一种基于三维TEM样品进行缺陷分析的方法

摘要

本发明涉及半导体制造领域，特别涉及一种基于三维TEM样品进行缺陷分析的方法。包括以下步骤：提供带有缺陷的半导体样品；在待观测区域形成第一标记；横向电镀第一铂金保护层；制备第一TEM样品；测量缺陷到第一标记的距离；将第一TEM样品放置到半导体样品上；纵向电镀第二铂金保护层；制备三维TEM样品；三维TEM成像。本发明的技术方案，在制备三维TEM样品的基础上，进行两个方向的TEM观测和成像，可以得到半导体制程中缺陷的形貌、大小、所处层次等全面信息，进行对所述缺陷进行准确失效分析，从而提出对半导体制程的可靠改进意见；本发明的技术方案操作方法简单，三维TEM样品制备效率高，对TEM样品进行失效分析效果好，准确率高。

说明书

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，特别涉及一种基于三维TEM样品进行缺陷 分析的方法。

背景技术

随着半导体制程尺寸越来越小，失效分析也变的越来越困难，一个很小 的缺陷就有可能导致器件的失效，进而影响整个芯片的工作。通常采用 EM(Electron Microscope电子显微镜）来检测半导体器件的薄膜形貌、尺 寸及特性，进行失效分析。常用的EM包括TEM(Transmission Electron  Microscope透射电子显微镜)和SEM(Scanning Electron Microscope扫 描电子显微镜)。TEM的工作原理是将需检测的样片以切割、研磨、离子减薄 等方式减薄，然后放入TEM观测室，以高压加速的电子束照射样片，将样片 形貌放大、投影到屏幕上，照相，然后进行分析。TEM因具有较高的分辨率， 非常适用于观测制程中产生的缺陷的形貌，大小以及缺陷出现的层次位置， 并且可以通过元素分析来判断缺陷的元素组成，进一步来确定缺陷的来源。 同时TEM样品的厚度对成像效果及分析失效分析的结果均有较大影响，实际 工艺中，只有垂直于检测面的方向上的TEM样品的厚度越薄（通常厚度小于 100nm），最后成像才能越清晰、越能反映样品的结构。但是对于半导体制程 中很小的缺陷，传统的制备平面TEM样品的方法通常只能在一个方向上进行 扫描成像，如图1所示，TEM样品1放置在铜网2上，只能观测到TEM样品 1中缺陷3在Y方向的成像，即图2中的圆形缺陷图案4，不能获得缺陷的 全面信息，因此难以给出制程改进的明确方向。通常的做法就是增加样品的 数量，但是如果只有一个样品，那么用平面TEM的方式就无法对此缺陷进行 全面的分析。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于三维TEM样品进行缺陷分析 的方法，解决了现有技术中难以获得缺陷的全面信息进行失效分析的技术问 题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于三维TEM样品进行 缺陷分析的方法，包括以下步骤：

（a）提供半导体样品，所述半导体样品的待观测区域具有待检测的缺 陷；

（b）采用聚焦离子束对所述半导体样品的表面进行轰击，在所述半导 体样品的待观测区域形成用于标识缺陷位置的第一标记；

（c）在所述待观测区域上方的半导体样品表面上，电镀第一铂金保护 层，所述第一铂金保护层覆盖所述缺陷位置和第一标记；

（d）在所述半导体样品的待观测区域，采用聚焦离子束制备具有所述 待检测缺陷的第一TEM样品，所述第一TEM样品具有第一观测面；

（e）将步骤d制备的第一TEM样品放置到铜网上，并与所述铜网一起 置于TEM机台，使所述TEM机台的电子束沿垂直于所述第一观测面的方向投 影成像，并在TEM下量测所述第一TEM样品的成像图案中所述待检测缺陷到 所述第一标记的距离；

（f）将所述第一TEM样品从铜网上取出，以所述第一观测面朝上的方 向将所述第一TEM样品放置于所述半导体样品上；

（g）根据步骤e量测出的距离，判断所述待检测缺陷在所述第一观测 面的位置，并在所述第一观测面的缺陷处电镀第二铂金保护层；

（h）对所述第一TEM样品，采用聚焦离子束制备第二TEM样品，所述 第二TEM样品具备第二观测面，所述第二TEM样品即为三维TEM样品；

（i）将所述步骤h制备的三维TEM样品放置到铜网上，并与所述铜网 一起置于TEM机台，使所述TEM机台的电子束沿垂直于所述第二观测面的方 向投影，进行三维TEM成像。

进一步，步骤b中，所述第一标记距离所述缺陷的距离小于2um；所述 第一标记为从所述半导体样品表面延伸至所述半导体样品内部的倒锥形孔 洞。

进一步，步骤f中，所述第一TEM样品放置于所述半导体样品的表面上； 或者采用束流范围93～500pA的聚焦离子束，在所述半导体样品内形成长宽 分别为10um，深为1um的方坑，所述第一TEM样品置于所述方坑内，所述方 坑设置在靠近所述第一TEM样品制备完成后留下的凹坑区域。

进一步，步骤g中，所述第一观测面的缺陷位于所述第二铂金保护层的 中心位置。

进一步，所述步骤d具体为：

（1）采用束流范围为6.5～9.2nA的聚焦离子束，在所述第一铂金保护 层的两侧分别切割出一个横断面以分离所述待观测区域的样品，所述切割宽 度以不超过所述第一铂金保护层的宽度为界；

（2）采用束流范围为2.8～6.5nA的聚焦离子束，对所述分离出的样品 的底部和侧面进行U型切断，形成第一TEM样品；

（3）采用束流范围为93pA～500pA的聚焦离子束，对所述第一TEM样 品的正面和背面进行研磨，使所述第一TEM样品的厚度减薄为0.1～0.3um； 所述第一TEM样品的正面即为第一观测面。

进一步，所述第一铂金保护层的宽度为100nm，厚度为3～4um。

进一步，所述步骤h具体为：

（1）将所述第一TEM样品放置于所述半导体样品的表面，并在所述第 一TEM样品两侧分别电镀用于固定所述第一TEM样品的铂金层，所述铂金层 可以防止所述第一TEM样品在所述半导体样品的表面上丢失。

（2）采用束流范围为6.5～9.2nA的聚焦离子束，在所述第二铂金保护 层的两侧分别切割出一个横断面以分离所述待观测区域的样品，所述切割宽 度以不超过所述第二铂金保护层的宽度为界；

（3）采用束流范围为2.8～6.5nA的聚焦离子束，对所述分离出的样品 的底部和侧面进行U型切断，形成三维TEM样品；

（4）采用束流范围为93pA～500pA的聚焦离子束，对所述三维TEM样 品的正面和背面进行研磨，使所述三维TEM样品的厚度减薄为0.1～0.3um； 所述三维TEM样品的正面即为第二观测面。

进一步，所述第二铂金保护层的宽度为100nm，厚度为1um。

本发明的有益效果是：本发明的技术方案，在制备三维TEM样品的基础 上，进行两个方向的TEM观测和成像，可以得到半导体制程中缺陷的形貌、 大小、所处层次等全面信息，进行对所述缺陷进行准确失效分析，从而提出 对半导体制程的可靠改进意见；本发明的技术方案操作方法简单，三维TEM 样品制备效率高，对TEM样品进行失效分析效果好，准确率高。

附图说明

图1为现有技术中利用平面TEM样品进行TEM观测的示意图；

图2为现有技术中平面TEM样品在Y方向的成像示意图；

图3为本发明进行缺陷分析的方法的流程示意图；

图4a～4k为本发明各步骤的效果示意图；

图5为本发明制备第一TEM样品的流程示意图；

图6为本发明制备第二TEM样品的流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本 发明，并非用于限定本发明的范围。

如图3所示，为本发明基于三维TEM样品进行缺陷分析的方法的流程示 意图，包括以下步骤：

S101提供半导体样品5，所述半导体样品5的待观测区域具有待检测 的缺陷6；本实施例中，所述缺陷6为圆柱形缺陷，如图4a所示。

S102采用聚焦离子束对所述半导体样品的表面7进行轰击，在所述半 导体样品5的待观测区域形成用于标识缺陷位置的第一标记8，如图4b所示。 图4b中建立了X、Y、Z坐标系，如图所示，所述半导体样品的表面7为X 轴、Y轴所在的表面，本实施例中，所述第一标记8距离所述缺陷6的距离 为2um；所述第一标记8为从所述半导体样品表面延伸至所述半导体样品内 部的倒锥形孔洞。

S103在所述待观测区域上方的半导体样品表面7上，横向电镀第一铂 金保护层9，所述第一铂金保护层覆盖所述缺陷位置和第一标记8，如图4c 所示。

S104在所述半导体样品5的待观测区域，采用聚焦离子束制备具有所 述待检测缺陷的第一TEM样品10，具体步骤详见以下S401～S403，所述第 一TEM样品10具备第一观测面11，如图4d所示，所述第一观测面11为所 建坐标系中X轴和Z轴所确定的平面,为了在TEM机台中进行观测，需要将 第一TEM样品在Y轴方向上的厚度减薄为100nm。

S105将步骤S104制备的第一TEM样品10放置到铜网12上，并与所 述铜网12一起置于TEM机台，使所述TEM机台的电子束13沿垂直于所述第 一观测面11的方向，即在Y方向上投影并成像，如图4e所示；并在TEM下 量测所述第一TEM样品10的成像图案中所述待检测的缺陷6到第一标记8 的距离，即得到沿X轴方向上的所述缺陷6到第一标记8的距离，如图4f 所述；

S106将所述第一TEM样品10从铜网上取出，以所述第一观测面11朝 上的方向将所述第一TEM样品10再次放置于所述半导体样品5上；本实施 例中所述第一TEM样品10放置于所述半导体样品5的表面上，如图4g所示。 在其他实施例中，可以采用束流范围93～500pA的聚焦离子束，在所述半导 体样品5内形成长宽分别为10um，深为1um的方坑14，所述第一TEM样品 10置于所述方坑14内，所述方坑14设置在靠近所述第一TEM样品10制备 完成后留下的凹坑区域，如图4h所示。

S107根据步骤S105量测出的距离，判断所述待检测的缺陷6在所述 第一观测面11的位置，并在所述第一观测面11的缺陷处电镀第二铂金保护 层15，如图4i所示；本实施例中，所述第一观测面11的缺陷位于所述第二 铂金保护层15的中心位置，此时，所述第二铂金保护层的宽度即为所要制 备的三维TEM样品的厚度。

S108对所述第一TEM样品10，采用聚焦离子束制备第二TEM样品，具 体步骤详见以下S801～S803，所述第二TEM样品具备第二观测面17，所述 第二观测面为所建坐标系中Y轴与Z轴所确定的平面，所述第二TEM样品即 为三维TEM样品16，如图4j所述；为了在TEM机台中进行观测，需要将所 述三维TEM样品16在X轴方向上的厚度减薄为100nm。

S109将所述步骤S108制备的三维TEM样品16放置到铜网12上，并 与所述铜网12一起置于TEM机台，使所述TEM机台的电子束沿垂直于所述 第二观测面17的方向投影，即沿X轴方向上投影，进行三维TEM成像，如 图4k所示，可以看到柱形缺陷18。

如图5所示，本实施例中，所述步骤S104的具体过程为：

S401采用束流范围为6.5～9.2nA的聚焦离子束，在所述第一铂金保 护层9的两侧分别切割出一个横断面以分离所述待观测区域的样品，所述切 割宽度以不超过所述第一铂金保护层9的宽度为界。本实施例中，所述第一 铂金保护层9的宽度为100nm，厚度为3um；在其他优选实施例中，所述第 一铂金保护层的厚度为3～4um间的任意值。

S402采用束流范围为2.8～6.5nA的聚焦离子束，对所述分离出的样 品的底部和侧面进行U型切断，形成第一TEM样品10。

S403采用束流范围为93pA～500pA的聚焦离子束，对所述第一TEM样 品的正面和背面进行研磨，使所述第一TEM样品10的厚度减薄为0.1um；在 其他优选实施例中，所述第一TEM样品的厚度为0.1～0.3um间的任意值。 所述第一TEM样品的正面即为第一观测面11，即所建坐标系中，X轴与Z轴 所确定的平面。

如图6所示，本实施例中，所述步骤S108的具体过程为：

S801采用束流范围为6.5～9.2nA的聚焦离子束，在所述第二铂金保 护层15的两侧分别切割出一个横断面以分离所述待观测区域的样品，所述 切割宽度以不超过所述第二铂金保护层15的宽度为界；本实施例中，所述 第二铂金保护层15的宽度为100nm，厚度为1um。

S802采用束流范围为2.8～6.5nA的聚焦离子束，对所述分离出的样 品的底部和侧面进行U型切断，形成三维TEM样品16；

S803采用束流范围为93pA～500pA的聚焦离子束，对所述三维TEM样 品16的正面和背面进行研磨，使所述三维TEM样品16的厚度减薄为0.1um； 在其他优选实施例中，所述三维TEM样品16的厚度为0.1～0.3um间的任意 值。所述三维TEM样品16的正面即为第二观测面17，即所建坐标系中，Y 轴与Z轴所确定的平面。

优选的，当所述第一TEM样品放置于所述半导体样品的表面进行制备三 维TEM样品时，首先在所述第一TEM样品两侧分别电镀用于固定所述第一TEM 样品的铂金层，然后再进行步骤S801～S803，所述铂金层可以防止所述第一 TEM样品在所述半导体样品的表面上丢失。

本发明的技术方案，在制备三维TEM样品的基础上，进行两个方向的TEM 观测和成像，可以得到半导体制程中缺陷的形貌、大小、所处层次等全面信 息，进行对所述缺陷进行准确失效分析，从而提出对半导体制程的可靠改进 意见；本发明的技术方案操作方法简单，三维TEM样品制备效率高，对TEM 样品进行失效分析效果好，准确率高。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明 的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发 明的保护范围之内。