KR19980064271A - 1,2 디-아이오도-에탄을 사용하여 개선된 집속 이온 빔의에칭법 - Google Patents

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마틴하이덴
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Abstract

집속 이온 빔은 에칭되는 표면에서 1,2 디-아이오도-에탄의 증기를 지향시키는 동안 표본 ( specimen ) 으로 부터 재료를 에칭하는데 사용된다. 에칭율은 1,2 디-아이오도-에탄을 사용하지 않고 에칭율에 관련하여 알류미늄과 금의 표면에 대하여 가속된다.

Description

1,2 디-아이오도-에탄을 사용하여 개선된 집속 이온 빔의 에칭법
본 발명은 집속 이온 빔 ( focused ion beam ; FIB ) 을 사용하여 재료를 에칭하며, 특히 어떤 재료의 에칭율을 가속시키기 위해 1,2 디-아이오도-에탄을 사용하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
집적 회로 등을 집속 이온 빔 ( FIB) 으로 수정하는 시스템이 공지되어 있다. FIB 가 지향되는 집적 회로 ( IC ) 의 표면 영역에서 가스를 주입하도록 분사 튜브 및 가스원을 지니는 FIB 시스템이 또한 공지되어 있다. 본원에 참고로 반영된 미국 특허 제 5,140,164 호 등을 참조. 캘리포니아주 산 조세시의 Schlumberger Technologies, Inc. 로 부터 IDS P2X 로 상업적으로 입수가능한 FIB 시스템은 FIB 로 처리될 IC 표면 영역을 향해 복수개의 가스원으로 부터 가스를 선택적으로 분사시키는 제어가능한 입구 밸브 및 위치 결정 가능한 출구 니들이 있는 가스 메니폴드 ( gas manifold ) 를 지닌다.
도 1 은 이와같은 FIB 시스템 (100) 의 보다 상세한 개략 선도를 보여준다. 펌프 (104) 로 배출되는 진공실 (102) 은 표본 스테이지 (108), 수선될 IC 디바이스와 같은 표본 (110) 을 고정시키는 표본 스테이지 (108), 검출기 (112), 및 가스 분사기 (114) 를 포함한다. 칼럼 ( column ; 106 ) 은 이온 소스 (116), 및 이온 빔 (120) 의 정렬 및 편향을 제어하는 이온 광학 요소 (118) 를 포함한다. 검출기 (112) 는 이온 빔 (120) 이 표본 (110) 에 충돌하는 경우에 발생되는 2 차 전자 (126) 를 검출하는 신틸레이터 (122) 및 광 멀티플라이어 튜브 (124) 를 포함할 수 있다.
이 시스템은 프로세서 유닛 ( CPU ; 134 ) 을 지니는 워크스테이션 (130), 모니터 (136), 및 키보드 및/또는 마우스와 같은 입력/출력 ( I/O ) 디바이스 (138) 를 포함한다. 워크스테이션 (130) 은 버스 (140) 에 의해 제어 CPU, 이미지 프로세서 및 이미지 메모리를 포함하는 시스템 제어 유닛 (142) 에 연결된다. 시스템 제어 유닛 (142) 은 버스 (144) 를 통해 진공 펌프 (104) 를 제어하는 진공 펌프 제어기 (146), 가스 분사기 (114) 를 제어하는 가스 분사 제어기 (148), 이온 소스 (116) 를 제어하는 FIB 고전압 제어기 (150), 이온 광학 요소 (118) 를 제어하는 FIB 정렬 및 편향 제어기 (152), 검출기 (112) 로 부터 검출기 신호를 수신하는 이미지 전자기기 (154), 및 표본 (110) 을 위치 결정하도록 표본 스테이지 (108) 를 제어하는 표본 스테이지 제어기 (156) 와 연결된다. 시스템 제어 유닛 (142) 은 이미지 전자기기 (154) 로 부터 이미지 정보를 수신하고 FIB 정렬 및 편향 제어기 (152) 에 빔 제어 정보를 제공하는 것이 바람직하다.
작동시, 표본 (110) 은 진공실 (102) 에 배치된다. 진공실 (102) 은 비워진다. 시스템 제어 유닛 (142) 의 제어하에, FIB (120) 는 표본의 선택 영역상에 스캐닝되어 표본 (110) 의 표면으로 부터 재료를 밀링 제거 및/또는 표본 (110) 의 표면상에 재료를 데포지트한다. 밀링 및 데포지션하는 동안, 표본 (110) 의 표면에서 가스 분사기 (114) 로 부터 적당한 가스가 분사된다. 예를들어, Schlumberger IDS P2X 시스템에서, 다중 가스 발생 혼합물을 저장하는 개별적인 도가니가 제공된다. 이 도가니는 제어가능한 매니폴드 ( 도시되지 않음 ) 를 통해 분사기 니들에 가스를 공급하여 한 가스에서 다른 가스로의 급속한 전환은 시스템 제어 유닛으로 부터의 명령에 따라 가능하다.
도 2 는 FIB 로 에칭되는 샘플의 표면적에서 화학물질을 국부 분사시키는 선행 기술의 장치에 대한 개략적인 도면을 보여준다. 다량의 화학물질을 함유하는 도가니 (200) 에는 히터 (205) 와 같은 온도 제어 요소가 제공된다. 도가니 (200) 로 부터 튜브 (215) 를 통해 진공실 벽 (220) 을 거쳐 분사 니들 (225) 로 화학물질을 통과시키도록 밸브 (210) 를 제어할 수 있다. 튜브 (215) 와 니들 (225) 에는 히터 ( 230, 235 ) 와 같은 온도 제어 요소가 제공된다. 화학물질 (240) 은 이온 빔 (250) 에 의해 작용되는 영역내의 샘플 (245) 표면으로 안내된다.
반도체 IC 디바이스 - 레벨 교정 및 진단을 실행하도록 이와같은 시스템을 사용하는 여러 기술들이 개발되어 왔다. 예를들어, FIB 는 (에칭 ) 재료를 밀링 제거하는데 사용될 수 있다. 밀링의 속도 및 가제어성은 유전체 또는 금속과 같은 특정 재료를 우선적으로 밀링하는 가스를 분사함으로써 향상될 수 있다. 이와같은 기술들은 검사 또는 시험용 IC 구조를 선택적으로 노출시키고, 파워 및 그라운드 평면을 통해 구멍을 절삭하며, 도체를 선택적으로 절단하는데 사용될 수 있다. 도전성 또는 절연 재료를 선택적으로 데포지트하도록 IC 표면에서 FIB 의 존재시 가스를 분사시키는 기술들이 또한 공지되어 있다. 도체 데포지션 기술은 도체를 제조 또는 재제조하고, 기계적 또는 전자 빔 검사용으로 사용되는 패드를 데포지트하는데 사용될 수 있다.
재료의 제거 속도를 향상시키도록 재료의 이온 빔 스퍼터링 ( 에칭 ) 과 결부지어 화학물질을 사용하는 것이 당해 기술분야에 공지되어 있다. 예를들어, Swanson 등에게 허여된 미국 특허 제 5,188,705 호 및 제 5,376,791 호에는 실리콘 및 알루미늄과 같은 재료의 제거를 향상시키도록 표면을 향해 아이오딘 증기를 항하게 하는 동안 반도체 디바이스의 스퍼터링 ( 에칭 ) 용 집속 이온 빔을 사용하는 것이 개시되어 있다. 분자 아이오딘의 분사와 결부된 이중 이온 건 ( dual ion gun ) 의 사용을 기술한, Swann 에게 허여된 미국 특허 제 5,009,743 호, 및 전자 빔 또는 이온 빔 방사 및 XeF2, XeF4, XeF6, KrF2, KrF4및 KrF6와 같은 신규 가스 할로겐 화합물을 사용하는 에칭을 기술한, Winters 등게게 허여된 미국 특허 제 4,226,666 호를 또한 참조.
반도체 디바이스에서 유전체를 우선적으로 에칭하도록 FIB 로 XeF2를 사용하는 것이 일반돠되어 왔다 - 즉, XeF2의 사용은 대부분의 금속의 에칭 속도에 대하여 유전체의 에칭 속도를 증가시켜 도체는 정전 방전의 위험성이 보다 적은 상태로 급속히 노출될 수 있다.
에칭을 향상시키는 아이오딘 증기의 사용은 집적 회로내의 알루미늄 상호접점의 가속된 에칭과 같은 유전체에 대한 금속의 우선적 에칭을 허용한다. 그렇지만, 아이온딘은 많은 단점들이 있다. 첫째로, 아이온딘은 선적을 복잡화시키는 위험한 재료로 분류되어 있다. 예를들어, 일본으로 아이오딘을 선적하기 위해서는 특별 허가가 요구되며, 허가가 있더라도, 아이오딘의 세관 통과에는 지연이 따른다. 둘째로, 아이온딘은 습윤성 및 표면 이동성이 있지만, 쉽게 탈착되지 않는다. 이는 화학 공정의 이행 및 EDS 분석시 문제점을 초래한다. 셋째로, 아이오딘은 전달 체계에서 많은 문제점들을 초래한다. 이는 밸브 시트에서 안정화되는 경향이 있어, 밸브 고장을 초래하고 종종 전달 도관을 막히게 한다.
IC 수리시 재료의 밀링 및 데포지션에 현재 사용되는 Ga 이온 빔 시스템에서 이행될 수 있는 것이 바람직한, 재료를 FID 에칭하는 향상된 기술이 요구된다. 아이온딘의 이점있는 특성을 갖지만 아이오딘의 단점을 극복하는 에칭 인핸서 ( enhancer ) 가 요구된다.
도 1 은 선행 기술의 FIB 시스템에 대한 개략 선도,
도 2 는 FIB 로 에칭되는 샘플의 표면적에서 화학물질을 국부 분사시키는 선행기술의 장치에 대한 개략도,
도 3 은 디바이스의 표면에서 발생하는 것으로 여겨지는, 본 발명에 따라 FIB 및 1,2 디-아이오도-에탄을 사용하는 에칭 공정에 대한 개략도, 및
도 4 는 본 발명에 따라 알류미늄을 에칭하는 경우 밀링 가속율과 이온 전류 사이의 대략적인 관계를 보여주는 도면.
본 발명의 바람직한 실시예는 1,2 디-아이오도-에탄에 관련하여 집속 이온 빔으로 재료의 에칭을 향상시키는 방법 및 장치를 제공한다. 본 발명에 따른 향상된 에칭은 FIB 와 같은 하전 입자 빔으로 반도체 IC 디바이스를 진단 및 수리하는데, 특히 일정 형태의 수리를 용이하게 하고 수리 시간을 최소화하는데 유용하다. 예를들어, FIB 시스템은 IC 의 도체를 신속하고 우선적으로 에칭하기 위해 본 발명에 따라 작동되면서, 주변의 유전체 구조에 손상을 최소화시킨다.
본 발명에 따라 표본으로 부터 재료를 에칭하는 방법은 진공실 내에 표본을 배치하는 단계, 재료가 에칭될 표본의 국부적 표면 영역에서 1,2 디-아이오도-에탄의 분자를 함유한 증기를 지향시키는 단계, 집속 이온 빔을 발생시키는 단계, 및 표본으로 부터 재료를 에칭하도록 국부적 표면 영역에서 집속 이온 빔을 지향시키는 단계를 포함한다. 표본은 집적 회로일 수 있다. 예를들어, 에칭될 재료는 알루미늄이나 금일 수 있다. 집속 이온 빔은 대략 1 pA/μ㎡ 내지 60 pA/μ㎡, 바람직하기로는 대략 5 pA/μ㎡ 내지 10 pA/μ㎡ 의 평균 빔 전류 밀도에서 국부적 표면 영역상으로 스캐닝될 수 있다. 진공실은 대략 1.5 × 10-5토르, 바람직하기로는 대략 1.0 × 10-5토르 미만의 1.2 디-아이오도-에탄의 도입에 앞서 배경 챔버 압력을 가질 수 있다. 진공실은 대략 6 × 10-5토르, 바람직하기로는 대략 4 × 10-5내지 5 × 10-5토르의 1,2 디-아이오도-에탄을 도입하는 동안 전체의 챔버 압력을 가질 수 있다. 재료가 에칭될 표본의 국부적 표면 영역에서 1,2 디-아이오도-에탄의 분자를 함유한 증기를 지향시키는 것은 대략 섭씨 30。 - 38。, 바람직하기로는 대략 섭씨 32。 - 35。 의 온도에서 도가니내에 다량의 1,2 디-아이오도-에탄을 유지하는 단계, 경로를 따라 도가니로 부터 분사 오리피스를 통해 국부적 표면 영역으로 1,2 디-아이오도-에탄이 통과하도록 허용하는 단계를 포함한다. 상기 경로는 대략 섭씨 60。 의 온도에서 유지되는 것이 바람직하다. 이온은 5 내지 40 kev 의 범위내의 에너지를 가질 수 있다. 집속 이온 빔은 갈륨 이온의 액체 금속 이온 소스로 부터 발생될 수 있다.
본 발명의 상기 및 기타다른 특징들은 다음의 상세한 설명 및 첨부된 도면에서 당업자들에게는 명백할 것이다.
화합물 1,2 디-아이오도-에탄, ICH2CH2I ( CAS #624-73-7 ) 는 순도 ≥ 99 % 상태로 미국 위스카즌주 밀워키시의 Bulk Chemical Division of Aldrich Chemical Co., Inc. 로 부터 상업적으로 입수가능하다. 1,2 디-아이오도-에탄의 고순도는 본 발명에 따라 재료의 집속 이온 빔 에칭을 가속시키는데 중요한 것으로 여겨지지 않지만, 고순도는 반도체 집적 회로의 수정에 사용하는데 바람직하다.
바람직한 실시예에서, 1,2 디-아이오도-에탄 화합물은 도 2 에서 (200) 으로 도시된 것과 같은 FIB 시스템의 작은 도가니내로 로딩된다. 실내 온도에서 1,2 디-아이오도-에탄의 증기압은 1,2 디-아이오도-에탄을 샘플로 전달하기에는 너무 낮다. 따라서, 도 2 의 튜브 (215) 및 니들 (225) 과 같은 도가니 및 전달 경로는 충분한 증기압이 작용되는 샘플의 표면으로 유출하는 1,2 디-아이오도-에탄의 전달을 보장하도록 가열된다.
주위의 배경 챔버 압력이 1,2 디-아이오도-에탄의 도입에 앞서 검사된다. 전체의 챔버 압력은 1,2 디-아이오도-에탄을 도입하는 동안 검사된다. 이 값간의 차는 챔버내의 1,2 디-아이오도-에탄의 부분압인 것으로 여겨진다. 1,2 디-아이오도-에탄의 가스 유속은 부분압으로 부터 계산될 수 있고 오리피스는 분사 니들형이다. 예를들어, ∼ 4 × 10-5의 1,2 디-아이오도-에탄의 부분압은 분사 니들을 통해 ∼ 1.5 × 10-2atm-cc/sec 의 챔버내로의 가스 유속을 초래하여, ∼ 3 × 1017분자/㎠/sec 의 니들의 방출 단부로 부터 멀리 표면상으로의 1,2 디-아이오도-에탄의 계산된 유속을 초래한다. 도 2 에 도시된 바와같이, 전달 도관 및 분사 니들은 1,2 디-아이오도-에탄이 진공실로 도달할때 까지 유출하는 1,2 디-아이오도-에탄을 한정하며, 이 경우에 이는 가장 높은 밀도가 샘플에서 지향되면서 대략 코사인 분포로 확대된다.
1,2 디-아이오도-에탄의 고착 가능성은 이것이 노출되는 표면상에 농도를 증가시키는 정도로 여겨진다. 도 3 은 발생하는 것으로 여겨지는 메카니즘을 예시한다. 분사 니들 (320) 로 부터 지향되는 1,2 디-아이오도-에탄의 분자들은 305, 310, 315 에서 도시되어 있다. 1,2 디-아이오도-에탄의 분자 ( 325, 330, 335, 340 ) 들은 샘플의 상부 표면상의 농도를 증가시키는 것으로 보여진다. 1,2 디-아이오도-에탄의 단순한 노출로 부터 표면상에서 발생하는 측정가능한 화학 반응은 발견되지 않았다. 그렇지만, 이온 빔 (350) 에 의한 충격시, 1,2 디-아이오도-에탄 표면 층은 변경되고 표면 결합 에너지를 낮추는 화학적 변경이 발생한다. 결정 금 속의 원자들은 분자 ( 355, 360, 365 ) 내에서 제거된다. 스퍼터링의 물리적 현상은 이것이 고체 또는 액체 샘플내의 운동 에너지 전달 및 표면 원자/분자의 결합 에너지 모두에 의해 제한되는 정도이다. 충돌 이온 질량 또는 유형만이 에너지 전달에 관계하는 한 스퍼터링 속도에 영향을 준다. 주된 이온이 향상된 에칭에 관련하여 실행하는 역할은 1,2 디-아이오도-에탄의 활성화에 관련있다 ------ 자유 아이오도 원자 또는 이온들은 알류미늄 또는 기타 샘플 재료에 결합되고 표면 결합 에너지를 낮춰 물리적 스퍼터링이 가속되고 결과적으로 에칭 속도가 증가된다.
알류미늄에 있어서, 가속율은 적어도 15 배일 수 있다. 유전체 에칭은 ∼4 배로 가속된다. 텅스텐과 같은 몇몇 금속들은 1,2 디-아이오도-에탄에 있어서 에칭 속도의 가속이 일어나는 것 같지 않다. 대부분의 집적 회로 금속화가 현재 알류미늄임에 따라 1,2 디-아이오도-에탄은 알류미늄 도체의 급속하고 우선적인 에칭에 유용하다. 모든 금속들이 동일한 방식으로 가속되지 않기 때문에 그리고 이들이 서로다른 2 차 방출 계수를 갖기 때문에, 알류미늄 금속화 뿐만 아니라 장벽 재료가 제거되는 금속화를 단절시키도록 금속 트레이스를 에칭하는 경우에 주의해야만 한다.
일반적으로, 선택성은 에칭 공정에서 가장 중요하다. 공정이 유전체에 대하여 우선적으로 금속을 제거하는 경우에 조작자의 전문 기술은 덜 요구된다. 공정은 보다 큰 정확도 및 균일성을 갖는다.
1,2 디-아이오도-에탄은 선적하기에 위험한 것으로 분류되어 있지 않다. 이는 취급 및 선적을 간편하게 한다. 유한한 저장 수명 때문에, 1,2 디-아이오도-에탄 화합물은 화학물질 저장용 내장고 내에서 섭씨 5。 ( 화씨 40。 ) 이하로 밀봉된 플라스틱 저장 백에 저장되는 것이 바람직하다. 화합물 1,2 디-아이오도-에탄은 시간이 지나면 분해되고, 차후의 증가된 압력은 정화 루틴을 필요로 한다.
에칭을 개시하기 전에, 도가니를 가열하고 도관 및 분사 니들을 통해 대략 5 분 동안 FIB 시스템의 진공실로 1,2 디-아이오도-에탄 화합물을 흐르게 하는 것이 바람직하다. 이러한 정화는 중대한 것인데, 그 이유는 사전 정화된 화학물질은 정화된 화학물질로 또는 독립의 Ga+ 집속 이온 빔으로 밀링하기에 어려운 화합물의 샘플상에 형성될 수 있기 때문이다. 사전 정화된 화학물질에 의해 샘플상에 형성된 화합물은 비균일한 것으로 밝혀졌고, 이는 차후의 에칭을 하는 동안 알류미늄 하부의 일부 유전체의 제거를 초래하며 화합물의 일부를 남긴다.
Schlumberger IDS P2X 시스템에서 1,2 디-아이오도-에탄을 사용하여 알류미늄의 에칭 속도를 향상시키는 실시예는 다음과 다 :
1. 샘플 IC 의 알류미늄 영역상에 4μm × 4μm 절삭 둘레를 작도한다.
2. 500pA 의 집속 이온 빔을 사용하여, 알류미늄을 통해 밀링하고 밀링 시간 ( T1 ) 을 기록한다.
3. 샘플 IC 의 알류미늄 영역상에 4μm × 4μm 금속 에칭 둘레를 작도한다.
4. 100pA 의 집속 이온 빔 전류를 사용하여, 1,2 디-아이오도-에탄을 분사하는 동안 알류미늄을 통해 밀링한다. 시간 ( T2 ) 을 기록한다.
5. 그러면 가속율 ( AF ) 은
AF = 5 × T1/T2 이며
( 여기서 5 × 멀티플라이어는 서로다른 빔 전류를 보상한다 ).
실제, 가속율은 10 이상인 것으로 밝혀졌다.
1,2 디-아이오도-에탄을 사용한 향상된 FIB 에칭은 많은 이점을 갖는다: 화합물 1,2 디-아이오도-에탄은 아이오딘 보다 더 깨끗이 작용한다. 아이오딘과 달리, 1,2 디-아이오도-에탄은 전달 도관의 내부를 피복하지 않거나 또는 도가니 밸브를 오염시키고, 선적 목적용으로 위험한 재료로 여겨지지 않는다. 시스템의 앞선 아이오도 오염은 1,2 디-아이오도-에탄에 의해 제거되는 것으로 보인다. 1,2 디-아이오도-에탄에 대한 5 분간의 정화 진행은 공정을 안정화하는데 적합하고, 아이오딘에 요구되는 것 보다 상당히 더 짧은 기간을 갖는다.
Schlumberger IDS P2X 시스템에 있어서, 작업실 압력은 화학물질 분사 작동이 개시될 수 있기전에 최소한 낮은 10-5토르 범위 ( 대기압 이하의 임의 압력 - 7.6 × 102토르가 진공으로 여겨진다 ) 내에 있어야 한다 ; 압력이 중간의 10-5토르 범위에 있는 경우, 지나친 챔버 압력으로 부터 이온 소스를 보호하는 시스템내의 안전 인터로크로 인해 부가적인 1,2 디-아이오도-에탄 증기압이 이온 빔을 차단할 위험성이 있다. 액체 - 금속 이온 소스의 화학적 오염은 이온 - 소스 수명을 단축시키는 주된 이유이며 따라서 안전 인터로크에 의해 제한된다.
도가니는 열적으로 잘 절연되고 3 - 5 × 10-5토르의 작업실 압력을 제공하는 온도에서 유지되는 것이 바람직하다. 매니폴드 및 분사 조립체를 포함하는 위에서 개략 설명된 증기 전달 시스템의 다른 구성요소들은 또한 열적으로 잘 절연되는 것이 바람직하며, 1,2 디-아이오도-에탄 증기가 전달 시스템의 어떤 냉점상에서 응축되도록 도가니 온도 이상의 온도에서 유지된다. 증기 전달 시스템의 구성요소들은 대략 섭씨 60°등에서 유지될 수 있다. 증가된 도가니 온도는 1,2 디-아이오도-에탄의 증기압을 증가시키는데, 이는 매니폴드 밸브에 의해서만 제한되는 전달 시스템을 통해 관심있는 영역내의 샘플 표면상으로 흐른다. 샘플의 금속 표면에 대한 1,2 디-아이오도-에탄의 어떠한 반응도 집속 이온 빔의 없는 경우에 관찰되지 않았다. 집속 이온 빔에 의해 자극 받는 경우, 1,2 디-아이오도-에탄은 샘플의 금속 표면과 반응한다. 이온 스퍼터링 현상과 금속과 1,2 디-아이오도-에탄과의 반응에 의한 표면 결합 에너지의 감소의 합체는 이온 스퍼터링 만의 에칭 속도 이상의 증가된 에칭 속도를 초래한다.
몇가지 바람직한 동작 파라미터는 다음과 같다 :
1. 시스템 전체의 챔버 압력은 이온 빔 칼럼을 포함하는 챔버에 연결된 디바이스에 손상을 피하도록 6.0 × 10-5토르를 초과하지 않아야 한다.
2. 시스템 전체의 챔버 압력은 가스 보조 작동을 개시하기 전에 1.0 × 10-5토르 미만이어야 한다. 1,2 디-아이오도-에탄 가스의 부분압은 작동에 중요한 영향을 미치도록 1.0 × 10-5토르 이상이어야 한다.
3. 바람직한 공칭 작동 압력은 1,2 디-아이오도-에탄의 도가니 압력이 섭씨 35°± 5°에서 유지되는 경우에 일어나는 4.0 × 10-5토르이다. 이는 대략 0.9 SCCM ( 분당 표준 입방 센티미터 ) 의 니들을 통한 가스 유속 및 디바이스 표면에서의 유속, 대략 3 × 1017분자/㎠/sec 의 800 미크론 직경의 분사 니들과 먼 700 미크론을 초래한다.
본 발명에 따른 1,2 디-아이오도-에탄을 사용하는 향상 FIB 에칭은 IC 의 수정시 사용예로 예시되어 있다.
1. 바람직한 공칭 작동 조건
목적 : 알루미늄 층을 통한 2μm × 5μm 의 구멍을 절삭하는 것. 1.0 × 10-5토르 미만의 초기의 챔버 압력으로, 1,2 디-아이오도-에탄 ( 섭씨 35°로 유지됨 ) 은 챔버로 도입되어 4.0 × 10-5토르의 챔버 압력을 초래한다. 이온 빔 전류는 적어도 10pA/μ㎡ 의 빔 전류 밀도를 필요로 하여 결정되며, 따라서 100pA 빔은 이 경우에 사용된다. 그리고 나서 빔은 턴온되고 대략 30 초 내에 빔은 1μm 의 알루미늄을 통해 에칭된다. 동일한 빔 전류를 갖지만 1,2 디-아이오도-에탄 가스를 디바이스 표면으로 도입시키지 않는 동일한 크기의 박스는 15 분 이상 걸린다.
2. 최적의 빔 전류 밀도 미만
목적 : 최적의 빔 전류 밀도 미만으로 알루미늄 층을 통해 2μm × 5μm 구멍을 절삭하는 것. 이 실시예에서 빔 전류가 20pA 로 선택되어 2 pA/μ㎡ 빔 전류 밀도를 초래하는 경우, 1μm 의 알루미늄을 통해 절삭하는 것은 10 pA/μ㎡ 에서 30 초와 대조적으로 2 분 이상이 걸린다.
3. 최적의 빔 전류 밀도이상
목적 : 최적의 전류 밀도 이상으로 알루미늄 층을 통해 2 μm × 5μm 구멍을 절삭하는 것. 이 실시예에서 빔 전류가 250 pA 로 선택되어 25 pA/μ㎡ 의 빔 전류 밀도를 초래하는 경우, 1 μm 의 알루미늄을 통해 절삭하는 것은 대략 10 초가 걸린다. 이것이 30 초 보다 빠른 동안에는, 높은 밀링 속도는 조작자 또는 기계가 알루미늄을 통과한 후에 정지 시키는 것을 보다 어렵게 하며 보다 높은 빔 전류 밀도는 알루미늄의 하부에 있는 것을 통해 보다 빨리 절삭을 개시하여 보다 낮은 정밀 작동을 초래한다.
4. 1,2 디-아이오도-에탄의 챔버 압력 미만에서의 작동
가스 작동이 4.0 × 10-5토르 미만의 챔버 압력으로 진행하는 경우 가스 효율이 감소되어 보다 느린 밀링 작동을 초래한다. 1,2 디-아이오도-에탄의 챔버 부분 압력이 1.0 × 10-5토르 미만으로 떨어진 경우 작동은 존재하는 1,2 디-아이오도-에탄 가스가 없는 것 처럼 효과적으로 이루어진다.
5. 1,2 디-아이오도-에탄 챔버 압력 이상에서의 작동
과다한 1,2 디-아이오도-에탄을 사용하는 작동은 시험에 사용된 FIB 시스템의 제한으로 인해 조사되지 않았다. 시스템의 6 × 10-5토르의 챔버 압력 한계치를 초과하는 것은 보다 빠르거나 보다 정밀한 동작을 초래하는 것으로 기대되지 않지만, 보다 많은 1,2 디-아이오드-에탄 가스를 샘플 표면으로 전달하는 것은 몇가지 작동 형식에서 이익이 있다.
6. 금 박막을 에칭하기 위해, 1,2 디-아이오도-에탄을 사용함
1,2 디-아이오도-에탄 가스로 향상된 FIB 에칭은 그 박막상에서 시험되었고 대략 5 - 7 배의 에칭속도 향상 ( 어떠한 가스로 사용하지 않은 상태에서 에칭 속도와 비교됨 ) 을 초래하는 것으로 밝혀졌다. 이는 유사한 방법으로 알루미늄을 에칭하도록 이행되지만 에칭 향상 가속율은 절반 미만이다. 이는, 금 박막을 사용하는 기타 공정 뿐만 아니라 X - 레이 리소그래피 마스크 및 고전력 GaAs 및 Si 디바이스를 수리하는 유용한 도구가 될 수 있다.
본 발명의 방법을 실시하기에 적합한 FIB 시스템은 캘리포니아, 산조세에 소재하는 Schlumberger Technologies, Inc. 로 부터 상업적으로 이용가능한 IDS P2X 시스템이다. 실시예에서는 IDS P2X 시스템의 페닝 게이지를 사용하는 챔버 압력이 언급되었다. DUT 의 표면에서 가스 유속 및 압력이 측정되지 않았으므로, 보정 데이타 및 챔버 압력이 간접적 인디케이터로 사용되었다.
니들을 통하여 영역의 표면에 증기가 주사되는 중 특화된 박스 ( 예를들면 2 μm × 5μm 의 명적 또는 다른 특화된 크기 ) 위에서 FIB를 스캐닝함으로써 에칭이 행해진다. 박스 크기에 관계없이, 영역을 커버하기 위해 500 수평 스캔라인이 사용되며, 박스의 완전한 1 회 소인 ( sweep ) 이 30 밀리초 ( ms ) 에 행해진다.
표 1 은 1,2 디-아이오도-에탄의 분사로 향상된 알루미늄의 FIB 에칭에 대한 사용범위 및 최적/전형 값의 요약이다.
파라미터 범위 값 최적/전형적인 값
평균 빔-전류 밀도 1-60 pA/μ㎡ 5-10 pA/μ㎡
배경 챔버 압력 ＜1.5×10-5토르 ＜1.0×10-5토르
1,2 디-아이오도-에탄에 대한 전체 챔버 압력 ＜6×10-5토르 4×10-5-5×10-5토르
도가니 온도 섭씨 30°- 38° 섭씨 32°- 35°
분사기 온도 섭씨 ∼ 60° 섭씨 ∼ 60°
계산된 가스 유속 밀링 속도 0.03-0.6μ㎥/초 0.3 μ㎥/초
표 1 의 주해
250 pA, 500 pA 의 빔 전류로 2μm ×2μm = 4μ㎥ 의 영역을 밀링하면, 알루미늄 제거를 위한 가속 요소는 60pA/μ㎥ 의 빔 전류 밀도에서 대략 4 배로 되며, 빔 전류 밀도가 60 60pA/μ㎥ 보다 크게되면 1 배에 접근한다. 빔 전류밀도가 60pA/μ㎥ 보다 크거나 같으면 에칭의 절대 비율이 높아지며, 낮은 가속율은 에칭 공정이 선택적이 않다는 것 - 즉 대부분의 반도체 집적회로 작동중 알루미늄과 유전체 양자가 바람직하지 않게 높은 비율로 제거된다는 것을 의미한다.
약 1.5 × 10-5토르 이하의 1,2 디-아이오도-에탄을 지닌 전체 챔버 압력에서는 알루미늄 에칭 속도의 향상이 없었다.
Schlumberger IDS P2X 시스템에서, 1,2 디-아이오도-에탄을 지닌 전체 챔버 압력의 실제 한계치는 약 6 × 10-5토르 이며, 그 이유는 상기값 이상일 경우, 1,2 디-아이오도-에탄 증기가 FIB 칼럼내로 확산되어 FIB 칼럼 작동을 방해하거나 또는 안전 연동장치를 촉발하여 FIB 칼럼을 폐쇄한다.
지시된 도가니 온도 값은 기계에 따라 변화가능하다. 바람직한 챔버 압력을 달성하도록 도가니 온도가 설정된다. 지시된 범위의 도가니 온도 설정으로 지시된 전체 챔버 압력 값이 달성된다는 것을 보여준다.
도 5 는 본 발명에 따라 알루미늄을 에칭할 때 이온 전류와 밀링 가속 사이의 대략적 관계를 제시한다. 약 4 μ㎡ 의 공칭 FIB 작동 면적크기에 대한 이온 전류가 주어진다.
본 기술분야의 당업자들은 후술되는 청구의 범위에서 한정된 본 발명의 범위내에서 다른 변형예들을 실시할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예는 1,2 디-아이오도-에탄에 관련하여 집속 이온 빔으로 재료의 에칭을 향상시키는 방법 및 장치를 제공한다. 본 발명에 따른 향상된 에칭은 FIB 와 같은 하전 입자 빔으로 반도체 IC 디바이스를 진단 및 수리하는데, 특히 일정 형태의 수리를 용이하게 하고 수리 시간을 최소화하는데 유용하다. FIB 시스템은 IC 의 도체를 신속하고 우선적으로 에칭하기 위해 본 발명에 따라 작동되면서, 주변의 유전체 구조에 손상을 최소화시킨다.

Claims (16)

  1. 표본 ( specimen ) 으로 부터 재료를 에칭하는 방법에 있어서,
    a. 진공실에 표본을 배치하는 단계 ;
    b. 재료가 에칭될 표본의 국부적 표면 영역에서 1,2 디-아이오도-에탄의 분자를 함유한 증기를 지향시키는 단계 ;
    c. 집속 이온 빔을 발생시키는 단계 ; 및
    d. 표본으로 부터 재료를 에칭하도록 국부적 표면 영역에서 집속 이온 빔을 지향시키는 단계
    를 포함하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 표본은 집적 회로를 포함하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 에칭될 재료는 알루미늄을 포함하는 방법.
  4. 상기 에칭될 재료는 금을 포함하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 집속 이온 빔은 대략 1 pA/μ㎡ - 60 pA/μ㎡ 의 평균 빔 전류 밀도에서 국부적 표면 영역상으로 스캐닝되는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 집속 이온 빔은 대략 5 pA/μ㎡ - 10 pA/μ㎡ 의 평균 빔 전류 밀도에서 국부적 표면 영역상으로 스캐닝되는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 진공실은 대략 1.5 × 10-5토르 미만의 1,2 디-아이오도-에탄의 도입에 앞서 배경 챔버 압력을 지니는 방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 진공실은 대략 1.5 × 10-5토르 미만의 1,2 디-아이오도-에탄의 도입에 앞서 배경 챔버 압력을 지니는 방법.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 진공실은 대략 6 × 10-5토르 미만의 1,2 디-아이오도-에탄을 도입하는 동안 전체의 챔버 압력을 지니는 방법.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 진공실은 대략 4 × 10-5내지 5 × 10-5토르의 1,2 디-아이오도-에탄을 도입하는 동안 전체의 챔버 압력을 지니는 방법.
  11. 제 1 항에 있어서, 재료가 에칭될 표본의 국부적 표면 영역에서 1,2 디-아이오도-에탄의 분자를 함유한 증기를 지향시키는 단계는 대략 섭씨 30°- 38 °의 온도에서 도가니 내에 다량의 1,2 디-아이오도-에탄을 유지하는 단계, 및 경로를 따라 도가니로 부터 분사 오리피스를 통해 국부적 표면 영역으로 1,2 디-아이오도-에탄이 통과하도록 허용하는 단계를 포함하는 방법.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 경로는 대략 섭씨 60°의 온도에서 유지되는 방법.
  13. 제 1 항에 있어서, 재료가 에칭될 표본의 국부적 표면 영역에서 1,2 디-아이오도-에탄의 분자를 함유한 증기를 지향시키는 단계는 대략 섭씨 32°- 35 °의 온도에서 도가니 내에 다량의 1,2 디-아이오도-에탄을 유지하는 단계, 및 경로를 따라 도가니로 부터 분사 오리피스를 통해 국부적 표면 영역으로 1,2 디-아이오도-에탄이 통과하도록 허용하는 단계를 포함하는 방법.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 경로는 대략 섭씨 60 °의 온도에서 유지되는 방법.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 이온은 5 내지 40 Kev 의 범위내에 있는 에너지를 지니는 방법.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 집속 이온빔은 갈륨 이온의 액체 금속 이온 소스로 부터 발생되는 방법.
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