CN108109895A - 针状试片、其制备方法以及其分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种针状试片、其制备方法以及其分析方法。针状试片包括衬底、组件层以及散热层。组件层配置于衬底上，包括感兴趣区域。散热层覆盖衬底与组件层的暴露表面，散热层的热导率大于衬底的热导率。

Description

针状试片、其制备方法以及其分析方法

技术领域

本发明实施例涉及一种试片、其制备方法以及其分析方法，尤其涉及一种针状试片、其制备方法以及其分析方法。

背景技术

一般来说，为了分析半导体装置的材料组成，会使用原子探针技术(atom probetechnology)来对由半导体装置制备的试片进行分析。原子探针技术是利用对包括金属和半导体等材料的试片进行加热与提供电场，使得离子由试片表面入射至质谱仪，进而通过测量离子入射所需的时间以及电荷来识别离子种类。目前用以增加质谱分辨力的方法具有费时与增加成本的缺点。故，增加质谱分辨力仍为本领域待解决的问题。

发明内容

根据本发明的实施例，针状试片包括衬底、组件层以及散热层。组件层配置于衬底上，包括感兴趣区域。散热层覆盖衬底与组件层的暴露表面，散热层的热导率大于衬底的热导率。

根据本发明的实施例，针状试片的制备方法包括以下步骤。切削部分半导体装置，以形成针状试片，针状试片包括部分衬底与含有感兴趣区域的部分组件层。于针状试片的暴露表面上形成散热层，散热层的热导率大于衬底的热导率。

根据本发明的实施例，针状试片的分析方法包括以下步骤。提供针状试片，其包括衬底、组件层以及散热层，其中组件层配置于衬底上且包括感兴趣区域，散热层覆盖衬底与组件层的暴露表面，以及散热层的热导率大于衬底的热导率。对针状试片进行原子探针技术，以分析感兴趣区域中的原子组成。

附图说明

包含附图以便进一步理解本发明，且附图并入本说明书中并构成本说明书的一部分。附图说明本发明的实施例，并与描述一起用于解释本发明的原理。

图1是根据本发明一些实施例的针状试片的制备方法的流程图；

图2A至图2C是根据本发明一些实施例的针状试片的制备方法的流程示意图；

图3是根据本发明一些实施例的针状试片的分析方法的流程图；

图4是根据本发明一些实施例的原子探针技术设备的示意图。

具体实施方式

以下揭示内容提供用于实施所提供的目标的不同特征的许多不同实施例或实例。以下所描述的构件及配置的具体实例是为了以简化的方式传达本发明为目的。当然，这些仅仅为实例而非用以限制。举例来说，在以下描述中，在第二特征上方或在第二特征上形成第一特征可包括第一特征与第二特征形成为直接接触的实施例，且也可包括第一特征与第二特征之间可形成有额外特征，使得第一特征与第二特征可不直接接触的实施例。此外，本发明在各种实例中可重复使用组件符号和/或字母。组件符号的重复使用是为了简单及清楚起见，且并不表示所欲讨论的各个实施例和/或配置本身之间的关系。

另外，为了易于描述附图中所示出的一个构件或特征与另一组件或特征的关系，本文中可使用例如“在...下”、“在...下方”、“下部”、“在…上”、“在…上方”、“上部”及类似术语的空间相对术语。除了附图中所示出的定向之外，所述空间相对术语意欲涵盖组件在使用或操作时的不同定向。设备可被另外定向(旋转90度或在其他定向)，而本文所用的空间相对术语相应地作出解释。

图1是根据本发明一些实施例的针状试片的制备方法的流程图。图2A至图2C是根据本发明一些实施例的针状试片的制备方法的流程示意图。

请同时参照图1与图2A，首先，进行步骤S10，切削部分半导体装置(未示出)，以形成针状试片102，针状试片102包括部分衬底104与含有感兴趣区域110的部分组件层106。在一些实施例中，半导体装置例如是晶片，其包括晶体管、电阻器、二极管、光二极管或熔丝组件等。半导体装置包括衬底104以及配置于衬底104中或衬底104上的组件层106。组件层106包括感兴趣区域110。以半导体装置包括鳍式场效晶体管为例，组件层106可为鳍片、沟道、栅极、源极与漏极、介电层等鳍式晶体管的构件，但本发明并不以此为限。在一些实施例中，衬底104例如包括块状硅、掺杂或未经掺杂硅衬底、绝缘层上硅(SOI)衬底或蓝宝石上硅(SOS)衬底。当然，在一些实施例中，衬底104也可包括诸如锗或金刚石等适当元素半导体、诸如碳化硅、氮化镓、砷化镓或磷化铟等适当化合物半导体或诸如硅化锗、硅化铟、砷化铝镓或磷砷化镓等适当合金半导体。一般来说，组件层106包括导体层与介电层。导体层的材料包括金属、掺杂硅或多晶硅等。介电层的材料包括氧化物或氮化物，诸如氧化硅、氮化硅、氮化钛、氮化钽、碳化钛铝等。

在一些实施例中，切削半导体装置的方法包括使用聚焦离子束法(Focused IonBeam，FIB)、电化学法或任何能产生针状截面的方法。聚焦离子束法例如是对部分半导体装置的表层进行局部喷溅聚焦离子束来完成。举例来说，在离子束切削过程中，通过将以镓离子为主的聚焦离子束入射至半导体装置表层，以选择性地蚀刻半导体装置。其中，将产生聚焦离子束的室内真空压力维持在约7微托至10微托左右。如此一来，聚焦离子束可以诸如0度至5度等非常小的角度冲击半导体装置表层，以得到针状试片102。

宏观来说，进行步骤S10之后的针状试片102的形状例如是近似于圆锥体(如图2A所示)。在一些实施例中，针状试片102的圆锥体顶角θ约为12度至24度。然而，微观来看，针状试片102实质上为具有弧形頂部102a的圆锥体。在一些实施例中，弧形顶部102a例如是半球形顶部。在一些实施例中，针状试片102的弧形顶部102a的直径d约为7纳米至13纳米。在一些实施例中，感兴趣区域110的直径d约为40纳米至60纳米。在一些实施例中，针状试片102的顶部102a与感兴趣区域110之间的垂直距离h约为50纳米至150纳米。在一些实施例中，针状试片102的垂直高度例如是约5微米至15微米。在一些实施例中，由于衬底104占针状试片102中的最大比例，因此针状试片102的整体特性仍与衬底104的材料最为相关。

请同时参照图1与图2B，接着，进行步骤S20，于针状试片102的暴露表面上形成散热层120，散热层120的热导率大于衬底104的热导率。散热层120例如是涂布于针状试片102的整个暴露表面，也就是涂布于衬底104的侧表面以及组件层106的侧表面的顶表面。在一些实施例中，衬底104例如是硅衬底，其热导率例如是4瓦特·米^-1·开^-1。在一些实施例中，散热层120的热导率约为10瓦特·米^-1·开^-1至2300瓦特·米^-1·开^-1。举例来说，散热层120的材料例如是金属，包括铜、金、铝或银等。在一些实施例中，散热层120的材料应避免与所分析的针状试片102有质量干扰，且挥发电场与针状试片102的表面物质的差距不应过大。在一些实施例中，散热层120的厚度与感兴趣区域110的厚度的比例约为1:1至1:3。在一些实施例中，散热层120位于针状试片102的侧部的厚度例如是20纳米至40纳米。在一些实施例中，散热层120位于针状试片102的顶部的厚度例如是30纳米至60纳米。散热层120例如是对于针状试片102的主要材料(诸如硅)具有良好的附着性。在一些实施例中，散热层120例如是由单一种导体材料构成，但本发明并不以此为限。在一些实施例中，散热层120例如是共形地形成于针状试片102的暴露表面上。在一些实施例中，形成散热层120的方法例如是沉积制程或涂布制程等，其中沉积制程包括物理气相沉积制程、化学气相沉积制程或化学沉积制程等，涂布制程包括旋转涂布制程等。

在一些实施例中，以沉积制程形成散热层120为例，例如是将针状试片102置放于离子束溅镀机台200中，以进行散热层120的沉积。详细地说，离子束溅镀机台200例如是包括第一离子枪202、第二离子枪204、靶材206以及载台208。其中，第一离子枪202与第二离子枪204相对设置，第一离子枪202又可称为上离子枪，第二离子枪204又可称为下离子枪。靶材206为欲形成散热层120的材料，诸如铜、金、铝或银等金属靶材，其配置于第一离子枪202与第二离子枪204之间。载台208用以承载针状试片102并将针状试片102固定于其上，且载台208本身可进行旋转与倾斜。在图2B所示的实施例中，是以示出载台208承载一个针状试片102为例，但本发明并不以此为限。在一些实施例中(未示出)，载台208例如是包括底座与配置于底座上的至少一个次载台，其中次载台(coupon)容置针状试片102。也就是说，载台208所能承载的针状试片102的数量由次载台的数量来决定。在一些实施例中(未示出)，次载台可以包括沟槽，使得一部分的针状试片102位于沟槽中以固定之。

在一些实施例中，首先，将针状试片102固定在载台208上。接着，以针状试片102正对靶材206的方式，使得靶材206的原子206a或团簇(cluster)对针状试片102上进行正向沉积。其中，针状试片102因载台208旋转而旋转。在一些实施例中，载台208的旋转角度例如是介于20rpm至40rpm。而后，在载台208的多个倾斜角度的位置上，以靶材206的原子206a或团簇倾斜于针状试片102的方式，对针状试片102分别进行倾斜角沉积。其中，可通过移动载台208的位置来移动针状试片102。在一些实施例中，以水平轴HA为基准，载台208的倾斜角度α例如是-40度至+40度或-80度至+80度。详细地说，当施加偏压至第一离子枪202与第二离子枪204时，第一离子枪202与第二离子枪204会使离子加速撞击靶材206，使得被打出的原子206a或团簇(cluster)沉积在针状试片102上。在一些实施例中，撞击靶材206的离子束205的电流强度例如是30mA至90mA。在一些实施例中，由于针状试片102会随着载台208而旋转与倾斜，因此散热层120可均匀地形成于针状试片102上，以完整地覆盖针状试片102的暴露表面。虽然在本实施例中是以进行沉积的机台为离子束溅镀机台为例来进行说明，但本发明并不以此为限。在其他实施例中，也可以使用其他可进行沉积制程或涂布制程等的机台。

请参照图2C，而后，得到针状试片100。在一些实施例中，针状试片100包括局部半导体装置，诸如包括纳米等级的鳍状晶体管等。针状试片100包括衬底104、组件层106以及散热层120。组件层106配置于衬底104上，包括感兴趣区域110。散热层120覆盖衬底104与组件层106的暴露表面，且散热层120的热导率大于衬底104的热导率。

在一些实施例中，当针状试片102的表面存在诸如凹陷或空洞等缺陷时，也可以通过前述的离子束溅镀机台200来进行填补，使得针状试片100具有实质上平滑的表面。其中，前述的凹陷或空洞可能来自于移除半导体材料或导体材料的回剥(delayer)制程所致，因此通常需对该处进行间隙填补(gap filling)等制程。此外，在上述的实施例中，都是通过离子束溅镀机台200于针状试片102的表面形成膜层以作为散热层120或空洞填补材料，但在其他实施例中(未示出)，若未于离子束溅镀机台200中放置靶材，则可利用离子束溅镀机台200来对试片102进行表面清洁，也就是说，通过来自于第一离子枪202与第二离子枪204的离子撞击试片102表面以达到清洁目的。

图3是根据本发明一些实施例的针状试片的分析方法的流程图。图4是根据本发明一些实施例的原子探针技术设备的示意图。请参照图3，首先，进行步骤S310，提供针状试片100，其具有前述结构。详细地说，针状试片100来自于半导体装置的一部分，其包括感兴趣区域110。针状试片100用作后续对半导体装置的感兴趣区域110进行测试或表征的试片。

请参照图3，接着，进行步骤S320，对针状试片100进行原子探针技术，以分析感兴趣区域110中的原子组成。在一些实施例中，原子探针技术可以提供感兴趣区域110的原子级的立体图像与化学材料组成。如图4所示，原子探针技术设备400例如是包括激光源410、位置感应检测器(position sensitive detector)420以及处理单元430。首先，以激光源410所产生的激光脉冲410照射针状试片100的顶部。由于针状试片100的顶部被激光脉冲422照射，因此针状试片100中的原子412会一层一层地被移除(诸如剥离)。接着，根据位置感应检测器420与针状试片100之间所产生的电场，被移除原子412会投射至位置感应检测器420上。因此，可以使用对激光提供脉冲的时刻与所述被移除原子412到达感应检测器420的时刻之间的时间来决定原子412(也即离子)的飞行时间(time of flight)，进而确认质荷比(也即m/q)。而后，可使用感应检测器420上所检测原子412的x、y坐标来重建对应于针状试片100的顶部的原子原始位置。其中，处理单元430可以由感应检测器420收集位置数据并通过原子种类来重建针状试片100的顶部的立体图像。

在一些实施例中，针状试片的外层配置有散热层，且散热层的热导率大于针状试片中的主体部分的热导率。由于散热层具有良好的热导率，因此在进行原子探针技术的过程中，能避免热量累积在针状试片的表面，以防止背景噪声的产生，进而大幅提升质谱分辨能力。此外，在一些实施例中，散热层仅由单一材料构成，因此能避免散热层的材料干扰质谱分辨能力或增加质谱分辨的额外负担。再者，在一些实施例中，针状试片的制备方法适用于所有半导体层与导体层的叠层，因此能广泛地用于制备各种半导体装置的试片。另外，在一些实施例中，针状试片的制备方法具有简单的步骤且可利用现有的机台来达成，故针状试片的制备方法具有高产率与低成本的优点。

在一些实施例中，一种针状试片包括衬底、组件层以及散热层。组件层配置于衬底上，包括感兴趣区域。散热层覆盖衬底与组件层的暴露表面，散热层的热导率大于衬底的热导率。

在一些实施例中，一种针状试片的制备方法包括以下步骤。切削部分半导体装置，以形成针状试片，针状试片包括部分衬底与含有感兴趣区域的部分组件层。于针状试片的暴露表面上形成散热层，散热层的热导率大于衬底的热导率。

在一些实施例中，一种针状试片的分析方法包括以下步骤。提供针状试片，其包括衬底、组件层以及散热层，其中组件层配置于衬底上且包括感兴趣区域，散热层覆盖衬底与组件层的暴露表面，以及散热层的热导率大于衬底的热导率。对针状试片进行原子探针技术，以分析感兴趣区域中的原子组成。

以上概述了多个实施例的特征，使本领域技术人员可更佳了解本发明的态样。本领域技术人员应理解，其可轻易地使用本发明作为设计或修改其他工艺与结构的依据，以实行本文所介绍的实施例的相同目的和/或达到相同优点。本领域技术人员还应理解，这种等效的配置并不悖离本发明的精神与范畴，且本领域技术人员在不悖离本发明的精神与范畴的情况下可对本文做出各种改变、置换以及变更。

虽然本发明已以实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的改动与润饰，均在本发明范围内。

Claims (10)

1.一种针状试片，其特征在于，包括：

衬底；

组件层，配置于所述衬底上，包括感兴趣区域；以及

散热层，覆盖所述衬底与所述组件层的暴露表面，所述散热层的热导率大于所述衬底的热导率。

2.根据权利要求1所述的针状试片，其特征在于，其中所述散热层的热导率为10瓦特·米^-1·开^-1至2300瓦特·米^-1·开^-1。

3.根据权利要求1所述的针状试片，其特征在于，其中所述散热层包括铜、金、铝或银。

4.根据权利要求1所述的针状试片，其特征在于，其中所述针状试片的弧形顶部的直径为7纳米至13纳米。

5.根据权利要求1所述的针状试片，其特征在于，其中所述针状试片的顶角为12度至24度。

6.根据权利要求1所述的针状试片，其特征在于，其中所述针状试片的顶部与所述感兴趣区域之间的垂直距离为50纳米至150纳米。

7.一种针状试片的制备方法，其特征在于，包括：

切削部分半导体装置，以形成针状试片，所述针状试片包括部分衬底与含有感兴趣区域的部分组件层；以及

于所述针状试片的暴露表面上形成散热层，所述散热层的热导率大于所述衬底的热导率。

8.根据权利要求7所述的针状试片的制备方法，其特征在于，其中切削部分半导体装置的方法包括使用聚焦离子束法或电化学法。

9.根据权利要求7所述的针状试片的制备方法，其特征在于，其中形成散热层的方法包括沉积制程或涂布制程。

10.一种针状试片的分析方法，其特征在于，包括：

提供针状试片，其包括衬底、组件层以及散热层，其中所述组件层配置于所述衬底上且包括感兴趣区域，所述散热层覆盖所述衬底与所述组件层的暴露表面，以及所述散热层的热导率大于所述衬底的热导率；以及

对所述针状试片进行原子探针技术，以分析所述感兴趣区域中的原子组成。