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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Materialcharakterisierung
und insbesondere die Erhöhung
der Ausbeute von Sekundärionen
zur massenspektrometrischen Analyse.
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Hintergrund der Erfindung
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Systeme
mit fokussiertem Ionenstrahl (FIB) werden aufgrund ihrer Fähigkeit,
mit einer äußerst feinen Auflösung abzubilden,
zu ätzen,
abzuscheiden und zu analysieren, verbreitet in der Halbleiterfertigung
verwendet. Sekundärionenmassenspektrometrie
(SIMS) ist ein Verfahren, das häufig
in Verbindung mit FIB-Systemen verwendet
wird, zur Bestimmung der Zusammensetzung einer Probe. Im SIMS-Verfahren
wird der Ionenstrahl verwendet, um Teilchen, wie Atome, Moleküle und Cluster
aus der Probe zu zerstäuben,
das heißt,
physikalisch durch Energieübertragung
herauszuschlagen. Ein kleiner Prozentsatz dieser herausgeschlagenen
Teilchen wird ionisiert, das heißt, sie gewinnen oder verlieren
während
des Zerstäubungsverfahrens
ein oder mehrere Elektronen und werden dadurch elektrisch geladen.
Solche herausgeschlagenen geladenen Teilchen sind als Sekundärionen bekannt,
im Gegensatz zu den Primärionen
im fokussierten Ionenstrahl. Indem die Sekundärionen durch ein Massenspektrometer
geschickt werden, das eine Kombination von magnetischen und/oder elektrischen
Feldern aufweist, ist es möglich,
das Verhältnis
von Ladung zu Masse der Sekundärionen
zu bestimmen und dann ihre Zusammensetzung abzuleiten.
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Idealerweise
kann ein Analytiker das Vorhandensein einer sehr kleinen Stoffmenge
nachweisen und genau feststellen, wo auf einer Probe sich der Stoff
befand. Die Empfindlichkeit ei ner SIMS ist ein Maß ihrer Fähigkeit,
kleine Mengen eines Stoffs nachweisen. Da die Merkmalsgröße in modernen
integrierten Schaltungen häufig
nicht größer als
0,12 Mikrometer ist, kann ein sehr kleiner Fremdkörper eine
Schaltung ruinieren. Folglich ist es entscheidend, imstande zu sein,
präzise
eine kleine Fremdkörpermenge
an einer präzisen
Stelle zu charakterisieren, um die Gründe von Schaltungsdefekten
festzustellen und die Schaltungsfertigungsverfahren zu charakterisieren.
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Die
Fähigkeit
einer SIMS, das Vorhandensein eines Materials nachweisen, hängt vom
der Art des Materials ab, das analysiert wird, der Konzentration
dieses Materials im Bereich, der zerstäubt wird, der Gesamtmenge des
Materials, das von der Probe zerstäubt wird, und der Wahrscheinlichkeit,
daß das
gesuchte Material als ein nachweisbares Ion und nicht als ein unnachweisbares
neutrales Teilchen herausgeschlagen wird. Leider werden die meisten
der Teilchen, die aus einer Probe zerstäubt werden, nicht ionisiert
und können
nicht im Massenspektrometer analysiert werden, das elektrische und/oder
magnetische Felder verwendet, um geladene Teilchen zu trennen.
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Die
Wahrscheinlichkeit, daß ein
Teilchen als Ion herausgeschlagen wird, hängt von der elementaren Zusammensetzung
des Teilchens, der chemischen Umgebung um das Teilchen auf der Probe,
und der Art der Ionen im Primärionenstrahl
ab. Primärstrahlen
aus Sauerstoff- oder Cäsiumionen
werden mit zufriedenstellenden Sekundärionenausbeuten zur SIMS-Analyse
verwendet. Solche Strahlen weisen jedoch typischerweise eine Fleckgröße von mehr
als einen Mikrometer auf und können
nicht die äußerst feine
Auflösung
von Flüssigmetallquellen-Ionenstrahlen
bereitstellen. Gallium-Flüssigmetall-Ionenquellen-(LMIS)Primärionensäulen können zu
Beispiel aus kommerziell erhältlichen
FIB-Systemen eine
laterale Auflösung
von 5 nm bis 7 nm liefern. Aufgrund ihrer Fähigkeit, mit einer so großen Präzision abzubilden,
zu zerstäuben
und abzuscheiden, haben FIB-Systeme eine nahezu universelle Akzeptanz
als notwendiges analytisches Werkzeug für das Halbleiterdesign, die
Verfahrensentwicklung, die Fehleranalyse und in jüngster Zeit
für die
Defektcharakterisie rung gewonnen. Zur Unterstützung dieser Anwendungen hat
die Hinzufügung
einer SIMS zum FIB die Anwendung des Werkzeugs darauf erweitert,
eine elementare Analyse mit einer räumlichen Auflösung im
Submikrometerbereich einzuschließen.
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Die
kleinere Fleckgröße des Galliumstrahls
macht weniger Ionen im Strahl, das heißt, einen reduzierten Strahlstrom
notwendig, daher wird die Gesamtzahl der herausgeschlagenen Teilchen,
die zum Nachweis zur Verfügung
stehen, entsprechend reduziert. Überdies
kann die Sekundärionenausbeute,
das heißt,
die Anzahl der Sekundärionen,
die für
jedes Primärion
herausgeschlagen werden, aus einer Galliumquelle um einen Faktor
von 100 kleiner als jene eines Sauerstoffprimärstrahls sein. Obwohl folglich
der kleinere Galliumstrahl eine sehr viel größere Präzision bei der Bestimmung der
Position liefert, von der ein Teilchen herausgeschlagen wird, wird
die Gesamtzahl der herausgeschlagenen Ionen reduziert, und die Wahrscheinlichkeit,
daß die Teilchen,
die herausgeschlagen werden, ionisiert und nachgewiesen werden,
beträchtlich
reduziert. Folglich ist eine SIMS, die mit einer LMIS verwendet
wird, nicht so effektiv, wie es Analytiker wünschen.
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Die
Ausbeute der Sekundärionen
hängt außerdem von
den chemischen Eigenschaften der Probe ab. Es ist bekannt, daß wenn eine
Oberfläche
oxidiert ist, der Prozentsatz positiver Ionen, die während des
Zerstäubungsverfahrens
erzeugt werden, verglichen mit der Anzahl für eine unoxidierte Oberfläche zunimmt.
Bei den meisten Metallen und Halbleitern ist es wahrscheinlicher,
daß sie
ein Elektron verlieren, als daß sie
eines gewinnen, und es ist daher wahrscheinlicher, daß sie zu
positiven Ionen werden, als zu negativen. Folglich wird die SIMS-Empfindlichkeit für Metalle
und Halbleiter von einer oxidierten Oberfläche erhöht. Es ist daher eine übliche Praxis
geworden, Sauerstoff als Gas in die Vakuumanlage einzuleiten, um
die Oberfläche
zu oxidieren. Es ist außerdem
bekannt, einen Sauerstoffionenprimärstrahl mit oder ohne Sauerstoffgaseinleitung
zu verwenden, um die Sekundärionenausbeute
zu erhöhen.
Die Verwendung eines Sauerstoffionenstrahls ist jedoch in der Mehrzahl der
modernen FIB-Systeme nicht möglich,
die dazu bestimmt sind, eine LMIS zu verwenden, und wie oben beschrieben,
mangelt es den Sauerstoffprimärionenstrahlen
an der räumlichen
Auflösung,
um in vielen Anwendungen nützlich
zu sein.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Folglich
ist es eine Aufgabe der Erfindung, die Empfindlichkeit von SIMS-Systemen
zu erhöhen.
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Es
ist eine andere Aufgabe der Erfindung, die Empfindlichkeit von SIMS-Systemen
zu erhöhen,
die mit einem LMIS-FIB-System
mit einer Submikrometer-Fleckgröße verwendet
werden.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, die Elementaranalyse von
Submikrometer-Merkmalen unter Verwendung einer SIMS zu erleichtern.
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Es
ist noch eine andere Aufgabe der Erfindung, den Nachweis von Metall-
und Halbleitermaterialien unter Verwendung einer SIMS zu erhöhen.
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Es
ist noch eine andere Aufgabe der Erfindung, die Sekundärionenausbeute
unter Verwendung eines sicheren, ungiftigen Mittels zu erhöhen.
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Es
ist noch eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Mittel auf die
Targetoberfläche
einzuleiten, während
die Reduzierung der Sekundärionen-Auffangausbeute
minimiert wird, die durch die Mitteleinleitungsvorrichtung verursacht
wird.
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Es
ist noch eine weitere Aufgabe der Erfindung, die Störung des
Sekundärionen-Extraktionsfeldes
zu minimieren, die durch die Mitteleinleitungsvorrichtung verursacht
wird.
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Es
ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Empfindlichkeit
einer SIMS in vorhandenen LMIS-FIB-Systemen zu verbessern, ohne kostspielige
Systemmodifikationen zu benötigen.
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Erfindungsgemäß wird Wasser
auf die Oberfläche
der Probe in einem Bereich eingeleitet, der zur SIMS zerstäubt wird.
Es ist festgestellt worden, daß die
Einleitung von Wasser zu einer erheblichen Erhöhung der Sekundärionenausbeute
für die
meisten Materialien, einschließlich
Silizium, Aluminium, Titan, Molybdän und Wolfram führt.
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Das
Wasser wird vorzugsweise unter Verwendung einer Gasdüse nahe
des Zielpunkts des Primärstrahls
eingeleitet, so daß es
eine hohe Wahrscheinlichkeit gibt, daß die Wassermoleküle an der
Oberfläche hängenbleiben,
von der Teilchen zerstäubt
werden. Um zu verhindern, daß die
enge Nähe
der Düse
zur Oberfläche
das Sekundärionen-Extraktionsfeld
nachteilig beeinflußt
und die Auffangausbeute verschlechtert, kann die Düse elektrisch
vorgespannt werden.
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Die
vorliegende Erfindung stellt eine verbesserte SIMS-Empfindlichkeit auf
vorhandenen LMIS-FIB-Systemen bereit, die in der Halbleiter- und
anderen Industrien im allgemeinen Gebrauch sind. Eine Erhöhung der
Sekundärionenausbeuten
verbessert die Nachweisempfindlichkeit erheblich und erleichtert
dadurch eine Elementaranalyse von kleineren (unter 100 nm) Merkmalen.
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Zusätzliche
Aufgaben, Vorteile und neuartige Merkmale der Erfindung werden aus
der detaillierten Beschreibung und den Zeichnungen der Erfindung
deutlich werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems
mit fokussiertem Ionenstrahl, das verwendet wird, um Ionen zur Analyse
zu zerstäuben;
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2 ist
eine vergrößerte Teilansicht,
die die relativen Positionen nahe der Probe von Komponenten des
Systems mit fokussiertem Ionenstrahl der 1 zeigt;
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3 ist
eine Teilquerschnittsansicht einer Gaseinschlußvorrichtung, die zum Einspritzen
von Wasserdampf zu einem Substrat im FIB-System der 1 eingesetzt
wird;
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4 ist
eine vergrößerte Teilseitenansicht
im Aufriß des
Gaseinspritzsystems der 1;
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5 ist
eine weitere vergrößerte schematische
Seitenansicht der Gaseinspritzdüse
der 4;
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6 ist
eine schematische Darstellung eines Quadrupol-Massenspektrometers, das mit dem fokussierten
Ionenstrahl der 1 verwendet wird;
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7 zeigt
eine graphische Darstellung der Zahl der Sekundärionen, die aus einer Aluminiumprobe mit
und ohne Verwendung der vorliegenden Erfindung nachgewiesen werden;
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8 zeigt
eine graphische Darstellung der Zahl der Sekundärionen, die aus einer Siliziumprobe
mit und ohne Verwendung der vorliegenden Erfindung nachgewiesen
werden; und
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9 zeigt
eine graphische Darstellung der Zahl der Sekundärionen, die aus einer Titanprobe
mit und ohne Verwendung der vorliegenden Erfindung nachgewiesen
werden.
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Detaillierte Beschreibung bevorzugter
Ausführungsformen:
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Das
System gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung weist ein System für einen geladenen Teilchenstrahl,
das ein Gaseinspritzsystem zum Einspritzen von Wasserdampf zum Bereich
der Probenoberfläche
aufweist, die durch den Strahl getroffen wird, und ein Sekundärionen-Massenspektrometer
zum Analysieren der Teilchen auf, die aus einer Probe herausgeschlagen
werden.
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Bezugnehmend
auf 1, die schematisch ein System mit fokussiertem
Ionenstrahl zur Ausführung der
vorliegenden Erfindung darstellt, weist eine evakuierte Umhüllung 10 einen
oberen Halsabschnitt 12 auf, in dem eine Flüssigmetall-Ionenquelle 14 und
eine Fokussiersäule 16 angeordnet
sind, die eine Extratorelektrodeneinrichtung und ein elektrostatisches
optisches System aufweist. Ein Ionenstrahl 18 geht aus
der Quelle 14 durch die Säule 16 und zwischen
elektrostatischen Ablenkeinrichtungen, die schematisch bei 20 angezeigt werden,
zu einer Probe 22, die typischerweise eine Halbleitervorrichtung
aufweist, die auf einem beweglichen X-Y-Objekttisch 24 in
einer unteren Kammer 26 angeordnet ist. Komponenten zum
Erzeugen, Fokussieren und Richten des Ionenstrahls werden zusammen
als Ionenstrahlgenerator 29 bezeichnet. Es wird eine Ionenpumpe 28 zur
Evakuierung des Halsabschnitts 12 eingesetzt. Die Kammer 26 wird
unter Kontrolle einer Vakuumsteuereinrichtung 32 mit einem
Turbomolekular- und mechanischen Pumpsystem 30 evakuiert.
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Eine
Hochspannungsstromversorgung 34 ist mit der Flüssigmetall-Ionenquelle 14 sowie
mit geeigneten Elektroden in der Fokussiersäule 16 verbunden,
um einen Ionenstrahl 18 mit annähernd 30 keV zu bilden und
ihn nach unten zu richten. Eine Ablenksteuereinrichtung und -Verstärker 36,
der gemäß eines
vorgeschriebenen Musters, wie einem Rastermuster betrieben wird,
das durch einen Mustergenerator 38 erzeugt wird, ist mit
Ablenkplatten 20 gekoppelt, wodurch der Strahl 18 so
gesteuert werden kann, daß er
ein entsprechendes Muster auf der Oberseite der Probe 22 markiert.
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Die
Quelle 14 liefert typischerweise einem Metallionenstrahl
aus Gallium, obwohl andere Metallionen, wie Indium oder Aluminium
verwendet werden können.
Die Erfindung kann auch mit Strahlen aus Nichtmetallionen verwendet
werden, wie Sauerstoff und Cäsium.
Die Flüssigmetall-Ionenquelle
ist imstande, zu einem unter 0,1 Mikrometer breiten Strahl auf der
Probe 22 fokussiert zu werden, um die Oberfläche 22 entweder durch
Wegätzen
oder Abscheiden von Material zu modifizieren, um die Oberfläche 22 abzubilden,
oder Materialien zu analysieren, die in der Probe 22 vorhanden
sind, wobei ein Sekundärionen-Massenspektrometer 39 verwendet
wird, das im folgenden im Detail beschrieben wird. Ein Gaseinspritzsystem,
eine Gasquelle 46, sorgt für das Einspritzen von Gasen
zur Wechselwirkung mit der Probe 22 und dem Ionenstrahl 18. 2 ist eine
vergrößerte Ansicht
von Abschnitten des Ionenstrahlgenerators 29, der Gasquelle 46,
und des SIMS 39, die ihre relativen Positionen nahe der
Probe 22 zeigt.
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Ein
Elektronenvervielfacher 40, der zum Nachweisen einer Sekundäremission
zur Abbildung verwendet wird, ist mit einer Videoschaltung und -Verstärker 42 verbunden,
wobei die letztgenannte, die die Ansteuerung für einen Videomonitor 44 liefert,
außerdem
Ablenksignale von der Steuereinrichtung 36 empfängt. Die evakuierte
Umhüllung 10 kann
optional ein Rasterelektronenmikroskop (SEM) 43 enthalten,
das verwendet werden kann, um die Ergebnisse von Arbeitsabläufen zu
betrachten, die durch den fokussierten Ionenstrahl durchgeführt werden,
oder das eine Elektronenstrahlbearbeitung durchführen kann. Das SEM 43 weist
einen Elektronenstrahlgenerator 41 und die zugehörige Stromversorgung
und Steuerungen 45 auf. Ein bevorzugtes System mit fokussiertem
Ionenstrahl, das ein SEM enthält,
ist das DualBeamÔ XL860
Modell der FEI Company, dem Rechtsnachfolger der vorliegenden Erfindung.
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Eine
bevorzugte Gasquelle
46 ist von der Seite der Kammer
26 durch
eine Translationsvorrichtung
48 nach innen angeordnet,
die zur Anordnung der Quelle über
eine Halteeinrichtung in einem Balgen
52 eingerichtet ist.
US-Pat. Nr. 5.435.850 von
Rasmussen für
ein „Gas
Injection System",
das an den Rechtsnachfolger der vorliegenden Erfindung übertragen
wurde, offenbart eine Vorrichtung zum Einleiten und Richten von
gasförmigen
Dampf auf die Probe
22. Bezugnehmend auf
3,
weist eine Gasquelle
46 einen Vorratsbehälter
50 auf,
in dem eine Wasserdampfquelle
94 aufgenommen ist. Die Wasserdampfquelle
94 weist
typischerweise Körnchen
eines hygroskopischen Salzes, wie Magnesiumsulfat auf, die Wasserdampf
freisetzen werden, ohne andere verunreinigende Substanzen in die
evakuierte Umhüllung
10 einzuleiten.
Das untere Ende des Vorratsbehälters
50 ist
mit einer Düse
in der Form einer Nadel
56 versehen, die ein Kapillarröhrchen aufweist,
das eine kleine Öffnung
zum Richten eines Gases auf das Substrat
22 aufweist. Die
Nadel
56 weist einen Innendurchmesser von annähernd 0,5
mm auf und ist typischerweise etwa 100 mm von der Probe
22 angeordnet. Die
Nadel
56 ist am gewindeten unteren Ende des Vorratsbehälters
50 durch
ein Verriegelungsanschlußstück
100 angebracht.
Um die Nadel
56 elektrisch zu isolieren, besteht das Verriegelungsanschlußstück
100 aus
einem elektrisch isolierenden Material, wie Delrin
®, und
die Nadel
56 steht nicht mit Metallteilen der Gasquelle
46 in
Kontakt.
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Ein
oberer Flansch 76 des Vorratsbehälters 50 ist am Umfang
einer Dichtungskammer 78 gesichert, wobei die letztgenannte
letztlich von einer Halteröhre 80 herabhängt. Die
Halteröhre 80 ist
mit Schrauben am unteren Ende des Galgens 52 sowie an einem
(nicht gezeigten) Positionierungsmechanismus im Balgen befestigt.
Der Vorratsbehälter 50 weist
einen soliden Metallblock auf, der in eine Richtung längs der
Nadel 56 länglich
ist und mit einem zentralen zylindrischen Durchgang 84 versehen
ist, durch den Gas zur Injektionsnadel geht. An seinem unteren Ende
verengt sich der Längsdurchgang 84 bei 86,
wobei er einen Absatz zur Aufnahme einer O-Ringventildichtung 88 bildet,
die mit dem verjüngten
Ende eines Ventilstößels 90 zusammenwirkt,
um den Gasstrom vom Durchgang 84 zur Nadel 56 zu
regeln. Der Stößel 90 befindet
sich am unteren Ende eines Betätigungselements 98,
wobei das letztgenannte einen Stab aufweist, der koaxial im Durchgang 84 angeordnet
ist und sich zurück
durch den Durchgang erstreckt. Der Außendurchmesser des Betätigungselements 98 ist
kleiner als der Innendurchmesser des Durchgangs 84, um
einen Kanal zur Gaszufuhr zu bilden.
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Um
den zentralen Durchgang 84 im Vorratsbehälter 50 sind
mehrere längliche
zylindrische Kammern 92 parallel zum zylindrischen Durchgang 84 und
in einer ihn im wesentlichen umgebenden Beziehung angeordnet, wobei
jede Kammer 92 eine Längsbohrung
im Vorratsbehälterblock 50 aufweist,
die geeignet ist, ein Wasserdampfquellenmaterial 94 aufzunehmen.
Das obere Ende 96 des Vorratsbehälters ist zur Dichtungskammer 78 offen,
wobei Wasserdampf, der in der Vorratsbehälterkammer erzeugt wird, zum
zentralen Durchgang 84 übertragen
wird.
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Eine
Mittenstabverlängerung 138 steht
bei 140 durch das Ende des Betätigungselements 98 in Schraubeingriff,
wodurch die Mitte einer Membran 122 abdichtend zwischen
dem Flansch 134 und einem Kopf 142 der Mittenstabverlängerung 138 angeordnet
ist. Ein Metallbalgen 174 trennt den Bereich 126 über der Membran 122 vom
atmosphärischen
Druck in der Halteröhre 80.
Der Balgen 174 erstreckt sich zwischen Ringen 170 und 176,
wobei der erstgenannte zwischen einem Distanzringelement 120 und
einem Kühlkörper 110 verriegelt
ist, während
der letztgenannte am oberen Ende der Mittenstabverlängerung 138 unmittelbar
am Ende eines Hohlraums 184 des Kühlkörpers 110 gesichert
ist, in dem er gleitet, wenn der Stab 150 gegen die Vorspannung
einer Feder 154 bewegt wird, um das Ventil zu öffnen, das
den Stößel 90 und
der O-Ring 88 aufweist.
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Die
Membran 122 definiert die obere Wand der Dichtungskammer 78 und
eine untere Wand des Bereichs 126, der zur Kammer 26 belüftet ist.
Das Betätigungselement 98 weist
einen radialen Flansch 134 in der Kammer 78 auf,
der mit der Membran 122 zentral in Eingriff tritt, die
peripher gehalten wird, während
ein Abschnitt 136 des Betätigungselements durch eine
zentrale Öffnung
in der Membran 122 und in eine Aussparung im Kopfende der
Mittenstabverlängerung 138 geht.
Das Betätigungselement 98 weist
einen Gewindeabschnitt 140 auf, der eingerichtet ist, mit
einem gepaarten Gewinde in der Mittenstabverlängerung 138 in Eingriff
zu treten.
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Die
Mittenstabverlängerung 138 ist
mit einem oberen Innengewindeabschnitt 144 versehen, der
mit Gewindegängen 14 am
unteren Ende des Betätigungsstabs 150 gepaart
ist. Der Stab 150 ist eingerichtet, eine Linearbewegung
unter der Kontrolle von Einrichtungen im Positionierungsmechanismus
im Balgen 52 in 1 oder darüber hinaus aufzunehmen. Ein
oberer Hohlraum 152 im Kühlkörper 110 beherbergt
eine Feder 154, die zwischen dem Kühlkörper und dem oberen Ende der
Mittenstabverlängerung 138 wirkt,
so daß die
Mittenstabverlängerung
und die angebrachten Teile einschließlich des Betätigungselements 98 normalerweise
in eine Richtung zum Schließen
des Stößels 90 gegen
den O-Ring 88 vorgespannt sind, um den Gasstrom zu sperren.
Wenn jedoch der Stab 150 (durch nicht gezeigte Einrichtungen)
nach oben gezogen wird, wird as Ventil geöffnet, da die Mittenstabverlängerung 138 und
der Ring 176 in der unteren Aussparung 184 im
Kühlkörper 110 gleiten.
Die Membran 122 biegt sich durch die Bewegung des Betätigungselements.
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Ein
oberer Endabschnitt 158 des Kühlkörpers 110 weist einen
reduzierten zylindrischen Durchmesser auf und nimmt dort herum eine
Bandheizvorrichtung 159 auf, die durch nicht gezeigte Einrichtungen
mit elektrischem Strom versorgt wird, wobei die Heizvorrichtung
durch ein Schrumpfband 160 abgedeckt und an Ort und Stelle
gehalten wird. Ein Thermistor 162 ist in den Abschnitt 158 des
Kühlkörpers eingebettet,
und wenn der Bandheizvorrichtung 159 elektrischer Strom
zugeführt
wird, liefert der Thermistor 162 eine Rückkopplung an eine Steuerschaltung
zur Regelung der Temperatur des Kühlkörpers auf einen erwünschten
erhöhten
Pegel zur Heizen des Vorratsbehälters 50 und
des Materials darin. Die Heizvorrichtung und die Steuerung dafür sind geeignet
außerhalb
des Vakuumbereichs der Kammer 26 angeordnet, wobei elektrische
Durchführungen
beseitigt werden, jedoch die erzeugte Wärme über die Vakuumwand zum Vorratsbehälter geleitet
wird.
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Das
Gaseinspritzsystem 46 bildet ein Gehäuse, das eine Hülle bereitstellt,
um darin Gas zu erzeugen und einzuschließen, wobei die Hülle die
Kammern 92 und den zentralen Durchgang 84 des
Vorratsbehälters 50 sowie
die Dichtungskammer 78 aufweist, die durch das untere Ende
eines Dichtungselements 102 umgeben ist. Die gasdichte
Hülle weist
zusätzlich
die flexible Gummimembran 122 auf, die zwischen dem Dichtungselement 102 und
dem Distanzringelement 120 an ihrem Umfang eingeklemmt
ist, während
sie außerdem
zentral in abdichtender Beziehung am Betätigungselement 98 zwischen
dem Betätigungselementflansch 134 und dem
Kopf 142 der Mittenstabverlängerung 138, die vorher
erwähnt
wurden, eingeklemmt ist.
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Wenn
sich der Vorratsbehälter 50 auf
einer erwünschten
Temperatur zur Sublimation von Wasser aus der hygroskopischen Verbindung
im Vorratsbehälter 50 befindet,
kann das Ventil 58 geöffnet
werden, indem der Betätigungselementstab 150 (3)
von außerhalb
der Vorrichtung zurückgezogen
wird, um den Ventilstößel 40 zu öffnen und
seine Stellung zu regeln, während
die Düse 56 auf
den erwünschten
Bereich der Probe gerichtet wird, wie vergrößert in 4 und weiter
vergrößert in 5 gezeigt.
Eine Öffnung 163,
die zwischen dem Durchgang 84 und der Nadel 56 angeordnet
ist, schränkt
den Wasserdampfstrom ein. Die Anmelder haben festgestellt, daß ein geeigneter
Wasserdampfstrom erhalten wird, wenn Wasserdampf aus den Magnesiumsulfatkörnchen bei
Raumtemperatur sublimiert wird und die Öff nung 163 einen Durchmesser
von annähernd
25 mm aufweist. Der Wasserdampf wird dann bewirken, daß der Hintergrunddruck
in der Kammer annähernd
5 × 10–5 mBar
erreicht.
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4 zeigt
außerdem
einen Leiter 164, der an der Nadel 56 angeschlossen
ist, um eine Vorspannung bereitzustellen, wie im folgenden beschrieben
wird. Der Leiter 164 erstreckt sich durch die Wand der
unteren Kammer 26 durch eine Dichtung 165 zu einer
einstellbaren Spannungsquelle 166. Der Balgen 52 paßt sich
der Bewegung der Nadelanordnung und des Vorratsbehälters relativ
zur Probe an, ohne das Vakuum in der Kammer 26 zu beeinflussen.
Um einen gegebenen Gasstrom herzustellen, wird der Vorratsbehälter auf
eine vorgegebene Temperatur geheizt. Der Betriebstemperaturbereich
wird sich abhängig
vom hygroskopischen Material und seinem Feuchtigkeitsgehalt verändern, und
es könnte
keine Erwärmung über Raumtemperatur
erforderlich sein.
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Ein
anderer Typ eines Wasserdampfzufuhrsystems wird in T.J. Stark u.a., „H2O Enhanced Focused Ion Beam Micromachining" J. Vacuum Science
and Technology B, 13(6), S. 2565–69 (Nov./Dez. 1995) beschrieben.
In diesem System strömt
Wasserdampf aus einem Vorratsbehälter
außerhalb
der Kammer 26 und wird durch ein Nadelventil gesteuert.
Der Gasdruck am Eingang der Nadel 56 kann unter Verwendung
eines Konvektionsmeßinstruments
von Granville-Philips überwacht
werden. Das Nadelventil wird so eingestellt, daß ein geeigneter Hintergrunddruck
in der Kammer von annähernd
5 × 10–5 mBar
in einer Ausführung
aufrechterhalten wird.
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Ein
anderer Typ eines Gaszufuhrsystems wird im
US-Pat. Nr. 5,149,974 von Kirch u.a.
für „Gas Delivery
For Ion Beam Deposition and Etching" beschrieben. Dieses Gaszufuhrsystem
leitet ein Gas in einen Zylinder ein, der über der Probe und koaxial mit
dem Ionenstrahl angeordnet ist. Der Zylinder weist Öffnungen zum
Eintritt und Austritt des Ionenstrahls auf, und das Gas wandert
durch die untere Öffnung
zur Probenoberfläche.
Der Zylinder kann außerdem
eine Ablenkeinrichtung zum Anlegen eines elektrischen oder magnetischen
Felds aufweisen, um Sekundärteilchen
aus dem Zylinder zum Nachweis abzulenken.
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Es
wird eine Tür 60 zum
Einsetzen der Probe 22 auf den Objekttisch 24,
der erwärmt
werden kann, und außerdem
zum Warten des Vorratsbehälters 50 geöffnet. Die
Tür wird
verriegelt, so daß sie
nicht geöffnet werden
kann, wenn die Temperatur im Vorratsbehälter 50 wesentlich über der
Raumtemperatur liegt. Ein Absperrschieber, der schematisch bei 62 dargestellt
wird, wird geschlossen, bevor die Tür 60 geöffnet werden kann,
um die Ionenquelle und die Fokussiersäulenvorrichtung abzudichten.
Das Vakuumsteuersystem wird zusammen mit der Heizvorrichtung der
Quelle 46 für
gasförmigen
Dampf so betrieben, daß ein
geeigneter Dampfdruckzustand zur Herstellung eines gasförmigen Dampfstroms
in der Kammer bereitgestellt wird, der auf das Substrat 22 zum
Zerstäuben
der Probe 22 gerichtet wird.
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Die
Hochspannungsstromversorgung stellt eine geeignete Beschleunigungsspannung
an den Elektroden in der Ionenstrahlsäule 16 zur Erregung
und Fokussierung des Ionenstrahls 18 bereit. Wenn er die
Probe trifft, auf der kondensierter Wasserdampf haftet, liefert
der Ionenstrahl Energie zur Einleitung einer Reaktion zwischen dem
Wasserdampf und der Probe 22 und zur Zerstäubungsätzung der
Probe 22.
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Die
Ablenksteuereinrichtung und -Verstärker 36 bewirkt, daß der Ionenstrahl
in einem erwünschten Muster
abgelenkt wird, wobei jedoch die Ablenkung des Ionenstrahls mit
einer Geschwindigkeit stattfindet, die zur Ätzung der Probe 22 ausreichend
langsam ist. Überlegungen
hinsichtlich der Ablenkgeschwindigkeit, Zykluszeit usw. werden durch
Fachleute gut verstanden.
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Wie
vorher erwähnt,
stellt das Vakuumsystem ein Vakuum zwischen annähernd 1 × 10–6 Torr
und 5 × 10–4 Torr
in der Kammer 26 bereit. Bei der Emission von gasförmigem Dampf
beträgt
der Kammerhintergrunddruck geeignet etwa 10–5 Torr.
In einer exemplarischen Ausführungsform
wird die Gasquelle 46 auf eine Temperatur zur Lieferung
eines Gasstroms von ungefähr
1 × 1016 bis 1 × 1017 Moleküle pro Sekunde
pro Quadratzentimeter über
das Kapillarröhrchen
der Nadel 56 erwärmt,
während
die Metallionenquelle und die Fokussiersäule geeignet zur Erzeugung
eines Stroms von 1 × 1013 bis 1 × 1015 geladenen
Teilchen pro Sekunde pro Quadratzen timeter im Rasterbereich gesteuert
werden. Es wird ein Druck von annähernd 0,1 Torr nahe der Probenoberfläche erhalten,
während
der Druck der Kammer unter 8 × 10–5 Torr
bleibt. Der exakte Wasserdruck an der Probe ist nicht entscheidend,
und die Drücke
und Stromparameter können
leicht für
jede besondere Ausführung
berechnet werden, indem der Wasserdampfstrom erhöht wird, bis sich die Sekundärionenzahl
auf den erwünschten
Pegel erhöht.
Die Wasserdampfmenge im System sollte ausreichend sein, um die Sekundärionenausbeute
zu erhöhen,
ohne das Hintergrundvakuum auf inakzeptable Pegel zu verschlechtern.
Fachkräfte können leicht
geeignete Drücke
und Gasströme
für jede
besondere Anwendung bestimmen.
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Im
Betrieb wird das erfindungsgemäße System
vorteilhaft eingesetzt, eine Sekundärionenmassenspektrometrie oder
SIMS auszuführen,
wodurch die durch den fokussierten Primärionenstrahl 18 beschossene Probe
auf ihren Elementargehalt analysiert wird. SIMS ist als Zubehör bei den
meisten Systemen mit fokussiertem Ionenstrahl erhältlich,
einschließlich
jenen, die von FEI Company, dem Rechtsnachfolger der vorliegenden
Anmeldung erhältlich
sind. SIMS ist auch getrennt von zum Beispiel ABB Extrel, Pittsburgh,
Pennsylvania erhältlich.
Die Probe 22 wird auf dem Objekttisch 24 angeordnet,
während
die feuchtigkeitstragenden Magnesiumsulfatkörnchen im Tiegel 50 gelegt
werden, wonach die Kammer 26 geschlossen und evakuiert wird
und der Schieber 62 geöffnet
wird, so daß ein
Ionenstrahl 18 erzeugt und auf die Probe gerichtet werden kann.
Die Probe kann durch Bewegung des Objekttischs 24 in einer
wohlverstandenen Weise positioniert werden. Die Nadel 56 wird
positioniert, so daß Wasserdampf
zum interessierenden Bereich gerichtet werden kann. Abhängig vom
verwendeten Wasserdampfquellenmaterial kann sich bei Raumtemperatur
ausreichend Wasserdampf auf dem Material entwickeln, oder der Tiegel 50 kann
durch das Element 54 erwärmt werden, um Wasserdampf
zu erzeugen. Wenn Wasserdampf erzeugt wird, wird das Ventil 58 geöffnet, um
den Austritt des Wasserdampfes zu ermöglichen. Der Mustergenerator 38 kann
so programmiert werden, daß er
den Ionenstrahl 18 in einem Raster muster ablenkt, das einem
spezifischen Bereich der Probe 22 in einer wohlverstandenen
Weise auf dem Monitor 44 entspricht.
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Um
genügend
Wassermoleküle
bereitzustellen, die an der Oberfläche der Probe 22 haften,
während ein
ausreichendes Vakuum im Abschnitt 26 aufrechterhalten,
wird, damit der fokussierte Ionenstrahl wirkt, wird die Nadel 56 sehr
nahe der Probe 22 angeordnet, vorzugsweise innerhalb von
100 mm. Die Anordnung der Metallnadel 56 so nahe an der
Probe 22 stört
leider das elektrische Feld, das verwendet wird, um die Sekundärionen zu
sammeln, was zu einer reduzierten Auffangausbeute führt. Durch
die Verwendung des Leiters 164 (4), um die
Nadel 56 elektrisch vorzuspannen, kann die Störung des
Sammelfeldes erheblich reduziert werden. Die verwendete bevorzugte
Vorspannung verändert
sich mit der Position der Nadel 56 und mit der Konfiguration
der Sekundärionsammeloptik.
Die richtige Vorspannung kann leicht bestimmt werden, indem die Vorspannung
verändert
wird, bis die Sekundärionenzahl
maximiert ist.
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Wenn
der Wasserdampf auf die Probe 22 gerichtet wird, wird Wasser
auf der Probenoberfläche
adsorbiert. Wenn der fokussierte Ionenstrahl eine Oberfläche einer
Probe abtastet, wird Energie bereitgestellt, so daß es ermöglicht wird,
daß eine
chemische Reaktion zwischen dem Wasser und der Material der Oberfläche stattfindet,
und das Reaktionsprodukt wird entfernt oder weg zerstäubt.
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Bezugnehmend
auf 6, die in einer schematischen Form eine erfindungsgemäße Vorrichtung
darstellt, ist eine Extraktions- und Transportoptik 270 bezüglich der
Ionenstrahlsäule
zur Sammlung von Sekundärionen
angeordnet, die an der Probe 22 aufgrund des Aufpralls
des Primärionenstrahls 18 erzeugt
werden. Die Transportoptik richtet die Sekundärionen auf ein Quadrupol-Massenspektrometer 272.
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Die
gesammelten Sekundärionen,
die auf das Massenspektrometer 272 gerichtet werden, werden
zuerst durch (nicht gezeigte) Linsen zu Fokussierung des Ionenstroms
geschickt, so daß er
analysiert werden kann. Der fokussierte Ionenstrom geht dann durch
ein Massenspektrometer 272 und zu einem Ionendetektor 292.
Der Ionendetektor 292 wandelt die Ionen in Signale um,
die zur Kopplung mit einem Elektroniksystem geeignet sind, das einen
Computer zur Berechnung und Sammlung der Analyseergebnisse umfaßt. Der
Ionendetektor 292 weist geeignet einen Elektronenvervielfacher
auf, der Ionen aus dem Massenspektrometer empfängt, und folglich liefern im
Elektronenvervielfacher erzeugte Elektronen ein geeignetes Ausgangssignal.
Der detaillierte Aufbau und die Arbeitsweise des Quadrupol-Massenspektrometers
und des Ionendetektors sind Fachleuten wohlbekannt und werden durch
sie verstanden.
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Erfindungsgemäß wird die
Anzahl der Sekundärionen,
die zur Analyse erzeugt werden, aufgrund der Einleitung von Wasserdampf
aus der Quelle 46 beträchtlich
erhöht,
wodurch die Empfindlichkeit und Genauigkeit der Analyse erhöht wird,
während
eine LMIS verwendet wird, die eine laterale Auflösung von weniger als 10 nm
liefert. Es wird postuliert, daß die
dramatisch erhöhte
Erzeugung von Ionen ein Ergebnis der im Vergleich zu O2 erhöhten Haftung
von H2O und einer erhöhten Umwandlung von neutralen
in ionische zerstäubte Arten
ist. Es sind keine Röhren
für ein äußeres Gas
erforderlich, und es kann zur Analyse als auch zur Bearbeitung einer
Probe dasselbe System verwendet werden. Eine Bearbeitung kann vorteilhaft
in Verbindung mit einer Analyse eingesetzt werden, wenn die chemischen
Eigenschaften einer bestimmten Einbettungsschicht untersucht werden
sollen, da der Innenstrahl zuerst verwendet werden kann, um sich
zur erwünschten
Schicht herab zu arbeiten.
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7 zeigt
die Anzahl positiver Ionen unterschiedlicher Massen, die in einer
festen Zeitspanne aus einer Aluminiumprobe nachgewiesen wurden,
die unter drei unterschiedlichen Bedingungen durch einen fokussierten
Ionenstrahl zerstäubt
wurden. Die Linie 400 zeigt die Anzahl von Ionen verschiedener
Massen, die ohne Wasserdampfeinspritzung und mit der aus der Nähe der Probe
entfernten Gaseinspritznadel 56 nachgewiesen wurden. Die
Linie 404 zeigt die Anzahl von Ionen unterschiedlicher
Massen, die ohne Wasserdampfeinspritzung, jedoch mit der nahe der
Probe angeordneten und elektrisch vorgespannten Gaseinspritznadel 56 nachgewiesen
wurden. Der Hintergrundvakuumdruck während der Ionenzählung für die Linien 400 und 404 betrug
etwa 5,5 × 10–7 mbar.
Die Linie 408 zeigt die Anzahl von Ionen unterschiedlicher
Massen, die mit Wasserdampfeinspritzung und mit einer an der Einspritznadel 56 angelegten
Vorspannung nachgewiesen wurden. Der Hintergrundvakuumdruck mit
der vorhandenen Wasserdampfeinspritzung betrug etwa 3,3 × 10–5 mbar.
Die Gesamtzahl der in der festen Zeitspanne mit Wasserdampfeinspritzung
gezählten
Ionen betrug 566, wohingegen die Gesamtzahl der ohne Wasserdampfeinspritzung
gezählten
Ionen mit der darin befindlichen und vorgespannten Nadel 54 und
mit der entfernten Nadel 34 betrug.
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8 ist ähnlich zu 7,
jedoch weist die Probe hauptsächlich
Silizium auf. Die Linie 412 zeigt die Anzahl von Ionen
unterschiedlicher Massen, die ohne Wasserdampfeinspritzung und mit
der aus der Nähe
der Probe entfernten Gaseinspritznadel 56 nachgewiesen
wurden. Die Linie 416 zeigt die Anzahl von Ionen unterschiedlicher
Massen, die ohne Wasserdampfeinspritzung, jedoch mit der nahe der
Probe angeordneten und elektrisch vorgespannten Gaseinspritznadel 56 nachgewiesen
wurden. Der Hintergrundvakuumdruck während der Ionenzählung für die Linien 412 und 416 betrug
etwa 5,5 × 10–7 Die
Linie 418 zeigt die Anzahl von Ionen unterschiedlicher
Massen, die mit Wasserdampfeinspritzung und mit einer an der Einspritznadel 56 angelegten Vorspannung
nachgewiesen wurden. Der Hintergrundvakuumdruck mit der vorhandenen
Wasserdampfeinspritzung betrug etwa 3,3 × 10–5 mbar.
Die Gesamtzahl der in der festen Zeitspanne mit Wasserdampfeinspritzung
gezählten
Ionen betrug 291, wohingegen die Gesamtzahl der ohne Wasserdampfeinspritzung
gezählten Ionen
mit der darin befindlichen und vorgespannten Nadel 8 und mit der
entfernten Nadel 11 betrug.
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9 ist ähnlich zu 7 und 8,
jedoch weist die Probe hauptsächlich
Titan auf. Die Linie 422 zeigt die Anzahl von Ionen unterschiedlicher
Massen, die ohne Wasserdampfeinspritzung und mit der aus der Nähe der Probe
entfernten Gaseinspritznadel 56 nachgewiesen wurden. Die
Linie 426 zeigt die Anzahl von Io nen unterschiedlicher
Massen, die ohne Wasserdampfeinspritzung, jedoch mit der nahe der
Probe angeordneten und elektrisch vorgespannten Gaseinspritznadel 56 nachgewiesen
wurden. Der Hintergrundvakuumdruck während der Ionenzählung für die Linien 422 und 426 betrug
etwa 5,5 × 10–7 mbar.
Die Linie 428 zeigt die Anzahl von Ionen unterschiedlicher
Massen, die mit Wasserdampfeinspritzung und mit einer an der Einspritznadel 56 angelegten
Vorspannung nachgewiesen wurden. Der Hintergrundvakuumdruck mit
der vorhandenen Wasserdampfeinspritzung betrug etwa 3,3 × 10–5 mbar.
Die Gesamtzahl der in der festen Zeitspanne mit Wasserdampfeinspritzung
gezählten
Ionen betrug 250, wohingegen die Gesamtzahl der ohne Wasserdampfeinspritzung
gezählten
Ionen mit der darin befindlichen und vorgespannten Nadel 6 und mit
der entfernten Nadel 10 betrug.
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Die 6, 7 und 8 zeigen,
daß die
Anzahl der nachgewiesenen positiven Sekundärionen mit der Einspritzung
von Wasserdampf beträchtlich
zunimmt. Wasser (H2O) enthält Sauerstoff,
und es wird angenommen, daß er
die Probenoberfläche
effektiv oxidiert. Auf bestimmten Materialien erhöht Wasser
die Sekundärionenausbeute
mehr als es Sauerstoff tut, da Wasser an der Oberfläche effizienter
als Sauerstoff haften kann, wodurch die Wahrscheinlichkeit einer
Reaktion mit dem herausgeschlagenen Material erhöht wird. Andere Verbindungen,
insbesondere sauerstofftragende Verbindungen wie H2O2 können
ebenfalls zu Erhöhung der
Ausbeute positiver Sekundärionen
nützlich
sein.
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Die
Wasserdampfeinleitung und der Ionenbeschuß müssen nicht gleichzeitig erfolgen.
Es wird eine deutliche Erhöhung
erzielt, indem die SIMS-Analyse nach der Abscheidung von Wasser
und dem Zurückziehen
der Wasserquellennadel 56 aus dem Sekundärionen-Extraktionsfeld durchgeführt wird.
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Die
Verwendung von Wasserdampf erhöht
außerdem
die Ionenausbeuten von Bor, Kohlenstoff, Natrium, Kalium, Kalzium,
Nickel, Eisen, Chrom, Tantal, Kupfer, Arsen, Molybdän, Wolfram.
und Phosphor. Tabelle 1 zeigt den Faktor, um den die Ionenausbeute
für verschiedene
getestete Materialien erhöht
wird. Tabelle 1
Element | Ausbeutefaktorzunahme |
Silizium | 28 |
Aluminium | 10 |
Titan | 25 |
Molybdän | 4 |
Wolfram | 3 |
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Die
Erfindung ist besonders nützlich
zur Halbleiterdefektanalyse. Sie kann verwendet werden, um den Elementargehalt
von Fremdkörperteilchen
und anderen Rückständen und
Verunreinigungen und Defekten entweder auf einer Oberfläche oder
eingebettet zu ermitteln. Teilchen mit der halben oder einem Drittel
der Größe der Merkmalsabmessungen
können
eine Schaltung zerstören.
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Mit
Merkmalen in der Größenordnung
von 0,18 Mikrometern können
Teilchen, die nicht größer als
0,06 Mikrometer sind, eine integrierte Schaltung ruinieren. Die
hohe Präzision
des Flüssigmetall-Ionenstrahls,
kombiniert mit der erhöhten
Ionenausbeute der vorliegenden Erfindung ermöglicht es, den Elementgehalt
von äußerst kleinen
Fremdkörpern
zu bestimmen, so daß ein
Verfahrensingenieur die Quelle des Fremdkörpers zurückverfolgen und die Verfahrensausbeute
erhöhen
kann. Der fein fokussierte Galliumstrahl kann sich durch Bearbeitungsschichten
fräsen,
um die Schaltung an der Fehlerstelle freizulegen, und dann SIMS
verwenden, um den Grund des Fehlers zu analysieren.
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Gaseinspritzsysteme
stehen an vielen vorhandenen LMIS-FIB-Systemen zur Verfügung, so daß die Erfindung die Verwendung
solcher Systeme ohne Modifikation zur Submikrometer-Elementar-SIMS-Analyse ermöglicht.
Für FIB-Systeme,
denen ein Gaseinspritzsystem fehlt, kann man leicht eines hinzufügen. Natürlich ist
die Erfindung immer noch auf FIBs, die andere Ionenquellen verwenden,
wie ein Duoplasmatron, und Primärionen
anderer Arten, wie Sauerstoff, Argon, Stickstoff usw. anwendbar.
Andere Typen von Massenanalysatoren, wie magnetische Sektorfeld-Massenanalysatoren
und Flugzeitmassenanalysatoren können
eben falls verwendet werden. Fachkräfte werden außerdem verstehen,
daß die
Erfindung auf analytische Systeme anwendbar ist, die andere Einrichtungen,
wie Laser oder Feldionisation anwendbar ist, um ionisierte Teilchen
zum Nachweis zu entfernen.
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Die
oben beschriebenen Ausführungsformen
sind lediglich veranschaulichend, und Fachkräfte können Veränderungen an ihnen vornehmen,
ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, der durch die folgenden
Ansprüche
definiert ist.