TWI621840B - 針狀試片、其製備方法以及其分析方法 - Google Patents

Abstract

本發明實施例提供一種針狀試片、其製備方法以及其分析方法。針狀試片包括基底、元件層以及散熱層。元件層配置於基底上，包括感興趣區域。散熱層覆蓋基底與元件層的暴露表面，散熱層的熱導率大於基底的熱導率。

Description

針狀試片、其製備方法以及其分析方法

本發明實施例是有關於一種試片、其製備方法以及其分析方法，且特別是有關於一種針狀試片、其製備方法以及其分析方法。

一般來說，為了分析半導體裝置的材料組成，會使用原子探針技術（atom probe technology）來對由半導體裝置製備的試片進行分析。原子探針技術是利用對包括金屬和半導體等材料的試片進行加熱與提供電場，使得離子由試片表面入射至質譜儀，進而通過測量離子入射所需的時間以及電荷來識別離子種類。目前用以增加質譜解析力的方法具有費時與增加成本的缺點。故，增加質譜解析力仍為本領域待解決的問題。

本發明實施例的一種針狀試片包括基底、元件層以及散熱層。元件層配置於基底上，包括感興趣區域。散熱層覆蓋基底與元件層的暴露表面，散熱層的熱導率大於基底的熱導率。

本發明實施例的一種針狀試片的製備方法包括以下步驟。切削部分半導體裝置，以形成針狀試片，針狀試片包括部分基底與含有感興趣區域的部分元件層。於針狀試片的暴露表面上形成散熱層，散熱層的熱導率大於基底的熱導率。

本發明實施例的一種針狀試片的分析方法包括以下步驟。提供針狀試片，其包括基底、元件層以及散熱層，其中元件層配置於基底上且包括感興趣區域，散熱層覆蓋基底與元件層的暴露表面，以及散熱層的熱導率大於基底的熱導率。對針狀試片進行原子探針技術，以分析感興趣區域中的原子組成。

以下揭露內容提供用於實施所提供的標的之不同特徵的許多不同實施例或實例。以下所描述的構件及配置的具體實例是為了以簡化的方式傳達本揭露為目的。當然，這些僅僅為實例而非用以限制。舉例來說，於以下描述中，在第一特徵上方或在第一特徵上形成第二特徵可包括第二特徵與第一特徵形成為直接接觸的實施例，且亦可包括第二特徵與第一特徵之間可形成有額外特徵使得第二特徵與第一特徵可不直接接觸的實施例。為了簡單及清楚起見，各種特徵可任意地繪示為不同尺寸。此外，本揭露在各種實例中可重複使用裝置符號以及/或字母。裝置符號的重複使用是為了簡單及清楚起見，且並不代表所欲討論的各個實施例及/或配置本身之間的關係。

另外，為了易於描述附圖中所繪示的一個構件或特徵與另一組件或特徵的關係，本文中可使用例如「在。。。下」、「在。。。下方」、「下部」、「在、、、上方」、「上部」及類似術語的空間相對術語。除了附圖中所繪示的定向之外，所述空間相對術語意欲涵蓋裝置在使用或操作時的不同定向。設備可被另外定向（旋轉90度或在其他定向），而本文所用的空間相對術語相應地作出解釋。

圖1是根據本發明一些實施例的針狀試片的製備方法的流程圖。圖2A至圖2C是根據本發明一些實施例的針狀試片的製備方法的流程示意圖。

請同時參照圖1與圖2A，首先，進行步驟S10，切削部分半導體裝置（未繪示），以形成針狀試片102，針狀試片102包括部分基底104與含有感興趣區域110的部分元件層106。在一些實施例中，半導體裝置例如是晶圓，其包括電晶體、電阻器、二極體、光二極體或熔絲元件等。半導體裝置包括基底104以及配置於基底104中或基底104上的元件層106。元件層106包括感興趣區域110。以半導體裝置包括鰭式場效電晶體為例，元件層106可為鰭片、通道、閘極、源極與汲極、介電層等鰭式電晶體的構件，但本發明並不以此為限。在一些實施例中，基底104例如包括塊狀矽、摻雜或未經摻雜矽基底、絕緣層上矽（SOI）基底或藍寶石上矽（SOS）基底。當然，在一些實施例中，基底104也可包括諸如鍺或金剛石等適當元素半導體、諸如碳化矽、氮化鎵、砷化鎵或磷化銦等適當化合物半導體或諸如矽化鍺、矽化銦、砷化鋁鎵或磷砷化鎵等適當合金半導體。一般來說，元件層106包括導體層與介電層。導體層的材料包括金屬、摻雜矽或多晶矽等。介電層的材料包括氧化物或氮化物，諸如氧化矽、氮化矽、氮化鈦、氮化鉭、碳化鈦鋁等。

在一些實施例中，切削半導體裝置的方法包括使用聚焦離子束法（Focused Ion Beam，FIB）、電化學法或任何能產生針狀截面的方法。聚焦離子束法例如是對部分半導體裝置的表層進行局部噴濺聚焦離子束來完成。舉例來說，在離子束切削過程中，通過將以鎵離子為主的聚焦離子束入射至半導體裝置表層，以選擇性地蝕刻半導體裝置。其中，將產生聚焦離子束的室內真空壓力維持在約7微托至10微托左右。如此一來，聚焦離子束可以諸如0度至5度等非常小的角度衝擊半導體裝置表層，以得到針狀試片102。

巨觀來說，進行步驟S10之後的針狀試片102的形狀例如是近似於圓錐體（如圖2A所示）。在一些實施例中，針狀試片102的圓錐體頂角θ約為12度至24度。然而，微觀來看，針狀試片102實質上為具有弧形頂部102a的圓錐體。在一些實施例中，弧形頂部102a例如是半球形頂部。在一些實施例中，針狀試片102的弧形頂部102a的直徑d約為7奈米至13奈米。在一些實施例中，感興趣區域110的直徑d約為40奈米至60奈米。在一些實施例中，針狀試片102的頂部102a與感興趣區域110之間的垂直距離h約為50奈米至150奈米。在一些實施例中，針狀試片102的垂直高度例如是約5微米至15微米。在一些實施例中，由於基底104佔針狀試片102中的最大比例，因此針狀試片102的整體特性仍與基底104的材料最為相關。

請同時參照圖1與圖2B，接著，進行步驟S20，於針狀試片102的暴露表面上形成散熱層120，散熱層120的熱導率大於基底104的熱導率。散熱層120例如是塗佈於針狀試片102的整個暴露表面，也就是塗佈於基底104的側表面以及元件層106的側表面的頂表面。在一些實施例中，基底104例如是矽基底，其熱導率例如是4瓦特·米 ^-1·開 ^-1。在一些實施例中，散熱層120的熱導率約為10瓦特·米 ^-1·開 ^-1至2300瓦特·米 ^-1·開 ^-1。舉例來說，散熱層120的材料例如是金屬，包括銅、金、鋁或銀等。在一些實施例中，散熱層120的材料應避免與所分析的針狀試片102有質量干擾，且揮發電場與針狀試片102的表面物質的差距不應過大。在一些實施例中，散熱層120的厚度與感興趣區域110的厚度的比例約為1:1至1:3。在一些實施例中，散熱層120位於針狀試片102的側部的厚度例如是20奈米至40奈米。在一些實施例中，散熱層120位於針狀試片102的頂部的厚度例如是30奈米至60奈米。散熱層120例如是對於針狀試片102的主要材料（諸如矽）具有良好的附著性。在一些實施例中，散熱層120例如是由單一種導體材料構成，但本發明並不以此為限。在一些實施例中，散熱層120例如是共形地形成於針狀試片102的暴露表面上。在一些實施例中，形成散熱層120的方法例如是沉積製程或塗佈製程等，其中沉積製程包括物理氣相沉積製程、化學氣相沉積製程或化學沉積製程等，塗佈製程包括旋轉塗佈製程等。

在一些實施例中，以沉積製程形成散熱層120為例，例如是將針狀試片102置放於離子束濺鍍機台200中，以進行散熱層120的沉積。詳細地說，離子束濺鍍機台200例如是包括第一離子槍202、第二離子槍204、靶材206以及載台208。其中，第一離子槍202與第二離子槍204相對設置，第一離子槍202又可稱為上離子槍，第二離子槍204又可稱為下離子槍。靶材206為欲形成散熱層120的材料，諸如銅、金、鋁或銀等金屬靶材，其配置於第一離子槍202與第二離子槍204之間。載台208用以承載針狀試片102並將針狀試片102固定於其上，且載台208本身可進行旋轉與傾斜。在圖2B所示的實施例中，是以繪示載台208承載一個針狀試片102為例，但本發明並不以此為限。在一些實施例中（未繪示），載台208例如是包括底座與配置於底座上的至少一個次載台，其中次載台（coupon）容置針狀試片102。也就是說，載台208所能承載的針狀試片102的數量由次載台的數量來決定。在一些實施例中（未繪示），次載台可以包括溝槽，使得一部分的針狀試片102位於溝槽中以固定之。

在一些實施例中，首先，將針狀試片102固定在載台208上。接著，以針狀試片102正對靶材206的方式，使得靶材206的原子206a或團簇（cluster）對針狀試片102上進行正向沉積。其中，針狀試片102因載台208旋轉而旋轉。在一些實施例中，載台208的旋轉角度例如是介於20rpm至40rpm。而後，在載台208的多個傾斜角度的位置上，以靶材206的原子206a或團簇傾斜於針狀試片102的方式，對針狀試片102分別進行傾斜角沉積。其中，可通過移動載台208的位置來移動針狀試片102。在一些實施例中，以水平軸HA為基準，載台208的傾斜角度α例如是-40度至+40度或-80度至+80度。詳細地說，當施加偏壓至第一離子槍202與第二離子槍204時，第一離子槍202與第二離子槍204會使離子加速撞擊靶材206，使得被打出的原子206a或團簇（cluster）沉積在針狀試片102上。在一些實施例中，撞擊靶材206的離子束205的電流強度例如是30mA至90mA。在一些實施例中，由於針狀試片102會隨著載台208而旋轉與傾斜，因此散熱層120可均勻地形成於針狀試片102上，以完整地覆蓋針狀試片102的暴露表面。雖然在本實施例中是以進行沉積的機台為離子束濺鍍機台為例來進行說明，但本發明並不以此為限。在其他實施例中，也可以使用其他可進行沉積製程或塗佈製程等的機台。

請參照圖2C，而後，得到針狀試片100。在一些實施例中，針狀試片100包括局部半導體裝置，諸如包括奈米等級的鰭狀電晶體等。針狀試片100包括基底104、元件層106以及散熱層120。元件層106配置於基底104上，包括感興趣區域110。散熱層120覆蓋基底104與元件層106的暴露表面，且散熱層120的熱導率大於基底104的熱導率。

在一些實施例中，當針狀試片102的表面存在諸如凹陷或空洞等缺陷時，亦可以通過前述的離子束濺鍍機台200來進行填補，使得針狀試片100具有實質上平滑的表面。其中，前述的凹陷或空洞可能來自於移除半導體材料或導體材料的回剝（delayer）製程所致，因此通常需對該處進行間隙填補（gap filling）等製程。此外，在上述的實施例中，都是通過離子束濺鍍機台200於針狀試片102的表面形成膜層以作為散熱層120或空洞填補材料，但在其他實施例中（未繪示），若未於離子束濺鍍機台200中放置靶材，則可利用離子束濺鍍機台200來對試片102進行表面清潔，也就是說，通過來自於第一離子槍202與第二離子槍204的離子撞擊試片102表面以達到清潔目的。

圖3是根據本發明一些實施例的針狀試片的分析方法的流程圖。圖4是根據本發明一些實施例的原子探針技術設備的示意圖。請參照圖3，首先，進行步驟S310，提供針狀試片100，其具有前述結構。詳細地說，針狀試片100來自於半導體裝置的一部分，其包括感興趣區域110。針狀試片100用作後續對半導體裝置的感興趣區域110進行測試或表徵的試片。

請參照圖3，接著，進行步驟S320，對針狀試片100進行原子探針技術，以分析感興趣區域110中的原子組成。在一些實施例中，原子探針技術可以提供感興趣區域110的原子級的立體影像與化學材料組成。如圖4所示，原子探針技術設備400例如是包括雷射源410、位置感應偵測器（position sensitive detector）420以及處理單元430。首先，以雷射源410所產生的雷射脈衝422照射針狀試片100的頂部。由於針狀試片100的頂部被雷射脈衝410照射，因此針狀試片100中的原子412會一層一層地被移除（諸如剝離）。接著，根據位置感應偵測器420與針狀試片100之間所產生的電場，被移除原子412會投射至位置感應偵測器420上。因此，可以使用對雷射提供脈衝的時刻與所述被移除原子412到達感應偵測器420的時刻之間的時間來決定原子412（亦即離子）的飛行時間（time of flight），進而確認質荷比（亦即m/q）。而後，可使用感應偵測器420上所偵測原子412的x、y座標來重建對應於針狀試片100的頂部的原子原始位置。其中，處理單元430可以由感應偵測器420收集位置資料並通過原子種類來重建針狀試片100的頂部的立體影像。

在一些實施例中，針狀試片的外層配置有散熱層，且散熱層的熱導率大於針狀試片中的主體部分的熱導率。由於散熱層具有良好的熱導率，因此在進行原子探針技術的過程中，能避免熱量累積在針狀試片的表面，以防止背景雜訊的產生，進而大幅提升質譜解析能力。此外，在一些實施例中，散熱層僅由單一材料構成，因此能避免散熱層的材料干擾質譜解析能力或增加質譜解析的額外負擔。再者，在一些實施例中，針狀試片的製備方法適用於所有半導體層與導體層的堆疊層，因此能廣泛地用於製備各種半導體裝置的試片。另外，在一些實施例中，針狀試片的製備方法具有簡單的步驟且可利用現有的機台來達成，故針狀試片的製備方法具有高產率與低成本的優點。

在一些實施例中，一種針狀試片包括基底、元件層以及散熱層。元件層配置於基底上，包括感興趣區域。散熱層覆蓋基底與元件層的暴露表面，散熱層的熱導率大於基底的熱導率。

在一些實施例中，一種針狀試片的製備方法包括以下步驟。切削部分半導體裝置，以形成針狀試片，針狀試片包括部分基底與含有感興趣區域的部分元件層。於針狀試片的暴露表面上形成散熱層，散熱層的熱導率大於基底的熱導率。

在一些實施例中，一種針狀試片的分析方法包括以下步驟。提供針狀試片，其包括基底、元件層以及散熱層，其中元件層配置於基底上且包括感興趣區域，散熱層覆蓋基底與元件層的暴露表面，以及散熱層的熱導率大於基底的熱導率。對針狀試片進行原子探針技術，以分析感興趣區域中的原子組成。

以上概述了多個實施例的特徵，使本領域具有通常知識者可更佳了解本揭露的態樣。本領域具有通常知識者應理解，其可輕易地使用本揭露作為設計或修改其他製程與結構的依據，以實施本文所介紹的實施例的相同目的及/或達到相同優點。本領域具有通常知識者還應理解，這種等效的配置並不悖離本揭露的精神與範疇，且本領域具有通常知識者在不悖離本揭露的精神與範疇的情況下可對本文做出各種改變、置換以及變更。

100、102‧‧‧針狀試片
102a‧‧‧頂部
104‧‧‧基底
106‧‧‧元件層
110‧‧‧感興趣區域
120‧‧‧散熱層
200‧‧‧離子束濺鍍機台
202‧‧‧第一離子槍
204‧‧‧第二離子槍
205‧‧‧離子束
206‧‧‧靶材
206a、412‧‧‧原子
208‧‧‧載台
400‧‧‧原子探針技術設備
410‧‧‧雷射源
420‧‧‧位置感應偵測器
422‧‧‧雷射脈衝
430‧‧‧處理單元
S10、S20、S310、S320‧‧‧步驟
HA‧‧‧水平軸
d‧‧‧直徑
h‧‧‧距離
α‧‧‧角度
θ‧‧‧頂角

圖1是根據本發明一些實施例的針狀試片的製備方法的流程圖。 圖2A至圖2C是根據本發明一些實施例的針狀試片的製備方法的流程示意圖。 圖3是根據本發明一些實施例的針狀試片的分析方法的流程圖。 圖4是根據本發明一些實施例的原子探針技術設備的示意圖。

Claims (10)

1. 一種針狀試片，包括：基底；元件層，配置於所述基底上，包括感興趣區域與覆蓋於所述感興趣區域上的膜層；以及散熱層，覆蓋所述基底的側表面與所述元件層的側表面與頂表面，所述散熱層的熱導率大於所述基底的熱導率。
2. 如申請專利範圍第1項所述的針狀試片，其中所述散熱層的熱導率約為10瓦特．米^-1．開^-1至2300瓦特．米^-1．開^-1。
3. 如申請專利範圍第1項所述的針狀試片，其中所述散熱層包括銅、金、鋁或銀。
4. 如申請專利範圍第1項所述的針狀試片，其中所述針狀試片的弧形頂部的直徑約為7奈米至13奈米。
5. 如申請專利範圍第1項所述的針狀試片，其中所述針狀試片的頂角約為12度至24度。
6. 如申請專利範圍第1項所述的針狀試片，其中所述針狀試片的頂部與所述感興趣區域之間的垂直距離約為50奈米至150奈米。
7. 一種針狀試片的製備方法，包括：切削部分半導體裝置，以形成針狀試片，所述針狀試片包括部分基底與含有感興趣區域的部分元件層；以及於所述針狀試片的暴露表面上形成散熱層，所述散熱層的熱導率大於所述基底的熱導率。
8. 如申請專利範圍第7項所述的針狀試片的製備方法，其 中切削部分半導體裝置的方法包括使用聚焦離子束法或電化學法。
9. 如申請專利範圍第7項所述的針狀試片的製備方法，其中形成散熱層的方法包括沉積製程或塗佈製程。
10. 一種針狀試片的分析方法，包括：提供如申請專利範圍第7項所述的方法所製備的針狀試片；以及對所述針狀試片進行原子探針技術，以分析所述感興趣區域中的原子組成。