KR19990068026A - 집속 이온 빔에 의한 이차 이온 이미지 관찰방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 결함 분석 등을 위해서 집속 이온 빔(ion beam)을 이용하여 반도체 디바이스의 특정 위치에 단면을 형성하는 가공을 수행하고 그 단면을 관찰하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 이차 하전 입자 검출기에 의해 이차 전자를 검출하고 수초의 이미지 갱신 속도로 이차 전자 이미지를 관찰하면서 이온 광학계의 초점을 조정하는 제 1단계와, 광학계의 초점을 재조정하지 않으면서 이차 하전 입자 검출기를 이용하여 이차 이온을 검출해서, 이차 이온 이미지를 수 십∼수 백 초/프레임의 주사 속도로 관찰하는 제 2단계로 이루어져, 집속된 고해상도 이차 이온 이미지를 얻을 수 있다.
Description
본 발명은 결함 분석 등을 위해서 집속 이온 빔(ion beam)을 이용하여 반도체 디바이스의 특정 위치에 단면을 형성하는 가공을 수행하고 그 단면을 관찰하는 방법에 관한 것이다.
대규모 집적회로(Large-Scale Integrated circuits; LSIs) 등의 고집적화 및 소형화에 따라, 개발 단계 및 제조 단계에 있어서 집속 이온 빔을 이용하여 LSI의 단면을 처리하고 관찰하는 기술이 제안되어 있다.
이는, 주사(scanning)형 이온 현미경의 기능에 의해 처리되는 단면의 위치를 결정하고, 마스크 없는(maskless) 에칭 기능에 의해 처리되는 단면을 일면으로 하여 사각 구멍을 형성하여 소망의 단면부를 노출시킨 후, 샘플을 경사지게 하여 상기 단면부를 이온 빔의 조사(照射) 방향으로 향하게 하고, 주사 이온 현미경의 기능에 의해 상기 처리된 단면을 재차 관찰한다.
상기한 방법에 의해 제조된 단면부를 주사 이온 현미경에 의해 관찰할 때, 집속 이온 빔의 이온 전류를 5pA 이하로 설정하여 빔의 지름을 감소시킴으로써 고 해상도 이미지를 관찰한다. 그러나, 빔 전류가 감소함에 따라 이차 하전(荷電) 입자 신호의 강도도 감소하게 되어 신호대 잡음(S/N)비가 열화된다. 특히, 이차 이온의 강도는 이차 전자의 강도에 대하여 대략 1/10∼1/1000 정도로 된다. 따라서, 집속 이온 빔의 초점 조정을 위해 필요한 수 초의 이미지 갱신(refresh) 속도로 주사함에 따라 신호대 잡음(S/N)비가 낮아지고, 작업을 위해 필요한 화질은 얻어질 수 없었다. 화질이 떨어지는 이미지를 관찰하면서 대물렌즈의 인가전압을 미세 조정하여 집속 이온 빔의 초점을 샘플에 맞추고, 10nm 이하의 고해상도 이미지를 얻는 것은 곤란하였다. 따라서, S/N비를 향상시키는 방법으로서는 프레임 주사 속도를 늦추는 것이 관례이다. 이 방법은 이차 이온 신호가 축적되는 시간을 증가시킴으로써 화질을 향상시키는 것이다. 그러나, 이미지의 갱신 속도가 느리기 때문에 이미지를 관찰하면서 집속 이온 빔의 초점을 조정하기 위해서는 숙련이 필요하므로, 모든 사람이 초점을 조정하는 것은 용이하지 않았다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 이차 하전 입자 검출기에 의해 이차 전자를 검출하고 이차 전자 이미지를 관찰하면서 이온 광학계의 초점을 조정하는 제 1단계와, 제 1단계에서 조정된 이온 광학계의 초점을 재조정하지 않고서 이차 하전 입자 검출기를 이용하여 이차 이온을 검출하고 이차 이온 이미지를 관찰하는 제 2단계로 이루어져, 집속된 고해상도의 이차 이온 이미지를 얻는다.
도 1은 본 발명을 수행하기 위한 장치의 블록도,
도 2a 내지 도 2c는 단면 미세 기계 가공방법을 설명하기 위한 샘플 표면의 평면도,
도 3은 처리된 샘플 단면의 사시도,
도 4는 이차 전자 이미지를 도시한 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 액체 금속 이온 소오스 2 : 집속렌즈
3 : 블랭킹 전극 4 ; 편향전극
5 ; 대물렌즈 6 : 집속 이온 빔
7 : 이차 하전 입자 8 : 이차 하전 입자 검출기
9 : 샘플 10 : 샘플 스테이지
11 : A/D변환기 12 : 컴퓨터
13 : 광학계 제어 전원 공급장치 14 : 디스플레이 유니트
32 : 배선 33 : 콘택트 홀
34 : 단면 위치 36 : 에칭 영역
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명한다.
도 1을 참조하여 장치의 구성을 설명한다. 본 발명을 실시하기 위한 장치의 구성예는, 도 1에 도시한 바와 같이 액체 금속 이온 소오스(1), 액체 금속 이온 소오스(1)에서 추출된 이온 빔을 집속하기 위한 집속렌즈(2) 및 대물렌즈(5), 상기 이온 빔을 샘플상에 온/오프하기 위한 블랭킹 전극(3)으로 이루어진 집속 이온 빔 발생부를 구비하고 있다. 또, 집속 이온 빔(6)의 축상에는 집속 이온 빔을 편향시켜 주사하기 위한 편향전극(4)이 배치되어 있다. 또한, 상기 장치는 집속 이온 빔(6)이 조사되는 샘플(9)을 탑재하는 이동가능한 샘플 스테이지(10), 상기 집속 이온 빔(6)을 조사함에 따라 방사되는 이차 하전 입자(7a,7b)를 검출하기 위한 이차 하전 입자 검출기(8a,8b), 및 상기 이차 하전 입자 검출기(8a,8b)에 의해 검출된 이차 하전 입자(7a,7b)의 강도에 따라 상기 샘플(9)의 표면 이미지를 디스플레이하기 위한 디스플레이 유니트(14) 등을 더 포함하고 있다.
상기 이차 하전 입자 검출기(8a,8b)는 이차 전자(7a)를 검출하기 위한 이차 전자 검출기(8a)와, 이차 이온(7b)을 검출하기 위한 이차 이온 검출기(8b)로 구성된다. 또, 상기 이차 하전 입자 검출기(8a,8b)는 하나의 검출기로 구성되어도 되며, 이러한 경우 이차 전자 검출기(8a) 및 이차 이온 검출기(8b) 사이를 스위치로 절환하면 된다.
상기 이차 하전 입자 검출기(8a,8b)로부터의 신호는 A/D 변환기(11)에 인가되어 A/D변환된다. 디지털 신호로 변환된 이차 하전 입자(7a,7b)의 신호는 상기 디스플레이 유니트(14)상에 이미지를 디스플레이 하기 위해 컴퓨터(12)에 의해 산술적으로 처리된다. 상기 액체 금속 이온 소오스(1), 집속렌즈(2), 블랭킹 전극(3), 편향전극(4) 및 대물렌즈(5)에는 컴퓨터(12)로부터의 신호에 근거하여 이온 광학계 제어 전원 공급장치(13)를 통해서 전원이 공급된다. 상기 이차 하전 입자 검출기(8a,8b)는 상기 이차 전자(7a)를 검출하기 위한 이차 전자 검출기(8a)와 상기 이차 이온(7b)을 검출하기 위한 이차 이온 검출기(8b)로 구성된다.
다음으로, 상기 집속 이온 빔 시스템을 이용하여 단면을 처리하고 관찰하는 방법에 대하여 도 2를 참조해서 설명한다. 여기서, 단면을 관찰하기 위한 샘플(9)로서는 대규모 집적회로(LSI)가 사용된다. 도 2a에 도시한 바와 같이, 관찰하고자 하는 LSI 샘플(9)의 콘택트 홀(contact hole; 33)을 포함하는 주사 이온 현미경 이미지를 구한다.
상기 콘택트 홀(33)의 부근에는 도전성 배선(32)이 관찰된다. 주사 이온 현미경 이미지는, 상기 집속 이온 빔(6)을 상기 샘플(9)의 표면에 주사하면서 조사하고, 상기 샘플(9)의 표면으로부터 방사되는 이차 하전 입자인 이차 전자(7a) 또는 이차 이온(7b)을 검출함으로써 얻을 수 있다. 도 2a의 이미지에 의해 단면이 형성되어야 할 위치를 설정한다.
그후, 도 2b에 도시한 바와 같이, 콘택트 홀(33)을 포함하는 영역(35)을 FIB-CVD 방법에 의해 막(film)으로 피복한다. 상기 FIB-CVD방법에서는 가스 총(미도시함)에 의해 샘플 표면상에 소오스 가스를 흡착시키고, 20∼30 KeV의 에너지로 가속된 이온 빔(6)을 상기 영역(35)내에 주사시켜 그 영역을 조사한다. 이에 따라, 상기 조사된 영역(35)에만 선택적으로 막을 형성한다. 본 실시예에서는 소오스 가스로서 W(CO)6을 사용하여 텅스텐 막을 형성한다. 물론, 본 발명은 다른 가스를 사용하여 다른 금속막을 형성하도록 실시하여도 된다. 상기한 막 형성이 장시간동안 수행되면 상기 샘플의 피복된 영역의 표면이 평탄화되기 때문에, 주사 이온 현미경 이미지상에서는 도전성 패턴을 식별하는 것이 쉽지 않다. 따라서, 평탄화 전에 막의 형성을 완료하면 단면 형성은 보다 용이하게 된다.
상기 막의 형성 후, 도 2c에 도시한 바와 같이 에칭 영역(36)에 집속 이온 빔(6)을 조사하여 에칭 가공을 수행한다. 상기 에칭 영역(36)은 거의 구형 형상이고, 그 일변은 단면이 형성되는 위치로 되도록 설정된다. 2∼10nA와 같은 고전류 빔으로 거친 천공을 수행한다. 마무리 천공은 30pA∼2nA와 같은 적당한 전류 빔으로 관찰하고자 하는 단면의 위치(34)에 조사함으로써 수행되며, 이와 같이 처리된 샘플의 단면에 대한 사시도가 도 3에 도시되어 있다. 따라서, 도 4에 도시한 바와 같이 측벽 단면(37)이 형성된다.
그후, 이온 빔의 조사 방향에서 상기 처리된 샘플(9)의 단면(37)이 노출되도록 상기 샘플 스테이지(10)를 기울인다. 상기 단면(37)을 비교적 저전류 빔(예를 들면, 1pA 이하)으로 주사 이온 현미경에 의해 관찰한다.
또, 관찰하고자 하는 단면에 이물질 등과 같은 비정상 부분이 작은 경우에는 단면을 피복하지 않고서 단면을 형성하여도 된다. 이러한 경우에도 상기한 동작을 수행함으로써 보다 정밀한 단면 형상을 얻을 수 있다.
상기한 방법에 의하여 준비된 단면을 주사 이온 현미경의 기능에 의해 관찰할 때, 고해상도의 이미지를 얻기 위해서는 집속 이온 빔(6)의 전류를 5pA 이하로 설정하여 빔 지름을 좁게 한다. 제 1단계에서는 이차 전자 이미지를 수 초의 이미지 갱신 속도로 관찰하면서 이온 광학계의 초점을 조정한다. 상기 이미지는 프레임 누적 이미지 또는 도트(dot) 누적 이미지를 사용하여도 된다.
또한, 충분한 화질이 유도되는 경우에는 이미지 갱신 속도를 1초 이하로 하여도 된다. 이차 전자(7a)를 검출하기 위해서는 이차 전자 검출기(8a)를 사용한다. 따라서, 도 4에 도시한 바와 같은 이차 전자 이미지가 얻어진다. 상기 이미지를 관찰하면서 대물렌즈(5)의 인가전압을 미세 조정하여 상기 샘플에 초점을 맞춤으로써 고해상도의 이차 전자 이미지를 얻는다. 이차 이온보다 더 많은 이차 전자가 생성되므로, 이미지 갱신 속도가 수 초이어도 비교적 신호대 잡음비가 양호한 이미지를 얻을 수 있어서 간단하게 초점을 조정할 수 있다.
다음으로, 제 2 처리 단계에서는 이차 이온(7a)을 검출하기 위해서는 이차 이온 검출기(8b)를 사용한다. 이때, 대물렌즈(5)의 초점이 이미 제 1처리 단계에서 조정되어 있으므로, 대물렌즈(5)의 초점에 대한 재조정은 필요없다. 그러나, 이차 전자(7a) 및 이차 이온(7b)을 절환하여 이온을 검출하기 위해서 하전 입자 검출기(8a,8b)에 인가되는 인가전압의 극성을 변화시키므로 이차 이온 이미지와 이차 전자 이미지 사이에는 시야가 어긋나게 된다. 본 실시예에서는 편향 전극(4)에 직류전압을 부가하여 집속 이온 빔(6)의 위치를 편향시켜 그 크기를 조정함으로써 시야를 조정해서 이미지를 얻는다. 그후, 주사 속도를 수 십 ∼ 수백 초/프레임으로 하여 이차 이온 이미지를 취함으로써, 양호한 S/N비를 갖는 이미지 해상도 10nm 이하의 이차 이온 이미지를 얻을 수 있다.
본 발명에 있어서는 신호 강도가 작은 이차 이온 이미지를 관찰할 때, 비교적 대량의 신호를 생성하는 이차 전자 이미지를 관찰하면서 이온 광학계를 조정한 후, 이차 이온 이미지를 관찰함으로써 집속된 이차 이온 이미지를 용이하게 얻을 수 있다.
Claims (3)
- 액체 금속 이온 소오스와, 상기 이온 소오스에서 추출된 이온 빔을 집속하기 위한 이온 광학계 및, 상기 이온 빔을 샘플상에 온/오프하기 위한 블랭킹 전극으로 이루어진 집속 이온 빔 발생부와,상기 집속 이온 빔을 편향시켜 주사하기 위한 편향전극,상기 집속 이온 빔이 조사되는 샘플을 탑재하는 이동가능 샘플 스테이지, 및상기 집속 이온 빔을 조사함에 따라 방사되는 이차 하전 입자를 검출하기 위한 이차 하전 입자 검출기로 구성된 집속 이온 빔 시스템을 이용하여, 상기 이차 하전 입자 검출기로 이차 전자를 검출하고 이차 전자 이미지를 관찰하면서 상기 이온 광학계의 초점을 조정하는 단계와;상기 단계에서 조정된 이온 광학계의 초점을 재조정하지 않고서 상기 이차 하전 입자 검출기로 이차 이온을 검출하고 이차 이온 이미지를 관찰하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 집속 이온 빔에 의한 이차 이온 이미지 관찰방법.
- 제 1항에 있어서,상기 이차 하전 입자 검출기는, 이차 이온만을 검출하는데 사용되는 검출기와, 이차 전자만을 검출하는데 사용되는 검출기로 구성된 것을 특징으로 하는 집속 이온 빔에 의한 이차 이온 이미지 관찰방법.
- 제 1항에 있어서,상기 이차 하전 입자 검출기는 인가 전압을 정 극성으로 설정하여 이차 전자를 검출하고 상기 인가 전압을 부 극성으로 설정하여 이차 이온을 검출하는 하전 입자 검출기이고, 상기 인가 전압의 극성을 절환함으로써 상기 집속 이온 빔의 조사 위치의 변동을 보상하기 위한 보상수단을 구비하며,상기 이차 하전 입자 검출기로 이차 전자를 검출하여 이차 전자 이미지를 관찰하면서 상기 이온 광학계의 초점을 조정하는 단계와;상기 단계에서 조정된 이온 광학계의 초점을 재조정하지 않고서 상기 이차 하전 입자 검출기로 이차 이온을 검출하고 상기 집속 이온 빔의 조사 위치 변동을 보상하기 위한 상기 보상수단에 의해 상기 이차 전자 이미지의 시야와 이차 이온 이미지의 시야가 동일한 위치로 되도록 하여, 이차 이온 이미지를 관찰하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 집속 이온 빔에 의한 이차 이온 이미지 관찰방법.
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