JP2007316072A - 集積回路の非破壊ナビゲーションおよび処理のための高解像度光学チャネル - Google Patents

Abstract

【課題】集積回路の撮像または処理あるいはその両方を行うためにイオン／電子ビーム・ツール内に含まれる光ファイバ・ベースの光チャネル・システムを提供する。
【解決手段】光学チャネル・システムは、イメージ収集部分と、光ファイバ・イメージ伝送部分と、検出器部分とを含む。イメージ収集部分は、微小光学コンポーネントを含み、ミリメートル未満の寸法を有し、したがって、イオン／電子ビーム・ツールの作動距離内に容易に収容される。
【選択図】図２

Description

本発明は、高機能集積回路の製造に関し、特に、集束イオン・ビーム（ＦＩＢ：focused-ion-beam）ツール、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ：scanning electron microscope）、および同様の環境における集積回路の修理および測定に関する。

集積回路（ＩＣ：integratedcircuit）チップおよびリソグラフィック露光レチクル（すなわち、マスク）に関する現行の修理プロセスは一般に、材料の選択エッチングまたは付着のために空間的に限られた吸熱反応を誘導するために、その表面上に非常に局所的なエネルギー領域を形成することを当てにしている。このような局所的な領域を形成するために、イオン、電子、または光子の集束ビームが使用される。集束イオン・ビーム（ＦＩＢ）は、集束電子ビーム（たとえば、ＳＥＭ内のもの）またはレーザ・ビームに比較して優れたプロセス・コンファインメント（process confinement）および反応速度を有することが明らかにされている。したがって、ＦＩＢツールは、ほとんどの修理適用例においてならびにＩＣの障害分析における部位固有の断面作成のために主要な役割を負っている。

従来のＦＩＢプロセスとの互換性のない新しい材料および構造の導入により、最近、チップおよびマスク修理の際に重大な困難に遭遇している。特に、銅のメタライゼーションまたはポリマーのローｋ誘電体あるいはその両方を有するチップは、バック・エンド・オブ・ザ・ライン処理（「ＢＥＯＬ（back-end-of-the-line）チップ編集」）の際に金属の選択的除去における難題を提示する。図１は、ＦＩＢ１０が基板２内の銅などの金属線１２を露出する開口部１内に方向付けられる典型的な編集プロセスを例示している。銅のＦＩＢミリング（ＦＩＢによる削り）は低い揮発性を有する導電副産物を形成し、したがって、導電材料の付着物１３が開口部１の壁面上に形成される。また、イオン・ビームの散乱により、壁面に沿った領域１４内で層間誘電体３に対する損傷が引き起こされる。ポリマーベースの有機層間誘電体は、イオン・ビームに曝されると、導電性になる場合もある。

加えて、修理部位へのナビゲーション中にＦＩＢまたはＳＥＭ（電子ビーム）によるチップ表面の撮像の結果、層間誘電材料に対する損傷が発生する可能性もある。同様に、マスク修理プロセスにおいてイオン・ビームに曝されると、マスク構造体（mask feature）の光学指数（opticalindex）に不要な変化（「しみ（staining）」と呼ばれる場合も多い効果）が発生する可能性もある。

材料関連の問題の他に、絶えず増加しているＩＣ構造体のパッキング密度（すなわち、構造体間の最小間隔の低減）により、ＩＣおよびマスクを修正する際に重大な問題が発生する。構造体間の間隔が減少するにつれて、その最隣接（nearest neighbor）を妨害せずに構造体を修正することの難しさは急速に増している。最小構造体間隔は、このような技法に関する空間解像度の光回折限界のために、編集のための光学技法（たとえば、レーザ・ビーム・ベースの編集）の使用を制限する主要な要因になっている。イオンおよび電子ビーム編集の場合、ビームの空間コンファインメント（閉じ込め）の領域は基本スポット・サイズよりかなり大きい。一般に、ビーム誘導処理の空間解像度は、ビーム発生装置（ＦＩＢまたはＳＥＭ）の撮像解像度より１桁悪い。

ＩＣに関する計量は追加の難題を提示する。ＩＣ製造ライン内のＩＣ形成プロセスの開発および制御のために正確な３次元データを提供するために、インライン測定が必要である。測定すべき構造体は、プロファイル（輪郭）測定が実行される前に、元の構造の形状を変更せずに切断しなければならない。典型的なＦＩＢまたはＳＥＭベースのプロファイル計量プロセスでは、切断すべき構造をカプセル化するために、イオンまたは電子ビーム誘導付着が実行される。しかし、十分な厚さの保護層が付着される前に、イオンまたは電子ビームに曝されたために、元の表面に対する損傷が発生する可能性がある。

典型的なＦＩＢおよびＳＥＭチャンバ内のコンポーネントの配置により、処置中のサンプルを観察することが困難になる。ＦＩＢおよびＳＥＭチャンバは一般に、サンプルを直接観察するためまたはビームと相互作用するサンプルの領域に対して露光を行うための従来の光学顕微鏡を収容することができない。この問題に対する解決策として提案されているのは以下の２通りのものである。（１）赤外線（ＩＲ：infrared）対物レンズがイオン・ビーム形成カラムに組み込まれているシュヴァルツシルド（Schwarzschild）反射顕微鏡であり、このタイプの原位置（in-situ）光学顕微鏡は大きい物理的作動距離を必要とし、その結果、開口数（ＮＡ：numerical aperture）は低くなり、イメージ解像度は比較的乏しくなる。（２）ビーム・サンプル間の相互作用領域から物理的にオフセットされた原位置顕微鏡カラムであり、したがって、既知のオフセットによりサンプルを前後にシフトしなければならない。

サンプルの拡大イメージを入手することは望ましいことであるが、ＦＩＢ／ＳＥＭチャンバ内の空間制限により、一般に、作動距離が非常に小さいものであることが要求される。次に、これにより、サンプルを照らしにくくなり、従来の内視鏡検査とは異なる手法が必要になる。内視鏡は、典型的には、患者の結腸の内壁またはエンジン・シリンダの内部などの巨視的領域の縮小イメージを生成する。従来の内視鏡装置では大きい作動距離（典型的には５ｍｍを超える）が使用されているので、主要イメージ収集ファイバに対して光軸を外して位置決めされた光源および光ファイバを使用して、サンプル照明を行うことができる。しかし、適切なＮＡにより拡大を入手するために（すなわち、間違った拡大なし）、典型的には撮像レンズの径より小さい値まで作動距離を低減しなければならない。これは、どのような光軸外照明方式でも結果的に撮像対物レンズによる物理的シャドーイングが発生することを意味する。したがって、関心のあるサンプル領域の照明の欠如は、内視鏡による拡大（たとえば、１０Ｘを超える）イメージを生成する能力を制限する重大な問題の１つであった。加えて、ファイバ・ベースのイメージ・ガイドによって引き起こされる固有解像度損失のために、イメージ並進（translation）後の拡大は実行不可能である。ピクセル・エレメント間で達成可能な間隔が有限であるので、コヒーレント・ファイバ・バンドル・イメージ伝送において解像度損失が発生する。単一ファイバ・ベースの屈折率分布型（ＧＲＩＮ：gradient index）イメージ・ガイドの場合、これは光軸に向かって光を絶えず再集束する一連の凸レンズとして動作するものであり、本質的に低いＮＡのために解像度が失われる。

（ｉ）イオンまたは電子ビーム修理または計量プロセスによって引き起こされる損傷を防止または制限するため、（ｉｉ）大きい表面領域をビーム損傷に曝さずにチップまたはマスクの表面上の関心のある構造体までナビゲートするため、ならびに（ｉｉｉ）プロセス・チャンバ内のサンプルを都合よく観察するための装置および技法が必要である。

本発明は、イオン／電子ビーム・ツール（ＦＩＢまたはＳＥＭ）内に含まれる光ファイバ・ベースの光チャネル・システムを提供することにより、上述の必要性に対処するものである。この光学チャネル・システムは、イメージ収集部分（image collection portion）と、光ファイバ・イメージ伝送部分（image transmission portion）と、検出器部分（detector portion）とを含む。イメージ収集部分は、微小光学コンポーネントを含み、ミリメートル未満の寸法を有し、したがって、イオン／電子ビーム・ツールの作動距離内に（すなわち、加工物から約５ｍｍ以内に）容易に収容される。サンプル・チャンバ内の並進ステージに容易に取り付けることができ、それにより、光学チャネルを機械的に伸長および収縮して基本イオンまたは電子ビームのブロックを回避できるように、システム全体は十分に小型かつ軽量である。このシステムは、並進ステージまたはガス噴射器アセンブリに取り付けることができ、そのガス噴射器アセンブリ自体は、電気信号および光学信号のためのフィードスルー・ポート（feed-through port）とともにチャンバ壁面上のフランジ・プレート等に取外し可能に取り付けることができる。

イメージ伝送部分は、有利なことに、実質的に互いに平行な２つの光学チャネルを含み、第１の光学チャネルはイメージ情報を伝送するためのものであり、第２の光学チャネルは照明を伝送するためのものである。第１の光学チャネルは好ましくは、第２の光学チャネルより大きい径を有する。光学チャネル（複数も可）は、光ファイバのコヒーレント・バンドルにすることができる。

加えて、第１の光学チャネルは、加工物に照明を伝送するように適合させることができ、したがって、加工物は第１の光学チャネルおよび第２の光学チャネルの両方を使用して照らされる。

このシステムは、加工物の領域に反応物を送出するためのガス送出システム（gas delivery system）をさらに含むことができ、したがって、光学チャネルからの照明（たとえば、レーザによるもの）が反応物と加工物材料との化学反応を促進する。

また、イメージ収集部分およびイメージ伝送部分は、検出器に赤外線イメージ情報を送出するように適合させることができ、それにより、加工物の領域の温度を示すことができる。

本発明の好ましい一実施形態では、光ファイバ・ベースの光チャネル・システムがイオン／電子ビーム処理ツール（荷電粒子ビーム・デバイス）内に含まれている。図２には、光チャネル・システムを有するＦＩＢツール（真空チャンバ）の内部が示されている。サンプル（加工物）２１は、イオン・ビーム・カラム２０の反対側のＸＹＺ運動ステージ２２に取り付けられている。光学チャネル・システム２５は、イメージ収集部分２６と、光ファイバ・イメージ伝送部分２７と、検出器部分２８とを含む。イメージ収集部分２６は、微小光学コンポーネント（たとえば、レンズおよびビーム・スプリッタ）を含み、ミリメートル未満の寸法を有し、したがって、イオン／電子カラムの対物磁極片とサンプルとの間に（すなわち、ＦＩＢまたはＳＥＭツールの作動距離内に）容易に収容される。したがって、サンプル２１（典型的には、その上に修理または計量部位を有する）は、カラム２０に対して固定位置に存続することができる。サンプル・チャンバ内の並進ステージに容易に取り付けることができ、それにより、光学チャネルを機械的に伸長および収縮して基本イオンまたは電子ビームのブロックを回避できるように、光学チャネル・システム２５全体は十分に小型かつ軽量である。たとえば、光学チャネル・システム２５は、ガス噴射器並進アセンブリまたは個別のＸＹＺ並進ステージに取り付けることができるであろう。これらの構成自体はいずれも、電気信号および光学信号のためのフィードスルー・ポートとともにチャンバ壁面上のフランジ・プレートに取り付けることができる。

図３には、サンプル上の物体の拡大を例示する、本発明の光学チャネルのイメージ収集および伝送部分の簡略図が示されている。物体３１は微小対物レンズ３２によって撮像され、その高解像度イメージ３５は観察のために光ファイバ・チャネル３０によってＦＩＢ／ＳＥＭチャンバの他の領域に並進される。

物体３１の拡大は非常に短い作動距離によって実行され、前述の通り、これにより物体３１の照明が困難になっている。内視鏡ベースの検査装置とは異なり、本発明の光学システムでは、観察のための並進の前に、高いＮＡによりイメージを拡大する。短い作動距離でのサンプル照明の問題は、イメージを収集するために使用される同じ微小対物レンズ３２により、インラインでの照明を導入することによって解決される。図４には、光学コンポーネントの好ましい一構成が示されている。微小対物レンズ３２を使用してサンプル２１の一部分が撮像され、そのイメージは反射斜辺４２ａを有するマイクロプリズム４２によって９０度回転される。したがって、光ファイバ・イメージ伝送ガイド４５（第１の光学チャネル）は、サンプル表面に平行に向けられる。マイクロプリズム４２は光ファイバ・イメージ伝送ガイド４５の遠心端に設けられている。反射面４３ａを有する、もう１つのマイクロプリズム４３は、（高解像度）イメージ４７をイメージ収集装置（たとえば、図示されていないＣＣＤカメラ）内に方向付けるために伝送ガイド４５のもう一方の端部に位置している。サンプル照明４６は、マルチモード光ファイバ・チャネル（第２の光学チャネル）４４を通って伝送され、反射面４１ａを有する微小立方体ビーム・スプリッタ４１を使用して微小対物レンズ３２に方向付けられる。（微小立方体４１はλ／４の部分反射面４１６も有する。）コントラストを最適化し、離れ離れの光を最小限にし、ソース・イメージング（source imaging）を低減するために、照明４６は好ましくは単色の赤色光である。追加の光源からの照明４８は、イメージ伝送ガイド４５を通って伝送され、サンプルに向かって反射され、この照明はレーザ光線（たとえば、光誘導処理に適した緑色レーザ光）にすることができる。イメージ内の最適コントラストおよびエッジ解像力（edge definition）のために、離れ離れの光を低減し、コヒーレンスを増加するために、マルチモード光ファイバ・チャネル４４がイメージ伝送チャネル４５より径が小さいことは有利なことである。マルチモード光ファイバ・チャネル４４は、照明源の絞り開口（illumination source iris aperture）として効果的に作用する。

イメージ伝送チャネル４５は、単一の屈折率分布型ファイバにすることができ、代わって、ステップ屈折率ファイバ・ピクセルのコヒーレント・バンドルにすることもできる。屈折率分布型ファイバは位相を保持するという利点を有する。ファイバのコヒーレント・バンドルは、チャネルの機械的柔軟性が必要である場合に好ましいものである可能性がある。

この光学撮像システム５０は、可視光イメージを収集することに加えて、赤外線強度を検出することができ、それにより、光熱誘導プロセスを制御するためのサンプル温度の原位置モニターを可能にすることは、注目すべきことである。この能力は、原位置の分光または干渉あるいはその両方のモニターおよび制御技法を含むように拡張することができるであろう。

図５は、集束イオン・ビーム（ＦＩＢ）装置内に取り付けられた図４の光学撮像システム５０を示している。照明およびイメージ伝送ガイド４４、４５は、微小対物レンズ３２、微小立方体４１、およびマイクロプリズム４２とともに、サンプル２１の表面の上の方向５１に伸長および収縮することができる。この実施形態では、照明ガイドマルチモード光ファイバ・チャネル４４は、サンプル２１のイメージを形成するために赤色光を伝送する。図５に図示されている通り、ガイド４４（光ファイバ・チャネル）は、サンプル２１の表面に平行に、その上の短い距離だけ（典型的には約５ｍｍ未満）、移動する。イオン・ビーム１０の経路内にあるサンプル２１の領域を撮像するためにシステム５０が伸長されると、ビーム・ブランク（beam blank）５２によってイオン・ビーム１０がブロックされる。イメージ４７は、赤色光用のフィルタ５３を通って、検出器（たとえば、ＣＣＤカメラ）５４内に方向付けられる。解像度およびコントラストを最適化するために、フィルタ５３の代わりにまたはフィルタ５３に加えて補助レンズを使用して、イメージを検出器（またはその他の観察装置）上に再集束することができる。

図６には、本発明のように光学撮像システム５０を取り入れたＦＩＢツール（またはＳＥＭ）のより一般的な断面図が示されている。カラム２０はサンプル２１の上に位置し、サンプル２１はＸＹＺ運動ステージ２２上に乗っている。もう１つのＸＹＺ運動ステージ６１は、それに接続された撮像システム５０の様々なコンポーネント（たとえば、光ファイバ・チャネル４４、４５、微小立方体４３、フィルタ５３、および撮像デバイス５４）を有する。ＸＹＺ運動ステージ６１は、ビーム経路に対して光学システム５０を伸長および収縮し、ＦＩＢビームの中心（またはＳＥＭイメージの中心）に対してシステムを位置合せし（芯合し）、対物レンズ３２（図４）の焦点をサンプル２１に合わせる。ＸＹＺ運動ステージ６１自体は、ツール・チャンバのフランジ６２に都合よく取外し可能に取り付けることができる。したがって、既存のＦＩＢ／ＳＥＭツールは、光学撮像システム５０を含むように容易に適合させることができる。フランジ６２は、適切な制御ソフトウェアを有するコンピュータを含む制御装置（図示せず）への電気接続のためのフィードスルーを含むことができる。

サンプルの修理／計量部位で光分解および光化学反応を実行し観測することが望ましい場合、図７に図示されている通り、チャンバ内の光学撮像システム５０にガス送出システム７０が追加される。微小分配バルブ７２を有する複数のガス引き込み口７１は、所望のガス混合物（反応物）をその部位に送出するために単一の出力ノズル７４を有するマニホルド７３に供給する。前述の通り、光分解反応を誘導する（ガス混合物とサンプル２１との化学反応を促進する）ために、緑色（４８８ｎｍアルゴン）レーザなどの補助光源４８をイメージ伝送ガイド４５に結合することができ、同様に、光熱反応を誘導するために、赤外線または可視レーザ光線を使用することもできる。

本発明の光学撮像システムは以下のものを含む多数の利点を提供することが分かるであろう。
１）微小対物レンズ３２は、短い作動距離および高い開口数とともに、サンプル２１に対して直角（垂直）の入射角を有する。これにより、（撮像するためあるいは光化学または熱化学プロセスを実行するための）ミクロン未満の範囲の空間解像度が可能になる。
２）サンプル２１のインラインかつ同軸照明により、短い作動距離を有する小さい空間内での高解像度の撮像が可能になる。
３）様々な光学コンポーネント（たとえば、偏光フィルタ、開口、微小ビーム・スプリッタ、および検出器）をこのシステム５０に統合することができる（たとえば、イメージを検出器に転送しながら照明を伝送する微小立方体４３）。
４）微小対物レンズ３２と照明源との距離を低減することにより、ソース・イメージングが最小限になる（したがって、照明の均一性が最大限になる）。
５）光ファイバ・イメージ伝送ガイド４５は、他の光学コンポーネントが都合よく位置することができるツール・チャンバの領域にイメージ４７を並進する。
６）観察／撮像デバイス（たとえば、レーザ照明４８、微小立方体４３）付近でイメージ伝送チャネル４５およびビーム・スプリッタ４１を使用することにより、原板処理（photo-processing）のための光源を容易にシステムに追加することができる。
７）高い開口数は、非接触赤外線高温測定（サンプル温度を感知し制御するため）および可視部分または赤外線における非接触分光測定（原位置で化学プロセスを感知し制御するため）に適している。

特定の一実施形態に関して本発明を説明してきたが、上記の説明を考慮すると、多数の代替例、変更例、変形例が当業者には明白であることは明らかである。したがって、本発明は、本発明の範囲および精神ならびに特許請求の範囲に該当するこのような代替例、変更例、および変形例のすべてを包含するものである。

従来のＦＩＢツール内のチップ修正プロセスにおける不要な付着および損傷効果を例示する図である。 本発明の一実施形態により、ＦＩＢ処理ツール内に取り付けられた光学チャネルを概略的に例示する図である。 本発明による光学チャネル内のイメージ伝送の簡略図である。 本発明の一実施形態により構築された光学チャネルの詳細を示す図である。 図４の光学チャネルを含む処理ツールを概略的に例示する図である。 本発明の一実施形態により、ＸＹＺ運動ステージに接続された光学チャネルを含む処理ツールを概略的に例示する図である。 本発明の他の実施形態により、修理／計量部位で光分解および光化学反応を可能にするように適合された、図５の処理ツールを例示する図である。

符号の説明

２０：イオン・ビーム・カラム
２１：サンプル
２２：ＸＹＺ運動ステージ
２５：光学チャネル・システム
２６：イメージ収集部分
２７：光ファイバ・イメージ伝送部分
２８：検出器部分

Claims (20)

1. 加工物に対する作動距離を特徴とする荷電粒子ビーム・デバイスのチャンバ内に配置された加工物のある領域の高解像度イメージを形成するためのシステムにおいて、
   前記加工物に対して垂直な軸を有するイメージ収集部分と、
   実質的に前記加工物に平行な軸を有する光学チャネルと、前記イメージ収集部分から前記光学チャネルにイメージ情報を方向付けるためのその遠心端の光学コンポーネントとを含むイメージ伝送部分と、
   前記イメージ情報を検出するための検出器部分と、
   を有し、
   前記イメージ収集部分および前記イメージ伝送部分が前記作動距離内に位置し、
   前記イメージ伝送部分が前記加工物の前記領域に照明を伝送する、システム。
2. 前記イメージ収集部分を前記加工物の前記領域まで伸長し、前記イメージ収集部分をそこから収縮するための並進デバイスをさらに有する、請求項１に記載のシステム。
3. 前記イメージ伝送部分が、
   前記イメージ情報を伝送するための第１の光学チャネルと、
   前記照明を伝送するための第２の光学チャネルと、
   をさらに有し、前記第１の光学チャネルおよび前記第２の光学チャネルが実質的に平行である、請求項１に記載のシステム。
4. 前記光学チャネルが光ファイバを含む、請求項１に記載のシステム。
5. 前記第１の光学チャネルおよび前記第２の光学チャネルがそれぞれ光ファイバを含む、請求項３に記載のシステム。
6. 前記第１の光学チャネルが前記第２の光学チャネルより大きい径を有する、請求項３に記載のシステム。
7. 前記光学チャネルが光ファイバのコヒーレント・バンドルを有する、請求項４に記載のシステム。
8. 前記第１の光学チャネルが前記加工物に照明を伝送するように適合され、したがって、前記第１の光学チャネルおよび前記第２の光学チャネルの両方を使用して、前記加工物が照らされる、請求項３に記載のシステム。
9. 前記加工物の前記領域に反応物を送出するためのガス送出システムをさらに有し、前記光学チャネルからの照明が前記反応物と加工物材料との化学反応を促進する、請求項１に記載のシステム。
10. 前記並進デバイスが、前記チャンバの壁面の取外し可能部分に取り付けられる、請求項２に記載のシステム。
11. 前記イメージ収集部分および前記イメージ伝送部分が前記加工物から約５ｍｍ以内にある、請求項１に記載のシステム。
12. 前記イメージ収集部分および前記イメージ伝送部分が前記検出器に赤外線イメージ情報を送出するように適合され、それにより、前記加工物の前記領域の温度を示す、請求項１に記載のシステム。
13. 前記光学コンポーネントが、９０度の角度で前記イメージ情報を方向付けるためのプリズムを有する、請求項１に記載のシステム。
14. 前記光学コンポーネントがビーム・スプリッタを含む、請求項１に記載のシステム。
15. 前記イメージ情報を前記検出器部分に方向付けるための第２の光学コンポーネントをさらに有する、請求項１に記載のシステム。
16. 前記光ファイバが屈折率分布型ファイバである、請求項４に記載のシステム。
17. 前記屈折率分布型ファイバが前記イメージ情報の位相を保持する、請求項１６に記載のシステム。
18. 前記光学チャネルが柔軟な光ファイバを含み、前記並進デバイスが前記イメージ収集部分を収縮するときに前記光ファイバが曲がる、請求項２に記載のシステム。
19. 前記荷電粒子ビーム・デバイスが、集束イオン・ビーム（ＦＩＢ）ツールおよび走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）のうちの１つである、請求項１に記載のシステム。
20. 前記加工物の前記領域が、前記ビーム・デバイスの前記ビームの中心に芯合わせされている、請求項１９に記載のシステム。

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