用于透射电子显微镜俯视观察的芯片样品制备方法与流程

本发明涉及半导体制造工艺，具体而言涉及一种通过聚焦电子束制备用于透射电子显微镜俯视观察的芯片样品的方法。

背景技术：

在对制备的芯片进行失效分析时，通过透射电子显微镜观察芯片样品通常采用两种方式，即观察芯片样品的侧视剖面或者从芯片样品的正面进行俯视观察。用于透射电子显微镜观察的芯片样品的制备工作通过聚焦电子束来完成，在制备用于透射电子显微镜俯视观察的芯片样品时，很难控制精度且需耗费很长时间，因此，通常选择观察芯片样品的侧视剖面来找出芯片失效的根源，然而，在某些情况下，这种观察方法存在问题，例如，制备样品的侧视剖面的过程中采用的研磨过程可能会露出存在缺陷的部位，暴露出来的出现缺陷的部位会被后续使用透射电子显微镜观察所需的旋涂材料所填充，造成反馈信号的减弱，进而影响观察的结果。

因此，需要提出一种方法，以解决上述问题。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供一种用于透射电子显微镜俯视观察的芯片样品制备方法，包括：a)提供待测样品，在所述待测样品的顶面沉积第一保护层，使所述第一保护层覆盖以所述待测样品的顶面部分为中心扩展的矩形区域，所述顶面部分与待分析目标相垂直对应；b)在所述第一保护层的四个顶角以及四条边缘的中心位置沉积呈正方形的第二保护层；c)沉积第三保护层，以完全覆盖所述第二保护层和所述第一保护层；d)去除位于所述第一保护层所覆盖的部分之外的待测样品，使所述待测样品的两个相平行的侧面的下部呈倒三角形；e)将所述待测样品的下部呈倒三角形的两个侧面之一附着于支撑 台上；f)通过精磨去除所述第三保护层、所述第二保护层和所述第一保护层。

在一个示例中，实施所述步骤a)-步骤c)中的沉积时，将所述待测样品的顶面相对于操作台的表面倾斜52度放置。

在一个示例中，所述第二保护层的材料和所述第一保护层的材料不同。

在一个示例中，所述倒三角形的顶边距离与所述待分析目标的下部之间的垂直距离dt大于500nm。

在一个示例中，所述步骤d)包括：分别沿所述第三保护层的两个长边和一个短边向下切割所述待测样品到底；沿所述第三保护层的一个长边向下找到与位于所述待分析目标下方距离为所述dt的部位处于同一水平线上的位置向内切割所述待测样品的同时转动所述待测样品，以使所述切割方向向下与所述同一水平线呈38度，直至切割所述待测样品到沿所述待分析目标的正下方延伸的位置；再次转动所述待测样品，以使所述切割方向向上与所述同一水平线呈38度，直至切割所述待测样品到底；沿所述第三保护层的另一个短边向下切割所述待测样品的距离大于(l/2)/sin38°与所述dt之和，所述l代表所述第三保护层的短边的长度。

在一个示例中，实施所述步骤e)之前，还包括如下步骤：将所述待测样品下部的呈坡形的两个侧面的一面附着于一支撑基底上；以与所述第三保护层的短边所在的侧面相垂直的方向为轴向，将所述支撑基底顺时针旋转52度，使所述第三保护层的长边所在的侧面与操作台的表面平行。

在一个示例中，所述待测样品和所述支撑基底之间的附着依靠所述待测样品与所述支撑基底之间的静电吸引实现。

在一个示例中，实施所述精磨的次序如下：精磨所述第三保护层直至露出所述第二保护层；精磨剩余的所述第三保护层和露出的所述第二保护层；精磨露出的所述第一保护层。

在一个示例中，实施所述步骤f)之后，露出的所述待测样品的顶面与所述待分析目标的垂直距离大于20nm。

根据本发明，可以将制备样品的时间控制在1小时之内，不会损 伤所述待测样品中出现失效的部分。

附图说明

本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。

附图中：

图1a-图1g为根据本发明示例性实施例的方法依次实施的步骤所分别获得的芯片样品的示意图；

图2为根据本发明示例性实施例的方法依次实施的步骤的流程图。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

应当理解的是，本发明能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本发明的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大。自始至终相同附图标记表示相同的元件。

应当明白，当元件或层被称为“在...上”、“与...相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在...上”、“与...直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本发明教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、 区、层或部分。

空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。

在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本发明的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。

通过聚焦电子束制备用于透射电子显微镜俯视观察的芯片样品通常包括以下步骤：(1)使用聚焦电子束在芯片样品的失效部位的附近打上标记，需要耗费大约20分钟；(2)将芯片样品的侧面粘合在支撑台上并等待芯片样品冷却下来，需要耗费大约30分钟；(3)研磨芯片样品的侧面直至距离目标区域的边缘还有大约1-2微米，需要耗费大约6小时；(4)通过溶胶的方式将芯片样品与支撑台分离并等待芯片样品冷却下来，需要耗费大约20分钟；(5)通过聚焦电子束进一步处理研磨后的芯片样品，如果发现研磨后的芯片样品的侧面距离目标区域的边缘超过2微米，需要重复实施步骤(2)-(4)，直至研磨后的芯片样品的侧面距离目标区域的边缘不超过2微米。因此，步骤(3)非常重要，需要精确控制研磨的精度，然而，研磨后的芯片样品的失效部位经常遭到破坏，研磨后的芯片样品的表面的粗糙程度也会影响对于失效部位的观察。为此，本发明提出一种通过聚焦电子束制备用于透射电子显微镜俯视观察的芯片样品的方法，下面结合 下述示例性实施例对所述方法进行详细说明。

[示例性实施例]

参照图1a-图1f，其中示出了根据本发明示例性实施例的方法依次实施的步骤所分别获得的芯片样品的示意图。

首先，如图1a所示，提供待测样品100，待测样品100包括基底，基底的构成材料可以采用未掺杂的单晶硅、掺杂有杂质的单晶硅、绝缘体上硅(soi)、绝缘体上层叠硅(ssoi)、绝缘体上层叠锗化硅(s-sigeoi)、绝缘体上锗化硅(sigeoi)以及绝缘体上锗(geoi)等；在基底中形成有隔离结构以及各种阱(well)结构，作为示例，隔离结构为浅沟槽隔离(sti)结构或者局部氧化硅(locos)隔离结构；形成在基底上的栅极结构，作为示例，栅极结构包括自下而上层叠的栅极介电层、栅极材料层和栅极硬掩蔽层，栅极介电层包括氧化物层，例如二氧化硅(sio2)层。栅极材料层包括多晶硅层，栅极硬掩蔽层包括氧化物层、氮化物层、氮氧化物层和无定形碳中的一种或多种，其中，氧化物层的构成材料包括硼磷硅玻璃(bpsg)、磷硅玻璃(psg)、正硅酸乙酯(teos)、未掺杂硅玻璃(usg)、旋涂玻璃(sog)、高密度等离子体(hdp)或旋涂电介质(sod)，氮化物层包括氮化硅(si3n4)层，氮氧化物层包括氮氧化硅(sion)层；形成于栅极结构两侧且紧靠栅极结构的侧壁结构，侧壁结构由氧化物、氮化物或者二者的组合构成；位于侧壁结构之间的基底中的嵌入式锗硅层和嵌入式碳硅层；位于栅极顶部以及嵌入式锗硅层和嵌入式碳硅层的顶部的金属硅化物，作为示例，金属硅化物的构成可以为niptsigec、niptsic等；覆盖基底、栅极结构和侧壁结构的自下而上层叠的接触孔蚀刻停止层和层间介电层；多个金属互连层等。

接下来，在待测样品100的顶面沉积第一保护层102，作为示例，第一保护层102的材料可以为钨、铂金、碳等。实施所述沉积时，应将待测样品100的顶面相对于操作台的表面倾斜52度放置，释放沉积源的离子束与待测样品100的顶面相垂直。第一保护层102不完全覆盖待测样品100的顶面，但应覆盖以与待分析目标101(待测样品100的出现失效的部位)相垂直对应的待测样品100的顶面部分为中 心扩展的矩形区域。

接下来，在第一保护层102上沉积八个呈正方形的第二保护层103。第二保护层103分别位于第一保护层102的四个顶角以及四条边缘的中心位置，用于矫正后续精磨待测样品100时待测样品100的顶面与操作台的表面所呈的角度。第二保护层103的材料应与第一保护层102的材料不同。

接下来，沉积第三保护层104，以完全覆盖第二保护层103和第一保护层102。沉积第三保护层104和第二保护层103时，应将待测样品100的顶面相对于操作台的表面倾斜52度放置，释放沉积源的离子束与待测样品100的顶面相垂直。

接着，如图1b所示，去除位于第一保护层102所覆盖的部分之外的待测样品100，实施所述去除后，待测样品100的剖面的位于待分析目标101下方超出距离dt的部分呈倒三角形，所述距离dt大于500nm，所述剖面是从待分析目标101所对应的位置获得的，且与图1a中所示的第三保护层104的侧面b相平行。

作为示例，实施所述去除的步骤如下：依次沿着图1a中所示的第三保护层104的侧面a、b和c向下切割待测样品100到底；沿着第三保护层104的侧面a向下找到与位于待分析目标101下方距离dt的部位处于同一水平线上的位置向内切割待测样品100的同时转动待测样品100，以使切割方向向下与所述同一水平线呈38度，直至切割待测样品100至其沿待分析目标101的正下方延伸的位置；再次转动待测样品100，以使切割方向向上与所述同一水平线呈38度，直至切割待测样品100到底；沿着图1a中所示的第三保护层104的侧面d向下切割待测样品100的距离dc大于((l/2)/sin38°+dt)，l代表第三保护层104的侧面d的长度。

接着，如图1c所示，将待测样品100下部的呈坡形的两个侧面的一面附着于支撑基底105上，所述附着依靠待测样品100与支撑基底105之间的静电吸引即可实现。作为示例，先在第三保护层104的侧面b的中间位置固定一探针，再利用此探针移动待测样品100到支 撑基底105上，而后切断此探针以使待测样品100下部的呈坡形的两个侧面的一面附着于支撑基底105上。此时，第三保护层104的侧面a与支撑基底105的顶面之间的夹角为52度。

接着，如图1d所示，以与第三保护层104的侧面b垂直的方向为轴向，将支撑基底105顺时针旋转52度，使第三保护层104的侧面a与操作台的表面平行。此时，从待分析目标101所对应的位置获得的与第三保护层104的侧面b相平行的待测样品100的剖面垂直于电子束直写的方向。

接着，如图1e所示，将第三保护层104的侧面d附着于支撑台107上。作为示例，先在第三保护层104的侧面b的中间位置固定一探针，再利用此探针移动待测样品100到支撑台107上并固定，此时，待测样品100已经与支撑基底105分离，而后切断此探针。

接着，如图1f所示，以与第三保护层104的侧面b垂直的方向为轴向，将支撑台107顺时针旋转52度。然后，在第三保护层104的侧面c以及位于侧面c以下的第二保护层103、第一保护层102和待测样品100的表面上沉积第四保护层106。

接着，如图1g所示，去除第三保护层104、第二保护层103和第一保护层102，覆盖在第三保护层104、第二保护层103和第一保护层102上的第四保护层106也一并被去除，第四保护层106的其它部分没有被去除。作为示例，通过精磨工艺实施所述去除，所述精磨的次序如下：精磨位于所述侧面c一侧的第三保护层104直至露出下方的第二保护层103；精磨位于所述侧面a一侧的第三保护层104直至露出下方的第二保护层103；精磨位于所述侧面b一侧的第三保护层104直至露出下方的第二保护层103；精磨位于所述侧面d一侧的第三保护层104直至露出下方的第二保护层103；精磨剩余的第三保护层104和露出的第二保护层103；精磨第一保护层102。完全去除第一保护层102之后，会去除部分露出的待测样品100，实施所述去 除之后，露出的待测样品100的顶面与待分析目标101的垂直距离大于20nm，即上述精磨过程不会损伤待分析目标101。

至此，完成了根据本发明示例性实施例的方法实施的工艺步骤。根据本发明，可以将制备样品的时间控制在1小时之内，不会损伤待测样品100中出现失效的部分。

参照图2，其中示出了根据本发明示例性实施例的方法依次实施的步骤的流程图，用于简要示出制造工艺的流程。

在步骤201中，提供待测样品，在待测样品的顶面沉积第一保护层，使第一保护层覆盖以与待分析目标相垂直对应的待测样品的顶面部分为中心扩展的矩形区域；

在步骤202中，在第一保护层的四个顶角以及四条边缘的中心位置沉积呈正方形的第二保护层；

在步骤203中，沉积第三保护层，以完全覆盖第二保护层和第一保护层；

在步骤204中，去除位于第一保护层所覆盖的部分之外的待测样品，使待测样品的两个相平行的侧面的下部呈倒三角形；

在步骤205中，将待测样品的下部呈倒三角形的两个侧面之一附着于支撑台上；

在步骤206中，通过精磨去除第三保护层、第二保护层和第一保护层。

本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。