用于使用二次离子质谱的半导体计量和表面分析的系统和方法与流程

相关申请的引用

本申请要求于2015年2月10日提交的美国临时申请no.62/114,521的权益，其全部内容通过引用并入本文。本申请还要求于2015年2月10日提交的美国临时申请no.62/114,519的权益，其全部内容通过引用并入本文。本申请还要求于2015年2月10日提交的美国临时申请no.62/114,524的权益，其全部内容通过引用并入本文。

本发明的实施方式在半导体计量领域，并且具体而言是使用二次离子质谱(sims)的半导体计量和表面分析的系统和方法。

背景技术：

二次离子质谱(sims)是通过用聚焦的一次离子束溅射样本的表面并收集和分析喷射(弹射，ejected)的二次离子来用于分析固体表面和薄膜的组成的技术。用质谱仪测量这些二次离子的质量/电荷比来确定表面至1至2纳米的深度的元素、同位素或分子组成。由于不同材料之间电离概率的变化很大，尽管使用标准可以进行定量，但通常将sims认为是定性技术。sims是最敏感的表面分析技术，其中元素检测限范围为从百万分率到十亿分率。

通常，sims需要具有低于10^-4pa的压强的高真空。需要高真空以确保二次离子在它们到达检测器的途中不会与背景气体碰撞(即，与仪器的尺寸相比，检测器内的气体分子的平均自由路径必须是大的)，并且还可防止在测量期间通过吸附背景气体颗粒而可能发生的表面污染。

在sims分析中采用三种基本类型的离子枪。在一种类型中，通常用双等离子管或由电子电离产生气态元素的离子，例如稀有气体(⁴⁰ar⁺，xe⁺)、氧(¹⁶o^-，¹⁶o²⁺，¹⁶o^2-)，或者甚至电离的分子，如sf5⁺(由sf6产生)或c60⁺(富勒烯)。这种类型的离子枪是容易操作的，并产生大致聚焦的但高电流的离子束。第二种源类型是表面电离源，产生¹³³cs⁺一次离子。铯原子蒸发通过多孔钨塞，并在蒸发过程中被电离。取决于枪设计，可获得精细聚焦或高电流。第三种源类型是液态金属离子枪(lmig)，用金属或金属合金操作，它们在室温或略高于室温下是液态。液态金属覆盖钨尖端并在强电场的影响下发射离子。虽然镓源能够以元素镓操作，但最近开发的金、铟和铋的源使用降低其熔点的合金。lmig提供具有适度强度的紧密聚焦的离子束(小于50纳米)，并且还能够产生短脉冲离子束。因此，它通常用于静态sims设备。

离子种类和离子枪的选择分别取决于所要求的电流(脉冲或连续)、所需的一次离子束的束尺寸和待分析的样品。由于正二次离子的产生概率的增加，氧一次离子通常用于研究电正性元素，而当研究电负性元素时，通常使用铯一次离子。对于静态sims中的短脉冲离子束，最常采用lmig来分析。在元素深度剖析(profiling)期间，lmig可与氧枪或铯枪组合，或在分子深度剖析期间与c60⁺或气体簇离子源组合。

取决于sims类型，有三种基本分析仪可用：扇区、四极和飞行时间(time-of-flight)。扇区场质谱仪使用静电分析仪和磁分析仪的组合来通过二次离子的质荷比分离它们。四极质量分析仪通过谐振电场分离质量，这只允许选定的质量通过。飞行时间质量分析仪根据其速度将无场漂移路径中的离子分离。由于所有离子具有相同的动能，所以速度和因此的飞行时间根据质量而变化。飞行时间质量分析仪需要使用脉冲一次离子枪或脉冲二次离子提取进行脉冲二次离子生成。飞行时间质量分析仪是能够同时检测所有生成的二次离子的唯一分析仪，也是静态sims仪器的标准分析仪。

在表面分析领域，通常区分静态sims和动态sims。静态sims是涉及表面原子单层分析或表面分子分析的方法，通常用脉冲离子束和飞行时间质谱仪。同时，动态sims是涉及整体分析(bulkanalysis)的方法，与溅射方法密切相关。动态sims采用dc一次离子束和磁扇区或四极质谱仪。

sims是一种非常强大的技术。但是，在sims测量设备、系统和方法方面需要进步。

技术实现要素：

本发明的实施方式包括使用二次离子质谱(sims)的半导体计量和表面分析的系统和方法。

在一个实施方式中，二次离子质谱(sims)系统包括样品台。一次离子束被引导至样品台。提取透镜对准样品台。配置提取透镜为从样品台上的样品发射的二次离子提供低提取场。磁扇区光谱仪沿着sims系统的光学路径耦合到提取透镜。磁扇区光谱仪包括耦合到磁扇区分析仪(msa)的静电分析仪(esa)。

在一个实施方式中，测量和控制样品的表面电势的方法包括测量从样品表面发射的带电粒子的动能。该方法还涉及确定带电粒子的动能的位移(变化，shift)。响应于带电粒子的动能的位移，样品表面的表面电势发生改变。

在一个实施方式中，确定晶片背面接触电阻的方法包括测量晶片的表面的间隙距离值，其基于用第一驱动信号驱动的主要电容式传感器电极和用第二驱动信号驱动的补偿电容式传感器电极的比较，与第一驱动信号相比，第二驱动信号的振幅或相位发生位移。测量第二驱动信号的值。将第二驱动信号的值校准为参考阻抗标准以确定晶片对地的阻抗值。基于间隙距离值和晶片对地的阻抗值确定晶片的表面的接触电阻值。

附图说明

图1示出根据本发明的实施方式的sims测量系统的示意图。

图2图示说明根据本发明的实施方式的sims系统的电荷补偿考虑。

图3示出根据本发明的实施方式的包括法拉第杯和用于存储校准标准的区域的台面区域。

图4a和图4b包括根据本发明的实施方式的使用静电分析仪系统和配备有电流传感器的能量狭缝以监测和控制电荷补偿系统的示意图。

图5示出根据本发明的实施方式的通过上光谱仪和转动静电分析仪(esa)扇区的二次离子束路径。

图6示出根据本发明的实施方式的用于通过上光谱仪和转动静电分析仪(esa)扇区的正离子的二次离子束路径。

图7示出根据本发明的实施方式的朝向高能量的能量扫描分布，其使用改变静电分析仪的平均通过能量的转动esa116之后的低能量电流传感器和高能量电流传感器作为反馈。

图8a，图8b，图8c和图8d包括根据本发明的实施方式的用于使用静电转动esa116测量二次离子能量分布的示意图，以及与图7相关描述的高地低能量狭缝传感器。

图9示出根据本发明的实施方式的涉及以相同的电压在esa116和esa118上扫描的转动esa扫描的能量分布扫描。

图10是示出根据本发明的实施方式的由于表面充电而在样品上的正电势的示意图。

图11是示出根据本发明的实施方式的基于电子束的电荷中和和控制的示意图。

图12是示出根据本发明的实施方式的使用强度可变光子源的样品的光电导性的示意图。

图13a是示出根据本发明实施方案的使用远离样品的电子发射材料的电荷中和的示意图。

图13b是示出根据本发明的实施方式的如果电子通量超过一次离子诱导的正表面电荷的有效电荷中和的示意图。

图14图示说明使用补偿电极以确定间隙距离所涉及的一些参数。

图15示出根据本发明的实施方式的示例性计算机系统的框图。

具体实施方式

描述了使用二次离子质谱(sims)的半导体计量和表面分析的系统和方法。在下面的描述中，阐述了许多具体细节，如sims分析技术和系统配置，以便提供对本发明的实施方式的透彻理解。对于本领域技的术人员显而易见的是可在没有这些具体细节的情况下实施本发明的实施方式。在其他情况下，不详细描述众所周知的特征如整体半导体器件堆叠，以免不必要地模糊本发明的实施方式。此外，应当理解，附图中所示的各种实施方式是示例性表示，并且不一定按比例绘制。

在第一方面，本发明的实施方式涉及在使用二次离子质谱(sims)的制造期间，用于表征和过程控制半导体晶片上的结构的系统和方法。

为了提供背景，现有技术的半导体制造需要数百个处理操作。每个处理操作受到处理变化的影响，该处理变化的影响可能导致成品设备的性能的变化和劣化。因此，在制造过程中执行许多测量和检查以确保制造操作已经被正确地执行并且在规范内，并且还提供前馈和反馈来控制制造过程。过程控制需要几个关键属性来实现其有效性。

首先，测量或检查的成本必须与设备的经济制造一致。实际上，这意味着工具的成本、消耗品的成本、所有权成本(包括维护、校准和其他成本)、其使用寿命、测量所需的时间以及与其有效使用相关联的劳动力成本与制造环境一致。也许最重要的是，表征是非破坏性的至关重要，因为半导体晶片在处理加工中的成本可能非常高，而需要破坏性测试的技术不一定是可行的。

第二，检查和测量必须测量与过程控制要求直接相关的样品。虽然只能测量“监控”晶片，即仅经历一次或几次处理操作的晶片的技术对于刀具条件(toolqualification)或粗略质量控制可能是有用的，但有效的过程控制要求测量的结构与实际设备结构尽可能地相似，并且与方法改变的速率和漂移相比，测量采样可以尽可能地频繁。

第三，并且可能是最重要的，检查或测量操作必须具有期望的信息内容，即过程控制所要求的所需的相关性、分辨率、精确度(accuracy)和精密度(precision)。

为了提供进一步的背景，二次离子质谱(sims)是众所周知的材料表征技术，其能够以极好的精确度和精密度确定元素组成的深度分布。由于这种独特的性能，sims广泛应用于材料科学和分析实验室设置。虽然目前在半导体制造中sims以“脱机”模式使用，但由于其无法解决上述实际问题，因此其在“联机(inline)”过程控制中的使用目前尚不可行。因此，需要的是这样的二次离子质谱系统，其提供了sims的众所周知的能力同时解决了妨碍其在联机过程控制中使用的间隙。

为了满足联机半导体制造环境的要求，必须解决当前sims设计中的若干缺口(gap)。这些缺口包括与典型产品晶片上的测量相关的特定挑战、进行测量所需的时间、工具的可用性/正常运行时间(例如，包括校准和验证的时间)以及与维护工具相关的成本。下面将描述根据本发明的一个或多个实施方式的、解决上述一个或多个问题的设计细节。

关于产品晶片上的测量，在产品晶片上进行sims测量需要三个挑战，这约束了设计。首先，产品晶片上的测量通常必须被限制在一个小的指定区域，如50微米×50微米的焊盘。第二，与此同时，制造商通常对深度变化非常小的组成变化感兴趣。第三，到测量位点处存在不可预测的接地路径。在接地不良或不存在的情况下，晶片将在sims测量期间充电，这导致了几个问题，包括一次束远离预期位点反射、检测到的二次离子信号的减少以及正确识别和解析二次离子质量的能力的降低。

根据本发明的实施方式，处理涉及在产品晶片上执行的测量的上述问题中的一个或多个，本文描述的sims方法涉及在sims测量系统的二次提取透镜处使用低提取电压。具体而言，在收集透镜和测量样品之间仅使用非常弱的电场。这种方法与典型的sims设计相反，典型的sims设计在提取透镜和样品之间使用强电场以将二次离子吸引到透镜并增加收集的离子的数量。在一个实施方式中，提取场阈值为至多约10伏/毫米(作为绝对值)。

图1示出根据本发明的实施方式的sims测量系统100的示意图。

参考图1，sims测量系统100包括用于保持用于分析的样品的xy平台。请注意，平台不需要是xy，而是可以是任何类型如xyz、xy-θ、r-θ等。如下文更详细描述的，xy平台可以包括法拉第杯和基准点。由离子源产生、通过质量过滤器细化、并用一系列离子光学器件聚焦的一次离子束104以例如40度的入射角度被引导至xy平台102。如图1所示，电荷补偿电子枪106也可以指向xy平台。提取透镜108位于xy平台102上方。在一个实施方式中，提取透镜108具有接近接地电势的部分以保持透镜和样品之间的小提取场，通常量级为l0v/mm或更小。二次离子束110从xy平台上的样品收集到提取透镜108中并且被进入到sims系统100的收集/检测路径中。应当理解，尽管未示出，图1中的sims测量系统100可以被包含在具有真空环境的外壳或腔室中。

再次参考图1，可以沿着提取透镜108之后的路径110包括元件112的阵列。如图所示，元件112的阵列可以包括二次离子光学器件、偏转器和/或另外的补偿机构。随后，二次离子束110被引导通过狭缝114，然后进入第一静电分析仪(esa)116和第二esa118中。狭缝120被放置在第一116和第二18esa之间。狭缝可放置在通过能量扩展束110的位置处。在sims系统100中，两个esa116和118将束引导朝向sims系统100的底板。两个esa116和118还产生一个点，在该点处，束根据能量扩展，这可用作用于电荷补偿系统106的信号(例如，沿着信号线121)。

再次参考图1，随后束110被引导通过狭缝120a和其他特征。例如，可以将布线的狭缝和开口(aperture)122放置在沿着束路径110几个点处以限制束/使束塑形并且监测电流和束位置。这些中的许多都在致动器上以实现运动。沿着路径110包括各种其他元件124如光学器件和偏转器，以保持束是对准的并且被适当地塑形。

再次参考图1，随后束110被引导通过狭缝126并进入第三esa128，通过狭缝130和另外的光学器件132离开。随后束110被引导至磁扇区分析器(msa)134。如下文更详细描述的，msa134包括沿着焦平面138的多个(例如，10个)检测器136，使得能够平行检测多达10个物质。应当理解，msa134和第三esa128一起构成磁扇区光谱仪。

在一个实施方式中，再次参考系统100，通过使用提取透镜108和样品102之间的低提取电压，多达80％的由标准sims测量可获得的信号被牺牲。但是，反过来，更容易精确地放置一次束。例如，在提取场较强的系统中，当一次束通过场时，其被偏转多达数十甚至数百微米，这意味着必须改变一次束的目标以补偿。这导致标准sims测量的棘手的控制问题，使得束在小的50微米区域中的精确光栅(rastering)非常困难。

一次离子的能量越低，由提取场导致的一次束的这种偏转越严重。因此，在标准的或常规的sims操作下，存在激励以维持高的一次能量以使束偏转最小化。但是，高能量一次束导致两种降低深度解析的效果。首先，高能量一次束更深地穿透到样品中，导致在一定深度范围内而不是在表面上产生的离子。第二，更高的能量可以驱动样品的表面原子深入基底，本质上沿着深度使材料发生模糊(smearing)。在一个实施方式中，与在典型的sims测量中使用的高能量一次束相反，半导体工业所需的精细深度解析受益于使用低能量一次束。因此，在一个实施方式中，当还设计用于最大深度解析时，使用低提取场设计的上述优点甚至更大，因为原本低能量一次束的严重偏转被低提取场设计减轻。

另外，在一个实施方式中，使用低提取场使得在接地不良的情况下更容易处理样品充电。例如，减少样品上的场使得能够使用低能量电子泛射(flood)来中和电荷。相比之下，在使用强提取场的更标准的sims设计中，电荷补偿束必须以高能量运行并精确引导(steer)以克服场中的偏转并将束精确地放置在测量位点，这是一个极复杂的方法。图2图示说明sims系统的电荷补偿考虑。根据示例性实施方式，下面更详细地描述电荷补偿系统的细节。

参考图2，在左侧示出图1的系统100的一部分，具体而言是包括第一esa116和第二esa118以及电荷补偿系统106的部分。在第一方案200，如果分析的晶片处于接地电势，则离子束将名义上位于狭缝120之间的一半处。束的尾部将向两个电流检测器201中的每一个提供小信号。在第二方案202中，如果晶片充电，那么取决于充电的符号，离子束将朝狭缝120中的一个位移。两个检测器201中的电流将改变，这可用于控制电荷补偿系统106。

关于吞吐量，在晶片上进行一组测量所需的时间是测量技术的经济应用中的关键因素。根据本发明的一个或多个实施方式，平行测量多个二次离子种类以提高吞吐量。

为了提供用于吞吐量考虑的背景，常见的sims设计可分为三类：(1)飞行时间(tof)、(2)四极检测和(3)磁扇区检测。在tofsims中，一次束是脉冲的，并且根据溅射的二次离子种类到达检测器所花费的时间分类溅射的二次离子种类。tofsims具有平行采集各种二次离子种类的优点，但测量的脉冲性质降低了测量速度。在四极方法中，连续施加一次束，但是检测器一次仅可以测量一个离子种类(尽管可以快速地完成从一个种类到另一个种类的切换)。最后，第三种常见方法，磁扇区，使用电场和磁场的组合根据质量/电荷分离离子种类。与四极系统一样，一次束是连续的。但是，在典型的磁扇区系统中，光谱仪使用单个检测器，其再次一次将检测限制为一次单个种类。

上述常规方法中没有一种提供半导体制造环境可能需要的速度和平行检测。相反，根据本发明的一个或多个实施方式，使用磁扇区光谱仪。像光谱仪一样，磁扇区光谱仪通过将束发送通过磁场来分离各种质量种类。然而，光谱仪设计将不同的质量沿着一条线或“焦平面”聚焦。通过将多个检测器放置在沿着焦平面上的不同位置，可以平行测量不同的质量。在具体的实施方式中，sims系统设计包括10个不同的检测器，使得能够测量存在于任何单次半导体测量中的绝大多数种类。应当理解，可以使用少于或多于10个检测器。还应当理解，虽然在这种布置中可能不能平行地采集整个可用范围的质量，但是与tofsims的情况一样，多检测器方法并不是有害的，因为通常在任何给定的半导体方法中使用的物质的数量是有限的，并且制造商通常具有可能存在哪种物质的良好概念。还应该注意的是，多个检测器可安装在平移台上，使得它们沿着焦平面定位，并且因此可以根据特定的测量需要调整所采集的物质。

关于可用性和可维护性，由于过程控制测量的时间关键性质，至关重要的是在晶片可用于测量时该工具是可以使用的。因此，重要的是工具失效之间的平均时间长并且维修时间短。进一步要求测量工具始终处于校准状态。因此，sims工具必须能够自动检查和更新其校准。

根据本文的一个或多个实施方式，sims系统的几个设计方面被定制为处理这种关于可用性和可维护性的问题。在一个实施方式中，为了提高硬件的整体稳定性，实施了单片(monolithic)系统结构。例如，每个主要子系统，如提取光学器件、下部(lower)一次色谱柱和质谱仪可以彼此刚性地安装。相对于对准灵活性可能存在折衷，但是优点包括可以更可靠地保持对准的结果系统。另外，在一个实施方式中，如图1所示，将两个转动静电分析器(esa)添加到二次路径中以将束偏转到一个方向，该方向允许将数百磅重的光谱仪磁体安装在主测量室下方，在地板附近。这样的布置提高了维修可及性(serviceaccess)和振动稳定性。

根据本文的一个或多个实施方式，为了维持测量一致性，将几个内部检查和校准添加到sims系统。这种内部检查和校准可以包括以下中的一个或多个：(1)如图1所示的法拉第杯，其中基准点覆盖以验证一次束的电流、位置和焦点，和/或(2)如图1所示的在沿着二次路径的几个开口和狭缝处读取电流的能力，包括机械扫描狭缝以验证束的对准并监测任何开口磨损的能力。

在一个实施方式中，将一组内部参考样品包括在sims系统中。内部样品可以自动移动到测量位点以周期性地检查束的各个关键方面。这些可以包括预定厚度的分层材料以监测一次溅射速率和光栅均匀性，已知尺寸的图案化盒子以检查光栅尺寸和位置，以及各种成分的简单芯片以监测整体信号强度。可以在多种主要能量和电流下进行许多测试。作为实例，图3示出根据本发明的实施方式的、包括法拉第杯和用于存储校准标准的区域的台面区域。

参考图3，在左侧示出图1的系统100的一部分，具体而言是包括xy平台102和提取透镜108的部分。晶片或样品103位于xy平台102，在提取透镜104的下方。xy平台300包括法拉第杯300，也在图3中示出其顶视图(topview)。也可以包括传送机器人302，连同用于一个或多个参考晶片的“停车场(parkinglot)”，如已知组成和/或膜厚度的分层膜。

在第二方面，一个或多个实施方式涉及通过观察发射的带电粒子或离子的动能的位移来测量样品的表面电势。一个或多个实施方式涉及通过使用动能的位移作为反馈机制来测量和控制表面电势。

为了提供背景，通过从表面去除原子来产生二次离子，其中一些被离子化。以一定范围的速度或相当地一定范围的动能发射二次离子。当离子沿着光学路径行进时，它们在任意点a处的动能将是初始动能(ke)、样品的表面电势、a处的局部电势和来自电动元件(例如，集束器、回旋加速器等)的任何ke贡献的总和。确定ke分布并将其与来自具有已知表面电势的参考样品的分布进行比较，提供样品电势的测量。

测量表面电势的主要原因是对由正电荷和负电荷向样品的不均匀的流动引起的绝缘样品的充电。可以通过将原子、离子、电子或光子撞击到表面上而形成二次离子。离子和电子向表面添加电荷，而从表面发射的任何二次带电粒子去除电荷。如果样品是导电的，它将消散电荷传输的任何不平衡。绝缘覆盖层(例如，在某些情况下横向(侧向，laterally)图案化)可以进行充电，并且如果整个样品不是以稳定电势电连接至电极，则整个样品可能充电。此外，当材料从表面去除时，可以测量表面电势，可能暴露在样品导电性或在带电粒子发射方面的变化。

根据本发明的实施方式，发射的二次离子通过静电分析仪使得离子根据它们的能量分散在空间中。通过改变esa中的电场来测量完整的ke分布，使得分散的离子束穿过离子检测器120。可以在通过使用位于尾部的一个或两个检测器仅截取能量分布的低尾部和/或高尾部的情况下测量ke的变化。在一个实施方式中，通过轻微调整esa偏转场来测量尾部的斜率。为了保持主要透射束的位置，该装置可以具有带有离子检测器120的两个esa的布置。在一个这样的实施方式中，第二esa或第二esa结合匹配透镜具有的分散强度与第一esa的分散强度相等但相反。

本发明的具体实施方式涉及通过观察发射的带电粒子的动能的位移以及通过使用动能的位移作为反馈机制来测量和控制样品的表面电势。应当理解的是，尽管与sims测量相关联地描述了示例性实施方式，但是本文描述的实施方式可适用于其他测量和计量技术和系统。

一个或多个实施方式涉及至少一个具有配备有离子电流传感器的能量狭缝的静电分析仪的系统。一个或多个实施方式涉及用于测量在质量分析器之前从样品表面输送的总二次带电粒子的能量分布和能量位移的系统和/或方法。一个或多个实施方式涉及实现静电分析仪和能量狭缝反馈系统以监测表面充电。一个或多个实施方式涉及利用主动控制系统来调整表面电势。在一个实施方式中，至少一个具有配备有离子电流传感器的能量狭缝的静电分析仪的系统，用于测量在质量分析器之前从样品表面输送的总二次带电粒子的能量分布和能量位移的系统和/或方法，以及用于监测表面充电的静电分析仪和能量狭缝反馈系统一起用作表面电势变化的反馈系统。

在适用于其中主要离子束被传送通过质谱仪的sims测量的实施方式中，通常在分析上是期望的，用来排斥(reject)起源于侵蚀区域边缘附近的二次离子，因为这些可混淆深度分布。可以在主要束被排斥时测量完整的ke分布。在一个实施方式中，当主要束行进通过质谱仪时，测量分布的尾部。

图4a和图4b包括根据本发明的实施方式的、使用静电分析仪系统和配备有电流传感器来监测和控制电荷补偿系统的能量狭缝的示意图。

参考图4a，流程图400的第一部分开始于操作402以确定是否需要充电补偿。如果不需要充电补偿，则在操作404处充电补偿为off。这是用在操作406以转动esa处的充电补偿狭缝确认的，并且在408处进行到图4b。如果需要充电补偿，则充电补偿在操作410为on。在操作412，这以转动esa处的电荷补偿狭缝来监测。操作414，确定征兆以查看是否在低能量电荷补偿(cc)jaw/si(钳口/si)强度上没有信号逐渐消失。如果是，则确定在416处前进到图4b。如果否，则确定在418处前进到图4b。

参考图4b，路径408继续到操作420，其是用于运行分析的“go”。路径416继续到操作422以确定信号是否继续降低。在操作424，对电荷补偿进行调整。在操作426，以转动esa处的电荷补偿狭缝进行监测。在操作428，测量总体能量分布，

再次参考图4b，路径418继续到操作430，其中信号是恒定的但是正向偏向的(biasedpositive)。在操作432，对电荷补偿进行调整。在操作426，以转动esa处的电荷补偿狭缝进行监测。在操作428，测量总能量分布。

再次参考图4b，从操作428，在操作436确定低能量电荷补偿(cc)jaw/si强度。在操作438，对低能量cc狭缝信号的电荷补偿进行调整，并确定其是否类似于导电样品。如果否，则操作440返回到操作424。如果是，则操作442导致操作444以确定稳定的si强度。然后，在操作446，确定低能量cc狭缝信号是否类似于导电样品。如果是，则流程图继续到操作420，其是用于运行分析的“go”。

图5示出根据本发明的实施方式的通过上光谱仪和转动静电分析仪(esa)扇区的二次离子束路径。

参考图5，对于特定实施方式，详细示出图1的系统100的部分。esa118和esa116之间的狭缝区域120中的束110被分割成内部迹线110a和外部迹线110b。内部迹线110a表示导电样品(例如，表面电势＝0v)。外部迹线110b表示在样品处具有+50v表面电势的相同的二次离子分布。包括在系统100中的二次离子熄灭装置500的功能是将离子偏转到总离子流传感器502中。

再次参考图5，示出将样品偏差从0v改变到+50v对于相同二次离子能量分布的影响。正样品偏差(或表面的正电荷)有效地将束路径向转动esa系统的能量狭缝的高能量传感器转移，并增加高能狭缝钳口上的测量电流(参见+50v样品偏差外部痕迹)。同时，低能量缝隙钳口会有效地测量没有电流(见0v偏差的内部轨迹)。

在一个实施方式中，高能量狭缝传感器信号可依次用于监测电荷中和系统(对于正二次离子)的影响。对于负的二次离子或电子，正的表面电势导致能量分布朝向低能量狭缝传感器的位移，并且可能极其有效地抑制来自样品表面一起的二次离子发射(由于负带电粒子被吸引到正样品电势)。

图6示出根据本发明的实施方式的通过上光谱仪和转动静电分析仪(esa)部分的正离子的二次离子束路径。

参考图6，对于特定实施方式，详细示出图1的系统100的部分，其中描绘了样品位置103。轨迹迹线表示朝向负(例如，-20v)表面电势充电的表面。也就是说，正的二次离子似乎向较低的二次离子能量位移。二次离子在低能量狭缝传感器处被切断。

在一个实施方式中，如果样品表面积累了负电势，则正的二次离子会朝着明显较低的二次离子能量位移。当总体样品电势从正电势变化到较低正电势时，可能发生这种位移。这种位移的原因可能是由于以下因素中的一个或多个：(a)用于排斥低能量二次离子的有意的样品偏差，(b)如果在半绝缘样品上感应到恒定的正表面电势，并且样品被更高能量的电子照射，导致净负表面电荷，和/或(c)对于导电样品，整体样品偏差被设置为更负的电势以排斥低能量二次离子免于测量。

图7示出根据本发明的实施方式的朝向高能量的能量扫描分布，其使用转动esa116之后的低能量电流传感器和高能量电流传感器作为反馈，这改变静电分析仪的平均通过能量。

参考图7，对于特定实施方式，详细示出图1的系统100的部分，其中描绘了样品位置103。该方法涉及仅在esa116上进行转动esa扫描(外部esavo-10v，内部vi+10v)，而esa118处于标称电压。该系统不会将二次离子传输到质量分析仪，因为esa118仍被调整到标称通过能量。

图8a，图8b，图8c和图8d包括本发明实施方式的使用静电转动esa116测量二次离子能量分布的示意图800，以及与图7相关联地描述的高能量和低能量狭缝传感器。在一个实施方式中，可以使用相同或相似的实验装置来监测如图4a和图4b所描述的电荷补偿系统的有效性。该实施方案可结合另外的特征来控制或调整样品的表面电势，如上述用于调整表面电势的方法。

参考图8a，能量分布扫描在转动esa116之后的电荷补偿(cc)狭缝120上。在示例性实施方式中，样品是硅或sige并且良好接地。此设置也用于充电补偿参考。能量调整是经由电子束电流/能量来实现的，以便将离子能量返回到狭缝检测器。在操作802，充电补偿为off。在操作804，转动esa116处于标称电压。在操作806，执行晶片自动-z并检查ok。在对应的控制模块850，使用视觉系统/级操作852来执行操作806。在操作808，以标准设置值加载硅极性集合。在对应的控制模块850，使用上光谱(或下光谱)操作854进行操作808。在操作810，执行一次束能量/光栅尺寸/旋转调整。在相应的控制模块850，使用一次色谱柱操作856来执行操作810。在操作812，执行与束的同步。在相应的控制模块850，使用上光谱操作858进行操作812。在操作814和816，一次束分别被清除(取空白，blanked)，然后设置为on。在对应的控制模块850，分别使用上光谱操作860和一次电流操作862来执行操作814和816。在操作818，设定电荷补偿狭缝宽度(例如，到3.5mm，50ev能量通过)。在相应的控制模块850，智能平台控制器操作864用于执行操作818。在操作820，通过测量狭缝电流来确定电荷补偿(cc)。在相应的控制模块850，使用智能平台控制器操作866和上光谱电荷补偿狭缝电流操作868进行操作820。然后，从操作820的流程在图8b中继续。

参考图8b，从操作820，执行扫描框高能量操作822，其标记在esa116处开始能量扫描操作824，其继续通过图8b所示的操作824a-824e。电荷补偿程序在操作826结束操作822，束清除设置为off。然后在操作828将转动esa116设置为标称值。然后，从操作828的流程在图8c中继续。

参考图8c，从操作828，执行反向转动esa116扫描操作830。然后执行扫描框低能量操作832，其标记esa116处开始能量扫描操作834，其继续通过图8c所示的操作834a-834e。充电补偿程序在操作836结束操作832，二次束清除设置为off。然后在操作838将转动esa116设置为标称值。

参考图8d，如果需要进一步的补偿，则可在操作840进行进一步的确定。例如，在操作840a，如果需要，电荷补偿(cc)狭缝以恒定的宽度移动以达到目标电压。应当理解，在一个实施方式中，电荷补偿狭缝也可以用于排斥低能量二次离子。还应当理解，可以施加电压偏移(offset)以使最小通过能量能够通过esa116和esa118。在操作840b，一次束停止(off位置)。

图9示出示出根据本发明的实施方式的涉及以相同的电压在esa116和esa118上扫描的转动esa扫描的能量分布扫描。参考图9，对于特定实施方式，详细示出图1的系统100的部分。该方法涉及将esa166和118的外部部分设置为vo-10v。esa116和esa118的内部部分设置为vi+10v。

因此，实施方式包括控制样品的表面电势的方法。在一个实施方式中，可以使用以下中的一个或多个来控制样品表面的电势：(1)调整样品基底的偏差电压(在下文将关于图10更详细地描述)，(2)在表面处引导电子束并且改变传递到样品表面的电流(在下文中将关于图11更详细地描述)，(3)在表面引导电子束并改变电子的冲击能量，使得二次电子系数大于1(驱动样品电势更加正性)或小于1(驱动样品电势更加负性)，(4)上述(2)和(3)的组合，使得由电子束传输的净电荷通量可以是极性的和强度可变的，(5)将强度可变的光子引导至样品表面，使得在样品中产生电荷载子，改变其电导率(在下文中关于图12更详细地描述)，(6)将强度可变的光子引导至样品表面，使得光电子从样品发射，驱动样品电势更加正性，(7)将强度可变的光子从样品表面引导至高二次电子系数的材料上，并且用低能量电子泛射样品表面，从而驱动样品电势更加负性(在下文中关于图13a和图13b更详细地描述)，和/或(8)上述(7)的方法，同时向电子发射材料施加正或负电势以控制撞击样品表面的电子的通量和能量。

图10是示出根据本发明的实施方式的由于表面充电而在样品上的正电势的示意图。

参考图10，正一次离子束1002指向样品1006的部分1004。在提取模块1010产生并采集二次离子1008。例如，可以通过调整样品基底的偏差电压来调整样品1006的样品电势(具体而言是样品1006的部分1004)。

图11是根据本发明的实施方式的基于电子束的电荷中和以及控制的示意图。

参考图11，正的一次离子束1102指向样品1106的部分1104。在提取模块1110处产生并采集二次离子1108。电子束1112指向1104的表面。同时，传递到样品表面的电流是变化的。

图12是根据本发明的实施方式的使用强度可变光子源的样品的光电导性的示意图。

参考图12，正的一次离子束1202指向样品1206的部分1204，在提取模块1210处产生并采集二次离子1208。将强度可变的光子1212引导至表面1204使得在样品中产生电荷载子，改变其导电性。

图13a是示出根据本发明的实施方式使用远离样品的电子发射材料的电荷中和的示意图。参考图13a，样品1306a的区域1304a被充电为正性。电子发射器1350a包含在系统中。低能量电子1352a被样品1306a的区域1304a的正表面电势吸引。

图13b是示出根据本发明的实施方式的如果电子通量超过一次离子诱导的正表面电荷的有效电荷中和的示意图。参考图13b，样品1306b的区域1304b是电荷中性的。电子发射器1350b包含在系统中。净表面电势等于电子1352b的最大电子能量。参考图13a和图13b，强度可变的光子被引导离开样品表面到高二次电子系数的材料上，并且用低能量电子泛射样品表面，从而驱动样品电势更加负性。

在第三方面，本发明的实施方式涉及使用多个电容高度传感器来确定晶片背面接触电阻的方法。

为了提供背景，在半导体晶片的计量设备中，通常使用带电粒子(电子/离子)束作为一次激励源，或测量从晶片发射的带电粒子的性质，或两者。对晶片的充电可以引起测量发射的粒子的性质的误差或导致一次带电粒子偏转到相邻的区域，从而损坏这些区域。为了保持晶片免于充电，通常使用导电电极与晶片的背面接触。但是，在一些情况下，由于电极或晶片背面的绝缘膜上的污染，电极和晶片之间存在高电阻。可能期望测量背面接触电阻以确保将相关联的一次离子或电子束施加到样品是安全的。

根据本发明的实施方式，描述了通过使用多个电容高度传感器测量接触电阻的方法。为了说明本文的概念，首先考虑用于测量到良好接地的晶片的高度的单个传感器的情况。传感器包括在到晶片的感测距离内的平行板电极。该结构形成平行板电容器，其中一个板是传感器而另一个是晶片。如果将ac(交流)电压施加到传感器，则电流流过板之间的间隙。流过间隙的电流的量是由电压、板的面积、分隔这些板的材料以及板之间的距离决定的。

描述电流的相关方程为：iac＝x*c*v，其中iac＝ac电流(以安培计)，c＝电容(以法拉计)，v＝电压，x为仅取决于ac频率的常数。电容(c)反过来定义为：c＝k*e0*a/d，其中c＝电容(以法拉计)，k＝板之间材料的介电常数(例如，空气＝1.0)，e0：＝自由空间的电容率(常数)，a＝板的面积(以平方米计)，d：＝板之间的距离(以米计)。因此，如果传感器的面积保持恒定，则距离(d)与电压(v)除以电流(iac)成比例。对于ac电压，这与电路的阻抗直接成比例。

可以通过几种方式实现传感器的控制电子器件(electronic)。例如，一些电容式传感器保持电流恒定并允许电压变化。这些称为恒流电容式传感器。其他电容式传感器保持电压恒定并允许电流变化。这些是恒压设计。一个设计与另一个相比没有固有的优势。

上述描述假设晶片与测量电子器件良好接地，使得被测量的阻抗归因于传感器到晶片间隙。如果晶片接地不良，则被测量的是归因于传感器到晶片间隙的阻抗和晶片对地的阻抗之和。不幸的是，这导致这样的被报告的距离，其是晶片到传感器间隙以及来自晶片阻抗的误差的总和。已经描述使用第二传感器或补偿电极使晶片对地电流最小化的方法用于减少距离测量中的误差。通常的思路是用ac电压馈送第二电极，这是馈送到主传感器电极的振幅和/或相位位移的驱动信号版本。当两个电极的净电流为零时，来自主电极的值是间隙距离的精确测量。

图14图示说明使用补偿电极确定间隙距离所涉及的一些参数。参考图14，示出补偿电极1402耦合到传感器信号发生器1404。传感器1406耦合到传感器信号发生器1404。图14中的布置示出补偿电极1402、传感器信号发生器1404和传感器1406至目标1408的关系。

应当理解的是，根据本发明的实施方式，进一步确定被驱动至补偿电极的信号的值是有意义的。该值是晶片对地的阻抗的测量。通过确定信号并用加在接地和导电晶片之间的已知参考阻抗标准进行校准，可以校准信号使得可以确定未知的接触电阻。

根据本发明的实施方式，存在用于执行补偿电极信号的测量的几个选项。在第一实施方式中，涉及以主电极信号的180度位移的版本驱动补偿电极的方法。调整振幅直到净电流为零(或直到由主电极测量的距离最小化)。然后可以校准补偿电极上电压的振幅至阻抗。在第二实施方式中，随着由主信号的相位移版本驱动补偿电极，测量由主传感器指示的距离。对于多个不同的相位角绘制距离，并使用曲线拟合算法来确定最小距离的相位角。然后将获得的相位角校准至阻抗。在第三实施方式中，补偿电极至晶片的距离或补偿电极的暴露区域是变化的。测量主电极上的距离以确定最小值，因此获得可校准至阻抗的值，

本发明的实施方式可作为计算机程序产品或软件提供，其可以包括其上存储有指令的机器可读介质，其可用于对计算机系统(或其他电子设备)进行编程以执行根据本发明的方法。机器可读介质包括用于以机器(例如，计算机)可读的形式存储或发送信息的任何机构。例如，机器可读(例如，计算机可读)介质包括机器(例如，计算机)可读存储介质(例如，只读存储器(“rom”)、随机存取存储器(“ram”)、磁盘存储介质、光学存储介质、闪存设备等)、机器(例如，计算机)可读传输介质(电、光、声或其他形式的传播信号(例如，红外信号、数字信号等))等。

图15示出计算机系统1500的示例性形式的机器的示意图，其中可以执行用于使机器执行本文所讨论的任何一种或多种方法的一组指令(指令集，asetofinstructions)。在可替代的实施方式中，可以将机器连接(例如，联网)到局域网(lan)、内联网、外联网或互联网中的其他机器。该机器可在客户-服务器网络环境中的服务器或客户机的容量下运行，或者作为对等(或分布式)网络环境中的对等机器运行。该机器可以是个人计算机(pc)、平板计算机、机顶盒(stb)、个人数字助理(pda)、蜂窝电话、网络设备、服务器、网络路由器、交换机或桥接器或能够执行待由该机器采取的指定动作的一组指令(顺序或其他)的任何机器。进一步地，虽然仅示出单个机器，但术语“机器”还应被视为包括单独或共同执行一组(或多组)指令以执行本文讨论的任何一个或多个方法的机器(例如，计算机)的任何集合。例如，在一个实施方式中，机器被配置为执行用于通过二次离子质谱法(sims)测量样品的一组或多组指令。在一个实施方式中，计算机系统1500适合于与系统，如关于图1所示和描述的sims系统一起使用。

示例性计算机系统1500包括处理器1502、主存储器504(例如，只读存储器(rom)、闪速存储器，动态随机存取存储器(dram)如同步dram(sdram)或rambusdram(rdram)等)、静态存储器1506(例如，闪速存储器、静态随机存取存储器(sram)等)以及辅助存储器1518(例如，数据存储设备)，它们经由总线1530相互通信。

处理器1502表示一个或多个通用处理设备，如微处理器、中央处理单元等。更具体地说，处理器1502可以是复杂指令集计算(cisc)微处理器、精简指令集计算(risc)微处理器、非常长的指令字(vliw)微处理器、实现其他指令集的处理器或实现指令集的组合的处理器。处理器1502还可以是一个或多个专用处理设备，如专用集成电路(asic)、现场可编程门阵列(fpga)、数字信号处理器(dsp)、网络处理器等。处理器1502被配置为执行用于执行本文讨论的操作的处理逻辑1526。

计算机系统1500可以进一步包括网络接口设备1508。计算机系统1500还可以包括视频显示单元1510(例如，液晶显示器(lcd)或阴极射线管(crt))、字母数字输入设备1512(例如，键盘)、光标控制设备1514(例如鼠标)和信号产生设备1516(例如，扬声器)。

辅助存储器1518可以包括机器可访问的存储介质(或更具体地，计算机可读存储介质)1531，其上存储了体现本文所描述的方法或功能中的任何一个或多个的一组或多组指令(例如，软件1522)。在计算机系统1500执行期间，软件1522还可完全地或至少部分地驻留在主存储器1504内和/或处理器1502内，主存储器1504和处理器1502也构成机器可读存储介质。可以进一步经由网络接口设备1508通过网络1520发送或接收软件1522。

虽然在示例性实施方式中将机器可访问的存储介质531示为单个介质，但是术语“机器可读存储介质”应当被认为包括单个介质或多个介质(例如，集中式或分布式数据库和/或相关联的高速缓存和服务器)，其存储一组或多组指令。术语“机器可读存储介质”还应被视为包括能够存储或编码一组指令以供机器执行的任何介质，并且使机器执行本发明的任何一种或多种方法。因此，术语“机器可读存储介质”应被认为包括但不限于固态存储器以及光和磁介质。

因此，已经描述了使用二次离子质谱(sims)的半导体计量和表面分析的系统和方法。

在一个实施方式中，二次离子质谱(sims)系统包括样品台。一次离子束被引导至样品台。提取透镜对准样品台。配置提取透镜以为从样品台上的样品发射的二次离子提供低提取场。磁扇区光谱仪沿着sims系统的光学路径耦合到提取透镜。磁扇区光谱仪包括耦合到磁扇区分析仪(msa)的静电分析仪(esa)。

在一个实施方式中，样品台包括法拉第杯。

在一个实施方式中，sims系统进一步包括沿着磁扇区光谱仪的平面间隔开的多个检测器。

在一个实施方式中，多个检测器用于检测来自从样品发射的二次离子束的相应的多个不同物质。

在一个实施方式中，sims系统进一步包括沿着sims系统的光学路径耦合的第一附加esa，在提取透镜和磁扇区光谱仪的esa之间；以及沿着sims系统的光学路径耦合的第二附加esa，在第一附加esa和磁扇区光谱仪的esa之间。

在一个实施方式中，第一附加esa被配置为扩展从样品发射的二次离子束，并且其中，第二附加esa被配置为集中从第一附加esa接收的二次离子束。

在一个实施方式中，sims系统进一步包括沿着sims系统的光学路径的一个或多个狭缝，在第一附加esa和第二附加esa之间。

在一个实施方式中，第一附加esa、第二附加esa和一个或多个狭缝被包括在sims系统的电荷补偿系统中。

在一个实施方式中，第一附加esa和第二附加esa一起将sims系统的光学路径从样品台的上方引导至样品的下方。

在一个实施方式中，msa的磁体位于样品台的下方。

在一个实施方式中，低提取场具有至多为约10伏特/毫米的绝对值。

在一个实施方式中，sims系统进一步包括耦合到样品台的传送机器人。

在一个实施方式中，sims系统进一步包括耦合到传送机器人的容器，该容器包括校准标准。

在一个实施方式中，测量和控制样品的表面电势的方法涉及测量从样品表面发射的带电粒子的动能。该方法还涉及确定带电粒子的动能的位移。响应于带电粒子的动能的位移，样品表面的表面电势发生变化。

在一个实施方式中，样品表面的表面电势包括调整支撑样品的电极的偏差电压。

在一个实施方式中，改变样品表面的表面电势包括在样品表面引导电子束。

在一个实施方式中，在样品表面引导电子束包括改变传递到样品表面的电流。

在一个实施方式中，在样品表面引导电子束包括改变样品表面处的电子束的冲击能量。

在一个实施方式中，改变样品表面的表面电势包括将强度可变的光子引导至样品表面。

在一个实施方式中，将强度可变的光子引导至样品表面包括在样品中产生电荷载子以改变样品的电导率。

在一个实施方式中，将强度可变的光子引导至样品表面包括从样品发射光电子以将样品电势驱动至更加正性。

在一个实施方式中，改变样品表面的表面电势包括将强度可变的光子引导离开样品表面。

在一个实施方式中，该方法进一步包括在改变样品表面的表面电势之后，执行对样品表面的二次离子质谱(sims)测量。

在一个实施方式中，确定晶片背面接触电阻的方法涉及测量晶片的表面的间隙距离的值，其基于用第一驱动信号驱动的主要电容式传感器电极和用第二驱动信号驱动的补偿电容式传感器电极的比较，该第二驱动信号与第一驱动信号相比振幅或相位发生位移。测量第二驱动信号的值。将第二驱动信号的值校准为参考阻抗标准以确定晶片对地的阻抗值。基于间隙距离值和晶片对地的阻抗值确定晶片的表面的接触电阻值。

在一个实施方式中，测量第二驱动信号的值包括以第二驱动信号驱动补偿电容式传感器，第二驱动信号是第一驱动信号180度位移的版本；以及调整第二驱动信号的振幅以便当主要电容式传感器电极和补偿电容式传感器电极的净电流为零时获得振幅值，并且其中，将第二驱动信号的值校准为参考阻抗标准包括将振幅值校准为参考阻抗标准。

在一个实施方式中，测量第二驱动信号的值包括以第二驱动信号驱动补偿电容式传感器，第二驱动信号是第一驱动信号相位位移的版本；以及调整第二驱动信号的相位角以便当获得最小间隙距离值时获得相位角值，并且其中，将第二驱动信号的值校准为参考阻抗标准包括将相位角值校准为参考阻抗标准。

在一个实施方式中，测量第二驱动信号的值包括改变补偿电容式传感器电极与晶片的表面的距离以获得最小间隙距离值，并且其中，将第二驱动信号的值校准为参考阻抗标准包括将最小间隙距离值校准为参考阻抗标准。

在一个实施方式中，测量间隙距离值包括当主要电容式传感器电极和补偿电容式传感器电极的净电流为零时测量间隙值。

在一个实施方式中，该方法进一步包括：使导电电极与晶片的表面接触，和当晶片的表面的接触电阻值低于阈值时将带电粒子束引导至晶片的第二表面。

在一个实施方式中，将带电粒子束引导至晶片的第二表面包括开始晶片的第二表面的二次离子质谱(sims)测量。