ 料ίΐ取保護材料3〇9，例如，假如特徵部由軟^(如 研磨速2持有類似_刻或研磨特性之保護材料以使 ==:磨 = 二置^ 將承剔、或大量之階段可被用於隨後之揭露内容。、…白技術者 在各階段被研磨後，指示掃描式電子 被研磨且暴，_並衫要料 s=:可輕易地用於此階段，從而增加準 f ^ 幕效應(curtaining effect)對邊緣邊界判 ^月H之有害的 話），更確保準確地決定橫剖面特徵部之尺（若有的 像相當平面(即，並不需要三維影像掃描）’^如匕所有成 成像，可施加低加速電壓於SEM從而縮減或排除充^效 8 201003056 為任何特徵部之側壁粗糙度將被由上而下之舰在各 ϋ因此，可賴製造期間之特徵部形成的漸進資訊。 藤並繼續參考圖3Β ’多種橫剖面之SEM影像400對 3B中由於離子研磨而暴露之複數階 “ 二’狀參Μ到柯，可輕易識另 二it下部遞中的扭轉。由於介層窗3_之橫剖面影 光束3U成像，不管_絲311相對 扭轉總會出現。因此，不需 ώ 先刚技術可能完全遺漏任何扭轉效應(取決於角度， ii觸」例如’假如圖3Β之介層窗遍利用傳統的 由於合恭;± If倾左触雜，轉效财會被發現。再者， 投f即，介層窗3_之左方侧壁輪廓與中線參 之ΐ声(即你二二*^1占〕’先前技術會不正確地描1 會介層窗305A 3〇5ΐΪίΪ^幕效應）。若無額外的研磨無法找到介層窗 择立丨二丄豕0圖4)之母一者，以提供介層窗3〇5八之整體 ί ΐϊ 剖面SEM影像400取得，可旋轉二 建構ί維示介層_A。此外，可_似方式 500、550之每一者^康^於分析成像特徵部之計量需求，重建 轉、及起體翻化。时將上述結合、旋 太以形成重建、550之軟體在技術中為已知。 肩明白已二考特定之實施例而說明如上。然而，熟習技術者 神綱下，如隨附之申請： 括翁的貫施例描述所使用之-些材料類型及層，熟習 目的以閱層為可變通的，且顯示於此僅供卿性 在此說明切_性°此外’熟f技術者將更承認 兄月之技侖及方法可適用於任何種類之結構，對半 9 201003056 應關料—範例，綱本發日狀各種#施例以協助 者’熟雜術者細在此賴露之魏承認可使用其 ohl i. ’ 裝ί(除了離子研磨）。例如，可藉由雷射剝離(!aser oblation)裝置以梯級之方式來移除材料。 假如特徵部未填滿賴㈣，—些裝置如 象Ρ使被填滿，可使用散射技術如拉曼光譜分析⑽酿 ϋ ί些分析工具(除了 sem)可用來將特徵部成像。例如， 角^解析光散射(angle_resolved Hght sc 耐 續層-人或切#彳之方式來將特徵部成像。 号、ί二ΐϋΐί導體應推論為包含資料儲存器、平板顯示 寺内，因此說明書及圖式應被視為舉例性而非限制性者。月辜 【圖式簡單說明】 制其81式伽以_本發明之例示性實施綱並非用以限 圖1A為先前技術之介層窗的橫剖面圖。 層窗:發=====嫩之介 暴4 ^=射_彻_錢絲之_之 橫剖^圖::丁紅界尺寸里測上之⑼技術幕效應之介層窗的 圖3A為顯示扭轉之介層窗的橫剖面圖。 階段圖3B為填滿保護材料之圖3a之介層窗，顯示各種刚银刻 面區=_ 3B之各Fm侧階段後所取得之影像的複數橫剖 201003056 圖5顯示結合圖4之複數橫剖面區域以將圖3A之介層窗重建 成二維及三維圖式。 【主要元件符號說明】 101 底層 103 介電層 105A 介層窗 105B 介層窗 107 A 深渠溝 107B 剩餘部份 109 掃描式電子顯微鏡光束 201 介電質 203 介層窗 205 鶴保護層 300 半導體裝置 301 底層 303 介電層 305A 介層窗 305B 下部 307 中線參考基準 309 保護材料 311 掃描式電子顯微鏡光束 400 掃描式電子顯微鏡影像 500 二維重建 550 三維重建 11

Claims (1)

1. 201003056 七申印專利範園： 1 ·種製造特徵部之棒旦 研磨步驟，研磨^沂的產生方法，該方法包含： 面本質上平行於設有該造特徵部之一表面，該被研磨之表 成像步驟，將該^特及 的位置加以成像，從 攸本貝上垂直於該被研磨之表面 生禝數之横剖面影像之第一者。 2法如申更利朗第1散觀特徵邹之橫勤影像的產生方 沿著該特徵部之整體离许 — 將該複數之橫剖面研磨及成像步驟；及 圖。 者重建賴製造特徵部之表示 生方 =UtS2特的纽方 5 法 •之製造特徵部之橫剖面影像的產生方 .更包—取該研磨步驟由—聚焦離子束裝置所執^產生方 6. 如申請專利範圍第i項之製造特徵 法，更包含選取該研磨步驟由—能彳;」面^像的產生方 行。 ^ 4_〇ase_atio聰置所執 7. 如申請專利範圍第1項之製造特徵部之 法，更包含選取該成像步驟由-掃描生方 8. 如申請專利範圍第7項之製造特徵部之橫剖面影像的產生方 12 201003056 ==2掃描式電子顯微鏡為一臨界尺寸之由上而下的 9.如申4專利feu f 1項之製造特徵部之橫剖面影像的產生 法，更包含選取該成像步驟由一光散射裝置所執行。 範圍第1項之製造特徵部之橫剖面影像的產生方 法’更包含選取該成像步驟由一輪靡描緣裝置所執行。方 ====== 〜生方 之任·部來賴該製造特徵部，其中該舰㈣ 及 層 像 製—上而下之成 13.如申請專利範圍第12項之產生一 的方法，更包含將該複數之橫剖面m造特徵部之影像 徵部之表示圖。 、：者重建成該製造特 14·如申請專利範圍第12項之產生一 ， 的方法，更包含選轉领徵部之影像 財田式電子軸鏡所執行。 15.如申請專利範圍第14項之產生〜 ， 的方法，更包含選取該掃描式電子之製造特徵部之影像 鏡‘畔財之掃_ 201003056 電子顯微鏡 16.如申請專利範圍第12項之產生—個以上之 的方法，更包含選取該成像步驟由—光散射/置;之影像 Π.如申請專利範圍第i2項之產生—個以上之 的方法，更包含馳誠齡_—輪_魏^衫像 18·如申請專利範圍第12項之產生— 生 =方法，更包含藉姐減__狀洲像 19. 一種產生一個以上之製造特徵部之 反覆/也產生該更多之—之特徵部的橫剖面，包含 包含： 離子研磨步驟，離子研磨靠 :表面’該被研磨之表面本‘财該:：徵二， 之上之 —者重建成該製造特徵部之表^; 20. 如申請專利範圍第19項 的方法，更包含將該製造特徵部重建=維^特徵部之影像 21. 如申請專利範圍f 2〇項之產生 的方法，其中該三維表示圖可旋轉。 之衣以特徵部之影像 泣如申請專利範園第19項之產生—個以上之製造特徵部之影像 14 201003056 的方法，更包含藉由以相異於構成該層之材料的一材料填滿該特 ' 徵部之任何開口部來保護該製造特徵部，其中該特徵部製造於該 層上。 八、圖式： 15