具有用于橫切應(yīng)用的過程自動(dòng)化的圖案識(shí)別的差分成像的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及帶電粒子束系統(tǒng)，例如聚焦離子束系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]透射型電子顯微鏡(TEM)允許觀察者看到納米數(shù)量級(jí)上的極小的特征。對(duì)比于僅對(duì)材料表面成像的掃描電子顯微鏡(SEM)，TEM還允許樣本內(nèi)部結(jié)構(gòu)的分析。在TEM中，寬射束撞擊樣本，并且穿過樣本透射的電子被聚焦以形成樣本的圖像。樣本必須足夠薄，以允許主射束中的許多電子穿過樣本行進(jìn)，并在相對(duì)側(cè)上退出。樣本，也被稱作薄片(lamellae)，通常小于10nm厚。
[0003]在掃描透射電子顯微鏡(STEM)中，主電子束被聚焦為精細(xì)的點(diǎn)，并且使該點(diǎn)跨樣本表面進(jìn)行掃描。穿過工件透射的電子被樣本遠(yuǎn)側(cè)上的電子檢測(cè)器收集，并且圖像上每個(gè)點(diǎn)的強(qiáng)度與當(dāng)主射束撞擊表面上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)時(shí)所收集的電子的數(shù)量相對(duì)應(yīng)。如本文所使用的術(shù)語“TEM”，是指TEM或STEM，并且對(duì)制備用于TEM的樣本的引用將被理解為也包括制備用于在STEM上查看的樣本。本文所使用的術(shù)語“ S / TEM”也指TEM和STEM 二者。
[0004]聚焦離子束(FIB)顯微鏡系統(tǒng)產(chǎn)生帶電粒子的窄聚焦射束，并類似于陰極射線管，以光柵方式使該射束跨樣品進(jìn)行掃描。與帶電粒子是帶負(fù)電的電子的SEM不同，F(xiàn)IB系統(tǒng)使用帶電原子(下文中稱為離子)來產(chǎn)生其射束。這些離子一般情況下帶正電。
[0005]從基板去除材料以形成微觀或納米級(jí)結(jié)構(gòu)被稱為微機(jī)械加工、研磨或蝕刻。當(dāng)離子束被引導(dǎo)到半導(dǎo)體樣本上時(shí)，它將從樣本的暴露表面噴射出二次電子、二次離子(i+或i _)以及中性分子和原子。通過跨樣本移動(dòng)射束并控制各種射束參數(shù)(例如射束電流、光斑尺寸、像素間距和停留時(shí)間)，該FIB可以被操作為“原子級(jí)研磨機(jī)”，用于選擇性去除在任何位置放置射束的材料。撞擊樣本表面的離子的劑量或數(shù)量一般是射束電流、掃描持續(xù)時(shí)間和掃描面積的函數(shù)。噴射的粒子可以被檢測(cè)器感測(cè)，并且然后當(dāng)入射射束與樣本相互作用時(shí)，通過使此感測(cè)的數(shù)據(jù)與已知的射束位置相關(guān)聯(lián)，可以為操作者產(chǎn)生和顯示圖像。確定何時(shí)停止處理被稱為“終點(diǎn)確定”。雖然存在用于檢測(cè)微加工過程何時(shí)切穿第一材料以暴露第二材料的幾種已知方法，典型的是在達(dá)到材料中的變化之前停止激光處理，并且因此確定終點(diǎn)是更困難的。
[0006]FIB系統(tǒng)被用來執(zhí)行顯微外科手術(shù)，其用于執(zhí)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證或排解失敗設(shè)計(jì)。這通常涉及到“切割”金屬線或選擇性沉積金屬線，以用于將導(dǎo)體短路在一起。FIB “快速原型設(shè)計(jì)”經(jīng)常被稱為“FIB裝置修正”、“電路編輯”或“顯微外科”。由于其速度和有用性，對(duì)于實(shí)現(xiàn)有競(jìng)爭(zhēng)力的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中所需的快速時(shí)間-市場(chǎng)目標(biāo)來說，F(xiàn)IB顯微外科已經(jīng)變得關(guān)鍵。
[0007]成功利用此工具依賴于研磨過程的精確控制。當(dāng)今的集成電路具有導(dǎo)電材料和絕緣電介質(zhì)的多個(gè)交替層，其中許多層包含圖案化的區(qū)域。研磨速率和離子束研磨的效果可能跨裝置具有很大變化。這是終點(diǎn)確定難以在不具破壞性的情況下執(zhí)行的原因。一般基于FIB系統(tǒng)的用戶接口顯示器上顯示的圖像操作者評(píng)估或者圖形信息來完成終點(diǎn)確定。在大多數(shù)裝置修正操作中，優(yōu)選的是特定層一被暴露就停止研磨過程。不精確的終點(diǎn)確定可能導(dǎo)致修正的裝置的錯(cuò)誤分析。
[0008]隨著半導(dǎo)體裝置特征繼續(xù)以從亞微米到低于10nm的尺寸減小，用離子束電流研磨更小和更高的縱橫比已變得必要。FIB操作者依賴于使用被研磨區(qū)域的實(shí)時(shí)圖像以及實(shí)時(shí)圖形數(shù)據(jù)圖的常規(guī)方法來確定適當(dāng)?shù)慕K點(diǎn)檢測(cè)。一般地，F(xiàn)IB操作者在視覺上尋找研磨區(qū)域的亮度上的改變以定性地確定終點(diǎn)檢測(cè)。這樣的改變可以指示研磨穿過不同材料(如金屬/氧化物界面)的過渡。操作者使用切片到切片的進(jìn)展并尋找改變，該改變最終告訴操作者哪里發(fā)生研磨、樣本中的改變以及朝向終點(diǎn)確定的進(jìn)展。
[0009]現(xiàn)代技術(shù)有時(shí)也涉及使用雙射束系統(tǒng)，例如FIB和SEM組合系統(tǒng)，其允許用戶穿過樣本進(jìn)行切片，并創(chuàng)建區(qū)段“活”的圖像，比如SPI (同時(shí)圖案化和成像模式)，用于對(duì)研磨過程的實(shí)時(shí)成像反饋。TEM樣本制備終點(diǎn)確定是實(shí)時(shí)做出的判定，并且它可以被用在橫截面圖案中，但通常也以破壞性的方式對(duì)樣本進(jìn)行切片。此外，SPI圖像往往產(chǎn)生更低的分辨率，這是由于圖像的幀平均和高圖像電子束電流。1-SPI是一種系統(tǒng)，其允許在各種切片之間更新圖像。這些圖像在每個(gè)切片處被刷新，但由于連續(xù)切片只涉及圖像之間的細(xì)微改變，用戶經(jīng)常發(fā)現(xiàn)這些圖像切片是非常難以跟隨的。
[0010]通常存在兩種不同的方式來收集FIB研磨表面的2D SEM圖像的堆疊，以用于使用雙平臺(tái)FIB/SEM儀器的后續(xù)3D建模，即在靜止或動(dòng)態(tài)模式下。在FIB研磨表面的動(dòng)態(tài)SEM成像(即SPI模式)中，在FIB研磨過程期間實(shí)時(shí)獲取SEM圖像。在靜態(tài)圖像獲取模式下，F(xiàn)IB被用來切除材料并然后暫?；蛲Ｖ?，使得可獲取緩慢掃描的高分辨率SEM圖像。這種類型的圖像獲取可以被容易地編程到自動(dòng)切片和查看算法或儀器操作的間歇或1-SPI模式中。
[0011]在SPI模式下，由于離子/固體相互作用以及電子/固體相互作用，發(fā)射和檢測(cè)二次電子(SE)。為了從SEM圖像中的FIB研磨轉(zhuǎn)出SE信號(hào)，必須通過改變?nèi)齻€(gè)關(guān)鍵的SEM成像參數(shù)來執(zhí)行SEM圖像獲取:(i) SEM射束電流必須以大約2倍或比離子束研磨電流更大地進(jìn)行操作，(ii)SEM圖像必須以非常快的掃描速率被獲取，以及(iii) SEM圖像必須通過使用幀平均來獲取(例如，對(duì)于大射束電流研磨可能需要多達(dá)32或64幀)。因此，SPI模式下獲得的圖像的SE SEM獲取必須在通常不用于最高分辨率成像的模式下被收集。替代地，后向散射電子(BSE) SEM圖像可以在SPI模式下被收集，其中來自FIB研磨的SE在BSE成像過程中產(chǎn)生可忽略不計(jì)的偽像。然而，SPI模式期間圖像獲取的時(shí)機(jī)是關(guān)鍵的，并且甚至SPI模式下BSE SEM圖像的獲取可能并非微不足道。
[0012]SPI模式下獲取的SEM圖像可以獲得來自一個(gè)或多個(gè)切片的冗余和/或復(fù)制信息。因此，使用SPI模式，人們將必須通過圖像序列手動(dòng)搜索以去除冗余圖像，使得準(zhǔn)確的3D模型可以被構(gòu)造。人們可以為每個(gè)保存的SE或BSE圖像定時(shí)，使得其僅在完整FIB切片后發(fā)生，但是這將需要對(duì)材料濺射特性的先驗(yàn)知識(shí)，并且將難以確切地將SEM獲取時(shí)間與FIB穿過切片所需要的時(shí)間相關(guān)聯(lián)。然而，要注意的是，因?yàn)镕IB研磨可以被實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，SPI模式對(duì)于對(duì)任何FIB操作進(jìn)行終端確定是極為有用的。
[0013]用于3D建模的靜態(tài)切片和查看方法的優(yōu)點(diǎn)在于，在完成每個(gè)FIB研磨的切片之后獲取高分辨率緩慢掃描SEM圖像。因此，每個(gè)圖像獨(dú)特地對(duì)應(yīng)于每個(gè)FIB切片，以用于容易的容量確定。此外，自動(dòng)SEM射束偏移和自動(dòng)聚焦校正可以被實(shí)現(xiàn)來隨著分區(qū)進(jìn)展保持關(guān)注區(qū)域被集中以及聚焦。
[0014]現(xiàn)有技術(shù)方法已經(jīng)嘗試通過一般地創(chuàng)建實(shí)時(shí)能力來計(jì)量對(duì)樣本部位上關(guān)注區(qū)域的敏感性，對(duì)FIB研磨終點(diǎn)確定進(jìn)行改進(jìn)。例如，具有2005年11月15日的提交日的EP1812946 Al (也作為美國專利N0.7897918公布)，標(biāo)題為“用于聚焦離子束數(shù)據(jù)的系統(tǒng)和方法”(下文中為‘918專利)公開了一種用于通過在本地FIB系統(tǒng)生成圖像和標(biāo)繪圖上使用具有增加的靈敏度的像素強(qiáng)度的實(shí)時(shí)圖形標(biāo)繪圖來提高FIB研磨終點(diǎn)確定操作的系統(tǒng)和方法。這是通過接收停留點(diǎn)強(qiáng)度值并創(chuàng)建光柵圖案數(shù)據(jù)以創(chuàng)建靈敏度區(qū)域來完成的。如圖9示出的’ 918專利的圖9中所示，公開了一種使用光柵圖案中逐步拍攝的快照?qǐng)D像的方法。使用CPB系統(tǒng)完成幀生成。并且如所示的，使用單個(gè)切片來構(gòu)成差分圖像428、430。
[0015]這種方法具有許多缺點(diǎn)，其應(yīng)當(dāng)是顯而易見的。此過程的準(zhǔn)確度和時(shí)間線不允許操作者完全控制終點(diǎn)確定，其也將不允許操作者看到圖案或缺陷中的清晰區(qū)別。此外，用于此過程的時(shí)間消耗將不允許操作者以能夠使得在漸進(jìn)式終點(diǎn)確定的同時(shí)使用的情況下實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)終點(diǎn)確定的方式來執(zhí)行此功能。
[0016]利用可被用來操縱終點(diǎn)確定的當(dāng)前技術(shù)，一般存在用于使用雙射束儀器收集FIB研磨的表面的一系列SHM圖像的兩種模式:靜態(tài)模式和動(dòng)態(tài)模式。在FIB研磨的表面的動(dòng)態(tài)SEM成像中，在FM研磨過程期間實(shí)時(shí)獲取SEM圖像。在靜態(tài)圖像獲取模式下，F(xiàn)IB被用來切除材料并然后被暫?；蛲Ｖ梗沟每梢垣@取緩慢掃描的高分辨率SEM圖像。
[0017]動(dòng)態(tài)模式成像期間的一個(gè)挑戰(zhàn)是要知道射束正擊中樣本的什么何處，以及在任何給定時(shí)刻樣本的哪個(gè)部分正被研磨。特別是在TEM樣本的制備中，用戶必須實(shí)時(shí)確定何時(shí)停止減薄樣本。過多減薄樣本可能將其毀壞。動(dòng)態(tài)模式的較低分辨率能夠使得知曉多少樣本已被減薄變得困難。
[0018]因此，用戶通常關(guān)注從切片到切片的進(jìn)展，并且查找切片到切片的改變。這有助于他了解何處正在發(fā)生研磨(射束“正擊中”的地方)，有助于他看到其樣本中的改變，以及有助于他跟隨朝向終點(diǎn)(用戶手動(dòng)停止研磨的地方，例如，終點(diǎn)確定)的進(jìn)展。
[0019]所需要的是一種方法，其精確且高效地示出切片中的操作者改變，使得可以按更好的方式來完成實(shí)時(shí)的終點(diǎn)確定，該方式產(chǎn)生更少的錯(cuò)誤和更高的生產(chǎn)能力。該方法還使其進(jìn)一步具有其他自動(dòng)化流程，其增加了 TEM樣本的吞吐量和可再現(xiàn)性。