具有用于横切应用的过程自动化的图案识别的差分成像的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及带电粒子束系统，例如聚焦离子束系统。
【背景技术】
[0002]透射型电子显微镜(TEM)允许观察者看到纳米数量级上的极小的特征。对比于仅对材料表面成像的扫描电子显微镜(SEM)，TEM还允许样本内部结构的分析。在TEM中，宽射束撞击样本，并且穿过样本透射的电子被聚焦以形成样本的图像。样本必须足够薄，以允许主射束中的许多电子穿过样本行进，并在相对侧上退出。样本，也被称作薄片(lamellae)，通常小于10nm厚。
[0003]在扫描透射电子显微镜(STEM)中，主电子束被聚焦为精细的点，并且使该点跨样本表面进行扫描。穿过工件透射的电子被样本远侧上的电子检测器收集，并且图像上每个点的强度与当主射束撞击表面上的对应点时所收集的电子的数量相对应。如本文所使用的术语“TEM”，是指TEM或STEM，并且对制备用于TEM的样本的引用将被理解为也包括制备用于在STEM上查看的样本。本文所使用的术语“ S / TEM”也指TEM和STEM 二者。
[0004]聚焦离子束(FIB)显微镜系统产生带电粒子的窄聚焦射束，并类似于阴极射线管，以光栅方式使该射束跨样品进行扫描。与带电粒子是带负电的电子的SEM不同，FIB系统使用带电原子(下文中称为离子)来产生其射束。这些离子一般情况下带正电。
[0005]从基板去除材料以形成微观或纳米级结构被称为微机械加工、研磨或蚀刻。当离子束被引导到半导体样本上时，它将从样本的暴露表面喷射出二次电子、二次离子(i+或i _)以及中性分子和原子。通过跨样本移动射束并控制各种射束参数(例如射束电流、光斑尺寸、像素间距和停留时间)，该FIB可以被操作为“原子级研磨机”，用于选择性去除在任何位置放置射束的材料。撞击样本表面的离子的剂量或数量一般是射束电流、扫描持续时间和扫描面积的函数。喷射的粒子可以被检测器感测，并且然后当入射射束与样本相互作用时，通过使此感测的数据与已知的射束位置相关联，可以为操作者产生和显示图像。确定何时停止处理被称为“终点确定”。虽然存在用于检测微加工过程何时切穿第一材料以暴露第二材料的几种已知方法，典型的是在达到材料中的变化之前停止激光处理，并且因此确定终点是更困难的。
[0006]FIB系统被用来执行显微外科手术，其用于执行设计验证或排解失败设计。这通常涉及到“切割”金属线或选择性沉积金属线，以用于将导体短路在一起。FIB “快速原型设计”经常被称为“FIB装置修正”、“电路编辑”或“显微外科”。由于其速度和有用性，对于实现有竞争力的半导体产业中所需的快速时间-市场目标来说，FIB显微外科已经变得关键。
[0007]成功利用此工具依赖于研磨过程的精确控制。当今的集成电路具有导电材料和绝缘电介质的多个交替层，其中许多层包含图案化的区域。研磨速率和离子束研磨的效果可能跨装置具有很大变化。这是终点确定难以在不具破坏性的情况下执行的原因。一般基于FIB系统的用户接口显示器上显示的图像操作者评估或者图形信息来完成终点确定。在大多数装置修正操作中，优选的是特定层一被暴露就停止研磨过程。不精确的终点确定可能导致修正的装置的错误分析。
[0008]随着半导体装置特征继续以从亚微米到低于10nm的尺寸减小，用离子束电流研磨更小和更高的纵横比已变得必要。FIB操作者依赖于使用被研磨区域的实时图像以及实时图形数据图的常规方法来确定适当的终点检测。一般地，FIB操作者在视觉上寻找研磨区域的亮度上的改变以定性地确定终点检测。这样的改变可以指示研磨穿过不同材料(如金属/氧化物界面)的过渡。操作者使用切片到切片的进展并寻找改变，该改变最终告诉操作者哪里发生研磨、样本中的改变以及朝向终点确定的进展。
[0009]现代技术有时也涉及使用双射束系统，例如FIB和SEM组合系统，其允许用户穿过样本进行切片，并创建区段“活”的图像，比如SPI (同时图案化和成像模式)，用于对研磨过程的实时成像反馈。TEM样本制备终点确定是实时做出的判定，并且它可以被用在横截面图案中，但通常也以破坏性的方式对样本进行切片。此外，SPI图像往往产生更低的分辨率，这是由于图像的帧平均和高图像电子束电流。1-SPI是一种系统，其允许在各种切片之间更新图像。这些图像在每个切片处被刷新，但由于连续切片只涉及图像之间的细微改变，用户经常发现这些图像切片是非常难以跟随的。
[0010]通常存在两种不同的方式来收集FIB研磨表面的2D SEM图像的堆叠，以用于使用双平台FIB/SEM仪器的后续3D建模，即在静止或动态模式下。在FIB研磨表面的动态SEM成像(即SPI模式)中，在FIB研磨过程期间实时获取SEM图像。在静态图像获取模式下，FIB被用来切除材料并然后暂停或停止，使得可获取缓慢扫描的高分辨率SEM图像。这种类型的图像获取可以被容易地编程到自动切片和查看算法或仪器操作的间歇或1-SPI模式中。
[0011]在SPI模式下，由于离子/固体相互作用以及电子/固体相互作用，发射和检测二次电子(SE)。为了从SEM图像中的FIB研磨转出SE信号，必须通过改变三个关键的SEM成像参数来执行SEM图像获取:(i) SEM射束电流必须以大约2倍或比离子束研磨电流更大地进行操作，(ii)SEM图像必须以非常快的扫描速率被获取，以及(iii) SEM图像必须通过使用帧平均来获取(例如，对于大射束电流研磨可能需要多达32或64帧)。因此，SPI模式下获得的图像的SE SEM获取必须在通常不用于最高分辨率成像的模式下被收集。替代地，后向散射电子(BSE) SEM图像可以在SPI模式下被收集，其中来自FIB研磨的SE在BSE成像过程中产生可忽略不计的伪像。然而，SPI模式期间图像获取的时机是关键的，并且甚至SPI模式下BSE SEM图像的获取可能并非微不足道。
[0012]SPI模式下获取的SEM图像可以获得来自一个或多个切片的冗余和/或复制信息。因此，使用SPI模式，人们将必须通过图像序列手动搜索以去除冗余图像，使得准确的3D模型可以被构造。人们可以为每个保存的SE或BSE图像定时，使得其仅在完整FIB切片后发生，但是这将需要对材料溅射特性的先验知识，并且将难以确切地将SEM获取时间与FIB穿过切片所需要的时间相关联。然而，要注意的是，因为FIB研磨可以被实时监测，SPI模式对于对任何FIB操作进行终端确定是极为有用的。
[0013]用于3D建模的静态切片和查看方法的优点在于，在完成每个FIB研磨的切片之后获取高分辨率缓慢扫描SEM图像。因此，每个图像独特地对应于每个FIB切片，以用于容易的容量确定。此外，自动SEM射束偏移和自动聚焦校正可以被实现来随着分区进展保持关注区域被集中以及聚焦。
[0014]现有技术方法已经尝试通过一般地创建实时能力来计量对样本部位上关注区域的敏感性，对FIB研磨终点确定进行改进。例如，具有2005年11月15日的提交日的EP1812946 Al (也作为美国专利N0.7897918公布)，标题为“用于聚焦离子束数据的系统和方法”(下文中为‘918专利)公开了一种用于通过在本地FIB系统生成图像和标绘图上使用具有增加的灵敏度的像素强度的实时图形标绘图来提高FIB研磨终点确定操作的系统和方法。这是通过接收停留点强度值并创建光栅图案数据以创建灵敏度区域来完成的。如图9示出的’ 918专利的图9中所示，公开了一种使用光栅图案中逐步拍摄的快照图像的方法。使用CPB系统完成帧生成。并且如所示的，使用单个切片来构成差分图像428、430。
[0015]这种方法具有许多缺点，其应当是显而易见的。此过程的准确度和时间线不允许操作者完全控制终点确定，其也将不允许操作者看到图案或缺陷中的清晰区别。此外，用于此过程的时间消耗将不允许操作者以能够使得在渐进式终点确定的同时使用的情况下实现实时终点确定的方式来执行此功能。
[0016]利用可被用来操纵终点确定的当前技术，一般存在用于使用双射束仪器收集FIB研磨的表面的一系列SHM图像的两种模式:静态模式和动态模式。在FIB研磨的表面的动态SEM成像中，在FM研磨过程期间实时获取SEM图像。在静态图像获取模式下，FIB被用来切除材料并然后被暂停或停止，使得可以获取缓慢扫描的高分辨率SEM图像。
[0017]动态模式成像期间的一个挑战是要知道射束正击中样本的什么何处，以及在任何给定时刻样本的哪个部分正被研磨。特别是在TEM样本的制备中，用户必须实时确定何时停止减薄样本。过多减薄样本可能将其毁坏。动态模式的较低分辨率能够使得知晓多少样本已被减薄变得困难。
[0018]因此，用户通常关注从切片到切片的进展，并且查找切片到切片的改变。这有助于他了解何处正在发生研磨(射束“正击中”的地方)，有助于他看到其样本中的改变，以及有助于他跟随朝向终点(用户手动停止研磨的地方，例如，终点确定)的进展。
[0019]所需要的是一种方法，其精确且高效地示出切片中的操作者改变，使得可以按更好的方式来完成实时的终点确定，该方式产生更少的错误和更高的生产能力。该方法还使其进一步具有其他自动化流程，其增加了 TEM样本的吞吐量和可再现性。