KR100377026B1 - 집속이온빔장치,집속이온빔관찰방법및집속이온빔가공방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은, 전류밀도나 진공도를 높게 하는 일없이 콘트러스트가 양호한 SIM상을 얻어지도록 하고, 분해능이 양호한 그레인 관찰을 낮은 비용으로 제공할 수 있게 하는데 있다.

관찰 대상영역을 가상적으로 복수의 소영역으로 분할하고, 소영역에 대하여 시계열적으로 표면가공용빔 및 데이타 수집용빔을 순차적으로 조사한다. 다시, 상기 시계열적 조사를 각 소 영역에 대하여 실행하고, 데이타 수집용빔의 조사에 응답하여 시료로부터 발생하는 2차 신호를 검출하여 관찰대상 영역의 주사상을 형성한다.

Description

집속 이온빔 장치, 집속 이온빔 관찰방법 및 집속 이온빔 가공방법

본 발명은 집속 이온빔을 시료상에서 주사하여 고 분해능의 주사 상을 얻는 집속 이온빔 장치와, 이 장치에 이용한 관찰방법 및 이 장치를 이용한 가공방법에 관한 것이다.

근년 반도체 디바이스의 미세화가 진전됨에 따라, 배선재등의 그레인 관찰이나 서브미크론오더에서의 가공수단으로서 집속 이온빔 장치가 주목되고 있다. 그레인 관찰을 행하는 경우는, 서브미크론오더로 드로틀된 집속 이온빔(이하, FIB로 표현하는 경우도 있다)을 시료표면에서 주사하여, 시표료면으로부터 방출된 2차전자를 검출하여, 시료단면이나 재질의 확대상을 디스플레이 위에 SIM(Scanning Ion Microscope)상으로 포착한다. SIM상은 전자빔에 의한 SEM(Scanning Electron Microscope)상에 비하여 일반적으로 높은 콘트러스트가 얻어진다.

FIB를 이용한 시료의 관찰방법에 관해서는, 예를 들면 알루미늄의 그레인을 관찰하는 방법이, 프로시딩스 오브 인터내쇼날 리라이어빌리티 피직스 심포지움,(1989년) 제43페이지∼제52페이지(Proceeding of Internation Reiability Physics Symposium(1989) pp.43∼52)에 개시되어 있다.

관찰대상이 알루미와 같이 산화되기 쉬운 물질인 경우, 진공도가 나쁜 상태에서 관찰을 행하면, 시료표면에 산화막이 형성되어버려 그레인 관찰에 지장을 초래하는 것이 알려져 있다. 시료표면에 형성된 산화막은 FIB를 조사함으로써 제거할 수가 있기 때문에 그레인관찰의 여부는, FIB조사에 의한 산화막의 제거속도와 시료실 분위기에서의 시료표면의 자연산화속도와의 균형으로 결정된다.

고배율 관찰과 같이 좁은 범위를 짧은 주기로 반복 주사하여 관찰하는 경우에는 금회의 주사에 의하여 산화막(이하에서는 산소흡착층도 포함하여 산화막이라고 부른다)이 제거된 후, 새롭게 산화막이 형성되기 전에 다음회의 주사가 행해지기 때문에 비교적 양호한 그레인 관찰이 가능하게 된다. 그러나 저배율 관찰과 같이 넓은 범위를 반복 주사하여 관찰하는 경우에는, 단위면적당의 빔체제시간이 고배율의 경우에 비하여 짧아져 산화막 제거효과가 감소되므로 양호한 그레인관찰이 어렵다고 하는 문제가 있었다.

또, 관찰의 관점에서는 미세한 1차 빔을 이용하여 분해능이 높은 SIM상을 광범위에 걸쳐 얻을 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 이를 위해서는 (1) FIB 전류밀도를 증대시키거나 또는 (2) 시료실의 고진공도화를 도모하는 것이 바람직하나, (1)에 대해서는 미세빔화와 고전류 밀도화가 반드시 양립하지 않는다고 하는 점에 어려움이 있다. 또, (2)에 대해서는 시료스테이지의 재질이나 진공배기 펌프등을 초고진공용으로 할 필요가 있어 고가의 것이 되어버릴 뿐만아니라, 진공배기에 시간이 걸려 장치의 가동률이 저하되어버린다고 하는 문제가 있었다.

본 발명의 목적은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하고, 전류밀도나 진공도를 높게하는 일 없이 콘트러스트가 양호한 SIM상을 얻을 수 있도록 하여, 분해능이 양호한 그레인 관찰을 낮은 비용으로 제공할 수 있도록 하는데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는, 관찰대상영역을 가상적으로 복수의 소영역으로 분할하고, 소영역에 대해 시계열적으로 제1 빔 및 제2 빔을 순차 조사하고, 상기 제2 빔의 조사에 응답하여 시료로부터 발생하는 2차신호를 검출하고, 다시 소영역에 관한 2차신호로부터 관찰 대상영역의 주사상을 형성하도록 하였다.

상기한 구성에 의하면, 관찰대상영역이 가상적으로 복수의 소영역으로 분할되고, 각 소영역에 대하여 시계열적으로 제1 빔 및 제2 빔이 조사되므로, 소영역내에서는 제1빔의 조사가 종료된 직후에 제2빔이 조사되게 된다. 즉, 소영역내의 각부에서는, 제1빔에 의하여 산화막이 제거된 후, 새로운 산화막이 형성되기 전에 제2빔이 조사되므로, 제2 빔은 산화막이 아니라 시료자신에 직접 조사되는 것이 된다. 그리고 주사형을 형성하기 위한 2차 신호는 제2빔의 조사 타이밍으로 검출되므로, 해당 주사상에는 산화막에 관한 2차신호가 포함되지 않는다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 제1도는 본 발명을 적용한 집속 이온빔 장치의 광학계의 주요부의 구성을 나타낸 도이다.

액체 금속이온원(100)으로부터 방출된 이온은 콘덴서렌즈(101) 및 대물렌즈(107)에 의하여 시료(112)위에 집속된다. 빔 가속전압은 30kV이다. 상기 렌즈(101),(107) 사이에는, 가변 어퍼쳐 (102), 어라이너·스티그마(103), 블랭커(104), 블랭킹·어퍼쳐(105) 및 디플렉터(106)가 배치되어 있다. 시료(112)는 X방향, Y방향, Z방향, 틸트 및 회전의 5축 방향으로 제어가능한 시료스테이지(108)위에 재치된다. FIB의 조사에 의하여 시료(112)로부터 발생한 2차 전자는 2차 전자검출기(109)에 의하여 검출된다.

제2도는 상기 집속 이온빔 장지의 체어계의 주요부의 구성을 나타낸 블럭도이다.

집속 이온빔 장치의 각부의 제어는 제어버스(17)를 거처 제어컴퓨터(15)에 의하여 행해진다. 고압전원(2)은 광학계에 고전압을 공급하여 빔의 가속 및 집속을 행한다. 이온원 제어전원(3)은, 이온원(100)의 가열 및 인출전류 제어를 행한다. 드로틀 제어전원(4)은, 드로틀의 중심위치 및 크기를 제어한다. 블랭킹 제어 전원(5)은, 시료(112)에의 불필요한 빔 조사를 금지한다. 어라이너/스티그마 제어전원(6)은, 어라이멘트 및 비점(批點) 보정을 행한다. 편향앰프(7)는 디지탈·스캐너(10) 및 아날로그·스캐너(11)의 신호를 증폭·연산하여 디플렉터(106)를 구동시킨다.

프리앰프(8)는 2차 전자검출기(109)의 출력신호를 증폭 및 전류/전압변환한다. 화상메모리(12)는, A/D 변환된 프리앰프 출력을 기억한다. 본 실시예에서는, 화상메모리(12)가 512× 512 화소로 구성되어, 각 화소는 8비트의 계조(階調)를 가지는 것으로서 설명한다. 화상메모리(12)에 기억된 정보는 제어버스(17)를 거처 제어컴퓨터(15)에 전송되어, CRT 16위에 SIM 화상으로서 표시된다. 또, 프리앰프(8)의 출력은 CRT 블랭킹 제어회로(13)를 거쳐 잔광성 (殘光性) CRT 14에 휘도신호로써 보내지고, 아날로그·스캐너 (11)의 주사와 동기시킴으로써 잔광성 CRT 14위에 SIM상을 표시한다. 이 SIM 상은 주사선횟수를 수천개 설정할 수 있기 때문에 사진촬영에 이용한다. 스테이지 제어전원(9)은, 시료(112)위의 소망의 관찰장소를 FIB편향영역에 이동시키기 위하여 이용한다.

이하, 플로우챠트를 참조하여 본 발명에 의한 관찰방법의 일례를 설명한다. 제3도는 디지탈·스캐너(10)를 사용하여 관찰하는 경우의 동작을 나타낸 플로우챠트이다.

스텝 S11에서는, 관찰 대상영역을 가상적으로 종횡 512×512의 간격으로 복수의 소영역으로 분할하고, 별도로 지정된 확대배율에 의거하여 화상메모리(12)의 각 어드레스와 각 소영역을 대응시킨다. 본 실시예에서는 제4도에 나타낸 바와 같이, 화상메모리(12)는 512×512 화소에 상당하는 기억영역을 가지고, 편향영역은16㎛×16㎛로 설정하였다. 그 결과 화상메모리(12)의 각 어드레스에 대응한 빔 편향점의 피치는 16㎛/512= 약 0.03㎛가 된다. 스텝 S12에서는, 화상메모리(12)의 어드레스를 설정하는 변수 x,y를 초기화하여 "0"으로 세트한다.

스텝 S13에서는, 화상메모리(12)의 어드레스에 대응한 소영역의 빔 편향점에 미리 FIB(표면가공용)를 조사하여 산화막을 제거한다. 이 경우, 시료상에 투사된 FIB는 빔 직경 방향으로 강도분포(대략 가우스분포)를 가지고 있고, 빔 직경은 일정한 강도 이상의 폭으로 정의되어 있다. 따라서 정의된 빔 직경 외측에도 약하게 분포되어 있는 빔이 시료에 조사된다. 따라서 본 실시예에서는 제5도(a)에 나타낸 바와 같이, 화상메모리(12)의 어드레스에 대응한 빔편향점(위치 5)을 중심으로 빔 스포트가 반씩 겹쳐지도록 위치 1(1st)내지 9(th)의 9점의 편향점을 정의하여 순서대로 조사한다. 또한, 반씩 겹쳐지도록 하는 것 이외에 별도로, ⅓, ⅔ 또는 ¼씩 겹쳐지도록 하여도 좋다. 이 겹쳐지는 범위는 이온빔의 강도 및 시료의 재질에 따라 변화시키면 좋다. 이렇게 하면 가공범위내에서 산화막이 섬 모양으로 남지 않는다. 본 실시예에서 사용한 FIB의 빔 직결은 0.025㎛이다. 이것에 의하여 어드레스에 대응한 빔 편향점 근방의 표면산화막을 제거할 수가 있다. 또한, 표면가공용 FIB를 조사하는 순서는 상기 1st∼9th에 한정되지 않고 어떠한 순서이더라도 좋다.

상기와 같이 하여 위치 1∼9에의 FIB 조사를 완료하면, 스텝 S14에서는, 제5도(b)에 나타낸 바와 같이 어드레스에 대응한 편향점{상기 표면가공 공정의 위치 5(5th)의 편향점}에 FIB(데이타 수집용)을 조사(10th)하고, 이에 따라 시료로부터 발생한 2차 전자를 2차전자 검출기(109)로 검출하고 A/D변환하여 화상메모리(12)에기입한다. 이와 같이 하면, 빔 직경 외측에 약하게 분포되어 있는 빔이 시료상의 산화막을 조사하여 2차전자를 방출하는 일이 없기 때문에 SIM상의 질을 저하시키는 일이 없다. 또한 본 실시예에서는, 스텝 S13에서 이용한 FIB와 스텝 S14에서 사용한 FIB와는 조사조건을 동일하게 하였다. 그러나 당연히 스텝 S13과 스텝 S14의 FIB 조사방법을 변화시켜도 좋다. 특히 스텝 S14에서는 시료의 재료에 따라 달리하여도 좋다.

이상과 같이 하여 화상메모리(12)의 1화소분의 데이타 수집이 완료되면, 스텝 S15에서는 변수 x를 1만큼 인크리멘트한다. 스텝 S16에서는 변수 x가 512에 도달했는지 아닌지, 즉 1라인분의 데이타 수집이 완료했는지 안했는지가 판단되고, 1라인분의 데이타 수집이 완료되기 까지 상기 스텝 S13∼S16의 처리가 반복된다.

1라인분의 데이타수집이 완료되면, 스텝 S17에서는 x에 다시 "0"을 세트한다. 스텝 S18에서는 변수 y를 1만큼 인크리멘트한다. 스텝 S19에서는 변수 y가 512에 도달했는지 안했는지, 즉 1화상메모리분의 데이타 수집이 완료했는지 안했는지가 판단되고, 1화상 메모리분의 데이타 수집이 완료되 때 상기 스텝 S13∼S18의 처리가 반복되어 최종적으로 16㎛각의 SIM상이 완성된다.

본 실시예에 의하면 화소마다 표면가공공정과 데이타 수집공정이 시계열적으로 반복되므로, 표면가공공정을 거쳐 산화막이 제거된 시료표면에 대하여 즉시 데이타 수집을 행할 수가 있다. 따라서 산화막이 없는 상태의 시료표면에 대한 관찰이 가능해져 양호한 그레인 관찰을 할 수 있게 된다.

제6도는 다른 실시예를 나타내는 것으로, 아날로그·스캐너(11)를 이용하여관찰할 경우의 동작을 나타낸 플로우챠트이다. 여기서는 2차전자신호가 잔광성 CRT 14의 휘도신호로서 입력되어 잔광성 CRT 14 위에 SIM상을 표시하는 것이다.

스텝 S21에서는 관찰대상 영역을 세로방향으로 대략 등간격으로 복수의 소영역으로 분할하고 별도로 지정된 확대배율에 의거하여 주사선의 주사폭 및 주사피치를 결정한다. 아날로그·스캐너(11)는 상기 주사폭 및 주사 피치에 의거하여 상기 x축 방향의 삼각파와 y축 방향의 계단파를 발생시킨다. 스텝 S22에서는 y방향의 주사위치(주사라인)를 부여하는 변수 y에 "0"을 세트한다.

스텝 S23에서는 변수 y에서 지정되는 주사라인에 미리 FIB를 조사하여 산화막을 제거한다. 본 실시예에서도, FIB가 빔 직경 방향으로 강도분포를 가지고 있는 것에 의거하여 산화막의 미제거부분을 남기지 않도록 하기 위하여, 제7도(a)에 나타낸 바와 같이 변수 y에 대응한 주사라인(위치 2)을 중심에 빔 스포트가 반색 겹치도록 위치 1(1st)∼3(3rd)의 3라인을 순차로 주사한다. 이와 같이 하면, 상기와 같이 가공범위내에서 산화막이 선상으로 남지 않는다. 또한 당해 처리에서의 각 위치 1∼3의 주사시에는 CRT 블랭킹회로(13)를 제어하여 CRT의 휘도를 검은 레벨에 고정한다.

상기와 같이 하여 위치 1∼3으로의 FIB 조사를 완료하면, 스텝 S24에서는, 제7도(b)에 나타낸 바와 같이, 변수 y에 대응한 편향점(상기 표면 가공의 공정위치 2의 편향점)에 FIB를 조사(4th)하고, 이에 따라 시료로부터 발생된 2차전자를 2차전자검출기(109)로 검출한다. 이때, CRT 블랭킹 회로(13)를 통과상태로 하여 검출된 2차 전자신호를 휘도신호로서 잔광성 CRT 14에 부여하여 주사선을 표시한다.

스텝 S25에서는 변수 y를 1만큼 인크리멘트 한다. 스텝 S26에서는 변수 y가 "2000"에 도달했는지 안했는지, 즉 CRT 위의 주사선이 2000개가 될때까지 반복되었는지 아닌지 판단되고, 2000개에 달하면 당해처리를 종료한다. 이때 SIM상을 사진촬영하면 고분해능 사진이 얻어진다.

본 실시예에 의하면 주사라인별로 표면가공공정과 데이타 수집공정이 시계열적으로 반복되므로, 표면가공공정을 거쳐 산화막이 제거된 시료표면에 대하여 즉시 데이타 수집을 행할 수가 있다. 따라서 산화막이 없는 상태의 시료표면에 대한 관찰이 가능해져 양호한 그레인 관찰이 가능해진다.

또한, 상기한 각 실시예에서는 표면가공시 및 데이타 수집시의 빔 조건을 동일하게 한 것으로 하고, 목표위치의 주위를 넓은 범위에 걸쳐 미리 FIB를 조사하는 것으로서 설명했으나, 본 발명은 이것에만 한정되지 않고, 빔을 흐리게함으로써 실질적인 스포트 직경을 크게하여 조사부분을 확대하도록 하여도 좋고, 또는 화질이 다소 저하되어도 좋으면 표면가공시 및 데이타 수집시의 빔조사위치를 동일하게 하여도 좋다.

또한 시료표면의 자연산화막의 상태는 시료실의 진공도에 의존한다. 따라서, 시료실의 진공도를 계측하고, 그 정보를 근거로 상기 표면가공 공정에서의 빔 조사시간이나 에너지등의 조사조건을 적절하게 설정함으로써, 시료손상을 최소로하여 청정표면을 이끌어 내어 양호한 그레인 관찰 SIM상을 얻을 수도 있게 된다.

상기한 바와 같이 본 발명에 의하면 관찰대상영역이 가상적으로 복수의 소영역으로 분할되고, 각 소영역에 대하여 시계열적으로 표면가공용 빔 및 관찰용 빔이조사되므로, 소영역내의 각 부에서는, 표면가공용 빔에 의하여 산화막이 제거된 후, 새로운 산화막이 형성되기 전에 관찰용 빔이 조사되므로, 관찰용 빔의 조사 타이밍으로 2차신호를 검출하면, FIB의 전류밀도나 시료실의 진공도가 반드시 양호하지 않아도 콘트러스트가 좋은 그레인을 관찰할 수 있는 SIM상이 얻어진다.

제1도는 집속 이온빔 장치의 광학계의 구성을 나타낸 도;

제2도는 집속 이온빔 장치 제어계의 구성을 나타낸 도;

제3도는 제1실시예의 플로우챠트;

제4도는 화상메모리상의 어드레스와 편향영역과의 대응관계를 나타낸 도;

제5도는 제1 실시예에 있어서의 각 소영역내에서의 표면가공용 빔 및 관찰용 빔의 상대적인 조사 위치를 나타낸 도;

제6도는 제2실시예의 플로우챠트;

제7도는 제2 실시예에 있어서의 각 소영역내에서의 표면가공용 빔 및 관찰용 빔의 상대적인 조사위치를 나타낸 도면이다.

Claims (8)

1. 집속 이온빔으로 시료를 주사하고, 상기 집속 이온빔으로 주사된 상기 시료에 의해 발생된 2차 신호를 검출하여 주사상을 형성하는 집속 이온빔 주사장치에 있어서,

   제1 및 및 제2빔을 주사하는 수단, 및

   상기 제2 빔으로 상기 시료가 조사되었을 때 상기 시료에 의해 발생된 2차 신호를 검출하는 검출수단을 포함하고,

   상기 제2 빔은, 상기 제1 빔이 주사된 후 상기 시료상에서 상기 제1 빔이 조사된 트랙의 일부분에 중첩되도록 주사되는 것을 특징으로 하는 집속 이온빔 주사장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제1 빔 및 제2 빔이 동일영역에 조사되는 것을 특징으로 하는 집속 이온 빔 주사장치.
3. 제1항에 있어서,

   상기 제1 빔은, 미리 정해진 제2 빔의 조사영역을 중심으로 빔 스포트의 일부가 겹쳐지도록 다중 조사된 것을 특징으로 하는 집속 이온빔 주사장치.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 제1 빔의 시료면에서의 스포트 직경이 제2 빔의 스포트 직경보다 큰 것을 특징으로 하는 집속 이온빔 주사장치.
5. 제4항에 있어서,

   상기 제1 빔의 초점을 정규로 조정된 제2 빔의 초점으로부터 엇갈리게 한 것을 특징으로 하는 집속 이온빔 주사장치.
6. 제1항 내지 제3항중 어느 한 항에 있어서,

   상기 시료가 지지되어 있는 영역의 진공도를 계측하는 수단을 구비하고, 계측된 진공도에 따라 제1 빔의 조사조건을 제어하도록 한 것을 특징으로 하는 집속 이온빔 주사장치.
7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한항에 있어서,

   상기 제1 및 제2 빔이 동일의 빔원으로부터 방출된 것을 특징으로 하는 집속 이온빔 주사장치.
8. 집속 이온빔으로 시료를 주사하고, 상기 집속 이온빔으로 주사된 상기 시료에 의해 발생된 2차 신호를 검출하여 주사상을 형성하는 집속 이온빔 주사방법에 있어서,

   제1 및 제2빔을 주사하는 스텝, 및

   상기 제2 빔으로 상기 시료가 조사되었을 때 상기 시료에 의해 발생된 2차 신호를 검출하는 검출스텝을 포함하고,

   상기 제2 빔은, 상기 제1 빔이 주사된 후 상기 시료상에서 상기 제1 빔이 조사된 트랙의 일부분에 중첩되도록 주사되는 것을 특징으로 하는 집속 이온빔 주사방법.