一種重復(fù)單元結(jié)構(gòu)tem樣品的定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種集成電路失效分析(FA)中透射電鏡(TEM)樣品的定位方法，特別涉及重復(fù)單元結(jié)構(gòu)TEM樣品的定位方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在集成電路IC制程持續(xù)發(fā)展的今天，由于器件尺寸不斷變小，使得分析其失效原因的難度也隨之不斷變大，因?yàn)槲锢硎Х治?PFA)往往很難找到明顯的失效特征或失效點(diǎn)。這時(shí)就需要綜合使用多種失效分析工具，如光發(fā)射顯微鏡(EMMI)、光誘致電阻變化(OBRICH)、透射電子顯微鏡(TEM)、掃描電子顯微鏡(SEM)、聚焦離子束顯微鏡(FIB)、能譜儀(EDS)等。通過多種工具組合尋找器件的真實(shí)失效原因。在眾多PFA工具中，TEM擁有的次納米級(jí)的高分辨分析能力，能夠觀察IC芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和晶體缺陷，并能對(duì)同一區(qū)域進(jìn)行衍襯成像及電子衍射研究，把形貌信息與結(jié)構(gòu)信息聯(lián)系在一起，因此已經(jīng)成為集成電路失效分析中一種不可缺少的重要手段。
[0003]由于TEM利用穿透樣品的電子束成像，而電子本身穿透能力很弱，所以TEM的樣品，尤其是需要觀測部位做得很薄，一般為50-500納米。透射過樣品的電子束強(qiáng)度取決于加速電壓、樣品的厚度，平均原子序數(shù)，晶體結(jié)構(gòu)或位相等因素。
[0004]為取得上述厚度薄為50-500納米的樣品，集成電路業(yè)界有一套由多種工具組合使用的常規(guī)的TEM樣品制備方法，具體為:首先，通過機(jī)械研磨的方法將硅片沿著剖面雙向減薄到20um以下，接著再用低能離子束繼續(xù)減薄樣品到TEM可觀察的厚度，或者用FIB雙面切削的方法來減薄制備??Μ樣品。
[0005]由于目前集成電路已經(jīng)實(shí)現(xiàn)超高集成度，單個(gè)IC芯片包含的器件數(shù)已經(jīng)是百萬數(shù)量級(jí)，而TEM制樣的觀測范圍卻只有微米量級(jí)，需要精確定位，以防止目標(biāo)落在觀測范圍之外，目前比較理想的解決方法是通過聚焦離子束顯微鏡的聚焦離子束刻蝕(FIB-Focused1n Beam)來進(jìn)行精細(xì)加工。
[0006]FIB制備TEM樣品的具體方法為:先通過切割、研磨等方法將樣品尺寸做到50-100微米左右，再利用FIB去掉TEM樣品需要觀察的器件所在的特定區(qū)域兩側(cè)的區(qū)域，直至形成
0.1微米左右的“薄墻”，該“薄墻”上保留了需要觀察的器件結(jié)構(gòu)。為了獲得高質(zhì)量的“薄墻”，并減少因離子束轟擊引起的損傷，在樣品制備過程中，一般先在樣品需要觀察的器件所在的保留區(qū)域上利用FIB淀積功能淀積一層Pt，用以保護(hù)該區(qū)域，并隨著FIB刻蝕的進(jìn)行，補(bǔ)助調(diào)整FIB束流，減小束斑，實(shí)現(xiàn)精細(xì)刻蝕。
[0007]現(xiàn)有技術(shù)的實(shí)際操作中，在具有特殊結(jié)構(gòu)的樣品上面制備TEM樣品，并在所制備的TEM樣品后續(xù)觀察目標(biāo)結(jié)構(gòu)比較容易，這是因?yàn)槠涮厥饨Y(jié)構(gòu)異于常規(guī)結(jié)構(gòu)，顯而易見，使用FIB刻蝕制備樣品時(shí)，容易查找發(fā)現(xiàn)。這類樣品的定位通常簡單且直觀。
[0008]但是，對(duì)于大量重復(fù)的相同結(jié)構(gòu)和尺寸的孔洞或溝槽類單元結(jié)構(gòu)，當(dāng)呈矩陣型塊狀排列時(shí)，比如接觸孔CT的密集陣列，如圖1所示，或金屬M(fèi)l刻蝕后的溝槽，如圖2所示，制樣完成后使用TEM觀測時(shí)就很難確認(rèn)其失效單元的位置:一方面是由于該類結(jié)構(gòu)完全重復(fù)相同，且尺寸隨技術(shù)發(fā)展將進(jìn)一步日趨減??；另一方面，制樣過程可能將部分失效或缺陷特征破壞甚至清除。其結(jié)果就是造成該類結(jié)構(gòu)制樣效率低下，甚至可能發(fā)生所分析單元不是失效點(diǎn)，因而影響分析結(jié)果，提供錯(cuò)誤的信息。
[0009]因此，為進(jìn)一步改善重復(fù)單元結(jié)構(gòu)TEM樣品的定位精準(zhǔn)程度，提高該類樣品的制樣效率，快速而準(zhǔn)確的利用TEM完成集成電路結(jié)構(gòu)的形貌和失效分析，需要開發(fā)一種基于重復(fù)單元結(jié)構(gòu)TEM樣品的定位方法，以提高制樣的成功率和準(zhǔn)確性，并能降低制樣的難度和成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于進(jìn)一步提高重復(fù)單元結(jié)構(gòu)TEM樣品的定位精準(zhǔn)程度，提高該類樣品的制樣效率，為快速而準(zhǔn)確的完成TEM的形貌和失效分析，降低制樣的難度和成本提供幫助。
[0011]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種重復(fù)單元結(jié)構(gòu)TEM樣品的定位方法。
[0012]本發(fā)明提出一種重復(fù)單元結(jié)構(gòu)TEM樣品的定位方法，所述TEM樣品由FIB制備完成，所述重復(fù)單元結(jié)構(gòu)內(nèi)部或相鄰結(jié)構(gòu)之間沒有填充物，其特征在于先對(duì)包含觀測目標(biāo)的重復(fù)單元結(jié)構(gòu)區(qū)域分別疊加淀積不同致密度的第一和第二保護(hù)層，實(shí)施填充，再根據(jù)切割時(shí)重復(fù)單元結(jié)構(gòu)內(nèi)部或相鄰結(jié)構(gòu)之間填充物的疏密狀況定位到觀測目標(biāo)。
[0013]可選的，所述重復(fù)單元結(jié)構(gòu)為相同尺寸和形貌的孔洞或溝槽圖形組成，行列數(shù)大于20*20的矩陣；
[0014]可選的，所述兩層保護(hù)層均為Pt或W構(gòu)成的金屬層，厚度均為0.3?I微米；
[0015]可選的，步驟SI所述的第一保護(hù)層由高電壓的電子束沉積而成，電壓值為5?1KV ；
[0016]優(yōu)選的，以觀測目標(biāo)為中心的第一保護(hù)層所覆蓋區(qū)域的大小為3*3的重復(fù)單元矩陣，或0.5*0.5微米的正方形；
[0017]可選的，步驟S2所述的第二保護(hù)層由低電壓的電子束沉積而成，電壓值為I?2KV ；
[0018]優(yōu)選的，第二保護(hù)層整體覆蓋第一保護(hù)層，呈尺寸為10*2微米的長方形。
[0019]本發(fā)明提出一種重復(fù)單元結(jié)構(gòu)定點(diǎn)制備TEM樣品的制樣方法，其步驟包括；
[0020]步驟SOl:以觀測目標(biāo)為中心淀積第一保護(hù)層；
[0021]步驟S02:在第一保護(hù)層上方淀積并覆蓋第二保護(hù)層；
[0022]步驟S03:制備第一切割面，定位目標(biāo)觀測點(diǎn)；
[0023]步驟S04:制備第二切割面；
[0024]步驟S05:取下樣品，移出FIB，完成TEM樣品制備；
[0025]可選的，步驟S3所述的制備第一切割面為，先使用大電流離子束切割樣品到由第一保護(hù)層覆蓋填充的單元矩陣的第一排結(jié)構(gòu)，再切換為小電流離子束繼續(xù)切割，經(jīng)由第二保護(hù)層覆蓋邊緣直至到達(dá)觀測目標(biāo)的位置，完成制備第一切割面；
[0026]可選的，步驟S4所述的第二切割面在距離第一切割面0.05?0.2微米微米的反面，與第一切割面一起形成薄片TEM樣品。
[0027]眾所周知，通常每個(gè)IC電路的孔洞(接觸孔)和溝槽(STI)的形貌和尺寸設(shè)計(jì)都是相同的，而且在芯片日趨超高集成度的今天，每個(gè)電路中孔洞和溝槽存在的數(shù)量規(guī)模也是非常巨大的，往往是幾百*幾百的矩陣排列。這一點(diǎn)對(duì)于SRAM、DRAM和Flash等由相同cell結(jié)構(gòu)組成的memory電路更加明顯。在成百上千重復(fù)密集排列的相同結(jié)構(gòu)中尋找特定的觀測目標(biāo)，對(duì)其進(jìn)行截面切割，然后在實(shí)施TEM觀測，其難度主要集中在觀測目標(biāo)的定位上，也就是該類TEM分析成功與否的關(guān)鍵在于對(duì)于目標(biāo)的定位。
[0028]按照現(xiàn)有技術(shù)的常規(guī)做法，先通過平面觀測找到觀測目標(biāo)，然后轉(zhuǎn)動(dòng)樣品進(jìn)行垂直后切割直到找到所需目標(biāo)的截面；由于樣品上存在大量重復(fù)單元的排列矩陣，現(xiàn)有技術(shù)的制樣時(shí)也會(huì)在切割前，在包含觀測目標(biāo)的平面區(qū)域先淀積一層保護(hù)金屬，一方面是作為垂直切割的初級(jí)定位標(biāo)記，另一方面也可以保護(hù)目標(biāo)結(jié)構(gòu)不會(huì)在切割時(shí)受到損傷，然后再進(jìn)行垂直切割。盡管如此，實(shí)際操作中，按現(xiàn)有技術(shù)的制樣方法很難確認(rèn)觀測目標(biāo)的位置，經(jīng)常發(fā)生觀測目標(biāo)丟失，或者由于相同的單元結(jié)構(gòu)，定位并觀測到錯(cuò)誤的單元，影響分析結(jié)果的情況。
[0029]由上述描述可知，本發(fā)明提出的??Μ樣品的定位方法，主要針對(duì)存在大量重復(fù)單元的結(jié)構(gòu)的集成電路1C，在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步實(shí)施改進(jìn)。本發(fā)明方法采用現(xiàn)有技術(shù)中TEM制樣的常用工具FIB制備完成。利用FIB離子束在加載不同加速電壓時(shí)能夠淀積不同致密度金屬膜質(zhì)的特點(diǎn)，在樣品平面上尋找到觀測目標(biāo)后，先以觀測目標(biāo)為中心，實(shí)施小范圍區(qū)域的高致密度金屬保護(hù)膜-第一保護(hù)層淀積填充，然后在上述區(qū)域基礎(chǔ)上擴(kuò)大淀積面積，再次淀積致密度低的金屬保護(hù)膜，使其完全覆蓋高致密度金屬保護(hù)膜區(qū)域，使重復(fù)單元結(jié)構(gòu)按距離所需觀測的目標(biāo)的遠(yuǎn)近出現(xiàn)金屬保護(hù)填充物從低致密度到高致密度的變化，隨后從低致密度金屬保護(hù)區(qū)域邊緣向中間方向開始垂直切割，觀測重復(fù)單元結(jié)構(gòu)中填充物的疏密情況就可以確定切割位置離觀測目標(biāo)的遠(yuǎn)近，并最終定位到觀測目標(biāo)。
[0030]由上述方法，本發(fā)明還提出了一種重復(fù)單元結(jié)構(gòu)定點(diǎn)制備TEM樣品的制樣方法。
[0031]首先，在以觀測目標(biāo)為中心淀積第一保護(hù)層，也就是高致密度金屬保護(hù)膜，接著在第一保護(hù)層上方淀積第二保護(hù)層，也就是低致密度金屬保護(hù)膜，然后制備第一切割面，先使用大電流離子束切割樣品到由第一保護(hù)層覆蓋填充的單元矩陣的第一排結(jié)構(gòu)，再使用小電流離子束繼續(xù)切割到由第二保護(hù)層覆蓋填充的單元矩陣的第一排結(jié)構(gòu)，可以通過重復(fù)單元結(jié)構(gòu)填充物致密度的變化確定所切割位置與觀測目標(biāo)的距離，并繼續(xù)切割直至到達(dá)觀測目標(biāo)的位置，并以此作為第一切割面；然后在距離第一切割面0.02?0.5微米的反面制備第二切割面，并取下樣品，移出FIB，完成TEM樣品制備。制備第二切割面以及后續(xù)步驟與現(xiàn)有技術(shù)的常規(guī)方法完全相同。
[0032]進(jìn)一步的優(yōu)化方案為，縮小第一保護(hù)層淀積的面積。本發(fā)明第一保護(hù)層