具有用于橫切應用的過程自動化的圖案識別的差分成像的制作方法
【技術領域】
[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】
[0002]透射型電子顯微鏡(TEM)允許觀察者看到納米數(shù)量級上的極小的特征。對比于僅對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，并在相對側(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的點，并且使該點跨樣本表面進行掃描。穿過工件透射的電子被樣本遠側(cè)上的電子檢測器收集，并且圖像上每個點的強度與當主射束撞擊表面上的對應點時所收集的電子的數(shù)量相對應。如本文所使用的術語“TEM”，是指TEM或STEM，并且對制備用于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行掃描。與帶電粒子是帶負電的電子的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結(jié)構(gòu)被稱為微機械加工、研磨或蝕刻。當離子束被引導到半導體樣本上時，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、像素間距和停留時間)，該FIB可以被操作為“原子級研磨機”，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)時間和掃描面積的函數(shù)。噴射的粒子可以被檢測器感測，并且然后當入射射束與樣本相互作用時，通過使此感測的數(shù)據(jù)與已知的射束位置相關聯(lián)，可以為操作者產(chǎn)生和顯示圖像。確定何時停止處理被稱為“終點確定”。雖然存在用于檢測微加工過程何時切穿第一材料以暴露第二材料的幾種已知方法，典型的是在達到材料中的變化之前停止激光處理，并且因此確定終點是更困難的。
[0006]FIB系統(tǒng)被用來執(zhí)行顯微外科手術，其用于執(zhí)行設計驗證或排解失敗設計。這通常涉及到“切割”金屬線或選擇性沉積金屬線，以用于將導體短路在一起。FIB “快速原型設計”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，對于實現(xiàn)有競爭力的半導體產(chǎn)業(yè)中所需的快速時間-市場目標來說，F(xiàn)IB顯微外科已經(jīng)變得關鍵。
[0007]成功利用此工具依賴于研磨過程的精確控制。當今的集成電路具有導電材料和絕緣電介質(zhì)的多個交替層，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估或者圖形信息來完成終點確定。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。不精確的終點確定可能導致修正的裝置的錯誤分析。
[0008]隨著半導體裝置特征繼續(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)域的實時圖像以及實時圖形數(shù)據(jù)圖的常規(guī)方法來確定適當?shù)慕K點檢測。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檢測。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確定的進展。
[0009]現(xiàn)代技術有時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行切片，并創(chuàng)建區(qū)段“活”的圖像，比如SPI (同時圖案化和成像模式)，用于對研磨過程的實時成像反饋。TEM樣本制備終點確定是實時做出的判定，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樣本進行切片。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。這些圖像在每個切片處被刷新，但由于連續(xù)切片只涉及圖像之間的細微改變，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FIB/SEM儀器的后續(xù)3D建模，即在靜止或動態(tài)模式下。在FIB研磨表面的動態(tài)SEM成像(即SPI模式)中，在FIB研磨過程期間實時獲取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)射和檢測二次電子(SE)。為了從SEM圖像中的FIB研磨轉(zhuǎn)出SE信號，必須通過改變?nèi)齻€關鍵的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，對于大射束電流研磨可能需要多達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)生可忽略不計的偽像。然而，SPI模式期間圖像獲取的時機是關鍵的，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或多個切片的冗余和/或復制信息。因此，使用SPI模式，人們將必須通過圖像序列手動搜索以去除冗余圖像，使得準確的3D模型可以被構(gòu)造。人們可以為每個保存的SE或BSE圖像定時，使得其僅在完整FIB切片后發(fā)生，但是這將需要對材料濺射特性的先驗知識，并且將難以確切地將SEM獲取時間與FIB穿過切片所需要的時間相關聯(lián)。然而，要注意的是，因為FIB研磨可以被實時監(jiān)測，SPI模式對于對任何FIB操作進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)點在于，在完成每個FIB研磨的切片之后獲取高分辨率緩慢掃描SEM圖像。因此，每個圖像獨特地對應于每個FIB切片，以用于容易的容量確定。此外，自動SEM射束偏移和自動聚焦校正可以被實現(xiàn)來隨著分區(qū)進展保持關注區(qū)域被集中以及聚焦。
[0014]現(xiàn)有技術方法已經(jīng)嘗試通過一般地創(chuàng)建實時能力來計量對樣本部位上關注區(qū)域的敏感性，對FIB研磨終點確定進行改進。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)生成圖像和標繪圖上使用具有增加的靈敏度的像素強度的實時圖形標繪圖來提高FIB研磨終點確定操作的系統(tǒng)和方法。這是通過接收停留點強度值并創(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圖像的方法。使用CPB系統(tǒng)完成幀生成。并且如所示的，使用單個切片來構(gòu)成差分圖像428、430。
[0015]這種方法具有許多缺點，其應當是顯而易見的。此過程的準確度和時間線不允許操作者完全控制終點確定，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，用于此過程的時間消耗將不允許操作者以能夠使得在漸進式終點確定的同時使用的情況下實現(xiàn)實時終點確定的方式來執(zhí)行此功能。
[0016]利用可被用來操縱終點確定的當前技術，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)模式和動態(tài)模式。在FIB研磨的表面的動態(tài)SEM成像中，在FM研磨過程期間實時獲取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]動態(tài)模式成像期間的一個挑戰(zhàn)是要知道射束正擊中樣本的什么何處，以及在任何給定時刻樣本的哪個部分正被研磨。特別是在TEM樣本的制備中，用戶必須實時確定何時停止減薄樣本。過多減薄樣本可能將其毀壞。動態(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，用戶通常關注從切片到切片的進展，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(用戶手動停止研磨的地方，例如，終點確定)的進展。
[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時的終點確定，該方式產(chǎn)生更少的錯誤和更高的生產(chǎn)能力。該方法還使其進一步具有其他自動化流程，其增加了 TEM樣本的吞吐量和可再現(xiàn)性。