DE69938583T2

DE69938583T2 - Verdrahtungsänderungen in integrierten schaltungen mittels gas-unterstütztem ätzen mit einem fokussierten ionenstrahl (fib)

Info

Publication number: DE69938583T2
Application number: DE69938583T
Authority: DE
Inventors: Clive D. Chandler
Original assignee: FEI Co
Current assignee: FEI Co
Priority date: 1998-10-09
Filing date: 1999-10-08
Publication date: 2009-06-10
Anticipated expiration: 2019-10-09
Also published as: DE69938583D1; US6211527B1; US6268608B1

Description

TECHNISCHER HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum chemisch unterstützten Ionenstrahlätzen und insbesondere ein Verfahren, das einen fokussierten Ionenstrahl nutzt, um bei der Fertigung von integrierten Schaltungen selektiv Zwischenschichtdielektrika zu ätzen.
Ein derartiges Verfahren ist aus US-Patent Nr. US 5 683 547 bekannt.
Integrierte Schaltungen werden durch Aufwachsen, Abscheiden, Diffundieren und Ätzen von dünnen Leiter-, Isolator- und Halbleiterschichten auf ein Substrat aus einem Halbleitermaterial hergestellt, wie z. B. einen Silicium- oder Galliumarsenid-Wafer. Um die einwandfreie Funktion der Fertigungsprozesse aufrechtzuerhalten oder den Prozeß zu diagnostizieren und zu korrigieren, wenn ein Defekt auftritt, müssen Verfahrensingenieure in der Lage sein, die verschiedenen verarbeiteten Schichten schnell zu untersuchen.
Ein Hauptwerkzeug für die Untersuchung, Analyse und Reparatur von Verarbeitungsschichten ist ein System mit fokussiertem Ionenstrahl (FIB). FIB-Systeme verbessern Fertigungsausbeuten durch Identifikation und Analyse von Defekten an in Bearbeitung befindlichen Wafern und ermöglichen die Lokalisierung und Korrektur der Defektquellen. Zum Beispiel können Schichten durch ein FIB-System ionengeätzt werden, um darunterliegende Schichten zur Beobachtung und Prüfung freizulegen, oder es können Querschnitte angefertigt werden, um die Kanten mehrerer Schichten freizulegen und Schichtdicke, Gleichmäßigkeit und Einschlüsse zu beobachten. FIB-Systeme können auch Bilder von mikroskopischen Merkmalen erzeugen und können be nutzt werden, um integrierte Schaltungen durch Abscheidung von leitfähigem oder isolierendem Material zu reparieren oder zu testen.
Die bekannte Patentschrift beschreibt eine Probe, die mit einem Ionenstrahl bestrahlt wird, während ein Gemisch aus einem chemisch reaktiven Gas und einem CVD-Gas in die Nähe der Probe eingelassen wird. Der Ionenstrahl aktiviert das chemisch reaktive Gas und verstärkt dadurch das Ätzen. Das reaktive Gas kann z. B. CF₄, CHF₃, C₃F₈ oder XeF₂ sein. Durch Kontrollieren der Mischung (des Verhältnisses) der zwei Gase sowie des Ionenstrahlstroms kann der Prozeß ein Ätzvorgang oder ein Abscheidungsvorgang sein.
Die durch das Entfernen von Abdeckmaterial mittels FIB-Ätzen freigelegten Verarbeitungsschichten können entweder unter Anwendung der Abbildungsmöglichkeit des FIB-Systems oder mit einem Rasterelektronenmikroskop (SEM) untersucht werden. Der Elektronenstrahl eines Rasterelektronenmikroskops (SEM) führt zu einer geringeren Beschädigung der Probe als der Ionenstrahl eines FIB-Systems, und das SEM kann typischerweise ein Bild von höherer Auflösung erzeugen. Rasterelektronenmikroskope (SEM) sind oft innerhalb der gleichen Vakuumkammer verfügbar wie ein FIB-System, wie z. B. in der DualBeam^TM-Familie von FIB-Systemen von FEI Company, dem Zessionar der vorliegenden Erfindung. In einem solchen System kann ein Querschnitt der Verarbeitungsschichten geätzt und dann innerhalb der gleichen Vakuumkammer mit geringer oder ohne Bewegung der Probe beobachtet werden. Ein derartiges System eignet sich besonders gut für Prozeßsteuerungsanwendungen, wo Probekörper schnell analysiert werden müssen, um eine Rückmeldung an eine Fertigunslinie zu senden.
Viele von den Schichten in einer integrierten Schaltung bestehen aus vergleichsweise nichtleitenden Materialien, die zur Trennung von leitfähigen Schichten oder als Passivierungs- und Schutzschichten für den Chip eingesetzt werden. Derartige Schichten sind als Zwischenschichtdielektrika (ILD) bekannt. Zwischenschichtdielektrika sind unter anderem abgeschiedene Oxide von unterschiedlicher Dichte, thermische Oxide, aufgeschleudertes Glas und Nitride. Wenn Zwischenschichtdielektrika mit einem fokussierten Ionenstrahl im Querschnitt dargestellt und betrachtet werden, ist es oft unmöglich, zwischen ihnen zu unterscheiden. Daher kann die Dicke einzelner Schichten nicht bestimmt werden, und Verfahrensingenieure können Defekte an einer bestimmten Schicht nicht isolieren.
Um zwischen verschiedenen Zwischenschichtdielektrika-Schichten zu unterscheiden, war es notwendig, die Probe aus der Vakuumkammer zu entfernen und in einem Naßchemikalienbad zu ätzen, wie z. B. mit Ammoniumfluorid (NH₄F) und Fluorwasserstoffsäure (HF), oder mit einer Kombination von NH₄F, HF und Essigsäure. Durch das Naßätzverfahren werden die verschiedenen Schichten ein wenig unterschiedlich geätzt, so daß nach dem Spülen, Reinigen und Wiedereinsetzen in eine Vakuumkammer die unterschiedlichen Schichten betrachtet werden können. Leider macht die Zeit, die für die Durchführung der großen Zahl der bei diesem Verfahren erforderlichen Schritte benötigt wird, das Verfahren ungeeignet für eine Echtzeit-Prozeßsteuerung. Außerdem kann der Ätzvorgang eines chemischen Bades praktisch nicht auf die interessierende Fläche beschränkt werden; der gesamte Wafer muß geätzt werden, um den Kontrast in einem Querschnitt eines einzelnen interessierenden Bauelements zu erhöhen.
Außerdem ist festgestellt worden, daß Plasmaätzen unter Verwendung von Gasen wie z. B. CF₄ und C₄F₈ den Kontrast zwischen den Schichten verstärkt, die durch Ätzen mit einem fokussierten Ionenstrahl freigelegt wurden. Plasmaätzen wird in einer Plasmakammer durchgeführt, die mit einer Plasmaerzeugungseinrichtung in Verbindung steht. Ebenso wie bei dem oben beschrieben naßchemischen Verfahren muß die Probe aus der FIB-Vakuumkammer entfernt, zum Ätzen in die Plasmakammer eingesetzt und dann zur Beobachtung in ein anderes Hochvakuum-Abbildungsgerät eingesetzt werden, wie z. B. ein Rasterelektronenmikroskop. Die für den Wechsel zwischen Maschinen erforderliche Zeit macht das Plasmaätzverfahren für die Kontrastverstärkung zur Produktionsunterstützung ungeeignet, wenn Verfahrensingenieure schnell Antworten benötigen, um den reibungslosen Betrieb einer Fertigungslinie aufrechtzuerhalten.
FIB-Systeme sind auch im Entwurfsstadium einer integrierten Schaltung verwendbar. Wenn ein Prototyp einer integrierten Schaltung gefertigt und getestet wird, zeigt sich oft, daß Änderungen an dem Schaltungsentwurf notwendig sind. Ein FIB-System kann eine integrierte Schaltung modifizieren, die Durchführung und Prüfung von Änderungen ermöglichen, ohne die Photolithographiemasken ändern und einen neuen Prototyp herstellen zu müssen. Derartige Änderungen werden als "Bauelementkorrekturen" bezeichnet. Das FIB-System kann elektrische Verbindungen mittels Durchätzen von Leitern trennen oder eine neue Verbindung durch die selektive Abscheidung von leitfähigen Materialien herstellen.
Moderne Schaltungen können so viele wie zwölf oder mehr leitfähige Metallschichten verwenden, die durch Isolatoren getrennt sind. Bei der Fehlerbeseitigung eines Schaltungsentwurfs kann es notwendig sein, Verbindungen zwischen vergrabenen Anschlußeinheiten herzustellen. Dies kann erfolgen, indem durch FIB-Ätzen ein Loch oder "Kontaktloch" durch die Isolierenden Schichten über einem Leiter geätzt wird, um den darunterliegenden Leiter freizulegen. Wenn die darunterliegenden Leiter tief vergaben sind, besteht jedoch die Tendenz, daß sich das am Boden des Lochs zerstäubte Material wieder an den Seitenwänden des Lochs abscheidet. Daher wird es unmöglich, ein Loch mit hohem Seitenverhältnis zu ätzen, d. h. ein Loch, das viel tiefer als breit ist. Es ist daher notwendig, ein breites Loch 2 zu ätzen, wie in 11 dargestellt, um einen tiefen Leiter 3 freizulegen. Leider kann bei der dichten Packung moderner integrierter Schaltungen ein breites Loch Schaltungen in anderen Schichten beschädigen, wie z. B. den Leiter 4.
Zum FIB-Ätzen eines Lochs 5 mit hohem Seitenverhältnis, wie in 12 dargestellt, kann XeF₂-Gas verwendet werden, um das FIB-Ätzen des Zwischenschichtdielektrikums zu verstärken. Leider ist XeF₂ hochgiftig und sehr aggressiv. Außerdem ätzt XeF₂ Kupfer, das wegen seiner hohen Leitfähigkeit weitverbreitet als Leiter bei der Fertigung von integrierten Schaltungen eingesetzt wird. Es ist schwierig, durch ein Zwischenschichtdielektrikum mit XeF₂ zu einem Kupferleiter durchzuätzen, ohne die freigelegten Kupferleiter zu ätzen und erheblich zu zersetzen, die dann einen erhöhten spezifischen Widerstand aufweisen und die Neuverdrahtung der Schaltung unwirksam machen können. 12 zeigt, daß durch Verwendung von XeF₂ der Leiter 4 unbeschädigt bleibt, aber der Leiter 3 versehentlich durch das XeF₂-Gas geätzt und sein Querschnitt erheblich verkleinert und daher sein spezifischer Widerstand erhöht wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Dementsprechend besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein verbessertes Verfahren und eine Vorrichtung zum selektiven Ätzen von Materialien unter Verwendung eines Ionenstrahls aus geladenen Teilchen bereitzustellen.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verbessertes Verfahren und eine Vorrichtung zum selektiven Ätzen von Zwischenschichtdielektrikum-Materialien unter Verwendung eines Ladungsträgerstrahls bereitzustellen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung zusätzlicher Verbindungen für das Ladungsträgerstrahlätzen durch Modifikation von Ätzmittelverbindungen, um deren Adsorption an der Oberfläche zu erhöhen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines verbesserten Verfahrens und einer verbesserten Vorrichtung zur Unterscheidung von Zwischenschichtdielektrikum-Schichten im Querschnitt einer integrierten Schaltung, der durch einen fokussierten Ionenstrahl geätzt wird.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines derartigen Verfahrens und einer Vorrichtung, die kein Entfernen der Probe aus der Vakuumkammer erfordern.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines verbesserten Verfahrens und einer Vorrichtung für Defektanalysen in integrierten Halbleiterschaltungen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines verbesserten Verfahrens und einer Vorrichtung zur Prozeßsteuerung bei der Fertigung von integrierten Halbleiterschaltungen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer Schnellanalyse von Halbleiterbearbeitungsschritten durch selektives Darstellen oder Entfernen von dielektrischen Schichten.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Erleichterung der Bauelementkorrektur von integrierten Schaltungen und insbesondere der Bauelementkorrektur von integrierten Schaltungen, die Kupferleiter enthalten.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zum Ätzen eines hohen Seitenverhältnisses durch Abschluß an einem Kupferleiter, ohne den Kupferleiter erheblich zu zersetzen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Gases zur Verstärkung des Ätzens von dielektrischen Schichten, das weniger aggressiv als XeF₂ ist.
Erfindungsgemäß werden Moleküle einer gasförmigen Ätzunterstützungsverbindung an der Oberfläche einer Probe in einem Ladungsträgerstrahlsystem adsorbiert. Das Gas bewirkt, daß verschiedene Materialien an der Probe in Gegenwart des Ladungsträgerstrahls mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten geätzt werden. Ein solches selektives Ätzen liefert einem Beobachter einen scharfen, sauberen Querschnitt, der die Unterscheidung der verschiedenen Schichten in dem Querschnitt durch einen Beobachter ermöglicht. Das selektive Ätzen ermöglicht außerdem das Entfernen bestimmter Materialien, ohne andere Materialien an einer Probe wesentlich zu beeinträchtigen.
Ein Molekül der gasförmigen Ätzunterstützungsverbindung enthält einen Ätzabschnitt und eine funktionelle Gruppe zur Erhöhung der Klebrigkeit des Moleküls und zur Verstärkung der Adsorption. Es besteht die Ansicht, daß das Gas an der Oberfläche der freiliegenden Schichten adsorbiert wird und der Beschuß mit geladenen Teilchen Energie liefert, um eine Reaktion des adsorbierten Gasmoleküls mit dem zu ätzenden Oberflächenmaterial einzuleiten. Die Reaktion erzeugt flüchtige Produkte, die sich in der Vakuumkammer zerstreuen, wodurch Material von der Probe entfernt oder diese geätzt wird.
Es wird angenommen, daß die Ätzrate für verschiedene Materialien variiert, da die Stärke der Ätzreaktion bei ver schiedenen Materialien unterschiedlich sein kann, und daß die Reaktionsprodukte verschieden sein und unterschiedliche Flüchtigkeitsgrade aufweisen können. Das Gas kann das Ätzen bestimmter Materialien hemmen, indem es ein Reaktionsprodukt erzeugt, das nicht flüchtig ist und eine Schutzschicht über der zweiten Schicht bildet.
Eine bevorzugte gasförmige Verbindung zur praktischen Ausführung der Erfindung weist einen Halogenkohlenwasserstoff mit einer zusätzlichen funktionellen Gruppe zur Verstärkung der Adsorption auf. Zum Beispiel ätzt 2,2,2-Trifluoracetamid ILD-Schichten so, daß sie durch einen Beobachter mittels Rasterelektronenmikroskopie oder FIB-Abbildung unterschieden werden können, bildet jedoch eine Schutzschicht, die weiteres Ätzen an ein- oder polykristallinen Silicium- und Metallschichten hemmt.
In einer bevorzugten Anwendung wird ein Querschnitt der verschiedenen Schichten einer integrierten Schaltung unter Anwendung eines fokussierten Flüssigmetall-Gallium-Ionenstrahls freigelegt. Nachdem der Querschnitt freigelegt ist, wird die Probe gekippt, und der freigelegte Querschnitt wird in einem zweiten Ätzschritt ionenstrahlgeätzt, während ein Gas, wie z. B. 2,2,2-Trifluoracetamid, auf die Oberfläche gelenkt wird. Das Gas unterstützt vorzugsweise das Ionenstrahlätzen, wodurch der Kontrast zwischen den ILD-Schichten verstärkt wird oder diese sichtbar gemacht werden. Der zweite Ätzschritt ist typischerweise kürzer und braucht eine niedrigere Stromdichte als der erste Ätzschritt.
In einer zweiten bevorzugten Anwendung kann eine Schicht aus einem dielektrischen Material, wie z. B. Siliciumoxid, entfernt werden, um eine Schicht aus darunterliegendem Material freizulegen, wie z. B. einen Polysilicium-Leiter. Die dielektrische Schicht wird durch Bestrahlen mit einem Ionenstrahl geätzt, wobei ein Gas, wie z. B. 2,2,2-Trifluoracetamid, auf die Aufschlagfläche der Galliumionen gelenkt wird. Die dielektrische Schicht wird durch das Ätzen entfernt, während die darunterliegende Schicht im wesentlichen unbeeinflußt bleibt, wodurch die darunterliegende Schicht zur weiteren Analyse freigelegt wird. Das Gas reagiert mit be stimmten darunterliegenden Materialien und bildet eine Schutzschicht, die eine weitere Reaktion mit dem darunterliegenden Material hemmt.
In einem weiteren Beispiel der Entfernung eines dielektrischen Materials, um einen Leiter freizulegen, wird in einer Schicht aus dielektrischem Material unter Verwendung eines Halogenkohlenwasserstoffgases, wie z. B. 2,2,2-Trifluoracetamid, ein Kontaktloch mit hohem Seitenverhältnis geätzt, um einen Kupferleiter freizulegen. Das bevorzugte Gas ist weniger aggressiv und giftig als XeF₂ und vermindert die Rate, mit welcher der Ionenstrahl den Kupferleiter ätzt, nachdem er durch das Dielektrikum geätzt hat. Der freigelegte Leiter kann elektrisch mit einem anderen Schaltungselement verbunden werden, indem ein elektrisch leitendes Material in dem Kontaktloch abgeschieden und, beispielsweise durch FIB-unterstützte Abscheidung eines anderen leitfähigen Materials, das Material in dem Kontaktloch mit dem anderen Schaltungselement elektrisch verbunden wird. Das andere Schaltungselement könnte z. B. ein weiteres leitergefülltes Loch mit hohem Seitenverhältnis sein, das elektrisch mit einem anderen vergrabenen Leiter verbunden ist.
Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung wird im abschließenden Teil dieser Patentbeschreibung besonders aufgezeigt und explizit beansprucht. Die Organisation und Arbeitsweise, zusammen mit weiteren Vorteilen und Aufgaben der Erfindung, lassen sich jedoch am besten durch Bezugnahme auf die nachstehende Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verstehen, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine schematische Darstellung eines fokussierten Ionenstrahlsystems zum Ätzen gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 zeigt eine teilweise geschnittene Ansicht einer Gaseinschlußvorrichtung, die zur Gasinjektion zu einem Substrat innerhalb des FIB-Systems von 1 verwendet wird.
3 zeigt eine vergrößerte, weggebrochene Teilseitenansicht des Gasinjektionssystems von 1;
4 zeigt eine weitere vergrößerte, schematische Seitenansicht der Gasinjektionsdüse von 3;
5 zeigt ein Ablaufdiagramm, das die Schritte einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
6 zeigt eine schematische Darstellung eines Grabens, der in einer integrierten Schaltung unter Verwendung der Vorrichtung von 1 geätzt wird;
7 zeigt eine schematische Darstellung des Grabens von 6 nach dem erfindungsgemäßen Ätzen;
8 zeigt ein Ablaufdiagramm, das die Schritte einer weiteren Anwendung der vorliegenden Erfindung darstellt;
9 zeigt eine schematische Darstellung eines defekten Grabenkondensators;
10 zeigt eine schematische Darstellung des Grabenkondensators von 9 nach dem erfindungsgemäßen Ätzen;
11 zeigt ein Kontaktloch, das durch einen fokussierten Ionenstrahl (FIB) ohne Verwendung eines Ätzverstärkungsgases geätzt wird, um einen vergrabenen Leiter freizulegen;
12 zeigt ein Kontaktloch, das zum Freilegen eines vergrabenen Leiters durch einen fokussierten Ionenstrahl (FIB) unter Verwendung von XeF₂-Gas geätzt wird, das den Leiter zersetzt;
13 zeigt eine Bauelementkorrektur, die gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgenommen wird; und
14 zeigt ein Ablaufdiagramm, das die bevorzugten Schritte für die Bauelementkorrektur von 13 darstellt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Das System gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist ein Ladungsträgerstrahlsystem auf, das ein Gasinjektionssystem zur Injektion einer gasförmigen Komponente in Richtung auf den durch den Strahl getroffenen Bereich der Probenoberfläche enthält.
Wie aus 1 erkennbar, die ein fokussiertes Ionenstrahlsystem zur Ausführung der vorliegenden Erfindung veranschaulicht, weist eine evakuierte Hülle 10 einen oberen Halsabschnitt 12 auf, in dem eine Flüssigmetall-Ionenquelle 14 und eine Fokussiersäule 16 angeordnet sind, die eine Extraktorelektrodeneinrichtung und ein elektrostatisches optisches System enthält. Der Ionenstrahl 18 gelangt von der Quelle 14 durch die Säule 16 und zwischen elektrostatischen Ablenkeinrichtungen, die schematisch bei 20 angedeutet sind, zur Probe 22, die geeigneterweise ein Halbleiterbauelement aufweist, das auf einem beweglichen Koordinatentisch 24 innerhalb der unteren Kammer 26 positioniert ist. Komponenten zum Erzeugen, Fokussieren und Richten des Ionenstrahls werden gemeinsam als Ionenstrahlgenerator 29 bezeichnet. Eine Ionenpumpe 28 wird zum Evakuieren des Halsabschnitts 12 verwendet. Die Kammer 26 wird mit einem Turbomolekular- und mechanischen Pumpsystem 30 unter der Steuerung einer Vakuumsteuereinrichtung 32 evakuiert.
Eine Hochspannungsstromversorgung 34 ist an eine Flüssigmetall-Ionenquelle 14 sowie an geeignete Elektroden in der Fokussiersäule 16 angeschlossen, um einen Ionenstrahl 18 von annähernd 30 keV zu erzeugen und diesen abwärts zu richten. Eine Ablenksteuerungs- und Verstärkereinrichtung 36, die gemäß einer vorgegebenen Struktur betrieben wird, wie z. B. einer Rasterstruktur, die durch einen Pattern- bzw. Mustergenerator 38 bereitgestellt wird, ist mit den Ablenkelektroden 20 verbunden, wodurch der Strahl 18 so gesteuert werden kann, daß er ein entsprechendes Muster auf der Oberseite der Probe 22 schreibt.
Die Quelle 14 liefert typischerweise einen Gallium-Metallionenstrahl (obwohl auch andere Metallionen verwendet werden können, z. B. Indium oder Aluminium). Die Quelle kann an der Probe 22 zu einem Strahl mit einer Breite von weniger als 0,1 μm fokussiert werden, um entweder die Oberfläche 22 durch Bildung einer Isolierschicht oder einer Metallschicht zu modifizieren, oder um die Oberfläche 22 abzubilden. Ein Elektronenvervielfacher 40, der zum Nachweis der Sekundäremission für die Abbildung verwendet wird, ist mit einer Video schaltung und einem Verstärker 42 verbunden, wobei der letztere die Ansteuerung für den Videomonitor 44 liefert, der außerdem Ablenksignale von der Steuereinrichtung 36 empfängt.
Die evakuierte Hülle 10 enthält außerdem vorzugsweise ein Rasterelektronenmikroskop (SEM) 43, das benutzt werden kann, um die Ergebnisse von Arbeitsgängen zu betrachten, die durch den fokussierten Ionenstrahl ausgeführt werden, oder das eine Elektronenstrahlverarbeitung ausführen kann. Das Rasterelektronenmikroskop 43 enthält einen Elektronenstrahlgenerator 41 und dazugehörige Stromversorgungs- und Steuereinrichtungen 45. Ein bevorzugtes fokussiertes Ionenstrahlsystem, das ein Rasterelektronenmikroskop (SEM) enthält, ist das Modell Dual-Beam^TM XL860 von der FEI Company, dem Zessionar der vorliegenden Erfindung.
Eine Gasquelle 46 wird innerhalb der Seite der Kammer 26 durch eine Parallelverschiebungseinrichtung 48 angeordnet, die so angepaßt ist, daß sie die Quelle mittels Trägereinrichtungen innerhalb des Faltenbalgs 52 positioniert. Die Quelle 46 umfaßt einen Behälter 50 und eine Heizeinrichtung 54, die einen Membranheizer aufweisen kann und zur Erhöhung der Temperatur einer Verbindung innerhalb des Behälters 50 auf eine Temperatur zur Bereitstellung eines geeigneten Dampfdrucks benutzt werden kann, wie weiter unten ausführlicher offenbart wird. Eine Transferleitung oder -düse 56 mit einer Kapillarröhre, die durch eine Injektionsnadel gebildet wird, geht von dem Behälter 50 aus und ist über das Regelventil 58 damit verbunden, das an die Freisetzung von gasförmigem Dampf angepaßt ist. Die Düse wird durch die Parallelverschiebungseinrichtung 48 ausgefahren und in orthogonalen Richtungen, die im wesentlichen senkrecht zu ihrer Achse sind, parallel verschoben, so daß gasförmiger Dampf direkt auf einen Bereich auf der Oberseite der Probe 22 gerichtet werden kann.
Zum Einsetzen der Probe 22 auf den beheizbaren Tisch 24 und außerdem zur Wartung des Behälters 50 wird eine Tür 60 geöffnet. Die Tür wird so verriegelt, daß sie nicht geöffnet werden kann, wenn die Temperatur im Behälter 50 erheblich über der Raumtemperatur liegt. Eine Schleuse, die schematisch bei 62 dargestellt ist, wird geschlossen, bevor die Tür 60 geöff net werden kann, um die Ionenquelle und die Fokussiersäulenvorrichtung abzudichten.
Wenn der Behälter 50 auf eine gewünschte Temperatur zum Verdampfen der Verbindung innerhalb des Behälters 50 erwärmt wird, kann das Ventil 58 durch Zurückziehen der Schieberstange 150 (2) von außerhalb der Vorrichtung geöffnet werden, um den Ventilstößel 40 zu öffnen und dessen Position zu regulieren, während die Düse 56 auf den gewünschten Bereich der Probe gerichtet wird, wie vergrößert in 3 und weiter vergrößert in 4 dargestellt. Der Faltenbalg 52 nimmt die Bewegung der Düseneinheit und des Behälters relativ zur Probe auf, ohne das Vakuum innerhalb der Kammer 26 zu beeinflussen.
Das Vakuumsteuerungssystem zusammen mit der Heizeinrichtung für die Quelle 46 von gasförmigem Dampf werden betätigt, um einen geeigneten Dampfdruckzustand zur Herstellung eines gasförmigen Dampfflusses in der Kammer in Richtung zum Substrat 22 herzustellen, um Material zu ätzen oder abzuscheiden. Zur Herstellung eines gegebenen Gasflusses wird der Behälter auf eine vorgegebene Temperatur erhitzt.
Die Hochspannungsstromversorgung liefert eine geeignete Beschleunigungsspannung für Elektroden in der Ionenstrahlsäule 16, um den Ionenstrahl 18 zu speisen und zu fokussieren. Beim Auftreffen auf die Probe mit darauf haftendem kondensiertem gasförmigem Dampf liefert der Ionenstrahl Energie zur Einleitung einer Reaktion zwischen der gasförmigen Ätzverstärkungsverbindung und dem Substrat und zum Ionenätzen der Probe.
Die Ablenksteuereinrichtung und der Verstärker 36 bewirken die Ablenkung des Ionenstrahls in einem gewünschten Muster, wobei aber die Ablenkung des Ionenstrahls mit einer ausreichend langsamen Geschwindigkeit zum Ätzen der Probe 22 erfolgt. Überlegungen bezüglich der Ablenkgeschwindigkeit, Schleifenzeit usw. sind dem Fachmann gut verständlich.
Wie weiter oben erwähnt, liefert das Vakuumsystem ein Vakuum zwischen etwa 1 × 10^–6 Torr und 5 × 10^–4 Torr innerhalb der Kammer 26. Bei Emission von gasförmigem Dampf beträgt der Hintergrunddruck in der Kammer geeigneterweise etwa 1 × 10^–5 Torr. In einer typischen Ausführungsform wird die Gasquelle 46 auf eine Temperatur zur Bereitstellung eines Gasflusses von 1 × 10¹⁶ bis 1 × 10¹⁷ Molekülen pro Sekunde pro Quadratzentimeter durch das Kapillarrohr der Injektionsnadel erhitzt, während die Metallionenquelle und die Fokussiersäule geeignet gesteuert werden, um einen Fluß von 1 × 10¹³ bis 1 × 10¹⁵ geladenen Teilchen pro Sekunde pro Quadratzentimeter innerhalb der Rasterfläche zu erzeugen. Der Fachmann kann ohne weiteres geeignete Drücke und Gasdurchflüsse für irgendeine bestimmte Anwendung ermitteln, wobei zu beachten ist, daß 1 Torr ≈ 133 Pa ist.
US-Patent Nr. 5 435 850 , erteilt an Rasmussen, für ein "Gasinjektionssystem", zediert an den Zessionar der vorliegenden Erfindung, offenbart eine Vorrichtung zum Einleiten und Lenken von gasförmigem Dampf zu der Probe 22. Wie aus 2 der vorliegenden Patentanmeldung erkennbar, weist die Dampfquelle einen Behälter 50 auf, in dem die zu verdampfende Verbindung aufgenommen wird, wobei das untere Ende des Behälters mit einer Düse 56 in Form einer Injektionsnadel 56 ausgestattet ist, die eine Kapillarröhre mit kleiner Öffnung bildet, um Gas zu dem Substrat 22 zu lenken. Die Injektionsnadel wird durch eine Verriegelungsarmatur 100 an dem mit einem Gewinde versehenen unteren Ende des Behälters 50 befestigt. Der obere Flansch 76 des Behälters 50 ist am Umfang der Abdichtungskammer 78 befestigt, wobei letztere im Grunde von dem Stützrohr 80 abhängig ist. Das Stützrohr 80 ist mit Schrauben am unteren Ende des Faltenbalgs 52 sowie an einer Positioniereinrichtung (nicht dargestellt) innerhalb des Faltenbalgs befestigt.
Der Behälter 50 weist einen massiven Metallblock auf, der in Längsrichtung der Injektionsnadel 56 langgestreckt und mit einem zentralen zylinderförmigen Durchlaß 84 versehen ist, durch den Gas zu der Injektionsnadel gelangt. An seinem unteren Ende verengt sich der Längsdurchlaß 84 bei 86 und bildet einen Absatz zur Aufnahme einer O-Ring-Ventildichtung 88, die mit dem konischen Ende des Ventilstößels 90 zusammenwirkt, um den Gasdurchfluß aus dem Durchlaß 84 zur Düse 56 zu regulieren. Der Stößel 90 befindet sich am unteren Ende des Betätigungsglieds 98, wobei letzteres einen Stab aufweist, der koaxial innerhalb des Durchlasses 84 angeordnet ist und sich durch den Durchlaß rückwärts erstreckt. Der Außendurchmesser des Betätigungsglieds 98 ist kleiner als der Ionendurchmesser des Durchlasses 84, um einen Kanal für die Gaszuführung zu bilden.
Rund um den zentralen Durchlaß 84 im Behälter 50 sind mehrere langgestreckte zylinderförmige Kammern 92 angeordnet, die zu dem zylinderförmigen Durchlaß 84 parallel sind und diesen im wesentlichen umgeben, wobei jede Kammer 92 eine Längsbohrung in dem Behälterblock 50 aufweist, die so angepaßt ist, daß sie verdampfbares Material 94 aufnimmt, wie z. B. 2,2,2-Trifluoracetamid, wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird. Das obere Ende 96 des Behälters ist zur Abdichtungskammer 78 hin offen, in der Gas, das in der Behälterkammer erzeugt wird, zum zentralen Durchlaß 84 weitergeleitet wird.
Die Mittelschaftverlängerung 138 befindet sich bei 140 im Gewindeeingriff mit dem Ende des Betätigungsglieds 98, wodurch die Mitte der Membran 122 so zwischen dem Flansch 134 und dem Kopf 142 der Mittelschaftverlängerung 138 angeordnet ist, daß sie abgedichtet wird. Ein Metallbalg 174 trennt den Bereich 126 über der Membran 122 vom Atmosphärendruck innerhalb des Stützrohrs 80. Der Balg 174 erstreckt sich zwischen den Ringen 170 und 176, wobei der erstere zwischen dem Abstandsringelement 120 und der Wärmesenke 110 eingeklemmt ist, während der letztere am oberen Ende der Mittelschaftverlängerung 138 nahe dem Ende des Hohlraums 174 der Senke 110 befestigt ist, in dem er gleitet, wenn die Stange 150 gegen die Vorspannung der Feder 154 bewegt wird, um das Ventil mit dem Stößel 90 und dem O-Ring 88 zu öffnen und zu schließen.
Die Membran 122 definiert die obere Wand der Abdichtungskammer 78 und eine untere Wand des Bereichs 126, der zur Kammer 26 hin entlüftet wird. Das Betätigungsglied 98 weist einen radialen Flansch 124 innerhalb der Kammer 78 für den zentralen Eingriff mit der Membran 122 auf, die an ihrem Umfang fixiert wird, während der Abschnitt 136 des Betätigungsglieds durch eine zentrale Öffnung in dem Membran 122 in eine Vertiefung innerhalb des Kopfes der Mittelschaftverlängerung 138 hindurchgeht. Das Betätigungsglied 98 weist einen Gewindeabschnitt 140 auf, der für den Eingriff mit einem Gegengewinde in der Mittelschaftverlängerung 138 angepaßt ist.
Die Mittelschaftverlängerung 138 ist mit einem oberen Ionengewindeabschnitt 144 versehen, der mit einem Gewinde 14 am unteren Ende der Schieberstange 150 im Eingriff ist. Die Stange 150 ist so angepaßt, daß sie eine Linearbewegung unter der Steuerung der Einrichtung in der Positioniervorrichtung innerhalb des Faltenbalgs 52 in 1 oder darüber hinaus aufnimmt. Im oberen Hohlraum 152 in der Wärmesenke 110 ist eine Feder 154 untergebracht, die zwischen der Wärmesenke und dem oberen Ende der Mittelschaftverlängerung 138 wirkt, so daß die Mittelschaftverlängerung und daran befestigte Teile, zu denen das Betätigungsglied 98 gehört, normalerweise in Schließrichtung des Stößels 90 gegen den O-Ring 88 vorgespannt werden, um den Gasdurchfluß zu sperren. Wenn jedoch die Stange 150 (durch nicht dargestellte Mittel) aufwärts gezogen wird, wird das Ventil geöffnet, während die Mittelschaftverlängerung 138 und der Ring 176 innerhalb der unteren Aussparung 184 in der Wärmesenke 110 gleiten. Die Membran 122 biegt sich mit der Bewegung des Betätigungsglieds.
Der obere Endabschnitt 158 der Wärmesenke 110 weist einen verminderten Zylinderdurchmesser auf und nimmt an seinem äußeren Umfang einen Bandheizkörper 159 auf, der durch nicht dargestellte Mittel mit elektrischem Strom versorgt wird, wobei der Heizkörper durch ein Schrumpfband 160 abgedeckt und festgehalten wird. Ein Thermistor 162 ist in den Abschnitt 158 der Wärmesenke eingebettet, und wenn dem Bandheizkörper 159 elektrischer Strom zugeführt wird, liefert der Thermistor 162 eine Rückkopplung zu einer Steuerschaltung, um die Temperatur der Wärmesenke auf einen gewünschten erhöhten Wert zum Beheizen des Behälters 50 und des darin enthaltenen Materials zu regeln. Der Heizkörper und die Steuereinrichtung dafür befinden sich zweckmäßigerweise außerhalb des Vakuumbereichs der Kammer 26, wodurch elektrische Durchführungen entfallen, aber die erzeugte Wärme wird durch die Vakuumwand zu dem Behälter geleitet.
Das Gasinjektionssystem 46 bildet ein Gehäuse, das eine Hülle bietet, um darin Gas zu erzeugen und einzuschließen, wobei die Hülle Kammern 92 und einen zentralen Durchlaß 84 des Behälters 50 sowie die Abdichtungskammer 78 einschließt, die vom unteren Ende des Abdichtungselements 102 umgeben ist. Die gasdichte Hülle weist außerdem die flexible Gummimembran 122 auf, die an ihrem äußeren Umfang zwischen dem Dichtungselement 102 und dem Abstandsringelement 120 eingeklemmt ist, während sie außerdem in der Mitte in abdichtender Beziehung zu dem Betätigungsglied 98 zwischen dem Betätigungsgliedflansch 134 und dem Kopf 142 der Mittelschaftverlängerung 138 eingeklemmt ist, wie weiter oben erwähnt.
Ein weiterer Typ eines Gaszufuhrsystems wird in US-Patent Nr. 5 149 974 , erteilt an Kirch et al., für "Gas Delivery for Ion Beam Deposition and Etching" (Gaszufuhr für Ionenstrahlabscheidung und -ätzen) beschrieben. Dieses Gaszufuhrsystem leitet ein Gas in einen Zylinder ein, der über der Probe positioniert und koaxial mit dem Ionenstrahl ist. Der Zylinder weist Öffnungen für den 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.
Ein bevorzugtes System zum Ätzen von Löchern mit hohem Seitenverhältnis ist ähnlich dem von Kirch et al. beschriebenen, verwendet aber als Zylinder eine Nadel, die mit dem Ionenstrahl koaxial ist. Es hat sich gezeigt, daß ein Gaszufuhrsystem mit koaxialer Nadel zum Ätzen von Löchern mit einem Seitenverhältnis von annähernd 16:1 verwendbar ist.
5 zeigt ein Ablaufdiagramm, das die Schritte einer typischen Defektanalyse-Anwendung der vorliegenden Erfindung darstellt. Schritt 200 zeigt, daß ein Techniker den Defekt auf der Probe einer integrierten Schaltung lokalisiert. Das defekte Element kann z. B. durch seinen Ausfall beim elektrischen Test lokalisiert werden. Schritt 202 zeigt, daß ein Graben 210, wie in 6 dargestellt, in einer integrierten Schaltung 214 auf einem Siliciumsubstrat 216 geätzt wird, um eine Querschnittsfläche 218 von Zwischenschichtdielektrikaschichten (ILD-Schichten) 220 und Metallschichten 226 freizulegen. Die Kanten der ILD-Schichten 220 und der Metallschichten 226 werden in der Querschnittsfläche 218 freigelegt. Der Graben wird relativ schnell mit einem Strahl von vorzugsweise etwa 5 Nanoampere geätzt, in Abhängigkeit von der Größe des zu ätzenden Grabens, um eine Stromdichte von etwa 2 mCb/mm² bereitzustellen.
Die ILD-Schichten können z. B. Siliciumoxide, Siliciumnitride, Dielektrika mit niedriger Dielektrizitätskonstante (k), aufgeschleuderte Gläser, Polymere und andere, ähnliche Materialien enthalten. Das Ätzen anderer dielektrischer Materialien, wie z. B. von Passivierungsschichten, liegt gleichfalls innerhalb des Umfangs der Erfindung, und der hierin benutzte Begriff "Zwischenschichtdielektrikum" (ILD) kann auch diese anderen Schichten einschließen. Fachleute werden erkennen, daß jedes dieser Materialien unter Anwendung verschiedener Methoden abgeschieden werden kann, die den Schichten Eigenschaften verleihen, die für das Funktionieren dieser besonderen Schicht erforderlich sind. Zum Beispiel wird eine dünne Siliciumoxidschicht, die als Teil eines Gates in einem Transistor verwendet wird (ein Gateoxid), typischerweise durch ein anderes Verfahren aufgebracht und ist viel dichter als eine dickere, weniger dichte Schicht aus chemisch aufgedampftem PE-Oxid, die zwischen zwei metallischen Leitern verwendet wird.
Nachdem zunächst der Graben 210 geätzt wird, zeigt der Schritt 230, daß die Probe um annähernd 45° geneigt wird, um die Fläche 218 dem fokussierten Ionenstrahl auszusetzen. Schritt 234 zeigt, daß die Fläche 218 bei einem niedrigeren Strahlstrom in Gegenwart einer ätzverstärkenden gasförmigen Verbindung geätzt wird, die freigelegte Schichten 220 selektiv so ätzt, daß ein Beobachter zwischen den Schichten unterscheiden kann. 7 zeigt auf übertriebene Weise, wie das erfindungsgemäße Ätzen der Fläche 218 ermöglicht, ILD-Schichten 220 durch einen Betrachter voneinander zu unterscheiden.
Der Ionenstrahlätzschritt 234 ist relativ kurz, dauert etwa 2 Minuten und entfernt nur wenige Nanometer Material. Ein typischer Strahlstrom, der mit der Größe des Querschnitts variiert, beträgt 11 Picoampere, wodurch eine Strahlstromdichte von etwa 15 bis 20 nCb/mm² erzeugt wird. Im Schritt 234 könnten höhere Stromdichten verwendet werden, aber Ströme in einer Höhe von 25–30 nCb/mm² beginnen eine Verzerrung der Querschnittsfläche 218 zu verursachen.
Die Energie in dem Ionenstrahl liegt typischerweise zwischen 30 keV und 50 keV, obwohl auch eine Ionenstrahlenergie von weniger als 30 keV verwendet werden könnte. Ionenstrahlen mit 30 keV führen zu einer geringeren Zerstäubung als Ionen mit höherer Energie, wodurch die nichtselektive Entfernung von Material vermindert und der Beitrag des Gases zur Entfernung von Oberflächenmaterial erhöht wird. Fachleute können die Ätzdauer, den Gasdurchfluß und die Ionenstrahleigenschaften leicht regulieren, um sie den jeweiligen Materialien und der Größe des zu bestrahlenden Querschnitts anzupassen.
Schritt 236 zeigt, daß die Querschnittsfläche 218 betrachtet wird, vorzugsweise mit einem Rasterelektronenmikroskop (SEM) 43. Die Querschnittsfläche 218 kann auch mit der Abbildungsmöglichkeit des FIB-Systems betrachtet werden. Das erfindungsgemäße Verfahren liefert ein scharfes, klares Bild der Querschnittsfläche 218, so daß ein Benutzer Defekte oder Unregelmäßigkeiten in den freigelegten Schichten erkennen kann.
Der wahlfreie Schritt 238 zeigt, daß vor der Abbildung der Querschnittsfläche 218 durch ein Rasterelektronenmikroskop (SEM) 43 die Querschnittsfläche 218 mit einer dünnen leitfähigen Schicht überzogen wird, um das Bild durch Verringern durch den Strahl ausgelösten Aufladung zu verbessern. Die Beschichtung, die beispielsweise Kohlenstoff oder ein Metall, wie z. B. Platin, enthalten kann, wird vorzugsweise unter Anwendung der ladungsträgerstrahlunterstützten Abscheidung aufgebracht. Zum Beispiel könnte nach dem chemisch unterstützten Ätzen zur Darstellung der Zwischenschichtdielektrika (ILD) eine Nadel 36, die mit einem Behälter 50 verbunden ist, der eine Platinverbindung enthält, wie z. B. Methylcyclopentadienyltrimethylplatin, in die untere Kammer 26 eingesetzt werden, während der Querschnitt mit dem Ionenstrahl beschossen wird, um eine Leiterschicht mit einer Dicke von wenigen Atomdurchmessern aufzubringen. Alternativ kann die leitfähige Schicht durch ladungsträgerstrahlunterstützte Abscheidung unter Verwendung des Elektronenstrahls von SEM 43 abgeschieden werden, der das Substrat weniger beschädigen würde als eine ionenstrahlunterstützte Abscheidung.
Das bei der Erfindung verwendete Ätzunterstützungsgas weist eine gasförmige Verbindung auf, welche die verschiedenen Schichten auf unterschiedliche Weise ätzt, um zu ermöglichen, daß die Dichten bei der Beobachtung unterschieden werden können. Die gasförmige Verbindung kann die verschiedenen Schichten mit unterschiedlichen Ätzraten ätzen oder kann lediglich Oberflächen von unterschiedlichem Aussehen oder unterschiedlicher Textur an verschiedenen Materialien erzeugen. Um den Transport der Verbindung in die Vakuumkammer und zur Substratoberfläche zu beschleunigen, befindet sich die Ätzunterstützungsverbindung vorzugsweise in der Gasphase auf oder nahe Raumtemperatur und unter den Drücken, die in der Vakuumkammer für den fokussierten Ionenstrahl herrschen. Das Gas verbindet sich vorzugsweise mit dem zu ätzenden Material, um flüchtige Verbindungen zu erzeugen, die nicht auf der Oberfläche des Substrats zurückbleiben. Die flüchtigen Reaktionsprodukte wandern in die Vakuumkammer und werden entfernt.
Die gasförmige Verbindung ist vorzugsweise durch einen Haftkoeffizienten gekennzeichnet, der ausreichend hoch ist, um sicherzustellen, daß Moleküle in ausreichenden Konzentrationen an der Substratoberfläche haften, um in Gegenwart des Ionenstrahls mit den Oberflächenmolekülen zu reagieren. Ein Verfahren, um einen hinreichenden Haftkoeffizienten sicherzustellen, ist die Bindung einer funktionellen Gruppe an ein Molekül, welche die Substratschichten in Gegenwart des Ionenstrahls ätzt.
Ein bevorzugtes Gas, 2,2,2-Trifluoracetamid (CF₃CONH₂),
enthält die funktionelle Amidogruppe, von der angenommen wird, daß sie die Klebrigkeit der Verbindung verstärkt. 2,2,2-Trifluoracetamid ist bei Raumtemperatur ein Feststoff und wird in einem Gasinjektionssystem auf etwa 30°C erwärmt. Es wird angenommen, daß der CF₃-Teil des Moleküls oder das Fluor, das in der Reaktion mit dem Ionenstrahl freigesetzt wird, für das Ätzen verantwortlich ist. Andere, ähnliche Verbindungen, wie z. B. Trifluoressigsäure (CF₃COOH),
und Pentafluorpropionsäure (CF₃CF₂COOH),
können gleichfalls verwendet werden, um die vorliegende Erfindung zu implementieren. Für verwendbar gehalten werden auch Verbindungen wie z. B. Trifluoracetylfluorid (CF₃COF),
3,3,3-Trifluormilchsäure (CF₃COHCOOH),
und Hexafluoraceton (CF₃C[O]CF₃)
Die gasförmige Verbindung weist vorzugsweise in Abwesenheit des Ladungsträgerstrahls eine geringe oder gar keine Reaktion mit dem Substrat auf. Der Druck der gasförmigen Verbindung am Substrat, wo der Ionenstrahl auftrifft, beträgt vorzugsweise 10^–3 mbar, wobei angenommen wird, daß dieser Druck für eine Wechselwirkung der Gasphase mit dem Ionenstrahl nicht ausreicht. Der Gasdurchfluß ist von der Anwendung abhängig, aber in vielen Anwendungen beträgt der Durchfluß vorzugsweise etwa 2,5 × 10^–7 mol/s. Daher wird angenommen, daß die Moleküle an der Probenoberfläche adsorbiert werden und im festen Zustand reagieren, wenn durch die auf die Probe auftreffenden Ionen Energie bereitgestellt wird.
Wenn die bevorzugte ätzunterstützende gasförmige Verbindung 2,2,2-Trifluoracetamid Siliciumoxidschichten in Gegenwart eines Ionenstrahls ätzt, wird angenommen, daß der Sauerstoff in dem Oxidmaterial mit dem Kohlenstoff, der bei der Reaktion der ätzunterstützenden Gasverbindung mit dem Siliciumoxid freigesetzt wird, eine flüchtige Verbindung bildet, wie z. B. CO₂ oder CO₃ wodurch der Kohlenstoff von der Oberfläche entfernt wird. Ähnliche flüchtige Verbindungen, wie z. B. H₂O, NH₂ oder OCNH₂, werden während der Reaktion der gasförmigen Verbindung mit dem Substrat gebildet. Beim Ätzen von Nitridschichten sind flüchtige Produkte unter anderem SiF₂, SiF₄ und N₂. Die flüchtigen Verbindungen werden schließlich durch die Vakuumpumpe abgesaugt.
Auf Probenmaterialien, die keinen Sauerstoff oder kein anderes Material liefern, mit dem flüchtige Verbindungen gebildet werden, um den Kohlenstoff freizusetzen, wird eine Schicht aufgebracht, die den Kohlenstoff und Fluor enthält. Derartige Materialien sind unter anderem einkristallines Silicium, polykristallines Silicium und Metalle. Die aufgebrachte Schicht hemmt das weitere Ätzen des Siliciums, wodurch die Selektivität des Ätzens von Siliciumoxiden über Silicium und Metallen stark verbessert wird. Das Verfahren kann angewandt werden, um eine Schutzschicht auf Silicium oder ähnlichen Materialien abzuscheiden. Andere Verbindungen, wie z. B. Perfluoroctansäure, (CF₃)₈COOH, bewirken die Abscheidung von kohlenstoffhaltigen Schichten wegen des in jedem Molekül vorhandenen großen Kohlenstoffanteils. Um die Abscheidung von Schichten zu vermeiden, ist es vorzuziehen, daß das Molekül einen einfachen Ätzabschnitt aufweist, wie z. B. eine einzige CF₃-Gruppe.
8 zeigt ein Ablaufdiagramm, das ein Defektanalyseverfahren für einen Grabenkondensator darstellt. 9 und 10 stellen einen Grabenkondensator 250 vor und nach der erfindungsgemäßen Verarbeitung dar. Das Defektanalyseverfahren von 8 nutzt die Selektivität der gasunterstützten Ladungsträgerstrahlätzung, um ein erstes Material abzutragen, während ein nahegelegenes zweites Material minimal beeinflußt wird.
Schritt 254 zeigt, daß ein Grabenkondensator 250 durch Entfernen von darüberliegenden Schichten freigelegt wird, vor zugsweise durch Ionenstrahlätzen. 9 zeigt einen Grabenkondensator 250, der durch Gräben gebildet wird, die mit einem leitfähigen Polysiliciummaterial 262 gefüllt sind und durch ein Siliciumoxid-Dielektrikum 266 von dem Silicium-Substrat 256 elektrisch isoliert sind. 9 zeigt einen Defekt 270 in der dielektrischen Schicht 266. Wenn der Grabenkondensator 250 verwendet wird, verursacht der Defekt 270 die Ableitung elektrischer Ladung von dem Kondensator und führt zu dessen Ausfall.
Schritt 274 zeigt, daß Siliciumoxid-Dielektrikum 266 erfindungsgemäß geätzt wird, wobei ein fokussierter Ionenstrahl und ein Ätzverstärkungsgas verwendet werden, wie z. B. 2,2,2-Trifluoracetamid. 10 zeigt den Grabenkondensator 250 mit entferntem Silicumoxid-Dielektrikum 260. Die Selektivität der Erfindung führt dazu, daß das Oxid-Dielektrikum 266 mit einer viel höheren Rate geätzt wird als Polysilicium-Material 262. Das Siliciumoxid-Material unter dem Defekt 270 wird nicht entfernt, weil Polysilicium-Material 262, das im wesentlichen nicht geätzt wird, das darunterliegende Material maskiert und daher verhindert, daß das Material durch den Ionenstrahl geätzt wird. Schritt 278 zeigt, daß der Grabenkondensator 250 geprüft wird und der Defekt 270 für den Betrachter leicht ersichtlich ist. Unter Verwendung der oben beschriebenen gasförmigen Verbindung kann die dielektrische Oxidschicht 266 mit geringer oder ohne Auswirkung auf das nahegelegene Polysilicium schnell geätzt werden.
Nach dem Stand der Technik wurde ein Gas wie z. B. XeF₂ verwendet, um das Oxid zu ätzen, aber XeF₂ ätzte Polysilicium-Leiter schneller als dielektrische Siliciumoxid-Schichten. Beim Ätzen einer dielektrischen Schicht zum Freilegen einer darunterliegenden Polysiliciumschicht war es schwierig, aber unbedingt notwendig, den Ätzprozeß genau in dem Moment zu stoppen, in dem Polysilicium-Leiter freigelegt wurden, um das Ätzen des Polysiliciums zu verhindern. Mit der Selektivität der Erfindung ist eine solche präzise Zeiteinstellung nicht mehr notwendig.
Die oben beschriebenen gasförmigen Verbindungen sind zur Erläuterung angeführt worden und schränken den Umfang der Erfindung nicht ein. In verschiedenen Anwendungen sind andere Verbindungen verwendbar. Zum Beispiel können chlorierte Kohlenwasserstoffe, wie etwa 2,2,2-Trichloracetamid,
zum Ätzen von Aluminiumoxiden verwendet werden. Chloride sind zum Ätzen von Aluminiumoxiden vorzuziehen, da das Ätzprodukt von Fluor und Aluminium, Aluminiumfluorid, nicht ausreichend flüchtig ist, um von dem Substrat zu verdampfen und durch das Vakuumsystem entfernt zu werden. Zum Ätzen von anderen Materialoxiden, wie z. B. Al₂O₃ oder GeO₄, können auch Tribromide verwendbar sein. Jede dieser Verbindungen kann, wenn nötig, funktionelle Gruppen enthalten, die den Haftkoeffizienten und daher die Adsorption der Moleküle an der Substratoberfläche erhöhen.
In einem weiteren Beispiel wird die Erfindung angewandt, um ein Kontaktloch mit hohem Seitenverhältnis durch ein dielektrisches Material zu ätzen, um einen leitfähigen Weg zu einem vergrabenen Leiter zu bilden. 13 zeigt einen Querschnitt einer typischen integrierten Schaltung 290, die auf einem Substrat 294 gefertigt wird. Die integrierte Schaltung 290 enthält mehrere Leiter 300, einschließlich eines Leiters 304 und eines Leiters 306. Die Leiter sind durch ein dielektrisches Material 314 voneinander getrennt. 13 zeigt ein Kontaktloch 342, das mit einem elektrisch leitenden Material 352 gefüllt ist, um an der Oberfläche des Substrats 294 einen elektrischen Kontakt zum Leiter 304 herzustellen. Ein Kontaktloch 344, das mit einem elektrisch leitenden Material 352 gefüllt ist, bildet entsprechend einen elektrischen Kontakt zu dem Leiter 306. Die gefüllten Kontaktlöcher 342 und 344 sind durch einen Leiter 364 verbunden, um einen elektrischen Kontakt zwischen den Leitern 304 und 306 herzustellen.
Die Leiter weisen vorzugsweise Kupfer auf. Die hohe elektrische Leitfähigkeit von Kupfer im Vergleich zu beispielsweise Aluminium ermöglicht kleinere Leiter, wodurch die Anzahl von Bauelementen pro Fläche und die Geschwindigkeit der Bauelemente erhöht werden. Die erhöhte Dichte der Kupferleiter gestattet außerdem die Implementierung einer Schaltung mit einer geringeren Anzahl von Schichten. Die erhöhte Dichte der Leiter erfordert, daß Kontaktlöcher, wie z. B. das Kontaktloch 342 und das Kontaktloch 346, die zum Verbinden von vergrabenen Leitern geätzt werden, relativ kleine Durchmesser aufweisen, um das Wegätzen von nahegelegenen Leitern 300 auf Zwischenniveaus zu vermeiden. Derartige Kontaktlöcher von kleinem Durchmesser und hohem Seitenverhältnis erfordern ein Ätzunterstützungsgas, um die Wiederabscheidung des Sputtermaterials am Boden des Lochs zu verhindern.
Man wird erkennen, daß das Dielektrikum 314 typischerweise aus mehreren unterschiedlichen Schichten besteht, obwohl im Hinblick auf das Freilegen von vergrabenen Leitern die dielektrische Schicht 314 als ein einziges, zu ätzendes Material angesehen wird. Das dielektrische Material ist vorzugsweise ein Dielektrikum mit extrem niedrigem k-Wert, wie z. B. ein poröses Kieselxerogel, das aus fluoriertem Siliciumoxid besteht. Integrierte Schaltungen, die Xerogel-Dielektrika und Kupferleiter verwenden, arbeiten mit höheren Geschwindigkeiten als Schaltungen mit Verwendung von Aluminiumleitern und herkömmlichen dielektrischen Schichten mit höheren Dielektrizitätskonstanten. Obwohl die Erfindung hinsichtlich integrierter Schaltungen mit Verwendung von Kupferleitern und Dielektrika mit extrem niedrigem k-Wert einen großen Vorteil gegenüber dem Stand der Technik bietet, ist die Erfindung nicht auf irgendeinen bestimmten Leiter- oder Oxidtyp beschränkt.
14 zeigt ein Ablaufdiagramm, das die bevorzugten Schritte darstellt, die zur Herstellung der in 13 dargestellten elektrischen Verbindung zwischen vergrabenen Leitern 304 und 306 angewandt werden. Der Schritt 330 zeigt, daß ein Ätzverstärkungsgas, wie z. B. 2,2,2-Trifluoracetamid, durch das Gasinjektionssystem 46 zu einem Bereich über dem Leiter 304 gelenkt wird. Schritt 332 zeigt, daß ein fokussierter Ionenstrahl von dem Ionenstrahlgenerator 29 auf den Bereich oberhalb des Leiters 304 gerichtet wird, zu dem das Ätzverstärkungsgas gelenkt wird. Der fokussierte Ionenstrahl (FIB) ätzt das Kontaktloch 342 durch das Dielektrikum 314, um einen Teil des Leiters 304 freizulegen. Der Ätzvorgang wird vorzugsweise so ausgeführt, wie oben bei den früheren Ausführungsformen beschrieben.
Wenn der Leiter 304 mit einem anderen vergrabenen Leiter elektrisch verbunden werden soll, wie z. B. dem Leiter 306, wird der Vorgang wiederholt, um den anderen vergrabenen Leiter freizulegen. Der Schritt 334 zeigt, daß der Strahl des Ätzverstärkungsgases wahlweise durch Bewegung entweder des Strahls oder des Substrats 294 zu einem Bereich über dem zweiten Leiter umgelenkt wird. Da der Strahl des Ätzverstärkungsgases wesentlich breiter ist als der Ionenstrahl, kann das Umlenken des Ätzverstärkungsgases beim Ätzen des zweiten Lochs unnötig sein. Das Kontaktloch 346 wird im Schritt 348 auf die gleiche Weise geätzt wie das Kontaktloch 342 im Schritt 332.
Die FIB-Ätzrate von Kupferleitern in Gegenwart von 2,2,2-Trichloracetamid ist annähernd halb so groß wie die Ätzrate des Kupferleiters durch den fokussierten Ionenstrahl (FIB) allein. Als Reaktionsnebenprodukte des Gases und des Kupfers werden CuF₂ und Kohlenstoff angenommen, die bei den Temperaturen der Vakuumkammer nicht hochgradig flüchtig sind und von denen daher angenommen wird, daß sie die Ätzrate des FIB reduzieren.
Schritt 350 zeigt, daß die Kontaktlöcher 342 und 344 mit einem leitfähigen Material 352 gefüllt werden, vorzugsweise unter Anwendung der FIB-verstärkten Abscheidung. Zum Beispiel könnten die Kontaktlöcher 342 und 344 mit Wolfram gefüllt werden, indem die Kontaktlöcher mit dem FIB bestrahlt werden, während ein Strom einer wolframhaltigen Verbindung, wie Z. B. Wolframhexacarbonyl, auf die Substratoberfläche gelenkt wird. Schritt 360 zeigt, daß beim Füllen der Kontaktlöcher die leitfähigen Materialien in den Kontaktlöchern durch den Leiter 364 verbunden werden, z. B. einen Platinleiter, der durch FIB-unterstützte Abscheidung mit einer platinhaltigen Verbindung, wie z. B. Methylcyclopentadienyltrimethylplatin, abgeschieden wird. Derartige Metallabscheidungsprozesse sind dem Fachmann bekannt. Obwohl 13 zeigt, daß die zwei elektrisch miteinander verbundenen Leiter in der gleichen Metallschicht und nahe beieinander liegen, kann die Erfindung auch zum Verbinden von Leitern in unterschiedlichen Schichten und auf unterschiedlichen Teilen des Substrats angewandt werden.
Obwohl die Erfindung eine besonders nützliche Anwendung beim selektiven Ätzen von Zwischenschichtdielektrika (ILD) auf Halbleitern findet, ist die Ätzselektivität der Erfindung bei vielen verschiedenen Materialien und Anwendungen brauchbar und ist nicht auf die oben beschriebenen Anwendungen und Materialien beschränkt. Außerdem ist die Erfindung zwar mit Anwendung eines fokussierten Flüssigmetall-Ionenstrahls beschrieben worden, aber Fachleute werden erkennen, daß auch andere Ladungsträgerstrahlen, wie z. B. Elektronenstrahlen, ohne Abweichung vom Umfang der Erfindung angewandt werden können.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer elektrisch leitenden Verbindung (342) mit einem ersten elektrischen Leiter (304) unter einem dielektrischen Material (314) in einer auf einem Substrat gefertigten integrierten Schaltung (290) mit den Schritten: – Richten eines Halogenkohlenwasserstoffgases zu einem ersten Gebiet auf dem Substrat über dem ersten elektrischen Leiter (304), – Richten eines Ionenstrahls (18) zum ersten Gebiet des Substrats, um ein erstes Loch im Dielektrikum (314) zu ätzen, um den ersten Leiter (304) freizulegen, – Abscheiden eines elektrisch leitenden Materials (352) im ersten Loch (304) im Dielektrikum (314), um den ersten Leiter (304) elektrisch zu kontaktieren, dadurch gekennzeichnet, daß – die Moleküle des Halogenkohlenwasserstoffgases einen Ätzabschnitt und eine funktionelle Gruppe aufweisen, wobei die funktionelle Gruppe die Adsorption des Moleküls am Substrat verstärkt, und – die funktionelle Gruppe ein Amid (CONH₂), eine Carboxylgruppe (COOH), eine Carbonylgruppe, einen Fluoraldehyd (COF) oder eine Ketongruppe aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Halogenkohlenwasserstoffgas 2,2,2-Trifluoracetamid, 2,2,2-Trichloracetamid oder 2,2,2-Tribromacetamid ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Keton die funktionelle Gruppe von Hexafluoraceton ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner mit dem Schritt des elektrischen Verbindens des leitenden Materials (352) mit einem anderen Teil der Schaltung, wodurch eine neue Leiterbahn vom vergrabenen Leiter hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der andere Teil der Schaltung ein unter einem dielektrischen Material (314) vergrabener zweiter Leiter (306) ist, mit den Schritten: – Richten eines Halogenkohlenwasserstoffgases zu einem zweiten Gebiet auf dem Substrat über dem zweiten Leiter (306), – Richten eines Ionenstrahls (18) zum zweiten Gebiet des Substrats, um ein zweites Loch (344) im Dielektrikum (314) zu ätzen, um den zweiten Leiter (306) freizulegen, – Abscheiden eines elektrisch leitenden Materials (352) im zweiten Loch (344) im Dielektrikum, um den zweiten Leiter (306) elektrisch zu kontaktieren, und – Abscheiden eines elektrisch leitenden Materials (364), um den ersten Leiter (304) und den zweiten Leiter (306) durch die im ersten (342) und im zweiten (344) Loch abgeschiedenen leitenden Materialien (352) elektrisch zu verbinden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei der erste Leiter (304) Kupfer aufweist.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das abgeschiedene leitende Material (352) Wolfram oder Platin aufweist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das dielektrische Material (314) ein dielektrisches Low-k-Dielektrikum oder Ultra-low-k-Dielektrikum aufweist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Dielektrikum (314) ein geschäumtes Silikagel aufweist.