CN101922000B - 用于带电粒子束加工的含Au层 - Google Patents

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Abstract

本发明提供用于提供含Au层到工件表面上的方法，该方法包括：-提供(510)包括Au(CO)Cl的沉积流体；-沉积(520)流体在工件的至少部分表面上；以及-使带电粒子束射向(530)至少部分所述流体沉积到其上的工件的表面以分解Au(CO)Cl，由此在工件的表面上形成含Au层。通过使用Au(CO)Cl作为带电粒子诱发沉积的前驱物，可沉积与本领域内已知的方法相比具有非常高纯度的金Au层。

Description

用于带电粒子束加工的含Au层
技术领域
本发明涉及用于提供含Au层到工件表面上的方法和系统。
背景技术
例如离子束和电子束等带电粒子束用于加工工件(采用纳米技术)，因为带电粒子束可以形成非常小的束斑。例如，聚焦离子束系统能够用亚微米精度成像、切削、沉积和分析。聚焦离子束系统是商业上可获得的，例如从本申请的受让人Oregon，Hillboro的FEI公司。离子可以用于从工件溅射(即物理喷射)材料以在工件中产生特征，例如沟槽等。聚焦离子束常常用在半导体工业中。在一个应用中，例如聚焦离子束用于在集成电路中切割小的沟槽以暴露垂直结构的横截面以用于使用离子束或电子束观察或测量。
离子束还可以用于通过收集由离子束的撞击而喷射出的二次粒子来形成工件的图像。从表面上的每个点射出的二次粒子的数量用于确定在图像上对应点的图像的亮度。
另外，带电粒子设备具有快速和轮廓清晰的图案化能力。例如，可提供掩模以横切带电粒子，将掩模上的图案转移到带电射束。通过工件的适当准备，图案可以转移到工件的表面，这里带电粒子束横切工件。备选地，带电粒子束可配置成笔形射束(pencil beam)并且在计算机控制下在工件上被扫描。通过结合打开或关闭射束和射束在一个位置保持开的时间量(停留时间)，在工件上的图案可在不同的位置产生为具有不同的尺寸。
电子束还可用于加工工件。电子束加工例如在美国专利号6,753,538，给予Musil等人的“Electron Beam Processing(电子束加工)”中描述。电子束更常用于在称为电子显微镜法的过程中形成图像。电子显微镜法提供比光学显微镜法明显更高的分辨率和更大的景深。扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和扫描透射电子显微镜(STEM)是本领域内众所周知的变化形式中的一些。
带电粒子束还可以用于激活蚀刻剂气体以增强溅射，或用于分解前驱物流体以靠近射束撞击点沉积材料。这对于离子粒子束叫做离子束诱发沉积(IBID)并且对于电子粒子束叫做电子束诱发沉积(EBID)。EBID是通过聚焦电子束分解液体或气体分子而导致非挥发性碎片沉积到附近基底上的方法。所述沉积在电子显微镜的高真空腔中发生并且因此相对没有污染物。IBID与EBID不同在于使用聚焦离子束代替电子束。在这两个沉积方法中，不是一次射束而是二次粒子引起沉积。因此，沉积通过两步过程发生，其中基底、工件或已经沉积在沉积斑点附近的材料吸收一次电子并且重新发射分解气体分子的二次电子。
在这些沉积方法中，可以在基底或工件上沉积大范围的材料用于许多目的。这样的材料包括Al、Au、无定形碳、类金刚石碳、Co、Cr、Cu、Fe、GaAs、GaN、Ge、Mo、Nb、Ni、Os、Pd、Pt、Rh、Ru、Re、Si、Si3N4、SiOx、TiOx和W。选择沉积的材料取决于应用，包括下靶面(underlying target surface)的成分和沉积的计划目的。
常用的沉积气体包括前驱物化合物，其分解以沉积W、Pt和Au。例如六羰基化钨(W-hexacarbonyl)[CAS号14040-11-0]可以用于沉积钨W，甲基环戊二烯基Pt三甲基(methylcyclopentadienyl Pt trimethyl)[CAS号1271-07-4]可以用于沉积铂Pt，以及二甲基Au乙酰丙酮化物[CAS号14951-50-9]可以用于沉积金Au。这些前驱物化合物具有它们在沉积物中产生碳污染的缺点。
例如利用二甲基Au乙酰丙酮化物，一般观察到获得的沉积层与碳污染物的量相比仅包含相对低的Au量。图4示出使用二甲基Au乙酰丙酮化物作为前驱物沉积的Au层的典型表征图200。元素成分使用能量分散型X射线能谱仪表征。图200指示沿水平轴0-2.8keV的范围和沿垂直轴的计数数量。描绘了四个峰-对于碳C 210在0.2和0.4keV之间、氧O 220在0.4和0.6之间、硅Si在1.6和1.8之间和金Au 230在2和2.2keV之间。峰的高度指示计数数量，并且图4描绘73mm的碳C峰210、24mm的氧O峰220、9mm的硅Si峰和11.5mm的金Au峰230。在沉积中金对碳的比率因此是大约11.5∶73，或大约1∶6.35。也就是说，小量的金(9原子％)和大量的碳污染(80原子％)。
根据所述化合物的高成本和因此获得的层的低电导率，将理解提供用于产生包含相对于碳污染物量的更高量的Au的层的沉积方法是可取的。
前驱物材料可最初供应为气体、液体或固体。液体或固体在沉积之前典型地气化，通常通过蒸发或升华来气化，并且以准确控制的速率作为流体引入系统腔中。备选地，固体前驱物可通过使用带电束照射来升华。
用于沉积流体到工件的表面上的装置，所谓的流体或气体注入系统是本身众所周知的，并且很多种这样的装置可以在本发明中使用。根据本发明可以使用的适合的流体注入系统已经在PCT申请WO00/22670的图3和4以及对应的说明中描述。
使用圆筒(粒子束和流体通过该圆筒)的备选流体注入系统也适合在本发明中使用。示例在美国申请US5,149,974中公开。
如上文描述的，所沉积的材料可以使用EDX表征，其中样品用X射线或高能电子或质子束(粒子诱发X射线发射或质子诱发X射线发射-PIXE)轰击。由于轰击而发生原子相互作用，放射出对于元素特有的在电磁波谱的X射线部分中的波长的EM辐射。
备选地，电子显微镜技术可在沉积期间或在其后立即使用。原位电学和光学表征也是可能的。对于离子束沉积系统，可集成电子显微镜用于表征。这通常叫做双射束系统(dual beam system)。
发明内容
本发明的目的是提供用于提供含Au层到工件表面上的系统和方法。
因此，本发明涉及用于提供含Au层到工件表面上的方法，该方法包括：
提供510包括Au(CO)Cl的沉积流体(蒸汽或气体)；
沉积520该流体在工件的至少部分表面上；以及
使带电粒子束射向530工件的表面，至少部分流体在该表面上被吸收到表面，接着Au(CO)Cl的射束诱发分解由此在工件的表面上形成含Au层。
令人惊奇地，当根据本发明使用Au(CO)Cl作为前驱物时，获得的含Au层包含相对高的金比碳的比率，这表示低水平的碳污染。这比基于前驱物化合物的化学式中的Au∶C比率所期望的要高得多。
适当地，根据本发明，流体的沉积在减小的压强下进行。优选地，沉积在真空下进行。更优选地，气体的沉积在例如电子显微镜等带电粒子设备的高真空腔中进行。
通过使用可控环境，可以减小污染。
优选地，根据本发明将使用的带电粒子束是离子束或电子束。更优选地，将使用的带电粒子束是电子束。
带电粒子束系统本身是已知的，并且很多种可以在本发明中使用。这样的现有系统可以由技术人员改良以提供根据本发明的系统。
配置带电粒子束以转移图案到含Au层中的表面可以是进一步有利的。这允许图案施予沉积的Au层。
有利地，带电粒子束是笔形射束并且图案通过按照预定的顺序在表面上扫描笔形射束而形成。这提供高度的灵活性，并且在研究领域中特别有用，在研究领域对于每个工件用相同的参数和设定值来操作沉积系统是不常见的。
本发明还涉及Au(CO)Cl作为电子束诱发沉积(EBID)或离子束诱发沉积(IBID)的前驱物的用途。
另外，本发明提供用于在粒子光学设备中输送沉积流体的容器，其中容器包括Au(CO)Cl。
提供根据本发明的系统，包括：
工件固定装置，配置成定位工件的表面在照射位置；带电粒子源，配置成提供带电粒子束到照射位置；流体注入器，配置成提供包括Au(CO)Cl的沉积流体到照射位置，
其中带电粒子束和流体注入器配置成分解沉积流体，由此在工件的表面上形成含Au层。
附图说明
本发明的这些和其他方面从在下文中描述的实施例是明显的并且将参照这些实施例阐明。
在附图中：
图1示出根据本发明的带电粒子束系统；
图2描绘根据本发明的方法；
图3描绘使用本发明沉积的Au线；
图4描绘从根据现有技术的Au沉积物获得EDX谱，以及
图5描绘从由本发明的方法和系统提供的Au沉积物获得的EDX谱。
这些图是纯粹图解的并且不按比例绘制。特别地为了清楚，一些尺寸被强烈夸大。在图中相似的部件由尽可能相同的标号指示。
具体实施方式
在图1中，带电粒子束系统300示意地示出用于在本发明的方法中使用。系统300包括：
-产生射束360以便照射工件110的带电粒子源310；
-用于探测工件110通过射束的辐射的探测器350，例如由于电子或离子束的撞击从工件发射的二次电子的探测器。这可用于在沉积期间或沉积后沉积的表征。备选地，或另外，探测器350可包括X射线探测器，使得EDX技术可与适当的粒子束设定值结合用于表征；
-向工件110表面附近供应流体(典型地气体)的流体注入器390；
-用于收容和定位工件110的工件固定装置380；
-用于控制内部系统环境、工件固定装置380的移动、带电粒子束源310、流体注入器390以及用于处理来自探测器350的信号的控制设备320；
-用于提供用户输入的用户界面330；以及
-用于向用户提供视觉信息的显示器340。
接收含Au层的工件110根据沉积的目的和应用来选择。例如，可使用硅、Si3N4、GaAs或Ge的半导体晶圆。其他的可能性包括生物样品、聚合物、玻璃(SiO2)和陶瓷。
内部系统环境典型地采用某种方式调整以减小污染的风险并且减少带电粒子束和大气气体之间的相互作用。例如，可使用减小的压强或甚至真空，真空度典型地小于10-5mbar或更好。
流体注入器390典型地包括控制系统以调整沉积气体的流动，和在系统300内的一个或多个导向装置以确保在照射位置获得期望的沉积气体的分压。例如，具有小节流孔(orifice)的毛细管用于使气体射向工件。输送点可通过结合操纵器成为可调节的。
流体注入器390进一步的配置取决于将注入的流体或气体，-它可包括冷却和/或加热以获得一定温度，它可包括容器用于容纳沉积流体或它可与远程供应源连通，它可包括增压部件以获得一定的沉积气体压强或流率。
用于注入的前驱物化合物的选择主要取决于将沉积的材料。然而，其他重要的标准包括在合理的温度产生流体形态的能力、沉积的材料对工件足够的粘附力、处于流体态温度的稳定性和相对极少副产物的产生。
根据本发明的前驱物是Au(CO)Cl，同样称为氯碳酰基金(chlorocarbonyl gold)或碳酰基氯化金(gold carbonyl chloride)。它可通过它的CAS号50960-82-2识别并且它可从许多化学供应商处可获得，例如Meryer Chemical(中国)、Leancare Ltd(英国)、ServiceChemical Inc(德国)和Strem Chemicals，Inc(美国)等。
Au(CO)Cl典型地供应为99％纯度的粉末，其在使用前加热。加热优选地在流体注入器390中接近注入点处进行。
在示范性实施例中，带电粒子束配置成转移图案到含Au层中的表面。例如，带电粒子束可以是笔形射束并且图案通过按照预定的顺序在表面上扫描笔形射束来形成。备选地或结合地，可提供掩模以横切带电粒子束，使得带电粒子束的强度对应于掩模上的图案被调制。
系统300配置成使得转移到表面的图案包括形成正方形的轮廓的四条线，每条线具有大约15nm的线宽。沉积的线的线宽主要取决于在图案中确定的线宽和系统300的设定值，例如沉积期间的停留时间和射束直径等。另外，线宽受沉积条件影响，例如前驱物在工件的分压和射束能量等。到工件110上的沉积物的厚度取决于前驱物在工件的分压、射束能量和沉积期间的停留时间。前驱物在工件的分压取决于前驱物的温度、前驱物流体通过流体注入器390的流率和注入器390到工件的接近度。
在该示范性实施例中，射束电流(beam current)选择为在1pA-20nA的范围中。例如，它是大约1.6nA且具有5kV的电子束。流体注入器390定位于离工件110例如小于1mm、优选地大约200μm，并且选择每秒1014-1018个分子的注入速率以在工件的若干平方毫米上提供前驱物流体。覆盖的区域的尺寸不是关键的，但流体应该在将提供图案化射束360的区域中存在于工件110上，这对于技术人员将是明显的。
Au(CO)Cl前驱物作为粉末添加到流体注入器390，并且加热到26摄氏度。选择温度使得前驱物当用流体注入器390注入时将流动，因此大范围的温度是可能的。工件110处于大约24摄氏度的室温。Au(CO)Cl使用注入器390作为流体朝工件110的表面注入，并且电子束360射向工件110的存在Au(CO)Cl流体的表面。通过将四条线的图案产生到流体上，采用金的四条线图案沉积在工件110上。
图3描绘由该示范性实施例提供的在硅工件110上的金线110的SEM图像100。图像100使用在图像上指出的设定值130来拍摄，即具有18kV射束和300000的放大率。图像100还包括比例尺120，其对应于400nm，其使线110大约15nm宽。
技术人员将知道如何通过调节上文指出的参数中的一个或多个而使示范性实施例适合产生小于10nm的线宽。
沉积的表征可在沉积期间或沉积后使用探测器350原位进行。备选地，沉积可采用包括探测器350的独立设备表征。
图5示出根据示范性实施例使用Au(CO)Cl作为前驱物的沉积的Au层的表征图600。元素成分使用包括能量分散型X射线能谱仪(EDX)(例如可从EDAX可获得的那些)的探测器350表征。电子束360设置到5kV且具有0.3nA的射束电流，并且这用于作为SEM扫描沉积的金线110。
图600指示沿水平轴0-5keV的范围和沿垂直轴的计数数量。描绘了四个峰-对于碳C 610在0和1keV之间、氧O 620在0和1之间、金Au 630在2和3keV之间和氯Cl 640在2和3之间。峰的高度指示计数数量，并且图4描绘20.5mm的碳C峰610、20.5mm的氧O峰620、109.5mm的金Au峰630和14mm的氯Cl峰640。在沉积中金对碳的比率因此是大约20.5∶109.5，或大约1∶0.2。也就是说，大量的金(80原子％)和小量的碳污染(15原子％)。
根据本发明的方法构成在常规带电粒子束沉积方法上的重大改进，这从上文将是清楚的。特别，在该层中存在的不小于80原子％的高Au量是非常出乎意料的，因为技术人员基于在前驱物的化学式中存在的元素相对量会预计获得的层包含不超过33原子％的Au。另外惊人的是，再次基于化学式在沉积的金Au中存在相对低水平的氯Cl。不希望受理论束缚，发明者提出了，自由基可在沉积期间形成，其减小碳污染量。
使用二甲基Au乙酰丙酮化物作为前驱物的技术人员将从该前驱物的化学式中存在的元素相对量预测，Au层应该包括大约11原子％的金Au。在图4中描绘并且在上文论述的结果近似对应于该预测。
在沉积中更高水平的纯度意味着在半导体应用中重要的更好的电导率。同样通过直接沉积高水平纯度，可避免例如退火等后处理技术以去除碳污染，这简化总生产过程。
被提供公开的方法的细节的技术人员将能够实现除在该申请中公开的系统之外的用于执行该方法的许多系统。典型地，这样的系统将包括计算机，并且技术人员将能够指定功能给硬件和软件的组合并且因此执行计算机程序以实施这些方法(当在计算机上装载并且运行时)。
在权利要求中，放置在圆括号之间的任何标号不应该解释为限制权利要求。动词“包括”和它的词形变化的使用不排除除了在权利要求中叙述的那些之外的元件或步骤的存在。在元件前面的冠词“一”或“一个”不排除多个这样的元件的存在。本发明可通过包括若干不同元件的硬件和通过适当程序化的计算机实现。
单纯的事实，即某些措施在互相不同的附属权利要求中记载，不表明这些措施的组合不能效果好地使用。

Claims (13)

1.一种用于提供含Au层到工件表面上的方法(500)，所述方法包括：
提供(510)包括Au(CO)Cl的沉积流体；
沉积(520)所述流体在所述工件表面的至少一部分上；
使带电粒子束射向(530)所述流体的至少一部分沉积到其上的所述工件表面；以及
配置所述带电粒子束来提供二次电子以分解Au(CO)Cl，由此在所述工件表面上形成含Au层。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述流体的沉积在减小的压强下进行。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述沉积在真空下进行。
4.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其中所述带电粒子束是离子束或电子束。
5.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其中所述带电粒子束配置成转移图案到所述含Au层中的表面。
6.如权利要求5所述的方法，其中所述带电粒子束是笔形射束并且所述图案通过按照预定的顺序在所述表面上扫描所述笔形射束来形成。
7.如权利要求5所述的方法，其中提供掩模以横切所述带电粒子束，由此带电粒子束的强度对应于所述掩模上的图案而被调制。
8.如权利要求5所述的方法，其中转移到所述表面的图案包括在尺寸上小于100nm的特征。
9.如权利要求5所述的方法，其中转移到所述表面的图案包括在尺寸上小于50nm的特征。
10.如权利要求5所述的方法，其中转移到所述表面的图案包括在尺寸上小于10nm的特征。
11.Au(CO)Cl作为二次电子诱发沉积的前驱物的用途，所述二次电子通过合适地配置带电离子束来提供。
12.一种用于提供含Au层到工件(110)表面上的系统(300)，所述系统包括：
-工件固定装置(380)，配置成定位工件(110)的表面在照射位置；
-带电粒子源(310)，配置成提供带电粒子束(360)到所述照射位置；
-流体注入器(390)，配置成提供包括Au(CO)Cl的沉积流体到所述照射位置，
-其中所述带电粒子束(310)和流体注入器(390)被配置成提供二次电子以分解所述沉积流体，由此在所述工件(110)的表面上形成含Au层。
13.如权利要求12所述的系统，其中所述流体注入器(390)包括容器，其配置成储存所述沉积流体。
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