CN105277576A - Tem样品安放布局 - Google Patents

Abstract

提供一种用于透射电子显微术的系统及方法。能够在透射电子显微镜中使用电子束从多个方向上检查样品。样品具有至少三个相互不平行的观察面，其中正交于每个观察面的样品厚度小于200nm。样品安放在针上，针可以围绕多于一个的轴旋转，因此所述针能够使至少三个观察面定向为垂直于用于观察的电子显微镜的电子束。

Description

TEM样品安放布局

技术领域

本发明涉及用于r透射电子显微镜分析和获取所安放样品的正交图像的方法。

背景技术

由于电路特征和元件(例如晶体管)的尺寸以及他们之间的间距或者距离方面都在减小，集成电路(IC)的密度不断显著增加。为了开发可靠的IC制造过程，测量特性特征尺寸，诊断制造缺陷，以及执行质量控制，集成电路制造商通常通过透射或扫描透射电子显微镜(TEM)检查集成电路或者集成电路的各部分。如本文中所使用的，术语“透射电子显微镜”意图包括扫描透射电子显微镜。

大多数IC器件元件是结构上正交的，具有特性长度、宽度和深度。通常，图像、分析图从这些正交方向中的一个方向上获得，并且提供必需的最终数据。给定这种元件的当前尺寸的情况下，透射电子显微镜经常是直观化、检查和测量IC器件的特征和元件的唯一有效方式。目前，这种测量是通过对从IC提取的薄的横截面切片或薄片进行检查来实现的。所提取的薄片针对当前的技术节点在观察方向(即透射电子束方向)上通常为30-100nm厚，但可以如10nm一样薄或低于10nm，并且具有在大约4μm²到16μm²之间的横截面面积。当试图从处理后的Si晶片提取薄的薄片时，可能出现各种问题，包括歪曲、弯曲、过研磨(over-milling)、非晶化和所谓的垂落(curtaining)。这些问题能够进而导致IC器件特性化变差，例如IC器件特征或者元件的特性尺寸的测量变差。此外，由于IC器件特征和元件是三维的，因此他们适当的特性化需要在所有的三个维度上进行检查，通常需要在三个不同的观察方向上提取单独的薄片。这些不同定向的单独薄片是从相同特征的不同实例提取的，例如相同存储器单元的不同实例。

通过使电子束透射穿过样品并且在相反侧探测透射的电子以形成图像来对TEM样品进行观察。射束通常是与薄片的面正交的。在电子X射线断层摄影术中，样品(或射束)被倾斜成一系列的倾斜角度，在每个不同的倾斜角度形成图形，以便提供能够被用于以数学方式重构三维图像的数据。因为不可能获取薄片的完全180度的倾斜系列，所以柱状的样品有时被用于电子X射线断层摄影术。柱状样品具有如下缺点：当从任意方向进行观察时，穿过样本具有不均匀的厚度。

发明内容

本发明的目的是提供对薄样品的三维成像。

一些实施例包括样品和用于在透射电子显微镜中使用电子束在多个方向上观察样品的样品支撑设备，该设备包括：具有至少三个互相不平行的观察面的样品，正交于每个观察面的样品厚度小于200nm；和样品所安放到的针，该针可以围绕多于一个轴旋转，这样，该针可以使得观察面中的至少三个定向为垂直于电子显微镜中的电子束。

一些实施例包括方法和样品，用于：将具有多个正交面的样品连接到可旋转样品支撑装置；将可旋转样品支撑装置旋转到多个角度，使得对于所述多个角度中的每一个，样品的多个正交面中的不同正交面暴露于并且平行于带电粒子束设备所生成的电子束；在所述多个角度的每个角度下，对来自透射穿过样品的多个正交面中的每个正交面的电子束的电子进行探测；以及根据所探测的在样品的多个正交面的每个正交面处透射穿过样品的电子来生成样品的多个正交图像。

前文中相当宽泛地概述了本发明的特征和技术优点，以便下面的本发明的详细描述可以被更好地理解。本发明的附加特征和优点会在下文中进行描述。本领域技术人员应当理解的是，所公开的概念和特定实施例可以被容易地用作修改或者设计用于实现与本发明相同的目的的其他结构的基础。本领域技术人员还应该认识到这种等效的构造并不背离所附权利要求中阐述的本发明的精神和范围。

附图说明

为了更透彻地理解本发明及其优点，现在参照下述与附图一起做出的描述，其中：

图1是将块状样品安放于可旋转杆上以实现通过旋转所述杆在TEM中对样品的三个正交侧面进行观察的方法的图示。

图2A-2C在不同的旋转定向上示出具有包括三组正交面的六个面的样品。

图3是将样品安放在样品支撑装置上的一个实施例的图示。

图4是将样品安放在样品支撑装置上的第二实施例的图示。

图5是用于提取样品并且将样品安放在样品支撑装置上的替代实施例的图示。

图6是将样品以在成像区域中的一定角度安放在针支撑装置上的实施例的图示。

图7是将样品安放在操纵器上的实施例的图示，操纵器通过齿轮旋转地耦合到臂。

图8A-8B是能够用于本发明的一些实施例中的两种类型齿轮的示意图示。

具体实施例

克服与从IC器件提取3个正交薄片以便表征该器件的给定特征或元件同时发生的各种问题的一种方式是改为从包含期望特征或元件的器件提取厚的块状样品，并且使用TEM来以X射线断层摄影方式重构该厚的块状样品。但是，完整的X射线断层摄影成像需要从多个角度获得多个图像投影，以及使用耗时的图像重构算法以数学方式组合多个图像投影中所包含的信息。幸运的是，IC器件制造商能够通过简单地观察所提取出的包含来自三个正交方向的元件的块状样品的TEM图像来经常快速并且容易地进行元件测量或者诊断元件缺陷和元件缺陷的来源。获取三个正交TEM图像而非完整的以X射线断层摄影方式重构的图像是有优势的，因为个体TEM图像与从TEMX射线断层摄影图像系列重构的图像相比具有更高的分辨率，并且能够被快得多地获取。

图1是将块状样品安放于可旋转杆上以实现通过旋转所述杆在TEM中对样品的三个正交侧面进行观察的方法的图示。样品102可以由任意材料制成。例如其可以是从集成电路获取的并且由用于制造集成电路的材料制成。样品102可以是从一片较大材料使用传统的TEM样品制备技术提取的。例如样品102可以是在聚焦离子束(FIB)机器中或者双FIB/SEM机器中使用传统的离子束研磨技术提取的，离子束研磨技术例如是用于从几片较大材料提取薄片的那些技术。通常，样品102应该形成所需尺寸，使得它对来自TEM电子束的电子是部分透明的，从而可以通过使电子透射穿过样品来获取该样品的TEM图像。在一个实施例中，样品102以具有大约20nm到200nm之间的特性尺寸的近似立方体形状被提取。

样品102以如下这样的方式安放在细针105上：针105的对称轴120穿过立方体样品102的任意两个完全相对的顶点，样品102可以使用传统的方法(例如传统聚焦离子束焊接技术)附着到细针105。在聚焦离子束焊接中，如例如Kaito等人的针对“ProcessforFormingMetallicPattemedFilm”的美国专利号4876112中和Tao等人的针对“IonBeamInducedDepositionofMetals”的美国专利号5104684中所描述的那样，使得样品102和针105在离子束焦点附近紧密靠近。适当的气体前体(例如有机金属气体)被引入到由样品102、针105和离子束所限定的区域中。离子束直接或者间接地激活气体前体(例如，通过加热样品102或者针105)，并且使得所述前体分离成挥发性和非挥发性的成分。通过FIB机器的真空系统移除挥发性成分，而非挥发性成分沉积在样品102和针105上，从而在这二者之间建立材料桥并且将二者连接起来。

如图2A中所示，样品102具有六个面，包括三组正交的面，该三组正交的面通常由最初顶面130，最初前面140和最初侧面(目前是隐藏的)150方便地描述。在最初的结构中，如图2A所示，沿着第一正交面130的样品102的图像可以通过使电子束101透射穿过第一正交面130来获取。接下来，样品102围绕样品102所附着到的针105的对称轴旋转通过120度的角度。如图2B中所示，这个旋转将使得样品102的第二正交面140暴露于电子束101，从而允许获取样品102的沿着第二正交面140的图像。最后，样品102围绕样品102所附着到的针105的对称轴旋转通过120度的附加角度。如图2C中所示，这个旋转将使得样品102的第三正交面150暴露于电子束101，从而允许获取样品102的沿着第三正交面150的图像。

图3是将样品102安放在样品支撑装置300上的一个实施例的图示。样品支撑装置300由传统的X射线断层摄影术针支撑装置115构成，针支撑装置115具有附着到其的薄的薄片110和进而附着于该薄的薄片110的非常细的针105。在一个实施例中，样品支撑装置可以如下所述那样形成。具有大约500nm的宽度，大约5微米高度和大约15微米的初始长度的薄的薄片110可以使用传统的FIB薄片制造方法(例如离子束研磨)在FIB机器中制成。接下来，薄片的顶部或者大约5微米长度可以被研磨以产生细的圆锥形的针105，针105具有半径大约30nm的尖端。针105可以例如使用传统FIB环形研磨技术制成，传统FIB环形研磨技术与用于制造X射线断层摄影术柱或者原子探针显微镜样品的那些技术非常相似。在环形研磨中，例如在Giannuzzi等人的针对“RepetitiveCircumferentialMillingforSamplePreparation”的7442924中所描述的，在FIB中用于刻蚀一系列环形路径，该环形路径被限制到具有内半径和外半径的环带。使得FIB沿着给定环形路径的停留时间取决于该路径的半径，从而针对较大半径的路径的停留时间比针对较短半径的路径更长。因为由FIB所移除的材料量是停留时间的函数，所以从较大半径的路径移除的材料比从较小半径的路径更多；并且由此产生了圆锥形的针。如果环带的外半径是大约500nm，内半径是大约30nm，并且停留时间被选择为在穿越500nm半径的路径时研磨大约3000nm的材料，以及在穿越30nm半径的路径时几乎不研磨材料，那么可以制成针105。替换地，针105和薄片110能够如上所述那样被单独制成，并且使用FIB和适当的气体前体被焊接在一起。

一旦制成或者接合在一起，薄片110和针105就能够使用传统技术被焊接到传统的操纵器针或者X射线断层摄影术针支撑装置115。如上所述，通过在离子束和适当的前体(例如有机金属气体)存在的情况下使薄片110和X射线断层摄影术针支撑装置115紧密靠近可以将二者焊接在一起。在离子束存在的情况下，前体将分离成由FIB机器的真空系统移除的挥发性成分，以及非挥发性成分，该非挥发性成分将沉积在薄片110和/或针支撑装置115上，从而在二者之间建立桥梁并且将二者连接起来。

图4是将样品102安放在样品支撑装置400上的第二实施例的图示。样品支撑装置400由具有3mm直径的传统铜TEM1/2栅格构成，该栅格具有多个装配指状物419421，其中一个装配指状物420具有焊接到其的薄的薄片110。然后细针105以相似的方式附着到薄片110。薄片110和针105可以如上述那样被制成，即被制成为单片或者制成为使用传统离子束研磨技术焊接在一起的分离的片。然后样品102可以被FIB焊接到针的尖端上。

图5是用于提取样品并且将样品安放在样品支撑装置上的替代实施例的图示。如图5中所示，使用传统TEM柱状样品制备技术(例如离子束研磨)可以从一片较大材料提取短圆柱形状的样品502。一片较大材料可具有在其中的感兴趣区域102(在此作为说明被限定为立方体，以最佳地示出感兴趣区域相对于其正交方向的定向)。由“虚拟立方体”所界定的感兴趣的区域确定圆柱的最终直径和长度。例如，可以从具有作为感兴趣区域102的特征或者元件(例如晶体管)的集成电路提取该圆柱。

圆柱样品502可以包括感兴趣区域102，并且可以形成所需尺寸以使得其高度、直径和长度允许适当包围感兴趣区域102的三个正交方向。可以使用与用于传统TEM柱状样品制备技术的那些方法相似的方法从所述一片较大材料提取圆柱样品502以使得其具有穿过包围感兴趣区域102的虚拟立方体的两个完全相对的顶点的主轴505。也就是，可以提取圆柱样品502，使得其主轴505从感兴趣区域102的顶面130垂直地偏移大约35.26度的角度，并且在方位角方面被偏移以使得其到感兴趣区域102的顶面130上的投影近似二等分顶面130(即，在方位角方面偏移大约45度的角度)。如图5中所示，以这种方式提取的圆柱样品502可以使用传统FIB焊接技术更加容易地并且精确地安放到标准的TEMX射线断层摄影术针支撑装置115上，因为其具有可以焊接到传统的针支撑装置115的平面端116的平面504。

在一些实施例中，如图6中所示的，样品102或圆柱样品502(包含感兴趣区域102)可以安放在传统TEMX射线断层摄影术针支撑装置115上或者在TEM物镜光栏极片(成像)区域中(相对于水平)成大约35.62度的角度的类似物上。在这样的实施例中，样品102/圆柱样品502可以通过使用传统TEM样品旋转技术简单地旋转操纵器或者针支撑装置115来容易地围绕对称轴120旋转。如上所解释的，按照相继的120度增量旋转样品102/圆柱样品502使得样品(或者感兴趣区域)102的三个正交面暴露于电子束101，从而允许TEM捕获样品(或者感兴趣区域)102的三个正交图像。

在其他实施例中，如图7中所示，样品102或圆柱样品502可以安放在操纵器705上，操纵器705通过齿轮710可旋转地耦合到臂715，臂715以直角进入TEM样品腔的侧面600。当臂715围绕其旋转轴720以相继的120度角度旋转时，齿轮715将旋转运动从轴720传递到操纵器705的旋转轴120，如所示的，旋转轴120穿过样品(或感兴趣区域)102的完全相对的顶点。因此，齿轮710将臂715的相继的120度旋转转换成围绕样品(或感兴趣区域)102的旋转轴120的相继的120度旋转，从而使样品(或者感兴趣区域)102的三个正交面暴露于电子束101，由此允许TEM捕获样品(或者感兴趣区域)102的三个正交图像。

图8A和8B是能够用于从第一轴到第二轴传递旋转运动的仅两种类型齿轮的示意图示。技术人员将能够确定其他的这种机构。如图8A中所示，斜交锥齿轮710A可以用于将旋转运动从臂715/715A传递到附着有样品(或者感兴趣区域)102的操纵器705/705A。替换地，如图8B中所示，交叉轴螺旋齿轮710B可以用于将旋转运动从臂715/715B传递到附着有样品(或者感兴趣区域)102的操纵器705/705B。

根据本发明的一些实施例，用于在带电粒子束设备中获取样品的正交图像的方法包括：将具有多个正交面的样品连接到可旋转的样品支撑装置；把可旋转的样品支撑装置旋转到多个角度，使得对于所述多个角度中的每一个，样品的多个正交面中的不同面被暴露于并且垂直于由带电粒子束设备所生成的电子束；在所述多个角度的每个角度，对来自电子束的透射穿过样品的多个正交面的电子进行探测；并且，根据所探测的在所述多个角度的每个角度透射穿过样品的电子生成样品的多个图像。

在一些实施例中，将可旋转样品支撑装置旋转到多个角度包括将可旋转样品支撑装置旋转到选自由如下各项构成的组的至少两个角度：零度、+/-120度，和240度。在一些实施例中，将具有多个正交面的样品连接到可旋转样品支撑装置包括将包含具有多个正交面的立方体感兴趣区域的圆柱连接到可旋转样品支撑装置，使得圆柱的轴穿过立方体感兴趣区域的完全相对的顶点。在一些实施例中，将圆柱连接到可旋转样品支撑装置包括将圆柱焊接到可旋转样品支撑装置。

在一些实施例中，将具有多个正交面的样品连接到可旋转样品支撑装置包括：将立方体样品安放在针上使得所述针的轴穿过立方体样品的完全相对的顶点；和将所述针连接到可旋转样品支撑装置。在一些实施例中，将所述针连接到可旋转样品支撑装置包括将所述针焊接到可旋转样品支撑装置。在一些实施例中，将立方体样品安放在所述针上进一步地包括：在带电粒子束设备中通过环形聚焦离子束研磨来制造所述针；在带电粒子束设备中使用聚焦离子束由较大的样品制造立方体样品；将所述针焊接到立方体样品使得所述针的轴穿过立方体样品的完全相对的顶点；以及从较大的样品分离安放到针上的立方体样品。

在一些实施例中，可旋转样品支撑装置以倾斜的角度穿过带电粒子束设备中的壁。在一些实施例中，可旋转样品支撑装置通过齿轮以倾斜的角度与可旋转臂连接，并且可旋转臂以直角穿过带电粒子束设备中的壁。在一些实施例中，将可旋转样品支撑装置旋转到多个角度包括将可旋转臂旋转到多个角度，以使得将可旋转臂到多个角度的旋转通过齿轮传递到可旋转样品支撑装置到多个角度的旋转。在一些实施例中，齿轮是斜交锥齿轮或交叉轴螺旋形齿轮中的至少一个。

根据本发明的一些实施例，用于在透射电子显微镜中使用电子束在多个方向上观察样品的样品和样品支撑设备包括：具有至少三个相互不平行的观察面的样品，与每个观察面正交的样品厚度小于200nm；以及样品所安放到的针，所述针可以围绕多于一个轴旋转，因此所述针能够使至少三个所述观察面定向为垂直于电子显微镜的电子束。

根据本发明的一些实施例，带电粒子束设备包括：用于照射样品的一部分的带电粒子束源；用于探测从样品的被照射部分所发出的辐射的至少一个探测器；用于支撑样品的样品支撑装置，所述样品支撑装置包括用于附着样品的针，所述针可以围绕多于一个轴旋转，因此所述针能够使所述样品定向以使得至少三个所述观察面垂直于电子显微镜的电子束。

在一些实施例中，可旋转样品支撑装置可旋转到选自由如下各项构成的组的至少两个角度：零度、+/-120度，和240度。在一些实施例中，将样品焊接到可旋转样品支撑装置。在一些实施例中，将所述针焊接到可旋转样品支撑装置。在一些实施例中，可旋转样品支撑装置以倾斜的角度穿过带电粒子束设备中的壁。

在一些实施例中，可旋转样品支撑装置通过齿轮以倾斜的角度与可旋转臂连接，并且可旋转臂以直角穿过带电粒子束设备中的壁。在一些实施例中，可旋转臂到多个角度的旋转通过齿轮传递到可旋转样品支撑装置到多个角度的旋转。在一些实施例中，齿轮是斜交锥齿轮或交叉轴螺旋形齿轮中的至少一个。

尽管很多前面的描述涉及IC器件的特征和元件，但本发明可以用于直观化任何适当材料的块状样品。术语“工件”，“样品”，“衬底”和“样本”在本申请中是可以相互替换使用的，除非另外指示。进一步地，每当本文中使用术语“自动化的”，“自动的”或者类似术语时，这些术语将被理解为包括人工启动自动化或者自动过程或步骤。

在讨论和权利要求中，术语“包括”和“包含”以开放的方式被使用，并且应当被理解为表示“包括，但不限于......”。就任何术语在本说明书中没有被特别定义而言，意图是该术语被给予其通常和普通的含义。附图意图帮助理解本发明，并且除非另外指出，否则其不是按照比例绘制的。用于实现本发明的粒子束系统是可商业上得到的，例如从FEI公司，本申请的受让人。

尽管本发明及其优点已经被详细地描述，但应当理解的是，可以在不背离如由所附权利要求限定的本发明精神和范围的情况下对本文中所描述的实施例进行各种改变，替换和变更。此外，本申请的范围不意图被限制于本文所述的特定实施例。如本领域普通技术人员将从本公开内容容易意识到的，根据本发明可以利用与本文中描述的对应实施例执行基本相同功能或实现基本相同结果的目前存在或以后开发的过程、机器、产品、物质的成分、装置、方法或者步骤。相应地，所附的权利要求意图在其范围内包括这样的过程、机器、产品、物质的成分、装置、方法或者步骤。

Claims (20)

1.一种用于在带电粒子束设备中获取样品的正交图像的方法，包括：

将具有多个正交面的样品连接到可旋转样品支撑装置；

把可旋转样品支撑装置旋转到多个角度，使得对于所述多个角度中的每一个，样品的多个正交面中的不同面被暴露于并且垂直于由带电粒子束设备所生成的电子束；

在所述多个角度的每个角度，对来自所述电子束的透射穿过所述样品的电子进行探测；以及，

根据所探测的在所述多个角度的每个角度透射穿过所述样品的电子生成所述样品的多个图像。

2.根据权利要求1所述的方法，其中将可旋转样品支撑装置旋转到多个角度包括将可旋转样品支撑装置旋转到选自由如下各项构成的组的至少两个角度：零度、+/-120度，和240度。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中将具有多个正交面的样品连接到可旋转样品支撑装置包括将包含具有多个正交面的立方体感兴趣区域的圆柱连接到可旋转样品支撑装置，使得所述圆柱的轴穿过立方体感兴趣区域的完全相对的顶点。

4.根据权利要求3所述的方法，将所述圆柱连接到可旋转样品支撑装置包括将所述圆柱焊接到可旋转样品支撑装置。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其中将具有多个正交面的样品连接到可旋转样品支撑装置包括：将立方体样品安放在针上使得所述针的轴穿过立方体样品的完全相对的顶点；和将所述针连接到可旋转样品支撑装置。

6.根据权利要求5所述的方法，其中将所述针连接到可旋转样品支撑装置包括将所述针焊接到可旋转样品支撑装置。

7.根据权利要求5所述的方法，其中将所述立方体样品安放在所述针上进一步包括：

在带电粒子束设备中通过环形聚焦离子束研磨来制造所述针；

在带电粒子束设备中使用聚焦离子束由较大的样品制造所述立方体样品；

将所述针焊接到所述立方体样品使得所述针的轴穿过所述立方体样品的完全相对的顶点；以及

从较大的样品分离安放到所述针上的所述立方体样品。

8.根据权利要求1或2所述的方法，其中可旋转样品支撑装置以倾斜的角度穿过带电粒子束设备中的壁。

9.根据权利要求1或2所述的方法，其中可旋转样品支撑装置通过齿轮以倾斜的角度与可旋转臂连接，并且可旋转臂以直角穿过带电粒子束设备中的壁。

10.根据权利要求9所述的方法，其中将可旋转样品支撑装置旋转到多个角度包括：将可旋转臂旋转到多个角度，以使得将可旋转臂到多个角度的旋转通过齿轮传递到可旋转样品支撑装置到多个角度的旋转。

11.根据权利要求9所述的方法，其中齿轮是斜交锥齿轮或交叉轴螺旋形齿轮中的至少一个。

12.一种用于在透射电子显微镜中使用电子束在多个方向上观察样品的样品和样品支撑设备，包括：

具有至少三个相互不平行的观察面的样品，与每个观察面正交的样品厚度小于200nm；以及

样品所安放到的针，所述针可以围绕多于一个轴旋转，因此所述针能够使至少三个所述观察面定向为垂直于电子显微镜的电子束。

13.一种带电粒子束设备，包括：

用于照射样品的一部分的带电粒子束源；

用于探测从样品的被照射部分所发出的辐射的至少一个探测器；

用于支撑样品的样品支撑装置，所述样品支撑装置包括用于附着样品的针，所述针可以围绕多于一个轴旋转，因此所述针能够使所述样品定向以使得至少三个所述观察面垂直于电子显微镜的电子束。

14.根据权利要求13所述的带电粒子束设备，其中可旋转样品支撑装置可旋转到选自由如下各项构成的组的至少两个角度：零度、+/-120度，和240度。

15.根据权利要求13或14所述的带电粒子束设备，其中将样品焊接到可旋转样品支撑装置。

16.根据权利要求13或14所述的带电粒子束设备，其中将所述针焊接到可旋转样品支撑装置。

17.根据权利要求13或14所述的带电粒子束设备，其中可旋转样品支撑装置以倾斜的角度穿过带电粒子束设备中的壁。

18.根据权利要求13或14所述的带电粒子束设备，其中可旋转样品支撑装置通过齿轮以倾斜的角度与可旋转臂连接，并且可旋转臂以直角穿过带电粒子束设备中的壁。

19.根据权利要求18所述的带电粒子束设备，其中可旋转臂到多个角度的旋转通过齿轮传递到可旋转样品支撑装置到多个角度的旋转。

20.根据权利要求18所述的带电粒子束设备，其中齿轮是斜交锥齿轮或交叉轴螺旋形齿轮中的至少一个。