[发明专利]样本厚度的测量和端点确定

说明书

本申请是申请号为200980153190.8、申请日为2009年11月2日、发明名称为“样本厚度的测量和端点确定”的申请的分案申请。

本申请要求于2008年10月31日提交的美国临时专利申请No. 61/110,394的优先权，其被通过引用结合到本文中。

技术领域

本发明涉及用于透射电子显微镜和扫描透射电子显微镜的样本制备和分析方法。

背景技术

诸如集成电路制造的半导体制造通常伴随有光刻法的使用。用在被暴露于辐射时改变可溶性的诸如光致抗蚀剂的材料来涂敷正在其上面形成电路的半导体衬底（通常为硅晶片）。位于辐射源与半导体衬底之间的诸如掩模或掩模板（reticle）的平版印刷工具投射阴影以控制衬底的哪些区域被暴露于辐射。在曝光之后，从已曝光或未曝光区域去除光致抗蚀剂，在晶片上留下图案化的光致抗蚀剂层，其在后续的蚀刻或扩散过程期间保护晶片的各部分。

光刻法过程允许在每个晶片上形成也称为“芯片”的多个集成电路器件或机电器件。然后将晶片切割成单独的管芯，每个管芯包括单个集成电路器件或机电器件。最后，这些管芯经受另外的操作并被封装到单个的集成电路芯片或机电器件中。

在制造过程期间，曝光和焦点的变化要求连续地监视或测量由平版印刷过程逐渐形成的图案以确定图案的尺寸是否在可接受范围内。常常称为过程控制的此类监视的重要性随着图案尺寸变得更小而显著地增加，尤其是随着最小特征尺寸接近平版印刷过程可获得的分辨率的极限。为了实现越来越高的器件密度，要求越来越小的特征尺寸。这可以包括互联线的宽度和间距、接触孔的间距和直径以及诸如各种特征的拐角和边缘的表面几何结构。晶片上的特征是三维结构，并且完整的表征必须不仅描述诸如线或沟槽的顶部宽度的表面尺寸，而且描述特征的完整的三维轮廓。工艺工程师必须能够准确地测量此类表面特征的临界尺寸（CD）以对制造工艺进行微调并保证获得期望的器件几何结构。

通常，使用诸如扫描电子显微镜（SEM）的仪器进行CD测量。在扫描电子显微镜（SEM）中，原电子束被聚焦成扫描要观察的表面的微斑（fine spot）。在表面被原射束撞击时，从该表面发射出二次电子。检测二次电子，并形成图像，由在射束撞击表面上的相应斑点时检测的二次电子的数目来确定图像的每个点处的亮度。然而，随着特征变得越来越小，出现其中要测量的特征对于由普通SEM提供的分辨率而言太小的点。

透射电子显微镜（TEM）允许观察者看到极小的特征，在纳米量级。与仅对材料的表面进行成像的SEM相比，TEM还允许分析样本的内部结构。在TEM中，宽射束撞击样本且通过样本透射的电子被聚焦而形成样本的图像。样本必须足够薄以允许原射束中的许多电子通过样本行进并在相对侧离开。也称为薄片的样本通常小于100nm厚。

在扫描透射电子显微镜（STEM）中，原电子束被聚焦成微斑，并且跨越样本表面扫描该斑点。通过工件透射的电子被在样本远侧的电子检测器收集，并且图像上的每个点的强度对应于随着原射束撞击表面上的相应点而收集的电子的数目。本文中使用的术语“TEM”指的是TEM或STEM，并且对制备用于TEM的样本的引用应被理解为也包括制备用于在STEM上观看的样本。本文所使用的术语“S/TEM”也指的是TEM和STEM两者。

在S/TEM成像的背景下常常使用明场成像和暗场成像。可以通过从中央衍射斑点选择电子以形成图像来形成明场图像。换言之，通过检测在没有随着其通过样本而显著地散射的情况下通过样本的电子来形成明场图像。相比之下，可以通过使用某些或所有非中央（衍射）电子在S/TEM中形成暗场图像。通过检测随着其通过样本而散射的电子来获得暗场图像。

图1A和1B示出根据现有技术的对TEM样本进行薄化和成像的步骤。样本20通常被附着于TEM样本保持器24并使用聚焦离子束22（FIB）进行薄化。可以在如图1所示的TEM或STEM中用电子束25对样本进行成像。典型的双射束FIB/SEM具有与样本垂直地取向（以90度）的SEM列和以约52度的角取向的FIB列。常常期望使用SEM在铣削期间对样本进行成像。在样本薄化期间使用SEM或S/TEM的成像允许直接监视样本厚度和样本内的感兴趣特征的位置。通过以算术方式对角进行补偿，即使当样本表面与电子束成一定角度时（如同样本在铣削期间朝着离子束取向时的情况一样），也能够使用S/TEM成像。