CN110581088B - 用于表面平坦化的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于表面平坦化的方法和设备。本文公开了用于将表面平坦化的技术。一个实例包括将样品的表面定向到带电粒子束轴，所述样品包括由第一和第二材料形成的第一层，所述第一材料图案化成多条平行线并且置于所述第二材料中，其中所述表面定向为与所述带电粒子束轴形成浅角，并将所述多条平行线垂直于所述带电粒子束轴排列；向所述表面提供带电粒子束；向所述表面提供气体；并用离子诱导的化学蚀刻选择性地向下蚀刻所述第二材料至少达到所述第一材料的顶面，由于所述带电粒子束和所述气体同时存在于所述样品表面上而刺激所述带电粒子诱导的蚀刻。

Description

用于表面平坦化的方法和设备
技术领域
本公开总体涉及带电粒子束辅助蚀刻，更具体地涉及离子束辅助平坦化。
背景技术
通常从晶片或芯片中取出的小半导体样品的物理分析按照惯例需要对晶片或芯片的区域进行剥层(de-processing)以露出所需的分析区域。随着半导体加工技术的发展，由于晶片/芯片中包括多个层和多种材料，剥层变得更为复杂。电路的特征尺寸也缩小了，这对其自身剥层造成了限制。由于电路的各种层和尺寸，去除上层以暴露可能包括缺陷的所需位置变得更为复杂。虽然老旧技术的电路较大并且剥层需要的控制较少，但新近技术需要更精确的保真度才能露出所需区域而不会在剥层过程中影响这些区域。其中一个方面需要平坦的表面，其有助于均匀地去除各层并提供一些过程控制。虽然先前的平坦化方法对较大的特征件有用，但是它们与较小特征件一起使用并不理想。因此，期望用于较小特征尺寸的平坦化技术。
发明内容
本文公开了用于将表面平坦化的技术。一个示例包括将样品的表面定向到带电粒子束轴，所述样品包括由第一和第二材料形成的第一层，所述第一材料图案化成多条平行线并且置于所述第二材料中，其中所述表面定向为与所述带电粒子束轴形成浅角，并将所述多条平行线垂直于所述带电粒子束轴排列；向所述表面提供带电粒子束；向所述表面提供气体；并用离子诱导的化学蚀刻选择性地向下蚀刻所述第二材料至少达到所述第一材料的顶面，由于所述带电粒子束和所述气体同时存在于所述样品表面上而刺激所述带电粒子诱导的蚀刻。
附图说明
图1说明了根据本公开的实施例的带电粒子系统。
图2是根据本公开的实施例的用于将样品平坦化的示例构造。
图3A和3B分别是样品的说明性侧视图和平面图。
图4A至图4E是根据本公开的实施例，样品在平坦化技术的各个阶段的说明性侧视图。
图5A至5D是根据本公开的实施例，用于将样品平坦化的铣削和蚀刻工艺501的示例说明。
图6是根据本公开的实施例的示例平坦化方法。
在附图的全部多个视图中，相同的参考标记是指相对应的部分。
具体实施方式
本发明的实施例涉及不以相似速率蚀刻和/或铣削，将包括各种材料的样品平坦化。所公开的平坦化工艺使用第一材料的特征件来掩蔽由于带电粒子束与样品表面之间的角度而导致的对第二材料的铣削。因而，在第一材料的顶层形成平坦表面。在一些示例中，第一材料是形成为平行线的金属，并且第二材料是电介质。提供工艺气体以刺激离子诱导的电介质蚀刻，同时金属线充当带电粒子束的荫罩以减少或防止对电介质的铣削。然而，应当理解的是，本文所描述的方法通常适用于各种不同的断层摄影方法和设备，包含锥形束系统和平行束系统两者，并且不限于任何特定的设备类型、光束类型、物体类型、长度尺度或扫描轨迹。
如在本申请书和权利要求书中所使用的，除非上下文中另外明确指明，否则单数形式“一”、“一个”以及“所述”包括复数形式。另外，术语“包含”意指“包含”。进一步地，术语“联接”不排除联接件之间存在中间元件。另外，在以下讨论和权利要求中，术语“包括”和“包含”以开放式的方式使用，因此应该被解释为意指“包括但不限于......”。“集成电路”是指在微芯片的表面上图案化的一组电子元件及其互连(统称为内部电路元件)。术语“半导体器件”一般是指集成电路(IC)，其可以是半导体晶片必不可少的，与晶片分离的，或者封装在电路板上使用。术语“FIB”或“聚焦离子束”在本文中用于指任何准直离子束，包括由离子光学器件聚焦的离子束和成形离子束。
本文所描述的系统、设备以及方法不应以任何方式被解释为限制性的。相反，本公开涉及各种公开的实施例(单独和以彼此的各种组合和子组合)的所有新颖和非显而易见特征和方面。所公开的系统、方法以及设备不限于任何特定方面或特征或其组合，所公开的系统、方法以及设备也不要求存在任何一个或多个具体优点或者要求问题被解决。任何操作理论都是为了便于解释，但是所公开的系统、方法以及设备不限于这种操作理论。
尽管所公开的方法中的一些的操作被以用于方便呈现的特定顺序次序描述，但是应当理解的是，此描述方式涵盖重新布置，除非特定排序是在下面所阐述的具体语言所要求的。例如，在某些情况下，可以重新布置或并发执行按顺序描述的操作。此外，为简明起见，附图可能未示出所公开的系统、方法以及设备可以与其它系统、方法以及设备结合使用的的各种方式。另外，本说明书有时使用像“产生”和“提供”等术语来描述所公开的方法。这些术语是被执行的实际操作的高级抽象。与这些术语相对应的实际操作将取决于特定实现而变化并且易于由本领域普通技术人员辨别。
在一些实例中，数值、程序或设备被称为“最低”、“最佳”、“最小”等。将被认识到的是，此类描述旨在表明可以在许多使用的功能替代方案中进行选择，并且这种选择不需要更好、更小或者优选于其它选择。另外，所选择的值可以通过数字或其它近似方式获得，并且可以仅是理论上正确/值的近似值。
图1说明了根据本公开的实施例的带电粒子系统100。系统100可以是聚焦离子束(FIB)系统或双束系统。然而，在任一系统中，都可以包括电子显微镜用于成像和检查加载的样品，并且包括离子束系统用于对加载的样品进行加工和/或成像。系统100的FIB部分至少包括具有上颈部104的真空外壳，系统100的离子束部件容纳在上颈部104内。离子束部件可以至少包括源106，如液态金属或等离子体离子源，以及聚焦柱108。还可以包括其他类型的离子源，如多尖峰或其他等离子体源，以及其他光学柱，如成形离子束柱。
离子束110从液态金属离子源106通过离子束聚焦柱108并且在静电偏转板112之间朝向样品102。 样品102可以是下腔室116内的平台114上的半导体晶片或晶片碎片。在一些实施例中，平台114可另外支撑一个或多个透射电子显微镜(TEM)样品架，使得如果需要，则可从样品中取出TEM片层并移至TEM样品架。平台114可以在水平平面(X和Y轴)上和垂直(Z轴)移动，并且还可以倾斜大约+/-六十(60)度并绕Z轴旋转。系统控制器144控制系统100的各个部件，例如电子显微镜部分和FIB部分的操作。通过系统控制器144，用户可以通过输入到传统用户界面(未示出)中的命令以所需方式控制要扫描的离子束110。或者，系统控制器144可以根据存储在计算机可读存储器(如RAM、ROM或磁盘或光盘)中的编程指令来控制系统100的FIB部分。存储器可以存储用于以自动或半自动方式执行上述方法的指令。来自SEM的图像可用于决定何时继续加工，何时停止加工，以及何时样品102在所需层处是平坦的。
采用离子泵118抽空上颈部104。在真空控制器122的控制下，用涡轮分子和机械泵送系统120将下腔室116抽空。真空系统在下腔室116内提供大约1 x 10-7托(1.3 x 10-07毫巴)和5 x 10-4托(6.7 x 10-4毫巴)之间的真空。如果使用蚀刻辅助气体、蚀刻延迟气体或沉积前驱气体，则腔室背景压力可升高，通常升高到约1 x 10-5托(1.3 x 10-5毫巴)。
高压电源124连接到离子源106以及离子束聚焦柱108中的适当电极，用于形成大约0.5 keV至60 keV的离子束110并将其导向样品。
根据由图案发生器128提供的规定图案操作的偏转控制器和放大器126与偏转板112耦合，由此可以手动或自动控制离子束110以在样品102的上表面描绘出相应的图案。在一些实施例中，如本领域所公知的，偏转板放置在末级透镜之前。当消隐控制器(未示出)向消隐电极施加消隐电压时，离子束聚焦柱108内的束消隐电极(未示出)使离子束110撞击到消隐孔(未示出)而不是样品102上。
离子源106通常提供离子的离子束，所述离子类型取决于离子源106的类型。源通常能够在样品102处聚焦成亚十分之一微米宽的光束，以通过离子铣削、增强蚀刻、材料沉积而改变样品102，或用于对样品102成像。用于检测次级离子或电子发射的带电粒子检测器130，如Everhart Thornley或多通道板，连接到视频电路132，视频电路132向视频监控器134提供驱动信号并从控制器144接收偏转信号。
带电粒子检测器130在下腔室116内的位置在不同实施例中可以不同。例如，带电粒子检测器130可以与离子束同轴并且包括允许离子束通过的孔。在其他实施例中，次级粒子可以通过末级透镜收集，然后从轴上转移以进行收集。任选地为系统100提供有扫描电子显微镜SEM 146及其电源和控制器154。
注气系统(GIS)136延伸到下腔室116中，用于将气态蒸汽引入并导向样品102。例如，可以递送二氟化氙以增强蚀刻，或者可以递送金属有机化合物以使金属沉积。除二氟化氙外，其他可能的气体包括氯、碘、溴、一氧化二氮、氧、水、氟、三氟乙酸、三氟乙酰胺、甲基硝基乙酸、乙酸酐及其组合。用于加工任何给定样品102的气体的选择可以取决于形成样品的一种或多种材料，并且进一步通过选择性地蚀刻一种材料上的另一种材料的需要来确定。例如，如果样品102上的一层包括包裹在电介质中的铜线并且希望蚀刻铜上的电介质，则可以通过GIS 136提供二氟化氙。当然，其他材料组合可导致GIS 136提供一种或多种不同的气体。
微操纵器150，如来自Omniprobe, Inc., Dallas, Texas的AutoProbe 200™，或来自德国Kleindiek Nanotechnik, Reutlingen的型号MM3A，可以精确地移动真空室内的物体。微操纵器150可包括位于真空室外部的精密电动机138，以提供对位于真空室内的部分152的X、Y、Z和θ控制。微操纵器150可以配备有不同的末端执行器用于操纵小物体。在下述实施例中，末端执行器是细探针140，其可以电连接到系统控制器144以向探针140施加电荷以控制样品和探针之间的吸引力。
打开门142，将样品102插到X-Y平台114上，可以加热或冷却X-Y平台114，并且如果使用的话，还用于维护内部供气贮器。将门互锁，以致如果系统处于真空下，则无法将门打开。高压电源向离子束聚焦柱108中的电极提供适当的加速电压，用于激励和聚焦离子束110。当它撞击样品102时，从样品中溅射物理喷射的材料。或者，离子束110可以分解前驱气体以使材料沉积。虽然以上提供了合适硬件的示例，但是本文公开的技术不限于以任何特定类型的硬件实现。
系统100可以能够加工各种样品，如半导体晶片和/或集成电路(IC)。本文公开的技术可以在系统100中实现，用于平坦化晶片和/或IC的所需区域。另外，本文公开的技术可用于平坦化用于透射电子显微镜(TEM)中的片层。在任一种使用情况下，可能希望加工样品以形成平坦表面，至少相对于晶片/IC的下层结构，或者相对于片层的相对侧是平坦的。例如，现代半导体晶片包括在衬底的薄层上或薄层中形成的有源电路，并且使用若干层金属线/迹线将电路互连。在一些实施例中，可以存在多达七层互连和相关联的通孔。在一些实施例中，互连上层可以具有比互连下层更厚的金属线。在一些实施例中，较厚的金属线可妨碍在向下蚀刻到下层(例如电路)时保持平坦结构。然而，本文公开的技术允许在去除各层时实施平坦化工艺。保持平坦化可以防止过度蚀刻所需层，使得不会无意中去除指定用于进一步研究的区域。
在一些实施例中，本文公开的平坦化技术包括呈浅角/掠射角将样品102定向到离子束，同时通过GIS 136提供一种或多种工艺气体。另外，如上所述，通过将金属线定向为垂直于离子束，可以将样品中的互连线用作离子束的荫罩。因此，浅角和垂直金属线荫罩(金属线上方的材料)的组合，可以通过离子诱导的蚀刻进行化学蚀刻，而在金属线下方和与金属线横向相邻的材料由于金属线荫罩而经历有限的离子诱导蚀刻。在蚀刻过程期间，离子束将在样品102的区域上方光栅化以平坦化，从而开始化学辅助蚀刻，但停留时间可能短暂。短暂的停留时间也可以减少机械铣削/烧蚀并促进化学蚀刻，而长的停留时间可消耗存在的所有气体并且可以开始机械铣削。离子束可以以低能量和低束流密度提供，这样提供了一组刺激化学蚀刻而不是机械烧蚀/铣削的条件。
因而，该技术建立了一组参数-掠射角、选择性工艺气体、离子束能量、束流密度-促进对金属上的电介质的选择性蚀刻并且由金属形成的金属线的排列提供荫罩，以进一步减少金属线之间的电介质的铣削。对金属线上的电介质的一些铣削是可容许。然而，当向下蚀刻电介质达到与金属线顶面齐平的水平时，可以禁用离子束，从而获得与金属线齐平的平坦表面。
浅角/掠射角可以由金属线之间的距离确定，这可以是反比关系。例如，相距较远的金属线可能需要比更靠近在一起的金属线更浅的角。
应该认识到，本公开的实施例可以通过系统100的计算机硬件或软件或两者的组合来实现。该方法可以在计算机程序中使用标准编程技术-包括构造有计算机程序的计算机可读存储介质来实现，其中这样构造的存储介质-根据本文所述的方法和附图-使计算机以特定和预定义的方式操作系统100。每个程序可以用高级程序化或面向对象的编程语言实现，以与计算机系统通信。但是，如果需要，所述程序可以用汇编语言或机器语言实现。在任何情况下，所述语言都可以是编译语言或解释语言。而且，所述程序可以在为此目的编程的专用集成电路上运行。
此外，方法可以在任何类型的计算平台中实现，包括但不限于个人计算机、微型计算机、主机、工作站、网络或分布式计算环境，与带电粒子工具或其他成像装置分开、集成或通信的计算机平台等。本发明的各方面可以在存储在存储介质或装置上的机器可读代码中实现，所述存储介质或装置无论是可移动的还是与计算平台集成的，例如硬盘、光学读出和/或写入存储介质、RAM、ROM等，使得存储介质或装置可被可编程计算机读取，以在计算机读取存储介质或装置时构造和操作计算机以执行本文所述的过程。而且，机器可读代码或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类介质包含用于连同微处理器或其他数据处理器一起实现上述步骤的指令或程序时，本文描述的本发明包括这些和其他各种类型的计算机可读存储介质。当根据本文所述的方法和技术编程时，本发明还包括计算机本身。计算机程序可以应用于输入数据以执行本文所述的功能，从而变换输入数据以生成输出数据。将输出信息应用于一个或多个输出装置，如显示监控器。在本发明的优选实施例中，变换后的数据表示物理有形物体，包括在显示器上产生物理有形物体的特定视觉描绘。
本发明的优选实施例还使用粒子束设备，如FIB或SEM，以便使用带电粒子束加工样品102。此外，在整个本说明书中，利用诸如“计算”、“测定”、“测量”、“生成”、“检测”、“形成”等术语的讨论也涉及计算机系统或类似的电子设备的操作和过程，所述计算机系统或类似的电子设备操纵表示为计算机系统内的物理量的数据并将其转换成类似地表示为计算机系统或其他信息存储器、传输或显示设备内的物理量的其他数据。
本文公开的技术具有广泛的适用性并且可以提供如所讨论的实施例中所描述和示出的许多益处。实施例将根据具体应用而有很大变化，并非每个实施例都将提供所有益处并满足可通过本发明实现的所有目标。然而，尽管前面的大部分描述是针对FIB铣削和成像的使用，但用于加工所需样品的光束可包括例如电子束、激光束或聚焦或成形离子束，例如，来自于液态金属离子源或等离子体离子源，或任何其他带电粒子束。此外，尽管先前的大部分描述涉及粒子束系统，但是本发明可以应用于采用可移动样品台以导航到样品特征件的位置的任何合适的样品成像系统。
当本文讨论系统平台或离子束放置或导航的位置误差或精度时，术语±100 nm(或±30 nm或±X nm)意指可以将离子束引导到样品上的一个位置，最大误差为100 nm(或30 nm或x nm)。术语“±X nm的精度”或“X nm或更佳定位精度”意指精度至少为X nm并包括所有更小的值。术语“X nm或更大的精度”意指精度至多为X nm并且包括所有更大的值。
在本说明书中没有特别定义任何术语的情况下，其意图是该术语具有其简单和普通的含义。附图旨在帮助理解本发明，并且除非另有说明，否则未按比例进行绘制。
尽管已经详细描述了本发明及其优点，但是应该理解，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对本文描述的实施例进行各种变化、替换和改变。而且，本申请的范围并非旨在限于说明书中描述的工艺、机器、制造、物质组成、方式、方法和步骤的特定实施例。本领域普通技术人员从本发明的公开内容将容易理解，目前存在或稍后会开发的执行与本文所述的相应实施例基本相同的功能或实现基本相同的结果的工艺、机器、制造、物质组成、方式、方法或步骤，可以根据本发明加以利用。因此，所附权利要求旨在在其范围内包括此类工艺、机器、制造、物质组成、方式、方法或步骤。
图2是根据本公开的实施例的用于将样品平坦化的示例构造201。可以在带电粒子系统(如系统100)中实现的构造201说明了样品202与离子束218的相对定向。构造201说明了样品202和离子束218之间的相对角度θ，其允许平坦化样品202的目标区域。为了说明该构造，图2中说明了样品202、离子束218、平台214和注气系统(GIS)236，其将位于带电粒子束系统(如系统100)的腔室中。略去了带电粒子系统的其余元件以不使附图混乱。
平台214可以基于构造201将样品202定向成与离子束218成所需的角度θ。在一些实施例中，角度θ可以是浅角或掠射角。例如，角度θ可以在1°至20°的范围内。然而，角度θ的度数可以基于样品202的有源层的至少一个特征件来调整。如本文所用，“有源层”包括至少一层电路元件，例如晶体管、电阻器、电容器等，以及包括互连(例如，导电迹线)的一层或多层。例如，有源层202A可以包括一层电路元件和置于其上的多达8层不同的互连，包括连接通孔。在一些实施例中，不同的互连层可以由导电迹线形成，并且被一种或多种介电材料分开并封装在其中。另外，每个互连层的导电迹线可以具有不同的高度、宽度，并且以不同的间距分开。在一些实施例中，高度、宽度和/或间距可以影响角度θ。
虽然将本实施例描述为在倾斜的平台上实现以获得所公开的浅角/掠入射角，但是在其他实施例中，安装在平台214上的倾斜楔形物可以为样品提供固定平台202。在此类实施例中，由于将样品202固定在倾斜楔形物上，平台218可以不需要倾斜太多或根本不需要倾斜就能获得所需的浅角。倾斜楔形物构造成具有固定表面，该固定表面相对于离子束218提供所需的掠射角。
离子束218由离子柱256提供，离子柱256可包括系统100的FIB部分，例如离子源106、离子束聚焦柱108和布置在真空封壳104内的偏转板112。可以在一定能量范围内提供离子束，所述能量范围可以是0.5 keV至30 keV。当然，除了列出的范围之外的能量是可能的并且在本文中考虑到。然而，在一些实施例中，可能希望以低能量提供离子束218以减少或限制所需材料的机械铣削并且优先在所需材料中诱导化学蚀刻。例如，离子束218可以以500 eV至12 keV的能量提供。除了离子束218的能量之外，还可以基于平坦化技术的各种因素来调整用于产生离子束的源电流。例如，平坦化技术可以理想地使用低束流图案密度，例如在0.1 pA/µm2至1 pA/µm2的范围内进行。单位pA/µm2是每平方微米皮安。束流可以取决于待平坦化区域，例如平坦化区域258的大小，以及其他因素，例如离子束218的停留时间、离子束重叠和更新时间。因而，平坦化区域258越大可以导致越高的绝对源电流，以提供示例范围内的图案束流密度。当然，在示例范围之外的图案束流密度也是可能的并且在本文中考虑到。一般而言，可以基于以下条件提供离子束218：束流密度理想地为1-2 pA/µm2，不超过约50 pA/µm2，停留时间为100 纳秒，束重叠为约0%并且如果需要，则更新时间为1-5毫秒。
可以通过GIS 236流入一种或多种工艺气体来诱导蚀刻。在一些实施例中，可以尽可能靠近平坦化区域258提供工艺气体，如图2中通过注气系统236的放置所示。然而，在一些实施例中，系统100的部分在工作腔室内的布置可以限制GIS 236相对于平坦化区域258的接近度。工艺气体的选择可取决于要蚀刻的材料和形成荫罩的导电迹线。因而，期望选择选择性地或高度选择性地蚀刻导电迹线上的材料的气体或气体组合。在一些实施例中，如前所述，要蚀刻的材料是电介质。然而，在其他实施例中，所述材料也可以是金属，但是由与导电迹线不同的金属形成。例如，导电迹线可以由铜形成，而要蚀刻的材料可以是铝或钨。为了提供一些示例中，当在铜或铝金属线的存在下选择性地蚀刻电介质，例如SiO2、Si3N4和SiC时，优选各种卤代蚀刻剂(如XeF2、TFA等)。另一方面，当在金属存在下蚀刻聚合物如聚酰亚胺时，优选含氧前体，例如O2、水、N2O、硝基乙酸甲酯等。许多其他材料组合也是可能的，并且每种组合都需要精心挑选的蚀刻剂才能实现选择性去除。
在操作中，GIS 236可以向平坦化区域258提供所需的工艺气体分压。正如通过主真空计在下部腔室116中所测量的，所公开的方法的执行过程中的蚀刻气体压力，按照惯例可以为1至2 e-5毫巴，蚀刻气体未流入腔室内时，正常背景压力为约1 e -6毫巴。在工艺气体的存在下，离子束218将以所需能量和图案束流密度提供，样品202呈所需浅角θ定向。有源区域202A的导电迹线(未示出，但参见图3和图4)定向为垂直于离子束218的入射方向，并且可以用作离子束218的荫罩。作为荫罩，导电迹线可以限制或防止离子铣削在分离金属线的区域中的材料(例如，电介质和/或金属)。另外，离子束218的高能离子可以与工艺气体相互作用，以优先在导电迹线上方诱导材料的蚀刻。因而，可以选择所使用的工艺气体以优先蚀刻导电迹线上方的材料，无论是电介质还是金属。而且，低图案束流密度也可以限制机械铣削的量超过化学蚀刻的量。通常，离子束218中的能量的量可以确定所产生的工艺是否比集中铣削更多地集中蚀刻，并且本文公开的平坦化技术可以理想地落入这种关系的蚀刻侧的范围内。
图3A和图3B分别是样品302的说明性侧视图和平面图。样品302可以是样品102和/或202的示例，并且将用于说明本文公开的平坦化技术。因而，样品302的区域可以是平坦化区域358，其本身可以是半导体晶片或集成电路(IC)的小区域。样品302至少包括具有有源层302A的衬底360和置于其上的多个金属层和通孔层。有源层302A包括有源电路，例如晶体管结构，其可以使用层302B和层302C的通孔和互连而相互连接。按照惯例，特征件、有源电路和互连的尺寸可以在大小上从层302A到层302D增加，其中有源电路在纳米到10纳米的范围内，并且层302B和层302C的互连在100纳米到微米的范围内。虽然样品302包括置于有源层302A上的两个金属层302B、302C，但样品302的金属层的数量不限于本公开，并且本文考虑了任何数量，例如1、2、3、4、5、6......15层。
在一些实施例中，衬底360可以由任何半导体材料形成，例如硅、砷化镓、磷化铟、氮化镓等。在其他实施例中，衬底360可以由非半导体材料形成，例如聚合物、弹性体、准金属、合金等。在衬底是半导体材料的实施例中，有源层302A可以包括在衬底360中或在衬底360上形成的晶体管、电阻器、电容器、电感器等。另外，层302B、302C可以包括将有源层302A的各种电组件耦合到功能电路，例如逻辑功能件、驱动器和存储器中的一层或多层导电互连/迹线。层302B、302C内的导电互连可以通过通孔耦合，并且可以进一步耦合到层302A的各个有源位点。
层302B可以包括嵌入电介质364中的导电互连362。导电互连362可以在各个位置处通过通孔耦合到有源层302A中的电路。导电互连362可以由任何金属或合金形成，并且仅举几例而言，可以包括铜、铝、银、金、钨、钛、铬及其组合。类似地，电介质364可以由任何绝缘材料形成，例如氧化硅、二氧化硅、氮化硅、碳化硅、聚酰亚胺及其组合。层302C可以类似于层302B并且包括嵌入在电介质368中的导电互连366。虽然在一些实施例中层302B和302C的互连和电介质可以是相同的，但是这种相似性是不需要的并且不是限制性的。
如图3A和图3B所示，导电互连362、366可以形成为长的平行线，或者可以表征为至少在平坦化区域358的边界内。此外，例如，一个有源层362的导电互连可以垂直于另一层366的方向形成。然而，虽然在图3A、图3B中描绘了此类示例，但是可能不需要此类布置，或者甚至不需要那样跨越整个IC或晶片。
图4A至图4E是根据本公开的实施例，样品302在平坦化技术的各个阶段的说明性侧视图。图4中的图示示出了在例如通过系统100实施一个或多个加工步骤之后的样品302。加工步骤可以包括平坦化工艺、旋转铣削工艺，以及用于去除层302C和302B，而留下302A平面的暴露区域的各个其他步骤。
图4A示出了在将电介质368的最上部分至少向下去除达到与导电互连366的顶面齐平之后的样品302。现在可以暴露导电互连366的顶面。去除介电层368的顶部部分可以包括用于批量去除的旋转铣削，然后是如本文所公开的平坦化步骤。旋转铣削步骤可包括在旋转样品302的同时将电介质368的表面暴露于离子束。旋转铣削可以呈与介电层368正交或几乎正交的入射角进行，并且可以包括气体辅助蚀刻，但气体辅助蚀刻是任选的。
例如，平坦化工艺将包括将样品302定向到离子束，如图2所示，并且还包括布置样品，使得导电迹线366垂直于入射离子束布置，并且使得表面和离子束之间形成角θ很浅，例如1º至20º。入射离子束入射到页面的平面中，如带有十字的圆圈所示，以供参考。θ角可以取决于将导电迹线366分开的距离d。(关于距离d的示例，参见图3B。)例如，与较短距离d相比，较大距离d可能需要较浅的角，例如2.5°。除了样品302的定向之外，例如，可以通过GIS236将工艺气体提供至表面。提供至表面的工艺气体可以取决于电介质368的材料构成，并且可以选择以优先蚀刻在形成导电迹线366的材料上方的电介质材料368。例如，如果导电迹线由铜形成并且电介质368是氧化硅，则工艺气体可以是二氟化氙，其优先蚀刻铜上方的电介质。利用提供至表面的工艺气体，可以以期望的能量和束流提供离子束。可以选择能量和束流以在离子束开始离子铣削时引起对电介质368材料的蚀刻。虽然可能总是存在某种程度的离子铣削，但是导电迹线366的浅角和正交定向的组合，由于导电迹线形成离子束的荫罩可以进一步减少离子铣削的发生率。在平坦化期间，离子束可以在被平坦化的样品302的表面上快速光栅化，使得在离子束移动到后续位置之前开始蚀刻。例如，光栅化每次停止的停留时间可以在25至300纳秒的范围内。工艺气体的流动和离子束的光栅化可以继续，直到导电迹线366的顶面暴露。此时，样品302的暴露表面可以至少相对于导电迹线366是平坦的。应当注意，来自电介质368的材料将留在导电迹线366之间的间隙中，并且可以与导电迹线366的顶面齐平或恰好在其下方(参见图4C)。
图4B示出了在已经向下进行旋转铣削进入电介质层364之后的样品302。旋转铣削工艺可以去除电介质368的剩余部分、导电迹线366和电介质364的顶部部分。可以在导电迹线362露出之前停止旋转铣削，以便保留相对薄的电介质层364。在导电迹线362上留下薄的电介质层364允许利用化学选择性蚀刻执行后续平坦化工艺。由于导电迹线362延伸到页面中，所以离子束可以从左侧入射，如图所示，使得导电迹线362垂直于离子束的进入方向布置，如箭头所示。
图4C示出了在执行第二平坦化工艺以向下平坦化到导电迹线362的顶面之后的样品302。因而，可以使用本文公开的平坦化技术蚀刻电介质364，使得暴露的表面与导电迹线362的顶层齐平。
图4D示出了在执行后续旋转铣削工艺以去除大部分电介质364和导电迹线362，随后是另一平坦化工艺以去除那两种材料的剩余部分之后的样品302，如图4E所示。最后的平坦化工艺可以暴露有源层302B，可以利用当前平坦化工艺或其他工艺去除有源层302B，以最终暴露样品302的有源电路。
图5A至5D是根据本公开的实施例，用于将样品平坦化的铣削和蚀刻工艺501的示例说明。工艺501可以在带电粒子束系统(例如系统100)中实施，并且可以包括铣削和选择性蚀刻样品502的各种材料。工艺501包括使用第一组参数和工艺气体去除材料，以及使用第二组参数和工艺气体进行平坦化。第一组参数可以比第二组参数更不加区分地去除材料。因而，在用第一组参数去除材料的同时对样品502成像可能是接收关于何时停止材料去除的反馈所必需的。
图5A是包括有源层502的示例样品502。对于样品502，仅示出了两个金属层570和574，并且它们由通孔层572分开。金属层570、574分别包括金属互连，例如，线576和580，而通孔层572包括金属通孔578。层570-574中的其他材料是电介质582。在一些实施例中，金属互连576、580可以由铜形成，但是本文也考虑了其他金属，例如铝和银。电介质582可以由氧化硅、氮化硅、聚酰亚胺等形成，并且形成电介质582的材料可以确定在第二组参数中使用的工艺气体。未示出包括有源电路的后续层，并且也未示出衬底。然而，将包括省略的层并且为了清楚起见，将其省略。
图5B示出了在去除第一金属层570和大部分通孔层572之后的样品502。可以使用与本文公开的平坦化工艺不同的工艺来蚀刻这些层，所述工艺可以包括使样品502与离子源正交定向，提供蚀刻剂气体，以及能量取决于被去除的金属层的厚度的离子束。在5 keV至30 keV的束能量下，束流可为1至10 pA/µm2，并且蚀刻剂气体是硝基乙酸乙酯或相关化合物。然而，如图5B所示，一旦金属层574的金属580暴露，就停止材料的去除。例如，金属580在位置A、B、C和D处暴露。虽然当仅有小面积的金属暴露时可以停止材料去除，但是薄层电介质582可留在大部分金属580上。然而，执行材料去除的系统可以在此时转换到第二组参数，以选择性地去除剩余电介质582，以将样品502平坦化到层574的金属580的顶层。
平坦化步骤包括使用选择性蚀刻气体和低能带电粒子束(例如2-5 Kev)选择性地蚀刻剩余电介质582。减小粒子束的能量减少了金属和电介质的溅射并且加强了电介质582的蚀刻。如上所述，工艺气体可取决于形成电介质582的材料。
图5C说明了选择性地去除一些电介质582以将样品502平坦化到金属580的顶面。图5C的示例示出了使用带电粒子束(CPB)以与样品502正交的入射角的选择性蚀刻。可以看出，可以将电介质582均匀地去除到略低于金属580的顶面的水平。虽然图示中的尺寸被放大，但是样品504可以至少相对于金属580的顶层而言被认为是平坦的。
另一方面，图5D说明了使用CPB与样品502成一定角度平坦化的样品502。可以看出，直接靠近金属线580左侧的电介质582的区域比靠近金属线右侧的电介质更靠近金属线的顶面。用CPB以一定角度蚀刻电介质582使得金属线580充当CPB的荫罩，这减少了在金属线580附近的区域中的电介质582的铣削。另外，可以从两个相反的方向执行使用可以呈一定掠射角的成角度CPB的平坦化步骤，以减少从金属线580之间去除的电介质582的量。
图6是根据本公开的实施例的一种示例平坦化方法603。方法603可以在带电粒子系统(例如系统100)中实现，并且如图4的示例中所示，可以用于平坦化样品。一旦将样品装载到示例系统100中，就可以在工艺方框605开始方法603，其包括将样品的表面定向到离子束轴以在离子束轴和样品的表面之间形成浅角。另外，可以将样品布置成使得在其表面上延伸或置于上层中的导电迹线与离子束轴正交。使样品定向为形成浅角并且将导电迹线布置成与离子束轴正交可以允许导电迹线充当离子束的荫罩，这可以防止离子束直接撞击置于导电迹线之间的第一层，从而减少直接铣削并促进蚀刻。
工艺方框605之后可以是工艺方框607，其包括向样品的表面提供气体。气体可以由GIS提供，例如GIS 136和/或236。一旦将气体提供到样品的表面，就可以进行工艺方框609，其包括向样品的表面提供离子束。离子束由离子柱提供，例如离子柱256。
工艺方框609之后可以是工艺方框611，其包括刺激离子束诱导的置于样品表面上的第一层的蚀刻。在一些实施例中，诱导的蚀刻将优先蚀刻置于其中的导电迹线上的第一层。另外，离子束可以在表面上方光栅化，以在所需平坦化区域上选择性地蚀刻第一层。此外，样品的定向和导电迹线相对于离子束的布置允许样品表面水平与导电迹线的顶面平坦化。如上所述，导电迹线为离子束提供荫罩，以防止或减少第一层的离子铣削，从而发生第一层的选择性蚀刻。
在一些实例中，数值、程序或设备被称为“最低”、“最佳”、“最小”等。将被认识到的是，此类描述旨在表明可以在许多使用的功能替代方案中进行选择，并且这种选择不需要更好、更小或者优选于其它选择。另外，所选择的值可以通过数字或其它近似方式获得，并且可以仅是理论上正确/值的近似值。

Claims (19)

1.一种用于表面平坦化的方法，其包括：
将样品的表面定向到带电粒子束轴，所述样品包括第一层，所述第一层由第一材料和第二材料形成，所述第一材料不同于所述第二材料，并且图案化成多条平行线，置于所述第二材料中，其中所述第二材料的顶面形成所述表面，并且其中所述表面定向为与所述带电粒子束轴形成浅角，并排列多条平行线，使得多条平行线的长边延伸穿过带电粒子束轴；
沿所述带电粒子束轴向所述样品的表面提供带电粒子束，带电粒子束以在0.1 pA/um2至50 pA/um2的范围内图案束流密度而提供；
向所述样品的表面提供气体；并且
通过离子诱导的化学蚀刻选择性地向下蚀刻所述第二材料至少达到所述第一材料的顶面，由于所述带电粒子束和所述气体同时存在于所述样品的表面上而刺激带电粒子诱导的蚀刻。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述多条平行线形成所述带电粒子束的荫罩。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述多条平行线中的相邻平行线之间的距离决定所述浅角的度数。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述度数范围从1度至38度，从所述带电粒子束轴和所述样品的表面测得的浅角。
5.根据权利要求3所述的方法，其中所述浅角的度数与所述多条平行线中的相邻平行线之间的距离呈负相关。
6.根据权利要求1所述的方法，其中提供带电粒子束包括以一定的能量提供所述带电粒子束。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述一定的能量包括在0.5KeV至30Kev范围下提供所述带电粒子束。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述图案束密度在0.1 pA/um2至1 pA/um2的范围内。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述气体是蚀刻剂气体。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述蚀刻剂气体选自二氟化氙、氯、碘、溴、一氧化二氮、氧气、水、氟、三氟乙酸、三氟乙酰胺、甲基硝基乙酸和乙酸酐及其组合的一种。
11.根据权利要求9所述的方法，其中所述蚀刻剂气体优先蚀刻在所述第一材料上的所述第二材料。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二材料是电介质。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述电介质是氧化硅、二氧化硅、氮化硅、碳化硅、聚酰亚胺及其组合中的一种。
14.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一材料是金属。
15.根据权利要求1所述的方法，其中所述样品是半导体芯片。
16.根据权利要求1所述的方法，其中所述样品是透射电子显微镜(TEM)片层。
17.根据权利要求1所述的方法，其中所述带电粒子束在所述表面上的位置的停留时间是在25至300纳秒的范围内。
18.根据权利要求1所述的方法，其中所述样品表面由于带电粒子束诱导的对所述第一材料上的所述第二材料的选择性蚀刻，并且基于所述多条平行线提供离子束的荫罩而平坦化。
19.根据权利要求1所述的方法，其还包括：
旋转铣削所述第一层的剩余部分和置于所述第一层下方的第二层的一部分，所述第一层的剩余部分包括所述第一材料和第二材料；并且
将所述第二层向下平坦化至所述第二层的金属线的顶面，所述第二层包括第三材料和第四材料，其中将所述第三材料平坦化包括：
将所述样品的暴露表面定向到离子束轴以与所述离子束轴形成浅角并且将由所述第四材料形成的金属线与所述离子束轴正交排列；
向所述样品的暴露表面提供所述气体；
以一定的能量和一定的图案束密度向所述暴露表面提供所述离子束；并且
基于所述气体和所述离子束的存在，刺激离子束诱导的对所述第三材料的蚀刻。
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