专利名称：一种tem的半导体样品制备方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体技术领域，特别涉及一种透射电子显微镜的半导体样品制备方法。
背景技术：
目前，透射电子显微镜(TEM)越来越多地用于通过观察半导体器件形貌对半导体器件进行失效分析。由于TEM的原理是电子衍射穿透样品成像，因此TEM方法样品制备的要求很高，通常要求样品的厚度不能超过0.1微米。在晶片(wafer)上生长的半导体器件结构是层叠排列的，当以整片wafer上位于底层的某个半导体器件作为TEM的目标结构时， 就需要制备包含目标结构且满足TEM样品厚度要求的样品。现有技术中，聚焦离子束(FIB) 机台可以在整片wafer的局部区域完成TEM样品的制备，其过程是将wafer作为样品水平放置在FIB机台的样品台上，从FIB机台的液态金属离子源(一般为镓( )中抽取的离子束经过加速、质量分析。整形等处理之后形成具有一定束流和离子束斑直径的聚焦离子束 (I beam)，聚焦在样品表面轰击wafer的局部区域，从而对wafer进行切割和微细加工制备 TEM样品。I beam与水平方向上所成夹角为a = 38度，其是由FIB机台的结构决定可以根据需要适当调节，定义样品台角度(stage tilt)为样品台与水平方向所成的角度，当stage tilt为0度时，I beam与样品台以及其上水平放置的wafer表面所成的夹角也为38度。 不同材料和结构的半导体器件的TEM样品制备，需要I beam从不同角度轰击wafer，也就是改变wafer表面与FIB所成的夹角。但是，由于I beam的角度是固定的，所以只能通过调整stage tilt实现。现在的FIB机台普遍采用结合聚焦离子束和扫描电子显微镜的聚焦离子束-电子束(FIB-SEM)双束系统；其中，聚焦离子束用于切割制备样品，电子束(E beam) 用于扫描电子显微观察样品情况，控制I beam的操作，可以在高分辨率扫描电子显微图像监控下发挥聚焦离子束的微细加工能力，充分利用离子束和电子束的优点，并有效地避免两者的缺陷。由于扫描电子显微镜技术相对比较成熟，一种较方便的方法就是在扫描电子显微镜上增配聚焦离子束，使得聚焦离子束与电子束同时聚焦在样品表面。在运用聚焦离子束进行微纳级加工时，将聚焦离子束和样品垂直，扫描电子束不仅可实时高分辨观察成像，还可以中和离子电荷的积累。下面以使用具有FIB-SEM双束系统的FIB机台制备位于 wafer底层的半导体器件的TEM样品为例说明现有技术中采用的步骤步骤一、将wafer水平放置于具有FIB-SEM双束系统的FIB机台的样品台上，在和目标结构103相距2微米左右的上下对称区域各用束流范围是6000 8000皮安(pA)的I beam轰击形成一个长度至少大于目标结构103长度，宽度6 10微米，高度为至少露出整个目标结构103的凹槽。两个凹槽之间的部分为包含目标结构103的样品。其中，目标结构的位置在样品制备前已经确定。如图Ia所示，wafer的局部俯视图，其中，包括waferlOO、 目标结构103上方的第一凹槽101、目标结构103下方的第二凹槽102和位于第一凹槽101 与第二凹槽102之间的目标结构103，需要说明的是在实际wafer的俯视图中，并无法直接观察到目标结构103，只是为了说明目标结构103的位置而画出。
步骤二、用束流范围是2000 4000pA的I beam分别对称地粗切凹槽101和凹槽102中靠近样品的侧壁部分，使样品厚度减小到1微米左右。该步骤要求保持样品中目标结构103的完整性。在FIB在粗切过程中，由于I beam轰击时聚焦离子束能量的损失， FIB的能量从样品表面到底部逐渐变小，造成粗切后样品的截面呈现上小下大的楔形结构， 如图Ib所示，样品底部厚度较大。步骤三、将stage tilt调整到0度，首先定义远离凹槽底部的样品面为样品表面、 在靠近凹槽底部的样品上先切出一条与样品表面平行的横向开口，该横向开口的长度与凹槽长度相当，隔开了目标结构103与waferlOO ；再分别以横向开口的两端作为起点切出两条垂直于横向开口方向的纵向开口。其中，纵向开口的长度要求低于样品的高度，使得切出纵向开口之后，样品仍然连接在waferlOO上未脱离。如图Ic所示，横向开口和两条纵向开口组合形成U型开口 104。步骤四、将stage tilt调整到53度，将束流范围调整为300 ΙΟΟρΑ，用Ibeam细切一个所述凹槽中靠近样品的侧壁，直到在E beam的观察图像中出现目标结构。步骤五、将stage tilt调整到51度，将束流调整为300 IOOpA范围，用Ibeam 细抛另一个所述凹槽中靠近样品的侧壁，直到包含目标结构103处的样品厚度达到0. 1微米以下，以满足作为TEM样品的厚度要求。步骤六、切断样品与waferlOO的连接部分，取出样品为TEM样品。但是，制备位于底层的半导体器件为目标结构的TEM样品的困难在于，目标结构往往位于楔形结构的底部。在后续的二次细抛过程中，由于目标结构与样品表面之间的距离较大，从样品表面向底部推进的FIB轰击的能量严重衰减和分布不均勻，一方面难以在目标结构103所在区域达到TEM样品厚度的要求无法用TEM观察其形貌，另一方面还会造成TEM样品的扭曲和破坏，无法观察到wafer底层的半导体器件的实际形貌，造成TEM样品制备成功率不高。
发明内容
有鉴于此，本发明解决的技术问题是位于晶片底层的半导体器件的TEM样品制备中，由于目标结构与样品表面之间的距离，使得FIB轰击时的能量衰减且分布不均勻，容易扭曲和破坏TEM样品，难以达到TEM样品厚度的要求，成功率不高。为解决上述问题，本发明的技术方案具体是这样实现的一种透射电子显微镜的半导体样品制备方法，用于制备包括位于晶片底层的半导体器件目标结构的样品，将晶片放入聚焦离子束机台，用聚焦离子束在所述晶片上形成凹槽，所述目标结构位于两个凹槽之间，所述制备方法进一步包括粗切所述两个凹槽中靠近样品的侧壁部分，得到包含目标结构的样品；在样品底部切出一条长度能够隔离所述目标结构和晶片的横向开口 ；用聚焦离子束去除样品内所述目标结构上方的晶片上层半导体器件；最后用聚焦离子束将一个所述凹槽中靠近样品的侧壁细切至观察到目标结构后， 细抛另一个所述凹槽中靠近样品的侧壁，直到样品厚度满足透射电子显微镜样品要求。所述粗切后样品的厚度范围是0. 5 1. 5微米。
所述用聚焦离子束去除样品内位于目标结构上方的晶片上层的半导体器件所用的聚焦离子束的束流范围是4000 6000皮安。所述用聚焦离子束去除样品内位于目标结构上方的晶片上层半导体器件的过程为将晶片水平放置于聚焦离子束机台的样品台上，调整所述样品台与水平方向的角度为b，利用公式y = tan(a+b)X，计算得出y的值之后，控制聚焦离子束的轰击点与目标结构在样品高度方向上的距离大于等于y，用聚焦离子束轰击去除样品中晶片上层半导体器件；其中，χ为粗切后的样品厚度，Y为聚焦离子束轰击所述样品首先受到轰击的第一面和轰击结束的第二面之间的高度差，a是聚焦离子束与水平方向所成的角度。所述b的范围是1 10度，所述a的取值范围是37 39度。所述轰击点与目标结构在样品高度方向上的距离为大于等于所述y与保护层厚度的和。所述保护层的厚度范围是1 2微米。由上述的技术方案可见，本发明提出的TEM样品制备方法避免了由于目标结构与样品表面的距离引起的聚焦离子束能量损失和分布不均勻造成TEM样品厚度问题及TEM样品扭曲和破坏，精确计算FIB轰击点，提高了位于wafer底层的半导体器件的TEM样品制备成功率。
图Ia为现有技术TEM样品制备中在晶片上两个凹槽与目标结构位置关系俯视图；图Ib为现有技术TEM样品制备中样品粗切后的截面图；图Ic为现有技术TEM样品制备中样品U型切后的侧视图；图2为本发明TEM样品制备流程图；图3为本发明去除样品中位于晶片上层的半导体器件的样品截面示意图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案、及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例， 对本发明进一步详细说明。一种透射电子显微镜的半导体样品制备方法，用于制备包括位于晶片底层的半导体器件目标结构的样品，将晶片放入聚焦离子束机台，用聚焦离子束在所述晶片上形成凹槽，所述目标结构位于两个凹槽之间，所述制备方法进一步包括粗切所述两个凹槽中靠近样品的侧壁部分，得到包含目标结构的样品；在样品底部切出一条长度能够隔离所述目标结构和晶片的横向开口 ；用聚焦离子束去除样品内所述目标结构上方的晶片上层半导体器件；最后用聚焦离子束将一个所述凹槽中靠近样品的侧壁细切至观察到目标结构后， 细抛一个所述凹槽中靠近样品的侧壁，直到样品厚度满足透射电子显微镜样品要求。所述粗切后样品的厚度范围是0. 5 1. 5微米。
所述用聚焦离子束去除样品内位于目标结构上方的晶片上层的半导体器件所用的聚焦离子束的束流范围是4000 6000皮安。所述用聚焦离子束去除样品内位于目标结构上方的晶片上层半导体器件的过程为将晶片水平放置于聚焦离子束机台的样品台上，调整所述样品台与水平方向的角度为b，利用公式y = tan(a+b)X，计算得出y的值之后，控制聚焦离子束的轰击点与目标结构在样品高度方向上的距离大于等于y，用聚焦离子束轰击去除样品中晶片上层半导体器件；其中，χ为粗切后的样品厚度，Y为聚焦离子束轰击所述样品首先受到轰击的第一面和轰击结束的第二面之间的高度差，a是聚焦离子束与水平方向所成的角度。所述b的范围是1 10度，所述a的取值范围是37 39度。所述目标结构之间在样品高度方向上的距离为大于等于所述y与保护层厚度的和。所述保护层的厚度范围是1 2微米。具体实施例一结合本发明TEM样品制备流程2和样品制备过程中的样品截面示意图3，详细说明本发明使用具有FIB-SEM双束系统的FIB机台进行位于wafer底层的半导体器件的 TEM样品制备方法，其步骤如下步骤201、将wafer水平放置于具有FIB-SEM双束系统的FIB机台的样品台上，在距离目标结构2微米左右的上下对称区域各用束流范围是6000 8000皮安(pA)的I beam 轰击形成一个长度至少大于目标结构长度，宽度范围是6 10微米，高度为至少露出整个目标结构的凹槽。要求目标结构位于两个凹槽之间。其中，目标结构的位置在样品制备前已经确定。步骤202、用束流范围是2000 4000pA的I beam分别对称地粗切样品两个凹槽中靠近样品的侧壁部分，得到两个凹槽之间的部分为包含目标结构的样品，使样品的厚度减小到1微米左右。其中，定义远离凹槽底部的样品面为样品表面。本步骤中，粗切后样品的厚度范围是0. 5 1. 5微米，例如，0. 5微米，1. 2微米或1. 5微米；本步骤要求保持样品中目标结构的完整性。步骤203、如图3所示，将stage tilt调整为0度，在靠近凹槽底部的样品上先切出一条与样品表面平行的横向开口，该横向开口的长度与凹槽长度相当，隔开了目标结构与wafer。本步骤中，省略了现有技术中在样品上形成两条垂直于横向开口的纵向开口的步骤，是为了避免后续步骤205中去除样品中位于wafer上层的半导体器件时，与纵向开口相交，造成样品从wafer上脱离。步骤204、将束流范围调整为4000 6000pA，用Ibeam轰击去除样品内位于目标结构上方的晶片上层半导体器件，减小样品表面到底部的距离。此步骤中，I beam从样品侧壁的一面开始轰击直到穿透样品。由于FIB-SEM机台构造的原因，I beam不能垂直于样品侧壁轰击，使得I beam轰击后得到的样品表面呈现一个斜面，也就是I beam在样品侧壁一面开始轰击时的轰击点的高度要大于轰击结束时样品侧壁另一面轰击点的高度。为了保持目标结构的完整性，需要恰当地选择I beam在样品侧壁一面开始轰击时轰击点的位置， 保证轰击结束时样品侧壁另一面轰击点位于目标结构上方。如图3所示，在本实施例中，把样品的截面作为矩形处理，其中，I beam轰击样品时与样品的水平面所成的角度为stage tile(b)与I beam与水平方向上所成夹角(a)之和；χ代表样品的厚度，为计算方便以步骤 202粗切后样品表面的厚度作为样品的厚度。由公式y = tan(a+b)X代入(a+b)，计算得到y的值。本步骤中，a的范围是37度 39度，例如，37度，38或39度；需要说明的是，当 b的取值越大，y的值也越大，为了尽可能地减小I beam轰击穿透样品时侧壁两面的高度差和缩短轰击时间，要求控制b的取值范围在0到10度，例如0度，5度和10度。当stage tilt为b = 0度时，I beam与样品在水平方向上的夹角达到最小值a+b，例如a = 38度，b =0度，代入公式y = tan (a+b) χ得到y = tan 38° χ,计算得到y的值。在I beam开始轰击样品侧壁的一面时，控制Ibeam的轰击点的位置为与目标结构之间在样品高度方向上的距离大于等于y，就可以保证在I beam轰击过程中不会破坏目标结构。此外，当需要在目标结构上方保留厚度范围是1到2微米左右的保护层时，I beam 轰击点与目标结构之间在样品高度方向上的距离则要大于等于保护层的厚度与上述计算得出的y相加的和。步骤205、将stage tilt调整到53度，将束流范围调整为300 ΙΟΟρΑ，用I beam 对一个凹槽中靠近样品的侧壁细切，直到在E beam的观察图像中出现目标结构。步骤206、将stage tilt调整到51度，将束流范围调整为300 ΙΟΟρΑ，用I beam 细抛另一个凹槽中靠近样品的侧壁，直到包含目标结构处的样品厚度达到0. 1微米以下， 以满足作为TEM样品的厚度要求。本步骤中，由于样品表面到底部的高度已经在步骤205 中减小，相当于减小了目标结构在样品中的深度。因此在细抛过程中，FIB的I beam轰击的能量损失也随着样品表面到底部高度差的减小而减小，能量分布相对均勻。在目标结构区域的厚度达到TEM样品厚度要求的同时不会造成TEM样品的扭曲和破坏，提高了位于wafer 底层的半导体器件的TEM样品制备成功率。步骤207、切断样品与wafer的连接部分，取出样品为TEM样品。本发明在位于晶片底部的半导体器件的TEM样品制备过程中，先利用FIB轰击去除样品中位于wafer上层的多余半导体器件部分，并通过公式精确计算FIB轰击点，可控性大大提高，然后再对样品进行细抛，达到TEM样品厚度要求。本发明提出的方法避免了在 TEM样品制备过程中，由于目标结构与样品表面的距离较大引起的聚焦离子束能量损失和分布不均勻，造成TEM样品厚度过大问题及TEM样品的扭曲和破坏，提高了位于wafer底层的半导体器件的TEM样品制备成功率。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。
权利要求
1.一种透射电子显微镜的半导体样品制备方法，用于制备包括位于晶片底层的半导体器件目标结构的样品，将晶片放入聚焦离子束机台，用聚焦离子束在所述晶片上形成凹槽，所述目标结构位于两个凹槽之间，其特征在于，所述制备方法进一步包括粗切所述两个凹槽中靠近样品的侧壁部分，得到包含目标结构的样品；在样品底部切出一条长度能够隔离所述目标结构和晶片的横向开口；用聚焦离子束去除样品内所述目标结构上方的晶片上层半导体器件；最后用聚焦离子束将一个所述凹槽中靠近样品的侧壁细切至观察到目标结构后，细抛另一个所述凹槽中靠近样品的侧壁，直到样品厚度满足透射电子显微镜样品要求。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述粗切后样品的厚度范围是0.5 1. 5 微米。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述用聚焦离子束去除样品内位于目标结构上方的晶片上层的半导体器件所用的聚焦离子束的束流范围是4000 6000皮安。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述用聚焦离子束去除样品内位于目标结构上方的晶片上层半导体器件的过程为将晶片水平放置于聚焦离子束机台的样品台上，调整所述样品台与水平方向的角度为 b，利用公式y = tan(a+b)X，计算得出y的值之后，控制聚焦离子束的轰击点与目标结构在样品高度方向上的距离大于等于y，用聚焦离子束轰击去除样品中晶片上层半导体器件； 其中，χ为粗切后的样品厚度，y为聚焦离子束轰击所述样品首先受到轰击的第一面和轰击结束的第二面之间的高度差，a是聚焦离子束与水平方向所成的角度。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述b的范围是1 10度，所述a的取值范围是37 39度。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述轰击点与目标结构在样品高度方向上的距离为大于等于所述y与保护层厚度的和。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述保护层的厚度范围是1 2微米。
全文摘要
本发明提供了一种透射电子显微镜的半导体样品制备方法，该方法包括在晶片上形成包含目标结构的样品并用FIB将样品切至1微米左右厚度，在样品底部切出一条长度至少完全隔离目标结构和晶片的横向开口；然后在目标结构上方保留保护层FIB去除样品内位于目标结构上方的晶片上层的半导体器件；最后将样品的两面侧壁进行细抛，直到包含目标结构区域的样品厚度满足TEM样品的要求。本发明提出的TEM样品制备方法避免了由于目标结构与样品表面的距离引起的聚焦离子束能量损失和分布不均匀问题，从而造成的TEM样品厚度无法满足TEM要求及TEM样品的扭曲和破坏，并精确计算FIB轰击点，提高了位于wafer底层的半导体器件的TEM样品制备成功率。
文档编号G01N1/32GK102346109SQ20101024538
公开日2012年2月8日 申请日期2010年7月26日 优先权日2010年7月26日
发明者于会生, 李剑, 段淑卿, 芮志贤 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司