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一種基于三維tem樣品進行缺陷分析的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及半導體制造領域，特別涉及一種基于三維TEM樣品進行缺陷分析的方法。包括以下步驟：提供帶有缺陷的半導體樣品；在待觀測區(qū)域形成第一標記；橫向電鍍第一鉑金保護層；制備第一TEM樣品；測量缺陷到第一標記的距離；將第一TEM樣品放置到半導體樣品上；縱向電鍍第二鉑金保護層；制備三維TEM樣品；三維TEM成像。本發(fā)明的技術(shù)方案，在制備三維TEM樣品的基礎上，進行兩個方向的TEM觀測和成像，可以得到半導體制程中缺陷的形貌、大小、所處層次等全面信息，進行對所述缺陷進行準確失效分析，從而提出對半導體制程的可靠改進意見；本發(fā)明的技術(shù)方案操作方法簡單，三維TEM樣品制備效率高，對TEM樣品進行失效分析效果好，準確率高。
【專利說明】—種基于三維TEM樣品進行缺陷分析的方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及半導體制造領域，特別涉及一種基于三維TEM樣品進行缺陷分析的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著半導體制程尺寸越來越小，失效分析也變的越來越困難，一個很小的缺陷就有可能導致器件的失效，進而影響整個芯片的工作。通常采用EM(Electron Microscope電子顯微鏡)來檢測半導體器件的薄膜形貌、尺寸及特性，進行失效分析。常用的EM包括TEM(Transmission Electron Microscope 透射電子顯微鏡)和 SEM(Scanning ElectronMicroscope掃描電子顯微鏡)。TEM的工作原理是將需檢測的樣片以切割、研磨、離子減薄等方式減薄，然后放入TEM觀測室，以高壓加速的電子束照射樣片，將樣片形貌放大、投影到屏幕上，照相，然后進行分析。TEM因具有較高的分辨率，非常適用于觀測制程中產(chǎn)生的缺陷的形貌，大小以及缺陷出現(xiàn)的層次位置，并且可以通過元素分析來判斷缺陷的元素組成，進一步來確定缺陷的來源。同時TEM樣品的厚度對成像效果及分析失效分析的結(jié)果均有較大影響，實際工藝中，只有垂直于檢測面的方向上的TEM樣品的厚度越薄(通常厚度小于100nm)，最后成像才能越清晰、越能反映樣品的結(jié)構(gòu)。但是對于半導體制程中很小的缺陷，傳統(tǒng)的制備平面TEM樣品的方法通常只能在一個方向上進行掃描成像，如圖1所示，TEM樣品I放置在銅網(wǎng)2上，只能觀測到TEM樣品I中缺陷3在Y方向的成像，即圖2中的圓形缺陷圖案4，不能獲得缺陷的全面信息，因此難以給出制程改進的明確方向。通常的做法就是增加樣品的數(shù)量，但是如果只有一個樣品，那么用平面TEM的方式就無法對此缺陷進行全面的分析。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于三維TEM樣品進行缺陷分析的方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)中難以獲得缺陷的全面信息進行失效分析的技術(shù)問題。
[0004]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下:一種基于三維TEM樣品進行缺陷分析的方法，包括以下步驟:
[0005](a)提供半導體樣品，所述半導體樣品的待觀測區(qū)域具有待檢測的缺陷；
[0006](b)采用聚焦離子束對所述半導體樣品的表面進行轟擊，在所述半導體樣品的待觀測區(qū)域形成用于標識缺陷位置的第一標記；
[0007](c)在所述待觀測區(qū)域上方的半導體樣品表面上，電鍍第一鉬金保護層，所述第一鉬金保護層覆蓋所述缺陷位置和第一標記；
[0008](d)在所述半導體樣品的待觀測區(qū)域，采用聚焦離子束制備具有所述待檢測缺陷的第一 TEM樣品,所述第一 TEM樣品具有第一觀測面；
[0009](e)將步驟d制備的第一 TEM樣品放置到銅網(wǎng)上，并與所述銅網(wǎng)一起置于TEM機臺，使所述TEM機臺的電子束沿垂直于所述第一觀測面的方向投影成像，并在TEM下量測所述第一 TEM樣品的成像圖案中所述待檢測缺陷到所述第一標記的距離；
[0010](f)將所述第一 TEM樣品從銅網(wǎng)上取出，以所述第一觀測面朝上的方向?qū)⑺龅谝?TEM樣品放置于所述半導體樣品上；
[0011](g)根據(jù)步驟e量測出的距離，判斷所述待檢測缺陷在所述第一觀測面的位置，并在所述第一觀測面的缺陷處電鍍第二鉬金保護層；
[0012](h)對所述第一 TEM樣品，采用聚焦離子束制備第二 TEM樣品，所述第二 TEM樣品具備第二觀測面，所述第二 TEM樣品即為三維TEM樣品；
[0013](i)將所述步驟h制備的三維TEM樣品放置到銅網(wǎng)上，并與所述銅網(wǎng)一起置于TEM機臺，使所述TEM機臺的電子束沿垂直于所述第二觀測面的方向投影，進行三維TEM成像。
[0014]進一步，步驟b中，所述第一標記距離所述缺陷的距離小于2um;所述第一標記為從所述半導體樣品表面延伸至所述半導體樣品內(nèi)部的倒錐形孔洞。
[0015]進一步，步驟f中，所述第一 TEM樣品放置于所述半導體樣品的表面上；或者采用束流范圍93?500pA的聚焦離子束，在所述半導體樣品內(nèi)形成長寬分別為10um，深為Ium的方坑，所述第一 TEM樣品置于所述方坑內(nèi)，所述方坑設置在靠近所述第一 TEM樣品制備完成后留下的凹坑區(qū)域。
[0016]進一步，步驟g中，所述第一觀測面的缺陷位于所述第二鉬金保護層的中心位置。
[0017]進一步，所述步驟d具體為:
[0018](I)采用束流范圍為6.5?9.2nA的聚焦離子束，在所述第一鉬金保護層的兩側(cè)分別切割出一個橫斷面以分離所述待觀測區(qū)域的樣品，所述切割寬度以不超過所述第一鉬金保護層的寬度為界；
[0019](2)采用束流范圍為2.8?6.5nA的聚焦離子束，對所述分離出的樣品的底部和側(cè)面進行U型切斷，形成第一 TEM樣品；
[0020](3)采用束流范圍為93pA?500pA的聚焦離子束，對所述第一 TEM樣品的正面和背面進行研磨，使所述第一 TEM樣品的厚度減薄為0.1?0.3um ;所述第一 TEM樣品的正面即為第一觀測面。
[0021]進一步,所述第一鉬金保護層的寬度為IOOnm,厚度為3?4um。
[0022]進一步，所述步驟h具體為:
[0023](I)將所述第一 TEM樣品放置于所述半導體樣品的表面，并在所述第一 TEM樣品兩側(cè)分別電鍍用于固定所述第一 TEM樣品的鉬金層，所述鉬金層可以防止所述第一 TEM樣品在所述半導體樣品的表面上丟失。
[0024](2)采用束流范圍為6.5?9.2nA的聚焦離子束，在所述第二鉬金保護層的兩側(cè)分別切割出一個橫斷面以分離所述待觀測區(qū)域的樣品，所述切割寬度以不超過所述第二鉬金保護層的寬度為界；
[0025](3)采用束流范圍為2.8?6.5nA的聚焦離子束，對所述分離出的樣品的底部和側(cè)面進行U型切斷，形成三維TEM樣品；
[0026](4)采用束流范圍為93pA?500pA的聚焦離子束，對所述三維TEM樣品的正面和背面進行研磨，使所述三維TEM樣品的厚度減薄為0.1?0.3um ;所述三維TEM樣品的正面即為第二觀測面。
[0027]進一步，所述第二鉬金保護層的寬度為lOOnm，厚度為lum。[0028]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明的技術(shù)方案，在制備三維TEM樣品的基礎上，進行兩個方向的TEM觀測和成像，可以得到半導體制程中缺陷的形貌、大小、所處層次等全面信息，進行對所述缺陷進行準確失效分析，從而提出對半導體制程的可靠改進意見；本發(fā)明的技術(shù)方案操作方法簡單，三維TEM樣品制備效率高，對TEM樣品進行失效分析效果好，準確率高。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1為現(xiàn)有技術(shù)中利用平面TEM樣品進行TEM觀測的示意圖；
[0030]圖2為現(xiàn)有技術(shù)中平面TEM樣品在Y方向的成像示意圖；
[0031]圖3為本發(fā)明進行缺陷分析的方法的流程示意圖；
[0032]圖4a?4k為本發(fā)明各步驟的效果示意圖；
[0033]圖5為本發(fā)明制備第一 TEM樣品的流程示意圖；
[0034]圖6為本發(fā)明制備第二 TEM樣品的流程示意圖。
【具體實施方式】
[0035]以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的原理和特征進行描述，所舉實例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。
[0036]如圖3所示，為本發(fā)明基于三維TEM樣品進行缺陷分析的方法的流程示意圖，包括以下步驟:
[0037]SlOl提供半導體樣品5，所述半導體樣品5的待觀測區(qū)域具有待檢測的缺陷6 ;本實施例中，所述缺陷6為圓柱形缺陷,如圖4a所示。
[0038]S102采用聚焦離子束對所述半導體樣品的表面7進行轟擊，在所述半導體樣品5的待觀測區(qū)域形成用于標識缺陷位置的第一標記8，如圖4b所示。圖4b中建立了 X、Y、Z坐標系，如圖所示，所述半導體樣品的表面7為X軸、Y軸所在的表面，本實施例中，所述第一標記8距離所述缺陷6的距離為2um ;所述第一標記8為從所述半導體樣品表面延伸至所述半導體樣品內(nèi)部的倒錐形孔洞。
[0039]S103在所述待觀測區(qū)域上方的半導體樣品表面7上，橫向電鍍第一鉬金保護層9，所述第一鉬金保護層覆蓋所述缺陷位置和第一標記8，如圖4c所示。
[0040]S104在所述半導體樣品5的待觀測區(qū)域，采用聚焦離子束制備具有所述待檢測缺陷的第一 TEM樣品10，具體步驟詳見以下S401?S403，所述第一 TEM樣品10具備第一觀測面11,如圖4d所示，所述第一觀測面11為所建坐標系中X軸和Z軸所確定的平面，為了在TEM機臺中進行觀測，需要將第一 TEM樣品在Y軸方向上的厚度減薄為lOOnm。
[0041]S105將步驟S104制備的第一 TEM樣品10放置到銅網(wǎng)12上，并與所述銅網(wǎng)12 —起置于TEM機臺，使所述TEM機臺的電子束13沿垂直于所述第一觀測面11的方向，即在Y方向上投影并成像，如圖4e所示；并在TEM下量測所述第一 TEM樣品10的成像圖案中所述待檢測的缺陷6到第一標記8的距離，即得到沿X軸方向上的所述缺陷6到第一標記8的距離，如圖4f所述；
[0042]S106將所述第一 TEM樣品10從銅網(wǎng)上取出，以所述第一觀測面11朝上的方向?qū)⑺龅谝?TEM樣品10再次放置于所述半導體樣品5上；本實施例中所述第一 TEM樣品10放置于所述半導體樣品5的表面上，如圖4g所示。在其他實施例中，可以采用束流范圍93?500pA的聚焦離子束,在所述半導體樣品5內(nèi)形成長寬分別為IOum,深為Ium的方坑14,所述第一 TEM樣品10置于所述方坑14內(nèi)，所述方坑14設置在靠近所述第一 TEM樣品10制備完成后留下的凹坑區(qū)域，如圖4h所示。
[0043]S107根據(jù)步驟S105量測出的距離，判斷所述待檢測的缺陷6在所述第一觀測面11的位置，并在所述第一觀測面11的缺陷處電鍍第二鉬金保護層15，如圖4i所示；本實施例中，所述第一觀測面11的缺陷位于所述第二鉬金保護層15的中心位置，此時，所述第二鉬金保護層的寬度即為所要制備的三維TEM樣品的厚度。
[0044]S108對所述第一 TEM樣品10，采用聚焦離子束制備第二 TEM樣品，具體步驟詳見以下S801?S803，所述第二 TEM樣品具備第二觀測面17，所述第二觀測面為所建坐標系中Y軸與Z軸所確定的平面，所述第二 TEM樣品即為三維TEM樣品16，如圖4j所述；為了在TEM機臺中進行觀測，需要將所述三維TEM樣品16在X軸方向上的厚度減薄為lOOnm。
[0045]S109將所述步驟S108制備的三維TEM樣品16放置到銅網(wǎng)12上，并與所述銅網(wǎng)12 —起置于TEM機臺，使所述TEM機臺的電子束沿垂直于所述第二觀測面17的方向投影，即沿X軸方向上投影，進行三維TEM成像，如圖4k所示，可以看到柱形缺陷18。
[0046]如圖5所示，本實施例中，所述步驟S104的具體過程為:
[0047]S401采用束流范圍為6.5?9.2nA的聚焦離子束，在所述第一鉬金保護層9的兩側(cè)分別切割出一個橫斷面以分離所述待觀測區(qū)域的樣品，所述切割寬度以不超過所述第一鉬金保護層9的寬度為界。本實施例中，所述第一鉬金保護層9的寬度為lOOnm，厚度為3um ;在其他優(yōu)選實施例中,所述第一鉬金保護層的厚度為3?4um間的任意值。
[0048]S402采用束流范圍為2.8?6.5nA的聚焦離子束，對所述分離出的樣品的底部和側(cè)面進行U型切斷，形成第一 TEM樣品10。
[0049]S403采用束流范圍為93pA?500pA的聚焦離子束，對所述第一 TEM樣品的正面和背面進行研磨，使所述第一 TEM樣品10的厚度減薄為0.1um;在其他優(yōu)選實施例中，所述第一 TEM樣品的厚度為0.1?0.3um間的任意值。所述第一 TEM樣品的正面即為第一觀測面11，即所建坐標系中，X軸與Z軸所確定的平面。
[0050]如圖6所示，本實施例中，所述步驟S108的具體過程為:
[0051]S801采用束流范圍為6.5?9.2nA的聚焦離子束，在所述第二鉬金保護層15的兩側(cè)分別切割出一個橫斷面以分離所述待觀測區(qū)域的樣品，所述切割寬度以不超過所述第二鉬金保護層15的寬度為界；本實施例中，所述第二鉬金保護層15的寬度為lOOnm，厚度為Ium0
[0052]S802采用束流范圍為2.8?6.5nA的聚焦離子束，對所述分離出的樣品的底部和側(cè)面進行U型切斷，形成三維TEM樣品16 ；
[0053]S803采用束流范圍為93pA?500pA的聚焦離子束，對所述三維TEM樣品16的正面和背面進行研磨，使所述三維TEM樣品16的厚度減薄為0.1um;在其他優(yōu)選實施例中，所述三維TEM樣品16的厚度為0.1?0.3um間的任意值。所述三維TEM樣品16的正面即為第二觀測面17，即所建坐標系中，Y軸與Z軸所確定的平面。
[0054]優(yōu)選的，當所述第一 TEM樣品放置于所述半導體樣品的表面進行制備三維TEM樣品時，首先在所述第一 TEM樣品兩側(cè)分別電鍍用于固定所述第一 TEM樣品的鉬金層，然后再進行步驟S801?S803，所述鉬金層可以防止所述第一 TEM樣品在所述半導體樣品的表面上丟失。
[0055]本發(fā)明的技術(shù)方案，在制備三維TEM樣品的基礎上，進行兩個方向的TEM觀測和成像，可以得到半導體制程中缺陷的形貌、大小、所處層次等全面信息，進行對所述缺陷進行準確失效分析，從而提出對半導體制程的可靠改進意見；本發(fā)明的技術(shù)方案操作方法簡單，三維TEM樣品制備效率高，對TEM樣品進行失效分析效果好，準確率高。
[0056]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于三維TEM樣品進行缺陷分析的方法，包括以下步驟: Ca)提供半導體樣品，所述半導體樣品的待觀測區(qū)域具有待檢測的缺陷； (b)采用聚焦離子束對所述半導體樣品的表面進行轟擊，在所述半導體樣品的待觀測區(qū)域形成用于標識缺陷位置的第一標記； (c)在所述待觀測區(qū)域上方的半導體樣品表面上，電鍍第一鉬金保護層，所述第一鉬金保護層覆蓋所述缺陷位置和第一標記； (d)在所述半導體樣品的待觀測區(qū)域，采用聚焦離子束制備具有所述待檢測缺陷的第一 TEM樣品,所述第一 TEM樣品具有第一觀測面； Ce)將步驟d制備的第一 TEM樣品放置到銅網(wǎng)上，并與所述銅網(wǎng)一起置于TEM機臺，使所述TEM機臺的電子束沿垂直于所述第一觀測面的方向投影成像，并在TEM下量測所述第一 TEM樣品的成像圖案中所述待檢測缺陷到所述第一標記的距離； (f)將所述第一TEM樣品從銅網(wǎng)上取出，以所述第一觀測面朝上的方向?qū)⑺龅谝?TEM樣品放置于所述半導體樣品上； (g)根據(jù)步驟e量測出的距離，判斷所述待檢測缺陷 在所述第一觀測面的位置，并在所述第一觀測面的缺陷處電鍍第二鉬金保護層； (h)對所述第一TEM樣品，采用聚焦離子束制備第二 TEM樣品，所述第二 TEM樣品具備第二觀測面，所述第二 TEM樣品即為三維TEM樣品； (i)將所述步驟h制備的三維TEM樣品放置到銅網(wǎng)上，并與所述銅網(wǎng)一起置于TEM機臺，使所述TEM機臺的電子束沿垂直于所述第二觀測面的方向投影，進行三維TEM成像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:步驟b中，所述第一標記距離所述缺陷的距離小于2um ;所述第一標記為從所述半導體樣品表面延伸至所述半導體樣品內(nèi)部的倒錐形孔洞。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:步驟f中，所述第一TEM樣品放置于所述半導體樣品的表面上；或者采用束流范圍93~500pA的聚焦離子束，在所述半導體樣品內(nèi)形成長寬分別為lOum，深為Ium的方坑，所述第一 TEM樣品置于所述方坑內(nèi)，所述方坑設置在靠近所述第一 TEM樣品制備完成后留下的凹坑區(qū)域。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:步驟g中，所述第一觀測面的缺陷位于所述第二鉬金保護層的中心位置。
5.根據(jù)權(quán)利要求1~4任一所述的方法，其特征在于:所述步驟d具體為: (1)采用束流范圍為6.5~9.2nA的聚焦離子束，在所述第一鉬金保護層的兩側(cè)分別切割出一個橫斷面以分離所述待觀測區(qū)域的樣品，所述切割寬度以不超過所述第一鉬金保護層的寬度為界； (2)采用束流范圍為2.8~6.5nA的聚焦離子束，對所述分離出的樣品的底部和側(cè)面進行U型切斷，形成第一 TEM樣品； (3)采用束流范圍為93pA~500pA的聚焦離子束，對所述第一TEM樣品的正面和背面進行研磨，使所述第一 TEM樣品的厚度減薄為0.1~0.3um ;所述第一 TEM樣品的正面即為第一觀測面。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于:所述第一鉬金保護層的寬度為lOOnm，厚度為3~4um。
7.根據(jù)權(quán)利要求1~4任一所述的方法，其特征在于.所述步驟h具體為: (1)將所述第一TEM樣品放置于所述半導體樣品的表面，并在所述第一 TEM樣品兩側(cè)分別電鍍用于固定所述第一 TEM樣品的鉬金層； (2)采用束流范圍為6.5~9.2nA的聚焦離子束，在所述第二鉬金保護層的兩側(cè)分別切割出一個橫斷面以分離所述待觀測區(qū)域的樣品，所述切割寬度以不超過所述第二鉬金保護層的寬度為界； (3)采用束流范圍為2.8~6.5nA的聚焦離子束，對所述分離出的樣品的底部和側(cè)面進行U型切斷，形成三維TEM樣品； (4)采用束流范圍為93pA~500pA的聚焦離子束，對所述三維TEM樣品的正面和背面進行研磨，使所述三維TEM樣品的厚度減薄為0.1~0.3um ;所述三維TEM樣品的正面即為第二觀測面。
8.根據(jù) 權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于:所述第二鉬金保護層的寬度為lOOnm，厚度為lum。
【文檔編號】G01N23/04GK103760177SQ201410003657
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年1月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月3日
【發(fā)明者】仝金雨, 郭偉, 李桂花, 李劍 申請人:武漢新芯集成電路制造有限公司