JP4932117B2 - 基板の断面の画像化装置 - Google Patents

Description

本発明は粒子ビームに関し、詳細に述べると粒子ビームを使用して半導体基板の断面を画像化する装置と方法に関する。
背景
集積回路は半導体基板またはウェーハ内深くまで達した素子を組み込むことがしばしばある。このような集積回路の製造においては、これらの素子の構造を定期的に検査することが望ましい。大抵の場合、これは集積回路が形成されたウェーハの断面を検査することによって達成される。
【０００１】
半導体基板の断面を検査する従来の方法として一般に、断面表面を露出させるために基板から材料を取り除く方法がある。この方法はこの後に画像化ビームによる断面表面の照射が続く。断面表面を露出する段階は一般に半導体基板の前面を集束イオンビームで走査し深溝を掘ることによって達成される。この深溝の垂直な壁は画像化ビームによって画像化される断面表面を形成する。
【０００２】
この画像化ビームは一般に走査用集束イオンビームによって露出される断面表面を走査する粒子ビームである。この粒子ビームと断面表面との相互作用の結果、荷電粒子が放出される。これらの荷電粒子は検出器で検出され、そのデータがプロセッサに供給されて半導体基板の断面画像に変換される。
【０００３】
断面の画像を得る前記の方法の欠点は、集束イオンビームを使用して断面表面が１点ずつ露光されることである。イオンビームは微小な点に集束されるので、このイオン源は微小な区域に大きなイオン電流を与えられるものでなければならない。「輝く」イオン源と呼ばれるこのようなイオン源は一般に、室温または室温よりやや高い温度で液体である金属をイオン源として使用する。簡略のために、このような金属を「液体金属」と呼ぶ。これらの液体金属のうちで、その沸点が高いことからガリウムが一般に最も実用的であると考えられている。
【０００４】
残念ながら、ガリウムのような漂遊金属イオンを半導体製造プロセスに導入することは極めて好ましくない。集束イオンビームへ露光した後に半導体基板上に残った金属イオンはたとえ存在が微量であっても基板上に形成された他の回路を拡散により汚染する可能性がある。この結果、ウェーハ断面の検査の後にウェーハ全体を廃棄することが日常的に行われている。
【０００５】
したがって、先行技術において基板上に漂遊金属イオンを付着させずに基板断面を画像化する方法と装置を提供することが望まれている。
概要
本発明による装置は、基板を横切って集束イオンビームを走査する代わりに開口の像を基板上に投影することによって基板上に深溝を掘る。これによってイオン源は高輝度源でなければならないという制約が緩和され、液体金属源以外のイオン源の使用に対して門戸が開かれる。
【０００６】
さらに詳細に述べると、本発明を実施する装置では、開口のイオンビーム像を製造過程加工品前面上に投影することによって画像化すべき断面表面が外に露出される。この製造過程加工品は一般に半導体基板またはウェーハである。イオンビーム源は製造過程加工品の前面上に直接集束しないので、イオン源の輝度に関する制約は著しく緩和される。特に本発明の原理を組み込んだ装置においては、液体金属源以外のイオン源でイオンビームを発生することができる。漂遊金属イオンによる汚染の危険が減るので、本発明の装置は特に半導体ウェーハの断面画像化に適している。
【０００７】
本発明による装置は、第１の軸に沿って伸張する成形ビームイオンプロジェクション円柱部を備えている。このイオンプロジェクション円柱部は製造過程加工品に開口の像を照射し、これによって任意の倍率を含めイオンプロジェクション円柱部によって投影されたような開口の寸法と形を有するこの加工品の一部を掘り出す。この加工品の掘り出された部分の垂直な壁は、その後で集束粒子ビーム円柱部が発生した集束粒子ビームによって照射される断面表面を形成する。集束粒子ビーム円柱部は、第１の軸と所定の角度で交差する第２の軸に沿う方向に向けられている。この所定の角度は装置の操作員が固定するかあるいは調整するかそのどちらも可能である。
【０００８】
集束粒子ビーム円柱部は、集束粒子ビームが電子ビームである走査型電子顕微鏡、あるいは集束粒子ビームがイオンビームである走査型集束イオンビーム円柱部のどちらでも可能である。
成形ビームイオンプロジェクション円柱部のイオン源は輝度が相対的に低いイオン源を使用できる。このような輝度が低いイオン源は一般に１０００００ａｍｐｓ／ｃｍ２／ステラジアンより低い輝度が特徴となっている。これらの輝度が低いイオン源として、プラズマ源、または表面プラズマ源が可能である。しかしながら、このイオン源はガリウム源のような液体金属源でもよい。
【０００９】
成形ビームイオンプロジェクション円柱部は、掘るべき領域の形をした開口を有するマスクを具備することができる。このマスクは一般にイオン源とウェーハ表面の間に配置される。開口はどのような形でもよいが、画像化された断面表面を容易に形成するために開口は少なくとも１つのまっすぐな縁を有することが好ましい。
【００１０】
実際には、開口の縁は完全に滑らかにすることはできない。開口の縁における不備点の影響を低減するために、本発明の装置はさらに任意選択のディザリング処理装置を備える。このようなディザリング処理装置はマスクとウェーハ表面の間に配置される偏向板を備える。これら偏向板上の電圧の時間による変化が、開口の像を形成するイオンがウェーハ表面に行く途中で通過する電場の時間による変化を引き起こす。イオンビームが通る、時間と共に変化する電場に応じてイオンビームを周期的に移動することによって製造過程加工品前面上に投影された像の位置が周期的に変化することになる。投影された像の位置を周期的に変化させることによって開口の縁に関する不備点の影響が平均化される。
【００１１】
他の実施形態では、製造過程加工品支持物が、イオンビーム円柱部が発生したイオンビームに対して選択可能な角度で製造過程加工品を保持する。この実施形態において、装置は切削モードと画像化モードの間で切り替わる。切削モードでは、製造過程加工品支持物は、製造過程加工品の前面がイオンビームに対して垂直になるように製造過程加工品を保持する。その後イオンビーム円柱部が前面上に開口の像を結像させ、投影された開口の寸法と形を有するこの加工品の部分を掘り出す。この加工品の掘り出された部分の垂直な壁が断面表面を形成する。画像化モードでは、製造過程加工品支持物が製造過程加工品をイオンビームに対してある角度で保持する。このモードでは、イオンビーム円柱部が断面表面に沿って集束イオンビームを走査し、これによって断面表面の画像を形成する。
詳細な説明
図１に示すように、製造過程加工品１１の断面の画像を得る粒子ビーム装置１０は、開口の像を製造過程加工品１１の前面１４上に投影するように構成された成形ビームイオンプロジェクション円柱部１２を備えている。プロジェクション円柱部１２は、イオンビームが製造過程加工品１１の前面１４に対して垂直入射になるようにその前面１４に垂直な第１の軸１８に沿う方向に向けられていることが好ましい。
【００１２】
この装置１０は、第２の軸２２が第１の軸１８と選択された角度で交差するように第１の軸１８に対して傾斜した第２の軸２２に沿う方向に向けられた集束粒子ビーム画像化円柱部２０をさらに備えている。選択された角度は９０度以外の角度であり、３０度から６０度の間で選択されることが好ましい。しかしながら、本発明は他の非直角の角度を含んでいる。
【００１３】
製造過程加工品１１は、プロセッサ２８によって与えられる指令に応じて移動できる作業台２４上に据えられている。プロジェクション円柱部１２および画像化円柱部２０に対しても指令を与えるプロセッサ２８は、ユーザ・インターフェース３０を使用してプロセッサ２８と通信している操作員が制御している。ユーザ・インターフェース３０はキーボード型および／またはタッチ感応型表示画面である。
【００１４】
図２にさらに詳細に示されるプロジェクション円柱部１２は、第１の軸１８と同一線上にあり製造過程加工品１１の方向に向いたイオンビームを放出するイオン源３２を備えている。製造過程加工品１１へ行く途中で、このイオンビームはマスク３６内の開口３４を通過する。この開口３４の形がイオンビームによって掘られる予定の製造過程加工品１１の領域の形を規定する。イオンビームはその後製造過程加工品１１の前面１４上に開口の像を結像させるレンズ系３８を通過する。好ましい実施形態においては、レンズ系３８のレンズの数と配置を選択して開口像の照度と拡大率を制御する。
【００１５】
製造過程加工品１１の掘られた部分の壁の鋭敏さはレンズ系３８がもたらす像がぼやける程度に依存する。レンズ系３８が開口像を最適焦点位置に結像する場合は、掘られた部分の縁が明瞭に規定されることになる。そうでない場合は、製造過程加工品に投影されたようなイオン源の角度と製造過程加工品の最適焦点面からのずれの程度との積によって近似される量だけ縁がぼけるようになる。最大許容変位は一般に装置の焦点深度と呼ばれる。
【００１６】
マスク３６内に形成される開口３４の形状は矩形、三角形、円形、あるいはその他任意の開口形状にすることができる。しかしながら、得られた製造過程加工品１１の掘られた領域が、画像化円柱部２０によって画像化される断面表面を形成する適当な長さの垂直壁を有するように開口３４は少なくとも１つのまっすぐな縁を備えることが好ましい。
【００１７】
イオン源３２は液体金属源が使用できるが、製造過程加工品１１の領域を掘るためにこのようなイオン源の輝度はもはや必要ではない。イオン電流が一定と仮定すると、集束イオンビーム装置の要求輝度（ｉ）とプロジェクションビーム装置の要求輝度（ｉｉ）の比は集束イオンビームで照射される面積とプロジェクションビーム装置において投影された開口の面積の比に依存する。典型的な１００ナノメートルの直径を持つ円の集束イオンビーム照射および典型的な１辺の長さが１０ミクロンの投影開口については、イオン源の要求輝度は１万分の１に低減される。
【００１８】
プロジェクション装置のイオン源はこのような高輝度にする必要がないので、プロジェクション円柱部を組み込んだ装置は選択範囲がより広範なイオン源が利用できる。１つの好ましい実施形態において、イオン源３２は微量の金属イオンも放出しない。このような好ましいイオン源として、プラズマ源、電界放出ガスイオン源、または表面プラズマ源がある。輝度が低いイオン源は一般に１０００ａｍｐｓ／ｃｍ２／ステラジアンより低い輝度が特徴となっている。
【００１９】
プロジェクション円柱部１２のイオン源の選択は、イオン源３２のエミッタンスが基板の一領域を掘るのに適したイオン密度を与えるに足るだけの十分高いものでなければならないという要求によって制約されている。エミッタンスはイオンビームの投影された面積とそのビームの光学面上の集束角度との積である。プロジェクション装置のイオン源の要求エミッタンスは一般にプローブ装置の要求エミッタンスより何桁も大きい。エミッタンスおよび輝度の概念についてのさらに詳しい議論は、本明細書で参考文献に含めたＰ．ＨａｗｋｅｓおよびＥ．Ｋａｓｐｅｒ著「Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｏｐｔｉｃｓ」に見いだされる。
【００２０】
実際上、高エミッタンスの要件は点源の代わりに拡大したイオン源を設けることによって満たされる。本発明の実施に適した拡大源の例が「Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｉｏｎ Ｓｏｕｒｃｅｓ ｆｏｒ Ｉｏｎ Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ」、Ｙ．Ｌｅｅ等、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｖａｃｕｕｍ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、Ｂ１４（６）、３９４７（１９９６）に与えられている。
【００２１】
開口３４の形成における不備点のため、開口３４の縁は完全には滑らかにならない。開口３４の縁のどのような粗さについてもその影響を緩和するために、プロジェクション円柱部１２は任意選択でディザリング処理装置４０を備え開口３４の縁の粗さの影響を補正している。
【００２２】
例示したディザリング処理装置はレンズ系３８と製造過程加工品１１の間に配置される偏向板４２ａ、ｂを備えている。これらの偏向板４２ａ、ｂは信号源４４に接続され、この信号源が各偏向板の間に時間と共に変化する電場を供給する。イオンは荷電した粒子なので、図３に示すように、電場が時間と共に変化することによって製造過程加工品１１上に投影された像４５の動きが時間と共に変化することになる。信号源４４が発生する信号の振幅と周波数を適当に選ぶことによって、開口３４の縁の不備点の影響を平滑化または平均化することができ、これによって完全に滑らかな縁を有する開口をシミュレートしている。
【００２３】
偏向板４２ａ、ｂに印加する信号は、ディザリング処理動作の振幅が開口の縁の粗さよりも大きくなるように選択された振幅を有することが好ましい。信号周波数は製造過程加工品表面上に得られるくぼみがおおむね垂直な壁を有するように選択される。信号発生器４４が発生する好ましい波形は前記の要件に一致した振幅と周波数を有する三角波である。
【００２４】
図４は本発明による製造過程加工品の断面表面を画像化する方法４６を要約したものである。この方法は製造過程加工品上に開口の像を投影するステップ（ステップ４８）を含んでいる。この操作の結果製造過程加工品表面上に一定領域のくぼみができる。このくぼみ領域は後で画像化円柱部によって画像化される断面表面を形成する垂直壁を有する。任意選択として、ディザリング処理サブ装置が、製造過程加工品上の投影開口の位置をディザリング処理することによって開口のでこぼこな縁の影響を平滑化する（ステップ５０）。
【００２５】
適切な露光時間の後で、イオンビームを止める（ステップ５２）。露光時間はイオン源の特性、基板の性質、およびくほみ領域の所期深さに依存する。適切な露光時間は計算か、既知の方法の使用か、あるいは経験によって決定される。
プロジェクション円柱部によって露出された断面表面は次に画像化円柱部が供給する集束粒子ビームによって走査される（ステップ５４）。集束粒子ビームはイオンビームが使用できるが、イオンビームの分解能は電子ビームの分解能より著しく低い。画像化円柱部は製造過程加工品の掘削には使用しないので、イオンビームを使用することはなんら利益がない。したがって、好ましい実施形態では、製造過程加工品を画像化する集束粒子ビームとしては走査型電子顕微鏡が提供する電子ビームが使用される。
【００２６】
図５に示される本発明の第２の実施形態において、イオンビーム円柱部は製造過程加工品表面を掘削するプロジェクションモードと製造過程加工品の断面を画像化する画像化モードの間で切り替え可能である。プロジェクションモードでは、イオンビーム円柱部６２が開口像を製造過程加工品６４上に投影し、これによってその前面の一部を掘削し、画像化するために断面表面を露出する。製造過程加工品表面の掘削に関連する詳細は、第１の実施形態の装置１０のプロジェクション円柱部１２に関してこれまで説明したことと同一であり、ここで説明を繰り返す必要はない。
【００２７】
第２の実施形態の装置６０においては、製造過程加工品６４は傾斜した作業台６６の上に据えられている。操作員がプロセッサ７０に結合したユーザ・インターフェース７２を使用して与えた指令に応じて、作業台６６およびイオンビーム円柱部６２の両方につながるプロセッサ７０がこれらの構成要素を制御している。
【００２８】
操作時は、図５に示すようにイオンビーム円柱部６２は最初プロジェクションモードで運転され、そこでは製造過程加工品６４の表面がイオンビーム円柱部６２の円柱軸７４に対して垂直になるように傾斜作業台６６が製造過程加工品を保持している。このプロジェクションモードの間、図１および２に示すプロジェクション円柱部１２に関して上に説明したのと同じやり方でイオンビーム円柱部６２が製造過程加工品６４上に開口像を投影している。この結果製造過程加工品の断面表面が露出することになる。
【００２９】
断面表面の形成に続いて、図６に示すように、イオンビーム円柱部６２は画像化モードで運転される。画像化モードの間、傾斜作業台６６がイオンビーム円柱部６２の円柱軸７４に対してある角度で製造過程加工品６４の表面を保持している。このように傾斜することによって断面表面はイオンビーム円柱部６２が発生した集束イオンビームに露光される。したがって、第２の実施形態では、イオンビーム円柱部６２は製造過程加工品６４上へ開口像を投影するモードと、製造過程加工品上で集束粒子ビームを走査するモードの間で切り替えが可能である。前者の操作モードは製造過程加工品の一領域を掘るのに十分適しているが、画像の形成に使用することは簡単にはできない。後者の操作モードは画像化に十分適しているが、掘削するには多少不足している。
【００３０】
図７は図５および６に示される装置を使用して製造過程加工品の断面表面を画像化する方法７６の各段階を要約したものである。製造過程加工品はその前面がイオンビームに対して垂直になるような方向に向けられる（ステップ７８）。その後製造過程加工品上に開口像が投影される（ステップ８０）。この操作の結果製造過程加工品表面上にある領域のくぼみができる。このくぼみ領域は後で画像化円柱部によって画像化される断面表面を形成する垂直壁を有する。開口の縁が完全には滑らかでない範囲に対して、ディザリング処理サブ装置が製造過程加工品上の投影開口の位置をディザリング処理し（ステップ８２）、これによってどのような開口の縁のでこぼこの影響も平均化される。
【００３１】
適切な露光時間の後で、イオンビームを止める（ステップ８４）。露光時間はイオン源の特性、基板の性質、およびくほみ領域の所期深さに依存する。適切な露光時間は計算か、既知の方法の使用か、あるいは経験によって決定される。
断面表面が一旦プロジェクション円柱部によって露出されると、製造過程加工品はその前面がイオンビームとある角度で交差するように向きを変えられる（ステップ８６）。次にイオンビームが断面表面上に集束され、所期の断面表面画像を形成するためにその表面に沿って走査される（ステップ８８）。
【００３２】
このように、本発明が上に記載の目的を効果的に達成することがわかるであろう。本発明の範囲を逸脱することなく上記の構成である一定の変更を行うことが可能であるので、上記の説明または添付図面に含まれる事項はすべて例証として説明したものでありこれに限定するつもりで説明したものではない。
【００３３】
また以下の請求項は本明細書で説明した本発明の包括的かつ具体的なすべての特徴および言葉で表すとその範囲内に入ると言うことができる本発明の範囲のすべての記述を網羅しようとするものであることも理解されるだろう。以上この発明を説明してきたが、新規なものとして請求しまた特許証によって保護されるものは以下の通りである。
【図面の簡単な説明】
本発明の前記およびその他の目的、特徴および利点は以下の説明および添付図で明白になるだろう。
【図１】 本発明を組み込んだ断面画像化装置の第１の実施形態の概略説明図である。
【図２】 開口の像を製造過程加工品上に投影する図１のイオンビーム円柱部の図である。
【図３】 図２に示されるイオンビーム円柱部によって投影されるような製造過程加工品上の開口を示す図である。
【図４】 図３に示す製造過程加工品断面の画像化時に図１の装置が従う工程を示す工程の流れ図である。
【図５】 製造過程加工品の表面がイオンビームに対して垂直である切削モードで動作する断面画像化装置の第２の実施形態を示す図である。
【図６】 製造過程加工品の表面がイオンビームに対して傾斜している画像化モードで動作される図５の装置を示す図である。
【図７】 製造過程加工品断面の画像化時に図５および６の装置が従う工程を示す工程の流れ図である。

Claims (16)

1. １０００００ａｍｐｓ／ｃｍ²／ステラジアンより低い輝度のイオン源を有し、第１の軸に沿う方向に向けられ、製造過程加工品上に断面を形成するために前記製造過程加工品にイオンビームを照射する成形ビームイオンプロジェクション円柱部と、
   前記第１の軸と所定の角度で交差する第２の軸に沿う方向に向けられ、前記断面を照射する集束粒子ビームを発生する集束粒子ビーム円柱部と、
   を備え、前記イオン源が、プラズマ源、電界放出ガスイオン源、および表面プラズマ源からなる群から選択される、製造過程加工品の断面の画像化装置。
2. 前記集束粒子ビーム円柱部が走査型電子顕微鏡を含む請求項１に記載の装置。
3. 前記集束粒子ビーム円柱部が集束イオンビーム円柱部を含む請求項１に記載の装置。
4. 前記イオン源の輝度が１００００ａｍｐｓ／ｃｍ²／ステラジアンより低い請求項１に記載の装置。
5. 前記成形ビームイオンプロジェクション円柱部が、
   イオンビームを発生するイオン源と、
   マスクを通して形成される開口を有し、前記イオン源と前記製造過程加工品の間に配置されるイオン阻止マスクとを備える請求項１に記載の装置。
6. 前記成形ビームイオンプロジェクション円柱部がさらに、
   前記イオン阻止マスクと前記製造過程加工品の間に配置される偏向板と、
   前記偏向板上に電荷を印加するために前記偏向板に接続される電圧源とを備える請求項５に記載の装置。
7. 前記電圧源が、時間と共に変化する電荷を前記偏向板上に印加する信号発生器を備える請求項６に記載の装置。
8. 前記イオン阻止マスクが、少なくとも１つのまっすぐな縁を有する開口を投影するために少なくとも１つのまっすぐな縁を備える請求項５に記載の装置。
9. 前記所定の角度がほぼ３０度から６０度の間にある請求項１に記載の装置。
10. 前面を有する製造過程加工品の断面を画像化する装置であって、
    開口像が前記製造過程加工品上に投影される切削モードと集束イオンビームが前記製造過程加工品を照射する画像化モードの間で切り替えが可能であり、円柱部軸に沿う方向に向けられているイオンビームプロジェクション円柱部と、
    製造過程加工品支持物が前記円柱部軸に対して第１の角度で前記前面を保持する切削位置と、前記支持物が前記円柱部軸に対して第２の角度で前記前面を保持する画像化位置とを有する製造過程加工品支持物とを備え、
    前記切削モードによる投影は、１０００００ａｍｐｓ／ｃｍ²／ステラジアンより低い輝度のイオン源から照射される集束イオンビームを用いて行われ、
    前記イオン源が、プラズマ源、電界放出ガスイオン源、および表面プラズマ源からなる群から選択される画像化装置。
11. 前記円柱部軸と前記前面がほぼ垂直になるように前記第１の角度が選択される請求項１０に記載の装置。
12. 前記第２の角度がほぼ３０度から６０度の間にある請求項１０に記載の装置。
13. 第１の軸に沿って製造過程加工品上に、１０００００ａｍｐｓ／ｃｍ²／ステラジアンより低い輝度のイオン源から照射されるイオンビームを用いて開口のイオンビーム像を投影することによって前記製造過程加工品の断面表面を露出するステップと、
    前記第１の軸と所定の角度で交差する第２の軸に沿う方向に向けられた集束粒子ビームで前記断面表面を照射するステップとを含み、
    前記イオン源が、プラズマ源、電界放出ガスイオン源、および表面プラズマ源からなる群から選択される、製造過程加工品の断面を画像化する方法。
14. 輝度が１００００ａｍｐｓ／ｃｍ²／ステラジアンより低い前記イオン源を選択するステップをさらに含む請求項１３に記載の方法。
15. 前記露出するステップが、前記開口のイオンビーム画像をディザリング処理するステップをさらに含む請求項１３に記載の方法。
16. 前記ディザリング処理のステップが、周期的な波形の前記イオンビーム画像を偏向するステップを含む請求項１５に記載の方法。

Images