TWI719666B - 在半導體物件上移動結構的方法及檢驗半導體物件的檢驗裝置 - Google Patents

在半導體物件上移動結構的方法及檢驗半導體物件的檢驗裝置 Download PDF

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Abstract

本發明揭露一種用於在半導體物件(180、410)上移動結構(220)的方法，該方法包含提供一聚焦帶電粒子束裝置(250)；提供一半導體物件(180、410)，其包含一基材(210)、一表面、及一結構(220)。然後，該方法繼續在該結構(220)上定義一選定待處理區域(225)，並在該基材(210)中定義一改性區域(230)，其中該改性區域(230)與該選定待處理區域(225)不同，且最後在該改性區域(230)中採用該聚焦帶電粒子束裝置(250)修飾該基材(210)，以移動該結構(220)。此外，本發明揭露一種憑藉如前所概述方法以檢驗半導體物件(180、410)的檢驗裝置，該檢驗裝置包含：
●一聚焦帶電粒子束裝置(250)
●一半導體物件托座，其在一半導體物件台上
●一測量裝置
●一電子控制系統，其用於該帶電粒子束裝置(250)

Description

在半導體物件上移動結構的方法及檢驗半導體物件的 檢驗裝置
隨著持續性積體電路微型化，使用波長通常為193nm的深紫外光(deep ultraviolet，DUV)輻射的光微影製程時常無法滿足需求。為了支援進一步微型化，需要波長大小比DUV輻射短的輻射。光微影製程之開發者已轉向極紫外光(extreme ultraviolet，EUV)輻射。舉例來說，EUV光微影可利用波長為13.5nm的輻射。一般13.5nm輻射源包括一生成輻射的電漿(如一雷射引發電漿)。
光微影光罩必須在很大程度上無誤差，因為該光罩中的誤差將在每次曝光時皆在每片晶圓上再現。在光微影光罩中，重要的是，該光微影光罩上吸收體結構之圖案元件將半導體裝置之設計所指定結構元件精確映射到該晶圓上的光阻中。該光阻中吸收體圖案所產生該等結構元件之額定大小稱為關鍵尺寸(critical dimension，CD)。此大小及其變化例(關鍵尺寸均勻度(critical dimension uniformity，CDU))為光微影光罩品質的一些主要參數。
該光罩上的該等圖案透過在EUV輻射範圍之工作波長中為完全反射系統的微影透鏡系統轉印到該晶圓上。然後，在該晶圓上，感光 性光阻劑暴露於該光罩之影像。該等最後所暴露晶圓含有也需要完全無誤差以保證該微晶片之正常運作的許多微晶片。該等晶片上的電子結構包含數種建構模塊，其範圍從稠密與半稠密線和間隔、接觸孔上方的隔離線(isolated line)到類似金屬氧化半導體場效電晶體(MOSFET)或特定鰭狀場效電晶體(FinFET)結構等的完整電晶體結構。
隨著該等結構之封裝密度不斷提升，其各自大小(CD)和距離減小。再者，該等結構在其垂直堆疊大小上之複雜度也提高導致許多層彼此疊置。這導致帶有顯示深寬比(aspect ratio)不斷提高的剖面的結構，其中深寬比可定義為結構之寬度(如該CD)與該結構之高度之比率。
若在該微影製程中某個階段偵測到該等結構之一者的誤差，則重要的是詳細分析此瑕疵結構以找出改進該生產製程的方法。此外，隨著結構大小減小，該結構寬度的隨機變化例越來越重要。這些隨機變化例可例如視為結構之該等側壁的厚度和粗糙度變化。若僅討論結構之一側面，這稱為線邊緣粗糙度(line edge roughness，LER)；或若討論該結構寬度，則稱為線寬粗糙度(line width roughness，LWR)。
結合不斷提高的封裝密度及不斷提高的深寬比，使得有必要得到該完整表面之資訊，而非僅僅該等線邊緣。對於高深寬比結構，僅在該頂部或在某個剖面測量該粗糙度時常不夠，因為該粗糙度會從頂部到底部及隨著該側向位置變化。然而，該等結構之該等側壁對於可獲取區域表面資訊的測量裝置來說時常是無法取得。
通常垂直條結構隔開20nm或甚至更小，但具有例如100nm之高度。目前沒有方法可得到該等垂直側壁之定量區域粗糙度資訊。目前，測量該粗糙度的方法只有從該頂部進行掃描式電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)成像、透過聚焦離子束進行剖面之SEM成像、進行穿透式電子顯微鏡(transmission electron microscope，TEM)製備。該第一方法可區分選定結構，但只能得出來自該結構之頂部的資訊。TEM製備的缺點為 非常耗時且切片定位不精確。SEM和TEM成像皆僅提供一維LER與LWR值。這兩方法皆很可能忽略很少發生的該側面尖峰等特徵。到目前為止，任何方法皆無法選擇要研究的某個結構，然後完全暴露此表面以進行完整二維表面分析。
可想到的另一方法為採用聚焦離子束，將該等相鄰鰭片切掉。此處的問題在於要研究的表面由於材料重新沉積而受到污染。覆蓋該等選定待處理結構的保護塗層可在進行該聚焦離子束(focused ion beam，FIB)切割之前施加，並在切割之後選擇性蝕刻該塗層。然而，此保護塗層不會進入10nm及更小之小間隙。再者，以nm精確度停止於正確結構而不會損傷該表面的FIB切割，無法受到足夠良好控制。
因此，本發明之目的為提供一種先前對測量裝置來說無法取得半導體物件之結構各部分而不會污染測量結果之方法。
此目的透過在半導體物件上移動結構解決，包含以下步驟：
●提供一聚焦帶電粒子束裝置
●提供一半導體物件，其包含一基材、一表面、及一結構
●在該結構上定義一選定待處理區域
●在該基材中定義一改性區域，其中該改性區域與該選定待處理區域不同
●在該改性區域中採用該聚焦帶電粒子束裝置修飾該基材，以移動該結構。
內在的半導體物件理解為在所有曝光皆完成之後或在中間步驟用於光學微影的光罩、奈米壓印光罩、所暴露晶圓、以及這些元件之各部分。
該半導體物件包含一基材。此基材具有表面，且此表面上配 置一些結構。在微影光罩之情況下，該基材可為玻璃基材，且該等結構可為意欲成像到該晶圓上的鉻膜圖案(chrome feature)。在晶圓之情況下，該基材可為結晶矽、鍺、氮化鎵、砷化鎵、矽鍺等半導體或任何其他半導體材料。該半導體物件之表面理解為包括任何粗糙度和變化例的材料之實際表面。應與基準表面平面區別。此基準表面平面視為可以數學用語說明該表面的理想平面。這可為最適合該半導體物件之實際表面之區域的平面。儘管在大多數情況下，平面將用作該基準表面，但也可能使用彎曲表面作為基準表面，例如考慮任何應力或嵌裝影響。
通常，該等結構配置在該基材上方。許多等同結構可彼此緊鄰設置。在這些結構之一或多個上定義選定待處理區域(region of interest，ROI)。此選定待處理區域可為線之側壁之一部分、FinFET之鰭片之整個側面、或某個其他區域。
本發明人已意識到，可憑藉使用聚焦帶電粒子束移動此選定待處理區域，而不會污染該ROI。數種裝置可用於產生聚焦帶電粒子。特別是，這可為如電子顯微鏡所產生電子束或可為聚焦離子束(FIB)。
事實上，此射束用作奈米操縱器裝置。其他這樣的使用不同工作機制在該半導體物件之基材上移動該結構的裝置也可擬出。
在該方法之下一步驟中，在該基材中定義改性區域。這用作該聚焦帶電粒子束的目標。重要的是，該選定待處理區域與該改性區域彼此不同。這具有可避免污染該ROI的優勢。因此，透過將該聚焦帶電粒子束裝置導向該半導體物件之基材內的改性區域上，移動帶有該選定待處理區域的結構。具優勢的是，若該改性區域與該ROI相距足夠遠以致於不會污染該區域，同時仍然足夠實行該結構之動作。該等特定距離將依該基材之材料、該結構之大小、及其他參數而定。
在本發明之另一態樣中，氣體場離子顯微鏡用作聚焦帶電粒子束裝置。
在本發明之另一態樣中，用於形成氣體離子的氣體包含一惰性氣體，亦即氦氣、氖氣、氬氣、氪氣、或氙氣之一。
在本發明之另一態樣中，電子槍或金屬離子槍之一是用作該聚焦帶電粒子束裝置。這些類型的聚焦帶電粒子束裝置普遍已知。電子槍在https：//en.wikipedia.org/wiki/Transmission_electron_microscopy#/media/File：Electron-gun.svg中說明，且是在EP 0 091 777 A2中說明的金屬離子槍。
該等氣體離子是被導向該基材中的改性區域。在該基材中，該等離子結合周圍電子形成電中性氣體原子。這些氣體原子累積在該基材中的改性區域內。該改性區域沒有明確邊界，用作該等氣體離子的目標區域。然後，該等氣體離子在該基材內形成一或多個氣泡。這些氣泡集中於該改性區域周圍。
在本發明之另一態樣中，提供測量該結構之性質的測量裝置。憑藉此測量裝置，可研究該選定待處理區域。廣泛多種測量裝置已知。測量裝置可包含一光學顯微鏡、一電子顯微鏡、一質譜儀、一掃描式探針顯微鏡(scanning probe microscope，SPM)。也可並行或順序結合數種測量裝置。該結構之ROI中的粗糙度值通常為1nm以下的尺度，側壁之現有雜訊程度約為100pm(皮米)。因此，可支援能解析這些特徵的解析度的測量裝置較佳。現有SPM系統可達成20pm之範圍內的雜訊程度。因此，使用SPM尤其具優勢。
掃描式探針顯微鏡採用探針掃描樣品或其表面，並藉此提供用於生成該樣品表面形貌(topography)之表示法的測量資料。依探針之測量尖端與該樣品表面之間的交互作用之類型而定，對比各種SPM類型。經常，使用其中電壓施加於彼此未接觸的樣品與測量尖端之間的掃描穿隧顯微鏡(scanning tunneling microscope，STM)，並測量所得到的隧道電流。
在掃描力顯微鏡(scanning force microscope，SFM)或原子力 顯微鏡(atomic force microscope，AFM)之情況下，該測量尖端藉由該樣品表面之原子力偏轉。該力/距離關係通常透過李納瓊斯位勢(Lennard-Jones potential)說明。該測量尖端之偏轉大致與作用於測量尖端與該樣品表面之間的作用力成正比。透過在掃描期間保持此力恆定，可記錄該表面形貌。
除了這些常見SPM類型以外，有眾多用於具體應用領域的進一步裝置類型和操作模式，例如磁力顯微鏡或近場掃描光學與聲學顯微鏡。
一般SPM類型可能難以分析樣品上具有高深寬比(即結構之深度或高度與其最小側向範圍之高商數比)的結構。基於此原因，標準SPM只能在限制範圍內成像深溝槽和陡峭側面。此處的限制影響為SPM探針之測量尖端之有限半徑，特別是其錐角。
在本發明之另一態樣中，該方法包含移動該結構，其中該結構包含無法由該測量裝置取得的至少一側面及至少部分位於此側面上的一選定待處理區域，其中該測量裝置可取得該選定待處理區域，且隨後在該選定待處理區域之至少一部分中測量該結構之性質。
多種性質可經測量。特別重要的是，該線邊緣粗糙度(LER)和該線寬粗糙度(LWR)以及區域表面粗糙度參數。這些區域表面參數變得越來越重要。ISO 25178規範定義數種參數。相較於該等單個參數LER和LWR，區域表面參數能夠更詳細說明該表面形貌。也可設想以區域基線展開式(expansion)使表面參數化。該等實際基線函數將依該表面之形狀而定。一維函數的已習知範例為勒讓得多項式(Legendre-polynomials)、赫米特多項式(Hermite polynomials)、或其他。這些很容易即可推廣到表面之二維(2-D)情況。單位圓上函數型基底的範例為例如澤尼克多項式(Zernike polynomials)。再者，可測量類似導電性、功函數、或某種程度上的黏度等其他性質。
在本發明之另一態樣中，本發明人意識到，為將該結構上的 選定待處理區域暴露於AFM或SPM之測量尖端，應使該結構傾斜角度β。由於該測量尖端可接近該側壁，因此應使其至少傾斜45°之角度、最好是60°之角度、更好是90°之角度。
或者，要研究的特徵可僅垂直抬升。在這種情況下，例如採用球形AFM尖端的特殊側壁掃描流程將較佳。由於該沉積製程之本質，結合該結構之抬升和傾斜也可能。
在本發明之另一態樣中，該半導體物件之基材包含一結晶材料。一般結晶材料包含矽、鍺、金剛石(diamond)、反應燒結碳化矽(SiSiC)、氮化鎵(GaN)、矽鍺(SiGe)、砷化鎵(GaAs)之一。不受理論約束，認為該等氣體原子在晶格中累積和增長產生充滿氣體的氣泡。這些氣泡位於該基材之改性區域中。儘管該方法用於在半導體物件上移動結構，但在結晶材料中沉積氣泡可在概念上也用於其他領域(如礦物學)。
在本發明之另一態樣中，在該基材之改性區域中沉積該聚焦帶電粒子束裝置之該等粒子，藉此造成該至少該改性區域之體積變化。在該改性區域中的此體積變化在該基材中導致機械應力。然後，該基材之材料透過變形對這些應力作出反應。特別是，可發生該基材表面上的改變。這進而導致在該半導體物件之基材表面上移動帶有該ROI的結構。
在一些實例中，在對該測量裝置來說將可取得的表面上移動帶有該ROI的結構即足夠。因此，至少該改性區域之體積永久變化將可接受。在其他情況下，至少該改性區域之體積變化可為可逆。因此，該等氣泡可例如透過擴散製程從該半導體物件之基材去除。
因此，本發明有一態樣，其中該基材之至少該改性區域之體積變化為體積增加。相較於該基材之基準表面平面，此體積增加在該基材中導致凸出或膨脹。
在本發明之另一態樣中，該基材之至少該改性區域之體積變化為體積減少。特別是，使用聚焦電子裝置時，可實行在該改性區域中的 基材密實性。相較於該基材之基準表面平面，此密實性在該基材中導致凹陷。在該基材之至少該改性區域中造成凹陷，將造成緊鄰該改性區域的該等結構向內傾斜到該改性區域。在該基材之至少該改性區域中的體積增加之情況下，將造成緊鄰該改性區域的該等結構傾斜遠離該改性區域。
本發明人意識到，重要的是控制該等結構、特別是帶有該測量裝置無法取得的ROI之結構的移動。數種參數可用於控制該ROI在該基材上方之該結構上的動作。
在本發明之一態樣中，該帶電粒子束在帶電粒子之方向與該基材之基準表面平面之間形成角度α。控制此角度允許該改性區域之不同位置。由於該等帶電粒子穿透一定距離到該材料中，因此改變該角度α允許將該改性區域定位於帶有該ROI的結構下方。控制體積變化及因此進而帶有該ROI的結構之動作的另一參數係為了改變該帶電粒子之穿透深度。這可透過改變該等帶電粒子之平均能量達成。通常，這透過該聚焦帶電粒子束裝置之加速電壓控制。
在本發明之另一態樣中，控制該聚焦帶電粒子束在該改性區域中之留置時間。在特定改性區域中的留置時間越長，越多帶電粒子可累積在該改性區域中。因此，對於電子束，該密實性隨著留置時間延長而增加。這進而導致帶有該ROI的結構傾斜更大。在沉積氣泡之情況下，留置時間延長導致更大沉積氣體量。這進而導致更大的氣泡及該基材之至少該改性區域之更大體積變化。這將使帶有該ROI的結構形成更大的傾斜。
在本發明之另一態樣中，帶有該ROI的結構之動作透過在該半導體物件之表面上設定該聚焦帶電粒子束之光點大小而受控制。透過設定該光點大小，可影響較大或較小的改性區域。如此，該改性區域在該半導體物件之基材內形成立體像素(voxel)。此立體像素之大小對應於該聚焦帶電粒子束之光點大小。在本發明之另一態樣中，這些立體像素中的一個以上立體像素可設置在該半導體裝置之基材中。這與在該基材中定義數種 改性區域相同。然後，這些改性區域或立體像素可以圖案設置，以影響帶有該ROI的結構之更複雜的動作，或影響帶有一個以上的選定待處理區域的一個以上的結構。或者，這些立體像素可結合以形成細長或彎曲的改性區域。
在本發明之另一態樣中，切割該半導體物件以引導該結構之動作。關係切割之技術從古典力學已習知。溝槽可切割到該半導體物件之基材表面中。這些可用於引導該改性區域之體積變化所引致的動作。依該方向而定，這些切割可用於增強或減弱該動作。若聚焦氣體離子束裝置用作聚焦帶電粒子束裝置，則這也可用於形成該等切割。在另一態樣中，一種氣體(如氦離子)用於在該基材中沉積氣體，且第二種氣體(如氖離子)用於在該基材中形成該等引導切割。
在本發明之另一態樣中，該聚焦帶電粒子束裝置用於記錄該半導體物件之影像，同時對該基材進行改性。這具有在該基材之改性區域內沉積該等帶電粒子期間可控制該帶電粒子束之正確定位的優勢，因此確定即將傾斜的結構上的ROI未受到污染亦或直接影響。
在本發明之另一態樣中，本發明人意識到，材料之沉積與基材之去除之間的迭代(iteration)可有必要。然後，該聚焦帶電粒子束用於去除該基材所增加體積之至少部分。通常，任何氣泡之沉積皆將在穿透深度內發生。因此，該等氣泡將位於該基材中的一定距離。此距離可為100nm或更大。將去除的材料將從該基材所變形表面去除。因此，其將會是該半導體物件之原始基材之材料。
在本發明之另一態樣中，用於該體積去除的該等粒子與用於該改性區域之體積增加的該等粒子不同。
在本發明之另一態樣中，順序執行增加該改性區域之體積及/或去除所增加體積之各部分之多重步驟。
該等以上方法可憑藉用於檢驗半導體物件的檢驗裝置執 行。此檢驗裝置需要一聚焦帶電粒子束裝置、一在半導體物件台上的半導體物件托座、一測量裝置、及一用於該帶電粒子束裝置的電子控制系統。
作為測量裝置，一掃描式探針顯微鏡、特別是原子力顯微鏡較佳。
若一個以上的改性區域或立體像素需要在該半導體物件之基材內被改性，則該聚焦帶電粒子束需要在該半導體物件之表面上方掃描。為達成此點，該檢驗包含一用於掃描該帶電粒子束裝置的掃描裝置。
為達成附加定位能力，樣品台和樣品托座可側向及/或垂直移動。此外，該樣品台和該樣品托座之傾斜能力也較佳。由於在本發明之適格性中該樣品始終為半導體物件，因此該等用語半導體物件和樣品同義。
在另一態樣中，該檢驗裝置包含一成像單元，其連接到用於產生該基材表面之影像的聚焦帶電粒子束裝置；及/或一測量收集單元，其連接到該測量裝置。
100:氣體場離子顯微鏡
110:氣體源
120:氣體場離子源
130:離子光學元件
140:樣品操縱器
150:正面側偵測器
160:背面側偵測器
170:電子控制系統
172a-172f:通訊線
180、410:樣品、半導體物件
181、215、415:半導體物件之表面
182:氣體
186:氣體場離子顯微鏡之導電尖端
187:氣體場離子顯微鏡之尖端頂點
188:抑制器
190:萃取器
192:離子束
194:粒子
210:半導體物件之基材
216:基準表面平面
220:半導體物件之結構
225:選定待處理區域
230:改性區域
240:測量裝置
250:聚焦帶電粒子束裝置
290:帶電粒子束
400:原子力顯微鏡
420:原子力顯微鏡(AFM)之掃描裝置
425:樣品台、半導體物件台
430:AFM之測量尖端
440:AFM之懸臂
450:配件單元
455:探針
460:雷射系統
465:雷射束
470:光偵測器
480:AFM之控制裝置
482:AFM之第二連接
484:AFM之供應線
490:第二雷射系統
495:雷射束
圖1示意性例示氣體聚焦離子束系統。
圖2示意性例示在氣體聚焦離子束系統中形成氣體離子。
圖3a示意性例示開始該方法時之本發明的方法。該測量裝置是無法取得該ROI。
圖3b示意性例示已移動該結構上的選定待處理區域並已使得該測量裝置可取得該選定待處理區域時之本發明的方法。
圖4示意性例示原子力顯微鏡。
離子可生成和用於顯微鏡系統中的樣品成像及其他應用。使用氣體場離子源產生可用於樣品分析(如成像)的離子的顯微鏡系統指稱為 氣體場離子顯微鏡。氣體場離子源為包括一導電尖端(通常具有帶有10或更多個原子的頂點)的裝置，其可用於游離中性氣體物質，以透過將該等中性氣體物質帶到該導電尖端附近(如在約4至5埃之距離內)，同時對該導電尖端之頂點施加高正電位(如相對於該萃取器的1kV或更高(參見以下討論))產生離子(如形式為離子束)。
圖1顯示氣體場離子顯微鏡系統100之示意圖，其包括一氣體源110、一氣體場離子源120、離子光學元件130、一樣品操縱器140、一正面側偵測器150、一背面側偵測器160、及一電子控制系統170(如一電子處理器，例如一電腦)，其透過通訊線172a-172f電連接到系統100之各種組件。樣品180定位於離子光學元件130與偵測器150、160之間的樣品操縱器140中或其上。在使用期間，離子束192穿越離子光學元件130引導到樣品180之表面181，且離子束192與樣品180之交互作用所導致的粒子194透過偵測器150及/或160測量。
一般來說，所需為透過排空該系統減少系統100中存在某些非所需化學物質。通常，系統100之不同組件維持在不同背景壓力。舉例來說，氣體場離子源120可維持約10-10Torr(托)之壓力。將氣體引用氣體場離子源120時，該背景壓力上升至約10-5Torr。離子光學元件130在將氣體引用氣體場離子源120之前，維持約10-8Torr之背景壓力。將氣體引用時，離子光學元件130中的背景壓力通常增加至約10-7Torr。
樣品180定位於通常維持約10-6Torr之背景壓力的腔室內。此壓力由於氣體場離子源120中存在或不存在氣體而不會顯著變化。
如圖2所示，氣體源110構成向氣體場離子源120供應一或多種氣體182。如以下更詳細所說明，氣體源110可構成以多種純度、流速、壓力、及溫度供應該(等)氣體。一般來說，氣體源110所供應該等氣體中至少一者為惰性氣體(氦(He)、氖(Ne)、氬(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe))，且該惰性氣體之離子所需為離子束192中的主要組成物。一般來說，如在樣品180之 表面181所測量，離子束192中的離子之電流隨著系統100中的惰性氣體之壓力增加而單調增加。在某些具體實施例中，這種關係可透過冪次定律(power law)說明，其中對於惰性氣體壓力之一定範圍，該電流一般來說與氣體壓力成比例增加。在操作期間，該惰性氣體之壓力鄰近該尖端頂點通常為10-2Torr或更低(如10-3Torr或更低、10-4Torr或更低)及/或10-7Torr或更高(如10-6Torr或更高、10-5Torr或更高)(參見以下討論)。一般來說，所需為使用相對較高純度氣體(如為了減少該系統中存在非所需化學物質)。作為範例，使用He時，該He之純度可為至少99.99%(如純度為99.995%、純度為99.999%、純度為99.9995%、純度為99.9999%)。同樣地，使用其他惰性氣體(Ne氣、Ar氣、Kr氣、Xe氣)時，該等氣體之純度所需為高純度商用品級。
視需要，除了該(等)惰性氣體以外，氣體源110可供應一或多種氣體。如以下更詳細所討論，這樣的氣體之範例為氮氣。通常，儘管該(等)附加氣體可以高於該(等)惰性氣體中的不純度的程度存在，但該(等)附加氣體仍構成氣體源110所引用整體氣體混合物之少數組成部分。作為範例，在He氣和Ne氣透過氣體源110引用氣體場離子源120的具體實施例中，該整體氣體混合物可包括20%或更少(如15%或更少、12%或更少)Ne，及/或1%或更多(如3%或更多、8%或更多)Ne。舉例來說，在氣體源110引用He氣和Ne氣的具體實施例中，該整體氣體混合物可包括5%至15%(如8%至12%、9%至11%)Ne。舉另一例說明，在He氣和氮氣透過氣體源110引用的具體實施例中，該整體氣體混合物可包括1%或更少(如0.5%或更少、0.1%或更少)氮，及/或0.01%或更多(如0.05%或更多)氮。舉例來說，在He氣和氮氣透過氣體源110引用的具體實施例中，該整體氣體混合物可包括0.01%至1%(如0.05%至0.5%、0.08至0.12%)氮。在一些具體實施例中，該(等)附加氣體在進入系統100之前與該(等)惰性氣體混合(如透過使用混合該等氣體的氣體歧管，然後將該混合物經由單一入口輸送到系統100 中)。在某些具體實施例中，該(等)附加氣體在進入系統100之前未與該(等)惰性氣體混合(如使用分離入口將每種氣體輸入系統100，但該等分離入口足夠靠近以使該等氣體在與氣體場離子源120中的任何該等元素交互作用之前形成混合)。
氣體場離子源120構成接收來自氣體源110的一或多種氣體182，並從氣體182生成氣體離子。氣體場離子源120包括一導電尖端186，其帶有一尖端頂點187、一萃取器190、及(視需要)一抑制器188。通常，從尖端頂點187到樣品180之表面181(圖2中未顯示)的距離為5cm或更大(如10cm或更大、15cm或更大、20cm或更大、25cm或更大)，及/或100cm或更小(如80cm或更小、60cm或更小、50cm或更小)。舉例來說，在一些具體實施例中，從尖端頂點187到樣品180之表面181的距離為5cm至100cm(如25cm至75cm、40cm至60cm、45cm至55cm)。
導電尖端186可由各種材料形成。在一些具體實施例中，尖端186係由金屬(如鎢(W)、鉭(Ta)、銥(Ir)、銠(Rh)、鈮(Nb)、鉑(Pt)、鉬(Mo))形成。在某些具體實施例中，導電尖端186可由合金形成。在一些具體實施例中，導電尖端186可由不同材料(如碳(C))形成。
在使用期間，尖端186相對於萃取器190正偏壓(如約20kV)、萃取器190相對於外部接地為負或正偏壓(如-20kV至+50kV)，且視需要的抑制器188相對於尖端186為正或負偏壓(如-5kV至+5kV)。由於尖端186係由導電材料形成，因此尖端186在尖端頂點187之電場從尖端頂點187之表面向外指向。由於尖端186之形狀，該電場在尖端頂點187附近最強。尖端186之電場強度可例如透過改變施加於尖端186的正電壓進行調整。憑藉這種配置，氣體源110所供應的非游離氣體原子182在尖端頂點187附近游離，並變成帶正電離子。該等帶正電離子同時受到帶正電尖端186排斥，並受到帶負電萃取器190吸引，使得該等帶正電離子如同離子束192從尖端186導向離子光學元件130。抑制器188輔助控制尖端 186與萃取器190之間的整體電場，及因此控制該等帶正電離子從尖端186到離子光學元件130之該等軌跡。一般來說，尖端186與萃取器190之間的整體電場可調整，以控制帶正電離子在尖端頂點187生成的速率，以及該等帶正電離子從尖端186傳輸到離子光學元件130的效率。
例如，在不希望受理論約束的情況下，相信He離子可如下生成。氣體場離子源120構成使得尖端186在尖端頂點187附近之電場超過該等非游離He氣原子182之游離場，且尖端186維持在相對較低的溫度。該等非游離He氣原子182緊鄰尖端頂點187時，該等He原子可受到該尖端之電場極化，從而在He原子182與尖端頂點187之間生成微弱吸引力。因此，He原子182可接觸尖端頂點187並與其保持結合(如物理吸附(physisorbed))一段時間。在尖端頂點187附近，該電場足夠高以使吸附於尖端頂點187上的He原子182游離，從而產生帶正電He離子(如形式為離子束)。
圖3a和圖3b描繪本發明方法之兩階段。在圖3a中，顯示該方法開始時的步驟。提供聚焦帶電粒子束裝置250。該半導體物件包含一基材210，其帶有一基材表面215。半導體物件180之基準基材平面216也以虛線描繪出。此基準基材平面用於定義平面，而不必考慮半導體物件180之實際表面之微小變化。如此，基準表面平面216可最佳適配半導體物件180之真實表面或真實表面之一部分。結構220定位於該半導體物件之表面上。半導體物件180可為用於微影的晶圓或光罩。在這兩種情況下，複數個結構設置在該半導體裝置上。這些結構220的範圍從稠密與半稠密線和間隔上方的隔離線、接觸孔到MOSFET或該特定FinFET結構等完整電晶體結構皆包含在內。在圖3a中僅顯示四個結構220。在該等結構220之一上，定義選定待處理區域(ROI)225。此選定待處理區域225無法由測量裝置240取得。在該基材內定義改性區域230。此改性區域230與結構220上的選定待處理區域225不同。改性區域230應位於帶有ROI 225的結構220 附近。若改性區域230與帶有ROI 225的結構220相距過遠，則將難以如此大幅改變改性區域230以致於可能影響帶有ROI 225的結構220之移動。最佳距離將依多種參數而定。只需重複該實驗數次，熟習此領域技術者很容易就能定位出合適位置或找出合適位置。在目前的半導體裝置中，一般距離將小於1微米、最好是小於100nm。然後，透過將帶電粒子之射束290導向改性區域230，以來自聚焦帶電粒子束裝置250的粒子對改性區域230中的基材210進行改性。在圖式中，該等帶電粒子象徵性描繪出為圓圈。顯然，粒子束290將具有帶有有限橫截面的粒子分佈。由於帶電粒子之射束290聚焦，因此該射束之此橫截面將隨著與基材210的距離而變化。可定義平均射束方向。這在帶電粒子束290中顯示為虛線。
在此特定具體實施例中，使用氣體場離子顯微鏡提供聚焦帶電粒子束290。使用氣體的氦或氖離子，也可使用其他氣體，最好是如氬氣、氪氣、或氙氣的惰性氣體。氦等較小型離子具有更容易穿透到半導體物件180之基材210的優勢。此外，較大型離子更有可能將基材210或周圍結構220之材料濺射掉，因此造成污染源。
該方法在該基材包含一結晶材料時特別適合。該結晶材料可包含矽、鍺、氮化鎵、砷化鎵、矽鍺、金剛石、SiSiC之一。
圖3a進一步顯示測量裝置240。該測量裝置可為掃描式探針顯微鏡，特別是原子力顯微鏡。該測量裝置是無法取得結構220上的ROI 225。該等結構220之寬度通常小於50nm。特別是，若重複結構之間距很小(如小於該AFM尖端頂點直徑之三倍)，則無法取得ROI 225。對於該等結構220之剖面之較高的深寬比，此問題增加。定義為結構220之寬度與高度之比率的深寬比可為例如1：1、1：10、或1：100或兩者之間的任何比率。
為了控制帶有ROI 225的結構220之移動，重要的是能控制聚焦帶電粒子束290之數個態樣。為了能夠控制這些態樣，電子控制系統 需要存在於聚焦帶電粒子束裝置250中。
數個控制參數之一為聚焦帶電粒子束290與半導體物件180之基準表面平面216之間的角度β。在此角度β下，帶電粒子束290針對朝向改性區域230。該角度β可依據該改性區域之所想要位置、圍繞帶有ROI 225的結構220的該等結構220之高度和間距進行調整。一進一步參數可為帶電粒子束290在基材210上之留置時間。再者，可設定聚焦帶電粒子束290在基材210之表面215上之光點大小(未顯示)。採用目前的氣體聚焦離子束，一般光點大小為1nm或更小。該光點大小可透過改變聚焦帶電粒子束裝置250之該等離子光學元件上的焦點改變。
圖3b顯示已進行該方法之後的情況。聚焦帶電粒子束裝置250並未發射任何帶電粒子。該等粒子(在這種情況下為已重新結合成氦原子的該等氦離子)已沉積在改性區域230中。該等氦原子描繪出為小型白色圓圈。該等粒子可聚合在改性區域230中及其周圍的小氣泡中。其也可整合到基材210之晶格中。該等粒子設置在基材210內的方式可隨著基材材料的不同而變化。在採用結晶二氧化矽基材和氦離子的實驗中，形成不同大小之數個孔隙或氣泡。觀察到這些氣泡大小的直徑小於20nm。許多氣泡皆小於此直徑。重要特徵為在每種情況下，觀察到對基材210的影響。基材210之表面215之變形使帶有ROI 225的結構220移動。在圖3b之情況下，已使其移動使得測量系統240現可取得ROI 225。在下一步驟中，測量結構220在選定待處理區域225之至少一部分中之性質。然後，可形成ROI 225之形貌圖(topographical map)。
特別重要的是該線邊緣粗糙度(LER)和該線寬粗糙度(LWR)以及區域表面粗糙度參數。這些區域表面參數變得越來越重要。ISO 25178規範定義數種參數。與該等單個參數LER和LWR相比，區域表面參數能夠更詳細說明該表面形貌。也可設想以數學展開式使表面參數化。該等實際基線函數將依該表面之形狀而定。一維函數的已習知範例為勒讓得多項 式、赫米特多項式、或其他。這些很容易即可推廣到表面之二維情況。單位圓上函數型基底的範例為例如澤尼克多項式。再者，可測量導電性、功函數、或某種程度上的黏度等其他性質。
在圖3b中，該等氦粒子已沉積在基材210之改性區域230中，藉此造成該基材之至少改性區域230之體積變化。其他粒子也可用於達成此影響。特別是，任何惰性氣體皆非常適合。在圖3b所示具體實施例中，至少改性區域230之體積已增加。這導致基材210之表面215的變化，特別是該基材之膨脹或***。這進而導致結構220之傾斜角度α，使得測量裝置240現可取得ROI 225。此角度α定義為在結構220之移動之前的ROI 225之表面法線(顯示為虛線箭頭)與在結構220之移動之後的ROI 225之表面法線(在圖3b中顯示為實線箭頭)之間的角度。
此外，結構220已在垂直於基準表面平面216的方向上抬升。為了使測量裝置240可取得ROI 225，應引用至少45°、最好是60°、更好是90°之傾斜。除了結構220之傾斜以外，該半導體物件可定位於半導體物件托座中並置放在半導體物件台上。在測量裝置之術語中，該半導體物件在此為待測量的樣品。若該半導體物件台及/或該半導體物件托座可側向及/或垂直移動則，這是最好。此外，該半導體物件台和該半導體物件托座之傾斜能力也最好。
在本發明具體實施例中，聚焦帶電粒子束裝置250用於記錄該半導體物件之影像，同時對基材210進行改性。這具優勢，因為在該等帶電粒子之沉積期間，帶電粒子束290之定位可在原位觀察到。若經由基材210之體積變化及表面215之移動，帶電粒子束290不再聚焦在改性區域230上，則可調整該目標。若成像和沉積以相同的帶電粒子束290進行，則這特別具優勢。影像可儲存在影像儲存媒體中。
在本發明具體實施例中，該等結構220之動作也使包含選定待處理區域225的結構220之該等側壁變形。這可已透過相鄰結構220與 包含ROI 225的結構220碰撞或透過另一機構造成。ROI 225之變形將導致新形狀。該形狀可從選定待處理區域225之所測量到形貌圖去除。由於該等變形將在與該統計變化(LER、LWR、及其類似物)完全不同的空間頻率區間中，因此可去除ROI 225中的新側壁。
或者，可適用進一步材料校正步驟，其中該所增加體積之至少一部分使用帶電粒子束裝置250去除。使用與用於改性區域230之體積上的增加的該等粒子不同的粒子進行該體積去除具優勢。
如此，可去除不含ROI 225的相同該等結構220，因此減小含ROI 225的結構220之側壁之變形。或者或此外，也可去除基材210之各部分。如有必要，在未獲得足夠結果時，這些步驟可迭代重複。
圖4中所例示原子力顯微鏡400可在周圍條件下或在真空腔室(圖4中未例示)中操作。即將分析的樣品410設置在樣品台425上。樣品台425或該尖端可藉助掃描裝置420在三個空間方向上移動。掃描裝置420包含例如一或多個微位移元件，例如形式為壓電致動器(圖4中未顯示)。探針455或測量探針455包含一尖端430或一測量尖端430、及一用於測量尖端430的懸臂440。
探針455之測量尖端430可以複數個操作模式操作。其一，可以恆定高度掃描樣品410之表面415，而無需反饋控制。或者，探針455可在閉合反饋迴路中以恆定力在樣品表面415上方引導。再者，借助於調變方法使懸臂440垂直於樣品表面415振盪，因此在閉合反饋迴路中掃描樣品410之表面415。在本說明書中，懸臂440可以其共振頻率振盪或以指定頻率執行強制振盪。在前者情況下，亦即懸臂440或探針455係頻率振盪，發生頻率調變(frequency modulation，FM)解調變，在這種情況下，測量測量尖端430與樣品410之間的交互作用所引起的頻率變化。在接近該共振頻率的強制振盪之情況下，為了偵測由於測量尖端430與樣品表面415之間的交互作用而改變的振盪幅度，執行振幅調變(amplitude modulation， AM)解調變。
為了測量測量尖端430或懸臂440對樣品410之表面415之偏轉，在原子力顯微鏡400之一個具體實施例中，雷射系統460將雷射束465導向懸臂440之尖端上。懸臂440所反射的雷射束465透過光偵測器470記錄。光偵測器470經常具有四象限配置。因此，不僅可測量測量尖端430之z移動(即垂直於樣品表面415)，而且可能測量測量尖端430在x方向上之移動，亦即尖端430之樞轉。在先前技術中，側向力主要在接觸模式下發生，其中測量尖端430在樣品410上方引導與表面415接觸。該等側向力給出剛剛經過檢驗的樣品表面415之材料之指示。
或者，可使用干涉儀確定測量尖端430之樞轉(圖4未顯示)。可用於此用途的干涉儀類型之範例為邁克生(Michelson)干涉儀或馬赫詹德(Mach-Zehnder)干涉儀。此外，測量尖端430之偏轉也可借助於懸臂440之壓阻式元件或感測器(圖4未例示)偵測。而且，測量尖端430之偏轉也可能從光學信號及壓阻式元件(同樣圖4未顯示)之測量資料之結合判定。
原子力顯微鏡400有許多類型和操作模式。其更具有控制裝置480，作為對原子力顯微鏡400之可能改進。後者透過用於控制信號的供應線484連接到第二雷射系統490。在圖4所例示的範例中，第二雷射系統490之雷射束495導向探針455之懸臂440之該等臂或樑之一者上，以引起懸臂440之樑或臂之局部加熱。
210:半導體物件之基材
216:基準表面平面
220:半導體物件之結構
225:選定待處理區域
230:改性區域
240:測量裝置
250:聚焦帶電粒子束裝置
290:帶電粒子束

Claims (26)

  1. 一種用於在半導體物件(180、410)上移動結構(220)的方法，該方法包含：提供一聚焦帶電粒子束裝置(250)，其中該聚焦帶電粒子束裝置(250)包含一氣體場離子顯微鏡；提供一半導體物件(180、410)，其包含一基材(210)、一表面(181、215、415)、及一結構(220)；在該結構(220)上定義一選定待處理區域(225)；在該基材(210)中定義一改性區域(230)，其中該改性區域(230)與該選定待處理區域(225)不同；以及在該改性區域(230)中採用該聚焦帶電粒子束裝置(250)修飾該基材(210)，以移動該結構(220)。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該氣體包含氦氣、氖氣、氬氣、氪氣、或氙氣之一。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之方法，其更提供一測量裝置(240)以測量該結構(220)之性質。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之方法，更包含：移動該結構(220)，其中該結構(220)包含無法由該測量裝置(240)接取的至少一側面及至少部分位於此側面上的一選定待處理區域(225)，其中該選定待處理區域(225)可由該測量裝置接取；及在該選定待處理區域(225)之至少一部分中測量該結構(220)之性質。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之方法，其中該所測量到性質為一線邊緣粗糙度(LER)、線寬粗糙度(LWR)、或二維形貌之一。
  6. 如申請專利範圍第3項所述之方法，其中移動該結構(220)包含使該結構(220)傾斜一角度β。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之方法，其中該角度β為至少45°。
  8. 如申請專利範圍第3項所述之方法，其中該測量裝置(240)為一掃描式探針顯微鏡或一原子力顯微鏡之一。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該基材(210)包含一結晶材料。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之方法，其中該結晶材料包含矽、鍺、氮化鎵、砷化鎵、矽鍺、金剛石、反應燒結碳化矽(SiSiC)之一。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之方法，更包含將該聚焦帶電粒子束裝置(250)之粒子沉積在該基材(210)之該改性區域(230)中，藉此使該基材(210)之至少該改性區域發生體積變化。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之方法，其中至少該改性區域(230)之體積變化增加該改性區域(230)之體積。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之方法，其中至少該改性區域(230)之體積變化減少該改性區域(230)之體積。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之方法，更包含在一聚焦帶電粒子束(290)與該半導體物件(180、410)之一基準表面平面(216)之間設定一角度α，以控制該結構(220)之動作。
  15. 如申請專利範圍第1項所述之方法，更包含在該基材(210)之該改性區域(230)上設定一聚焦帶電粒子束(290)之一留置時間，以控制該結構(220)之動作。
  16. 如申請專利範圍第1項所述之方法，更包含在該基材(210)之該表面上設定一聚焦帶電粒子束(290)之一光點大小，以控制該結構(220)之動作。
  17. 如申請專利範圍第1項所述之方法，更包含切割該選定待處理區域(225)外部的該半導體物件(180、410)，以引導該結構(220)之動作。
  18. 如申請專利範圍第1項所述之方法，更包含使用該聚焦帶電粒子束裝置(250)記錄該半導體物件(180、410)之影像，同時修飾該基材(210)。
  19. 如申請專利範圍第11項所述之方法，更包含一材料校正步驟，其中該所增加體積之至少一部分使用該聚焦帶電粒子束裝置(250) 予以去除。
  20. 如申請專利範圍第19項所述之方法，其中用於體積去除的該等粒子與用於該改性區域(230)之體積增加的該等粒子不同。
  21. 如申請專利範圍第19項所述之方法，其中順序執行增加該改性區域(230)之體積及/或去除所增加體積之各部分之多重步驟。
  22. 一種憑藉如申請專利範圍第1~21項之任一項所述之方法以檢驗半導體物件(180、410)的檢驗裝置，該檢驗裝置包含：一聚焦帶電粒子束裝置(250)，其中該聚焦帶電粒子束裝置(250)為一聚焦離子束裝置，且該測量裝置(240)為一掃描式探針顯微鏡或一原子力顯微鏡之一；一半導體物件托座，其在一半導體物件台(425)上；一測量裝置(240)；以及一電子控制系統(170)，其用於該聚焦帶電粒子束裝置(250)。
  23. 如申請專利範圍第22項所述之檢驗裝置，更包含一掃描裝置，其用於掃描該聚焦帶電粒子束裝置(250)。
  24. 如申請專利範圍第22項所述之檢驗裝置，其中該半導體物件台(425)可傾斜及/或可轉動。
  25. 如申請專利範圍第22項所述之檢驗裝置，包含一成像單元，其連接到用於產生該基材(210)之表面(181)之影像的該聚焦帶電粒子束裝置(250)。
  26. 如申請專利範圍第22項所述之檢驗裝置，包含一測量收集單元，其連接到該測量裝置。
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