专利名称：使用聚焦离子束装置和扫描电子显微镜创建半导体结构的三维图像的方法
技术领域：
本发明大体涉及在半导体、数据存储、平面显示器以及有关的或其他工业中使用 的计量设备。更具体地，本发明涉及使用聚焦离子束装置和扫描电子显微镜的三维成像方 法。
背景技术：
自从几十年前第一次引入集成电路(IC)器件以来半导体器件几何形状(即，集成 电路设计尺度)的尺寸极大地降低。IC通常符合“摩尔定律”，也就是说在单个集成电路芯 片上制造的器件数量每两年翻一番。当今的IC制造设备通常生产65nm(0. 065 μ m)特征尺 寸的器件，而将来的晶圆厂很快将生产具有更小特征尺寸的器件。逐渐降低的特征尺寸正推动设备供应商和器件制造商两者在制造过程中在多个 不同的点检查以及准确且精确地测量IC器件。生产线厚度电子测试提供对IC的功能通过 /不通过的判断，但是分析工具(如光学轮廓仪(profilometer)、原子力显微镜和关键尺寸 扫描电子显微镜(CD-SEM))用来成像IC多个不同部分的形貌。剖面(S卩，破坏性的)分析 提供对失效IC的根源分析。有效的失效识别往往只能通过剖面IC内的多个不同器件以及 利用电子显微镜成像这些剖面来进行。并且，剖面分析提供工艺线上重要的反馈和前馈。通常使用两种方法来剖面切割集成电路所处的晶片并离子铣削这些器件。离子 铣削允许更好地控制选择小的区域以在该器件上检查。离子铣削通过烧蚀原子而从集成电 路器件表面去除材料，因此从该器件去除层中的材料。经过许多次通过之后，使用SEM在邻 近允许“侧视”该器件的结构产生沟槽。离子铣削通常使用聚焦离子束(FIB)装置来执行。FIB装置经常与SEM—同使用。 SEM使用聚焦电子束来成像设在高真空室中的样品。相反，FIB使用聚焦离子束。与SEM不同，FIB装置本身由于其高能粒子而对样品有破坏性。由于受到高能粒 子的撞击而从样品飞溅出(即，物理去除原子和分子)。该飞溅效应因此使得FIB可用作微 机加工工具。除了导致表面损伤外，该FIB装置将离子注入表面顶部几个纳米。这种注入 往往导致错误的测量，正如下面将要讨论的。镓通常选择为FIB装置的离子源，因为镓液体金属离子源(LMIS)相对容易制造。 在镓LMIS中，镓金属与钨探针接触。然后加热该组合。镓润湿钨并且产生大电场(大于IO8 伏特每厘米)。该大电场导致镓原子离子化和电场发射。该镓离子通常加速到5_50keV(千电子伏特)能量，并且由静电透镜聚焦到样品 上。当代的FIB装置可传送数十毫微安电流至样品上以辅助铣削工艺。或者，可以减少电流以产生更精细的铣削程度伴随点尺寸降低。因此可控制点尺寸而产生直径几个纳米的束。 例如，可使用低电压氩离子束去除甚至更薄的层。参照图1A，集成电路一部分的剖面包括基层101和电介质层103。该电介质层103 具有过孔105A以将随后在该电介质层103上方形成的上层(未示)连接到该基层101。图IB中，一系列离子束铣削的层在暴露的过孔105B之前打开深沟槽107A。该深 沟槽107A将材料的主体铣削掉，只留下过孔105A之前少量的电介质层103。每个被离子束 铣削的层的深度为“d”。该深沟槽107A因此是由一系列逐渐变宽的离子束在该电介质层 103中的切口形成的。每个切口的深度“d”通常在数十至数百纳米的量级。实际的深度通 过离子束的能量和器件铣削的次数来控制。一旦该深沟槽107A被聚焦离子束装置切割足够深，使用该FIB装置的第二轮通过 去除紧邻该过孔105A的电介质层103的剩余部分107B的层。在完成电介质层103的剩余 部分107B中每次切割之后，使用扫描电子显微镜束109来观察角度为α的暴露过孔105Β， 该角度通常为15° -20°。图IC是由扫描电子显微镜束109(图1Β)成像的暴露的过孔 105B的理想化剖面图的图形描述。具有同轴扫描电子显微镜(SEM)的聚焦离子束(FIB)系统是本领域公知的。该FIB 还可集成在具有电子和离子束两个镜筒的系统中，允许使用任一种束来调查同一特征(例 如，该暴露的过孔105B)。另外，已经引入包括FIB和扫描电子显微镜(SEM)的双束系统，其可使用SEM成像 该样品并且使用FIB铣削该样品。一些双束工具使用同时入射的FIB和SEM束，其中这些 束以相互之间较大的角度入射在该表面上。如上所说明的，SEM成像一般不会明显损伤工件表面，不像利用离子束成像那样。 与离子相反，电子在飞溅材料方面不起作用。在碰撞粒子和基片粒子之间撞击过程中传递 的动量的量取决于碰撞粒子的动量以及这两种粒子的相对质量。当两种粒子具有相同质量 时传递最大动量。当该碰撞粒子和该基片粒子的质量之间存在不匹配，则较少的碰撞粒子 动量传递到基片粒子。在FIB铣削中使用的镓离子的质量超过电子质量的128，000倍。结 果，镓离子束中的离子具有足够的动量来飞溅表面分子。常规SEM电子束的电子的动量不 足以凭借动量转移而从表面去除分子。然而，FIB铣削导致的固有损害往往也损伤待成像的特征。所以，特征通常填充有 另一材料以充当保护层。该另一材料通常选择为具有与该特征材料类似的机械蚀刻特性和 类似的散射电子速率(scattered electron rate)。例如，电介质层(如二氧化硅)可填充 有钨(W)或钼(Pt)镀层。尽管差别较大的材料保护该特征不会过多损伤，但是该保护层产 生称作“结壳”的现象而影响随后的SEM测量的精确度。结壳是由注入未蚀刻层的高能镓 离子所导致的。参照图2，在电介质201中制造的过孔203覆盖有钨保护层205。该钨保护层205 确保在FIB铣削过程中该过孔203的结构完整性。额外地，该钨保护层205还确保该过孔 203的边缘发现(edge-finding)和关键尺寸(⑶)测量值的必要的对比差异。然而，该过 孔203的总的实际高度Oi1)和实际宽度(W1)难以辨别。如本领域所公知的，结壳由与使用 钨(或者多种其他材料)相关的铣削工艺所导致，因为注入的离子局部掩盖材料边界。该 过孔203的实际边界变得不清楚。该过孔203的高度和宽度的CD测量值会被错误地分别解释为h2和W2。因此，现有的FIB-SEM成像技术存在着由(1)结壳效应以及( 在最终铣削和成 像步骤之前样品中进行深沟槽的角切割所需的过度时间量所产生的许多挑战。所以，所需 要的是有效和准确的方法来确定半导体集成电路上的特征的三维CD测量值。该方法应当 避免结壳效应并提供任何特征的真实的三维成像。
发明内容
在一个示范实施方式中，公开一种产生所制造特征的剖面成像的方法。该方法包 括铣削邻近该制造特征的表面，其中所铣削的表面基本上平行于该特征所位于的层。该制 造特征从基本上垂直于所铣削的表面的位置成像，由此产生第一多个剖面图像。在另一个示范实施方式中，公开一种产生一个或多个所制造特征的图像的方法。 该方法包括重复产生该一个或多个特征的截面，包括离子铣削邻近该一个或多个所制造特 征的表面，其中所铣削的表面基本上平行于该特征所位于的层，以及执行该一个或多个所 制造特征的自上而下成像，因此产生多个剖面图像。在另一个示范实施方式中，公开一种产生一个或多个所制造特征的图像的方法。 该方法包括重复产生该一个或多个特征的截面，包括离子铣削邻近该一个或多个所制造特 征的表面，所铣削的表面基本上平行于该特征所位于的层，以及使用扫描电子显微镜执行 该一个或多个所制造特征的自上而下成像，由此产生多个剖面图像。该多个剖面图像的每 个都重构在该制造特征的表示中。
附图仅仅说明本发明的示范实施方式并且一定不能认为是限制其范围。图IA是现有技术的过孔的剖视图。图IB是由聚焦离子束产生的一系列切割在图IA的过孔之后形成并暴露该过孔的 沟槽的剖视图。图IC是图IB的暴露过孔的理想化表示，通过倾斜的扫描电子显微镜束成像。图2是表明对于关键尺寸的测量值上的现有技术结壳效应的过孔的剖面表示。图3A是表现出扭曲的过孔的剖面表示。图;3B是填充有保护材料的图3A的过孔，显示多个FIB蚀刻台阶。图4示出在图:3B的每个FIB蚀刻台阶之后记录的多个剖面区域获取图像。图5示出结合图4的多个剖面区域以将图3A的过孔重构在二维和三维表示中。
具体实施例方式下面讨论的多个实施方式公开了一种提供多个特征类型的二维和三维成像的方 法。这些实施方式使用分层系统，由此自上而下的视图(而不是侧视图)成像在SEM上。因 而，不需要像现有技术所要求的那样在特征旁蚀刻沟槽。而是，平行于围绕被检查的特征的 分层材料铣削多个台阶。在每个台阶铣削后，形成该特征的自上而下图像。这里公开的实施方式显著降低制备用于SEM成像以及实际数据采集和成像样品 所需要的时间。例如，所公开的实施方式消除了现有技术对邻近样品特征切割FIB沟槽的要求，该沟槽要足够大以允许SEM束来成像该特征。因而，准备和成像特征的时间从现有技 术所要求的以分钟计降低到本发明下的以秒计。进而，如果该FIB切割到达该特征下方，可 以只停止铣削工艺，并且可以鉴别后续的特征。可以马上再次开始铣削和成像。本领域技术人员在阅读所公开的多个实施方式后将马上认识到许多优点。例如， 多个特征(例如，线条、孔、卵形体等)可以同时成像以进行统计学对比。可以分析不规 则的形状(例如，卵形体)。随着切割以及采集自上而下的SEM图像，产生制造时间演变 (fabrication time-evolution)，示出像高纵横比扭曲的现象。进而，FIB-SEM成像时间可 从例如每个点超过5分钟减少到每个点小于1分钟(取决于铣削速率和特征深度)。并且， 蚀刻现象如蚀刻停止、条纹和线条边缘或过孔边缘粗糙度都可以容易地分析。进而，如下面更详细讨论的，对于某些材料，所感兴趣的特征可能需要保护不受离 子束影响以防止过多的表面和离子注入(I2)损伤。这种保护可通过利用金属(例如，钨 (W)、钛(Ti)、铜(Cu)等)或电介质(例如，旋涂玻璃(SOG))填充邻近的开口间隔而实现， 以防止受到铣削工艺的过多损伤。通过实现如这里所定义的本发明的实施方式，通过在 FIB-SEM分析之前涂覆整个晶片或衬底而不是在FIB-SEM中涂覆每个特征位置(如现有技 术下所要求的)，可再次相对现有方法节省时间。现在参照图3A，半导体器件300 —部分的剖视图包括基层301和电介质层303。该 电介质层303具有形成在其中的过孔305A。该过孔305A具有下部305B，其表现出当形成 高纵横比(即，高度与宽度的比超过大约30 1的过孔)过孔时，本领域中经常遇到并且 公知的“扭曲”。中心线参照基准307表明由于该过孔305A的下部305B中的扭曲所导致的偏离。图;3B中，该过孔305A填充有保护材料309。该保护材料309可包括例如钨(W)、 钼(Pt)、旋涂玻璃(SOG)、硼磷硅玻璃(BPSG)，或者本领域公知的多种别的材料。该保护材 料309可根据其中制造所检查的特征的材料来选择。例如，如果该特征由软材料组成，如铜 (Cu)，可选择具有类似的蚀刻或铣削特性的保护材料以保持铣削速率一致。如本领域所公知的，该FIB装置镜筒中的静电透镜可用来在χ-y方向光栅扫描该 FIB束(即，x-y平面平行于上面制造该半导体器件的下层衬底的面)。该离子束流可根据 需要的铣削台阶有多大以及待蚀刻的材料的组分而变换。图3B示出多种剖面标记A-FJ^ 出由FIB装置铣削的台阶。然而，由于该FIB装置能够一次铣削几十到几百纳米的台阶，熟 练的技工将认识到在下面的公开中可采用较少的或者非常大数量的台阶。在铣削每个台阶之后，定向扫描电子显微镜束311以扫描经过铣削并暴露的截 面。由于不需要倾斜的SEM束，因此也容易为这台阶采用自上而下的CD-SEM，由此增加每个 截面测量的精度水平。由于只需要采用自上而下SEM，所以可以缓解由于该离子铣削造成的任何隧道或 注入效应。因此，现有技术中有害的结壳效应(如上所述)对边缘边界的确定将会有很小 的影响(如果有的话)，进一步确保该截面特征的准确尺寸。此外，由于所有的成像是相对 平的(即，不需要三维成像扫描)，所以如果成像非导电特征，可向SEM施加低加速电压因此 最小化或消除充电效应。另一好处是任何特征的侧壁粗糙度可通过该自上而下SEM在每个 台阶成像。因此，可收集制造过程中该特征形成的演变信息。参照图4并且继续参照图3B，多个剖面SEM图像400对应图中通过离子铣削暴露的多个台阶的每个。如该剖面SEM图像400所表明的，尤其参照截面D-D至F-F，可容易 识别该过孔305A的下部305B中的扭曲。由于所成像的过孔305A的多个截面每个通过自 上而下SEM束311来成像，因此扭曲将一直出现，而不管该SEM束311相对该过孔305A的 方位。因此，不需要对齐特征而成像扭曲效应。相反，该现有技术会完全漏掉任何取决于所捕获的图像的角度的扭曲效应。例如， 如果图:3B的过孔305A使用传统的铣削和侧面成像技术从左侧成像，就不会发现扭曲效应。 进而，由于会发生的透视收缩(foreshortening)(即，该过孔305B的左侧侧壁轮廓与中心 参照基准307的交叉)，通过现有技术将不正确地表征该过孔305A的长度(即使假设没有 结壳效应)。在没有额外的铣削情况下，将不会发现该过孔305A真正的底部。图5指出该过孔305A (图3B)的可能的二维重构500。布置该剖面SEM图像400 (图 4)的每个以便提供该过孔305A的总体截面。可转动该二维重构500以从多个不同的角度 示出该过孔305A，因为所有的数据都可以从这些剖面SEM图像400获得。此外，三维重构 550可以类似的方式重构。该重构500、550的每个也可实体建模，取决于分析所成像特征的 计量要求。用于组合、转动和实体建模这种图像以形成该重构500、550的软件是本领域公 知的。上面参照本发明的具体实施方式
描述本发明。然而，对于本领域技术人员，显而易 见的是可对其进行多种修改和改变而不背离所附权利要求阐述的本发明的更宽泛的主旨 和范围。例如，特定的实施方式描述许多使用的材料类型和层。本领域技术人员将认识到 这些材料和层是灵活的，并且这里是为了示范的目的示出，只是为了说明该三维成像方法 的新颖性。另外，本领域技术人员将进一步认识到这里描述的技术和方法可适用于任何类 型的结构。对于半导体过孔特征的应用仅仅用作示例以帮助本领域技术人员描述本发明的 各种实施方式。进而，本领域技术人员在阅读这里所公开的信息的基础上将认识到可使用除了离 子铣削之外的其他类型铣削装置。例如，可利用激光剥蚀装置(laser oblation device) 在多个步骤中去除材料。并且，可使用除SEM之外的许多分析工具来成像该特征。例如，如果该特征没有 填充保护材料，许多装置如光学轮廓曲线仪或原子力显微镜或其他机械仿形(profiling) 装置，可用来成像该特征。即使填充该特征，散射技术，如Raman光谱仪或角解析光散射 (angle-resolved light scattering)可用来在连续的层或切口成像特征。此外，贯穿整个说明书，术语“半导体”应当解释为包括数据存储、平面显示器以及 有关的或其他工业。这些或者各种其他实施方式都在本发明的范围内。因而，说明书和附 图应当认为是说明性的而非限制的意图。8
权利要求
1.一种产生所制造特征的剖面成像的方法，该方法包括铣削邻近该制造特征的表面，该表面基本上平行该特征所位于的层而铣削；以及 从基本上垂直于所铣削的表面的位置成像该制造特征，由此产生第一多个剖面图像。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括 沿该特征的总高度重复该铣削和成像步骤；以及将该多个剖面图像的每个都重构在该制造特征的表示中。
3.根据权利要求2所述的方法，进一步包括将该制造特征重构成二维表示。
4.根据权利要求2所述的方法，进一步包括将该制造特征重构成三维表示。
5.根据权利要求1所述的方法，进一步包括将该铣削步骤选择为通过聚焦离子束装置 执行。
6.根据权利要求1所述的方法，进一步包括将该铣削步骤选择为通过激光剥蚀装置执行。
7.根据权利要求1所述的方法，进一步包括将该成像步骤选择为通过扫描电子显微镜 执行。
8.根据权利要求7所述的方法，进一步包括将该扫描电子显微镜选择为关键尺寸自上 而下扫描电子显微镜。
9.根据权利要求1所述的方法，进一步包括将该成像步骤选择为通过光散射装置执行。
10.根据权利要求1所述的方法，进一步包括将该成像步骤选择为通过仿形装置执行。
11.根据权利要求1所述的方法，进一步包括通过用材料填充该制造特征的任何开口 部分而保护该特征，该材料与包含该特征所在层的材料不相似。
12.—种产生一个或多个所制造特征的图像的方法，该方法包括重复产生该一个或多个特征的剖面，包括离子铣削邻近该一个或多个所制造特征的表 面，该表面基本上平行于该特征所位于的层而铣削；以及执行该一个或多个所制造特征的自上而下成像，由此产生多个剖面图像。
13.根据权利要求12所述的方法，进一步包括将该多个剖面图像的每个重构在该制造 特征的表示中。
14.根据权利要求12所述的方法，进一步包括将该成像步骤选择为通过扫描电子显微 镜执行。
15.根据权利要求14所述的方法，进一步包括将该扫描电子显微镜选择为关键尺寸扫 描电子显微镜。
16.根据权利要求12所述的方法，进一步包括将该成像步骤选择为通过光散射装置执行。
17.根据权利要求12所述的方法，进一步包括将该成像步骤选择为通过仿形装置执行。
18.根据权利要求12所述的方法，进一步包括通过用材料填充该制造特征的任何开口 部分而保护该特征，该材料与包含该特征所在层的材料不相似。
19.一种产生一个或多个所制造特征的图像的方法，该方法包括重复产生该一个或多个特征的剖面，包括离子铣削邻近该一个或多个所制造特征的表面，该表面基本上平行于该特征所位于的层而铣削；以及使用扫描电子显微镜执行该一个或多个所制造特征的自上而下成像而因此产生多个 剖面图像；以及将该多个剖面图像的每个重构在该制造特征的表示中。
20.根据权利要求19所述的方法，进一步包括将该制造特征重构成三维表示。
21.根据权利要求20所述的方法，其中该三维表示可转动。
22.根据权利要求19所述的方法，进一步包括通过用材料填充该制造特征的任何开口 部分而保护该特征，该材料与包含该特征所在层的材料不相似。
全文摘要
所公开的方法通过反复产生一个或多个所制造特征的剖面而产生这些特征的图像。该方法包括铣削邻近该一个或多个所制造特征的表面，其中所铣削的表面基本上平行于该特征所位于的层。在每个铣削台阶，自上而下成像该一个或多个所制造特征而产生多个剖面图像。将该多个剖面图像的每个都重构在该制造特征的表示中。
文档编号H01L21/66GK102047405SQ200980120247
公开日2011年5月4日 申请日期2009年5月27日 优先权日2008年5月28日
发明者埃里克·沃加纳 申请人:朗姆研究公司