DE68906865T2 - METHOD WITH SELECTIVE NUCLEMENTATION AND GROWTH FOR CHEMICAL VAPOR PHASE DEPOSITION OF METALS USING FOCUSED ION RAYS. - Google Patents
METHOD WITH SELECTIVE NUCLEMENTATION AND GROWTH FOR CHEMICAL VAPOR PHASE DEPOSITION OF METALS USING FOCUSED ION RAYS.Info
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Description
Diese Erfindung betrifft Verfahren zum Abscheiden von metallischen Linien auf einem Substrat, wie einem IC-Chip oder einer Maske und insbesondere Abscheidungsverfahren, die einen fokussierten Ionenstrahl verwenden, um die Abscheidung zu initiieren.This invention relates to methods for depositing metallic lines on a substrate, such as an IC chip or mask, and more particularly to deposition methods that use a focused ion beam to initiate deposition.
Verschiedene Verfahren wurden verwendet für das Abscheiden von Materiallinien auf einem Substrat in Verbindung mit der Herstellung oder der Reparatur von IC-Chips und Masken.Various techniques have been used for depositing lines of material on a substrate in connection with the fabrication or repair of IC chips and masks.
Diese Verfahren schliefen die Verwendung von Elektronenstrahlen, Laserstrahlen und Ionenstrahlen ein. Jedoch war keines dieser Verfahren in der Lage, eine Kombination aus schnellem Schreiben, relativ dicken Linien, einer Auflösung von weniger als einem halben Mikrometer, einer hohen Reinheit des abgeschiedenen Materials und Verfahrenskompatibilität mit anderen Verfahrenstechniken mit fokussierten Ionenstrahlen (FIB) zu erreichen.These processes included the use of electron beams, laser beams and ion beams. However, none of these processes were able to achieve a combination of fast writing, relatively thick lines, resolution of less than half a micrometer, high purity of the deposited material and process compatibility with other focused ion beam (FIB) processing techniques.
Frühere e-Strahllösungswege haben sowohl die direkte Polymerisation als auch chemische Dampfabscheidungsverfahren (CVD) verwendet. Direkte Polymerisation wird bei Raumtemperatur ausgeführt, wobei der e-Strahl konstant bei einer Dosierung in der Größe von 10¹&sup7;-10¹&sup8; Elektronen/cm² belassen wird. Der CVD-Lösungsweg wird bei einer Temperatur verwendet, die ein wenig unterhalb der Temperatur der spontanen thermischen Zersetzung des Gases liegt, aus dem das Wachstumsmaterial gewonnen wird. Der e-Strahl wird nach dem Scannen einer Linie auf dem Substrat abgeschalten und die Abscheidung findet in der Gegenwart eines Gases statt, das das abzuscheidende Material enthält. Obwohl bei dem CVD-Lösungsweg eine etwas niedrigere e-Strahldosierung benötigt wird, muß die Dosierung für eine vernünftige Selektivität noch in der Größe von 10¹&sup6;-10¹&sup7; Elektronen/cm² liegen, was eine Dosierungsverringerung von nur etwa einer Größenordnung bedeutet. Die obige Temperatur und die Dosen wurden verwendet, um Eisen aus Eisenpentacarbonylgas abzuscheiden, aber ein vergleichbarer Unterschied zwischen der direkten Polyinerisation und CVD-Lösungswegen wurde auch für andere Materialien ermittelt. Obwohl Metallinien mit Breiten im Submikrometerbereich mit Elektronenstrahlen abgeschieden wurden, benötigen sie typischerweise hohe Elektronendosen. Die Verwendung von Elektronenstrahlen für die CVD von Eisenlinien in der Gegenwart von Eisenpentacarbonylgas wird in Kunz et al. "Catalytic Growth Rate Enhancement of Electron Beam Deposited Iron Films", Appl. Phys. Lett., Vol.50, No.15, 13. April 1987, Seiten 962-64 diskutiert.Previous e-beam approaches have used both direct polymerization and chemical vapor deposition (CVD) processes. Direct polymerization is carried out at room temperature, keeping the e-beam constant at a dosage in the range of 10¹⁷-10¹⁸ electrons/cm². The CVD approach is used at a temperature slightly below the temperature of spontaneous thermal decomposition of the gas from which the growth material is derived. The e-beam is Scanning a line on the substrate is turned off and deposition takes place in the presence of a gas containing the material to be deposited. Although a slightly lower e-beam dosage is required with the CVD approach, the dosage must still be in the order of 10¹⁶-10¹⁷ electrons/cm² for reasonable selectivity, which represents a dosage reduction of only about an order of magnitude. The above temperature and doses were used to deposit iron from iron pentacarbonyl gas, but a comparable difference between direct polymerization and CVD approaches has been found for other materials. Although metal lines with submicron widths have been deposited with electron beams, they typically require high electron doses. The use of electron beams for CVD of iron lines in the presence of iron pentacarbonyl gas is discussed in Kunz et al., "Catalytic Growth Rate Enhancement of Electron Beam Deposited Iron Films," Appl. Phys. Lett., Vol.50, No.15, 13 April 1987, pages 962-64.
Laserunterstützte Abscheidung wurde auch verwendet bei Temperaturen unterhalb der Temperatur der spontanen thermischen Zersetzung des Ausgangsgases für das Material, das abgeschieden werden soll. Im Fall der laserunterstützten Abscheidung kann der Laserpunkt jedoch nicht auf einen Durchmesser unterhalb etwa 0,5-1 Mikrometer fokussiert werden. Dies schließt die Verwendung von laserunterstützter Abscheidung für IC-Anwendungen aus, die Submikrometergeometrien aufweisen. Laserunterstützte Abscheidung wird in Higashi et al., "Summary Abstract: Nucleation Considerations in the Wavelength-Dependent Activation Selectivity of Aluminum Chemical-Vapor Deposition", J. Vac. Sci. Technol., Vol. B5, No. 5, Sept./Oct. 1987, Seiten 1441-43 diskutiert.Laser-assisted deposition has also been used at temperatures below the temperature of spontaneous thermal decomposition of the source gas for the material to be deposited. However, in the case of laser-assisted deposition, the laser spot cannot be focused to a diameter below about 0.5-1 micrometer. This precludes the use of laser-assisted deposition for IC applications that have submicrometer geometries. Laser-assisted deposition is discussed in Higashi et al., "Summary Abstract: Nucleation Considerations in the Wavelength-Dependent Activation Selectivity of Aluminum Chemical-Vapor Deposition", J. Vac. Sci. Technol., Vol. B5, No. 5, Sept./Oct. 1987, pages 1441-43.
Fokussierte Ionenstrahlen wurden früher verwendet, um Metallinien bei Raumtemperatur in einem direkten Polymerisationsverfahren abzuscheiden. Ein FIB scannt das Substrat entlang des Ortes der gewünschten Wachstumslinie in der Gegenwart eines Gases (z.B. ein Metallhexacarbonyl, wie beschrieben in EP-A-247,714), das das abzuscheidende Material enthält. Im Gegensatz zu dem CVD-Verfahren, das mit e-Strahlen und Lasern verwendet wurde, in dem die Strahlen abgeschaltet wurden, wenn die Nukleierungsstellen einmal hergestellt worden waren und der größte Teil des Metallwachstums durch Abscheidung danach stattfindet, hat die FIB-Technik erfordert, daß der Strahl während der gesamten Wachstumsdauer angelassen wird. Die früheren FIB-Verfahren haben auch einige andere wichtige Nachteile. Relativ hohe Dosen in der Größe von 10¹&sup7; Ionen/cm² oder größer waren erforderlich, um Linien abzuscheiden, die nur ein paar Tausend Angström dick waren. Der Verunreinigungspegel der abgeschiedenen Linien ist recht hoch, er überschreitet 25%, und er führt damit zu einem Widerstand der höher ist als gewünscht. Sorgfalt muß auch aufgewandt werden um sicherzustellen, dar das abgeschiedene Material nicht durch überschüssige Energie in dem Strahl weggesputtert wird. Die Anforderung einer relativ hohen Ionendosis verlangsamt die Geschwindigkeit beträchtlich, mit der Linien geschrieben werden können und macht es damit schwierig, das Schreiben von Metallinien in andere FIB-Verfahren mit höherer Geschwindigkeit zu integrieren, die bei der Herstellung von ICs verwendet werden. Obwohl Ionenstrahlen leicht unterhalb eines Mikrometers im Durchmesser fokussiert werden können und somit das Potential für Submikrometerauf lösung bei der IC-Herstellung haben, konnte somit früher kein praktischer Weg gefunden werden, schnelle FIB-Metallinienabscheidung in ein IC-Herstellungsverfahren zu integrieren. Die Verwendung eines FIB für Metallabscheidung durch direkte Polymerisation ist in Shedd et al., "Focused Ion Beam Induced Deposition of Gold", Appl. Phys. Lett., Vol. 49, No. 23, 8. Dez. 1986, Seiten 1584-86 beschrieben.Focused ion beams have previously been used to generate metal lines at room temperature in a direct polymerization process A FIB scans the substrate along the location of the desired growth line in the presence of a gas (e.g. a metal hexacarbonyl as described in EP-A-247,714) containing the material to be deposited. Unlike the CVD process used with e-beams and lasers, in which the beams were turned off once the nucleation sites had been made and most of the metal growth by deposition takes place thereafter, the FIB technique required that the beam be left on for the entire growth period. The earlier FIB processes also had several other important disadvantages. Relatively high doses, on the order of 10¹⁷ ions/cm² or greater, were required to deposit lines only a few thousand angstroms thick. The impurity level of the deposited lines is quite high, exceeding 25%, and thus resulting in a resistivity higher than desired. Care must also be taken to ensure that the deposited material is not sputtered away by excess energy in the beam. The requirement for a relatively high ion dose significantly slows the rate at which lines can be written, making it difficult to incorporate metal line writing into other higher speed FIB processes used in IC fabrication. Thus, although ion beams can easily be focused to below one micrometer in diameter and thus have the potential for submicrometer resolution in IC fabrication, no practical way has previously been found to incorporate fast FIB metal line deposition into an IC fabrication process. The use of an FIB for metal deposition by direct polymerization is described in Shedd et al., "Focused Ion Beam Induced Deposition of Gold," Appl. Phys. Lett., Vol. 49, No. 23, Dec. 8, 1986, pages 1584-86.
Andere FIB-Verfahren, die bei der IC-Herstellung verwendet werden, sind Implantation (für selektives Dotieren), Lithographie (zum Definieren von kleinen Mustern) und Sputtern (zum Entfernen von Material). Implantation wird im allgeineinen bei einer Dosierung innerhalb des Bereichs von 10¹²-10¹&sup5; Ionen/cm² durchgeführt, Lithographie innerhalb des Bereiches von 10¹³-10¹&sup5; lonen/cm² und Sputtern bei etwa 10¹&sup6;-10¹&sup7; Ionen/cm². Eine FIB-Metallabscheidungstechnik, die Ionendosierungen vergleichbar zu diesen anderen Verfahren benötigte, würde die völlig maskenf reie Herstellung von ICs möglich machen. Unglücklicherweise war solch eine Technik früher nicht verfügbar.Other FIB processes used in IC fabrication are implantation (for selective doping), lithography (for defining small patterns) and sputtering (for removing material). Implantation is generally performed at a dosage within the range of 10¹²-10¹⁵ ions/cm², lithography within the range of 10¹³-10¹⁵ ions/cm² and sputtering at about 10¹⁶-10¹⁵ ions/cm². A FIB metal deposition technique that required ion dosages comparable to these other processes would enable completely mask-free IC fabrication. Unfortunately, such a technique was not previously available.
Mit Blick auf die obigen Beschränkungen des einschlägigen Standes der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Verwenden eines FIB zum Abscheiden eines Materials entlang eines gewünschten Ortes auf einem Substrat bereitzustellen.In view of the above limitations of the relevant prior art, it is an object of the present invention to provide an improved method for using a FIB to deposit a material along a desired location on a substrate.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst.This object is solved by the features of claim 1.
Es ist ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Verwenden eines FIB bereitzustellen, um Materiallinien mit Submikrometerbreite abzuscheiden, die eine hohe Reinheit aufweisen, relativ dick sind, eine niedrige Ionendosierung erfordern, die kompatibel mit anderen FIB-Verfahrenstechniken ist, und die rasch abgeschieden werden können. Es ist auch ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, einen FIB in Verbindung mit einer CVD-Technik zu verwenden, die es erlaubt, den Strahl während des größten Teils der Wachstumsdauer abzuschalten.It is an advantage of the present invention to provide a method of using a FIB to deposit submicron-wide lines of material that are of high purity, relatively thick, require low ion dosage, are compatible with other FIB processing techniques, and can be deposited rapidly. It is also an advantage of the present invention to use a FIB in conjunction with a CVD technique that allows the beam to be turned off during most of the growth period.
Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe mit einer neuen FIB-Abscheidungstechnik, von der gefunden wurde, daß sie kompatibel mit CVD ist. Ein Substrat, auf dem eine Materiallinie abgeschieden werden soll, wird entlang des Ortes der Linie mit einem FIB bei einer ausreichenden Ionendosierung und Energie gescannt, um Nukleierungsstellen auf dem Substrat entlang des Ortes auszubilden. Das Scannen findet in oder ohne die Gegenwart eines Adsorptionsschichtgases statt.The present invention solves this problem with a new FIB deposition technique that has been found to be compatible with CVD. A substrate on which a line of material is to be deposited is moved along the location of the Line is scanned with a FIB at a sufficient ion dosage and energy to form nucleation sites on the substrate along the location. Scanning takes place in or without the presence of an adsorption layer gas.
Das Substrat wird dann einem Ausgangsgas ausgesetzt, das das abzuscheidende Material einschließt, und wird auf eine Temperatur erwärmt, die hoch genug für das Material ist, um auf den Nukleierungsstellen zu wachsen und eine im wesentlichen kontinuierliche Abscheidung auszubilden, aber unterhalb der Temperatur der spontanen thermischen Zersetzung des Ausgangsgases für die Zeitdauer, die das Substrat erwärmt und dem Ausgangsgas ausgesetzt wird. Das FIB-Scannen wird nach einer kurzen anfänglichen Zeitdauer beendet, während das Erwärmen des Substrates und das dem Ausgangsgas Ausgesetztsein nach der Beendigung des Scannens fortgesetzt wird, um das Wachstumsverfahren fertigzustellen.The substrate is then exposed to a source gas that includes the material to be deposited and is heated to a temperature high enough for the material to grow on the nucleation sites and form a substantially continuous deposit, but below the temperature of spontaneous thermal decomposition of the source gas for the period of time the substrate is heated and exposed to the source gas. FIB scanning is terminated after a short initial period of time, while heating of the substrate and exposure to the source gas continues after scanning is terminated to complete the growth process.
Das Ausgangsgas kann entweder gleich oder verschieden von irgendeinem verwendeten Adsorptionsschichtgas sein.The starting gas may be either the same or different from any adsorption layer gas used.
Signifikante Verringerungen bei der Ionendosierung werden für Gase erreicht, bei denen das Verhältnis der spontanen Aktivierungsenergie zu der autokatalytischen Aktivierungsenergie wenigstens in etwa eine Größenordnung beträgt. Für Eisenpentacarbonyl wurden Eisenlinien mit hoher Reinheit auf einem Siliziumsubstrat abgeschieden mit einer FIB- Ionendosierung in der Größe von 10¹&sup4;-10¹&sup5; Ionen/cm², präzise 3x10¹&sup4; Ionen/cm², mit einer Substrattemperatur von ungefähr 130ºC. Mit diesem Material kann das FIB-Scannen bei einer Geschwindigkeit von 1 mm/s durchgeführt werden, gefolgt durch ein dem Ausgangsgas Ausgesetztsein des erwärmten Substrates über etwa 1 oder 2 min. Bessere Ergebnisse werden eher mit einer Serie von schnellen mehrfachen Scans als durch einen einzelnen längeren Scan erzielt. Es wird angenommen, dar die signifikante Dosisverringerung im Vergleich zu e-Strahl-CVD-Techniken, die das gleiche Eisenpentacarbonylausgangsgas verwenden, auf die Tatsache zurückzuführen ist, daß der Ionenstrahl Nukleierungsstellen sowohl durch die Zersetzung der Adsorptionsschicht als auch durch direkte Substratbeschädigung erzeugen kann.Significant reductions in ion dosage are achieved for gases where the ratio of spontaneous activation energy to autocatalytic activation energy is at least about an order of magnitude. For iron pentacarbonyl, high purity iron lines were deposited on a silicon substrate with an FIB ion dosage of the order of 10¹⁴-10¹⁵ ions/cm², precisely 3x10¹⁴ ions/cm², with a substrate temperature of about 130ºC. With this material, FIB scanning can be performed at a speed of 1 mm/s followed by exposure of the heated substrate to the source gas for about 1 or 2 min. Better results are obtained with a series of rapid multiple scans rather than a single longer scan. It is believed that the significant dose reduction compared to to e-beam CVD techniques using the same iron pentacarbonyl starting gas is due to the fact that the ion beam can generate nucleation sites both by decomposition of the adsorption layer and by direct substrate damage.
Das neue FIB-unterstützte Abscheidungsverfahren hat zahlreiche Anwendung, einschließend die in-situ-Ausbildung von Schaltungsanschlüssen während der Herstellung eines IC- Chips, die Reparatur von Chipschaltungsanschlüssen, die Ausbildung von Linien auf einer Maske, die für die Herstellung von IC-Chips verwendet wird, und die Reparatur von solchen Maskenlinien.The new FIB-assisted deposition process has numerous applications, including the in-situ formation of circuit connections during the fabrication of an IC chip, the repair of chip circuit connections, the formation of lines on a mask used for the fabrication of IC chips, and the repair of such mask lines.
Diese und andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden dem Durchschnittsfachmann aus der folgenden detaillierten Beschreibung von verschiedenen bevorzugten Ausführungsformen zusammengenommen mit der dazugehörigen Zeichnung offensichtlich werden, in der:These and other features and advantages of the invention will become apparent to those skilled in the art from the following detailed description of various preferred embodiments taken together with the accompanying drawings in which:
Fig. 1 eine vereinfachte Aufrißansicht einer FIB-Säule ist, die die Erfindung verwendet;Figure 1 is a simplified elevational view of a FIB column utilizing the invention;
Fig. 2 und 3 sind bruchstückhafte Ansichten eines Substrates, die die aufeinanderfolgenden Schritte bei einer Linienabscheidung gemäß der Erfindung verdeutlichen;Figures 2 and 3 are fragmentary views of a substrate illustrating the sequential steps in a line deposition according to the invention;
Fig. 4 ist ein Kurvenschaubild, das die Beziehung zwischen strahlunterstützter und spontaner Nukleierung für mehrere Temperaturen als eine Funktion der Erwärmungszeiten zeigt; undFig. 4 is a graph showing the relationship between jet-assisted and spontaneous nucleation for several temperatures as a function of heating times; and
Fig. 5-8 sind Grundrißansichten, die die Anwendung der Erfindung auf die Herstellung und Reparatur eines IC-Chips und die Herstellung und Reparatur einer photolithographischen IC-Maske verdeutlichen.Figures 5-8 are plan views illustrating the application of the invention to the manufacture and repair of an IC chip and the manufacture and repair of a photolithographic IC mask.
Zahlreiche FIB-Säulen wurden entwickelt, die für die Verwendung mit der vorliegenden Erfindung geeignet sind, um dünne metallische Linien auf einem Substrat abzuscheiden. Eine solche Säule wird in US-A-4,556,798 offenbart. Eine vereinfachte FIB-Säule wird in Fig. 1 gezeigt. Sie schließt eine Ionenquelle 2 mit hoher Strahlungskraft (high brightness) ein, welche beheizt wird und die einen scharfen Punkt aufweist, von dem Ionen herausgelöst werden. Ein Metall wird durch eine Heizung geschmolzen und wandert durch kapillare Wirkung zu dem Punkt der Ionenquelle 2, wo es ionisiert wird. Diese Ionenquelle mit hoher Strahlungskraft (high brightness) produziert einen Strahl von geladenen Partikeln, die von einem sehr kleinen Punkt auszustrahlen scheinen.Numerous FIB columns have been developed which are suitable for use with the present invention to deposit thin metallic lines on a substrate. One such column is disclosed in US-A-4,556,798. A simplified FIB column is shown in Fig. 1. It includes a high brightness ion source 2 which is heated and has a sharp point from which ions are extracted. A metal is melted by a heater and migrates by capillary action to the point of the ion source 2 where it is ionized. This high brightness ion source produces a beam of charged particles which appear to radiate from a very small point.
Eine Extraktionselektrode 4 befindet sich direkt unterhalb der Flüssigmetallionenguelle 2. Durch ein geeignetes Netzteil 6 wird zwischen der Ionenquelle 2 und der Extraktionselektrode 4 eine elektrische Potentialdifferenz errichtet, die ausreichend ist, um einen Ionenstrahl aus der Quelle herauszulösen.An extraction electrode 4 is located directly below the liquid metal ion source 2. A suitable power supply 6 creates an electrical potential difference between the ion source 2 and the extraction electrode 4 that is sufficient to release an ion beam from the source.
Der Ionenstrahl tritt durch eine zentrale Öffnung in der Extraktionselektrode und setzt sich durch einen ExB-Masssenseparator 8 fort. Dies ist eine bekannte Vorrichtung, welche verwendet wird, um Ionen von unerwünschter Art aus dem Strahl abzuleiten, so dar nur Ionen der gewünschten Art sich in dem Weg des Strahles fortsetzen. Sie besteht aus einem Paar Kondensatorplatten (electric field plates), die an gegenüberliegenden Seiten des Strahles angeordnet sind, und einem Paar magnetischer Polstücke, die orthogonal zu den Kondensatorplatten (electric field plates) angeordnet sind. Die elektrischen und magnetischen Felder werden durch einen Steuerungsmechanismus 10 kontrolliert, so dar Ionen der ausgewählten Art durch eine einen Strahl definierende Öffnung 12 in einer Platte 14 hindurchtreten, die sich unmittelbar unterhalb des Massenseparators befindet, während Ionen von anderer Art aus dem Weg des Strahles ausgeblendet und durch die Platte 14 abgeblockt werden.The ion beam passes through a central opening in the extraction electrode and continues through an ExB mass separator 8. This is a known device which is used to remove ions of undesirable type from the beam so that only ions of the desired type continue in the path of the beam. It consists of a pair of capacitor plates (electric field plates) which are connected to opposite sides of the beam, and a pair of magnetic pole pieces arranged orthogonally to the electric field plates. The electric and magnetic fields are controlled by a control mechanism 10 so that ions of the selected type pass through a beam defining aperture 12 in a plate 14 located immediately below the mass separator, while ions of other types are blocked from the path of the beam and blocked by the plate 14.
Eine Beschleungigungslinse 16 befindet sich unterhalb der Platte 14, um die Ionen zu beschleunigen und die Energie der Ionen zu vergrößern, die durch die den Strahl def inierende Öffnung hindurchtreten. Die Beschleunigungslinse 16 besteht typischerweise aus einem Elektrodenpaar, das sequentiell in dem Weg des Strahles positioniert ist, wobei das Netzteil 6 für eine Potentialdifferenz zwischen den zwei Elektroden sorgt, die ausreichend ist, um die gewünschte Beschleunigung bereitzustellen.An accelerating lens 16 is located beneath the plate 14 to accelerate the ions and increase the energy of the ions passing through the aperture defining the beam. The accelerating lens 16 typically consists of a pair of electrodes positioned sequentially in the path of the beam, with the power supply 6 providing a potential difference between the two electrodes sufficient to provide the desired acceleration.
Ein Strahlableiter, wie ein Oktupolableiter 18 ist unterhalb der Beschleunigungslinse positioniert und wird verwendet, um den Strahl über ein Substrat zu scannen. Der Ableiter schließt eine Abschneideöffnung (blanking aperture) 20 ein, die verwendet werden kann, um den Strahl wenn gewünscht abzuschneiden.A beam diverter, such as an octupole diverter 18, is positioned below the accelerating lens and is used to scan the beam across a substrate. The diverter includes a blanking aperture 20 which can be used to truncate the beam if desired.
Soweit bisher beschrieben, ist die FIB-Säule konventionell. Sie ist innerhalb einer Vakuumkammer 22 untergebracht und schließt eine x-y-Bühne 24 ein, die zu kontrollierten Bewegungen in einer x-y-Ebene in der Lage ist. Ein thermischer Isolator 26 erstreckt sich nach oben aus der x-y-Bühne und trägt ein Heizelement 28, um das ein elektrischer Heizdraht 30 aufgespult ist. Das Substrat 32, das das Target für den FIB ausbildet, ist auf der Oberseite des Heizelementes 28 angebracht und wird damit erwärmt, wobei ein Thermoelementsensor 34 die Temperatur des Substrates mißt, um eine Steuerung für das Heizelement bereitzustellen. Die durch das Thermoelement 34 gemessene Substrattemperatur wird zu einem Temperatursteuerungsmechanismus 35 übermittelt, welcher den durch die Heizspule 30 fließenden Strom und damit die Substrattemperatur kontrolliert.As described so far, the FIB column is conventional. It is housed within a vacuum chamber 22 and includes an xy stage 24 capable of controlled movements in an xy plane. A thermal insulator 26 extends upwardly from the xy stage and supports a heating element 28 around which an electrical heating wire 30 is wound. The substrate 32, which forms the target for the FIB, is mounted on top of the heating element 28. and is heated thereby, with a thermocouple sensor 34 measuring the temperature of the substrate to provide control for the heating element. The substrate temperature measured by the thermocouple 34 is transmitted to a temperature control mechanism 35 which controls the current flowing through the heating coil 30 and thus the substrate temperature.
Das auf dem Substrat abzuscheidende Material wird in einem gasförmigen Zustand innerhalb des Gasbehälters 36 gehalten. Ein Ventil 38 steuert den Fluß des Ausgangsgases aus dem Behälter durch eine Ausströmöffnung 40, die oberhalb des Substrates nahe des FIB endet und die einen Gasfluß auf den Teil des Substrates lenkt, der durch den FIB gescannt wird.The material to be deposited on the substrate is maintained in a gaseous state within the gas vessel 36. A valve 38 controls the flow of the source gas from the vessel through an outlet opening 40 which terminates above the substrate near the FIB and which directs a flow of gas onto the portion of the substrate being scanned by the FIB.
Die vorliegende Erfindung stellt ein neues Verfahren für das Abscheiden von präzise definierten Materiallinien aus dem Gas auf dem Substrat 32 bereit, mit einer wesentlich niedrigeren Ionendosierung als früher benötigt wurde. Gemäß der Erfindung wird der FIB über das Substrat gescannt, um einen Ort mit Nukleierungsstellen direkt auf der Oberfläche durch Gitterbeschädigung oder durch Oberflächenzersetzung einer Adsorptionsschicht oder durch beides auszubilden. Das Substrat wird dann auf eine Temperatur erwärmt, die hoch genug ist, um das Wachstum des gewünschten Materials aus dem Ausgangsgas auf den Nukleierungsstellen zu unterstützen, aber die unterhalb der Temperatur für die spontane thermische Zersetzung des Ausgangsgases. Bei dieser Temperatur wird das Substrat dem Ausgangsgas ausgesetzt, was Abscheidungen des gewünschten Materials induziert, um auf den Nukleierungsstellen zu wachsen, bis eine kontinuierliche Linie aus Abscheidungen ausgebildet worden ist. Abscheidungen mit einer sehr hohen Reinheit und mit hohen Höhe-Breite-Verhältnissen wurden mit diesem neuen Verfahren erzielt.The present invention provides a new method for depositing precisely defined lines of material from the gas onto the substrate 32 with a substantially lower ion dosage than previously required. According to the invention, the FIB is scanned across the substrate to form a location of nucleation sites directly on the surface by lattice damage or by surface decomposition of an adsorption layer or both. The substrate is then heated to a temperature high enough to support growth of the desired material from the source gas onto the nucleation sites, but below the temperature for spontaneous thermal decomposition of the source gas. At this temperature, the substrate is exposed to the source gas, inducing deposits of the desired material to grow onto the nucleation sites until a continuous line of deposits has been formed. Deposits with very high purity and high aspect ratios were achieved with this new process.
Das Abscheidungsverfahren wird in Fig. 2 und 3 verdeutlicht. Eine Adsorptionsschicht 42, bestehend aus ein paar Monoschichten des Umgebungsgases innerhalb der Vakuumkammer, haftet an der Oberfläche des Substrates 32, das typischerweise ein Siliziumchip ist. Die Adsorptionsschicht wird typischerweise bei einem Dampfdruck in der Größe von 1,33 Pa (10 mTorr) ausgebildet. Die Ionen zersetzen dann die Adsorptionsschicht, um Nukleierungsstellen auszubilden. Zusätzlich können Nukleierungsstellen direkt auf der Oberfläche des Wafers durch Beschädigung mit Ionen ausgebildet werden. Somit muß das Gas nicht immer während der Aktivierungsphase gegenwärtig sein. In der vorliegenden Erfindung kann das gleiche Gas verwendet werden, um sowohl die Adsorptionsschicht auszubilden als auch eine Quelle für das Abscheidungsmaterial bereitzustellen, oder es können unterschiedliche Gase verwendet werden.The deposition process is illustrated in Figures 2 and 3. An adsorption layer 42, consisting of a few monolayers of the ambient gas within the vacuum chamber, adheres to the surface of the substrate 32, which is typically a silicon chip. The adsorption layer is typically formed at a vapor pressure on the order of 1.33 Pa (10 mTorr). The ions then decompose the adsorption layer to form nucleation sites. In addition, nucleation sites can be formed directly on the surface of the wafer by ion damage. Thus, the gas does not always have to be present during the activation phase. In the present invention, the same gas can be used to both form the adsorption layer and provide a source of the deposition material, or different gases can be used.
Der FIB 44 wird über die Oberfläche 42 entlang des Ortes gescannt, wo Abscheidung erwünscht ist. Der FIB kann entweder über die Oberfläche in einer Abfolge kleiner inkrementaler Schritte unter Computersteuerung oder mit einer kontinuierlichen Bewegung gescannt werden. Das Ergebnis dieses Scannens ist, dar der FIB die Bindungen bei (among) den Molekülen auf der Oberfläche aufbricht und eine Reihe von Nukleierungsstellen 46 ausbildet, die geeignet sind, das Wachstum des Abscheidungsmaterials zu unterstützen. Wenn die Substrattemperatur hoch genug angehoben wird, wird sich spontane Nukleierung über der Oberfläche auch ohne den FIB ereignen. Folglich wird das Erwärmen des Substrates in diesem Stadium unterhalb der Temperatur der spontanen Nukleierung gehalten, bei dem das Gas Nukleierungsstellen in der Abwesenheit eines FIB ausbildet.The FIB 44 is scanned across the surface 42 along the location where deposition is desired. The FIB can be scanned across the surface either in a series of small incremental steps under computer control or with a continuous motion. The result of this scanning is that the FIB breaks the bonds among the molecules on the surface and forms a series of nucleation sites 46 suitable for supporting the growth of the deposition material. If the substrate temperature is raised high enough, spontaneous nucleation will occur across the surface even without the FIB. Consequently, heating of the substrate at this stage is kept below the temperature of spontaneous nucleation at which the gas forms nucleation sites in the absence of a FIB.
Der FIB kann in einem einzigen Scan über das Substrat bewegt werden, um eine Linie aus Nukleierungsstellen auszubilden. Für manche Gase wurden jedoch besser definierte Linien aus abgeschiedenem Material hergestellt mit einem größeren Dicke:Breite-Verhältnis, wenn der FIB in mehrfachen Scans über den gewünschten Ort bewegt wird. Bessere Ergebnisse wurden für einige Gase mit mehrfachem Scannen erhalten, selbst wenn die einzelnen Scans bei einer größeren Geschwindigkeit als ein einzelnes Scanverfahren durchgeführt wurden und wenn die Gesamtverweildauer des Strahles auf dem Substrat durch mehrfache Scans nicht größer ist als jene durch ein einzelnes Scanverfahren.The FIB can be moved across the substrate in a single scan to form a line of nucleation sites. However, for some gases, better defined lines of deposited material with a larger thickness:width ratio when the FIB is moved over the desired location in multiple scans. Better results have been obtained for some gases with multiple scanning, even when the individual scans are performed at a higher speed than a single scan and when the total residence time of the beam on the substrate by multiple scans is not greater than that by a single scan.
Wenn genügend Nukleierungsstellen ausgebildet worden sind, wird der FIB abgeschalten und das Substrat dem Ausgangsgas ausgesetzt, das das abzuscheidende Material enthält. Das Gas reagiert mit den Nukleierungsstellen, um einen Materialfilm um die Stellen herum abzuscheiden, wenn die Substrattemperatur ausreichend hoch ist. Zu diesem Zweck wird das Substrat knapp unterhalb der Temperatur der thermischen Zersetzung des Ausgangsgases erwärmt; wesentlich höhere Temperaturen führen zu ungewünschten Abscheidungen außerhalb der Scanlinie. Sowie das Ausgesetztsein fortdauert, wird das Material weiter wachsen, wie durch die auf einanderfolgenden Serien von gestrichelten Linien 48 in Fig. 3 angezeigt wird. Schließlich werden die Lücken zwischen den Nukleierungsstellen aufgefüllt werden und es wird eine kontinuierliche Abscheidungslinie 50 hergestellt.When enough nucleation sites have been formed, the FIB is turned off and the substrate is exposed to the source gas containing the material to be deposited. The gas reacts with the nucleation sites to deposit a film of material around the sites if the substrate temperature is sufficiently high. To this end, the substrate is heated to just below the thermal decomposition temperature of the source gas; much higher temperatures result in unwanted deposits outside the scan line. As exposure continues, the material will continue to grow, as indicated by the successive series of dashed lines 48 in Figure 3. Eventually, the gaps between the nucleation sites will be filled and a continuous deposition line 50 will be established.
Die Temperatur für die spontane Nukleierung eines bestimmten Gases ist kein absoluter Wert, sondern ist eher von der Länge der Zeit abhängig, die das Substrat auf eine bestimmte Temperatur erwärmt wird, und von dem Druck des Ausgangsgases. Dieses Phänomen wird in Fig. 4 verdeutlicht. Angenommen, die Oberfläche wird auf drei verschiedene Temperaturen T&sub1;, T&sub2; und T&sub3; erwärmt, wobei T&sub1; größer ist als T&sub2; und T&sub2; größer als T&sub3;, und alle drei Temperaturen sind in der Lage, spontane Nukleierung für das ausgewählte Gas zu unterstützen. Wie in Fig. 4 verdeutlicht wird, gibt es eine Latenzdauer, bevor sich irgendeine spontane Nukleierung ereignet. Bei der höchsten Temperatur T&sub1; wird spontane Nukleierung beginnen, wenn das Substrat über eine erste Zeitdauer t&sub1; erwärmt wurde, spontane Nukleierung bei der nächstniedrigeren Temperatur T&sub2; wird zu einer späteren Zeit t&sub2; beginnen, während die spontane Nukleierung bei der niedrigsten Temperatur T&sub3; bei einer noch späteren Zeit t&sub3; beginnen wird. Somit wird das Erfordernis, dar die Oberfläche auf eine Temperatur unterhalb der Temperatur für seine spontane Nukleierung erwärmt wird, sowohl durch das Steuern der absoluten Temperatur als auch der Zeitdauer, die das Substrat erwärmt und dem Gas ausgesetzt wird, erfüllt.The temperature for spontaneous nucleation of a particular gas is not an absolute value, but rather depends on the length of time the substrate is heated to a particular temperature and the pressure of the source gas. This phenomenon is illustrated in Fig. 4. Suppose the surface is heated to three different temperatures T₁, T₂ and T₃, where T₁ is greater than T₂ and T₂ is greater than T₃, and all three temperatures are capable of supporting spontaneous nucleation for the selected gas. As illustrated in Fig. 4, there is a latency period, before any spontaneous nucleation occurs. At the highest temperature T₁, spontaneous nucleation will begin when the substrate has been heated for a first time period t₁, spontaneous nucleation at the next lower temperature T₂ will begin at a later time t₂, while spontaneous nucleation at the lowest temperature T₃ will begin at a still later time t₃. Thus, the requirement that the surface be heated to a temperature below the temperature for its spontaneous nucleation is met by controlling both the absolute temperature and the length of time that the substrate is heated and exposed to the gas.
Die Situation, nachdem die Nukleierungsstellen mit einem FIB ausgebildet worden sind und das Substrat dem Ausgangsgas bei drei verschiedenen Temperaturen ausgesetzt wurde, wird durch die Linien T'&sub1;, T'&sub2; und T'&sub3; in Fig. 4 verdeutlicht. Das Wachstum beginnt nahezu unverzüglich und mit dergleichen Geschwindigkeit für jede Temperatur wie die Wachstumsgeschwindigkeit für die gleiche Temperatur, die aus spontanen Nukleierung resultiert. Wenn das Substrat auf die Temperatur T&sub1; erwärmt wird, sollte es somit zum Beispiel dem Ausgangsgas für eine Zeitdauer ausgesetzt werden, die nicht länger ist als t&sub1;, um sicherzustellen, dar klar definierte Abscheidungslinien sich ergeben.The situation after the nucleation sites have been formed with a FIB and the substrate has been exposed to the source gas at three different temperatures is illustrated by the lines T'₁, T'₂ and T'₃ in Fig. 4. The growth starts almost immediately and at the same rate for each temperature as the growth rate for the same temperature resulting from spontaneous nucleation. Thus, when the substrate is heated to temperature T₁, for example, it should be exposed to the source gas for a time period not longer than t₁ to ensure that clearly defined deposition lines result.
Von Vergleichstabellen, die die Temperaturen für die spontane Nukleierung zu den Erwärmungszeiten in Beziehung setzen, ist nicht bekannt, dar sie erhältlich sind und für jedes einzelne Gas müssen diese Parameter im allgemeinen empirisch ermittelt werden. Differentialkalorimetermessungen können verwendet werden, um die Temperaturen für die spontane Nukleierung für relativ kurze Zeitdauern von einigen Sekunden abzuschätzen. Für Eisenpentacarbonyl (Fe(CO)&sub5;) stellte das Ausgesetztsein bei 130ºC über 60 s eine gut definierte Eisenlinie her, während das Ausgesetztsein bei 150ºC für die gleiche Zeitdauer zu spontaner Nukleierung und Eisenwachstum über die gesamte Oberfläche des Chips führte.Comparison tables relating spontaneous nucleation temperatures to heating times are not known to be available and for each individual gas these parameters must generally be determined empirically. Differential scanning calorimeter measurements can be used to estimate spontaneous nucleation temperatures for relatively short periods of a few seconds. For iron pentacarbonyl (Fe(CO)₅), exposure to 130ºC for 60 s produced a well-defined iron line, while exposure to 150ºC for the same period of time resulted in spontaneous nucleation and iron growth over the entire surface of the chip.
Es kann entweder das gleiche oder ein anderes Gas für das Adsorptionsschichtgas und das Ausgangsgas verwendet werden. Wenn das gleiche Gas verwendet wird, wird es über das Substrat sowohl während des FIB-Scannens geleitet, um die Adsorptionsschicht bereitzustellen, als auch nachher, um das Ausgangsgas bereitzustellen, aus dem die Abscheidung stattfindet. In diesem Fall wird die Substrattemperatur knapp unterhalb der Temperatur für die spontane Nukleierung gehalten, entsprechend des gesamten Scannens und der Wachstumszeit.Either the same or a different gas can be used for the adsorption layer gas and the starting gas. If the same gas is used, it is passed over the substrate both during FIB scanning to provide the adsorption layer and afterwards to provide the starting gas from which deposition takes place. In this case, the substrate temperature is kept just below the temperature for spontaneous nucleation, corresponding to the entire scanning and growth time.
Wenn verschiedene Gase verwendet werden, wird das Adsorptionsschichtgas über das Substrat während des FIB-Scannens geleitet und die Substrattemperatur wird knapp unterhalb der Temperatur für die spontane Nukleierung des Adsorptionsschichtgases entsprechend der Scanzeit gesetzt. Das Adsorptionsschichtgas wird dann entfernt und das Ausgangsgas über das Substrat geleitet. Das Substrat wird auf eine Temperatur erwärmt, die ein wenig geringer als die Temperatur der spontanen Nukleierung des Ausgangsgases über die Wachstumsdauer, und das Wachstum setzt sich fort, bis der Fluß des Ausgangsgases beendet wird. Zu diesem Zweck kann angenommen werden, dar die Temperatur für die spontane Nukleierung und die Temperatur für die spontane thermische Zersetzung austauschbar sind.When different gases are used, the adsorption layer gas is passed over the substrate during FIB scanning and the substrate temperature is set just below the temperature for spontaneous nucleation of the adsorption layer gas corresponding to the scan time. The adsorption layer gas is then removed and the source gas is passed over the substrate. The substrate is heated to a temperature slightly lower than the temperature for spontaneous nucleation of the source gas over the growth period, and growth continues until the flow of the source gas is terminated. For this purpose, the temperature for spontaneous nucleation and the temperature for spontaneous thermal decomposition can be assumed to be interchangeable.
Die Erfindung wurde unter Verwenden von Eisencarbonyl sowohl als der Adsorptionsschicht als auch dem Ausgangsgas vorgeführt, mit einem 50 keV FIB aus Galliumionen und einem Siliziumsubstrat. Das Gas wurde zu dem Substrat durch eine schmale Düse gefördert, die sich in etwa 1 mm über dem Siliziumwafer befand, der während des Ausgesetztseins auf 130ºC erwärmt wurde. Der FIB schlug sowohl CO-Komponenten aus der Adsorptionsschicht weg und beschädigte auch die Oberfläche und bildete somit Fe-Nukleierungsstellen auf der Waferoberfläche in der Größe einiger Ängström. Es wurde sowohl mehrfaches als auch einzelnes Scannen getestet. Mehrere schnelle Strahlenscans mit fünf Sekunden Pause zwischen jedem Scan erzeugten tiefere Linienabscheidungen aus Eisen als ein einzelner langsamerer Scan mit der gleichen Gesamtionendosierung. Die Eisentiefe variierte mit der Wachstumszeit und dem örtlichen Gasdruck. Typische Eisentiefen waren 0,3-0,75 um für Gesamtwachstumszeiten (einschließlich Scannen) von 1-2 Minuten und einem örtlichen Gasdruck von einigen Pa (mTorr). Bei einer erfolgreichen Vorführung wurde eine etwa 100 um lange Linie abgeschieden unter Verwenden von zehn Scans von jeweils etwa 10 ms.The invention was demonstrated using iron carbonyl as both the adsorption layer and the source gas, with a 50 keV FIB of gallium ions and a silicon substrate. The gas was delivered to the substrate through a narrow nozzle located approximately 1 mm above the silicon wafer, which was heated to 130ºC during exposure. The FIB knocked out both CO components from the adsorption layer away and also damaged the surface, thus forming Fe nucleation sites on the wafer surface in the size of a few angstroms. Both multiple and single scanning were tested. Multiple fast beam scans with a five second pause between each scan produced deeper line deposits of iron than a single slower scan with the same total ion dosage. The iron depth varied with growth time and local gas pressure. Typical iron depths were 0.3-0.75 µm for total growth times (including scanning) of 1-2 minutes and a local gas pressure of a few Pa (mTorr). In a successful demonstration, a line about 100 µm long was deposited using ten scans of about 10 ms each.
Submikrometerbreite Eisenlinien wurden bei Ionendosen in der Größe von 10¹&sup4;-10¹&sup5; Ionen/cm², und präzise bei 3x10¹&sup4; Ionen/cm², ausgebildet. Höhere Ionendosen stellten breitere und geringfügig tiefere Abscheidungen her, aber bei Dosen größer als 10¹&sup6; Ionen/cm² (mit zehn Scans oder weniger) verhinderte Sputtern viel von dem Metallwachstum im Zentrum des gescannten Bereichs. In den Bereichen, die nicht mit dem FIB gescannt wurden, wurde kein Wachstum beobachtet, wenn die Substrattemperatur unterhalb der Temperatur der spontanen thermischen Zersetzung (Nukleierung) für Fe(CO)&sub5; von etwa 140ºC für die zwei Minutenzeitdauer gehalten wurde. Die Dosierung von 3x10¹&sup4; Ionen/cm² war extrem niedrig im Vergleich zu früheren FIB-Metallabscheidungstechniken, in etwa drei Größenordnungen niedriger.Submicron-wide iron lines were formed at ion doses in the range of 10¹⁴-10¹⁵ ions/cm², and precisely at 3x10¹⁴ ions/cm². Higher ion doses produced wider and slightly deeper deposits, but at doses greater than 10¹⁴ ions/cm² (with ten scans or less), sputtering prevented much of the metal growth in the center of the scanned area. No growth was observed in the areas not scanned with the FIB when the substrate temperature was kept below the spontaneous thermal decomposition (nucleation) temperature for Fe(CO)₅ of about 140°C for the two minute period. The 3x10¹⁴ dosage produced wider and slightly deeper deposits, but at doses greater than 10¹⁴ ions/cm² (with ten scans or less), sputtering prevented much of the metal growth in the center of the scanned area. No growth was observed in the areas not scanned with the FIB when the substrate temperature was kept below the spontaneous thermal decomposition (nucleation) temperature for Fe(CO)₅ of about 140°C for the two minute period. ions/cm2 was extremely low compared to previous FIB metal deposition techniques, approximately three orders of magnitude lower.
Ultrahohe Abscheidungsausbeuten von 5x10³-1x10&sup4; Eisenatome pro auftref fendem Galliumion wurden beim Verwenden dieser Technik gemessen. Auger-Analysen ergaben Zusammensetzungsprozentgehalte an Eisen, Kohlenstoff und Sauerstoff von 86%, 9% beziehungsweise 4% über die abgeschiedene Schicht hinweg. Dies war eine deutlich höhere Reinheit als früher mit FIB- Systemen erzielt wurde. In den abgeschiedenen Linien wurde kein Gallium festgestellt.Ultra-high deposition yields of 5x10³-1x10⁴ iron atoms per incident gallium ion were measured using this technique. Auger analyses showed composition percentages of iron, carbon and oxygen of 86%, 9% and 4% respectively across the deposited layer. This was significantly higher purity than previously achieved with FIB systems. No gallium was detected in the deposited lines.
Das neue Verfahren wurde auf Substraten sowohl aus Silizium als auch aus SiO&sub2; vorgeführt. Jedoch wird angenommen, daß es für praktisch alle Arten von vernünftig sauberen Substraten anwendbar ist, einschließlich Halbleitern, Dielektrika und Metallen.The new process has been demonstrated on both silicon and SiO2 substrates. However, it is believed to be applicable to virtually all types of reasonably clean substrates, including semiconductors, dielectrics and metals.
Es wurde auch Aluminiumabscheidung mit dieser Technik vorgeführt. In diesem Fall ist eine Adsorptionsschicht nicht notwendig. Einfaches Scannen des Ionenstrahls über die Oberfläche, Erwärmen des Substrates und Aussetzen der Oberfläche einem aluminiumhaltigen Gas (Triisobutylaluminium - TIBA) erzeugt Aluminiumwachstum. Das Substrat wird auf etwa 330ºC erhitzt, knapp unterhalb der Temperatur für die spontane thermische Zersetzung des Gases und dem Gas über etwa 5-20 Minuten nach dem FIB-Scannen ausgesetzt. Das Aluminiumwachstum wurde mit einer FIB-Dosis von 3x10¹&sup6; Ionen/cm² vorgeführt; die gleiche Dosierung erzeugte auch Wachstum, wenn eine TIBA-Adsorptionsschicht verwendet wurde. Obwohl Eisenlinien auf ähnliche Weise durch das direkte Scannen des Substrats mit dem FIB geschrieben werden können, ohne zuerst eine Adsorptionsschicht auszubilden, erhöht im Gegensatz dazu das Weglassen einer Adsorptionsschicht die benötigte Ionendosierung von 3x10¹&sup4; auf 3x10¹&sup5; Ionen/cm², wenn sie aus Fe(CO)&sub5; wachsen.Aluminum deposition has also been demonstrated using this technique. In this case, an adsorption layer is not necessary. Simply scanning the ion beam over the surface, heating the substrate and exposing the surface to an aluminum-containing gas (triisobutylaluminum - TIBA) produces aluminum growth. The substrate is heated to about 330ºC, just below the temperature for spontaneous thermal decomposition of the gas, and exposed to the gas for about 5-20 minutes after FIB scanning. Aluminum growth was demonstrated using a FIB dose of 3x10¹⁶ ions/cm²; the same dosage also produced growth when a TIBA adsorption layer was used. In contrast, although iron lines can be written in a similar way by directly scanning the substrate with the FIB without first forming an adsorption layer, omitting an adsorption layer increases the required ion dosage from 3x10¹⁴ to 3x10¹⁵ ions/cm² when growing from Fe(CO)₅.
Obwohl bisher nur Eisenpentacarbonyl und TIBA vorgeführt worden sind, ist die Erfindung auch für andere Ausgangsgase anwendbar, aus denen gewünschte Abscheidungsmaterialien, wie Metalle, erhalten werden können. Es wird angenommen, dar die besten Gase jene sein werden, die ein relativ hohes Verhältnis von spontaner Aktivierungsenergie (SAE) zu autokatalytischer Aktivierungsenergie (ACE) aufweisen. Die SAE ist die Energie, die für Moleküle in der Adsorptionsschicht benötigt wird, um aufzubrechen und Nukleierungsstellen auf glatten Oberflächen auszubilden, während die ACE die Energie ist, die für das Wachstum benötigt wird, um in der Gegenwart von existierenden Nukleierungsstellen stattzufinden. Die SAE von Fe(CO)&sub5; beträgt in etwa 1,5 eV, während seine ACE in etwa 0,1-0,2 eV beträgt. Idealerweise sollte das SAE: ACE-Verhältnis des Gases in etwa eine Größenordnung oder größer betragen. Ein anderes vielversprechendes Gas für niedrige Temperaturen in der Größe von 130ºC ist Ni(CO)&sub4;. Vielversprechende Gase für höhere Temperaturen in der Größe von etwa 300ºC sind Cr(CO)&sub6;, Mo(CO)&sub6; und W(CO)&sub6;. Ein anderes Gas, das als eines erkannt wurde, das ein gutes Potential aufweist obwohl der Temperaturbereich unsicher ist, ist Ti(C&sub5;H&sub5;)2.Although only iron pentacarbonyl and TIBA have been demonstrated so far, the invention is also applicable to other starting gases from which desired deposition materials, such as metals, can be obtained. It is believed that the best gases will be those that have a relatively high ratio of spontaneous activation energy (SAE) to autocatalytic activation energy (ACE). The SAE is the energy required for molecules in the adsorption layer to break up and form nucleation sites on smooth surfaces, while the ACE is the energy required for growth to occur in the presence of existing nucleation sites. The SAE of Fe(CO)5 is approximately 1.5 eV, while its ACE is approximately 0.1-0.2 eV. Ideally, the SAE:ACE ratio of the gas should be approximately an order of magnitude or greater. Another promising gas for low temperatures in the range of 130ºC is Ni(CO)4. Promising gases for higher temperatures in the range of 300ºC are Cr(CO)6, Mo(CO)6 and W(CO)6. Another gas that has been recognized as having good potential although the temperature range is uncertain is Ti(C5H5)2.
Wenn ein Gas ein hohes SAE:ACE-Verhältnis aufweist, aber das aus dem Gas abgeschiedene Material keine optimalen elektrischen Eigenschaften aufweist, könnten verschiedene Gase für die Nukleierung und das Wachstum verwendet werden, wobei jedes für seinen Teil des Gesamtverfahrens speziell ausgewählte Eigenschaften aufweist. Zum Beispiel hat Fe(CO)&sub5; ein hohes SAE:ACE-Verhältnis und erzeugt Nukleierungsstellen mit einer niedrigen FIB-Dosierung, aber es kann in vielen Fällen wünschenswerter sein, Aluminium oder irgendein anderes Metall auf dem Substrat anstelle von Eisen abzuscheiden. In diesem Fall kann das FIB-Scannen in der Gegenwart von Fe(CO)&sub5; stattfinden, wobei das Wachstum in der Gegenwart eines Aluminiumausgangsgases wie TIBA stattfindet. Da die spontane Zersetzung für dieses Gas in der Größe von 360ºC liegt, würde das Substrat vorzugsweise auf etwa 330ºC erwärmt, nachdem das Scannen beendigt ist und das Fe(CO)&sub5; entfernt wurde. Es gibt keine theoretischen Beschränkungen für die Ionenarten, die für den FIB verwendet werden können, obwohl schwerere Ionen dazu neigen, mehr Sputtern zu erzeugen. Wenig Sputtern wird jedoch bei niedrigen Dosen in der Größe von 10¹&sup4;-10¹&sup5; Ionen/cm² erwartet, die mit dieser Erfindung möglich sind. Obwohl bisher nur Galliumionen vorgeführt worden sind, kann die Verwendung von leichteren Ionen, wie Silizium, Beryllium, Helium oder Wasserstoff die Vielseitigkeit des Verfahrens vergrößern, da diese Ionen weniger Sputtern erzeugen und für Dotieren und Lithographie verwendet werden können.If a gas has a high SAE:ACE ratio but the material deposited from the gas does not have optimal electrical properties, different gases could be used for nucleation and growth, each with properties specifically selected for its part of the overall process. For example, Fe(CO)5 has a high SAE:ACE ratio and produces nucleation sites with a low FIB dosage, but it may be more desirable in many cases to deposit aluminum or some other metal on the substrate rather than iron. In this case, FIB scanning can take place in the presence of Fe(CO)5, with growth taking place in the presence of an aluminum source gas such as TIBA. Since spontaneous decomposition for this gas is on the order of 360°C, the substrate would preferably be heated to about 330°C after scanning is complete and the Fe(CO)5 is removed. There are no theoretical limitations on the types of ions that can be used for the FIB, although heavier ions tend to produce more sputtering. However, little sputtering is expected at low doses in the order of 10¹⁴-10¹⁵ ions/cm², which can be achieved with this invention. are possible. Although only gallium ions have been demonstrated so far, the use of lighter ions such as silicon, beryllium, helium or hydrogen can increase the versatility of the process, as these ions produce less sputtering and can be used for doping and lithography.
Ionenenergien nicht größer als etwa 50 keV werden helfen, das Sputtern zu kontrollieren, aber Energien innerhalb des allgemeinen Bereichs von 1-100 keV werden brauchbare Ergebnisse liefern. Auch niedrigere Energien von einigen Hundert eV könnten funktionieren, aber es ist schwierig, den Strahl bei diesen niedrigen Energieniveauß zu fokussieren, und 1 keV wird im allgemeinen als die unterste Strahlenergie für eine Linie mit 1 Mikrometer Linienbreite angesehen.Ion energies no greater than about 50 keV will help to control the sputtering, but energies within the general range of 1-100 keV will give useful results. Lower energies of a few hundred eV may also work, but it is difficult to focus the beam at these low energy levels, and 1 keV is generally considered to be the lowest beam energy for a 1 micron linewidth line.
Eine der einzigartigen Vorteile der vorliegenden Erfindung ist, dar sie die Integration von Metallabscheidung in andere FIB-Verfahren wie Lithographie, dotierende Implantationen und die Entfernung von Material durch Sputtern ermöglicht, und damit ein integriertes, komplett maskenfreies IC-Herstellungssystem möglich macht. Dies liegt daran, dar die für das vorliegende Verfahren benötigte niedrige Ionendosierung kompatibel ist mit den Dosen, die bei den anderen FIB-Verfahren verwendet werden, und dar sie die Gesamtherstellung nicht unangemessen verlangsamt.One of the unique advantages of the present invention is that it allows the integration of metal deposition into other FIB processes such as lithography, doping implants, and sputtering removal of material, thus enabling an integrated, completely mask-free IC manufacturing system. This is because the low ion dosage required for the present process is compatible with the doses used in the other FIB processes and does not unduly slow down the overall manufacturing.
Das System von Fig. 1 kann sich an verschiedene FIB-Verfahren anpassen durch eine einfache Auswahl der für jedes Verfahren zu verwendenden Ionen und durch eine entsprechende Kontrolle über das FIB-Scannen für jedes Verfahren. Angenommen, dar es beispielsweise erwünscht ist, Siliziumionen für selektive n-dotierende Implantationen zu verwenden, Berylliumionen für selektive p-dotierende Implantationen, Goldionen zum Sputtern und Siliziumionen für Metallabscheidungen. Die Ionenquelle 2 würde mit einer Flüssigmetallquelle versehen, die Silizium, Beryllium und Gold einschlösse, so daß der aus der Quelle gewonnene Strahl Ionen von jedem Material enthalten würde. Die richtige Ionenart wird für jedes Verfahren durch den Massenseparator 8 ausgewählt, der unter der Kontrolle der ExB-Steuerung 10 funktioniert, während die anderen Ionenarten aus dem Strahl ausgeleitet werden. Die Dosierung wird durch den Ionenstrom bestimmt und die Verweilzeit auf dem Substrat; da die für die Abscheidungen durch die Erfindung benötigte Dosierung sich in derselben allgemeinen Größenordnung befindet wie für die anderen Verfahren, sollte der Abscheidungsschritt nicht länger dauern als die anderen Verfahren. Dies steht im Gegensatz zu früheren FIB-Abscheidungstechniken, in denen die benötigte Ionendosierung so hoch ist und eine so lange Zeitdauer benötigt, dar es nicht praktisch ist zu versuchen, sie in andere FIB-Verfahren in einem kommerziellen Herstellungs-System zu integrieren.The system of Fig. 1 can adapt to different FIB processes by simply selecting the ions to be used for each process and by appropriate control over the FIB scanning for each process. For example, suppose it is desired to use silicon ions for selective n-doping implantations, beryllium ions for selective p-doping implantations, gold ions for sputtering and silicon ions for metal deposition. The ion source 2 would be connected to a liquid metal source which would include silicon, beryllium and gold, so that the beam obtained from the source would contain ions of each material. The correct ion species is selected for each process by the mass separator 8, which operates under the control of the ExB controller 10, while the other ion species are exhausted from the beam. The dosage is determined by the ion current and the residence time on the substrate; since the dosage required for depositions by the invention is of the same general order as for the other processes, the deposition step should not take longer than the other processes. This is in contrast to previous FIB deposition techniques in which the ion dosage required is so high and takes such a long time that it is not practical to attempt to integrate it with other FIB processes in a commercial manufacturing system.
Es gibt zahlreiche Anwendungen für das neue Abscheidungsverfahren, einschließlich jener, die in Fig. 5-8 verdeutlicht werden. Fig. 5 verdeutlicht die Verwendung des Verfahrens, um elektrische Verbindungen auf einem IC-Chip 52 auszubilden. Schaltungselemente wie FETs 54 und 56 werden zuerst auf dem Chip durch geeignete Lithographie- und Implantationsschritte ausgebildet. Der FIB 44 wird dann entlang eines vorbestimmten Ortes 58 gescannt (vorzugsweise in mehrfachen Scans) entsprechend einer gewünschten Schaltungsverbindungslinie, um Nukleierungsstellen entlang des Ortes auszubilden.There are numerous applications for the new deposition process, including those illustrated in Figures 5-8. Figure 5 illustrates the use of the process to form electrical connections on an IC chip 52. Circuit elements such as FETs 54 and 56 are first formed on the chip by appropriate lithography and implantation steps. The FIB 44 is then scanned along a predetermined location 58 (preferably in multiple scans) corresponding to a desired circuit connection line to form nucleation sites along the location.
Die obere Chipoberfläche wird dann einem Ausgangsgas ausgesetzt und der Chip wird auf eine Temperatur knapp unterhalb der Temperatur der spontanen thermischen Zersetzung des Gases erwärmt, um ein Wachstum entlang der Scanlinie zu begründen. In der gezeigten Schaltung verbindet die abgeschiedene leitende Linie im Zusammenhang mit dem FIB ein Paar von FETs in einer Wechselrichterschaltung.The top chip surface is then exposed to a source gas and the chip is heated to a temperature just below the spontaneous thermal decomposition temperature of the gas to initiate growth along the scan line. In the circuit shown, the deposited conductive line associated with the FIB connects a pair of FETs in an inverter circuit.
Eine andere Anwendung, die in Fig. 6 verdeutlicht wird, ist die Reparatur von Metallverbindungsleitungen (interconnects) auf einem IC-Chip. Angenommen, dar sich eine Öffnung 60 in der Metallverbindungslinie 58 entwickelt, die früher abgeschieden worden war, oder daß die Öffnung 60 ein ursprünglicher Herstellungsfehler war. Die Linie kann repariert werden durch einfaches Scannen des offenen Bereichs mit dem FIB, um neue Nukleierungsstellen zu erzeugen und dann durch das einem Ausgangsgas Aussetzen des erwärmten Chips, um neues Material abzuscheiden und die Öffnung zu schließen.Another application, illustrated in Figure 6, is the repair of metal interconnects on an IC chip. Suppose an opening 60 develops in the metal interconnect line 58 that was previously deposited, or that the opening 60 was an original manufacturing defect. The line can be repaired by simply scanning the open area with the FIB to create new nucleation sites and then exposing the heated chip to a source gas to deposit new material and close the opening.
Fig. 7 verdeutlicht die Verwendung der Erfindung, um Linien auf einer Maske abzulegen, die bei der IC-Chipherstellung verwendet wird. Das FIB-Verfahren wird verwendet, um undurchsichtige Metallinien 62 auf einem transparenten Quarzsubstrat 64 abzuscheiden. Die resultierende Maske wird bei der Herstellung von Verbindungslinien auf einem Chip verwendet durch das Abschirmen der Chiplinienorte während eines geeigneten Stadiums in der Chipherstellung, wie wenn eine Photoresistbeschichtung entwickelt wird. Auf diese Weise können Linien entsprechend der Maskenlinie 62 in den Photoresist geätzt werden, was ermöglicht, dar Metallverbindungsleitungen auf den weggeätzten Teilen des Chips abgeschieden werden.Figure 7 illustrates the use of the invention to deposit lines on a mask used in IC chip fabrication. The FIB process is used to deposit opaque metal lines 62 on a transparent quartz substrate 64. The resulting mask is used in the fabrication of interconnect lines on a chip by shielding the chip line locations during an appropriate stage in chip fabrication, such as when a photoresist coating is developed. In this way, lines corresponding to the mask line 62 can be etched into the photoresist, allowing metal interconnect lines to be deposited on the etched-away portions of the chip.
Die Maske kann auch repariert werden durch das Verwenden des vorliegenden FIB-Verfahrens, um neues Metall in irgendwelchen Öffnungen 66 abzuscheiden, die sich in der Maskenlinie 62 entwickeln. Dieses Reparaturverf ahren wird in Fig. 8 verdeutlicht. Die IC- und Maskenreparaturen von Fig. 6 und 8 können in Qualitätskontrollzyklen integriert werden, in denen irgendwelche Defekte in den ursprünglich abgeschiedenen Linien korrigiert werden, sobald die Herstellung des Chips oder der Maske beendet worden ist.The mask can also be repaired by using the present FIB process to deposit new metal in any openings 66 that develop in the mask line 62. This repair process is illustrated in Fig. 8. The IC and mask repairs of Figs. 6 and 8 can be incorporated into quality control cycles in which any defects in the original deposited lines are corrected once the fabrication of the chip or mask has been completed.
Ein neues chemisches Dampfabscheidungsverfahren, das einen FIB verwendet, wurde somit gezeigt und beschrieben, welches eine signifikant höhere Schreibgeschwindigkeit als frühere FIB-Abscheidungstechniken aufweist, eine viel niedrigere Ionendosis benötigt und verbesserte Linienqualität mit einer sehr hohen Reinheit herstellt. Obwohl verschiedene Variationen beschrieben wurden, werden eine Vielzahl zusätzlicher Ausführungsformen dem Durchschnittsfachmann einfallen. Folglich soll die Erfindung nur in bezug auf die beigefügten Ansprüche beschränkt sein.A new chemical vapor deposition process using a FIB has thus been shown and described which has a significantly higher writing speed than previous FIB deposition techniques, requires a much lower ion dose, and produces improved line quality with a very high purity. Although several variations have been described, a variety of additional embodiments will occur to those of ordinary skill in the art. Accordingly, the invention is to be limited only with respect to the appended claims.
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