JP2013536982A - 低質量種と高質量種の両方を含むイオン源を使用した誘導および試料処理 - Google Patents

Abstract

ＦＩＢシステムを使用して基板を画像化しミリングする改良された方法および装置。本発明の好ましい実施形態は、同じビーム光学系によって同じ焦点に集束させた軽いイオンと重いイオンの混合物を使用して、試料表面を（主に重いイオンによって）ミリングし、同時に軽いイオンが試料内のより深くまで貫入して表面下の特徴部分の画像の生成を可能にする。本発明の好ましい実施形態は特に、バックサイド回路編集などのさまざまな回路編集に対して使用することができる改良された誘導および試料処理法を提供する。

Description

本発明は、粒子ビーム・システムにおけるステージ誘導（ｓｔａｇｅ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ）およびビーム配置（ｂｅａｍ ｐｌａｃｅｍｅｎｔ）に関し、具体的には、集束イオン・ビームを使用した、試料表面の対象の部位への高精度の局所エリア誘導およびミリングの終点決定に関する。

最新の集積回路（ＩＣ）は、導体の複数の層、および絶縁体、半導体などの基板材料の複数の層からなる。ＩＣ内の回路または他の隠れた内部の特徴部分の検査および編集では、ターゲット・エリアまで誘導し、複数の基板材料層のうちの１つまたは複数の層を貫いてミリングする必要がある。回路編集（ＣＥ）は、設計デバッグ（ｄｅｂｕｇ）段階中に必要なマスク・セットの数を減らすことによってＩＣの開発費を低減し、市場に出すまでの総時間を短縮する。

現在、大部分のＣＥ作業は集束イオン・ビーム（ＦＩＢ）システムを使用して実行されており、ＦＩＢシステムは、ミリングによって基板材料を除去して隠れた特徴部分を露出させる目的、および材料を高精度で付着させる目的に一般的に使用されている。これらの能力を使用して、デバイス内の回路を切断および接続し、電気試験のためのプローブ・ポイント（ｐｒｏｂｅ ｐｏｉｎｔ）を形成することができる。用途には、設計変更の妥当性の検証、生産段階のデバイスのデバッグおよび最適化、費用と時間のかかるマスク・セットの製造を省いた新たなデバイスの試作などがある。

ＦＩＢシステムでの材料の除去は一般に、比較的に大きなイオンのビームを使用してスパッタリングにより基板材料を物理的に除去することによって達成される。大部分のＦＩＢシステムが、液体金属イオン源（ＬＭＩＳ）によって生成されたガリウム・イオンを使用している。これは、液体金属イオン源が、製造しやすく、室温で動作し、信頼性が高く、寿命が長く、安定しているためである。インジウムを使用するイオン源も知られている。

ＬＭＩＳシステムでは、２種類以上の異なる元素からなる金属合金を含む合金源を使用することも知られている。所望のイオン種を選抜することができるように、先行技術の合金源は一般に質量フィルタを備える。ＬＭＩＳで所望のイオン種だけを単独で使用することは（例えば元素種の融点が高すぎるときに）適当でないと考えられ、合金とした方が特性がより有利になるため、合金源はしばしば使用されている。ベリリウム・イオンおよびシリコン・イオンを生成する合金源を使用して、ガリウム・ヒ素基板上にそれぞれｐ層構造およびｎ層構造を注入するなど、合金源を使用して、注入したい２種類のイオン種を切り換えることも行われている。

プラズマ・イオン源を使用してイオン・ビームを形成することも行われている。「Ｍａｇｎｅｔｉｃａｌｌｙ ｅｎｈａｎｃｅｄ，ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ ｃｏｕｐｌｅｄ ｐｌａｓｍａ ｓｏｕｒｃｅ ｆｏｒ ａ ｆｏｃｕｓｅｄ ｉｏｎ ｂｅａｍ ｓｙｓｔｅｍ」という名称の米国特許出願公開第２００５／０１８３６６７号に記載されている磁場増強型の誘導結合プラズマ・イオン源を使用して、ＣＥ用途に使用することができる比較的に大きなビーム電流を有する微細集束ビームを生み出すことができる。

ミリング・プロセスを監視するため、ミリング中にＦＩＢシステムを使用して試料の画像を生成することもできるが、生成される画像は一般にその試料の表面だけに限定される。最新の多くのＩＣは、誘導の基準点となる可視表面の特徴部分を含んでいないため、ＣＥ用途ではこのことが問題になる。このことは特に、ＣＥにおいてますます一般的になっているバックサイド編集に対して当てはまる。オペレータは、多くの高密度回路層を表からミリングしようとはせず、デバイスを裏返し、基板のシリコンをミリングして、裏面からターゲット・エリアにアクセスする。

図１は、先行技術の一般的なバックサイドＩＣデバイス１０の略図を示す。図１に示されているように、回路の背面は一般に固体シリコン層１２によって覆われている。図１に示したＩＣデバイスは、このシリコン層の下に、活性領域１４およびそれよりも深いいくつかの金属層Ｍ１〜Ｍ５を含み、それらの金属層はそれぞれ、誘電材料２０によって取り囲まれた金属線１６およびバイア１８を含む。図２は、くさび形研磨後の図１のバックサイドＩＣデバイスの略図を示す。くさび形研磨は、複数の層を一度に露出させる斜めの研磨である。図２の略図には、このくさび形研磨によって、シリコン層および活性層が全て除去され、金属層Ｍ２およびＭ３の部分が露出した状態が示されている。図２に示した試料などの試料を上から見たとすると、左から右へ、エリア２２では、層Ｍ２のバイアおよび誘電材料の複数の部分を見ることができ、エリア２４では、Ｍ２金属線の１つの部分を見ることができ、エリア２６では、誘電材料によって取り囲まれたバイアの複数の部分を見ることができ、最後に、エリア２８では、層Ｍ３の金属線を見ることができる。

図２に示したくさび形研磨は複数の層を一度に見る便利な方法だが、ＩＣデバイスが破壊されるため、このくさび形研磨を実際のＣＥに対して使用することはできない。バルク・シリコン試料のバックサイド編集で見られるような試料表面の下に隠れた特徴部分のＣＥについては一般に、埋没した所望の特徴部分を露出させるため、その特徴部分の位置を正確に決定し、次いでミリングによって基板材料を除去する必要がある。残念なことに、このような隠れた特徴部分の位置を正確に決定することは非常に難しいことが多い。ビームが正確に位置決めされたとしても、そのイオン・ビームによって特徴部分を傷つけることなくその特徴部分を露出させることはしばしば困難である。ＦＩＢ画像でその特徴部分が見えるようになったときには既に、ある程度の損傷が生じている。言い換えると、特徴部分が露出したと判定し、ミリングを停止すべきときを決定する目的にＦＩＢ画像化を使用したときには、ミリングを停止する前に特徴部分が損傷することがあり、または特徴部分が破壊されることさえある。このミリングを停止すべきときの決定はしばしば終点決定と呼ばれる。また、対象の特徴部分が回路上のどこに位置するのかを決定するための画像内の基準点を見つけるため、比較的に広いエリアを試行錯誤によって露出させることが必要なことがあり、これによって露出させたそれぞれのエリアが損傷する可能性もある。

バルク・シリコン・デバイス上で誘導するための１つの方法では、イオン・ミリングによって試料基板を十分に薄くすると、ＦＩＢ画像内で、濃くドープされたウェルを基板の残りの部分から視覚的に区別することが可能になることがある。これらのドープされた領域の輪郭が誘導に役立つことがある。しかしながら、バルク・シリコン・デバイスのバックサイド・ミリング中には、露出しつつあるドープされたウェルからの信号を見逃しやすく、この信号の見逃しは、過剰なミリングおよび試料の損傷につながりうる。埋没した酸化物の表面は非常に薄くて壊れやすく、そこからの信号も弱く、長くは続かない。したがって、トランジスタのウェルを区別するためには、攻撃的な高いビーム電流および／または長いドウェル時間が必要であり、このことが試料をいっそう傷つけることがある。

別個の電子ビームを使用したリアル・タイム画像化は、終点を決定する別の方法である。本出願の譲受人であるＦＥＩ Ｃｏｍｐａｎｙ（米オレゴン州Ｈｉｌｌｓｂｏｒｏ）に譲渡された、参照によって本明細書に組み込まれるＣａｒｌｅｓｏｎの「Ｓｕｂｓｕｒｆａｃｅ Ｉｍａｇｉｎｇ Ｕｓｉｎｇ ａｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂｅａｍ」という名称の米国特許第７，３８８，２１８号は、表面下の特徴部分を画像化することができる電子顕微鏡を教示している。イオン・ビーム処理と同時に実施されるこの電子ビーム画像化は、終点を決定するためにミリング・プロセスをリアル・タイムで観察することを可能にし、表面下の画像を見ることができることは、埋没した壊れやすい特徴部分を露出させるときに許容誤差をはるかに大きくする。残念なことに、Ｃａｒｌｅｓｏｎのデュアル・ビーム・システムには固有のいくつかの欠点がある。デュアル・ビーム・システムは必然的に、シングル・ビーム・システムよりも複雑で高価である。さらに、両方のビームを同じ焦点に集束させ続けることは非常に困難であり、このこともシステムに誤りを導入する。一致したイオン・ビームと電子ビームを使用するシステム、さらには共軸のイオン・ビームと電子ビームを使用するシステムも知られているが、そのようなシステムは複雑であり、最新の多くのＣＥ用途に対しては望ましくないある程度の不正確さを依然として含んでいる。

表面下の画像化にヘリウム・イオンを使用することが、Ｒｅｉｃｈｅ他、「Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ Ｈｅｌｉｕｍ Ｉｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ ｉｎ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ」、ＭＩＣＲＯＳＣＯＰＹ ＡＮＤ ＡＮＡＬＹＳＩＳ、１１〜１４ページ（２００９年７月）に記載されている。しかしながら、サイズが小さいため（およびそれに対応して試料の物理的損傷を引き起こさないため）、ヘリウム・イオンはミリング用途には適さない。Ｒｅｉｃｈｅのヘリウム・イオン・ビームは、どの材料でも大量に除去するためにはより大きなイオンを使用する別個のイオン・ビーム・カラムと組み合わせなければならず、したがってＣａｒｌｅｓｏｎに関して論じた欠点と同じ欠点を有すると言える。

米国特許出願公開第２００５／０１８３６６７号明細書 米国特許第７，３８８，２１８号明細書 米国特許出願第１２／３７３，６７６号明細書 米国特許第５，８５１，４１３号明細書 米国特許第５，４３５，８５０号明細書

Ｒｅｉｃｈｅ他、「Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ Ｈｅｌｉｕｍ Ｉｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ ｉｎ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ」、ＭＩＣＲＯＳＣＯＰＹ ＡＮＤ ＡＮＡＬＹＳＩＳ、１１〜１４ページ（２００９年７月）

したがって、ＦＩＢシステムを使用して試料を画像化し処理する改良された方法であって、迅速で高精度の誘導および終点決定と、特徴部分の位置を決定した後の迅速な材料除去の両方を可能にする改良された方法が依然として求められている。

したがって、本発明の目的は、ＦＩＢシステムを使用して基板を画像化しミリングする改良された方法および装置を提供することにある。本発明の好ましい実施形態は、同じビーム光学系によって同じ焦点に集束させた軽いイオンと重いイオンの混合物を使用して、試料表面を（主に重いイオンによって）ミリングし、同時に軽いイオンが試料内のより深くまで貫入して表面下の特徴部分の画像の生成を可能にする。本発明の好ましい実施形態は特に、バックサイド回路編集などのさまざまな回路編集に対して使用することができる改良された誘導および試料処理法を提供する。

以上では、以下の本発明の詳細な説明をより十分に理解できるように、本発明の特徴および技術上の利点をかなり広く概説した。以下では、本発明の追加の特徴および利点を説明する。開示される着想および特定の実施形態を、本発明の同じ目的を達成するために他の構造を変更しまたは設計するベースとして容易に利用することができることを当業者は理解すべきである。さらに、このような等価の構造は、添付の特許請求の範囲に記載された本発明の趣旨および範囲を逸脱しないことを当業者は理解すべきである。

次に、本発明および本発明の利点のより完全な理解のため、添付図面に関して書かれた以下の説明を参照する。

先行技術のバックサイドＩＣデバイスの略図である。 くさび形研磨後の図１のバックサイドＩＣデバイスの略図である。 さまざまなイオンのシリコン中への平均貫入深さのモンテ・カルロ（ＳＲＩＭ）計算を示すグラフである。 比較的に高質量のガリウム・イオンを使用して画像化したくさび形研磨後のバックサイドＩＣデバイスの顕微鏡写真である。 比較的に高質量のガリウム・イオンを使用して画像化したくさび形研磨後のバックサイドＩＣデバイスの顕微鏡写真である。 比較的に低質量のベリリウム・イオンを使用して画像化したくさび形研磨後のバックサイドＩＣデバイスの顕微鏡写真である。 比較的に低質量のベリリウム・イオンを使用して画像化したくさび形研磨後のバックサイドＩＣデバイスの顕微鏡写真である。 金イオンを使用して画像化した、（ドープされたシリコンの）Ｎウェル・コントラスト領域を含むＩＣデバイスのあるエリアの顕微鏡写真である。 ベリリウム・イオンを使用して画像化した、（ドープされたシリコンの）Ｎウェル・コントラスト領域を含むＩＣデバイスのあるエリアの顕微鏡写真である。 使用可能な２つの混合イオン・ビームについて、信号を位置に対応させて示した理論上のＣＲＴ線走査を示す図である。 使用可能な２つの混合イオン・ビームについて、信号を位置に対応させて示した理論上のＣＲＴ線走査を示す図である。 純粋な画像化に適した混合ビームないし純粋なスパッタリングに適した混合ビームとプラズマ・ガス比との関係を、アルゴン／キセノン混合物について示したグラフである。 擬似混合ビームの軽いイオンと重いイオンを切り換える２つの異なる可能性のあるデューティ・サイクルについて、質量フィルタの電磁石の電圧を時間に対して示したグラフである。 本発明の諸態様を実現する目的に使用することができる質量フィルタを備えたＬＭＩＳ ＦＩＢシステムを示す図である。 エッチングと画像化を同時に実行する本発明の一実施形態の諸ステップを示す図である。

添付図面は、一律の尺度で描くことを意図して描かれてはいない。これらの図面では、さまざまな図に示されている同一の構成要素またはほぼ同一の構成要素が、同様の符号によって示されている。見やすくするため、全ての図面の全ての構成要素に符号が付けられているわけではない。

本発明の好ましい実施形態は、軽いイオンと重いイオンの混合物からなるイオン・ビームを生成し、そのイオン・ビームを使用して表面下の特徴部分の画像化を提供し、同時に迅速な材料除去をも可能にする方法を対象としている。本発明の好ましい実施形態では、軽いイオンと重いイオンを同時に使用して試料を処理することができるように、軽いイオンおよび重いイオンを成形して混合ビームとする。重いイオンは、従来のＦＩＢシステムの場合と同様に試料をミリングし、軽いイオンは、試料内のより深くまで貫入して表面下の特徴部分についての情報を提供する。他の好ましい実施形態では、質量フィルタを使用して、軽いイオンと重いイオンとを選択された頻度で迅速に切り換え、それによってミリング中に表面下の特徴部分の画像化を提供すること、および合金ＬＭＩＳによって生み出された軽いイオンと重いイオンの比率の調整を可能にすることができる。複数のガス源を含むプラズマＦＩＢを使用して、本発明を実施することもできる。複数のガス源を含むプラズマＦＩＢの使用は、プラズマ・イオン源内で使用されるガスの組成を調整することによって、軽いイオンと重いイオンの比率を制御することを可能にする。

本発明の好ましい方法または装置は多くの新規の態様を有する。本発明は、異なる目的を有する異なる方法または装置として実施することができるため、全ての実施形態に全ての態様が存在する必要はない。さらに、記載された実施形態の態様の多くは別々に特許を受けることができる。

半導体製造における回路編集（ＣＥ）に一般的に使用されているＦＩＢシステムは、ガリウムなどの比較的に大きなイオンから形成されたイオン・ビームを使用して基板材料をミリングによって除去し、それによって隠れた特徴部分を露出させる。このような一般的なイオン・ビーム・システムを使用した試料の画像化は、試料の表面だけに限定される。そのため、埋没した特徴部分まで誘導し、安全に露出させるＣＥ向けのさまざまな技法が開発された。残念なことに、それらの技法はしばしば時間がかかり、高価な専用機器を必要とする。

本発明の好ましい実施形態は、同じビーム光学系によって同じ焦点に集束させた軽いイオンと重いイオンの混合物を使用して、試料表面を（主に重いイオンによって）ミリングし、同時に軽いイオンが試料内のより深くまで貫入して表面下の特徴部分の画像の生成を可能にすることによって、先行技術のこれらの欠点を解決する。本発明の好ましい実施形態は特に、バックサイド回路編集などのさまざまな回路編集に対して使用することができる改良された誘導／試料処理法を提供する。

さまざまなイオンのシリコン中への平均貫入深さのモンテ・カルロ（ＳＲＩＭ）計算を示す図３のグラフに示されているように、固体中へのイオンの貫入深さはイオンの質量に依存する。ヘリウム、ベリリウムなどのより軽いイオンは、基板のより深い位置まで貫入し、したがって基板表面の下の特徴部分に関する情報をある程度提供することが知られているが、これらのより軽いイオンのミリング用途に対する有用性はずっと低い。これはまさに、より軽いイオンが、ガリウムなどのより重いイオンのように材料に衝突し、その材料をスパッタリングによってはじき出すよりはむしろ、試料表面を突き抜ける傾向を有するためである。

言うまでもなく、表面下の画像化の主たる制約条件は必ずしもイオンの平均貫入深さではなく、むしろ、２次電子が試料から脱出し検出されうる深さである。とは言え、最新のＩＣデバイス上の金属層は極めて薄い（８０〜１２０ｎｍ）。シリコン中でのガリウム・イオンの平均貫入深さは約２７ｎｍであり、したがってガリウム・イオンが１つのＩＣ層を貫通してそれより深くまで達することはない。しかしながら、約２０ａｍｕよりも小さい質量を有するイオンは５０ｋｅＶで１つのＩＣ層を貫通し、約１２ａｍｕよりも小さい質量を有するイオンは３０ｋｅＶで１つのＩＣ層を貫通する。この点に関して、Ｈｅ＋、Ｌｉ＋、Ｂｅ＋、Ｂ＋、Ｏ＋、Ｎｅ＋およびおそらくＳｉ＋は、一般的な厚さのＩＣ層を貫通することができるはずである。

本明細書で使用するとき、用語「軽いイオン」または「比較的に低質量のイオン」は、少なくとも１つのＩＣ層を貫通するイオンを指すために使用される。「重いイオン」または「比較的に高質量のイオン」は、シリコン（約２８ａｍｕ）よりも大きな質量を有するイオンを指し、それらのイオンは、迅速に材料を除去するのにより適している。本明細書で使用するとき、「迅速な材料除去」は、ある所与の試料タイプおよびビーム構成に対する材料除去速度が、同じ試料タイプおよびシリコン・イオンを使用するビーム構成に対する材料除去速度と少なくとも同程度であることを指す。２つのイオン種間のａｍｕの差が大きいほど、軽いイオン種が提供する表面下の情報は、重いイオンによる画像化が提供する情報よりも多くなることを当業者は理解するであろう。重い方の元素種の質量は軽い方の元素種の質量の少なくとも２倍であることが好ましい。好ましいいくつかの実施形態では、重い方のイオンの質量が、軽い方のイオンの質量よりも少なくとも４０ａｍｕ大きい。重い方のイオンの質量が、軽い方のイオンの質量よりも少なくとも１００ａｍｕ大きいとより好ましい。

さらに、用語「２次電子」は一般に、十分なエネルギーを有する入射１次粒子と試料中の価電子の間の相互作用によって生み出され、試料表面から放出された自由電子を指すために使用されることに留意すべきである。エネルギーが５０ｅＶよりも小さいこのような放出電子を２次電子と呼んでいる。２次電子のエネルギーは小さいため、試料表面からある距離のところよりも深い位置で生み出された２次電子は、試料から脱出することができない。最大脱出深さは化合物によって異なるが、大部分の２次電子は表面から２〜５ｎｍ以内で生成される。軽いイオンを使用すると、５ｎｍよりも深い位置の表面下画像を得ることができるため、深く貫入したイオンに対して作用して、表面から脱出する電子の数を変化させる別の機構があるようである。

いずれにしても、比較的に軽いイオンのビームを表面にわたって走査したときに基板表面から脱出した電子を、その電子が例えば真の２次電子であるのか、もしくは後方散乱したイオンであるのか、または荷電効果によって生じたものであるのかを問わずに検出することによって、試料表面の下の特徴部分を画像化することができる。図４Ａおよび４Ｂを図５Ａおよび５Ｂと比較することによって、このタイプの表面下の画像化をはっきりと理解することができる。図４Ａは、比較的に高質量のガリウム・イオンを使用して画像化したくさび形研磨後のバックサイドＩＣデバイスの顕微鏡写真を示す。図４Ｂは、図４Ａの参照符号４２によって示されたエリアの拡大図である。ＩＣデバイスのこの画像はバイアだけを示している（バイアは、暗色の誘電材料４６によって取り囲まれた白いドット４４として示されている）。

図５Ａおよび５Ｂ（図５Ｂは、図５Ａに示された参照符号５２によって示されたエリアの拡大図である）は、比較的に低質量のベリリウム・イオンを使用して画像化したくさび形研磨後のバックサイドＩＣデバイスの同様の顕微鏡写真を示している。図４Ａおよび４Ｂと比べると、図５Ａおよび５Ｂでは、金属線５４などのいくつかの表面下の特徴部分をはっきりと見ることができることが明らかである。これらの金属線は試料表面の下に埋没しているものであり、図４Ａおよび４Ｂの表面画像では全く見ることができない。

図６Ａから６Ｂも、重いイオンによって生成された画像と軽いイオンによって生成された画像の違いを、（ドープされたシリコンの）Ｎウェル・コントラスト領域を含むＩＣデバイスのあるエリアの画像について示している。図６Ａは、比較的に重い金（Ａｕ＋）イオンを使用して画像化したものであり、試料の特徴部分はほとんど見えない。図６Ｂは、はるかに軽いベリリウム（Ｂｅ２＋）イオンを使用して画像化したものである。この顕微鏡写真では、表面下の特徴部分をはっきりと見ることができる。

シリコンよりも質量が小さいイオンは、優れた表面下の画像化を提供するはずであり、ガリウムよりも軽いイオンは、ガリウム・ベースの従来の液体金属イオン源（ＬＭＩＳ）を使用して現在達成しうるものよりも優れているであろう。好ましい実施形態によれば、より低質量のイオンは試料表面を突き抜けて、＞８０ｎｍの深さ、より好ましくは＞１２０ｎｍの深さに達することができる。その結果、好ましいより軽いイオンはさらに、＞８０ｎｍの深さ、より好ましくは＞１２０ｎｍの深さまでの表面下画像情報を提供する。さらに、より軽いイオンによって生じる試料の損傷は、ガリウムなどのより重いイオンによって生じる損傷に比べて少ない。言うまでもなく、このことは、スパッタリングによる材料除去において、より軽いイオンの方がはるかに非効率であることを意味しており、このことが、軽いイオンから形成されたイオン・ビームを、大部分の回路編集（ＣＥ）用途に対して適さないものにしている。

しかしながら、イオン・ビームを集束させる目的に使用される静電光学系はイオンの質量に対して無感応であるため、サイズの異なるイオンの混合物を含むイオン・ビームを同じ焦点に共軸で集束させることが可能であることを本出願の出願人は見出した。言い換えると、ガリウムなどの重い種とベリリウムなどの軽い種とからなる複合ビームを使用すると、重い種と軽い種のビーム集束位置は一致する。したがって、このような混合ビームを使用すると、重いイオン成分を使用して材料をミリングにより効率的に除去し、同時に、軽い方のイオンを使用して追加の画像化情報を得ることが可能である。軽いイオンは試料内のより深くまで貫入するため、ミリングを実施しているまさにその最中に、表面下の特徴部分を実際に画像化することができる。

本発明の好ましい実施形態は、ある種の基板処理、例えば前述のＣＥ用途において重大な利点を提供する。本発明を使用すると、ある表面下構造物の座標を使用して特定の特徴部分の位置を決定するのにその表面下構造物を露出させる必要がないため、埋没したターゲット構造物の正確な位置への誘導がはるかに容易かつ迅速になる。その代わりに、軽いイオンによって提供される表面下情報を使用することによって、そのような特徴部分の位置を決定し、その特徴部分をＣＡＤ設計データと相関させることができる。これを実行する都合のよい方法は、２次ＦＩＢ画像の上にＣＡＤ形状を「オーバレイ」し、次いで２点または３点ＣＡＤ多角形位置合せを実行する方法である。ＩＣチップ設計からの座標を実際の試料にマップし、ＦＩＢシステムが、ターゲット構造物のおおよそのエリアまで誘導した後は、試料表面の下の局所の特徴部分も観察でき、それらの特徴部分を使用して試料と画像を位置合せしなおすことができるため、追加の試料位置合せもより容易にかつより迅速になる。本発明はさらに、埋没したターゲット構造物の位置を決定した後にそのターゲット構造物を露出させるのを大幅に容易にする。混合ビーム中の重いイオンに特徴部分をさらす前に、２次ＦＩＢ画像中でそのような特徴部分を観察することができるため、ターゲット構造物が損傷しまたは破壊される前にミリングを停止することがはるかに容易になる。

したがって、本発明の好ましい実施形態では、異なる２種類のイオン、すなわち相対的に軽い（低質量の）イオンおよび相対的に重い（高質量の）イオンを生み出す能力を有する合金源を使用して、試料を画像化し処理するための混合イオン・ビームを生成することができる。これらの異なる２種類のイオンが質量フィルタによって分離されず、試料上に集束したビーム中にそれらの両方のイオンが存在することが好ましい。それでも、いくつかの実施形態では、例えば合金源が３元合金源であり、それらのイオン種のうちの２種類のイオン種だけを試料の画像化および処理に使用したいときなどに、他のタイプのイオンを除去するため、質量フィルタが使用される。他の実施形態では、後述するように、試料表面に衝突する軽いイオンと重いイオンの比率を「調整する」ために、質量フィルタを使用してイオンを迅速に切り換えることができる。

合金源は先行技術において知られている。軽いイオンと重いイオンの適当な組合せを生み出すものである限り、任意の合金源を本発明の実施に使用することができる。例えばＡｕＳｉＢｅ、ＡｕＳｉおよびＡｓＰｄＢ合金源が市販されている。後により詳細に論じるが、特定の用途に合わせて軽いイオンと重いイオンの比率を調整することが望ましいことがある。ＬＭＩＳを使用する場合にはこの比率が合金中の元素の比率によって固定される。市販の大部分の合金源は共晶組成物であり、このことは、共晶組成の元素の百分率の結果、合金源の融点が、それらの元素の組合せに対する融点の中で最低になっていることを意味する。融点がより低いことに加えて、バルク組成物は共晶組成においてより安定である。一般にさまざまな組成が可能だが、その結果として得られる合金の融点および蒸気圧が、合金ＬＭＩＳとして使用するのに適していなければならない。他のいくつかの因子も、ある特定の合金が合金ＬＭＩＳとして使用するのに適しているのかどうかに関与する。これらの因子には、融点が十分に低いかどうか、融点における蒸気圧、その合金が、動作温度にある間に一般的な（または使用しやすい）基板材料と反応するかどうか、合金が基板材料を濡らすかどうか、空気中でのその合金の取扱いが容易かどうか（例えばＬｉおよびＣｓを含む合金は取扱いが容易でない組成物の好例である）、時間の経過とともに／動作中にバルク組成が変化しないかどうかなどが含まれる。

本発明を実施するのに適した合金ＬＭＩＳは、所望の特徴部分の適当な表面下画像化を可能にする十分な量の軽いイオン、および材料除去が十分に高い速度で進むことを可能にする十分な量の重いイオンを含んでいなければならない。図７Ａおよび７Ｂは、２つの使用可能な混合イオン・ビームについて、信号を位置に対して示した理論上のＣＲＴ線走査を示す。実際の混合ビーム操作において、軽いイオンによって生成された２次電子を重いイオンによって生成された２次電子から分離することは不可能とは言えないまでも相当に困難であるが、これらの２つの信号グラフでは、線６０１および６１１が、軽いイオン種によって生成されうる電子信号を示し、線６０２および６１２が、重いイオン種によって生成されうる電子信号を示す。線６０３および６１３は、結合された信号（信号値はそれぞれ、線６０１に線６０２を加えた値および線６１１に線６１２を加えた値によって示されている）を示し、これらの結合信号は、実際の動作中に検出されるであろう信号を表す。

図７Ａでは、混合ビームの軽いイオンの百分率が重いイオンに比べて比較的に低い。この混合イオン・ビームを試料表面６０４にわたって走査すると、重いイオンは、特徴部分のない試料の表面を突き抜けず、そのため信号の変化はシステムの背景雑音だけを反映する。軽い方のイオンは試料表面を突き抜け、したがって埋没した特徴部分６０５および６０６に関する情報を返す。しかしながら、図７Ａに示されているように、試料６０５は、（サイズ、組成、深さなどのために周囲の基板から区別することがより難しい）比較的に低コントラストの特徴部分である。信号線６０１は、埋没した特徴部分６０５の存在を示してはいるが、その信号の変化は、重いイオン種に起因するはるかに大きな信号の中では見逃してしまうほどに小さい。そのため、結合信号線６０３で、特徴部分６０５に由来するコントラストを信号雑音から区別することは非常に困難であろう。一方、特徴部分６０６はそれよりも高コントラストの特徴部分であり、そのため、使用する軽いイオンの百分率は比較的に小さくても、信号のコントラストは、結合信号６０３中においても識別できる十分な大きさを有する。

図７Ｂでは、混合ビームの軽いイオンの百分率が重いイオンに比べて比較的に高い。その結果、低コントラストの特徴部分６０５に対しても、信号のコントラストは、結合信号中においても背景雑音から区別することができる十分な大きさを有する。言うまでもなく、特徴部分６０６に対する信号のコントラストはよりいっそう大きい。軽いイオンの百分率がより大きいことに起因する表面下の特徴部分に対するこの信号コントラストの増大が、ミリング速度の低下の代償であることは重要である。大部分の用途では、ミリング速度を最大にするために、表面下画像化の許容される最小感度（言い換えると軽いイオンの許容される最小百分率）が達成されるように、軽いイオン／重いイオンの相対百分率を調整することが望ましいであろう。例えば、高コントラストの表面下画像は、たとえ軽いイオンの百分率が比較的に低い場合であっても、結合信号中において識別することができる。しかしながら、軽いイオンの百分率を低くしすぎると、重いイオン種の表面衝突に起因するはるかに大きな電子信号の中では、高コントラストの特徴部分からの信号コントラストでさえも見逃されてしまうであろう。コントラストが非常に低い表面下の特徴部分に対しては、軽いイオンの百分率を非常に高くすること、場合によっては軽いイオンの百分率を１００％に近づけることが必要になる可能性がある。

ほとんどの場合、特定の標準合金ＬＭＩＳ源を選択することにより、軽いイオンおよび重いイオンの百分率の十分な「調整」を達成することができる。当業者であれば、大部分の用途について、特定の用途に対する考慮事項のバランスを取って、知られている適当な合金ＬＭＩＳを、過度の実験なしで選択することができる。

しかしながら、別のケースとして、相対百分率をより細かく調整したり、または試料を処理している「処理中に（ｏｎ−ｔｈｅ−ｆｌｙ）」相対百分率を調整したりすることが望ましいことがある。本発明の譲受人に譲渡された、参照によって本明細書に組み込まれるＳｍｉｔｈ他の「Ｍｕｌｔｉ−Ｓｏｕｒｃｅ Ｐｌａｓｍａ Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ Ｓｙｓｔｅｍ」という名称の米国特許出願第１２／３７３，６７６号は、複数のガス源を切り換えることができるプラズマＦＩＢを記載している。後により詳細に説明するように、同様の装置を使用して複数のガスを同時に送達し、その結果として複数のイオン種を含む混合ビームを生み出すことができる。

このような多重源プラズマＦＩＢを使用すると、金イオンとキセノン・イオンの混合物に関して図８に示されているように、軽いイオンと重いイオンの相対百分率を、例えば純粋な画像化（軽いイオン１００％）と純粋なスパッタリング（重いイオン１００％）の間の所望の百分率に容易に調整することができる。このような多重源プラズマＦＩＢを使用すると、この百分率を「処理中に」調整することができ、その結果、例えば、誘導目的で表面下画像を画像化するためにより高濃度の軽いイオンを使用し、埋没した対象の特徴部分の位置を決定した後に、重いイオンの百分率を高めてミリングをより迅速にすることができるであろう。イオン種の混合はガス源によって制御されることになるため、質量フィルタを持たないプラズマＦＩＢを使用して本発明の好ましい実施形態を実施することができる。

合金ＬＭＩＳの場合には、源自体の組成を調整することはできないが、所望の百分率の軽いイオンと重いイオンとを生み出す特装の源を製作することは可能であろう。軽いイオンおよび重いイオンを適当な百分率で含む合金ＬＭＩＳを使用するときにも質量フィルタが必要ないことは重要であり、このことによってシステムの費用および複雑さは大幅に低減するであろう。

多重源プラズマＦＩＢのガス組成のようには合金源の組成を「処理中に」調整することはできないが、質量フィルタを備える合金ＬＭＩＳシステムを使用すれば、表面に衝突する軽いイオンと重いイオンの相対百分率をある程度は調整することができると考えられる。本発明の好ましい実施形態によれば、質量フィルタを使用して、材料の処理中にイオン種を、選択された頻度で迅速に切り換えることができる。例えば、質量フィルタは、軽いイオンだけが短時間の間、試料に衝突することを許し、次いで設定された別の非常に短い時間の間、重いイオンに切り換えることができる。軽いイオンと重いイオンを設定された頻度で迅速に切り換えることにより、試料の画像化と試料のミリングとが同時に実施されているようにオペレータに見せることができる。軽いイオンと重いイオンは同時ではなく交互に使用されているのであるが、オペレータには、あたかも実際に混合され時間的に一致したビームが使用されているかのように見えるであろう。

このような「擬似」混合ビームを生成するために所与のシステムが軽いイオンと重いイオンとを切り換えることができる速度は、磁気質量フィルタを調整することができる頻度によって決まる。一般的な質量フィルタは、質量フィルタの電圧に周期関数をＭＨｚ範囲の頻度で適用することによってイオン種の切り替えを調整することができるが、データ（画像化）が適時にのみ集められるように、磁石が安定するのに要する時間がデータ取得に組み込まれていることが好ましいであろう。イオン種を切り換えるデューティ・サイクルが約１０分の１秒であれば、そのデューティ・サイクルは、試料の処理をリアル・タイムで観察しているオペレータを視覚的に惑わせない十分に短いものであると言える。それぞれのイオン種が質量フィルタを通過することができる時間の長さを調整することにより、用途に応じて非破壊的な画像化に有利なようにまたは攻撃的なスパッタリングに有利なように、ビームを調整することができる。

上記のことが図９に示されている。図９は、擬似混合ビームの軽いイオンと重いイオンを切り換える２つの異なる可能性のあるデューティ・サイクルについて、質量フィルタの電磁石の電流を時間に対して示したグラフである。破線９００および実線９０２はそれぞれ、質量フィルタの磁石に印加される電圧を時間の経過に沿って示しており、この電圧には、重いイオン種だけが質量フィルタを通過することができるＶ₁と軽いイオン種だけが質量フィルタを通過することができるＶ₂との間で磁石を切り換える周期関数が適用されている。このグラフに示されているように、破線９００によって示されたデューティ・サイクルでは、質量フィルタが、実線９０２によって示されたデューティ・サイクルよりも約５倍長い時間の間、（軽いイオンの通過を許す）電圧Ｍ２に維持される。その結果、線９００によって示されたサイクルを使用した試料処理では、線９０２によって示されたサイクルよりも相対的に高い百分率の軽いイオンが、１サイクルごとに試料に衝突することになる。これにより、線９００のサイクルは、より非破壊的な画像化に一層適したものになり、線９０２のサイクルは大きなイオンをより多く供給し、したがってより迅速な材料除去を提供するであろう。図９のデューティ・サイクルの頻度はともに約１０Ｈｚであるが、異なる頻度を使用することもできる。

図１０は、本発明の好ましい実施形態を実施する目的に使用することができる一般的なＦＩＢシステム２１０を示す。本発明は、例えばＦＩＢ／ＳＥＭデュアル・ビーム・システムなどのデュアル・ビーム・システムを含む他の粒子ビーム・システムを使用して実施することもできる。

集束イオン・ビーム・システム２１０は、上部ネック部分２１２を有する排気された囲い２１１を含み、上部ネック部分２１２内にはイオン源２１４および集束カラム２１６が位置し、集束カラム２１６は、引出し電極２１５および静電光学系を含み、静電光学系は、コンデンサ・レンズ２１７および対物レンズ２５２を含む。イオン源２１４は、２種類以上の元素種のイオン、好ましくは軽いイオンと重いイオンの組合せを生成する合金ＬＭＩＳであることが好ましい。本明細書で使用するとき、語句「異なる元素種」（または「２種類以上の元素種」）は、異なる元素組成を有するイオンを指すために使用される。一般に、イオンはもっぱら、前述の金イオンとベリリウム・イオンの混合ビームなど、少なくとも２種類の異なる元素からなる。しかしながら、いくつかの実施形態では、混合されたイオンの一方または両方が、２種類以上の元素からなるイオン（例えばＡｕＢｅ＋）である。軽いイオンと重いイオンの両方が源から引き出された後、集束カラム２１６内の静電レンズによってそれらのイオンは加速され、試料上に集束する。好ましい他の実施形態では、プラズマ源、好ましくは複数のガス源を含むプラズマ源を使用することができる。

イオン源２１４を出たイオン・ビーム２１８は、カラム２１６を通過し、２２０に概略的に示されている静電偏向手段間を通り抜けて、試料２２２に向かって進む。試料２２２は例えば、下室２２６内の可動Ｘ−Ｙ−Ｚステージ２２４上に配置された半導体デバイスを含む。イオン・ポンプまたは他のポンピング・システム（図示せず）を使用してネック部分２１２を排気することができる。室２２６は、真空コントローラ２３２の制御の下、ターボ分子および機械ポンピング・システム２３０によって排気される。この真空システムは、室２２６に、約１×１０−７トルから５×１０−４トルの間の真空を提供する。エッチング支援ガス、エッチング遅延ガスまたは付着前駆体ガスを使用する場合、室のバックグラウンド圧力は典型的には約１×１０−５トルまで上昇することがある。

イオン源２１４と、イオン・ビーム２１８を形成し下方へ導く集束カラム２１６内の適当な電極とに高圧電源２３４が接続される。パターン発生器２３８によって提供される所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２３６が偏向板２２０に結合され、それによって対応するパターンを試料２２２の上面に描くようにビーム２１８を制御することができる。いくつかのシステムでは、当技術分野ではよく知られているように、偏向板が、最後のレンズの前に配置される。

イオン源２１４は一般にガリウムの金属イオン・ビームを提供するが、マルチカスプ（ｍｕｌｔｉｃｕｓｐ）イオン源、他のプラズマ・イオン源など、他のイオン源を使用することもできる。イオン・ミリング、強化されたエッチングもしくは材料付着によって試料２２２を改変するため、または試料２２２を画像化するために、イオン源２１４を一般に、試料２２２の位置における幅が１／１０ミクロン未満のビームに集束させることができる。イオン・ビーム２１８中のイオンが加工物２２２の表面に衝突すると、２次電子および後方散乱電子が放出される。画像化のために２次イオンまたは２次電子の放出を検出する目的に使用される荷電粒子増倍器２４０が信号処理装置２４２に接続されており、荷電粒子増倍器２４０からの信号は信号処理装置２４２で増幅され、ディジタル信号に変換され、信号処理にかけられる。その結果生成するディジタル信号は、試料２２２の画像をモニタ２４４上に表示する。

ステージ２２４上に試料２２２を挿入するため、および内部ガス供給リザーバが使用される場合にはその整備作業のために、扉２７０が開かれる。ステージ２２４は加熱または冷却されていることがある。システムが真空状態にある場合に開かないように、この扉はインタロックされる。イオン・ビーム２１８にエネルギーを与え集束させるため、高電圧電源は、イオン・ビーム・カラム２１６内の電極に適当な加速電圧を印加する。

ガス蒸気を導入し試料２２２に向かって導くためにガス送達システム２４６が下室２２６内へ延びている。本発明の譲受人に譲渡されたＣａｓｅｌｌａ他の「Ｇａｓ Ｄｅｌｉｖｅｒｙ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｂｅａｍ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ」という名称の米国特許第５，８５１，４１３号は適当なガス送達システム２４６を記載している。別のガス送達システムが、やはり本発明の譲受人に譲渡されたＲａｓｍｕｓｓｅｎの「Ｇａｓ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ」という名称の米国特許第５，４３５，８５０号に記載されている。例えば、ヨウ素を送達してエッチングを強化することができ、または金属有機化合物を送達して金属を付着させることができる。

システム・コントローラ２１９は、デュアル・ビーム・システム２０のさまざまな部分の動作を制御する。従来のユーザ・インタフェース（図示せず）にコマンドを入力することによって、ユーザは、システム・コントローラ２１９を介してイオン・ビーム２１８を思い通りに走査することができる。システム・コントローラ２１９は、コンピュータ可読の記憶装置２２１をさらに備えることができ、記憶装置２２１に記憶されたデータまたはプログラムされた命令に従ってデュアル・ビーム・システム２１０を制御することができる。記憶装置２２１に記憶された試料／半導体に関するＣＡＤデータを使用して、前述のように対象の特徴部分および位置合せ点または転写基準点の位置を決定する目的に使用されるＣＡＤ多角形オーバレイまたは他の位置データを生み出すことができる。

任意選択で、ＦＩＢシステム２１０はさらに、合金ＬＭＩＳまたはプラズマ源によって提供された重いイオン種と軽いイオン種の混合物から単一のイオン種を分離する質量フィルタ２５０などの質量分離器を含むことができる。質量フィルタ２５０によって磁場が加えられると、混合イオン・ビームは質量によって広がる。適切な電圧を選択すれば、一方のイオン種だけが、質量選択絞り開口２５１を通り抜け、下部カラムを通過して試料に到達するようにすることができる。ある異なる電圧によって、もう一方のイオン種が絞りを通り抜けるようにすることができる。質量フィルタ２５０は、選択された電圧を迅速に切り換えて、軽いイオンのビームと重いイオンのビームとをＭＨｚ範囲の頻度で切り換える能力を有していることが好ましい。

図１１は、エッチングと画像化を同時に実行する本発明の一実施形態の諸ステップを示す。ステップ１１０２は、少なくとも２種類のイオンを生成するイオン源を提供することを含む。ステップ１１０４は、異なる元素組成をそれぞれが有する少なくとも２種類のイオンを含むイオン・ビームを生成するイオン・ビーム・カラムを提供することを含む。このとき、１つのイオン種はより低い質量を有し、１つのイオン種はより高い質量を有する。ステップ１１０６は、試料の処理と試料の画像化を同時に実行するために、少なくとも２種類のイオンを含む粒子ビームを試料に向かって導くことを含む。次いで、ステップ１１０８は、より軽いイオンの衝突によって試料から放出された２次電子を検出して、少なくとも１つの表面下の特徴部分の画像を形成することを含む。ステップ１１０で十分な特徴部分が露出した場合、画像化された表面下の特徴部分の位置を使用して、イオン・ビームを試料に向かって導く。ステップ１１１１では、より重いイオン種のイオンを使用して試料表面をミリングすることにより試料を処理する。処理および画像化が完了したらこの方法はステップ１１１２で終了となる。いくつかの実施形態では、ビーム中の粒子の百分率を変更して、集束イオン・ビームの画像化能力および処理能力を微調整することができる。より高濃度の重いイオンは、材料を高速で除去することを可能にし、より高濃度の軽いイオンは、十分な表面下画像化を可能にする。

したがって、本発明の好ましい実施形態は、試料上の対象の特徴部分への高精度のビーム配置および誘導のための装置であって、２種類以上の元素種のイオンを生成するイオン源と、２種類以上の元素種のイオンを含む共軸の混合イオン・ビームを生成し、試料にまたは試料の近くに混合ビームの焦点を結ばせる粒子ビーム・カラムとを備える装置を提供する。本発明の好ましい実施形態は、コンピュータ命令を記憶したコンピュータ可読の記憶装置をさらに備え、より軽いイオン種のイオンが試料に衝突した結果として放出された２次電子を検出して、試料の表面下の特徴部分の画像を形成するステップと、画像化された表面下の特徴部分の位置を使用して、イオン・ビームを試料に向かって導くステップと、より重いイオン種のイオンを使用して試料表面をミリングすることにより試料を処理するステップとを実行するように前記装置を制御するプログラムを前記命令が含む。

好ましい実施形態によれば、イオン源が、＜２０ａｍｕの質量を有するより軽い元素種のイオンと＞２８ａｍｕの質量を有するより重い元素種のイオンの混合物を生成する。好ましい他の実施形態によれば、より重い元素種の原子質量が、より軽い元素種の原子質量の少なくとも２倍であり、またはより重い元素種の原子質量が、より軽い元素種の原子質量よりも少なくとも４０ａｍｕ大きい。好ましくは、イオン源が、より軽い元素種のイオンとより重い元素種のイオンとを含むイオンの混合物を生成し、より軽い元素種が、混合ビームを試料表面に集束させたときにより軽い元素種のイオンが試料表面を突き抜けて＞１２０ｎｍの深さに達するのに十分な低い原子質量を有し、より重い元素種が、混合ビームを試料表面に集束させたときにより重い元素種のイオンが試料材料をスパッタリングによって迅速に除去するのに十分な高い原子質量を有する。

好ましい実施形態によれば、イオン源がプラズマ源であり、前記プラズマ源が、２種類以上の元素種のイオンを生成するために複数のガスを同時に送達する複数のガス源を含み、前記２種類以上の元素種のイオンが前記２種類以上の元素種類間の所望の比率を有する。好ましくは、プラズマ源に送達される複数のガスの量を調整して、２種類以上の元素種間の生成されるイオンの比率を変化させることができる。

好ましい他の実施形態によれば、イオン源が、より低い質量を有する１種類の元素種のイオンおよびより高い質量を有する他のイオン種を生成する合金液体金属イオン源である。ＬＭＩＳを使用する場合には特に、本発明が、より低質量のイオンとより高質量のイオンとを分離して、より軽いイオンとより重いイオンのうちの一方のイオンだけをビームが含むようにする質量フィルタと、コンピュータ命令を記憶したコンピュータ可読の記憶装置であり、前記少なくとも第１および第２の種のイオンを選択された頻度で交互に迅速に切り換えるように前記装置を制御するプログラムを前記命令が含むコンピュータ可読の記憶装置とをさらに備えることが好ましい。好ましくは、より軽いイオンまたはより重いイオンが質量フィルタによって分離される時間の長さが、試料処理よりもむしろ表面下画像化に好都合なように調整され、または表面下画像化よりもむしろ試料処理に好都合なように調整される。

本発明の好ましい実施形態はさらに、試料上の対象の特徴部分の位置を正確に決定するための装置であって、試料を画像化および／またはミリングするためにビーム軸に沿った荷電粒子ビームを生成する粒子ビーム・カラムと、粒子ビームを構成する荷電粒子の供給源であり、少なくとも第１および第２の種のイオンを生成し、前記第１の種と前記第２の種が異なる元素組成および異なる原子量を有する供給源と、前記少なくとも第１および第２の種のイオンを分離して、第１の種のイオンと第２の種のイオンのうちの一方のイオンだけを荷電粒子ビームが含むようにする質量フィルタと、コンピュータ命令を記憶したコンピュータ可読の記憶装置であり、前記少なくとも第１および第２の種のイオンを選択された頻度で交互に迅速に切り換えるように前記装置を制御するプログラムを前記命令が含むコンピュータ可読の記憶装置とを備える装置を提供する。

本発明の好ましい実施形態はさらに、表面下の特徴部分を有する試料を処理する方法であって、少なくとも２種類のイオンを生成するイオン源と、イオン・ビームを生成するイオン・ビーム・カラムとを含む粒子ビーム・システムを提供することを含み、このビームが、前記少なくとも２種類のイオンを含み、前記少なくとも２種類のイオンが異なる元素組成を有し、前記少なくとも２種類のイオンが、より低い原子質量を有するより軽いイオン種とより高い原子質量を有するより重いイオン種とを含み、この方法がさらに、試料を画像化し処理するためにイオン・ビームを試料に向かって導くこと、より軽いイオン種のイオンが試料に衝突した結果として放出された２次電子を検出して、試料の表面下の特徴部分の画像を形成すること、画像化された表面下の特徴部分の位置を使用して、イオン・ビームを試料に向かって導くこと、およびより重いイオン種のイオンを使用して試料表面をミリングすることにより試料を処理することを含む方法を提供する。好ましいいくつかの実施形態によれば、画像化された表面下の特徴部分の位置を使用して、イオン・ビームを試料に向かって導くことが、表面下画像の上にＣＡＤ設計データの図表示を重ね合わせ、ＣＡＤ設計データに対する表面下画像の位置合せを実行すること、ＣＡＤ設計データからの既知の座標を使用して、粒子ビーム・システムをターゲット位置まで誘導すること、および表面下の特徴部分を再画像化して、ターゲットの位置を決定し、ビームをターゲット位置まで誘導することを含む。

以上の本発明の説明は主に、軽いイオンと重いイオンの混合物からなるイオン・ビームを生成し使用する方法を対象としているが、そのような方法を実行する装置も本発明の範囲に含まれることを認識すべきである。さらに、本発明の実施形態は、コンピュータ・ハードウェアもしくはコンピュータ・ソフトウェア、またはコンピュータ・ハードウェアとコンピュータ・ソフトウェアの組合せによって実現することができることも認識すべきである。本発明の方法は、標準プログラミング技法を使用した、本明細書に記載された方法および図に基づくコンピュータ・プログラムとして実現することができ、このコンピュータ・プログラムには、コンピュータ・プログラムを含むように構成されたコンピュータ可読の記憶媒体が含まれ、そのように構成された記憶媒体は、コンピュータを、予め定義された特定の方式で動作させる。コンピュータ・システムと通信するため、それぞれのプログラムは、高水準手続き型プログラミング言語またはオブジェクト指向プログラミング言語で実現することができる。しかしながら、所望ならば、それらのプログラムを、アセンブリ言語または機械語で実現することもできる。いずれにせよ、その言語は、コンパイルまたは解釈される言語とすることができる。さらに、そのプログラムは、そのプログラムを実行するようにプログラムされた専用集積回路上で実行することができる。

さらに、方法論は、限定はされないが、荷電粒子ツールもしくは他の画像化デバイスとは別個の、荷電粒子ツールもしくは他の画像化デバイスと一体の、または荷電粒子ツールもしくは他の画像化デバイスと通信するパーソナル・コンピュータ、ミニコンピュータ、メインフレーム、ワークステーション、ネットワーク化されたコンピューティング環境または分散コンピューティング環境、コンピュータ・プラットホームなどを含む、任意のタイプのコンピューティング・プラットホームで実現することができる。本発明の諸態様は、取外し可能であるか、またはコンピューティング・プラットホームと一体であるかを問わない、ハードディスク、光学式読取りおよび／または書込み記憶媒体、ＲＡＭ、ＲＯＭなどの記憶媒体上または記憶装置上に記憶された機械可読コードであって、プログラム可能なコンピュータが、本明細書に記載された手順を実行するために、その記憶媒体または記憶装置を読んだときにそのコンピュータを構成し、動作させるために、そのコンピュータが読むことができるように記憶された機械可読コードとして実現することができる。さらに、機械可読コードまたは機械可読コードの一部を、有線または無線ネットワークを介して伝送することができる。本明細書に記載された発明は、マイクロプロセッサまたは他のデータ処理装置と連携して上述の諸ステップを実現する命令またはプログラムを含む、これらのさまざまなタイプのコンピュータ可読記憶媒体、およびその他のさまざまなタイプのコンピュータ可読記憶媒体を含む。本発明はさらに、本明細書に記載された方法および技法に従ってプログラムされたコンピュータを含む。

入力データに対してコンピュータ・プログラムを使用して、本明細書に記載された機能を実行し、それによって入力データを変換して出力データを生成させることができる。この出力情報は、表示モニタなどの１つまたは複数の出力装置に出力される。本発明の好ましい実施形態では、変換されたデータが物理的な実在する物体を表し、これには、その物理的な実在する物体の特定の視覚的描写を表示画面上に生成することが含まれる。

本発明の好ましい実施形態はさらに、粒子ビームを使用して試料を画像化するために、ＦＩＢ、ＳＥＭなどの粒子ビーム装置を利用する。試料を画像化するために使用されるこのような粒子は試料と本来的に相互作用し、その結果、試料はある程度、物理的に変形する。さらに、本明細書の全体を通じて、「計算する」、「決定する」、「測定する」、「生成する」、「検出する」、「形成する」、「重ね合わせる」、「画像化する」、「誘導する」などの用語を利用した議論は、コンピュータ・システムまたは同様の電子装置の動作および処理に言及し、そのコンピュータ・システムまたは同様の電子装置は、コンピュータ・システム内の物理量として表されたデータを操作し、そのデータを、その同じコンピュータ・システム内または他の情報記憶装置、伝送装置もしくは表示装置内の、物理量として同様に表された他のデータに変換し、あるいは粒子ビーム・システムの動作を制御する。

本発明は幅広い適用可能性を有し、上記の例において説明し、示した多くの利点を提供することができる。本発明の実施形態は、具体的な用途によって大きく異なる。全ての実施形態が、これらの全ての利点を提供するわけではなく、全ての実施形態が、本発明によって達成可能な全ての目的を達成するわけでもない。本発明を実施するのに適した粒子ビーム・システムは例えば、本出願の譲受人であるＦＥＩ Ｃｏｍｐａｎｙから市販されている。

以上の説明の多くは半導体ウェーハを対象としているが、本発明は、適当な任意の基板または表面に対して使用することができる。また、本明細書において、用語「自動」、「自動化された」または類似の用語が使用されるとき、これらの用語は、自動プロセスもしくは自動ステップまたは自動化されたプロセスもしくは自動化されたステップの手動による開始を含むものと理解される。以上の議論および特許請求の範囲では、用語「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」および「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」が、オープン・エンド（ｏｐｅｎ−ｅｎｄｅｄ）型の用語として使用されており、したがって、これらの用語は、「．．．を含むが、それらだけに限定はされない」ことを意味すると解釈すべきである。用語「集積回路」は、マイクロチップの表面にパターン形成された一組の電子構成部品およびそれらの相互接続（ひとまとめにして内部電気回路要素）を指す。用語「半導体デバイス」は、総称的に、集積回路（ＩＣ）を指し、この集積回路（ＩＣ）は、半導体ウェーハと一体でも、またはウェーハから切り離されていても、または回路板上で使用するためにパッケージングされていてもよい。本明細書では用語「ＦＩＢ」または「集束イオン・ビーム」が、イオン光学部品によって集束させたビームおよび整形されたイオン・ビームを含む、平行イオン・ビームを指すために使用される。

本明細書で特に定義されていない場合、その用語は、その通常の一般的な意味で使用されることが意図されている。添付図面は、本発明の理解を助けることが意図されており、特に明記しない限り、一律の尺度では描かれていない。

本発明および本発明の利点を詳細に説明したが、添付の特許請求の範囲によって定義された本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、本明細書に記載された実施形態に、さまざまな変更、置換および改変を加えることができることを理解すべきである。さらに、本出願の範囲が、本明細書に記載されたプロセス、機械、製造、組成物、手段、方法およびステップの特定の実施形態に限定されることは意図されていない。当業者なら本発明の開示から容易に理解するように、本明細書に記載された対応する実施形態と実質的に同じ機能を実行し、または実質的に同じ結果を達成する既存のまたは今後開発されるプロセス、機械、製造、組成物、手段、方法またはステップを、本発明に従って利用することができる。したがって、添付の特許請求の範囲は、その範囲内に、このようなプロセス、機械、製造、組成物、手段、方法またはステップを含むことが意図されている。

Claims (39)

1. 試料上の対象の特徴部分への高精度のビーム配置および誘導のための装置であって、
   ２種類以上の元素種のイオンを生成するイオン源と、
   ２種類以上の元素種のイオンを含む共軸の混合イオン・ビームを生成し、前記試料にまたは前記試料の近くに前記混合ビームの焦点を結ばせる粒子ビーム・カラムと
   を備える装置。
2. 前記イオン源が、２０ａｍｕより小さい質量を有するより軽い元素種のイオンと２８ａｍｕより大きい質量を有するより重い元素種のイオンの混合物を生成する、請求項１に記載の装置。
3. 前記イオン源が、より軽い元素種のイオンとより重い元素種のイオンの混合物を生成し、前記より重い元素種の原子質量が、前記より軽い元素種の原子質量の少なくとも２倍である、請求項１に記載の装置。
4. 前記より軽い元素種の原子質量が２０ａｍｕよりも小さい、請求項３に記載の装置。
5. 前記より重い元素種の原子質量が２８ａｍｕよりも大きい、請求項３に記載の装置。
6. 前記イオン源が、より軽い元素種のイオンとより重い元素種のイオンとを含むイオンの混合物を生成し、前記より重い元素種の原子質量が、前記より軽い元素種の原子質量よりも少なくとも４０ａｍｕ大きい、請求項１に記載の装置。
7. 前記イオン源が、より軽い元素種のイオンとより重い元素種のイオンとを含むイオンの混合物を生成し、前記より軽い元素種が、前記混合ビームを前記試料表面に集束させたときに前記より軽い元素種の前記イオンが前記試料表面を突き抜けて１２０ｎｍより大きい深さに達するのに十分な低い原子質量を有し、前記より重い元素種が、前記混合ビームを前記試料表面に集束させたときに前記より重い元素種の前記イオンが試料材料をスパッタリングによって迅速に除去するのに十分な高い原子質量を有する、請求項１に記載の装置。
8. 前記イオン源がプラズマ源であり、前記プラズマ源が、２種類以上の元素種のイオンを生成するために複数のガスを同時に送達する複数のガス源を含む、請求項１に記載の装置。
9. 複数のガス源を含む前記プラズマ源が２種類以上の元素種のイオンを生成し、前記２種類以上の元素種の前記イオンが、前記２種類以上の元素種類間の所望の比率を有する、請求項８に記載の装置。
10. 前記プラズマ源に送達される前記複数のガスの量を調整して、前記２種類以上の元素種間の生成されるイオンの比率を変化させることができる、請求項９に記載の装置。
11. 前記イオン源がプラズマ源であり、前記プラズマ源が、２種類以上の元素種のイオンを生成するために複数のガスを同時に送達する複数のガス源を含み、前記プラズマ源に送達される前記複数のガスの量を調整して、前記２種類以上の元素種間の生成されるイオンの比率を変化させることができる、請求項２に記載の装置。
12. 前記混合ビーム中の前記２種類以上の元素種のイオンが、前記試料の処理と前記試料の画像化を同時に実行する、請求項１に記載の装置。
13. 動作時、前記より軽い元素種の前記イオンを使用して、８０ｎｍより大きい深さまでの前記試料の表面下画像を生成することができる、請求項２に記載の装置。
14. 動作時、前記より重い元素種の前記イオンを使用して、試料材料を迅速に除去することができる、請求項１３に記載の装置。
15. 動作時、前記表面下画像を使用して前記材料除去を制御することができる、請求項１４に記載の装置。
16. 動作時、前記混合ビーム中の軽い元素種とより重い元素種の比率を変化させて、前記試料の前記画像化および／または前記エッチングを微調整することができる、請求項１４に記載の装置。
17. コンピュータ命令を記憶したコンピュータ可読の記憶装置をさらに備え、
    前記より軽いイオン種のイオンが前記試料に衝突した結果として放出された２次電子を検出して、前記試料の表面下の特徴部分の画像を形成するステップと、
    画像化された前記表面下の特徴部分の位置を使用して、前記イオン・ビームを前記試料に向かって導くステップと、
    前記より重いイオン種の前記イオンを使用して前記試料表面をミリングすることにより前記試料を処理するステップと
    を実行するように前記装置を制御するプログラムを前記命令が含む、請求項１４に記載の装置。
18. 前記イオン源が合金液体金属イオン源である、請求項１に記載の装置。
19. 前記合金がＡｕＳｉＢｅ、ＡｕＳｉまたはＡｓＰｄＢである、請求項１８に記載の装置。
20. 前記合金液体金属イオン源が、より低質量を有する１種類の元素種のイオンおよびより高質量を有する他のイオン種を生成する、請求項１８に記載の装置。
21. 使用する合金液体金属イオン源のタイプが、所与の合金液体金属イオン源が生成するより軽いイオン種とより重いイオン種の比率によって決定される、請求項２０に記載の装置。
22. 前記より低質量のイオンと前記より高質量のイオンとを分離して、前記より軽いイオンと前記より重いイオンのうちの一方のイオンだけを前記ビームが含むようにする質量フィルタと、
    コンピュータ命令を記憶したコンピュータ可読の記憶装置であり、少なくとも第１および第２の種のイオンとを選択された頻度で交互に迅速に切り換えるように前記装置を制御するプログラムを前記命令が含むコンピュータ可読の記憶装置と
    をさらに備える、請求項２０に記載の装置。
23. より軽いイオンが前記試料の表面下画像化のためのイオンであり、前記より重いイオンが前記試料を処理するためのイオンである、請求項２２に記載の装置。
24. 前記より軽いイオンまたは前記より重いイオンが前記質量フィルタによって分離される時間の長さが、試料処理よりもむしろ表面下画像化に好都合なように調整され、または表面下画像化よりもむしろ試料処理に好都合なように調整される、請求項２３に記載の装置。
25. コンピュータ命令を記憶したコンピュータ可読の記憶装置をさらに備え、
    前記より軽いイオン種のイオンが前記試料に衝突した結果として放出された２次電子を検出して、前記試料の表面下の特徴部分の画像を形成するステップと、
    画像化された前記表面下の特徴部分の位置を使用して、前記イオン・ビームを前記試料に向かって導くステップと、
    前記より重いイオン種の前記イオンを使用して前記試料表面をミリングすることにより前記試料を処理するステップと
    を実行するように前記装置を制御するプログラムを前記命令が含む、請求項２３に記載の装置。
26. 前記イオン源が、異なる２種類以上の元素種のイオンを生成する合金液体金属イオン源であり、少なくとも１種類の元素種のイオンを除去し、異なる２種類の元素種のイオンの混合ビームを前記試料上に集束させることを可能にする目的に使用する質量フィルタを前記装置がさらに備える、請求項１８に記載の装置。
27. 試料上の対象の特徴部分の位置を正確に決定するための装置であって、
    前記試料を画像化および／またはミリングするためにビーム軸に沿った荷電粒子ビームを生成する粒子ビーム・カラムと、
    前記粒子ビームを構成する荷電粒子の供給源であり、少なくとも第１および第２の種のイオンを生成し、前記第１の種と前記第２の種が異なる元素組成および異なる原子質量を有する供給源と、
    前記少なくとも第１および第２の種のイオンを分離して、前記第１の種のイオンと前記第２の種のイオンのうちの一方のイオンだけを前記荷電粒子ビームが含むようにする質量フィルタと、
    コンピュータ命令を記憶したコンピュータ可読の記憶装置であり、前記少なくとも第１および第２の種のイオンを選択された頻度で交互に迅速に切り換えるように前記装置を制御するプログラムを前記命令が含むコンピュータ可読の記憶装置と
    を備える装置。
28. イオン種を切り換える前記頻度が少なくとも１０分の１秒に１回である、請求項２７に記載の装置。
29. イオン種の前記切換えが、オペレータには前記画像化と処理が同時に実施されているように思える十分に高い頻度で実施される、請求項２７に記載の装置。
30. 前記少なくとも第１および第２の種のイオンを選択された頻度で交互に迅速に切り換えることが、前記質量フィルタの電圧に周期関数を所望の頻度で適用することによって達成される、請求項２７に記載の装置。
31. 前記ビームの操作中に前記頻度を調整することができる、請求項３０に記載の装置。
32. 第１の種のイオンが、前記試料の表面下画像化のためのより軽い種のイオンであり、前記第２の種のイオンが、前記試料を処理するためのより重い種のイオンである、請求項２８に記載の装置。
33. 前記第１および第２の種のイオンのうちのそれぞれの種のイオンが前記質量フィルタによって分離される時間の長さが、試料処理よりもむしろ表面下画像化に好都合なように調整され、または表面下画像化よりもむしろ試料処理に好都合なように調整される、請求項３２に記載の装置。
34. 表面下の特徴部分を有する試料を処理する方法であって、
    少なくとも２種類のイオンを生成するイオン源と、イオン・ビームを生成するイオン・ビーム・カラムとを含む粒子ビーム・システムを提供すること
    を含み、前記ビームが、前記少なくとも２種類のイオンを含み、前記少なくとも２種類のイオンが異なる元素組成を有し、前記少なくとも２種類のイオンが、より低い原子質量を有するより軽いイオン種とより高い原子質量を有するより重いイオン種とを含み、前記方法がさらに、
    前記試料を画像化し処理するために前記イオン・ビームを前記試料に向かって導くこと、
    前記より軽いイオン種のイオンが前記試料に衝突した結果として放出された２次電子を検出して、前記試料の表面下の特徴部分の画像を形成すること、
    画像化された前記表面下の特徴部分の位置を使用して、前記イオン・ビームを前記試料に向かって導くこと、および
    前記より重いイオン種の前記イオンを使用して前記試料表面をミリングすることにより前記試料を処理すること
    を含む方法。
35. 前記少なくとも２種類のイオンのうちの少なくとも１種類のイオンの前記ビーム中での濃度を変化させて、前記試料の前記画像化および／または前記処理を微調整することをさらに含む、請求項３４に記載の方法。
36. 前記少なくとも２種類のイオンのうちの少なくとも１種類のイオンの濃度を変化させることが、前記試料を処理および／または画像化している間に実行される、請求項３５に記載の方法。
37. 前記表面下の特徴部分の前記画像を使用して、前記ビームを使用した前記試料のミリングを停止させるときを決定することをさらに含む、請求項３４に記載の方法。
38. 画像化された前記表面下の特徴部分の位置を使用して、前記イオン・ビームを前記試料に向かって導くことが、
    前記表面下画像の上にＣＡＤ設計データの図表示を重ね合わせ、前記ＣＡＤ設計データに対する前記表面下画像の位置合せを実行すること、
    前記ＣＡＤ設計データからの既知の座標を使用して、前記粒子ビーム・システムをターゲット位置まで誘導すること、および
    前記表面下の特徴部分を再画像化して、前記ターゲットの位置を決定し、前記ビームを前記ターゲット位置まで誘導すること
    を含む、請求項３４に記載の方法。
39. 誘導目的で表面下画像を画像化するために前記ビームを使用するときには、より重いイオンに対するより軽いイオンの濃度を大きくし、前記表面下の特徴部分の位置が決定された後は、試料処理をより迅速にするために、前記ビーム中のより重いイオンの濃度を増大させることをさらに含む、請求項３５に記載の方法。

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