JP2002527908A

JP2002527908A - ガス‐アシストｆｉｂエッチングを利用した集積回路再配線

Info

Publication number: JP2002527908A
Application number: JP2000576490A
Authority: JP
Inventors: ディーチャンドラー，クライヴ
Original assignee: フェイカンパニ
Priority date: 1998-10-09
Filing date: 1999-10-08
Publication date: 2002-08-27
Also published as: WO2000022670A1; EP1048071A1; AU6472999A; EP1048071B1

Abstract

(57)【要約】集束イオンビーム及びエッチング補助ガスを利用して、誘電体層の下に埋設された導体への接続方法を開示する。その方法は、２,２,２‐トリフルオロアセトアミド又はトリフルオロ酢酸のようなハロゲン化有機化合物を利用して、一旦露出された導体のエッチングを弱めながら、誘電体層のエッチング促進させる。よって、前記方法により、導体を実質的にエッチングさせず、さらに劣化もさせずに、導体と接触させるためのビアの加工を可能にする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】発明の背景本発明は、化学的に促進させたイオンビームエッチングに係り、より詳細には
、集積回路製造中に堆積させた層間絶縁体を選択的にエッチングさせるように、
集束イオンビームを使用することに関する。

【０００２】集積回路は、シリコン又はガリウムヒ素ウェーハのような半導体材料の基板上
に、導体、絶縁体及び半導体の薄層を成長させ、堆積させ、拡散させ、エッチン
グさせることにより製造される。製造工程を正常に動作するように維持するため
に、或いは、欠陥が発生した際にその工程を診断し、修正するために、工程管理
技術者はさまざまな工程で製造された層を、迅速に検査しなければならない。

【０００３】工程にて製造された層を検査し、分析し、並びに修理するために利用される主
な道具は、集束イオンビーム（ＦＩＢ）システムである。ＦＩＢシステムにより
、製造工程中ウェーハの欠陥を確認し、分析して歩留まりが改善し、存在し、修
正させるべき欠陥の発生源を確認することが可能となる。例えば、ある層がスパ
ッタエッチングされ、ＦＩＢシステムにより、観察及び試験のために下に存在す
る層が露出され、又は断面が切断され、多層のエッジを露出させて、層の厚さ、
均一性及び含有物を観察する。ＦＩＢシステムは、微小な特徴のある画像をも形
成し、導体又は絶縁材料を蒸着させることにより、集積回路を修理し、試験する
ために利用され得る。

【０００４】ＦＩＢエッチングを利用して、被覆材料の除去により露出した工程中に製造さ
れた層は、ＦＩＢシステムの画像表示能力、又は走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の
何れかを利用して検査される。ＳＥＭの電子ビームはＦＩＢシステムのイオンビ
ームよりも、サンプルに損傷をあまり与えず、通常、ＳＥＭにより、高解像度な
画像が形成される。ＳＥＭは、本発明の譲受人であるＦＥＩカンパニーから販売
されているＦＩＢシステムのデュアルビーム（登録商標）ファミリーのような、
ＦＩＢシステムと同じ真空チャンバー内で、しばしば利用可能である。かかるシ
ステムでは、工程中に製造された層の断面を切断し、その後、サンプルを殆ど又
は全く移動させずに、同じ真空チャンバー内で観察できる。試料を迅速に分析し
、製造ラインに結果をフィードバックさせる際に、かかるシステムは製造工程制
御の応用には特に適する。

【０００５】集積回路内の多くの層は、導体層を分離させるために利用される相対的に非導
電性である材料と、パッシベーションとしてのチップの保護層とを含む。かかる
層は層間絶縁体（ＩＬＤ）として公知である。ＩＬＤにはさまざまな密度の蒸着
酸化膜、熱酸化膜、ガラス上のスピン塗布物（spun on glass）及び窒化膜が含
まれる。ＩＬＤは集束イオンビームにより断面に切断され、観察する際に、識別
することが難しいことがしばしばある。よって、個々の層の厚さを求めることが
できず、製造工程技術者は特定の層の欠陥を分離させることができない。

【０００６】さまざまなＩＬＤ層間を識別するために、真空チャンバーから試料を取除き、
フッ化アンモニウム（ＮＨ_４Ｆ）やフッ化水素算（ＨＦ）、又はＮＨ_４Ｆ、ＨＦ
及び酢酸の組合わせのような液体化学薬品の浴にてエッチングさせる必要性があ
った。湿式エッチング工程により、さまざまな層が僅かに、夫々異なりエッチン
グされ、リンスし、洗浄し、さらに再リンスして真空チャンバーに再度挿入され
、さまざまな層を観察した。残念なことに、上記工程に関係する多くの段階を実
行させるのに必要な時間のため、実時間レベルでの製造工程制御には、不向きで
ある。さらに、化学薬品の浴にて行われるエッチングは、実用的には、関心のあ
る限られた領域しか行うことができない。全体のウェーハをエッチングさせて、
問題のある一つのデバイスの断面のコントラストを増大させなければならない。

【０００７】ＣＦ_４やＣ_４Ｆ_８のようなガスを利用したプラズマエッチングにより、集束イ
オンビーム加工により露出された層間のコントラストを向上させることができる
。プラズマエッチングはプラズマ発生装置と関連するプラズマチャンバー内で行
われる。前述した液体化学薬品では、ＦＩＢ真空チャンバーから試料を取出し、
エッチング用のプラズマチャンバーにその試料を配置し、それから観察用の走査
型電子顕微鏡のような別の高真空画像装置に、試料を置く必要がある。製造工程
技術者が製造ラインをスムーズに稼動させるために、迅速な答えが必要なときは
、機械間で移動させるのに必要な時間のため、コントラスト向上のためのプラズ
マエッチング工程は製造ラインには不向きである。

【０００８】ＦＩＢシステムは集積回路の設計段階でも有用である。プロトタイプの集積回
路が製造され、試験される際に、回路設計の変更が必要となることがしばしばあ
る。ＦＩＢシステムは集積回路を変更させることが可能であり、光リソグラフィ
ーマスクに変更を加え、新しいプロトタイプを作成する必要がなく、実行及び試
験を変化させることが可能となる。かかる変化は「デバイスエディット(device
edit)」と言われる。ＦＩＢシステムは、導体を介するエッチングにより電気的
接続を切断する、又は導電性材料の選択的蒸着により新たな電気的接続を生じさ
せることができる。

【０００９】現代の回路は、絶縁体により分離された１２以上のもの導電性金属層を利用す
ることが可能である。回路設計をデバックする際に、埋設コネクタ間の接続を生
じさせる必要がある。これは、導体の上にある絶縁層を介して穴、つまり「ビア
」をＦＩＢ加工することにより行われ、下に存在する導体を露出させる。下に存
在する導体は深く埋設されているが、加工中の穴の底部にてスパッタリングされ
た材料は、穴の側壁に再堆積する傾向がある。よって、高アスペクト比を有する
穴、つまりその幅よりもより深い穴を加工することは不可能である。したがって
、図１１に示すような幅広な穴２を加工する必要があり、深い導体３が露出され
る。残念ながら、現代の集積回路の高密度集積では、幅広な穴は、導体４のよう
な他の層の回路に損傷を与える。

【００１０】図１２に示す高アスペクト比の穴５をＦＩＢ加工するためには、ＸｅＦ_２ガス
を利用して層間絶縁体のＦＩＢエッチングを向上させることが可能である。残念
ながら、ＸｅＦ_２は非常に毒性があり、非常に腐食性を有する。さらに、その高
い導電性のために、集積回路の製造にて導体として幅広く利用されている銅を、
ＸｅＦ_２はエッチングしてしまう。露出された銅導体をエッチングさせずに、さ
らに著しく劣化させずに、ＸｅＦ_２を利用して、ＩＬＤを介してエッチングする
ことが困難であり、比抵抗が増し、回路に再配線を有効なものではないものにな
る。図１２は、ＸｅＦ_２を利用して、導体４が損傷を受けないが、導体３はＸｅ
Ｆ_２ガスにより偶然エッチングされ、その断面を顕著に減少させ、もって、抵抗
が増加したものを示す。

【００１１】発明の要約したがって、本発明の目的は、荷電粒子のイオンビームを利用して、材料を選
択的にエッチングする改良された方法及び装置を提供することである。

【００１２】本発明の目的は、荷電粒子ビームを利用して、ＩＬＤ材料を選択的にエッチン
グする改良された方法及び装置を提供することである。

【００１３】本発明の別の目的は、表面への吸着を増大させるエッチャント化合物を変更さ
せることにより、荷電粒子ビームによるエッチング用の追加の化合物を提供する
ことである。

【００１４】本発明の別の目的は、集束イオンビームにより切断された集積回路断面のＩＬ
Ｄ層を識別するための、改良された方法及び装置を提供することである。

【００１５】本発明のさらに別の目的は、試料が真空チャンバーから取出される必要のない
方法及び装置を提供することである。

【００１６】本発明のさらに別の目的は、半導体集積回路の欠陥分析用の改良された方法お
よび装置を提供することである。

【００１７】本発明のさらに別の目的は、半導体集積回路製造の工程制御用の改良された方
法及び装置を提供することである。

【００１８】本発明のさらに別の目的は、誘電体層を選択的にその輪郭を明確にする又は除
去することにより、半導体製造工程の段階の迅速な分析を実現させることである
。

【００１９】本発明のさらに別の目的は、集積回路のデバイスエディッティング、特に、銅
導体を含有する集積回路のデバイスエッディッティングを容易にすることである
。

【００２０】本発明のさらに別の目的は、銅導体を顕著に劣化させることなく、銅導体で終
端する高アスペクト比のビアを加工する方法を提供することである。

【００２１】本発明のさらに別の目的は、誘電体層のエッチングを促進し、ＸｅＦ_２よりも
腐食性及び毒性がないガスを提供することである。

【００２２】本発明によれば、エッチング補助ガス化合物の分子は、荷電粒子ビームシステ
ムでの試料の表面に吸着される。そのガスにより、試料のさまざなま材料が、荷
電粒子ビームの存在下にて、さまざまな速度でエッチングされる。かかる選択的
エッチングにより、観察者にはシャープで、鮮明な断面を提供し、断面でのさま
ざまな層が観察者により識別される。その選択的エッチングにより、サンプルの
他の材料の著しく影響を与えることなく、数多の材料の除去を可能にする。

【００２３】エッチング補助ガス化合物の分子には、エッチング部分と、分子の接着力が増
し、さらに吸着を促進させる官能基とが含まれる。そのガスは露出された層の表
面に吸着され、荷電粒子衝撃によりエネルギーを付与し、エッチングされるべき
表面材料と吸着ガス分子との反応が開始すると考えられる。その反応により揮発
性生成物が生成し、真空チャンバー内で拡散し、試料から材料を除去する、又は
試料をエッチングする。

【００２４】エッチング反応の強さは材料に種類により変化し、ガスの付着係数は材料の種
類により異なり、反応性生物も異なり、その揮発度もさまざまであるから、エッ
チング速度は材料の種類により変化すると考えられる。ガスは、揮発性でなく、
第二の層上に保護膜を形成する反応生成物が生成することにより、数多の材料の
エッチングを阻害する。

【００２５】本発明を実施するための好ましいガス化合物には、吸着を促進させる追加の官
能基を有するハロゲン化炭化水素が含まれる。例えば、２,２,２−トリフルオロ
アセトアミドはＩＬＤ層を選択的にエッチングし、そのＩＬＤ層はＳＥＭ又はＦ
ＩＢイメージングを利用して、観察者に識別可能な画像を提供するが、単結晶シ
リコン又はポリシリコンの何れかのシリコンや、金属層でのさらなるエッチング
を阻害する保護膜が形成される。

【００２６】一つの好ましい応用では、集積回路のさまざまな層の断面は、液体金属ガリウ
ム集束イオンビームを利用して露出される。断面露出後、試料が傾けられ、第二
のエッチング工程で、露出断面はイオンビームによりエッチングされ、２,２,２
−トリフルオロアセトアミドのようなガスが表面に導かれる。そのガスをイオン
ビームエッチングを優先的に補助し、よって、ＩＬＤ層間のコントラストを大き
くし、若しくはＩＬＤ層の輪郭を明確にする。通常、第二のエッチング段階は短
く、第一のエッチング工程よりも低い電流密度を利用する。

【００２７】第二の好ましい応用では、酸化シリコンのような誘電体材料は除去されて下に
存在する、ポリシリコン導体のような材料層を露出させる。その誘電体層は、ガ
リウムイオンの衝突領域に導かれる２,２,２−トリフルオロアセトアミドのよう
なガスとともに、イオンビームに晒される。誘電体層はエッチングにより除去さ
れるが、下に存在する層は本質的に影響を受けず、さらなる分析のために、下に
存在する層を露出させる。ガスは数多の下に存在する材料と反応し、下に存在す
る材料とのさらなる反応を阻害する保護膜を形成する。

【００２８】誘電体材料を除去して導体を露出させる別の例では、高アスプクト比のビアが
、２,２,２−トリフルオロアセトアミドのようなハロゲン化炭化水素を利用して
、誘電体材料に加工され、銅導体を露出させる。好ましいガスは、ＸｅＦ_２より
も腐食性及び毒性がなく、誘電体を介して設けられた後に、イオンビームが銅導
体をエッチングする速度を減少させる。露出導体は、ビア内に導電性材料を堆積
させることにより他の回路素子と電気的に接続され、他の回路素子へのビア内に
別の導電性材料のＦＩＢアシスト堆積により電気的接続される。他の回路素子は
、例えば、さまざまな埋設導体と電気的に接続した、別の導体を充填させた高ア
スペクト比の穴を有する。

【００２９】本発明の保護客体は、本願の明細書の特許請求の範囲に記載され、明確に主張
されている。しかしながら、本発明の効果及び目的とともに、動作の機構及び方
法の双方は、同じ要素には同じ参照番号を付している添付図面とともに、以下の
説明を参照することにより、さらに理解されるであろう。

【００３０】詳細な説明本発明の好ましい実施例によるシステムは、ビームが衝突する試料表面領域に
向かってガス成分を注入させる、ガス注入システムを有する荷電粒子ビームシス
テムを具備する。

【００３１】図１を参照するに、図１は本発明の実施するための集束イオンビームシステム
を示し、排気エンベロープ１０は上部ネック部１２を具備し、エンベロープ内部
に、液体金属イオンソース１４と、抽出電極手段を有する集束カラム１６と静電
気光学システムとが配設されている。イオンビーム１８はソース１４から発して
カラム１６を経由し、サンプル２２に向かって２０で模式的に図示される静電気
偏向手段間を通過する。カラム１６は、低部チャンバー２６内の可動Ｘ−Ｙステ
ージ２４に配置された半導体装置を有することが好ましい。イオンビームを発生
させ、集束させ、さらに導く構成部品は、まとめてイオンビーム発生器２９とし
て示される。イオンポンプ２８はネック部分１２を排気させるために利用される
。チャンバー２６は真空制御器３２の制御の下、ターボ分子と機械ポンピングシ
ステム３０により排気される。

【００３２】高電圧電源３４は液体金属イオンソース１４だけでなく、約３０ｋｅＶイオン
ビーム１８を発生させ、そのイオンビームを下に向かって導く集束カラム１６の
適当な電極と接続している。パターン発生器３８により発生するラスターパター
ンのような所定のパターンにより動作する偏向制御器及び増幅器３６は、偏向プ
レート２０と接続しており、よって、ビーム１８が制御されてサンプル２２の上
部表面に対応するパターンを描く。

【００３３】通常、ソース１４からガリウムの金属イオンビームが発生する（但し、他の金
属イオン、例えば、インジウムやアルミニウムも利用可能である）。そのソース
は、サンプル２２で０．１ミクロン幅のビームに集束させることが可能であり、
絶縁層若しくは金属層を設けることにより表面２２を改質させる、又は表面２２
の画像を作成するために利用される。画像表示用の二次放出を検出ために利用さ
れる電子倍増管４０は、ビデオ回路及び増幅器４２に接続されており、増幅器４
２はビデオモニター４４の駆動を供給し、さらに、制御器３６からの偏向信号を
受信する。

【００３４】排気エンベロープ１０は、集束イオンビームにより実施される動作の結果を表
示させることができ、又は電子ビーム処理を行うことができる走査型電子顕微鏡
（ＳＥＭ）４３をさらに具備する。ＳＥＭ４３は電子ビーム発生器４１と、関連
する電源及び制御４５を具備する。ＳＥＭに具備される好ましい集束イオンビー
ムシステムは、本発明の譲受人であるＦＥＩカンパニーから販売されているデュ
アルビーム（登録商標）モデルＸＬ８６０である。

【００３５】ガスソース４６は、移動装置４８によりチャンバー２６内部に配設されており
、その移動装置４８は、ベロー５２内の支持手段を介して前記ソースの位置決め
をさせるのに適している。ソース４６は貯蔵器５０と加熱器５４とを具備し、そ
の加熱器は膜タイプの加熱器から構成されており、貯蔵器５０内部の化合物の温
度を、後に詳細に説明するように、適当な蒸気圧が生じる温度へ上昇させるため
に利用される。トランスファーチューブ、つまり皮下注射用針を備えたキャピラ
リーチューブから構成されるノズル５６は、貯蔵器５０から延在し、制御バルブ
５８を介して貯蔵器５０と接続されており、その制御バルブ５８は蒸気ガスの解
放に適する。ノズルは伸長しており、移動装置４８が採用する軸に対して実質的
に垂直である直交方向に移動し、蒸気ガスはサンプル２２の上部表面の領域を直
接目指すことが可能である。

【００３６】ドア６０は、加熱されるステージ２４にサンプル２２を挿入させるために、さ
らに、貯蔵器５０を手入れするために開放される。貯蔵器５０内の温度が実質的
に室温以上であるときに開放しないように、そのドアはインターロックされる。
６２にて模式図的に示すゲートバルブは、ドアが開放されてイオンソース及び集
束カラム装置の密閉を解除する前に、閉鎖する。

【００３７】貯蔵器５０が貯蔵器５０内部で化合物を蒸気化させる所望の温度へ上昇させた
ときに、バルブ５８はアクチュエータロッド１５０（図２）を装置外部から引く
ことにより開放され、バルブプランジャー４０の位置を調節し、ノズル５６は、
図３に拡大して示し、図４にさらに拡大して示すサンプルの所望の領域に向かう
。ベロー５２は、チャンバー２６内の真空に影響を及ぼすことなく、サンプルに
対するノズル組立体及び貯蔵器の移動に適応させる。

【００３８】蒸気ガスソース４６の加熱器とともに、真空制御システムは動作して適当な圧
力条件を生じさせて、材料のエッチング又は蒸着のために、基板２２に向かうよ
うに、チャンバー内にて蒸気ガスの流れを設定する。所定のガスの流れを確立さ
せるために、貯蔵器を所定の温度へ加熱させる。

【００３９】高電圧電源により、適当な加速電圧がイオンビームカラムの電極に供給され、
イオンビーム１８を発生させ、集束させる。イオンビームはサンプルに接着する
密度のある蒸気ガスを有してサンプルと衝突する際に、イオンビームによりエッ
チング補助ガス化合物と基板との間の反応を開始させ、サンプルをスパッターエ
ッチングするエネルギーを付与する。

【００４０】偏向制御器及び増幅器３６により、所望のパターンにイオンビームは偏向され
るが、イオンビームの偏向は、サンプル２２をエッチングするのに十分遅い速度
である。偏向速度、ループ時間等に関して配慮は、当業者には十分理解される。

【００４１】以後言及するように、真空システムによりチャンバー２６内は約１ｘ１０^−６乃至５ｘ１０^−４トルの真空が実現される。蒸気ガスの放出により、チャンバー
バックグランドの圧力は約１ｘ１０^−５トルであることが好ましい。模範的な実
施例では、ガスソース４６は皮下注射針のキャピラリーチューブ介して、大雑把
に１ｘ１０^１６乃至１ｘ１０^１７分子/秒/ｃｍ^２のガス流量を生じさせる温度に
加熱され、金属イオンソース及び集束カラムを制御して、ラスター領域内で１ｘ
１０^１３乃至１ｘ１０^１５荷電粒子/秒/ｃｍ^２の流れを発生させることが好まし
い。当業者には適当な圧力と、何れかの特定応用のためのガス流量とは、容易に
決定することができる。

【００４２】本発明の譲受人に譲渡された発明名称「Gass Injection System」のRasmussen
への米国特許第５,４３５,８５０号には、蒸気ガスを導入し、サンプル２２に向
かわせる装置が開示されている。本願の図２を参照するに、蒸気ソースは内部に
蒸気化させるべき化合物を収納する貯蔵器５０を具備し、その貯蔵器の低端部に
は皮下注射針５６の形をしたノズル５６が設けてあり、そのノズルには基板２２
に対してガスを導く小さなオリフィスを有するキャピラリーチューブが備えてあ
る。皮下注射針は錠取付物１００（lock fitting）により、貯蔵器５０のねじ切
り低端部に取付けられる。貯蔵器５０の上部フランジ７６はシーリングチャンバ
ー７８の周辺に固着され、最終的にシーリングチャンバーは支持管８０から垂れ
下がっている。支持管８０はねじによりベロー５２の低端部だけでなく、ベロー
内の位置決めメカニズム（図示せず）に取付けられている。

【００４３】貯蔵器５０は、皮下注射針５６の長手方向に細長く、皮下注射針を介してガス
が流れる中央円筒通路８４を備えた中実金属ブロックを具備する。金属ブロック
の低端部では、長手方向の通路８４は８６で狭くなっており、肩部を形成し、通
路８４からノズル５６へのガスの流れを調整するバルブプランジャー９０の先細
り端部と協働するＯリングバルブシール８８を受ける。プランジャー９０はアク
チュエータ９８の低端部に位置し、アクチュエータ９８は通路８４内部の同軸上
に配置されたロッドを具備し、通路を介して奥へ延在している。ガス運搬用の通
路を形成させるために、アクチュエータ９８の外径は通路８４の内径よりも小さ
い。

【００４４】貯蔵器５０の中央通路８４の周りに、円筒通路８４と平行であり、円筒通路８
４を実質的に囲繞する関係にある複数の細長い円筒チャンバー９２を配設させる
。各チャンバー９２は貯蔵ブロック５０の長手方向のボアを有し、詳細は後述す
る２,２,２−トリフルオロアセトアミドのような蒸気可能な材料９４を受けるの
に適する。貯蔵器の上端部９６はシーリングチャンバー７８に対して開放されて
おり、貯蔵チャンバー内部で発生したガスは中央通路８４と連通している。

【００４５】中央のロッド伸長部１３８はアクチュエータ９８の端部により、１４０でねじ
を介して係合し、膜１２２の中央は中央ロッド伸長部１３８のフランジ１３４と
ヘッド１４２との間に密閉して配設される。金属ベロー１７４は、支持管８０内
で大気圧から、膜１２２上の領域１２６を分離させる。ベロー１７４はリング１
７０と１７６との間に延在し、リング１７０はスペーサリング部材１２０とヒー
トシンク１１０との間で閉じるのに対し、リング１７６はシンク１１０の空洞１
８４の端部に近い中央ロッド伸長部１３８の上端部に固着されており、シンク１
１０内でプランジャー９０とＯ−リング８８から構成されるバルブを開放及び閉
鎖させるように、ばね１５４の付勢に対してロッド１５０として滑動する。

【００４６】膜１２２はシーリングチャンバー７８の上壁部と、チャンバー２６へ排出する
領域１２６の低壁部とを規定する。アクチュエータ９８はチャンバー７８内に放
射状のフランジ１３４を有し、周辺に保持される膜１２２を中央に係合するのに
対し、アクチュエータの部分１３６は膜１２２の中央開口部を通過して、中央ロ
ッド伸長部１３８のヘッド端部内の凹部に向かう。アクチュエータ９８は中央ロ
ッド伸長部１３８のねじに係合するねじ切り部分１４０を有する。

【００４７】中央ロッド伸長部１３８には作動ロッド１５０の低端部でねじ山１４０と組合
わさる上内部ねじ切り部分１４４が備えてある。ロッド１５０は、図１のベロー
５２内部の位置決めメカニズム内の手段の制御の下、直線運動を受けるのに適す
る。ヒートシンク１１０の上空洞１５２には、ヒートシンクと中央ロッド伸長部
１３８の上端部との間に作用するばね１５４が収納されており、中央ロッド伸長
部とアクチュエータ９８を含む取付部品は、Ｏ‐リング８８に対してプランジャ
ー９０を閉鎖させる方向に、通常、付勢されており、ガスの流れを遮断させる。
しかしながら、ロッド１５０が上に向かって引かれると（手段は図示せず）、中
央ロッド伸長部１３８とリング１７６がヒートシンク１１０の低凹部１８４内で
滑動するにつれて、バルブが開放される。膜１２２はアクチュエータの移動とと
もに曲がる。

【００４８】ヒートシンク１１０の上端部１５８は、減少した円筒径であり、図示はしてな
いが電流が供給されるバンドヒータ１５９をその周りに備えている。そのヒータ
は覆われており、縮みバンド１６０により正しい位置に保持される。サーミスタ
１６２がシートシンクの部分１５８内に埋設されており、電流がバンドヒータ１
５９に供給されると、サーミスタ１６２は制御回路にサーミスタの信号をフィー
ドバックし、貯蔵器５０及びその内部の材料を加熱させるための所望の高い温度
に、シートシンクの温度を調節する。ヒータ及びその制御は電気フィードスルー
を排除するチャンバー２６の真空領域の外に配設されることが好ましいが、生じ
た熱が真空壁を介して貯蔵器へ伝えられる。

【００４９】ガス注入システム４６は、内部でガスを発生させ、含有する包囲体が形成され
る筐体から構成され、その包囲体にはチャンバー９２及び貯蔵器５０の中央通路
８４だけでなく、シーリング部材１０２の低端部により囲繞されたシーリングチ
ャンバー７８をも含む。耐ガス包囲体は、周辺でシーリング部材１０２とスペー
サリング部材１２０との間で締め付けられた可撓性ゴム膜１２２をさらに具備し
、前述したように、アクチュエータフランジ１３４と中央ロッド伸長部１３８の
ヘッド１４２との間で、アクチュエータ９８と密閉した関係で中央に締め付けら
れる。

【００５０】他のタイプのガス運搬システムは、発明名称「Gas Delivery For Ion Beam De
position and Etching」であるKirchらへの米国特許第５,１４９,９７４号に開
示されている。このガス運搬システムにより、試料上に位置し、イオンビームと
同軸シリンダーへガスを導入する。シリンダーにはイオンビーム用の出入り口用
の孔があり、ガスは底部孔を経由して試料表面へ移動する。シリンダーは、検出
用のシリンダーから二次粒子を偏向させるための電界若しくは磁界を印加させる
偏向手段を、さらに具備する。

【００５１】高アスプクト比の穴を加工する好ましいシステムは、Kirchらにより記載され
たものと同様であるが、シリンダーとしてイオンビームと同軸の針を利用する。
同軸の針によるガス運搬システムは、約１６：１のアスペクト比を有する穴を加
工するには有用であることが判明した。

【００５２】図５は、本発明の欠陥分析利用の各工程を説明するフローチャートを示す。工
程２００は、技術者が集積回路サンプルの欠陥の位置を探す工程を示す。欠陥要
素は、例えば、電気試験中の不良により、その位置を探すことができる。工程２
０２は、シリコン基板２１６上の集積回路に加工された、図６に示す溝２１０を
示し、ＩＬＤ層２２０と金属層２２６の断面２１８を露出させる。その断面２１
８にて、ＩＬＤ層２２０及び金属層２２６の縁部が露出される。被加工溝のサイ
ズに依存するが、好ましくは、約２ｍクーロン/ｍｍ^２の電流密度を与える、約
５ナノアンペアのビームを利用して、溝が比較的迅速に加工される。

【００５３】例えば、ＩＬＤ層には、酸化シリコン、窒化シリコン、低誘電率（ｋ）の誘電
体、ガラス上の塗布物（spun-on glass）、高分子や他の同様な材料がある。パ
ッシベーション層のような他の誘電体材料をエッチングすることは、本発明の範
囲内にあり、本願で使用する用語「ＩＬＤ」とは、かかる他の誘電体層をも含む
。各上記材料は、特定層の機能に必要とされる性質を上記層に付与させるさまざ
まな方法を利用して堆積させられることは、当業者には認識される。例えば、ト
ランジスターのデート部として利用される薄い酸化シリコン層（ゲート酸化膜）
は、通常、さまざなま方法で堆積させることが可能であり、二つの金属導体間に
利用されるＰＥＣＶＤ酸化膜よりは低密度であるが、厚くよりはずっと高密度
である。

【００５４】溝２１０が、先ず加工された後、工程２３０は、サンプルは集束イオンビーム
に対する現在の面２１８に４５°傾ける工程を示す。工程２３４は、選択的に露
出層２２０をエッチングするエッチング補助ガス化合物の存在下、その面２１８
が低ビーム電流でエッチングされ、観察者は層を識別する。図７は、本発明によ
るエッチング面２１８が観察者により、ＩＬＤ層２２０をどのように識別可能に
するを、誇張させて説明してある。

【００５５】イオンビームエッチング工程２３４は比較的短時間であり、約２分間持続し、
数ナノメータの材料のみを除去する。典型的なビーム電流は、断面のサイズによ
り変化するが、１１ピコアンペアであり、約１５乃至２０ナノクーロン/ｍｍ^２
のビーム電流密度が生じる。さらに高電流密度でも工程２３４にて利用できるが
、２５乃至３０ナノクーロン/μｍ^２程の高い電流では、断面２１８に歪みが発
生する。

【００５６】通常、イオンビームのエネルギーは３０ｋｅＶ乃至５０ｋｅＶであるが、但し
、３０ｋｅＶ以下のイオンビームエネルギーでも利用可能である。３０ｋｅＶの
イオンビームにより、高エネルギーイオンよりはあまりスパッタリングは発生せ
ず、材料の非選択的除去を減らし、表面材料の除去に対するガスの寄与を増大さ
せることができる。エッチング時間、ガス流量及びイオンビーム特性は、当業者
には容易に調整でき、特定の材料および被露出断面のサイズに適するように調整
可能である。

【００５７】工程２３６は、断面２１８を観察し、好ましくはＳＥＭを利用して観察する工
程を示す。さらに、断面２１８はＦＩＢシステムのイメージング能力を利用して
、観察することも可能である。本発明の方法により、断面２１８のシャープで、
鮮明な画像を観察することが実現でき、ユーザは露出層の欠陥又は不整合な部分
を確認することが可能となる。

【００５８】選択的工程２３８は、ＳＥＭ４３により断面２１８を画像化させる前に、断面
２１８は薄い導電性塗膜を塗布し、ビーム誘発チャージングを減少させて、画像
を向上させる工程である。例えば、塗膜にはカーボンや、白金のような金属があ
り、荷電粒子ビーム促進堆積を利用して堆積させることが好ましい。例えば、Ｉ
ＬＤの輪郭を明確にするように、化学的に促進させたエッチング後、メチルシク
ロペンタジエニルトリメチル白金のような白金化合物を含有する貯蔵器５０に接
続した針３６を、低部チャンバー２６に挿入し、断面にイオンビームを衝突させ
て、導体の数原子の厚さを堆積させる。あるいは、導体塗膜はＳＥＭ４３の電子
ビームを利用して、荷電粒子ビーム促進堆積により堆積させることも可能であり
、イオンビーム誘発堆積よりは基板に損傷を与えないであろう。

【００５９】本発明で利用するエンチング補助ガスは、さまざまな方法でさまざまな層をエ
ッチングさせるガス化合物からなり、観察する際に、上記層を識別可能にする。
ガス化合物はさまざまなエッチング速度でさまざまな層をエッチングし、さまざ
まな表面外観、又はさまざまな材料の集合組織が生じる。真空チャンバーへ、並
びに基板表面に化合物の移動を促進させるために、エッチング補助化合物が気相
又は室温付近で存在する、及び集束イオンビーム真空チャンバー内に存在するこ
とが好ましい。ガスは被エッチング材料と結合して揮発性化合物が発生し、基板
の表面にとどまることができない。その揮発性反応生成物は真空チャンバーへ移
動し、除去される。

【００６０】好ましくは、ガス化合物は、イオンビームの存在下にて、表面分子と反応する
十分な濃度で、分子が基板表面と接着することを確実にするほどの十分に高い付
着係数により特徴付けられる。十分な付着係数を確実にする一つの方法は、イオ
ンビーム存在下で、基板層をエッチングする分子に官能基を導入させることであ
る好ましいガスである２,２,２−トリフルオロアセトアミド（ＣＦ_３ＣＯＮＨ_２）は下記式で表わされ、

【００６１】

【化１】化合物の付着を向上させると考えられるアミド官能基を有する。２,２,２−トリ
フルオロアセトアミドは室温で固体であり、ガス注入システム内では約３０℃に
加熱される。その分子のＣＦ_３部分又はフッ素は、イオンビームとの反応により
遊離され、エッチングの要因であると考えられる。他の同様な化合物である、ト
リフルオロ酢酸（ＣＦ_３ＣＯＯＨ）は下記式で表わされ、

【００６２】

【化２】さらに、ペンタフルオロプロピオン酸（ＣＦ_３ＣＦ_２ＣＯＯＨ）は下記式で表わ
され、

【００６３】

【化３】本発明を実施するために利用することができる。さらに有用であると考える化合
物には、下記式で表わされるトリフルオロアセチルフロリド（ＣＦ_３ＣＯＦ）や
、

【００６４】

【化４】下記式で表わされる３,３,３−トリフルオロ乳酸（ＣＦ_３ＣＯＨＣＯＯＨ）や、

【００６５】

【化５】下記式で表わされるヘキサフルオロアセトン（ＣＦ_３ＣＯＣＦ_３）がある。

【００６６】

【化６】ガス化合物は荷電粒子ビームが存在しないときには、基板と殆ど若しくは全く
反応しないことが好ましい。イオンビームが衝突する基板にて、ガス化合物の圧
力は約１０^−３ミリバール（ｍＢａｒ）であることが好ましく、イオンビームと
気相相互作用としては十分な圧力でないと考えられる。ガス流量は応用に応じて
異なるが、多くの応用では、約２．５ｘ１０^−７モル/秒であることが好ましい
。よって、エネルギーが試料に衝突するイオンにより付与される際には、分子は
試料表面に吸着され、固体状態で反応すると思われる。

【００６７】好ましいエッチング補助ガス化合物である２,２,２‐トリフルオロアセトアミ
ドは、イオンビーム存在下で、酸化シリコン層をエッチングする際に、酸化シリ
コンと反応するエッチング補助ガス化合物としてカーボンフリード（carbon fre
ed）で、酸化膜材料中の酸素により揮発性化合物、例えば、ＣＯ_２やＣＯを生成
させ、表面からカーボンを除去すると考えられる。同様な揮発性化合物にはＨ_２Ｏ、ＮＨ_２及びＯＣＮＨ_２があり、基板とガス化合物の反応中に生成する。窒化
物層をエッチングする際には、揮発性生成物にはＳｉＦ_２、ＳｉＦ_４及びＮ_２が
ある。揮発性化合物は、最終的には真空プンプにより排気される。

【００６８】カーボンを遊離させて揮発性化合物を生成させる酸素又は別の材料を提供しな
いサンプル材料は、カーボン及びフッ素を含む膜を、サンプル材料に堆積させる
。かかる材料には、単結晶シリコン、多結晶シリコン及び金属がある。堆積膜は
シリコンのさらなるエッチングを阻害し、シリコン及び金属上にある酸化シリコ
ンの選択的エッチングをさらに促進させる。この工程を利用してシリコン又は同
様な材料に保護膜を堆積させる。ペンタフルオロオクタン酸（ＣＦ_３）_８ＣＯＯ
Ｈのような他の化合物は、その分子に存在するカーボンの量が多いので、カーボ
ンを有する膜を堆積させるには効率的である。膜堆積を回避するためには、分子
に、一つのＣＦ_３のような簡単なエッチング部分を有することが好ましい。

【００６９】図８は、溝コンデンサー（trench capacitor）の欠陥分析の工程を説明するフ
ローチャートである。図９及び図１０は、本発明による処理前及び処理後の溝コ
ンデンサーを示す。図８の欠陥分析工程では、ガス促進荷電粒子ビームエッチン
グの選択性を利用して、第二の材料の近傍には最小限の影響で、第一の材料を除
去する。

【００７０】工程２５４は、好ましくはイオンビーム加工により、溝コンデンサー２５０は
上にある層を除去させて露出する工程である。図９は、導電性ポリシリコン材料
２６２で充填し、酸化シリコン誘電体２６６によりシリコン基板２５６から電気
的に分離された溝により構成させた溝コンデンサー２５０を示す。図９では、誘
電体層２６６の欠陥２７０を示す。溝コンデンサー２５０を利用する際に、欠陥
２７０によりコンデンサーから電荷が漏れ、不良を生じさせる。

【００７１】工程２７４は、集束イオンビームと２,２,２−トリフルオロアセトアミドのよ
うなエッチング補助ガスを利用して、酸化シリコン誘電体２６６を、本発明にし
たがってエッチングされる工程である。図１０では、酸化シリコン誘電体２６０
が除去された溝コンデンサー２５０を示す。本発明の選択性により、酸化膜誘電
体２６６は、ポリシリコン材料２６２よりもかなりの高速度でエッチングされる
。ポリシリコン材料２６０は本来的にエッチングされず、マスクとして働き、と
って、下に存在する材料をイオンビームによりエッチングされることを防止する
ので、欠陥２７０の下に存在する酸化シリコン材料は除去されない。工程２７８
は、溝コンデンサー２５０が検査され、欠陥２７０が観察者に、容易に明らかに
される工程である。前述のガス化合物を利用して、ポリシリコン近傍には殆ど或
いは全く影響を与えずに、誘電酸化層２６６を迅速にエッチングすることが可能
である。

【００７２】酸化膜をエッチングさせるために、先行技術で利用されているガスはＸｅＦ_２であるが、ＸｅＦ_２は酸化シリコン誘電体層よりも速くポリシリコンをエッチン
グする。誘電体層をエッチングして下に存在するポリシリコン層を露出させると
、ポリシリコン導体が露出されてポリシリコンのエッチングを防止する正確な時
間で、エッチング工程を停止させることができず、致命的である。本発明の選択
性により、かかる正確なタイミングはもはや必要ない。

【００７３】前述のガス化合物は例示列挙されているだけであり、本発明の範囲を限定する
ものではない。他の化合物もさまざまな応用で有用である。例えば、下記式で表
わされる２,２,２−トリクロロアセトアミドのような塩素化炭化水素がある。

【００７４】

【化７】上記ガス化合物は酸化アルミニウムをエッチングする際には有用である。フッ素
及びアルミニウムのエッチング生成物であるフッ化アルミニウムは十分に揮発性
を有しておらず、基板から蒸発しづらく、真空システムから除去させにくいので
、塩素が酸化アルミニウムをエッチングさせるには望ましい。Ａｌ_２Ｏ_３やＧｅ
Ｏ_４のような他の材料の酸化膜を除去する際には、トリブロミド（tri-bromides
）が有用である。必要ならば、各前記化合物には、付着係数を増大させる官能基
を有してもよく、もって、基板表面への分子の吸着が改善される。

【００７５】別の例では、本発明は誘電体材料を経由して高アスペクト比のビアを加工し、
埋設導体に導電経路を付与させるのに利用できる。図１３は、基板２９４に製造
された典型的な集積回路２９０の断面を示す。集積回路２９０には導体３０４及
び導体３０６を含む、多くの導体３００が包含されている。導体は誘電体材料３
１４により分離されている。図１３は、導電性材料３５２が充填されたビア３４
２を示し、基板２９４の表面に導体３０４への電気接点を設ける。同様に、導電
材料３５２を充填させたビア３４４は、導体３０６への電気接点をもたらす。充
填ビア３４２及び３４４は導体３６４により接続されており、導体３０４と導体
３０６間の電気接点が確立される。

【００７６】導体は銅からなることが好ましい。例えばアルミニウムと比較して、銅の高導
電性により導体を小さく製造することが可能となり、よって、面積当たりのデバ
イス数が増し、デバイスの速度も増大する。さらに、銅導体の密度が増大したた
めに、回路は少ない数の層で動作可能となる。導体の密度を増大させるためには
、加工させて埋設導体に接続されるビア３４２及びビア３４６のようなビアが、
中間レベルでの導体３００近傍から離れてエッチングさせることを回避させるた
めに、比較的小さな径であることが必要とされる。かかる小さな径で、高アスペ
クト比のビアには、穴の底部のスパッター材料の再堆積を防止するために、エッ
チング補助ガスが必要である。

【００７７】通常、誘電体３１４は数多のさまざまな層からなるが、もっとも埋設導体を露
出させることに関しては、誘電体層３１４は被エッチング単一層とみなされるこ
とは理解できる。誘電材料は、フッ素化酸化シリコンからなる多孔質シリカキセ
ロゲルのような超低誘電率（ｋ）誘電体であることが好ましい。キセロゲル誘電
体及び銅導体を利用する集積回路は、アルミニウム導体及び高誘電率を有する従
来の誘電体層を利用した回路よりも高速度で動作する。本発明は銅胴体及び超低
誘電率誘電体を利用した集積回路に関して、先行技術の集積回路に優る効果をも
たらすものであるが、本発明は特定タイプの導体又は酸化膜に限定されるもので
はない。

【００７８】図１４は、埋設導体３０４及び３０６間の、図１３に示す電気接続を生じさせ
るために利用した好ましい工程を説明するフローチャートである。工程３３０は
、２,２,２−トリフルオロアセトアミドのようなエッチング補助ガスが、ガス注
入システム４６により導体３０４上の領域に導かれる工程である。工程３３２は
、集束イオンビームはイオンビーム発生器２９から前記領域に導かれ、エッチン
グ補助ガスが導体３０４上に導かれる。ＦＩＢによりビア３４２が誘電体３１４
を介して加工され、一部の導体３０４が露出する。加工作業は本願の前の実施例
で説明したように実行されることが好ましい。

【００７９】導体３０４を導体３０６のような別の埋設導体と電気的に接続させたいのなら
、前記工程が繰り返され、別の埋設導体を露出させる。工程３３４は、別の噴射
又は基板９４を移動させることにより、任意のエッチング補助ガスの噴射を第二
の導体上の領域に再度導く。エッチング補助ガスの噴射はイオンビームよりもず
っと幅広であるので、第二の穴を加工しているさいにエッチング補助ガスを再度
導く必要はない。ビア３４６はビア３４２が工程３３２で加工されりのと同じよ
うに、工程３４８で加工される。

【００８０】２,２,２−トリクロロアセトアミド存在下での銅導体のＦＩＢエッチング速度
はＦＩＢ単独により銅導体のエッチング速度の約半分である。ガス及び銅の副反
応生成物はＣｕＦ_２及びカーボンであると考えられ、これら生成物は真空チャン
バーの温度ではそれ程揮発性を有しておらず、よって、ＦＩＢのエッチング速度
を減少させると考えられる。

【００８１】工程３５０は、ビア３４２及びビア３４４が、好ましくはＦＩＢ促進堆積を利
用して導電性材料３５２により充填される工程である。例えば、ビア３４２及び
３４４は、基板表面に向かって導かれるタングステンヘキサカルボニルのような
化合物を含有するタングステンの流れとして、ＦＩＢによりビアに照射させるこ
とにより、タングステンで充填される。工程３６０は、ビアが充填されると、ビ
ア内の導電性材料は導体３６４、例えば、メチルシクロペンタジエニルトリメチ
ル白金のような化合物を含有する白金によりＦＩＢ促進堆積を利用して堆積させ
た白金により接続される工程である。かかる金属堆積工程は本技術分野では公知
である。図１３は、同じ金属層で、相互に近くに存在して電気的に接続された二
つの導体を示し、本発明はさまざまな層の導体と、基板のさまざまな部分とを接
続させるために利用され得る。

【００８２】本発明は半導体のＩＬＤを選択的にエッチングさせる際に、特に有用な応用を
有しているが、本発明のエッチング選択性は多様な材料及び応用に有用であり、
前述の応用及び材料に限定されるものではない。さらに、本発明は液体金属集束
イオンビームを利用して説明したが、電子ビームのような他の荷電粒子ビームも
本発明の範囲から逸脱することなく利用できることは、当業者には理解されるで
あろう。

【００８３】本発明の好ましい実施例を示し説明したが、幅広い観点にて、発明から逸脱す
ることなく数多の変更態様は当業者には明白である。したがって、特許請求の範
囲は、本発明の本当の精神及び範囲にある全てのかかる変更態様を網羅するもの
である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるエッチング用の集束イオンビームシステムを略図である。

【図２】図１のＦＩＢシステム内部にある基板に向かうガスを注入させるために利用さ
れるガス閉じ込め装置の部分断面図である。

【図３】図１のガス注入システムの、部分拡大側面図である。

【図４】図３のガス注入ノズルのさらに部分拡大略側面図である。

【図５】本発明の好ましい実施例の各工程を説明するフローチャートである。

【図６】図１の装置を利用して、集積回路に加工された溝の略図である。

【図７】本発明によるエッチング後の、図６の溝の略図である。

【図８】本発明の別応用の各工程を説明するフローチャートである

【図９】欠陥のある溝コンデンサーの略図である。

【図１０】本発明によるエッチング後の、図９の溝コンデンサーの略図である。

【図１１】埋設導体を露出させるため、エッチング補助ガスを利用しないで、ＦＩＢによ
り加工されたビアを示す図である。

【図１２】導体を劣化させる、ＸｅＦ_２ガスを利用するＦＩＢにより埋設導体を露出させ
るように加工されたビアを示す図である。

【図１３】本発明の好ましい実施例により製造されたデバイスエディットを示す図である
。

【図１４】図１３のデバイスエディット用の好ましい各工程を説明するフローチャート
である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＡＵ，ＪＰＦターム(参考） 5C034 BB06 5F004 BA17 BB18 BB28 BD04 DA01 DA02 DA03 DA15 DA16 DB03 DB07 EA39 5F033 HH11 JJ19 KK11 PP07 PP11 PP31 QQ09 QQ10 QQ14 QQ15 QQ37 RR04 RR06 RR09 RR11 RR21 RR29 TT01 VV12 XX36 XX37

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板に製造した集積回路の誘電体材料の下に存在する第一の
電気導体への電気接続を確立させる方法であって、前記導体の上にある前記基板の第一の領域に向かってハロゲン化炭化水素ガス
を導く工程と、基板の前記第一の領域に向かってイオンビームを導き、前記誘電体に第一の穴
を加工して前記第一の導体を露出させる工程と、誘電体の前記第一の穴に導電性材料を堆積させて前記第一の導体と電気的に接
触させる工程とからなる方法。
【請求項２】前記導電性材料を前記回路の別の部分と電気的に接続させて
、埋設導体から新たな導電性経路を確立する工程をさらに含む請求項１記載の方
法。
【請求項３】前記回路の別の部分は誘電体材料の下にさらに埋設された第
二の導体であり、前記第二の導体の上にある基板の第二の領域に向かってハロゲン化炭化水素ガ
スを導く工程と、前記基板の第二の領域に向かってイオンビームを導き、誘電体材料に第二の穴
を加工して前記第二の導体を露出させる工程と、前記誘電体材料の前記第二の穴に導電性材料を堆積させて前記第一及び第二の
導体とを電気的に接触させる工程と、導電性材料を堆積させて、前記第一及び第二の穴に堆積させた導電性材料を介
して、前記第一及び第二の導体を電気的に接続させる工程とからなる請求項２記
載の方法。
【請求項４】前記ガスはフッ素化炭化水素を含む請求項１記載の方法。
【請求項５】前記フッ素化炭化水素ガスは表面へのガス分子の吸着を増大
させる官能基を有する請求項４記載の方法。
【請求項６】前記ガスはＣＦ_３ＣＯＯＨ又はＣＦ_３ＣＦ_２ＣＯＯＨを含む
請求項５記載の方法。
【請求項７】前記ガスは２,２,２−トリフルオロアセトアミドを含む請求
項４記載の方法。
【請求項８】前記導体は銅を含む請求項１又は７記載の方法。
【請求項９】前記導電性材料はタングステン又は白金を含む請求項３記載
の方法。
【請求項１０】前記誘電体材料は低誘電率又は超低誘電率の誘電材料を含
む請求項８記載の方法。
【請求項１１】前記誘電体材料は発砲シリカゲルを含む請求項１０記載の
方法。