JP6271583B2 - 高アスペクト比構造体内への材料の付着 - Google Patents

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Description

本発明は、ナノ規模構造体（ｎａｎｏｓｃａｌｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を形成することに関し、詳細には、ビーム誘起付着を使用して高アスペクト比構造体を充填することに関する。
集積回路を形成する構造体および他のナノテクノロジは、ナノメートル規模の寸法を有する。より大規模な構造体に対して有用であったプロセスの多くは、ナノ規模の構造体を処理する目的には適当ではない。プロセス開発、プロセス制御および欠陥解析のためにこれらの構造体を観察する１つの方法は、集束イオン・ビームを使用して構造体の一部分を露出させ、露出させた構造体を、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）または透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）を使用して観察する方法である。観察する構造体を露出させるためにイオン・ビームが材料をミリングするときに、そのイオン・ビームが、構造体を歪めたり、観察を妨害するアーチファクトを生み出したりすることがある。
高アスペクト比（ｈｉｇｈ ａｓｐｅｃｔ ｒａｔｉｏ：ＨＡＲ）構造体は、高さが幅よりもはるかに大きい構造体である。例えば、高さが幅の３倍よりも大きな特徴部分（ｆｅａｔｕｒｅ）は高アスペクト比の特徴部分とみなされるであろう。例えば、集積回路の層間の穴の高さが、その幅の数倍であることがある。フラッシュ・メモリ内で使用される３Ｄ ＮＡＮＤ回路などの集積回路内の充填されていないコンタクトまたはバイアなどの高アスペクト比構造体を解析する際、従来のイオン・ビーム試料調製プロセスは、構造体の歪みなどの目を引くアーチファクト、およびイオン・ビーム・カーテン効果（ｃｕｒｔａｉｎ ｅｆｆｅｃｔ）を生じさせる。
このイオン・ビーム・カーテン効果またはカーテニング（ｃｕｒｔａｉｎｉｎｇ）は、異なるミリング速度で材料が除去されるときに生じる。このような状況は、同じビームによって異なる速度で除去される複数の材料からなる特徴部分をミリングするときに生じることがある。このような状況は、不規則な形状を有する表面をミリングするときにも生じることがある。例えば、関心の特徴部分が、スルー・シリコン・バイア（ｔｈｒｏｕｇｈ−ｓｉｌｉｃｏｎ ｖｉａ：ＴＳＶ）であることがある。ＴＳＶの断面を形成することは、ボイドおよび境界面の特性を評価するために半導体研究室において一般的に実施されている作業である。ＴＳＶの深さ（通常５０〜３００ｎｍ）のため、イオン・ビームを用いてＴＳＶの断面をミリングするとかなりのカーテニングが生じることがある。
充填されていない穴が試料上にあるとき、材料とこの空き領域に隣接した領域すなわち穴に隣接した領域との間のミリング速度の差は大きい。ミリング速度のこの大きな差の結果、穴の形状を歪めるカーテニング効果またはウォーター・フォール（ｗａｔｅｒ ｆａｌｌ）効果が生じる。このイオン・ビーム・プロセスの構造体の損傷およびアーチファクトは、高アスペクト比垂直構造体の解析の実行を困難にする。
特徴部分を露出させるためのイオン・ビーム・ミリングに起因する損傷およびアーチファクトのため、画像は、製造プロセスの結果を忠実には示さない。このことは、測定を妨げ、製造プロセスの評価を妨げる。それらの画像および測定値は試料調製の結果を示すものであって、製造プロセスの結果だけを示すものではないためである。
半導体構造体を解析用に調製する際に穴を充填する目的には通常、イオン・ビーム誘起付着が使用される。荷電粒子ビーム誘起付着を使用して高アスペクト比の穴を充填する際、穴の充填が均等でないと、しばしばボイドが生み出される。充填物は、領域を隔離し、ビームおよび前駆体ガスに対してその領域を閉鎖する傾向がある。
デバイス構造体のサイズが、１００ｎｍ範囲の限界寸法（ｃｒｉｔｉｃａｌ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ：ＣＤ）よりも小さくなり、層の数が増えるにつれ、新しい製造技術は、ＩＣデバイス用の高Ｋポリマー材料のような温度感受性の材料およびエネルギー感受性の材料上の特徴部分を含む、深いトレンチ、高アスペクト比（ＨＡＲ）構造体、直径２０ｎｍ未満の溝穴（ｃｈａｎｎｅｌ ｈｏｌｅ）または溝線（ｃｈａｎｎｅｌ ｌｉｎｅ）などの複雑な構造体上に微細に積み重ねられた層を生み出すことなど、巨大な要求に直面する。これまでのところ、従来技術は、構造体を充填する際にボイドを生み出すことなしに、または構造体の歪みなどのアーチファクトもしくはイオン・ビームのカーテン効果を生じさせることなしに、隙間を局所的に充填することができていない。
構造体を改変したりまたはアーチファクトを生み出したりすることなく高アスペクト比の穴を充填する方法が求められている。
米国特許第５，８５１，４１３号明細書 米国特許第５，４３５，８５０号明細書
本発明の目的は、ボイドを生み出すことなく微小な高アスペクト比の穴を充填する方法および装置を提供することにある。
本発明のいくつかの実施形態によれば、荷電粒子ビーム誘起付着を使用して、穴の中の穴の壁から離れたところ、典型的には穴の中央に構造体を付着させる。本発明のいくつかの実施形態によれば、比較的に高いエネルギーを有する電子ビームを用いた電子ビーム誘起付着を使用して構造体を付着させる。この構造体は、穴の縁と重ならない、通常は穴の断面積の５０パーセント未満をカバーするパターンでビームを導き、次いで、穴の縁と重なる第２のパターンでビームを導くことによって付着させる。第２のパターンは充填プロセスを完了させる。
アーチファクトを排除することによって、実施形態は、高アスペクト比３Ｄ ＩＣ構造体プロセス、ならびに穴、トレンチおよび他の構造体を含む他の高アスペクト比プロセスに対する信頼性の高い不良解析（ｆａｉｌｕｒｅ ａｎａｌｙｓｉｓ：ＦＡ）結果を提供する。
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大まかに概説した。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、本発明の目的と同じ目的を達成するために他の構造体を変更しまたは設計するための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、そのような等価の構造体は、添付の特許請求の範囲に記載された本発明の範囲を逸脱しないことを当業者は理解すべきである。
高アスペクト比の穴を充填する目的に使用される従来のビーム走査パターンを示す図である。 先行技術の穴充填プロセスの経過を示す図である。 先行技術の技法を使用して充填された穴の断面画像であり、充填物はボイドを含んでいる図である。 先行技術の技法を使用して充填されたいくつかの穴の断面画像であり、充填物はボイドを含んでいる図である。 高アスペクト比の穴を上から見た画像を示す図である。 中心穴の中でビームが、直径が次第に増大する円形パターンで走査される、好ましいビーム走査パターンを示す図である。 本発明の一実施形態を使用して充填され始めた穴を示す図である。 第１の走査パターンを使用して徐々に充填されている図４Ｃの穴を示す図である。 第１の走査パターンを使用した充填の後の穴を示す、図４Ｆの図に対応する顕微鏡写真である。 第１の走査パターン後に第２の走査パターンを使用して充填されている穴を示す図である。 図４Ｈの第２の走査パターンの完了後の穴の上面図である。 図４Ｉの充填された穴を斜めから見た図である。 図４Ａの高アスペクト比の穴を上から見た画像を示す図である。 充填プロセスのさまざまな段階を示す顕微鏡写真である。 充填プロセスのさまざまな段階を示す顕微鏡写真である。 充填プロセスのさまざまな段階を示す顕微鏡写真である。 本発明の一実施形態に従って充填された穴の断面を示す図である。 本発明の一実施形態に従って充填された複数の高アスペクト比の穴の断面を示す図である。 本発明の一実施形態の諸ステップを示す流れ図である。 本発明の他の実施形態の諸ステップを示す流れ図である。 本発明の一実施形態に従って部分的に充填された高アスペクト比の溝を示す図である。 溝の中の充填物の断面を示す図である。 カーテニング・アーチファクトを生み出すことなく関心領域をミリングする目的に使用される本発明の一実施形態を示す図である。 本発明の一実施形態に基づく複数の高アスペクト比構造体を示す図である。 本発明の実施形態を実現する目的に使用することができるデュアル・ビーム・システムを示す図である。
高アスペクト比の穴を含む試料の領域の断面を形成すると、従来の方法で穴が充填されたときに形成されたボイドによって断面にアーチファクトが生じる。ボイドを生成することなく高アスペクト比の穴を充填することにより、断面を形成する際にアーチファクトが生み出されず、その結果、信頼性の高い不良解析が達成される。穴の充填は、有用な構造体を生み出すいくつかの用途でも有用である。
従来の荷電粒子ビーム技法を使用して高アスペクト比の穴または高アスペクト比溝を充填することには困難が伴う。ビーム誘起付着では、荷電粒子または光子が、タングステンヘキサカルボニル（ＷＣＯ６）のような有機金属分子または白金（Ｐｔ）前駆体などの前駆体ガス分子の分解を誘起する。前駆体は通常、ガスの形態をとり、ガス注入ノズルを通して加工物表面に向かって導かれる。いくつかの実施形態では、表面のビーム衝突点のところにガス環境を生み出すために、加工物全体が、前駆体ガスで満たされたセルの中に置かれ、または加工物の一部分が部分的に囲われる。
１次ビーム中の比較的に高エネルギーの荷電粒子は通常、前駆体ガス分子と直接には反応しないと考えられる。１次ビーム中の荷電粒子と加工物との相互作用が、前駆体分子の分解を引き起こす可能性がより高い低エネルギーの２次電子を生み出す。イオンのビームはさらに、前駆体分子と加工物の間の反応を誘起する格子振動またはフォノンを生み出すことができる。
この荷電粒子ビームは、表面において付着前駆体分子の分解を引き起こして材料を付着させ、追加のガス分子が表面に拡散して、ビーム誘起付着反応を継続する。高アスペクト比の穴の底では、表面ほど急速にはガス分子が補給されない。また、生成される２次電子の数は、加工物材料および形状寸法に依存する。２次電子は、例えば平らな表面よりも縁のところでより多く生成される可能性がある。ガスの可用性と２次電子の生成のこのような不一致は、高アスペクト比の穴の中での付着を不規則にし、このことは、ボイドを残さずに高アスペクト比の穴を充填することを困難にする。
図１Ａは、高アスペクト比の穴１００の上に置かれた従来の長方形のラスタ・ビーム走査パターン１０２の上面図を示す。図１Ｂ〜１Ｄは、局所白金（Ｐｔ）ガス１０４を使用した荷電粒子ビーム誘起付着によって充填されている穴１００を示す。局所白金（Ｐｔ）ガス１０４は、図１Ｃに示されているように穴１００の上部領域にボトルネック効果１０８を生み出し、続いて穴１００を閉鎖し、図１Ｄに示されているように高アスペクト比構造体１００内にボイド１１０を残す。図１Ｂは、Ｐｔガスの乱流および上昇流１０６を生じさせ、その結果、ボトルネック効果を生み出す穴の中の空気流を示す。
図２および３は、先行技術の穴充填プロセスを使用して生み出されたボイドの断面図を示す。図２は、高アスペクト比構造体２００内に生み出された単一のボイド２０２を示す。図３は、高アスペクト比構造体３００内に生み出された複数のボイド３０２の断面図を示す。
いくつかの実施形態とともに、イオン・ビーム誘起付着、レーザ・ビーム誘起付着または他のエネルギー源によって誘起された付着を使用することができるが、いくつかの実施形態は、前駆体ガスと反応する高度に加速された電子を使用する。イオンの代わりに電子を使用すると、加速されたイオンによる付着プロセスによって生成されるものよりも微細な詰まった層状構造体が得られる。前駆体ガスは、分解して、白金やタングステンのような重い材料または炭素のような軽い材料を付着させることができる。本発明は、特定の前駆体ガスだけに限定されない。
いくつかの実施形態では、電子ビームまたは他のビームの入射領域（ｌａｎｄｉｎｇ ａｒｅａ）の直径が、穴の直径または溝の幅の１／５から１／１０である。いくつかの実施形態では、電子ビームが、入射領域の内側から入射領域の外側へ穴の壁に向かって次第に増大する直径を有する複数の円の形態の第１のパターンで走査される。これによってボイドの生成が回避され、「ガス抜き方向」が生み出されて、前駆体ガスがＨＡＲ構造体の深い位置へ進入する。実施形態は通常、電子ビーム誘起付着に対して通常使用されるよりも高い電子ビーム入射エネルギーを使用する。低エネルギーの電子ビームほど高分解能の付着パターンを生成することが知られている。これは、加工物中の相互作用体積がより小さくなり、そのため、分解を誘起する２次電子が、ビーム衝突点の周囲のより小さな領域から放出されるためである。
本発明の実施形態は、比較的に高い電子ビーム・エネルギーを使用する。このエネルギーは、付着させる材料に依存する。当業者は一般に、相互作用体積がより小さくなるため、ビーム誘起付着に対しては低エネルギーの電子ほど良いと考えている。この優勢な推論とは逆に、本発明の実施形態は通常、より高い電子エネルギーを使用する。いくつかの用途は、１０ｋｅＶよりも大きな電子ビーム・エネルギー、１５ｋｅＶよりも大きな電子ビーム・エネルギー、または２０ｋｅＶよりも大きな電子ビーム・エネルギーを使用する。より高いビーム・エネルギーは、ビーム中の電子の平均自由行程を増大させ、そのため、それらの電子は穴の中へさらに進入する。いくつかの用途は、５００ｐＡ未満、２００ｐＡ未満などの比較的に小さなビーム電流、好ましくは１００ｐＡから２００ｐＡの間のビーム電流を使用する。このような比較的に小さなビーム電流は、ビームの尾を低減させて、ビーム軸から離れた位置での付着を低減させる。例えば、高アスペクト比の穴を白金で充填する１つの実施形態は３０ｋｅＶの電子ビームを使用する。高Ｋ材料などのポリマーの中の穴を炭素で充填する他の実施形態は、５ｋｅＶの電子ビームを使用する。あまりに高いビーム・エネルギーの使用は、温度感受性の材料およびエネルギー感受性の材料の構造体を損傷する可能性がある。材料に応じて、加速電圧範囲は、数電子ボルト（ｅＶ）からメガ電子ボルト（ＭｅＶ）までの範囲をとることができる。
パターン形状、パターン・サイズよびビーム・エネルギーの因子を調整することにより、全てのタイプの構造体を、ボイドを生み出すことなく、任意の材料のより微細な層によって充填し、覆うことができる。
図４Ａ〜４Ｊは、材料を付着させて穴を充填する２ステップ法を示す。本明細書では、用語「穴」が、円筒形の穴、トレンチ、正方形の穴、長方形の穴、不規則な穴または鋸歯状の穴など、断面の形状を問わない任意の空洞または凹みと定義される。図５Ａ〜５Ｅは、このプロセスのさまざまな段階における結果を示す。本発明の一実施形態は、ビーム・エネルギーが約３０ｋｅＶ、ビーム電流が約１００ｐＡから約２００ｐＡの間の電子ビームを使用して、複数の円形パターンで穴４００を走査する。複数の円形パターンの半径は次第に増大し、そのため、付着は、構造体の材料に固有のビーム・エネルギーで中心から外側へ進行する。すなわち、ビームは、直径が好ましくはトレンチ幅または穴の直径の約１／５から１／１０まで次第に増大する、繰り返される円形または螺旋形のパターンで走査する。図４Ａおよび５Ａは、高アスペクト比の穴４００の上面図を示す。図４Ｂは、ビーム４１０が複数の円としてどのように走査されるのかを、直径が次第に増大する複数の円を示すために小さな円から半径方向外側を指す矢印によって示す。相互作用体積はビーム・スポット・サイズに比べて大きいため、ビームは、単一の直径の円として走査することができる。ビーム・スポット・サイズによっては、ビームを静止ビームとすることもできる。
図４Ｃは、穴の断面積の約１／５から１／６の断面積を有する領域に導かれた第１のステップのビーム４１０を示し、付着物４１２の成長の始まりを示す。図４Ｄから４Ｆは、穴４００の内部における穴４００の中心からの構造体４１２の成長を示す。図４Ｄの付着した構造体の外側に沿った矢印は、付着ガスの流れを示す。図４Ｅの矢印は、付着した構造体の壁の成長方向を示す。図４Ｇは、この第１の処理ステップの後の穴の画像である。図５Ｂは、第１のステップのさまざまな処理段階における構造体４１２の形成を５２度の角度から見た図を示す。この第１のステップでは、付着した構造体が、加工物表面の平面よりも上方に延びることができることに留意されたい。一実施形態では、この第１のステップの処理時間が通常、穴１つにつき約５または６秒である。
第２のステップでは、走査パターン・サイズの直径が、トレンチ幅または穴の直径の約２倍に設定される。図４Ｈは、穴の残りの部分を充填し、加工物表面の穴の頂部の周囲に薄い層４１４を提供する、このプロセスの第２のステップを示す。図４Ｉは、第２のステップの完了後の穴４００の上面図を示す。図４Ｊは、５２度の傾斜で見た、充填された完成した穴４１２を示す。図５Ｃは、第２の処理ステップ中の構造体形成のさまざまな段階を示し、いくつかの段階は、上面図４１４と５２度図４１２の両方を示す。一実施形態では、第２のステップも約５〜６秒かかる。両ステップとも、必要とされる時間は、ビーム電流、前駆体ガスおよび穴のサイズに依存する。図５Ｄは、図５Ａ〜５Ｃに示された２ステップ・プロセスの結果得られた構造体を示す。図５Ｅは、この２ステップ・プロセスの完了後の構造体の断面図を示す。図５Ｅの断面では、第１のプロセスによる構造体への追加５０４および第２のプロセスによる構造体への追加５０５を見ることができる。図５Ｆは、本発明に従って充填された高アスペクト比構造体５５２内の充填された複数の穴５５０の断面図を示す。
図５Ｇは、本発明の一実施形態の諸ステップを示す。ステップ５０１は、電子ビームの加速電圧を調整する。ビーム・エネルギーは、使用される前駆体ガスおよび表面材料に依存する。例えば、金属前駆体に対しては、加速電圧が３０ｋｅＶに設定される。電流は１００ｐＡから２００ｐＡである。炭素前駆体はこれよりも低いビーム電圧を使用するであろう。当業者は、特定の用途に対する最適なビーム電圧を容易に決定することができる。ステップ５０２は、ビームの走査パターンを、直径が次第に増大する一連の円パターンに調整する。ステップ５０３は、ＳＥＭ付着用にシステムを構成する。すなわち、システムが前駆体ガスを流し始める。ステップ５０４は、穴の中へ電子ビームを第１のパターンで導く。このビームは、トレンチ幅または穴直径の１／５から１／１０の間の領域をカバーする。穴の中心に槍形の構造体を付着させた後、ステップ５０５は、第２のプロセスのために第２のパターン・サイズをトレンチ幅または直径の２倍に設定し、穴の中へ電子ビームを第２のパターンで導く。このビームは、穴よりも大きな領域をカバーする。
図５Ｈは、本発明の他の実施形態の諸ステップを示す。ステップ５１１で、前駆体ガスおよび基板に応じてビーム・パラメータを調整する。ステップ５１２で、壁から離れた構造体を形成するように穴の内部に材料を付着させるよう、ビーム位置または走査パターンを調整する。ステップ５１３で、例えば局所的ガス注入システムによってまたはガスを含む環境セルを提供することによって加工物表面に前駆体ガスを供給するように、システムを構成する。ステップ５１４で、穴の中の第１の領域に向かってビームを導く。ステップ５１５で、穴の縁までまたは穴の縁を超えて広がるように走査パターンを調整する。ステップ５１６で、第１の領域を含む、より広い領域に向かってビームを導く。このビームは、電子ビームもしくはイオン・ビームなどの荷電粒子ビーム、レーザ・ビーム、中性ビーム、またはエネルギーを供給して前駆体ガスを分解することができる任意のビームとすることができる。
図６Ａは、幅２０から３０ｎｍの溝６００の部分６０２の充填を示す。図６Ｂは、溝の中の穴を充填した後のボイドを含まない高アスペクト比構造体６０６の断面図を示す。電子ビーム６０８によって溝の中央で付着を開始することによって、余分なガスが外側へ逃げ、それによって同じ方向（矢印６０４）に付着が成長する。これにより、この付着プロセス後の構造体６０６の内部はボイドを含まない。
ボイドを残すことなく穴または溝を充填することにより、本発明の実施形態は、穴、溝または他の特徴部分をイオン・ビーム・ミリングによって露出させたときに、それらの内部の損傷およびアーチファクトを低減させる。実施形態は、充填されていない高アスペクト比の穴を含む、３Ｄ ＮＡＮＤ構造体などの新しい３次元構造体の解析に対して特に有用である。
ビーム経路に沿って均一な領域の直後に関心の特徴部分があると、イオン・ビーム・ミリング・アーチファクトは低減する。穴をミリングし次いでその穴を充填して、関心の特徴部分に到達する直前にビームが充填物をミリングし、その充填物を通過するようにすることによって、均一な領域を提供することができる。図７は、本発明の一用途を示す。穴７０４がミリングされ、次いで充填されている。穴７０４の中の付着した材料中の金属は、ビーム７０６が関心領域７０２をミリングする前に、集束イオン・ビームに均一な表面を提供し、それによってカーテニングを低減させる。
図８は、高アスペクト比構造体８００内の充填された穴８０２によって形成された複数の構造体を斜めから見た図を示す。本発明は、イオン・ビーム・ミリングにおけるアーチファクトを防ぐために穴を充填する目的に使用することができるだけでなく、それら自体が用途を有する構造体を生み出す目的にも使用することができる。
図９は、垂直に装着されたＳＥＭカラムと、垂直から約５２度の角度に装着された集束イオン・ビーム（ＦＩＢ）カラムとを備える、本発明を実施するのに適した典型的なデュアル・ビーム・システム９１０を示す。適当なデュアル・ビーム・システムは例えば、本出願の譲受人である米オレゴン州ＨｉｌｌｓｂｏｒｏのＦＥＩ Ｃｏｍｐａｎｙから市販されている。適当なハードウェアの一例を以下に示すが、本発明は、特定のタイプのハードウェアで実現されることだけに限定されない。
走査電子顕微鏡９４１と電源および制御ユニット９４５はデュアル・ビーム・システム９１０に備わっている。陰極９５２と陽極９５４の間に電圧を印加することによって、陰極９５２から電子ビーム９４３が放出される。電子ビーム９４３は、集光レンズ９５６および対物レンズ９５８によって微細なスポットに集束する。電子ビーム９４３は、偏向コイル９６０によって試験体上で２次元的に走査される。集光レンズ９５６、対物レンズ９５８および偏向コイル９６０の動作は電源および制御ユニット９４５によって制御される。
電子ビーム９４３を、下室９２６内の可動式Ｘ−Ｙ−Ｚステージ９２５上にある基板９２２上に焦束させることができる。電子ビーム中の電子が基板９２２に当たると、２次電子が放出される。この２次電子は、後に論じる２次電子検出器９４０によって検出される。
デュアル・ビーム・システム９１０は集束イオン・ビーム（ＦＩＢ）システム９１１をさらに含み、ＦＩＢシステム９１１は、上ネック部９１２を有する排気された室を含み、上ネック部９１２内にはイオン源９１４および集束カラム９１６が位置する。集束カラム９１６の軸は、電子カラムの軸から５２度傾いている。イオン・カラム９１２は、イオン源９１４、引出し電極９１５、集束要素９１７、偏向要素９２０および集束イオン・ビーム９１８を含む。イオン源９１４を出たイオン・ビーム９１８は、カラム９１６を通過し、９２０に概略的に示された静電偏向手段間を通り抜けて、下室９２６内の可動式Ｘ−Ｙステージ９２５上に配置された基板９２２、例えば半導体デバイスを含む基板９２２に向かって進む。
ステージ９２５は、水平面（Ｘ軸およびＹ軸）内で移動することができ、かつ垂直に（Ｚ軸）移動することができることが好ましい。ステージ９２５はさらに約６０度傾くことができ、Ｚ軸を軸にして回転することができる。Ｘ−Ｙステージ９２５上に基板９２２を挿入するため、および内部ガス供給リザーバの整備作業のために、扉９６１が開かれる。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。
ネック部９１２を排気するためにイオン・ポンプ（図示せず）が使用される。室９２６は、真空コントローラ９３２の制御の下、ターボ分子および機械ポンピング・システム９３０によって排気される。この真空システムは、室９２６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・ビーム９１８にエネルギーを与え集束させるため、高圧電源が、イオン・ビーム集束カラム集束９１６内の電極に適当な加速電圧を印加する。イオン・ビーム９１８が基板９２２に当たると、材料がスパッタリングされる。すなわち試料から材料が物理的に追い出される。イオン・ビーム９１８または電子ビーム９４３が前駆体ガスを分解して、材料を付着させることもできる。
液体金属イオン源９１４と、約１ｋｅＶから６０ｋｅＶのイオン・ビーム９１８を形成しそれを試料に向かって導くイオン・ビーム集束カラム９１６内の適当な電極とに高圧電源９３４が接続されている。パターン発生器９３８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９３６が偏向板９２０に結合されており、それによって、対応するパターンを基板９２２の上面に描くようにイオン・ビーム９１８を手動または自動で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・ビーム集束カラム９１６内のビーム・ブランキング（ｂｌａｎｋｉｎｇ）電極（図示せず）は、ブランキング・コントローラ（図示せず）がブランキング電極にブランキング電圧を印加したときに、イオン・ビーム９１８を、基板９２２ではなくブランキング絞り（図示せず）に衝突させる。
液体金属イオン源９１４は通常、ガリウムの金属イオン・ビームを提供する。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基板９２２を改変するため、または基板９２２を画像化するために、この源は通常、基板９２２の位置における幅が１／１０マイクロメートル未満のビームに集束させることができる。あるいは、プラズマ・イオン源を使用することもできる。
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エバーハート・ソーンリー（Ｅｖｅｒｈａｒｔ Ｔｈｏｒｎｌｅｙ）、マルチチャンネル・プレートなどの荷電粒子検出器９４０がビデオ回路９４２に接続されており、ビデオ回路９４２は、ビデオ・モニタ９４４に駆動信号を供給し、コントローラ９１９から偏向信号を受け取る。下室９２６内における荷電粒子検出器９４０の位置は実施形態によって変更することができる。例えば、荷電粒子検出器９４０はイオン・ビームと同軸とすることができ、イオン・ビームが通り抜けることを可能にする穴を含むことができる。他の実施形態では、最終レンズを通過し、次いで軸から逸れた２次粒子を集めることができる。
米テキサス州ＤａｌｌａｓのＯｍｎｉｐｒｏｂｅ，Ｉｎｃ．のＡｕｔｏＰｒｏｂｅ ２００（商標）、ドイツＲｅｕｔｌｉｎｇｅｎのＫｌｅｉｎｄｉｅｋ ＮａｎｏｔｅｃｈｎｉｋのＭｏｄｅｌ ＭＭ３Ａなどのマイクロマニピュレータ９４７は、真空室内の物体を正確に移動させることができる。真空室内に配置された部分９４９のＸ、Ｙ、Ｚおよびθ制御を提供するため、マイクロマニピュレータ９４７は、真空室の外側に配置された精密電動機９４８を備えることができる。小さな物体を操作するため、マイクロマニピュレータ９４７に別のエンド・エフェクタを取り付けることができる。本明細書に記載した実施形態では、このエンド・エフェクタが細いプローブ９５０である。
ガス蒸気を導入し基板９２２に向かって導くためにガス送達システム９４６が下室９２６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号明細書は適当なガス送達システム９４６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号明細書に記載されている。例えば、エッチングを強化するためにヨウ素を送達すること、または金属を付着させるために金属有機化合物を送達することができる。
システム・コントローラ９１９は、デュアル・ビーム・システム９１０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り、ユーザは、システム・コントローラ９１９を介して、イオン・ビーム９１８または電子ビーム９４３を所望の通りに走査することができる。あるいは、システム・コントローラ９１９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９１０を制御することができる。いくつかの実施形態では、デュアル・ビーム・システム９１０が、関心領域を自動的に識別する、米マサチューセッツ州ＮａｔｉｃｋのＣｏｇｎｅｘ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから市販されているソフトウェアなどの、画像認識ソフトウェアを含み、システムは、本発明に従って試料を手動でまたは自動的に抽出することができる。例えば、このシステムは、複数のデバイスを含む半導体ウェーハ上の同様の特徴部分の位置を自動的に突き止め、異なる（または同じ）デバイス上のそれらの特徴部分の試料を採取することができる。
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。さらに、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。以下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、それらだけに限定されない（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ，ｂｕｔ ｎｏｔ ｌｉｍｉｔｅｄ ｔｏ．．．）」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「半導体チップ」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。
上記の実施形態は３Ｄ ＮＡＮＤ型の構造体を記載しているが、本発明は、このような構造体だけに限定されず、例えばＤＲＡＭに対して、また、トレンチおよび他の構造体ならびに円形の穴の特性評価に対して有用である。記載された実施形態は、電子ビームをあるパターンで走査するが、このビームを、走査されることなしに所望の領域をカバーする幅広いビームとすることもできる。使用されるビーム・エネルギーにおいて、前駆体ガスを分解する２次電子が生成される相互作用領域の幅は通常、ビーム・スポット・サイズよりもはるかに大きいことが理解される。
ある用語が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、特記しない限り、一定の比率では描かれていない。
いくつかの実施形態は、荷電粒子ビーム誘起付着を使用して穴を充填する方法であって、加工物の表面に付着前駆体ガスを供給すること、および３：１よりも大きなアスペクト比を有する穴の中へ荷電粒子ビームを導くことを含み、この荷電粒子ビームが、穴の断面積よりも小さな面積を有する穴の中の領域へ導かれて、前駆体ガスを分解し、穴の中に材料を付着させ、この荷電粒子ビームが、穴の頂部の側壁に触れない細長い構造体を形成するのに十分な時間、穴の中へ導かれる方法を提供する。
いくつかの実施形態では、この方法が、穴の縁を超えて広がる領域をカバーするように荷電粒子ビームを導き、細長い構造体と穴の側壁の間の領域を充填し、それによって充填材料（ｆｉｌｌ ｍａｔｅｒｉａｌ）の中にボイドを残すことなく穴を充填することをさらに含む。
いくつかの実施形態では、電荷粒子ビームを、細長い構造体を形成するのに十分な時間、穴の中へ導くことが、穴の頂部の壁に接触しない細長い構造体を形成することを含み、この方法が、第１の領域を含む、より広い領域に荷電粒子を導き、穴の充填を完成させることをさらに含む。
いくつかの実施形態では、穴が円筒形の穴を含み、穴の中へ荷電粒子ビームを導くことが、電子ビームを円形パターンで導くことを含み、円形パターンの直径が穴の直径の１／２よりも小さい。
いくつかの実施形態では、穴が溝であり、穴の中へ荷電粒子ビームを導くことが、溝の幅の１／２よりも小さい直径を有する円形パターンで溝の中へ電子ビームを導くことを含む。
本発明のいくつかの実施形態は、高アスペクト比の穴を充填する方法であって、少なくとも１つの高アスペクト比の穴を有する加工物の表面に付着前駆体ガスを供給すること、および高アスペクト比の穴の中へ電子ビームを導くことを含み、この電子ビームが、第１のパターンで導かれて、穴の全断面積よりも小さな断面積を有する穴の中の領域に衝突し、それによって穴の中に細長い構造体を付着させ、この方法が、加工物に向かって電子ビームを第２のパターンで導き、細長い構造体と穴の側壁の間の穴の領域を充填し、それによって充填材料の中にボイドを残すことなく穴を充填することをさらに含む方法を提供する。
いくつかの実施形態では、加工物に向かって電子ビームを第２のパターンで導くことが、穴の全体を含む領域をカバーする第２のパターンで電子ビームを導くことを含む。
本発明のいくつかの実施形態によれば、基板の表面に付着前駆体ガスを供給することが、電子ビームの存在下で分解して金属を付着させる前駆体ガスを供給することを含み、電子ビームを第１のパターンで導くことが、５０００ｅＶよりも大きな入射エネルギーを有する電子ビームを導くことを含む。
本発明のいくつかの実施形態によれば、基板の表面に付着前駆体ガスを供給することが、電子ビームの存在下で分解して炭素を付着させる前駆体ガスを供給することを含み、電子ビームを第１のパターンで導くことが、３０００ｅＶよりも大きな入射エネルギーを有する電子ビームを導くことを含む。
いくつかの実施形態では、電子ビームを第１のパターンで導くことが、電子ビームを円形パターンで導くことを含み、この円パターンの直径が穴の直径の１／４よりも小さい。
いくつかの実施形態では、穴が溝であり、円パターンの直径が溝の幅の１／４よりも小さい方法。
本発明のいくつかの実施形態は、高アスペクト比の穴を充填する方法であって、少なくとも１つの高アスペクト比の穴を有する加工物の表面に付着前駆体ガスを供給すること、および高アスペクト比の穴の中へ、５０００ｅＶよりも大きな入射エネルギーを有する電子ビームを導くことを含み、この電子ビームが、穴の半径の１／４よりも小さな半径を有する円形パターンで穴の中へ導かれて、穴の中に細長い構造体を付着させ、この方法が、加工物に向かって電子ビームを第２のパターンで導いて、細長い構造体と穴の側壁の間の穴の領域を充填し、それによって充填材料の中にボイドを残すことなく穴を充填することをさらに含む方法を提供する。
本発明のいくつかの実施形態は、荷電粒子源と、３：１よりも大きなアスペクト比を有する少なくとも１つの穴を有する加工物に向かって荷電粒子ビームを導く集束カラムと、加工物の表面に前駆体ガスを供給するガス送達システムと、システム・コントローラとを備え、このシステム・コントローラが、荷電粒子ビームを穴の中へ導く命令であり、この荷電粒子ビームが、穴の断面積よりも小さな面積を有する穴の中の領域へ導かれて、前駆体ガスを分解し、穴の中に材料を付着させ、この荷電粒子ビームが、穴の頂部の側壁に触れない細長い構造体を形成するのに十分な時間、穴の中へ導かれる命令によって、荷電粒子顕微鏡を制御するようにプログラムされた荷電粒子ビーム・システムを提供する。
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、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 (19)

  1. 荷電粒子ビーム誘起付着を使用して穴を充填する方法であって、
    加工物の表面に付着前駆体ガスを供給すること、および
    ３：１よりも大きなアスペクト比を有する穴の中へ荷電粒子ビームを導くこと
    を含み、前記荷電粒子ビームが、前記穴の断面積よりも小さな面積を有する前記穴の中の領域へ導かれて、前記前駆体ガスを分解し、前記穴の中に材料を付着させ、前記荷電粒子ビームが、前記穴の頂部の側壁に触れない細長い構造体を形成するのに十分な時間、前記穴の中へ導かれる
    方法。
  2. 前記穴の縁を超えて広がる領域をカバーするように前記荷電粒子ビームを導いて、前記細長い構造体と前記穴の側壁の間の領域を充填し、それによって充填材料の中にボイドを残すことなく前記穴を充填することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
  3. 前記電荷粒子ビームを、細長い構造体を形成するのに十分な時間、前記穴の中へ導くことが、前記穴の前記頂部壁に接触しない細長い構造体を形成することを含み、前記方法が、第１の領域を含む、より広い領域である領域に前記荷電粒子を導いて、前記穴の充填を完成させることをさらに含む、請求項１または請求項２に記載の方法。
  4. 前記穴が円筒形の穴を含み、前記穴の中へ前記荷電粒子ビームを導くことが、電子ビームを円形パターンで導くことを含み、前記円形パターンの直径が前記穴の直径の１／２よりも小さい、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
  5. 前記穴が溝であり、前記穴の中へ前記荷電粒子ビームを導くことが、前記溝の幅の１／２よりも小さい直径を有する円形パターンで前記溝の中へ電子ビームを導くことを含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
  6. 高アスペクト比の穴を充填する方法であって、
    少なくとも１つの高アスペクト比の穴を有する加工物の表面に付着前駆体ガスを供給すること、および
    前記高アスペクト比の穴の中へ電子ビームを導くこと
    を含み、前記電子ビームが、第１のパターンで導かれて、前記穴の全断面積よりも小さな断面積を有する前記穴の中の領域に衝突し、それによって前記穴の中に細長い構造体を付着させ、前記方法が、
    前記加工物に向かって電子ビームを第２のパターンで導いて、前記細長い構造体と前記穴の側壁の間の前記穴の領域を充填し、それによって前記充填材料の中にボイドを残すことなく前記穴を充填すること
    をさらに含む方法。
  7. 前記加工物に向かって電子ビームを第２のパターンで導くことが、前記穴の全体を含む領域をカバーする第２のパターンで前記電子ビームを導くことを含む、請求項６に記載の方法。
  8. 基板の表面に付着前駆体ガスを供給することが、前記電子ビームの存在下で分解して金属を付着させる前駆体ガスを供給することを含み、
    電子ビームを前記第１のパターンで導くことが、５０００ｅＶよりも大きな入射エネルギーを有する電子ビームを導くことを含む、
    請求項６または請求項７に記載の方法。
  9. 基板の表面に付着前駆体ガスを供給することが、前記電子ビームの存在下で分解して炭素を付着させる前駆体ガスを供給することを含み、
    電子ビームを前記第１のパターンで導くことが、３０００ｅＶよりも大きな入射エネルギーを有する電子ビームを導くことを含む、
    請求項６または請求項７に記載の方法。
  10. 電子ビームを前記第１のパターンで導くことが、前記電子ビームを円形パターンで導くことを含み、前記円パターンの直径が前記穴の直径の１／２よりも小さい、請求項６から９のいずれか一項に記載の方法。
  11. 電子ビームを前記第１のパターンで導くことが、前記電子ビームを円形パターンで導くことを含み、前記円パターンの直径が前記穴の直径の１／４よりも小さい、請求項６から１０のいずれか一項に記載の方法。
  12. 前記穴が溝であり、前記円パターンの直径が前記溝の幅の１／２よりも小さい、請求項１０に記載の方法。
  13. 前記穴が溝であり、前記円パターンの直径が前記溝の幅の１／４よりも小さい、請求項１１に記載の方法。
  14. 高アスペクト比の穴を充填する方法であって、
    少なくとも１つの高アスペクト比の穴を有する加工物の表面に付着前駆体ガスを供給すること、および
    前記高アスペクト比の穴の中へ、５０００ｅＶよりも大きな入射エネルギーを有する電子ビームを導くこと
    を含み、前記電子ビームが、前記穴の半径の１／４よりも小さな半径を有する円形パターンで前記穴の中へ導かれて、前記穴の中に細長い構造体を付着させ、前記方法が、
    前記加工物に向かって電子ビームを第２のパターンで導いて、前記細長い構造体と前記穴の側壁の間の前記穴の領域を充填し、それによって前記充填材料の中にボイドを残すことなく前記穴を充填すること
    をさらに含む方法。
  15. 荷電粒子源と、
    ３：１よりも大きなアスペクト比を有する少なくとも１つの穴を有する加工物に向かって荷電粒子ビームを導く集束カラムと、
    前記加工物の表面に前駆体ガスを供給するガス送達システムと、
    システム・コントローラと
    を備え、前記システム・コントローラが、
    前記荷電粒子ビームを前記穴の中へ導く命令であり、前記荷電粒子ビームが、前記穴の断面積よりも小さな面積を有する前記穴の中の領域へ導かれて、前記前駆体ガスを分解し、前記穴の中に材料を付着させ、前記荷電粒子ビームが、前記穴の頂部の側壁に触れない細長い構造体を形成するのに十分な時間、前記穴の中へ導かれる命令
    によって、前記荷電粒子顕微鏡を制御するようにプログラムされた
    荷電粒子ビーム・システム。
  16. 前記命令が、前記穴の縁を超えて広がる領域をカバーするように前記荷電粒子ビームを導いて、前記細長い構造体と前記穴の側壁の間の領域を充填し、それによって前記充填材料の中にボイドを残すことなく前記穴を充填することをさらに含む、請求項１５に記載の荷電粒子ビーム・システム。
  17. 前記電荷粒子ビームを、細長い構造体を形成するのに十分な時間、前記穴の中へ導く前記命令が、前記穴の前記頂部壁に接触しない細長い構造体を形成する命令を含み、第１の領域を含む、より広い領域である領域に前記荷電粒子を導いて、前記穴の充填を完成させることをさらに含む、請求項１５または請求項１６に記載の荷電粒子ビーム・システム。
  18. 前記穴が円筒形の穴を含み、前記穴の中へ前記荷電粒子ビームを導くことが、電子ビームを円形パターンで導くことを含み、前記円形パターンの直径が前記穴の直径の１／２よりも小さい、請求項１５から１７のいずれか一項に記載の荷電粒子ビーム・システム。
  19. 前記穴が溝であり、前記穴の中へ前記荷電粒子ビームを導くことが、前記溝の幅の１／２よりも小さい直径を有する円形パターンで前記溝の中へ電子ビームを導くことを含む、請求項１５から１７のいずれか一項に記載の荷電粒子ビーム・システム。
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