KR19990083288A

KR19990083288A - 집속이온빔에의한단면형성관찰방법

Info

Publication number: KR19990083288A
Application number: KR1019990013700A
Authority: KR
Inventors: 스기야마야스히코
Original assignee: 핫토리 쥰이치; 세이코 인스트루먼트 가부시키가이샤
Priority date: 1998-04-17
Filing date: 1999-04-17
Publication date: 1999-11-25
Also published as: TW386178B; JPH11307417A

Abstract

본 발명에 따르면, 집속 이온 빔을 사용하여 단면을 형성하는 제1과정과, 액상 금속 이온 발생원의 방출 전류를 제어하여 빈 전류 및 빔 직경을 조정한 후, 단면 이미지를 관찰하는 제2과정을 제공함으로써, 단면에 대해 손상을 입히지 않고서도 높은 해상도의 관찰을 행할 수 있다.

Description

집속 이온 빔에 의한 단면 형성 관찰 방법{CROSS SECTION FORMATION OBSERVING METHOD BY A FOCUSED ION BEAM}

본 발명은, 결함 분석등을 목적으로 집속 이온 빔(focused ion beam)을 사용하여, 반도체 장치의 특정 위치에 단면을 형성하는 것에 의해서, 단면을 관찰하는 방법에 관한 것이다.

LSI(large scale integration)에서 집적밀도 및 크기의 소형화가 진행됨에 따라, 현상공정 및 제조공정에서 집속 이온 빔을 사용하여 단면 형성과 단면 관찰을 실행하는 기술이 많이 공개되고 있다.

일본특허 공개공보 평2-152155에 따르면, 집속 이온 빔 장치의 주사 이온 현미경(scanning ion microscope) 기능에 의해 단면 형성 위치가 정해지고, 소망하는 단면 부분을 노출시키기 위한 하나의 평면으로 취급되는 단면 형성 부분에는 마스크 없는 에칭(maskless etch) 처리에 의해 직각형 모양으로 구멍을 여는 가공이 행해진다. 그 이후, 시료는 기울여지고, 단면 형성 부분은 이온 빔 조사(照射: irradiation) 방향으로 향하게 되고, 단면 형성된 부분은 이온 현미경 기능에 의해 관찰된다.

전술한 방법으로 형성된 단면 부분이 주사 이온 현미경 기능에 의해 관찰될 때, 관찰 강도는 전술한 공보 평2-152155에 기술된 바와 같이, 2-30pA 의 빔 전류에서 10000번 이상 취하여 지며, 그 단면이 집속 이온 빔 조사에 의해 에칭처리 되어, 관찰될 부분의 형상이 상실된다는 문제점이 있다. 또한, 충분한 이미지 해상도를 얻을 수 없고, 단면 미세구조가 확실하게 관찰되는 것이 불가능하다는 문제점이 있다.

일본특허공보 소62-60699는 소재의 영상을 검출하는 빔 레벨을 감쇄시키는 방법을 설명하고 있다. 그러나, 그 공보에는 처리 이후의 단면 관찰에 대해서는 기술하지 않았다. 빔 직경은 0.5㎛으로서 단면의 관찰을 위해서는 지나치게 크며, 전술한 문제를 해결하기 위한 해상도와는 거리가 멀다.

본 발명은, 전술한 문제를 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은, 액상 금속 이온 발생원, 이 이온 발생원으로부터 나온 이온 빔을 집속하는 집속 렌즈 시스템, 및 시료에 대해서 이온 빔을 스위칭 온/오프 하는 차폐 전극을 가지는 집속 이온 빔 발생부와, 집속된 이온 빔을 제한하는 제한 구멍(limiting aperture)과, 집속된 이온 빔을 편향시키며 주사하기 위한 편향 전극과, 집속 이온 빔에 의해 조사될 시료를 올려 놓기 위한 이동 시료대와, 집속 이온 빔을 조사하는 것에 의해 발생되는 2차 하전 입자를 검출하기 위한 2차 하전 입자 검출기와, 2차 하전 입자 검출기의 신호를 기초로 시료 표면의 이미지를 표시하기 위한 표시장치를 구비하는 집속 이온 빔 장치를 사용하여; 시료 위의 소망하는 지점에 집속 이온 빔을 조사하고, 스퍼터 에칭(sputter etching)을 유도하여 단면 부분을 형성하는 제1과정과, 적어도 액상 금속 이온 발생원으로부터의 방출 전류를 제어하여 집속 이온 빔의 전류 및 빔 이온 직경을 변경하고, 그 후에 주사하면서 상기 단면에 집속 이온 빔을 조사하며, 2차 하전 입자 검출기에 의하여 단면으로부터 발생되는 2차 하전 입자를 검출하며, 2차 하전 입자 검출기의 신호에 따라 시료 표면의 이미지를 표시하여 상기 단면을 관찰하도록 하는 제2과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 집속 이온 빔에 의한 단면 형성 관찰 방법을 제공한다.

도 1은 본 발명을 실시하기 위한 장치의 구조예를 설명하기 위한 단면도,

도 2a 내지 2d는 미소 단면 형성 방법의 단계들을 설명하기 위한 평면도 및 사시도,

도 3은 반-극대(half maximum)에서의 에너지 전폭(full-width) 및 방출전류 사이의 관계를 설명하기 위한 그래프,

도 4는, 빔 제한 구멍의 의한 빔 확산 반각(half angle) α에 대한 제어를 설명하기 위한 측면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1: 액상 금속 이온 발생원 2: 집속 렌즈

3: 차폐 전극(blanking electrode) 4: 편향 전극

5: 대물 렌즈 6: 집속 이온 빔

7a: 2차 전자 7b: 2차 이온

8a: 2차 전자 검출기 8b: 2차 이온 검출기

9: 시료 10: 시료대

15: 제한 구멍

도 1을 참고하여, 본 발명에 따른 장치의 구성을 설명하도록 한다.

본 발명을 실행하기 위한 장치의 구성예로는 도 1에 도시한 바와 같은 집속 이온 빔 발생부가 제공되며, 이 부분은, 액상 금속 이온 발생원(1), 이 액상 금속 이온 발생원(1)으로부터의 이온 빔을 집속하는 집속 렌즈 시스템으로서의 집속 렌즈(2) 및 대물 렌즈(5), 이온 빔을 제한하기 위한 제한 구멍(15) 및 시료에 대해 이온 빔을 스위칭 온/오프 하기 위한 차폐 전극(blanking electrode: 3)를 포함하도록 구성된다. 또한, 집속 이온 빔을 편향시키면서 주사하기 위한 편향 전극(4)가 집속 이온 빔 축(6)위에 배치된다. 또한, 이 장치는 집속 이온 빔(6)에 의해 조사될 시료를 위에 올려놓는 이동 가능한 시료대(10)와, 집속 이온 빔(6)을 조사하는 데서 발생하는 2차 하전입자(7a, 7b)를 검출하기 위한 2차 하전 입자 검출기(8a, 8b)와, 상기 2차 하전 입자 검출기(8a, 8b)로부터 검출된 2차 하전 입자(7a, 7b)의 강도에 기초하여 시료(9) 표면의 이미지를 표시하기 위한 표시장치(14) 등을 구비한다.

2차 하전 입자 검출기(8a, 8b)는 2차 전자(7a)를 검출하기 위한 2차 전자 검출기 (8a)와, 2차 이온(7b)을 검출하기 위한 2차 이온 검출기(8b)를 포함한다.

2차 하전 입자 검출기(8a, 8b)는 2차 전자 검출기(8a) 및 2차 이온 검출기(8b) 사이에서 전환되도록 하는 스위치를 가지도록 하나의 검출기로 구성될 수도 있다.

2차 하전 입자 검출기(8a, 8b)로부터의 신호는 A/D 변환기(11)로 입력되어 그 곳에서 A/D 변환된다. 이로부터 A/D 변환된 2차 하전 입자(7a, 7b)는 산술 연산되어 작동기(도시는 생략함)에 의해서 표시장치(14)위에 이미지를 표시하도록 한다. 액상 금속 이온 발생원(1), 집속 렌즈(2), 차폐 전극(3), 편향 전극(4) 및 대물 렌즈(5)를 위한 전력은, 신호 이온 광 시스템 제어 전원(13)을 통해서 작동 장치(도시는 생략함)로부터의 공급된다.

이하, 도 2a 내지 도 2d를 참조하면서, 집속 이온 빔을 사용한 단면 형성 관찰 방법을 설명하도록 한다. LSI가 단면 관찰될 시료(9)로 사용되었다. 도 2a에 도시된 것처럼, 주사 이온 현미경 이미지는 관찰될 시료(9) LSI 내에서 접촉 구멍(33)을 포함하도록 결정된다. 통상적으로, 상호 접속부(32)가 접촉 구멍(33)의 주변에서 관찰되고 있다. 주사 이온 현미경 이미지는, 조사(照射)를 수행하여 얻어지며, 그 동안 집속 이온 빔(6)을 시료(9)의 표면에 주사하고, 시료(9) 표면으로부터 발생되는 2차 하전 입자인 2차 전자(7a) 또는 2차 이온(7b)를 검출한다. 단면이 형성되는 위치(34)는 도 2a의 이미지에 의해 설정된다.

다음으로, FIB-CVD법에 의해 접촉 구멍(33)을 포함하는 영역(35) 위에 도 2b에 도시된 바와 같은 막이 형성된다.

FIB-CVD법은 가스총(도시는 생략함)에 의해서 시료 표면으로 가스 물질을 흡수시키고, 영역(35)에 대해서 스케닝이 이루어지는 동안 20-30KeV의 에너지로 가속된 이온 빔(6)을 조사하는 것이다. 이 때문에, 이 방법은 피조사 영역(35)위에 선택적으로 막을 형성한다. 본 실시예에서는, W(CO)₆가 가스 물질로 사용되어 텅스텐 막을 형성한다. 본 발명에 의하면, 가스 물질을 변화시켜서 다른 물질로 막을 형성할 수도 있다는 것은 당연한 것이다. 오랜 시간 동안 막 형성 과정이 이루어지면, 시료 표면에 형성된 막이 편편해지며 상호 연결 무늬가 주사 이온 현미경 위에서 관찰되기 어렵게 된다. 따라서, 전술한 편편해지는 현상이 있기 전에 막 형성을 종료하도록 설비된다.

막 형성 이후에, 집속 이온 빔(6)이 에칭 영역(36)에 조사되어, 도 2c에 도시된 것처럼 에칭을 수행하도록 한다. 에칭 영역(36)의 형태는 거의 직사각형 모양이며, 그 한 변이 단면 형성 위치(34)에 놓이도록 설정된다. 대략적인 구멍은 센 전류 빔(예를 들면, 2 - 10 nA)에 의해 형성된다. 또한 마감처리는 중간 정도의 전류 빔(예를 들면, 30pA - 2nA)을 관찰될 단면 위치(34)에 조사하여 이루어진다. 그리하여, 측벽 단면(37)은 도 2d에 도시된 것과 같이 형성된다.

다음으로, 시료대(10)를 기울여서 시료(9)의 단면을 이온 빔 조사 방향으로 노출한다. 이 단면(37)은 주사 이온 현미경에 의해 비교적 약한 전류 빔(약 1pA 이하)에서 관찰된다.

흔히, 관찰될 외부 물질과 같은 비정상적인 부분이 작은 경우, 막을 형성하지 않고 단면 형성이 이루어지는 경우가 있다. 이 경우, 상기의 처리가 수행되면, 단면 형상은 높은 정밀도로 이루어 질 수 있다.

전술한 방법으로 형성된 단면(37)이 주사 이온 현미경에 의해 관찰될 때, 빔 전류 및 빔 직경은 빔 제한 구멍 직경 및 렌즈 집속 조건을 조정하는 것에 의해 조정된다는 것이 널리 알려져 있다. 본 발명에서, 집속 이온 빔 전류 및 빔 직경은 단면 관찰을 위해 유효한 정도로 조정된다. 빔 제한 구멍 직경 및 렌즈 집속 조건 이외에, 액상 금속 이온 발생원으로부터의 방출 전류를 제어하는 것에 의해서도 관찰될 수 있다.

수 pA 정도의 빔 전류 영역에 대해서, 빔 직경(d)은 다음의 수학식 1에 의해 근사적으로 표현된다.

d2 ∼ (M·dg)²+ (C·α·ΔE/E)²

여기서 M은 광학 시스템의 확대정도이며, dg는 액상 금속 이온 발생원의 강도이고, C는 광학 시스템의 색수차(chromatic aberration) 계수이고, α는 빔 확산 반각(beam spread half angle)이고, E는 이온 빔 에너지, 그리고 ΔE는 이온 빔 에너지 폭이다. 집속 렌즈 시스템의 이동에 의해 광학 시스템(C)의 색수차 계수는 감쇄되는 것으로 잘 알려져 있다.

본 발명에서, 위의 수학식 1의 두 번째 항에 주목하여야 한다. 액상 금속 이온 발생원으로부터의 방출 전류는 ΔE 값을 가능한 한 작은 값으로 유지하도록 제어되며, 그 결과, d의 값을 줄인다.

도 3은, 액상 금속 이온 발생원으로부터 발생되는 전류 및 반-극대(half -maximum)에서의 이온 빔 에너지 전폭(full-width) 사이의 관계를 도시한 그래프이다. 이 그래프로부터 확인할 수 있는 것처럼, 반-극대에서 에너지 전폭은 방출전류가 증가함에 따라 감소한다. 일반적으로, 단면을 형성할 때, 30pA - 10nA의 빔 전류가 사용된다. 따라서, 액상 금속 이온 발생원으로부터의 방출 전류는 약 2 - 3 ㎂가 사용된다. 방출 전류가 이보다 낮다면 ΔE는 작은 상태로 유지될 수 있다. 그러나, 방출 전류가 지나치게 낮은 영역에서는 이온 방출은 불안정하게 된다. 여러 가지 고려를 한 결과, 방출 전류를 약 1㎂로 설정하는 것에 의해서, 안정적인 방출 상태에서 ΔE는 작게 유지될 수 있다는 것이 확인되었다.

이때, 시료 표면에서의 집속 이온 빔 전류 I는 다음의 수학식 2로 주어진다.

I=π·α²·dI/dΩ

여기서 dI/dΩ는 액상 금속 이온 발생원의 이온 조사각 전류 밀도이다. α값이 제한 구멍 직경에 의해 제어될 수 있다는 것은 도 4로부터 쉽게 확인할 수 있다. 빔 제한 구멍 직경에 대한 제어는, 예를 들면, 다른 직경의 여러 개의 구멍을 가지는 금속 호일(foil)을 준비하고, 이온 빔이 통과할 구멍을 선택하도록 금속 호일의 위치를 조정하는 것에 의해서 이루어진다. 제한 구멍 직경이 감소하면, 빔 전류가 많이 감소하며, 2차 하전 입자 발생의 양이 감소한다. 그 결과, 잡음 성분이 증가하여 바람직한 정도의 이미지를 얻을 수 없다. 여러 가지 고려를 한 결과, 40㎛의 제한 구멍 직경으로 1pA의 빔 전류와 10nm(0.01㎛)의 이미지 해상도를 얻게 되었으며, 제한 구멍의 직경을 30㎛로 설정한 결과, 0.3pA의 빔 전류와 7nm(0.007㎛)의 이미지 해상도를 얻게 되었다.

시료 표면이 관찰되는 경우에, 이온 빔은 시료 표면에 통상적으로 조사된다. 이 상태에서, 1pA 이하의 빔 전류가 사용되면, 2차 하전 입자의 발생량이 감소하며, 많은 잡음을 가진 이미지는 얻어지지 않는다. 그러나, 단면 관찰에서, 이온 빔은 기울어진 시료단에 의해서 단면에 대해 상대적으로 어느 정도 각도로 조사된다. 이 때문에, 2차 하전 입자 발생량은 수직 조사일 때보다 증가하고, 바람직한 이미지 품질의 단면 이미지를 얻는다.

본 발명에 따르면, 주사 이온 현미경 기능을 통해서 단면을 관찰할 때, 관찰량이 10000회 이상 이루어지는 경우에서, 집속 이온 빔을 조사하는 데 따른 에칭에 의해 단면 모양이 변형되는 현상을 줄일 수 있다. 또한, 약 0.007㎛ 내지 0.01㎛의 이미지 해상도를 얻을 수 있게 되었으며, 단면의 미세 구조를 깨끗하게 관찰할 수 있다.

Claims

액상 금속 이온 발생원, 이 이온 발생원으로부터 나온 이온 빔을 집속하는 집속 렌즈 시스템, 및 시료에 대해서 이온 빔을 스위칭 온/오프 하는 차폐 전극을 가지는 집속 이온 빔 발생부와,

집속된 이온 빔을 제한하는 제한 구멍과,

집속된 이온 빔을 편향시키며 주사하기 위한 편향 전극과,

집속 이온 빔에 의해 조사될 시료를 올려 놓기 위한 이동 시료대와,

집속 이온 빔을 조사하는 것에 의해 발생되는 2차 하전 입자를 검출하기 위한 2차 하전 입자 검출기와,

2차 하전 입자 검출기의 신호를 기초로 시료 표면의 이미지를 표시하기 위한 디스플레이를 구비하는 집속 이온 빔 장치를 사용하여;

시료위의 소망하는 지점에 집속이온빔을 조사하고, 스퍼터 에칭을 유도하여 단면 부분을 형성하는 제1과정과,

적어도 액상 금속 이온 발생원으로부터의 방출 전류를 제어하여 집속 이온 빔의 전류 및 빔 이온 직경을 변경하고, 그 후에 주사하면서 상기 단면에 집속이온 빔을 조사하며, 2차 하전 입자 검출기에 의하여 단면으로부터 발생되는 2차 하전 입자를 검출하며, 2차 하전 입자 검출기의 신호에 따라 시료 표면의 이미지를 표시하여 상기 단면을 관찰하도록 하는 제2과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 집속 이온 빔에 의한 단면 형성 관찰 방법.
제1항에 있어서, 제2과정은, 적어도 액상 금속 이온 발생원으로부터의 방출 전류를 제어하여 집속 이온 빔 1pA 이하의 전류를 생성하는 것을 특징으로 하는 집속 이온 빔에 의한 단면 형성 관찰 방법.