阅读说明：本技术 度量工具及其使用方法以及带电粒子侦测系统 (Metrology tool, method of use thereof, and charged particle detection system ) 是由 洪世玮 李正中 于 2019-06-28 设计创作，主要内容包括：本揭露提供一种度量工具、带电粒子侦测系统及用于侦测半导体度量工具中的电离原子的方法。度量工具包括粒子产生系统、局部电极、粒子捕捉装置、位置侦测器与处理器。粒子产生系统配置以从样品中移除粒子。局部电极配置以产生吸引电场,并将被移除的粒子引向局部电极的孔径。粒子捕捉装置配置以在样品与局部电极之间的区域周围产生排斥电场,并将被移除的粒子排斥到孔径。位置侦测器配置以确定被移除的粒子的二维位置座标与被移除的粒子的飞行时间。处理器配置以基于飞行时间来辨识被移除的粒子。(The present disclosure provides a metrology tool, a charged particle detection system and a method for detecting ionized atoms in a semiconductor metrology tool. The metrology tool includes a particle generation system, a local electrode, a particle capture device, a position detector, and a processor. The particle generation system is configured to remove particles from a sample. The local electrode is configured to generate an attractive electric field and to direct the removed particles toward an aperture of the local electrode. The particle catch arrangement is configured to generate a repulsive electric field around the region between the sample and the local electrode and to repel the removed particles to the aperture. The position detector is configured to determine a two-dimensional position coordinate of the removed particle and a time of flight of the removed particle. The processor is configured to identify the removed particles based on time of flight.)

度量工具及其使用方法以及带电粒子侦测系统

技术领域

本揭露是一种关于度量工具、带电粒子侦测系统及用于侦测半导体度量工具中的电离原子的方法。

背景技术

随着半导体技术的进步，对于较高的存储容量、较快的处理系统、较高的性能与较低的成本的需求不断增加。为了满足这些要求，半导体工业继续缩小半导体元件的尺寸及其制造公差。这种缩小半导体元件的方式增加了对用于半导体元件制造制程的高精度、灵敏度与精确的度量工具的需求。

发明内容

在一些实施方式中，一种度量工具包括粒子产生系统、局部电极、粒子捕捉装置、位置侦测器与处理器。粒子产生系统配置以从样品中移除粒子。局部电极配置以产生吸引电场，并将被移除的粒子引向局部电极的孔径。粒子捕捉装置配置以在样品与局部电极之间的区域周围产生排斥电场，并将被移除的粒子排斥到孔径。位置侦测器配置以确定被移除的粒子的二维座标位置与被移除的粒子的飞行时间。处理器配置以基于飞行时间来便是被移除的粒子。

在一些实施方式中，一种带电粒子侦测系统，包括局部电极、加速系统、导向系统与位置侦测器。局部电极配置以产生吸引电场并将带电粒子从样品引向局部电极的孔径。加速系统包含第一类型加速器与第二类型加速器，第一类型加速器与第二类型加速器相异。第一类型加速器配置以将离开局部电极的带电粒子的第一速度加速至第二速度，第二速度高于第一速度。第二类型加速器配置以将离开第一加速器的带电粒子的第二速度加速至第三速度，第三速度高于第二速度。导向系统配置以产生导向场并改变离开第二类型加速器的带电粒子的飞行路径方向。位置侦测器配置以侦测被移除的带电粒子的二维位置座标与带电粒子的飞行时间。

在一些实施方式中，一种用于侦测半导体度量工具的电离原子的方法，包括以下步骤。从样品中产生复数电离原子。产生吸引电场，以将电离原子导向局部电极的孔径。产生排斥电场，以将电离原子导向孔径，防止电离原子漂移。侦测电离原子的二维位置座标与电离原子的飞行时间。

附图说明

当结合附图进行阅读时得以自以下详细描述最佳地理解本揭露的态样。应注意，根据工业上的标准实务，各种特征并未按比例绘制。实际上，为了论述清楚可任意地增大或减小各种特征的尺寸。

图1绘示根据一些实施方式的用于半导体元件制造制程的度量工具的剖面图；

图2与图3绘示根据一些实施方式的具有度量工具的带电粒子捕捉装置的不同配置的带电粒子收集系统的剖面图；

图4至图7绘示根据一些实施方式的度量工具的带电粒子捕捉装置的不同剖面图；

图8是根据一些实施方式的用于操作半导体度量工具的方法的流程图。

现在将参考附图以说明实施方式。在附图中，相同的附图标记通常表示相同的、功能相似的及/或结构相似的元件。

【符号说明】

100：半导体度量工具

102：样品

102t：顶部

103A、103B、103C：飞行路径

104：分析腔室

106：样品支架

108：带电粒子产生系统

110：带电粒子侦测系统

112：带电粒子收集系统

114：局部电极

114b：基座

114t：底部

115：包围区域

116：带电粒子捕捉装置

116b：基座

116s：侧壁

118：带电粒子加速系统

118A：第一加速器

118B：第二加速器

118C：第三加速器

120：带电粒子飞行导向系统

120A、120B、120C：导向元件

122：带电粒子位置侦测器

124：处理系统

216s：侧壁

316s：侧壁

616s₁、616s₂、616s₃、616s₄：区段

716s₁、716s₂、716s₃、716s₄：区段

800：方法

805、810、815、820、825、830、835：步骤

D1、D2：距离

B、C：角度

A-A：线

具体实施方式

以下揭示内容提供用于实施所提供标的物的不同特征的许多不同实施例或实例。以下描述部件及布置的特定实例以简化本揭露。当然，此等仅为实例且并不意欲为限定性的。举例而言，在如下描述中第一特征在第二特征之上或在第二特征上的形成可包括其中第一及第二特征直接接触形成的实施例，且亦可包括其中额外特征可在第一及第二特征之间形成而使得第一及第二特征可不直接接触的实施例。另外，本揭露可在各种实例中重复元件符号及/或字母。此重复是出于简化及清楚目的，且其本身并不指示所论述的各种实施例及/或配置之间的关系。

另外，为了描述简单起见，可在本文中使用诸如“在……之下”、“在……下方”、“下方”、“在……上方”、“上方”以及其类似术语的空间相对术语，以描述如诸图中所说明的一个元件或特征相对于另一(其他)元件或特征的关系。除了诸图中所描绘的定向以外，所述空间相对术语意欲亦涵盖在使用中或操作中部件的不同定向。装置可以其他方式定向(旋转90度或在其他定向上)，且本文中所使用的空间相对描述词可同样相应地作出解释。

应注意到在说明书中对“一实施方式”、“实施方式”，“示例实施例方式”、“示例性”等的引用指示所描述的实施方式可包括特定特征、结构或特性，但是每个实施方式可以不必包括特定的特征、结构或特征。再者，这些术语不一定指的是同一实施方式。此外，当结合实施方式描述特定特征、结构或特性时，无论是否明确描述结合其他实施方式来实现这样的特征、结构或特性，此应在本领域的技术人员的知识范围内。

应了解到本揭露中的措辞或术语是出于描述而非用以限制其目的，使得本说明书的术语或措辞是由相关领域的技术人员根据其教示来加以解释。

在一些实施方式中，术语“约”与“实质上”可以指示在该值的5％内变化的给定量的值(例如，±1％、±2％、±3％、±4％与±5％的值)。

在半导体元件制造中，不同的度量过程(例如，临界尺寸扫描电子显微镜、质谱、原子力显微镜、穿透式电子显微镜或原子探针显微镜)被集成于制程的流程中的不同点，以确保能实现制造半导体元件所需的品质。举例来说，在鳍式场效应晶体体(fin field effecttransistor；finFET)的制造制程中，可以在形成鳍区域及/或掺杂的磊晶源极/极区域之后执行度量制程，以分析所制造的鳍与源极/汲极区域的品质与化学成分。其中一种用于此装置品质与化学成分分析的度量工具可以是原子探针显微镜(atom probe microscope)。

原子探针显微镜可以分析欲知的元件区域的样品，并提供具有原子尺度(例如，亚纳米级)的样品的元素映射(mapping)的三维图像。样品的分析包括通过以下的方式来分别分析样品的原子。第一，以带电粒子(例如，电离原子)的形式一次一个地从样品中移除原子。第二，辨识被移除的原子。第三，侦测被移除的原子的二维位置座标(例如，X-Y座标)。第四，及时追踪被移除的原子的侦测序列。基于二维位置座标与被移除的原子的侦测顺序，可以确定被移除的原子的三维位置，并且可以产生具有分析样品的元素映射的三维图像。

原子探针显微镜可包括带电粒子产生系统、局部电极、带电粒子位置侦测器与处理器。带电粒子产生系统用于从样品中移除原子。局部电极用于收集被移除的原子。带电粒子位置侦测器用于侦测被移除的原子的二维位置座标。处理器用于基于其质量值及/或从其飞行时间(time-of-flight或flight time)测量计算的质荷比(m/z)来辨识被移除的原子。每个被移除的原子的飞行时间测量可以指在原子的移除时间与位置侦测器的侦测时间之间测量的时间间隔。每个被移除的原子的飞行时间可以通过以下等式与其质量值相关联：m＝(2E/L²)t²....(1)，其中m是被移除的原子的质量值，t是被移除的原子的飞行时间，L是被移除的原子在带电粒子产生系统与带电粒子位置侦测器之间行进的飞行路径长度，E是被移除的原子在从样品中移除时的动能。因此，对于给定的动能(E)和飞行路径长度(L)，被移除的原子的质量(m)值或m/z比可以与其飞行时间(t)的平方成比例。

原子探针显微镜的挑战之一是防止被移除的原子在从带电粒子产生系统飞行到带电粒子位置侦测器期间的损失。被移除的原子的损失会对原子探针显微镜的侦测效率产生负面的影响。另一个挑战是准确地辨识被移除的原子，其飞行时间彼此接近。被移除的原子的飞行时间(例如，小于1ms、1μs或1ns)之间的微小差异，使得精确地分辨由飞行时间计算的接近质量值，以准确的元素辨识被移除的原子是具有挑战性的。不良的质量分辨率(mass resolution)可能会对原子探针显微镜的三维元素映射的精确度产生负面的影响。

本揭露提供用于半导体度量工具(例如，原子探针显微镜)的示例的带电粒子侦测系统，以提高其侦测效率与质量分辨率，以分析样品(例如，欲知的元件区域)。在一些实施方式中，带电粒子侦测系统可包括带电粒子捕捉装置，其配置以在样品与带电粒子侦测系统的局部电极之间的区域周围提供电场笼(field cage)。电场笼可以配置以防止从样品产生的带电粒子从其飞行路径漂移到局部电极。如此一来，带电粒子捕捉装置可配置以在朝向局部电极的飞行期间防止及/或减少带电粒子的损失。在一些实施方式中，还可以通过加宽局部电极的带电粒子收集区域来防止及/或减少朝向局部电极行进的带电粒子的损失。相较于没有带电粒子捕捉装置与加宽局部电极的半导体度量工具相比，这种带电粒子损失的防止及/或减少可以将半导体度量工具的侦测效率提高约60％至约90％(例如，约60％、约65％、约70％、约75％、约80％、约85％，或约90％)。

在一些实施方式中，带电粒子侦测系统可进一步包括带电粒子加速系统。带电粒子加速系统配置以增强离开局部电极并朝向带电粒子位置侦测器行进的带电粒子的动能。如果带电粒子没有足够的能量可到达带电粒子位置侦测器，则动能的增强可以防止及/或减少带电粒子的损失。相较于没有带电粒子加速系统的半导体度量工具相比，这种带电粒子损失的防止及/或减少可以将半导体度量工具的侦测效率提高约50％至约60％(例如，约50％、约55％，或约60％)。

在一些实施方式中，带电粒子侦测系统还可包括带电粒子飞行导向系统。带电粒子飞行导向系统配置以改变离开带电粒子加速系统的带电粒子的飞行方向。改变的飞行方向可以与离开局部电极的带电粒子的飞行方向相反并且实质上平行。通过改变飞行方向，带电粒子飞行导向系统可以增加带电粒子的飞行路径长度。利用增加的飞行路径长度，可以增加飞行时间与带电粒子的计算质量值之间的差异，进而提高质量分辨率，以克服上述讨论的准确辨识具有接近飞行时间的带电粒子的挑战。在一些实施方式中，相较于没有带电粒子飞行导向系统的半导体度量工具相比，质量分辨率可以提高约15％至约30％(例如，约15％、约20％、约25％，或约30％)。

尽管本揭露以原子探针显微镜为参考来讨论，但是在不脱离本揭露的精神与范围的情况下，带电粒子侦测系统的实施方式可以应用于其他基于质谱的半导体度量工具。

图1绘示根据一些实施方式的半导体度量工具100的剖面图，半导体度量工具100配置以分析样品102(例如，欲知的元件区域)，并输出具有原子的样品102的元素映射(mapping)的三维图像，根据一些实施方式中，此三维图像的比例为一原子比例(atomicscale)，例如是亚纳米级(sub-nanometer scale)。在一些实施方式中，半导体度量工具100可以是原子探针显微镜。半导体度量工具100可包括分析腔室104、样品支架106、带电粒子产生系统108、带电粒子侦测系统110与处理系统124。

分析腔室104可以在结构上由腔室壁所定义，腔室壁包括导电材料，例如铜(Cu)、铝(Al)、银(Ag)、金(Au)、镍(Ni)、钨(W)、钼(Mo)、铂(Pt)、黄铜或不锈钢。在一些实施方式中，分析腔室104可以保持在接地电位。在一些实施方式中，分析腔室104可包括耦合到真空系统(未绘示)的气体入口与出口端口(未绘示)，真空系统是配置以在分析腔室104分析样品102的期间维持超高真空(ultra-high vacuum)，介于从约10托(torr)至约15托之间。分析腔室104内的超高真空可以限制及/或防止从样品102产生的带电粒子(例如，电离原子)在其飞行通过带电粒子侦测系统110的期间与任何不需要的粒子(例如，污染物)的相互作用。由于与分析腔室104内的不需要的粒子的相互作用所引起的带电粒子的飞行路径的偏差，可以防止带电粒子被侦测，进而导致半导体度量工具100的侦测效率变差。

样品支架106可以配置以在分析腔室104内的分析期间支撑样品102。在一些实施方式中，样品支架106可以包括导电材料，例如铜(Cu)、铝(Al)、银(Ag)、金(Au)、镍(Ni)、钨(W)、钼(Mo)、铂(Pt)、黄铜、不锈钢，或其组合。在安装于样品支架106上之前，样品102可以制备成具有针状的几何形状。针状的几何形状可以具有介于从约100nm至约150nm之间的尖端半径，以及沿着X轴的介于从约2μm至约10μm之间的尺寸。样品支架106可以定位样品102，使得样品102的尖锐尖端面向带电粒子侦测系统110。对于样品102分析制程，通过耦合到样品支架106的电压供应系统(未绘示)，样品102可以在约1kV至约15kV(例如，约1kV、约3kV、约5kV、约10kV，或约15kV)的高DC电压下带正电与偏压。此外，在样品102分析制程期间，样品102可以通过与样品支架106耦接的冷却系统(未绘示)，将温度保持在约20K至约100K(例如，约20K、约40K、约60K、约80K，或约100K)。

带电粒子产生系统108可配置以间歇地将正高电压脉冲(也称为高压脉冲)及/或激光脉冲施加到样品102。电脉冲或激光脉冲的重复率可以是数百个千赫兹(kilo hertz；kHz)的范围，以及高电压可介于从约1kV至约20kV之间(例如，约1kV、约5kV、约10kV，或约20kV)。施加高压脉冲及/或激光脉冲可以在样品102分析制程中从样品102中以带电粒子(例如，电离原子)的形式个别地移除原子。高压及/或激光的每个脉冲可以配置以诱导从样品102中移除个别的原子。每个脉冲的时间可以被视为是由于原子从样品102分离而形成的每个相应带电粒子的产生时间。通过由高压脉冲及/或来自激光脉冲的热于样品102的尖端的周围产生的高电场(例如，介于从约10V/nm至约50V/nm之间)所提供的能量来诱导原子的分离。能量可以大于个别原子的电离能。

带电粒子侦测系统110可以配置以在样品102分析制程期间收集、加速、辨识与空间分辨所产生的带电粒子。在一些实施方式中，带电粒子侦测系统110可包括带电粒子收集系统112、带电粒子加速系统118、带电粒子飞行导向系统120与带电粒子位置侦测器122。

带电粒子收集系统112可包括局部电极114与带电粒子捕捉装置116。局部电极114可定位在样品102与带电粒子加速系统118之间，并且可配置以收集产生的带电粒子。对于带电粒子的收集过程，局部电极114可以被偏压在接地电位或低于样品102的DC偏压的电压，以在样品102与局部电极114之间产生吸引的电场。前述的电场可以通过局部电极114的基座114b处的孔径(未绘示)，将产生的带电粒子吸引与引导到局部电极114。孔径可以约10倍至约200倍(例如，约10倍、约50倍、约100倍，或约200倍)的大于样品102的基座的半径或宽度，以有效地收集所产生的带电粒子。

相较于样品102，这种宽孔径可以防止及/或减少具有宽轨迹角度的样品102产生的带电粒子的损失。当所产生的带电粒子的飞行路径(例如，图1中的飞行路径103B与103C)产生的角度(例如，图1中的角度B与C)相对于垂直于局部电极114的基座114b的带电粒子的飞行路径(例如，飞行路径103A)等于或大于约10度(例如，约15度、约20度、约25度、约30度、约45度、约60度，或约75度)时，轨迹的角度可以被认为是宽的。相较于没有局部电极114的加宽孔径的半导体度量工具100，防止及/或减少带电粒子的损失可以将半导体度量工具100的侦测效率提高约60％至约90％(例如，约60％、约65％、约70％、约75％、约80％、约85％，或约90％)。

通过在样品102的尖端与局部电极114的基座114b之间保持沿X轴的水平距离介于从约0.5mm至约5mm之间(例如，约0.5mm、约1mm、约3mm，或约5mm)，可以在分析制程期间进一步提高带电粒子收集的效率。随着样品102的尖端在带电粒子产生过程中连续地偏移局部电极114，局部电极114的位置可以持续地调整，以保持在样品102尖端与基座114b之间的水平距离。在约0.5mm至约5mm范围之外的水平距离会对带电粒子收集效率产生负面的影响。

样品102与局部电极114之间的吸引电场的存在还可以改善带电粒子产生效率。除了由带电粒子产生系统108提供的能量之外，电场还可以为从样品102中移除原子提供能量。如此一来，高电压脉冲的电压幅度及/或带电粒子产生系统108的激光脉冲的能量可以被减少。较低幅度的电压脉冲及/或激光脉冲可以允许更快的脉冲，并因此更快地产生带电粒子，这可以导致样品102分析制程的更快的数据采集。

带电粒子捕捉装置116还可以防止及/或减少从样品102产生的带电粒子的损失，进而与没有带电粒子捕捉装置116的半导体度量工具100相比，可改善产生的粒子收集与侦测效率。在一些实施方式中，如图1所示，带电粒子捕捉装置116可以定位在样品102与局部电极114之间，使得其包围样品102的顶部102t、局部电极114的底部114t，以及样品102与局部电极114之间的区域，以形成包围区域115。顶部102t可具有沿X轴的尺寸，介于从约100nm至约200nm之间(例如，约100nm、约150nm，或约200nm)。底部114t可具有沿X轴的尺寸，介于从约10nm至约1mm之间(例如，约10nm、约100nm、约500nm、约700nm、约1μm、约500μm，或约1毫米)。在一些实施方式中，带电粒子捕捉装置116可以安装在分析腔室104内，使得其侧壁116s与基座116b不物理接触于样品102。在一些实施方式中，如图1所示，侧壁116s的顶部可以直接或间接地耦合(未绘示)于局部电极114，或是可与局部电极114分开。

带电粒子捕捉装置116可以被正偏压，其电压介于从约1V至约1kV之间(例如，约1V、约50V、约100kV、约250kV、约500kV，或约1kV)，以在包围区域115的周围产生排斥电场笼。排斥电场笼可以排斥具有轨迹角度(例如，图1中的角度B与C)等于或大于约30度(例如，约35度、约45度、约60度、约75度、约90度、约120度，或约145度)产生的带电粒子，朝向局部电极114的飞行路径103A至103C与孔径。排斥电场笼也可以排斥由飘移远离飞行路径103A至103C所产生的带电粒子。如此一来，带电粒子捕捉装置116可以防止及/或减少带电粒子在向局部电极114飞行期间的损失。相较于没有带电粒子捕捉装置116的半导体度量工具100相比，防止及/或减少带电粒子的损失可以提高半导体度量工具100的侦测效率从约60％与约90％(例如，约60％、约65％、约70％、约75％、约80％、约85％，或约90％)。

在一些实施方式中，带电粒子捕捉装置116可包括导电材料，例如铜(Cu)、铝(Al)、银(Ag)、金(Au)、镍(Ni)、钨(W)、钼(Mo)、铂(Pt)、黄铜、不锈钢，或其组合。在一些实施方式中，带电粒子捕捉装置116的侧壁116s及/或基座116b可具有固体材料、网状材料，或其组合。在一些实施方式中，如图2所示，不同于图1的直线的侧壁116s，带电粒子捕捉装置116可以具有倾斜的侧壁216s。图2的带电粒子捕捉装置116的这种结构配置相较于图1的带电粒子捕捉装置116相比，可以产生更靠近样品102的排斥电场笼，以更快地将带电粒子排斥到局部电极114上。如果带电粒子捕捉装置116具有如图3所示的漏斗状(funnel-shaped)结构，则可以产生更靠近样品102的排斥电场笼。

参阅图1，在一些实施方式中，带电粒子捕捉装置116的侧壁116s可以是围绕包围区域115的连续结构。在这样的实施方式中，沿着图1的线A-A，带电粒子捕捉装置116可以分别具有如图4与图5所示的闭合的圆形或矩形剖面。尽管如图4与图5所示的是闭合的圆形与矩形剖面，带电粒子捕捉装置116也可以是具有任何几何形状的剖面，例如沿图1中的线A-A的三角形、椭圆形、梯形，或多边形。

参阅图1，在一些实施方式中，带电粒子捕捉装置116的侧壁116s可包括围绕包围区域115的多个侧壁区段，例如图6的区段616s₁、616s₂、616s₃与616s₄，或是图7的区段716s₁、716s₂、716s₃与716s₄。具有多个侧壁区段的侧壁116s可基于样品102及/或局部电极114的尺寸，而有助于调节包围区域115的体积。在这样的实施方式中，沿着图1的线A-A，带电粒子捕捉装置116可以具有如图6与图7所示的分段的圆形或矩形剖面。如图6所示，侧壁116s可以具有围绕包围区域115以圆形方式布置的多个区段616s₁至616s₄，或是如图7所示，可以具有围绕包围区域115以矩形方式布置的多个区段716s₁至716s₄。

如图6与图7分别所示，多个区段616s₁至616s₄或区段716s₁至716s₄中的每一个区段可以与其相邻的区段分离，或是可以分别与相邻的区段(未绘示)物理接触。尽管在多个区段616s₁至616s₄与区段716s₁至716s₄中的每一个中绘示四个区段，但是侧壁116s可以具有两个或更多个的区段。尽管如图6与图7所示的多个区段616s₁至616s₄与区段716s₁至716s₄，它们是以相应的圆形与矩形方式排列，但它们亦可以以任何几何形状排列，例如椭圆形、三角形、梯形或多边形。上述参阅图4至图7的侧壁116s的讨论，可适用于侧壁216s与侧壁316s(如图2与图3所示)。

参阅图1，带电粒子侦测系统110可额外或选择性地具有带电粒子加速系统118，以用低能量(例如，小于约500eV、约200eV、约100eV、约50eV、约30eV，或约10eV)，防止及/或减少离开局部电极114的带电粒子的损失。相较于没有带电粒子加速系统118的半导体度量工具100相比，这种带电粒子损失的预防及/或减少可以将半导体度量工具100的侦测效率提高约50％至约60％(例如，约50％、约55％，或约60％)。

带电粒子加速系统118可配置以从局部电极114接收带电粒子并加速接收的带电粒子。在一些实施方式中，带电粒子加速系统118可包括第一加速器118A、第二加速器118B与第三加速器118C。第一加速器118A可以被配置以从局部电极114接收带电粒子，并且将带电粒子从第一速度加速到第二速度，第二速度高于第一速度。第二加速器118B可配置以从第一加速器118A接收带电粒子，并且将带电粒子从第二速度加速到第三速度，第三速度高于第二速度。第三加速器118C可配置以从第二加速器118B接收带电粒子，并且将带电粒子从第三速度加速到第四速度，第四速度高于第三速度。

在一些实施方式中，第一加速器118A可以是线性加速器(linear accelerator)，在射入具有高于第一能量的第二能量的第二加速器118B之前，配置以提供介于从约1kV至约5000kV之间的DC电压，以提供初始低能量至由局部电极114接收的具有第一能量的带电粒子。线性加速器可以具有加速管，并具有介于从约10至约1000之间(例如，约10、约100、约500，或约1000)的纵横比(aspect ratio)，其中纵横比可以是管的长度与管的直径的比值。

在一些实施方式中，第二加速器118B可以是循环加速器(cyclic accelerator)，例如是回旋加速器(cyclotron)，其配置以提供频率介于从约1MHz至约500MHz之间的AC电压(例如，约1MHz、约50MHz、约100MHz、约300MHz，或约500MHz)，以进一步增加从第一加速器118A接收的带电粒子的能量。在射入具有高于第二能量的第三能量的第三加速器118C之前，通过使带电粒子穿越循环加速器的磁场，以增加能量。循环加速器可以具有加速管，并具有介于从90mm至约1m(例如，约90mm、约50cm、约75cm，或约1m)沿X轴的尺寸。

在一些实施方式中，第三加速器118C可以是同步加速器(synchrotron)，并在导向至具有高于第三能量的第四能量的带电粒子飞行导向系统120之前，配置以提供具有介于从约1MHz到约500MHz(例如，约1MHz、约50MHz、约100MHz、约300MHz，或约500MHz)的频率的AC电压，以进一步增加从第二加速器118B接收的带电粒子的能量。在一些实施方式中，第四能量可以比第一能量高于约5％至约50％(例如，约5％、约10％、约30％，或约50％)。同步加速器可以具有加速管，并具有介于约1cm至约1m之间(例如，约1cm、约10cm、约50cm、约75cm，或约1m)的直径。尽管带电粒子加速系统118在图1中绘示为具有三种不同类型的加速器，但带电粒子加速系统118也可以是具有单一类型或任何两种不同类型的加速器。

额外或选择性地，带电粒子侦测系统110可以具有带电粒子飞行导向系统120，其配置以增加样品102与带电粒子位置侦测器122之间的带电粒子飞行路径长度，而不增加分析腔室104的长度。在一些实施方式中，为了有效侦测，带电粒子飞行路径长度可以介于从约5cm至约50cm之间(例如，约5cm、约10cm、约20cm、约30cm、约40cm，或约50cm)。增加带电粒子飞行路径长度可以提高质量分辨率，并克服上述讨论的精确辨识具有接近飞行时间的带电粒子的挑战。在一些实施方式中，相较于没有带电粒子飞行导向系统120的半导体度量工具100相比，质量分辨率可以提高介于从约15％至约30％之间(例如，约15％、约20％、约25％，或约30％)。

带电粒子飞行导向系统120可包括导向元件120A、120B及120C，其配置以产生导向场(guide field)，导向场可例如是电场、磁场，或电磁场。在一些实施方式中，导向场可以是具有介于从约1kV至约10kV之间(例如，约1kV、约5kV、约7kV，或约10kV)的电场及/或介于从10^-5特斯拉(tesla)至约3000特斯拉之间(例如，约10^-5特斯拉、约10^-2特斯拉、约1特斯拉、约100特斯拉、约500特斯拉、约1000特斯拉、约2000特斯拉，或约3000特斯拉)的磁场。导向元件120A至120C可定位在分析腔室104内，使得飞行中的带电粒子与导向元件120A至120C中的每一个之间的最短距离可在介于约5cm至约10cm之间(例如，约5cm、约8cm，或约10cm)。在一些实施方式中，导向元件120A至120C可包括电极、电磁铁及/或磁透镜，以产生导向场。

导向场可配置以偏转带电粒子离开带电粒子加速系统118，并改变它们的飞行方向。改变的飞行方向(例如，在负X方向上)可以相反并且实质上平行于带电粒子离开局部电极114的飞行方向(例如，在正X方向上)。在一些实施方式中，沿着Y轴的距离D1介于带电离子离开局部电极114的飞行路径与改变的飞行路径之间，并可以介于从约10cm至约20cm之间(例如，约10cm、约15cm，或约20cm)。通过增加飞行路径长度，可以在空间与时间上分离具有小的速度差异的带电粒子，并且可以它们的飞行时间之间的差异可以被增加，以提高质量分辨率。尽管图1中绘示三个导向元件120A至120C，但带电粒子飞行导向系统120可具有一个或多个的导向元件。

带电粒子位置侦测器122可配置以在被带电粒子飞行导向系统120偏转之后侦测带电粒子。对于侦测制程，带电粒子位置侦测器122可以相对于样品102负偏压及/或以低于样品102的偏压电压且高于局部电极114的偏压电压来偏压。在一些实施方式中，带电粒子位置侦测器122可以具有微通道板(未绘示)，以提高侦测效率。在一些实施方式中，带电粒子位置侦测器122的顶表面与面向带电粒子位置侦测器122的局部电极114的侧壁之间沿Y轴的距离D2可介于从约10cm至约20cm之间(例如，约10cm、约15cm，或约20cm)。

带电粒子位置侦测器122还可配置以测量所接收的带电粒子的二维位置座标(例如，X-Y座标)。这些带电粒子的测量位置与它们在样品102中的原始位置相关。带电粒子位置侦测器122可以进一步配置以测量接收的带电粒子的飞行时间。带电粒子的飞行时间可以是带电粒子产生系统108产生的时间与带电粒子位置侦测器122的侦测时间之间的时间间隔。

处理系统124可配置以从带电粒子位置侦测器122接收带电粒子的测量的二维位置座标和飞行时间。基于测量的飞行时间，处理系统124可以确定质量值及/或m/z比，以辨识侦测到的带电粒子。处理系统124还可配置以确定带电粒子位置侦测器122的侦测带电粒子的顺序(sequence)。基于侦测顺序与测量的二维位置座标，处理系统124可以确定侦测的带电粒子的三维位置(例如，X-Y-Z座标)。因此，利用所确定的辨识与侦测的带电粒子的三维位置，处理系统124可以创造并输出具有样品102的元素映射的三维图像。

图8是根据一些实施方式的用于操作半导体度量工具的方法800的流程图。图1的半导体度量工具100可用于特征(characterization)平面与3-D半导体元件。为了说明的目的，参考图1的实施例以描述方法800。然而，方法800不限于这些实施方式。本揭露不限于这些步骤地描述。相对地，其它的步骤亦在本揭露的精神与范围之内。应了解到可执行额外的步骤。再者，并非本揭露所有提供的步骤都需要被执行。此外，一些步骤是可以同时执行的，或者可以与图8中所示的不同顺序来执行。在一些实施方式中，可以执行除当前描述的步骤之外，或代替当前描述的步骤的一个或多个的其他步骤。

在图8的步骤805中，从样品个别地产生带电粒子。举例来说，参阅图1所示与所讨论的，带电粒子的产生可包括制备样品102、将样品102安装在样品支架106上，以及将脉冲能量施加到样品102。样品102的制备可包括以下步骤。第一，通过聚焦离子束(focusedion-beam；FIB)铣削，以在欲知的区域(例如，finFET的鳍区域或源极/汲极区域)形成具有楔状(wedge-shaped)结构。第二，使用聚焦离子束沉积的连接到楔状结构的微操纵器，以抬起楔状结构。第三，将楔状结构安装在硅微尖(microtip)上。第四，电抛光或离子铣削楔状结构，以形成具有尖端半径的针形尖端，前述的半径介于从约100nm至约150nm之间。将脉冲能量施加到样品102可包括通过带电粒子产生系统108将高压脉冲及/或激光脉冲施加到样品102，以从样品102单独产生带电粒子。

在图8的步骤810中，收集产生的带电粒子。举例来说，参阅图1所示与所讨论的，产生的带电粒子可以由带电粒子收集系统112来收集。产生的带电粒子的收集可以包括通过局部电极114创造吸引电场，并将产生的带电粒子导向朝局部电极114的孔径。产生的带电粒子的收集可以进一步包括通过带电粒子捕捉装置116产生排斥电场笼，并且将产生的带电粒子排斥到局部电极114的孔径。

在图8的步骤815中，加速收集的带电粒子。举例来说，参阅图1所示与所讨论的，收集的带电粒子可以通过带电粒子加速系统118加速。收集的带电粒子的加速可以包括通过第一加速器118A将带电粒子从第一速度加速到第二速度，然后再通过第二加速器118B将带电粒子从第二速度加速到第三速度，然后再通过第三加速器118C将带电粒子从第三速度加速到第四速度。第四速度可以高于第三速度，第三速度可以高于第二速度，第二速度可以高于第一速度。

在图8的步骤820中，偏转加速的带电粒子。举例来说，参阅图1所示与所讨论的，加速的带电粒子可以通过带电粒子飞行导向系统120而被偏转，以改变加速的带电粒子的飞行方向，并增加它们的飞行路径长度。带电粒子的偏转可包括将导向元件120A至120C定位在分析腔室104内，使得飞行中的带电粒子与导向元件120A至120C中的每一个之间的最短距离可介于从约5cm至约10cm之间，并且创造具有导向元件120A至120C的导向场，以改变带电粒子的飞行方向。

在图8的步骤825中，侦测偏转的带电粒子的二维位置座标与飞行时间。举例来说，参阅图1所示与所讨论的，可以通过带电粒子位置侦测器122来侦测偏转的带电粒子的二维位置座标与飞行时间。在一些实施方式中，步骤815及/或步骤820可以是可选择的，步骤810可以在步骤825之后。在这样的实施方式中，侦测过程可以包括侦测收集的带电粒子，而不是偏转的带电粒子。

在图8的步骤830中，辨识侦测的带电粒子，并确定带电粒子的侦测顺序。举例来说，参阅图1所示与所讨论的，侦测到的粒子的辨识可包括基于处理系统124侦测的飞行时间，以确定质量值及/或m/z比。带电粒子的侦测顺序的确定可包括通过处理系统124来监测带电粒子到达带电粒子位置侦测器122。

在图8的步骤835中，产生具有样品的元素映射的三维图像。举例来说，参阅图1所示与所讨论的，通过元素映射产生三维图像可以包括基于侦测顺序与二维位置座标，确定处理系统124侦测的带电粒子的三维位置(例如，X-Y-Z座标)。

本揭露提供用于半导体度量工具100的示例性带电粒子侦测系统110，以提高其侦测效率与质量分辨率，以用于样品102的分析。在一些实施方式中，带电粒子侦测系统110可包括带电粒子捕捉装置116，带电粒子捕捉装置116配置以在样品102与带电粒子侦测系统110的局部电极114之间的区域周围提供电场笼。电场笼可以配置以防止从样品102产生的带电粒子从飞行路径漂移到局部电极114的孔径。如此一来，带电粒子捕捉装置116可以在朝向局部电极114的飞行期间，配置以防止及/或减少带电粒子的损失。在一些实施方式中，通过加宽局部电极114的孔径也可以防止及/或减少带电粒子朝向局部电极114行进的损失。相较于没有带电粒子捕捉装置116与局部电极114的加宽孔径的半导体度量工具100相比，这种带电粒子的损失的防止及/或减少可以将半导体度量工具100的侦测效率提高约60％至约90％(例如，约60％、约65％、约70％、约75％、约80％、约85％，或约90％)。

在一些实施方式中，带电粒子侦测系统110还可以包括带电粒子加速系统118，其配置以增强离开局部电极114并朝向带电粒子位置侦测器122行进的带电粒子的动能。如果带电粒子没有足够的能量到达带电粒子位置侦测器122，则动能的增强可以防止及/或减少带电粒子的损失。相较于没有带电粒子加速系统118的半导体度量工具100相比，这种带电粒子的损失的防止及/或减少可以将半导体度量工具的侦测效率提高约50％至约60％(例如，约50％、约55％，或约60％)。

在一些实施方式中，带电粒子侦测系统110还可以包括带电粒子飞行导向系统120，带有导向元件120A至120C(例如，电极、电磁铁及/或磁透镜)，其配置以产生导向场(例如，电、磁或电磁)，以改变离开带电粒子加速系统118的带电粒子的飞行方向。改变的飞行方向可以相反且本质上平行于离开局部电极114的带电粒子的飞行方向。通过改变飞行方向，带电粒子飞行导向系统120可以增加带电粒子的飞行路径长度。随着飞行路径长度的增加，可以增加飞行时间与带电粒子的计算质量值之间的差异，进而提高质量分辨率，以克服精确地辨识具有接近飞行时间的带电粒子的挑战。在一些实施例中，相较于没有带电粒子飞行导向系统120的半导体度量工具100相比，质量分辨率可以提高约15％至约30％(例如，约15％、约20％、约25％，或约30％)。

在一些实施方式中，度量工具可包括粒子产生系统、局部电极、粒子捕捉装置、位置侦测器以及处理器。粒子产生系统配置以从样品中移除粒子。局部电极配置以产生吸引电场，并将被移除的粒子引向局部电极的孔径。粒子捕捉装置配置以在样品与局部电极之间的区域周围产生排斥电场，并将被移除的粒子排斥到孔径。位置侦测器配置以确定被移除的粒子的二维位置座标与被移除的粒子的飞行时间。处理器被配置为基于飞行时间辨识移除的粒子。

在一些实施方式中，粒子捕捉装置位于样品与局部电极之间，以包围样品的顶部、局部电极的底部，以及样品与局部电极之间的区域。在一些实施方式中，粒子捕捉装置不物理接触于顶部与底部。

在一些实施方式中，粒子捕捉装置的侧壁包括固体材料、网状材料或其组合。

在一些实施方式中，粒子捕捉装置包含导电材料。

在一些实施方式中，粒子捕捉装置的侧壁包括复数侧壁区段，侧壁区段被布置成以圆形方式或矩形方式围绕样品的顶部。

在一些实施方式中，粒子捕捉装置位于样品与局部电极之间，以形成包围区域。粒子捕捉装置包括可调节的复数侧壁区段，以基于样品或局部电极的尺寸来调节包围区域的体积。

在一些实施方式中，带电粒子侦测系统包括：局部电极、加速系统、导向系统以及位置侦测器。局部电极配置以产生吸引电场并将带电粒子从样品引向局部电极、加速系统、导向系统与位置侦测器的孔径。局部电极配置以产生吸引电场并将带电粒子从样品引向局部电极的孔径。加速系统包括彼此不同的第一类型加速器与第二类型加速器。第一类型加速器配置以将离开局部电极的带电粒子的从第一速度加速到高于第一速度的第二速度，并且第二类型加速器配置以将离开第一加速器的带电粒子从第二速度加速到高于第二速度的第三速度。导向系统配置以产生导向场并改变离开第二加速器的带电粒子的飞行路径方向。位置侦测器配置以侦测被移除的粒子的二维位置座标与带电粒子的飞行时间。

在一些实施方式中，第一类型加速器包括线性加速器，其配置以提供DC电压，DC电压介于从1kV至5000kV之间，且线性加速器包括纵横比为10至1000之间的加速管，其中纵横比是加速管的长度与直径的比值。

在一些实施方式中，第一类型加速器包括线性加速器，其配置以提供DC电压，DC电压介于从1kV至5000kV之间，且线性加速器包括纵横比为10至1000之间的加速管，其中纵横比是加速管的长度与直径的比值。

在一些实施方式中，第二类型加速器包括循环加速器，循环加速器配置以提供AC电压，AC电压的频率介于从1MHz至500MHz之间，且其中循环加速器包括加速管，加速管的直径介于从1cm至1m之间。

在一些实施方式中，导向系统包括导向元件，导向元件配置以产生导向场。

在一些实施方式中，带电粒子与导向元件间的最小距离介于从10cm至20cm之间。

在一些实施方式中，导向元件包括电极、电磁铁或磁透镜。

在一些实施方式中，局部电极与位置侦测器间的距离介于从10cm至20cm之间。

在一些实施方式中，用于侦测半导体度量工具中的电离原子的方法包括从样品产生电离原子、产生吸引电场以将电离原子导向局部电极的孔径、产生排斥电场以将电离原子导向孔径且防止电离原子漂移，以及侦测电离原子的二维位置座标与电离原子的飞行时间。

在一些实施方式中，产生排斥电场包括以一导电材料施加正偏压至包围样品的顶部的粒子捕捉装置、局部电极的底部以及样品与局部电极之间的区域。

在一些实施方式中，用于侦测半导体度量工具中的电离原子的方法更包括以下步骤。通过第一类型加速器将电离原子从第一速度加速至第二速度，第二速度高于第一速度。通过不同于第一类型加速器的第二类型加速器将电离原子从第二速度加速至第三速度，第三速度高于第二速度。

在一些实施方式中，用于侦测半导体度量工具中的电离原子的方法更包括以下步骤。偏转由第二加速器离开的电离原子。改变电离原子的飞行方向，其中改变的飞行方向相反且平行于离开局部电极的该些电离原子的飞行方向。

前文概述了若干实施例的特征，使得熟悉此项技术者可较佳理解本揭露的态样。熟悉此项技术者应了解，其可容易地使用本揭露作为设计或修改用于实现相同目的及/或达成本文中所介绍的实施例的相同优势的其他制程及结构的基础。熟悉此项技术者亦应认识到，此等等效构造不脱离本揭露的精神及范畴，且其可在不脱离本揭露的精神及范畴的情况下于本文中进行各种改变、代替及替换。