JP2005017298A - 画像のコントラストを向上させるための計測プロセス - Google Patents

Abstract

【課題】 埋め込みフィーチャの画像コントラストを高めるための計測プロセスを提供する。
【解決手段】 埋め込みフィーチャの画像コントラストを高めるための計測プロセスであって、基板の選択された表面を研磨して埋め込みフィーチャの断面を露出させるステップと、露出させた断面をフッ素含有化合物を含むガス混合物に露出させるステップと、露出した断面に高エネルギビームを照射して、埋め込みフィーチャの画像コントラストを高めるステップと、を有する、プロセス。
【選択図】 図１

Description

本発明は、一般に計測法に関し、更に特定すれば、画像のコントラストおよび判別を向上させるための計測プロセスに関する。

半導体集積回路（ＩＣ：integratedcircuit）の業界では、回路パッケージ密度を上げることが常に求められている。この高パッケージ密度に対する要求によって、半導体業界は、サブミクロンの（sub-micron）デバイス寸法を達成するための新しい材料およびプロセスを開発している。かかる微小な寸法のＩＣの製造は、回路によりいっそうの複雑さを増しており、製造の様々な段階において集積回路を検査するための改良された方法に対する要望が、常に存在する。

製造の様々な段階でのかかる製品検査は、極めて重要であり、製品の歩留まりおよび製品の信頼性を著しく高めることができるが、ＩＣの複雑さが増していることによって、費用および時間の双方でかかる検査のコストは増大する。しかしながら、製造の初期に欠陥を検出した場合、多数の不良のＩＣを製造する前に、欠陥の原因を決定し補正することができる。

現在の検査技法に伴う問題は、デバイス製造において用いられる様々な層の画像コントラストが不足していることである。この問題は、高い回路パッケージ密度のために悪化する。特に不足しているのは、例えばポリゲート構造（polygate structure）における酸化物および窒化物層間の画像コントラストである。

デュアルビームツール（dual beamtool）は、集束イオンビーム、走査電子顕微鏡検査、および、単一ツールにおける他の機能を組み合わせる。集束イオンビーム（ＦＩＢ：focused ion beam）技術は、イオン源からのイオンビームをレンズによって集束し、このビームをサンプル上へと照射する。集積回路の製造において、比較的高い電流のイオンビームを基板上へと照射することによって材料を研磨（mill away）（エッチング）するために、ＦＩＢは頻繁に用いられる。集束イオンビームを、半導体デバイス上の極めて小さい点に向け、次いで、所望の物質を除去したい表面上をラスタ走査する。イオンが半導体デバイス表面に衝突すると、その運動量が移動し、結果として、スパッタリングと呼ばれるプロセスに従って１つ以上の表面原子が除去される。例えば水平ラスタパターンのような、所与の形状全体のラスタパターンを選択することによって、これに対応した形状の表面物質の領域を除去することができる。多くの場合、所与の領域において半導体デバイスのいくつかの連続した層を除去し、その下の層に達する。しかしながら、研磨によって生成された反応生成物は、基板の表面上に再堆積する傾向があり、研磨プロセスによって設けられる断面の撮像の間に、コントラストの問題を引き起こす。

誘電体または導電体物質等の特定の物質を優先的に研磨するガスを注入すると、研磨の速度および制御性を向上させることができる。研磨プロセス中に、半導体デバイスの表面近傍に局所的にガスを注入して、特定のタイプの物質を除去する効率を上げる。異なる物質間の境界を横切るので、注入するガスの種類を変えて、新しい材料の要求に合致させることができる。すなわち、各物質または物質のクラスごとに異なるガスを用いることができる。かかる技法を用いて、プロービング（probing）または調査のための集積回路構造を選択的に露出させたり、電力および接地平面を介して孔をあけたり、導電体を選択的に分離させることができる。例えば、Ｓｗａｎｓｏｎ等に対する米国特許第５，１８８，７０５号および第５，３７６，７９１号の開示では、半導体デバイスのスパッタリング（エッチング）のために集束イオンビームを使用しながら、表面にヨウ素蒸気を送出して、シリコンおよびアルミニウム等の物質の除去を向上させる。また、Ｓｗａｎｎに対する米国特許第５，００９，７４３号は、ヨウ素分子の注入と組み合わせてデュアルイオン銃（dual ion guns）を用いることを記載する。Ｗｉｎｔｅｒｓ等に対する米国特許第４，２２６，６６６号は、電子ビームまたはイオンビーム照射、および、ＸｅＦ₂、ＸｅＦ₄、ＸｅＦ₆、ＫｒＦ₂、ＫｒＦ₄、ＫｒＦ₆等の希ガスハライド（noble gas halide）を用いたエッチングを記載する。半導体デバイスにおいて誘電体を優先的にエッチングするためにＦＩＢと共にＸｅＦ₂を用いることは、一般的となっている。これは、ＸｅＦ₂の使用が、ほとんどの金属のエッチングレートに対して誘電体のエッチングレートを著しく向上させるので、導電体を迅速に露出させることができ、静電放電による損傷の危険が少ないからである。

高い回路密度のために必要な新しいプロセスおよび物質は、従来のトップダウン計測プロセスでは分析および制御が難しいことがわかっている。デュアルビームツールは、断面化機能を提供して、これらの複雑な構造を直接測定し撮像する。しかしながら、現在のデュアルビームプロセスは、高い回路パッケージ密度で用いられる様々な層の全てで適切な画像コントラストを与えるわけではない。例えば、現在のプロセスは、窒化物および酸化物層間、または異なる窒化物層間で適切な画像コントラストを提供することができない。

従って、欠陥制御のために複雑な回路パターンを検査する改良された計測プロセスが今なお求められている。

本明細書において開示するのは、埋め込みフィーチャ（buried feature）の画像コントラストを高めるための計測プロセスであって、基板の選択された表面を研磨して埋め込みフィーチャの断面を露出させるステップと、露出させた断面をフッ素含有化合物を含むガス混合物に露出させるステップと、露出した断面に高エネルギビームを照射して埋め込みフィーチャの画像コントラストを高めるステップと、を有するプロセスである。

別の実施形態では、窒化物層と該窒化物層と接触している酸化物層との間の画像コントラストを高めるための計測プロセスは、窒化物層と接触している酸化物層を含む断面をガス混合物に露出させるステップであって、ガス混合物がフッ素含有化合物を含む、ステップと、露出した断面に、イオンビームまたは電子ビームまたはレーザまたはプラズマを照射して、酸化物層と窒化物層との間の画像コントラストを高めるステップと、を有する。

上述およびその他の特徴は、以下の図面および詳細な説明によって例示される。

ここで図面を参照するが、図面は実施形態を例示するものであり、図面において同様の要素は同様に付番する。

埋め込みフィーチャの画像コントラストを高めるための計測プロセスは、一般に、基板の選択した部分を研磨（milling）して埋め込みフィーチャの断面を露出させ、続いて、断面を高エネルギビームに露出させながら、同時に断面をフッ素含有ガスに露出させることを含む。あるいは、埋め込みフィーチャの断面を、希薄フッ化水素酸溶液に露出させる。このように処理した断面は、結果として画像コントラストが向上することがわかっている。理論には縛られたくないが、結果として得られる断面では、断面を形成する様々な層間の形状（topography）および画像コントラストが改善する。このプロセスは、研磨ステップ中に再堆積した物質を効果的に除去し、これによって画像コントラストが向上すると考えられる。

研磨プロセス（milling process）は、好ましくは、基板の選択した表面を集束イオンビームまたは同様の研磨ツールに露出させることを含む。集束イオンビームは、好ましくは、基板の主面に垂直の向きとして、埋め込みフィーチャの断面を与える。次いで、埋め込みフィーチャの断面を、ガス混合物、および、集束イオンビームまたはｅビームまたはレーザまたはプラズマビーム等の高エネルギビームに露出させて、埋め込みフィーチャの画像コントラストを高める。次いで、断面に対して９０度未満の角度で、走査電子顕微鏡画像を撮影することができる。この画像では、埋め込みフィーチャを形成する様々な層を容易に判別し、効果的に分析することができる。

研磨プロセスは、更に、当技術分野において既知のように、基板の選択的エッチングを向上させるためのガス混合物の使用を含む場合がある。研磨プロセスを向上させるために選択されたガス混合物は、好ましくは、希ガスハライドを含む。適切な希ガスハライドは、ＸｅＦ₂、ＸｅＦ₄、ＸｅＦ₆、ＫｒＦ₂、ＫｒＦ₄、およびＫｒＦ₆を含む。集束イオンビーム反応生成物は、真空室に移動し、次いで真空によって除去される。しかしながら、先に注記したように、これらの反応性生物の一部は、断面の露出表面上に再堆積し、断面の画像コントラストに悪影響を及ぼす恐れがある。

断面を高エネルギビームに露出させながら、同時に断面をフッ素含有ガスに露出させることによって、再堆積した物質を除去し、および／または断面を形成する様々な層に対する形状を提供する。このため、画像コントラストが著しく向上する。適切な高エネルギビームは、再堆積した物質の内部および周囲に形成された結合を分断するのに充分なエネルギビームであり、プラズマビーム、イオンビーム、電子ビーム、およびレーザビームを含むがこれらに限定されない。コントラストを向上させるためのガス混合物は、好ましくは、フッ素含有化合物を含む。好適なフッ素含有化合物は、集束イオンビーム、イオンビーム、ｅビーム等に露出されるとフッ素反応種を発生する化合物を含む。好ましくは、フッ素含有化合物は、処理条件にあるガスであり、一般式Ｃ_xＨ_yＦ_zを有する化合物から成る群から選択され、例えばＨＦ、ＮＦ₃、Ｆ₂、ＳＦ₆である。ここで、ｘは１から４の範囲であり、ｙは０から９の範囲であり、ｚは１から１０の範囲である。更に好ましくは、フッ素含有化合物は、ＣＦ₄またはＮＦ₃である。

代替的な実施形態では、フッ素含有化合物は、水性フッ化水素酸（ＨＦ）溶液である。好ましくは、ＨＦ溶液は、体積で約２％未満の濃度であり、より好ましくは約１％未満であり、更に好ましくは約０．５％未満である。また、ＨＦ溶液は、好ましくは、体積で約０．００１％よりも高い濃度であり、更に好ましくは約０．１％よりも高い。ＨＦ溶液を基板に導入し、任意選択として高エネルギビームに露出させて、断面の画像コントラストを向上させる。

ガス混合物内のフッ素含有化合物は、好ましくは、画像コントラストを最大限に高めるため、ガス混合物の全体積のうち体積で約９０％未満である。より好ましくは、フッ素含有化合物は、ガス混合物の全体積のうち体積で約８０％未満であり、更に好ましくは、約７０％未満である。好適なガス混合物は、約８０体積％のＣＦ₄を含み、残りはＯ₂またはＮＯまたはその混合物である。

好適な実施形態では、第２のガス混合物は、フッ素含有化合物に加えて酸化ガスを含む。適切な酸化ガスには、Ｏ₂、ＮＯ、水蒸気等が含まれるが、これらに限定されるわけではない。好適なガス混合物は、約８０体積％のＣＦ₄を含み、残りはＯ₂またはＮＯまたはその混合物である。

好適な実施形態では、計測プロセスは、デュアルビーム装置を用いてスループットを増大させる。かかるデュアルビーム装置は市販されており、好ましくは、高エネルギビームおよび走査電子顕微鏡写真の双方の機能を含む。このように、フッ素含有ガスを断面に局所的に導入し、例えば集束イオンビームに露出させて、走査電子撮像のための画像コントラストを向上させることができる。

集束イオンビーム露出の場合、イオンビームのエネルギは、通常、３０ＫｅＶと５０ＫｅＶとの間であるが、３０ＫｅＶ未満のイオンビームエネルギも使用可能である。３０ＫｅＶ未満のイオンビームエネルギを用いると、もっと高いエネルギイオンよりもスパッタリングが少量となり、これによって物質の非選択的除去が低減すると共に、表面物質の除去に対するガスの役割が大きくなる。好ましくは、イオンビーム研磨プロセスは、約２分間の期間である。好ましくは、断面の大きさと共に変動するビーム電流は、約１から３０００ピコアンペアであり、更に好適には、ビーム電流は約１０から約５００ピコアンペアである。当業者は、エッチング時間、ガス流量、およびイオンビーム特性を容易に調整して、露出させている断面の特定の物質および大きさに適合させることができる。

任意選択として、除去部分に、除去部分と同様の物質を充填する。例えば、除去部分が誘電体物質である場合、好ましくは誘電体物質によって除去部分を充填する。除去部分を充填するために選択した誘電体物質は、それと同じまたは異なる誘電体物質とすることができる。

ここで図１を参照すると、全体的に参照番号１０で示す例示的な集束イオンビームシステムが図示されている。この開示は、これまたは以下の実施形態におけるいずれかの特定の集束イオンビームシステムに限定されることは意図しない。特に使用に適した集束イオンビームシステムは、例えば走査電子顕微鏡のような、ガスによって支援される機能および撮像機能を有するシステムである。

システム１０は、上部１４を有する真空容器１２を含み、この中に、液体金属イオン源１６と、抽出電極手段および静電光学システムを含む収束コラム１８とが配置されている。イオンビーム２０は、液体金属源１６から、集束コラム１８を通過し、概略的に２２で示す静電偏向手段（すなわち偏向板）間を通り、基板２４に向かう。基板２４は、チャンバ２８内のステージ２６上に配置された半導体デバイスを含むと適切である。上部１４を真空にするため、イオンポンプ３０を用いる。チャンバ２８は、好ましくは、真空コントローラ３４の制御のもとで、ターボ分子および機械ポンプシステム３２によって真空にする。高電圧電源３６が、液体金属イオン源１６およびイオンビーム集束コラム１８内の適切な電極に接続され、イオンビーム２０を形成しこれを下方向に向かわせる。パターン発生器４０によって供給される、ラスタパターン等の規定のパターンに従って動作する偏向コントローラおよび増幅器３８が、偏向板２２に結合され、これによってイオンビーム２０を制御して、基板２４の上面上で対応したパターンをトレースすることができる。

金属源１６は、通常、ガリウムの金属イオンビームを供給する（しかし、例えばインジウムまたはアルミニウム等の他の金属イオンも使用可能である）。金属源は、０．１ミクロン未満の幅のビームを基板２４に収束させることができる。撮像のための第２の照射を検出するために用いられる電子増倍管４２は、ビデオ回路および増幅器４４に接続され、後者は、ビデオモニタ４６に駆動力を供給すると共に、偏向コントローラおよび増幅器３８からの偏向信号を受信する。真空容器１２は、好ましくは走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）４６を含み、これを用いて、集束イオンビームが実行する動作の結果を見ることができ、更に好ましくは、電子ビーム処理を実行することができる。ＳＥＭ４６は、電子ビーム発生器および関連する電源および制御装置５０を含む。

ガス源５２は、チャンバ２８の変換デバイス５４の側の内部に位置し、変換デバイス５４は、ベロー５６内の支持手段を介してガス源５２を配置するために構成されている。ベロー５６は、チャンバ２８内の真空に影響を与えることなく、基板２４に対するノズルアセンブリおよび容器の動きを調整する。ガス源５２は、容器５８および、膜タイプのヒータで構成可能なヒータ６０を含み、当技術分野で確認された実施に従って、容器５８内の化合物の温度を、適切な蒸気圧を与える温度に上昇させるために使用可能である。皮下注射針等の毛管から成る伝送管またはノズル６２が、容器５８から延出しており、ガス状蒸気を解放するように構成された制御弁６４を介して容器５８に接続されている。ノズルは、変換装置５４を用いて、その軸にほぼ垂直な方向に延出して変形するので、ガス状蒸気を、基板２４の上面上の領域に直接送出することができる。

ドア６６は、加熱されている場合があるステージ２６上に基板２４を挿入するため、更に容器５８に補給するため、開かれている。好ましくは、ドアは、容器５８内の温度が室温よりもかなり高い場合は開くことができないように連動する。概略的に６８で示すゲート弁は、ドア６６が開放可能となる前に閉鎖して、イオン源および集束コラム装置を密閉する。ベロー５６は、チャンバ２６内の真空に影響を与えることなく、基板に対するノズルアセンブリ５２および容器の動きを調整する。

真空制御システムは、ガス状蒸気源のヒータ６０と共に動作して、選択的エッチングのため基板２４に送出されるチャンバ内のガス状蒸気束を形成するための適切な蒸気圧条件を提供する。所与のガス状束を形成するため、当業者によって既知のように、容器５８を所定の温度に加熱する。

高電圧電源３６は、イオンビーム集束コラム１８内の電極に適切な加速電圧を供給し、イオンビーム２０を活性化し集束する。イオンビーム２０は、凝縮したガス状蒸気が上に付着した基板２４に当たると、エッチング促進ガス状化合物と基板との間の反応を開始するため、および、基板のスパッタエッチング選択領域のためのエネルギを供給する。偏向コントローラおよび増幅器３８により、イオンビーム２０は所望のパターンに偏向し、イオンビーム２０の偏向は基板２４をエッチングするのに充分な遅い速度である。偏向速度、ループ時間等に関する考察は、当業者の技術内のものである。

以下の例は、例示の目的のためのみに提示し、本開示の範囲を限定することを意図しない。

比較例１
この比較例では、従来技術のプロセスに従って露出し処理した埋め込みフィーチャの画像を撮影した。このプロセスでは、ゲート構造すなわち埋め込みフィーチャを、集束イオンビームに露出した後に露出させた。集束イオンビーム研磨プロセスは、１００ピコアンペアのビーム電流を用いた。集束イオンビーム露出の間、基板の選択部分をＸｅＦ₂ガスに１秒露出させ、ＦＥＩ社が開発し所有するガス混合物を用いて１０秒の第２の露出を行った。次いで、走査電子顕微鏡写真を撮影した。これを図１に示す。この画像から得られる情報は、ポリゲート、ポリゲートの近傍に配置された酸化物、および金属相互接続を示す。図示のように、顕微鏡写真では、酸化物およびポリゲート構造の近傍に配置された２つの窒化物層のコントラストも判別も与えられない。

例２
この例では、本開示に従って処理した埋め込みフィーチャの画像を撮影した。比較例１におけるような埋め込みポリゲート構造を含む基板を、ＦＥＩ社から市販されているデュアルビームＦＩＢ機器のチャンバ内に配置した。集束イオンビーム研磨プロセスは、１００ピコアンペアのビーム電流を用いた。次いで、ＣＦ₄／Ｏ₂ガス混合物から形成したプラズマビームを、９０：１０の体積ガス比で１０秒間、露出した断面に送出した。次いで、走査電子顕微鏡写真を、ある角度で撮影した。これを図３に示す。この画像から得られる情報は、図２と同様に、ポリゲート、ポリゲートの近傍に配置された酸化物層、および金属相互接続を明白に示す。しかしながら、この画像では、標示したように、ゲート酸化物の近傍に配置された２つの窒化物層のコントラストおよび判別も行える。

本開示について例示的な実施形態を参照して説明したが、当業者には、本開示の範囲から逸脱することなく様々な変更を行い得ることおよび要素の代わりに均等物を置換可能であることは理解されよう。更に、本開示の本質的な範囲から逸脱することなく、多くの変形を行って、特定の状況または物質を本開示の教示に適合させることができる。従って、本開示は、本開示を実行するために考えられる最良の形態として開示された特定の実施形態に限定されず、特許請求の範囲内に該当する全ての実施形態を含むことが意図される。

例示的な集束イオンビームシステムの概略図である。 従来技術の計測プロセスを用いた埋め込みゲート構造の走査電子顕微鏡写真である。 本開示による計測プロセスを用いた埋め込みゲート構造の走査電子顕微鏡写真である。

Claims (15)

1. 埋め込みフィーチャの画像コントラストを高めるための計測プロセスであって、
   基板の選択された表面を研磨して前記埋め込みフィーチャの断面を露出させるステップと、
   前記露出させた断面をフッ素含有化合物を含むガス混合物に露出させるステップと、
   前記露出した断面に高エネルギビームを照射して、前記埋め込みフィーチャの画像コントラストを高めるステップと、
   を有する、プロセス。
2. 前記高エネルギビームは、イオンビーム、電子ビーム、プラズマ、またはレーザを含む、請求項１の計測プロセス。
3. 研磨は、前記基板の主面にほぼ垂直な壁を形成する、請求項１の計測プロセス。
4. 更に、前記ほぼ垂直な壁からある角度で前記露出した断面の画像を記録するステップを有する、請求項１の計測プロセス。
5. 前記画像の記録は走査電子顕微鏡写真を含む、請求項４のプロセス。
6. 前記研磨は前記選択した表面を集束イオンビームに露出することを含む、請求項１の計測プロセス。
7. 前記研磨は、前記選択した表面を、集束イオンビーム、および、ＸｅＦ₂、ＸｅＦ₄、ＸｅＦ₆、ＫｒＦ₂、ＫｒＦ₄、ＫｒＦ₆から成る群から選択した希ガスハライドに露出させることを含む、請求項１の計測プロセス。
8. 更に、前記画像の記録に続いて、前記露出した断面を充填するステップを有する、請求項４の計測プロセス。
9. 研磨および前記露出した断面の露出は、デュアルビーム露出装置において行われる、請求項１の計測プロセス。
10. 前記フッ素含有化合物は、式Ｃ_xＨ_yＦ_zを有し、ここで、ｘは１から４の範囲であり、ｙは０から９の範囲であり、ｚは１から１０の範囲である、請求項１の計測プロセス。
11. 前記フッ素含有化合物は、ＣＦ₄、ＨＦ、ＮＦ₃、Ｆ₂、ＳＦ₆、または前記のフッ素含有化合物の少なくとも１つを含む組み合わせを含む、請求項１の計測プロセス。
12. 前記フッ素含有化合物は、第２のガス混合物の体積の約８０パーセント未満である、請求項１の計測プロセス。
13. 前記ガス混合物は、前記フッ素含有化合物および酸化ガスを含む、請求項１の計測プロセス。
14. 前記酸化ガスは、Ｏ₂、ＮＯ、水蒸気、または前記酸化ガスの少なくとも１つを含む混合物を含む、請求項１３の計測プロセス。
15. 窒化物層と酸化物層との間の画像コントラストを高めるための計測プロセスであって、
    前記窒化物層と接触している前記酸化物層を含む断面をフッ素含有化合物含むガス混合物に露出させるステップと、
    前記露出した断面に、イオンビームまたは電子ビームまたはプラズマビームまたはレーザを照射して、前記酸化物層と前記窒化物層との間の前記画像コントラストを高めるステップと、
    を有する、プロセス。

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