KR19990078019A - 시료의단면형성관찰방법 - Google Patents

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후지이도시아키
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Abstract

집속 이온 빔에 의해 형성된 반도체 장치의 배선 단면에, 기판과 도전막을 도통시키는 작은 구멍을 형성한다. 이 구멍의 형성에 의해서, 구멍의 측면에는 기판이 스퍼터링될 때 생성된 입자가 부착되어, 그 결과, 도통막이 형성되고, 플로팅하는 도전막과 기판이 도통되므로 대전 현상(charge-up)이 발생되는 것을 피할 수 있다.

Description

시료의 단면 형성 관찰 방법 {SECTION FORMATION OBSERVING METHOD}
본 발명은, 집속 이온 빔(a focused ion beam)을 사용하여 반도체 집적회로 및 세라믹 기판 등의 복수개의 도전층을 가지는 시료에 단면을 형성하는 가공을 행하고 그 단면을 관찰하는 방법에 관한 것이다.
시료의 미세한 구조를 관찰하기 위해 단면을 형성하고 관찰하는 종래의 방법으로는, 예를 들면 일본특허공개공보 제 H2-123749호 공보에 도시된 것과 같은 것을 예로 들 수 있다. 이에 따르면, 시료의 단면 관찰 위치를 변으로 가지는 영역에 집속 이온 빔을 반복 조사(照査: irradiating)하여서, 시료에 오목부(구멍)를 형성한다. 그 요부의 측벽에 나타난 시료의 단면에 다른 하전 입자 빔을 주사(走査: scanning)하면서 조사(irradiating)하는 것에 의해서 관찰하는 방법을 사용하고 있다.
도 1a 및 도 1b는, 복수 개의 도전층을 포함하는 시료의 예로서, MOSFET의 게이트에 이르는 배선을 도시한 것이다. 배선을 절단하여 얻어지는 단면을 관찰하는 방법에 대해 설명한다.
도 1a는 게이트 배선(51) 부분의 평면도이다. 소스 영역(52) 및 드레인 영역(53)은 기판(50) 표면부에서 게이트 배선(51)의 양측에 형성된다. 소스 배선(55) 및 드레인 배선(56)은 각각 접속부(54)를 매개하여 소스 영역(52) 및 드레인 영역(53)에 접속된다. 게이트 배선(51) 및 소스 영역(52)과 드레인 영역(53) 사이의 위치(점선 A-B)에서의 단면을 화살표 C 방향으로부터 관찰하는 경우를 설명한다. 작업 프레임(a work frame: 60: 구멍)은 도 1a와 같이 정의되며, 이곳에 오목부를 형성하도록 집속 이온빔이 조사된다. 그리고, 작업 프레임(60) 내에 집속 이온 빔이 주사되어 구멍을 만들도록 한다. 그 결과 도 1b에 도시된 바와 같은 오목부(61)가 형성된다. 도 1b에 도시되어 있는 화살표 D방향으로부터 관찰하는 것에 의해서, 게이트 배선 (51)의 단면을 관찰하는 것이 가능하다.
이때, MOSFET 게이트로 이르는 게이트 배선(51: D측)은, 단면이 형성되는 것에 의해서, 다른 배선 및 반도체 기판 등의 도전층으로부터 분리되고, 전기적으로 플로팅 상태(a floating state)로 된다. 이 게이트에 이르는 플로팅 상태의 게이트 배선(51)은 게이트 산화막(57)을 매개로 기판(50) 표면에 형성되므로, 이러한 것들은 콘덴서를 형성한다. 이 상태에서, 관찰을 위해서는 집속 이온 빔 및 전자 빔 등의 하전입자를 조사한 경우, 그 전하가 형성된 콘덴서에 충전된다. 플로팅하고 있는 게이트 배선(51)의 전위가 집속 이온 빔 조사의 경우는 기판(50)의 전위에 대해서 상승하고, 전자 빔의 경우는 저하하는 소위 대전(charge up) 현상이 발생한다. 즉, D 방향으로부터 집속 이온 빔 또는 전자 빔을 조사하여 단면을 관찰하는 경우에 대전 현상이라는 문제가 발생한다.
특히, 일반적으로 이온 빔의 경우에 그 영향은 현저하게 된다. 즉, 집속이온 빔의 경우, 양(+)의 전위로 관찰면(배선단면)이 대전되기 때문에 2차 전자가 관찰면에 있는 단면으로 돌입하게 된다. 그래서 화상을 얻기에 충분한 2차전자를 검출할 수 없고, 그 결과, 화상을 위한 대전에 제공되는 배선은 어두워지고, 관찰이 불가능하게 되는 문제가 있다.
이에 대한 대책으로서, 일본특허 공개공보 제H7-45681호에서 공개된 방법이 있는 데, 이 공보에는, 전기적으로 플로팅 되는 도전층이 관찰을 위한 것과 별도의 부분에 형성되고, 노출된 새로운 단면에 금속화합물 가스를 불어넣으면서, 집속 이온 빔을 조사하는 것에 의해서 금속막을 형성하고, 플로팅되어 있는 도전층을 시료 기판에 전기적으로 접속하여, 대전을 피하는 방법이 개시되어 있다. 이 방법은 대전 현상을 회피하는 수단으로서 효과적이다. 그러나, 집속 이온 빔 조사 시스템 이 외에 금속화합물 가스를 불어넣는 구조가 필요하게 되고, 제2의 단면 형성과 이에 에 이은 금속막 형성 등의 공정이 필요하게 된다는 문제점이 있다.
한편, 최근에는 배선폭은 좁게 되고, 기판(50)과 게이트 배선(51) 사이에 형성된 게이트 산화막은 얇아지고 있다. 특히, 가공 영역이 섬세하게 되므로, 단면 가공에 의해서 플로팅 도전층의 면적이 적어지게 된다. 이 때문에, 단면 가공 형성과정에서 형성된 콘덴서의 용량은 비약적으로 적어지게 되고, 플로팅 현상에 의해 게이트 기판에 대한 상대적인 전위차는 높아지게 된다. 전술한 바와 같이, 게이트 산화막이 얇게 되어서 그 내전압이 저하되므로, 대전에 의해 시료가 파손될 가능성이 높아지게 된다. 특히, 단면 형성을 하는 과정에서 플로팅 도전층이 형성되기 전에 집속 이온 빔 조사에 의한 전하는 도전층을 통하여서 방전된다. 그래서, 주사하는 집속 이온 빔 또는 주사하는 전자 빔을 형성된 단면에 조사하고, 단면으로부터 발생하는 2차 하전 입자를 검출하는 것에 의해서 단면을 관찰한다. 그러나, 단면 관찰을 위한 오목부(61)가 형성되어 도전층이 플로팅 된 후에는, 도전층보다 아래의 부분의 가공을 행하고 있는 사이에 플로팅 도전층에 전하가 축적되고, 대전 현상이 발생한다. 그래서 내전압이 낮은 얇은 게이트 산화막에 고전압이 인가되어, 경우에 따라서는 시료를 파손하는 문제가 발생할 수 있다.
도 1a는 샘플의 단면도이고, 도 1b는 그 사시도,
도 2a 내지 도 2c는 이온 스퍼터 상황을 도시하는 단면도,
도 3은 본 발명을 실시하기 위한 장치의 단면도,
도 4는 본 발명의 가공방법을 도시하는 평면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1: 액체 금속 이온원(liquid metal ion source)
5: 편향 전극 6: 하전입자 검출기
7: 시료 8: 시료대(sample stage)
10: 표시용 CRT 30: 집속 이온 빔(a focused ion beam)
50: 기판 51: 게이트 배선
52: 소스 영역 53: 드레인 영역
57: 게이트 산화막 60: 작업 프레임
61: 오목부 63: 제2가공영역
72: 재부착물(re-deposited substance)
본원 발명은, 전술한 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
즉, 플로팅 도전층에 의해 발생되는 문제를 회피하기 위해서, 단면 형성 공정에 의해서 형성된 전기적으로 플로팅 상태인 제2도전층의 영역을 다른 플로팅이 없는 제1도전층의 영역(기판)과 전기적으로 접속한다. 이 때, 실현 방법으로는 집속 이온 빔을 주사하지 않고, 1 곳에 연속 조사(照査)하는 방법, 또는 단면 관찰을 위해서 형성한 오목부보다 매우 좁은 영역에 대해서 주사하는 것과 함께 조사(照査)를 행하도록 하는 방법을 사용한다.
즉, 본 발명은, 절연층을 매개로 제1도전층 상에 중첩된 제2도전층을 포함하는 시료에 있어서, 집속 이온 빔을 상기 시료의 소정 영역에서 반복 주사하여 조사(照査)하고, 상기 제2도전층과 적어도 제1도전층이 노출하는 측벽을 형성하기 위해서 오목부를 형성하는 제1공정과, 상기 제1공정에 의해 전기적으로 플로팅하는 제2도전층의 위로부터 상기 소정 영역 이외의 영역에서 상기 집속 이온 빔을 조사하여, 상기 제1도전층에 도달하는 구멍을 설치함으로써, 상기 제1도전층과 상기 제2도전층을 전기적으로 접속하는 제2공정과, 하전 입자 빔을 사용하여 오목부에 있는 소망하는 노출 부분을 관찰하는 제3공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 시료의 단면 가공 관찰 방법을 제공한다.
주사 조사(scan irradiation)는, 플로팅 상태의 제2도전층이 절연막을 매개로 하여 그 아래에 위치하는 제1도전영역과 중첩된 장소에서 행하는 것이 매우 효과적이지만, 대전(帶電)의 원인이 되는 전하를 방전하기에 충분한 정도의 저항에 의해서, 전기적으로 독립한 2개의 도전영역의 사이에서 전기적인 접속을 실현할 수 있다면, 목적에 따른 효과를 실현하는 것이 가능하다.
도 2a 내지 도 2c는, 집속 이온 빔을 주사/조사하는 것에 의해 형성되는 구멍(62)의 단면을 도시한 것이다. 도 2a 에 도시된 것과 같이 형성된 오목부의 깊이가 얕은 경우에는(구멍의 깊이는 가장 큰 반경의 크기보다 작다) 집속 이온 빔의 이온(71)의 조사에 의해 스퍼터-에칭된(sputter-etched) 물질이 구멍으로부터 배출된다. 그러나, 스퍼터-에칭 가공이 진행됨에 따라, 도 2b에 도시된 것과 같이 형성된 오목부의 깊이가 깊어지는 경우(구멍의 깊이는 가장 넓은 반경의 크기보다 크다), 집속 이온 빔에 의한 가공 부분이 구멍(62)의 깊은 부분으로 되므로, 에칭 물질의 배출 속도가 에칭 속도 따라가지 못하게 되고, 재부착물(72)이 단면에 부착하며, 가공시간에 비례한 깊이의 구멍 가공은 불가능하게 된다. 또한 도 2c에 도시한 것처럼, 구멍(62)의 깊은 부분에 남은 재부착물(72)은 이온 빔에 의해서 소요를 일으키게 되고, 도전 물질이 혼합된 상태로 된다. 그 결과, 측면에 도전 영역을 형성하는 것이 가능하다. 즉, 제1도전층과 제2도전층은 도통 상태에 놓이게 된다.
단면 관찰을 하전 입자 빔에 의해서 실행할 때, 전하는 새롭게 형성된 전기적인 경로 통해서 방전된다. 그 결과, 대전 현상은 발생되지 않고, 선명한 배선 단면을 관찰할 수 있다.
도 3은 본원 발명을 실시하기 위한 장치를 도시한 것이다. 액체 금속 이온원(1: liquid metal ion source)은, 인출 전극(1b)에 의한 전계에 의해 그 니들(1a: needle)로부터 이온 빔을 발생한다. 발생된 이온 빔을 정전 렌즈(2: electrostatic lens) 등에 의해서 구성된 이온 빔 광학 시스템에 의해서 집속하고, 그리하여 집속 이온 빔(30)이 형성된다. 이온 빔의 광축에는 빔 블랭킹 전극(3: a beam blanking electrode) 및 편향 전극(5)이 설치되어 있다. 빔 블랭킹 전극(3)은, 시료(7)에 대한 집속 이온 빔(30)의 조사를 온/오프 한다. 편향전극(5)에 의해서 집속 이온 빔(30)의 조사 위치를 제어한다. 편향 전극(5)에 주사 신호를 입력하는 것에 의해서, 집속 이온 빔(30)의 시료(7)의 임의의 영역에서의 주사 및 조사를 하는 것이 가능하다.
시료는, 적어도 X, Y, Z의 3축으로 이동가능하고, 시료를 기울이거나 회전시킬 수 있도록 하는 시료대(8: a sample stage)에 올려 놓여진다. 시료(7)의 집속 이온 빔(30) 조사 위치의 근방에는, 집속 이온 빔 조사에 의해 시료(7)로부터 발생하는 2차 하전입자를 검출하는 2차 하전입자 검출기(6)가 구비된다. 2차 하전입자 검출기(6)가 검출한 2차 하전입자의 강도에 기초하여, 시료(7)의 표면 상태를 표시용 CRT(10)로 표시한다.
다음으로, 본원 발명에 따른 방법을 설명하도록 한다. 빔 블랭킹 전극(3)을 온 상태로 유지한다. 시료는 도 1a 및 도 1b에 도시한 것과 같이, 제1도전층으로서의 기판(50)과, 그 위에 절연막(57)을 매개로 제2도전층으로서의 게이트 배선(51)이 형성되어 있는 것으로 한다. 시료(7)는, 시료대(8)에 놓여진다. 그리고, 시료대(8)이 놓여지는 도시 생략된 시료실(부-처리실)(a sample chamber: a sub chamber)은, 역시 도시 생략된 진공 펌프에 의해 진공상태로 된다. 그 다음 시료대(8)은 도시되지 않은 부-게이트(a sub gate)를 통해서 주 처리실(a main chamber)로 이동된다. 또한, 시료의 소정 위치가 집속 이온 빔의 광학축 및 초점 위치로 되도록 이동된다. 빔 블랭킹 전극(3)이 오프로 전환되어, 시료(7) 위에 집속이온 빔을 조사하도록 한다. 이때, 도 1a에 도시한 작업 프레임(a work frame: 60)을 사용하여서 편향전극(5)에 의해서 집속 이온 빔(30)을 주사 및 조사한다. 동시에 시료(7)로부터 발생하는 2차 하전 입자를 2차 하전 입자 검출기(6)를 사용하여 검출하고, 주사 위치에서 2차 하전입자의 강도를 검출 및 기억한다. 기억한 2차 하전 입자 강도의 분포에 기초하여서 화상 데이터는 생성되어, 표시용 CRT(10)에 표시된다. 화상 데이터를 구축하는 데 필요한 화상 데이터가 수집된 시점에, 블랭킹 전극(3)은 온으로 절환되어 시료(7)에 대한 집속 이온 빔(30)의 조사(照査)는 종료된다.
표시용 CRT(10)에 표시된 화상이, 단면을 형성/관찰하는 위치로부터 벗어난 경우, 시료대(8)을 동작시켜서 시료(7)의 소정 위치가 표시에 적합한 위치에 놓이도록 한다. 이때, 빔 블랭킹 전극(3)을 오프로 하고, 화상 표시를 행하면서 시료(7)를 이동시켜도 좋으며, 화상 표시로부터 얻어진 목표 위치로부터 차이에 따라 이동 거리를 계산하고, 그 계산 결과에 기초하여서 시료대(8)을 이동시켜도 좋다. 단면 형성/관찰하기에 적합한 위치로 시료(7)를 이동시킨 후에, 화상을 다시 잡아서 표시용 CRT(10)에 표시한다.
다음으로, 표시용 CRT(10)에 표시된 도 4에 도시한 바와 같은 화상으로부터, 시료(7)의 단면 관찰 위치(점선 A-B)을 한 변으로 가지는 사각형 형상의 영역을 작업 프레임(a work flame 60)으로 설정한다. 이 작업 프레임(60)의 영역에 집속 이온 빔(30)을 반복하여 주사 및 조사한다. 집속 이온 빔(30)의 조사에 의한 스퍼터링에 의해서, 주사 영역인 가공 영역(60)은 에칭된 오목부(61)을 형성한다. 오목부(61)의 바닥에는 기판(50)이 노출하고 있다. 이때, 「발명이 이루고자 하는 기술적 과제」의 란에 설명한 바와 같이 D측의 게이트 배선(51)은 전기적으로 플로팅하고 있는 도전층으로 된다.
계속해서, 작업 프레임(60) 이외에 지점으로서, 이전의 가공에 의해 플로팅으로 된 게이트 배선(51)에 매우 가까운 점(제2가공영역: 63)에, 주사(走査)하지 않고 집속 이온 빔을 일정 시간 조사(照査)한다. 그래서, 기판(50)까지 도달하는 구멍(62)를 형성한다. 제2가공영역(63)은, 집속 이온 빔을 주사시키지 않고 일정시간 동안 조사하는 지점(a spot) 이다. 또한 이 영역은 집속 이온 빔을 매우 좁은 영역에서 일정 시간 주사 및 조사하여서, 상기 구멍의 깊이를 상기 구멍의 가장 큰 반경보다 깊게 형성하는 것이어도 좋다. 제2가공영역(63)은 가공 시간의 관점으로부터 어떤 지점(a spot)인 것이 좋다. 제2가공영역(63)은 전기적으로 플로팅 된 게이트 배선(51)에 놓인다. 보통, 시료(7)에는 보호막이 형성되어 있지만, 당연히 이 경우는 보호막을 포함하여서 구멍(62) 및 오목부(61)가 형성된다. 이렇게 형성된 구멍(62)에는, 도 2b 및 도 2c에 도시한 바와 같이, 그 측벽에 재부착물(72)이 쌓이고, 상하의 제1도전층 및 제2도전층의 사이에 통전이 이루어 진다. 즉, 게이트 배선(51)은 대전(帶電)되지 않는 것이 아니다.
다음으로 시료대(8)의 기울임 기능(a tilt function)을 사용하여서, 시료(7)를 적당한 각도로 기울게 한다. 단면을 회전축으로 하여, 관찰 단면이 위가 되도록 한다. 그래서, 단면에 전술한 방법으로 집속 이온 빔을 주사 및 조사하고, 화상 형성에 필요한 화상 데이터를 얻어 표시용 CRT(10)에 표시하는 것과 함께, 화상 데이터를 화상 데이터 기억장치에 기억한다.
이 때, 시료(7)의 기판(50)은 시료대(8)에 전기적으로 접속되어 있고, 시료대(8)은 접지되어 있다. 이러한 이유로, 단면에 조사된 전하는 충전되지 않고 방전된다.
또한, 실시예에서는 집속 이온 빔(30)에 의한 한 지점에 대한 조사(照査)를 단면 형성 후에 행하고 있지만, 단면 형성의 전에 행하여도 좋다. 또한 주사하지 않고 조사하고 있지만, 목적을 달성하는 것에 충분히 좁은 영역이라면 주사 및 조사를 함께 행하여도 좋다.
또한, 단면 관찰에 집속 이온 빔을 사용하고 있지만, 별도의 주사식 전자현미경으로 행하여도 좋으며, 복합적인 형태로 집속 이온 빔에 탑재되어 있는 주사식 전자현미경을 사용하여도 좋다.
본 발명의 방법에 의해서, 반도체 집적회로 등의 시료의 플로팅 도전 영역을 대전 현상 없이 관찰하는 것이 가능하게 되었다.

Claims (6)

  1. 절연층을 매개로 제1도전층 상에 중첩된 제2도전층을 포함하는 시료에 대해서, 이 시료의 단면을 형성 관찰하는 방법에 있어서,
    집속 이온 빔을 상기 시료의 소정 영역에서 반복 주사(走査)하면서 조사(照査)하고, 상기 제2도전층과 적어도 제1도전층이 노출하는 측벽을 형성하기 위해서 오목부를 형성하는 제1공정과; 상기 제1공정에 의해 전기적으로 플로팅하는 제2도전층의 위로부터 상기 소정 영역 이외의 영역에 상기 집속 이온 빔을 조사하여, 상기 제1도전층에 도달하는 구멍을 설치함으로써, 상기 제1도전층과 상기 제2도전층을 전기적으로 접속하는 제2공정과; 하전 입자 빔을 사용하여 오목부에 있는 소망하는 노출 부분을 관찰하는 제3공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 시료의 단면 형성 관찰 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제2공정은, 일정 시간 동안 집속 이온 빔을 주사시키지 않고 한 지점을 조사하는 것을 특징으로 하는 시료의 단면 형성 관찰 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 제2공정은 집속 이온 빔을 매우 좁은 영역에 일정 시간 주사하면서 조사하여서, 상기 구멍의 깊이를 상기 구멍의 가장 큰 반경보다 깊게 형성하는 것을 특징으로 하는 시료의 단면 형성 관찰 방법.
  4. 절연층을 매개로 제1도전층과 상기 제1도전층의 위에 제2도전층이 형성된 시료에 대해서, 이 시료의 단면을 형성 관찰하는 방법에 있어서,
    제1도전층과 제2도전층을 전기적으로 접속하기 위해서 집속 이온 빔을 조사하여서, 상기 제1도전층까지 도달하는 구멍을 설치한 제1공정과; 상기 구멍의 위치와 다른 위치에 관찰할 단면을 형성하기 위해서, 집속 이온 빔을 상기 시료의 소정 영역에서 반복 주사하면서 조사하여 오목부를 형성하는 제2공정과; 하전 입자 빔을 사용하여 상기 제2공정에서 형성된 오목부에 있는 소망하는 노출 부분을 관찰하는 제3공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 시료의 단면 형성 관찰 방법.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 제1공정은, 일정 시간 동안 집속 이온 빔을 주사시키지 않고 한 지점을 조사하는 것을 특징으로 하는 시료의 단면 형성 관찰 방법.
  6. 제 4항에 있어서, 상기 제1공정은, 집속 이온 빔을 매우 좁은 영역에 일정 시간 주사하면서 조사하여서, 상기 구멍의 깊이를 상기 구멍의 가장 큰 반경보다 깊게 형성하는 것을 특징으로 하는 시료의 단면 형성 관찰 방법.
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