JP6645830B2 - 荷電粒子ビーム試料作製におけるカーテニングを低減させる方法およびシステム - Google Patents

荷電粒子ビーム試料作製におけるカーテニングを低減させる方法およびシステム Download PDF

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Description

本発明は、荷電粒子ビーム処理に関する。
集積回路を形成する構造体および他のナノテクノロジは、ナノメートル規模の寸法を有する。プロセス開発、プロセス制御、欠陥分析などの目的でこれらの構造体を観察する１つの方法は、集束イオン・ビーム（ＦＩＢ）システムを使用し、露出させた構造体を、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）または透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）を使用して観察して、構造体の一部分を露出させる方法である。観察するためにイオン・ビームによって材料をミリングし構造体を露出させると、そのイオン・ビームが、構造体を歪めたり、観察を妨害するアーチファクトを生み出したりすることがある。
高アスペクト比（ｈｉｇｈ ａｓｐｅｃｔ ｒａｔｉｏ：ＨＡＲ）構造体は、１つの寸法、例えば高さが、別の寸法、例えば幅よりもはるかに大きい構造体である。例えば、集積回路の層間のホール（ｈｏｌｅ）の高さが、その幅の数倍であることがある。例えば、高さが幅の３倍よりも大きい特徴部分である。
フラッシュ・メモリ内で使用される３Ｄ ＮＡＮＤ回路などの集積回路内の３Ｄ構造体の高アスペクト比構造体、特に、充填されていないコンタクトまたはバイアを分析する際、従来のイオン・ビーム試料作製プロセスは、構造体の歪みなどのアーチファクト、およびイオン・ビーム・カーテン効果（ｃｕｒｔａｉｎ ｅｆｆｅｃｔ）を生じさせる。
このイオン・ビーム・カーテン効果またはカーテニング（ｃｕｒｔａｉｎｉｎｇ）は、異なるミリング速度で材料が除去されるときに生じる。このような状況は、同じビームによって異なる速度で除去される複数の材料からなる特徴部分をミリングするときに生じることがある。このような状況は、不規則な形状を有する表面をミリングするときにも生じることがある。例えば、注目の特徴部分が、スルー・シリコン・バイア（ｔｈｒｏｕｇｈ−ｓｉｌｉｃｏｎ ｖｉａ：ＴＳＶ）であることがある。ＴＳＶの断面を形成することは、ボイドおよび境界面の特性を評価するために半導体研究室において一般的に実施されている作業である。ＴＳＶの深さ（一般に５０〜３００ｎｍ）のために、イオン・ビームを用いてＴＳＶの断面をミリングするとかなりのカーテニングが生じることがある。
特徴部分を露出させるためのイオン・ビーム・ミリングに起因する損傷およびアーチファクトのため、画像は、製造プロセスの結果を忠実には示さず、測定を妨げ、製造プロセスの評価を妨げる。それらの画像および測定値は試料作製の結果を示すものであり、製造プロセスの結果を示すものではないためである。このことはさらに、高アスペクト比垂直構造体の分析を実行することを困難にする。
現在のところ、バイア、コンタクトなどの高アスペクト比ホールが繰返し現れる３Ｄ ＮＡＮＤ構造体および他のＩＣ構造体のＴＥＭ試料を、カーテンを生じさせずに製作することは、困難であるかまたは達成不可能である。ＦＩＢを用いてミリングもしくは作製し、かつ／またはＳＥＭを用いて画像化するときに、高アスペクト比ホールまたは高アスペクト比トレンチの形状完全性を維持することは困難または不可能であった。充填されていないホールが試料上にあるとき、材料と何もないオープン・エリア（ホール）に隣接したエリアとの間にはミリング速度に大きな差がある。ミリング速度のこの大きな差の結果、ホールの形状を歪めるカーテニング効果またはウォーター・フォール（ｗａｔｅｒ ｆａｌｌ）効果が生じる。
ＦＩＢは、オープン構造体上にアーチファクトを生成する。エッチングされたホールまたはトレンチは、ＴＥＭ作製する断面のためにＦＩＢを用いて処理されたときに、重大なカーテニング・アーチファクトを有する傾向がある。その断面から情報を読み取ることは困難または不可能である。複雑な材料スタックを有する高アスペクト比ホールまたは高アスペクト比トレンチは、他の方法（スキャッタロメトリ（ｓｃａｔｔｅｒｏｍｅｔｒｙ）、ＣＤ−ＳＥＭなど）を用いて測定することが難しい。平面視材料除去または視射角材料除去は、測定のためにさまざまな深さにアクセスすることを可能にする。しかしながら、このような方法は、高アスペクト比ホールまたは高アスペクト比バイアの全長にわたって垂直な電子ビームでの観察を提供しない。
先行技術では、試料の上面にわたって保護堆積物を配置することによって、または試料の形状が与えられた場合に可能な、試料を逆さにするほどまでの最大オフセット角のミルを実行することによって、カーテニング効果が軽減される。ＦＩＢの真空室内において半導体ウェーハなどの加工物の向きを再調整する能力は一般に限られている。試料の複数の平面からミリングし観察する能力を得ることにも、いくつかの問題がある。荷電粒子ビーム・システム内において試料を操作する先行技術の技法は非常に限られたものであり、一般に、１つまたは２つの観察平面を可能にするだけである。現行のチャンキング（ｃｈｕｎｋｉｎｇ）法および溶接（ｗｅｌｄｉｎｇ）法は、システム・ハードウェアの制約のため、限られた情報を提供することができるだけである。複数回の溶接および複数回の試料操作を実行するのには長い時間がかかる。システムから試料を手動でロードおよびアンロードすること、または試料をひっくり返すこと、または別のホルダに試料を配置することが必要となることがあり、それによって処理時間はさらに増大する。他の方法は、１つの平面内で関心領域をスライスし、次いでデータを再構成して、他の角度からの情報を得ることを含む。しかしながら、この方法は時間がかかり、複数回のミルの後にいくつかの画像を形成し、次いでデータを再構成して、別の平面の画像を形成することを必要とする。
米国特許第５，８５１，４１３号明細書 米国特許第５，４３５，８５０号明細書
求められているのは、関心領域を傷つけたり、または露出させた表面にアーチファクトを生じさせたりすることなしに、調査および／または測定のために関心領域を露出させ、その関心領域を表す正確な画像を生成する方法である。試料の複数の平面からミリングし観察する先行技術の能力の向上も求められている。
本発明の実施形態は、ＳＥＭ、ＴＥＭまたは他のデバイス上で観察するためにＦＩＢミリングによって形成された、高アスペクト比ホールなどの構造体内の損傷およびアーチファクトが少ない試料を対象とする。
いくつかの実施形態では、試料を分析して、アーチファクトを低減させるミリングの向きを決定する。ミリングの前に、アーチファクトを低減させる方向から試料をミリングすることができるように、試料の向きを再調整する。抜き出された試料または加工物全体を、アーチファクトを低減させる向きに向けることができる。
本発明の実施形態は、イオン・ビーム・ミリングの角度を最適化して、カーテニングなどのアーチファクトを低減させる。いくつかの実施形態では、加工物から一部分を抜き出す。イオン・ビーム・ミリングの前に、抜き出した部分の向きを再調整して、カーテニングおよび他のアーチファクトを低減させる方向からその部分をミリングすることができるようにすることができる。抜き出した部分をホルダ上に装着することができる。アーチファクトを低減させる方向から試料をミリングすることができ、次いで、最適な方向から、好ましくは表面に対して垂直な電子ビームによって試料を観察することができるように、ホルダは回転可能であることが好ましい。
いくつかの実施形態は、その部分がまだより大きな加工物の一部である間は露出させることができなかった断面をイオン・ビームが露出させることを可能にし、通常ならばアクセスできないであろう方向から試料をミリングすることを可能にする。例えば、デュアル・ビーム・システム内でＳＥＭによって９０度の角度で観察するために、ホールの全長を断面として露出させることができる。いくつかの実施形態では、抜き出した部分をマイクロマニピュレータを使用して加工物から移動させ、次いで、その部分を、回転可能であることが好ましいホルダに取り付ける。いくつかの実施形態では、マイクロマニピュレータ上で直接にミリングし、かつ／またはマイクロマニピュレータ上で直接に観察するために、抜き出した部分の向きを再調整する。
本発明の一実施形態は、複数の関心領域を含む単一の小体積塊（ｃｈｕｎｋ）を抜き出すことを対象とする。抜き出した塊は、独立した運動制御を提供する、ステージ上に支持されたホルダ（例えばＴＥＭグリッド（ｇｒｉｄ））または他のホルダに装着する。
次いで、このより大きな試料体積をスライスして、より小さな複数の塊にすることができ、次いで、それらの塊を、複数の平面内に再び装着することができ、そのため、他の作製方法を分析のために使用することができる。
単一の片（ｐｉｅｃｅ）から抜き出された平面視および垂直視ＴＥＭ作製。周囲３６０度から複数の角度および側面を観察することができる。片を取り出し、通常の断面形成を実行し、次いでその断面を、高分解能のために、短い作動距離およびＥビームに対する９０度の角度で観察することもでき、必要ならばＴＥＭ用に作製することもできる。
本発明の実施形態は、バルク試料ステージ上に配置された運動ステージを含む。このバルク試料ステージは、ｘ軸およびｙ軸内で平行移動する。この運動ステージはｚ軸内で平行移動し、試料ホルダを含み、この試料ホルダはホルダの軸を軸にして回転する。複数の関心領域を有する単一の試料塊を第１のホルダを使用して抜き出し、運動ステージ上の試料ホルダへ移送することができる。運動ステージ上に移したら、バルク試料ステージおよび運動ステージを使用して、試料塊を、関心領域を観察すること、および関心領域をミリングして関心領域内の特徴部分を露出させることができるような向きに配置する。
以上では、以下の本発明の詳細な説明をより十分に理解できるように、本発明の特徴および技術上の利点をかなり大まかに概説した。以下では、本発明の追加の特徴および利点を説明する。開示される着想および特定の実施形態を、本発明の目的と同じ目的を達成するために他の構造体を変更しまたは設計するベースとして容易に利用することができることを当業者は理解すべきである。さらに、このような等価の構造体は、添付の特許請求の範囲に記載された本発明の趣旨および範囲を逸脱しないことを当業者は理解すべきである。
次に、本発明および本発明の利点のより完全な理解のために、添付図面に関して書かれた以下の説明を参照する。
高アスペクト比特徴部分を有する試料を示す図である。 試料からナノマニピュレータへある体積を抜き出し、グリッドに装着し、位置を調整し、ミリングし、その後に、その体積のＳＥＭ画像を撮影する、本発明の好ましい一実施形態の一般的なプロセス・フローを示す図である。 試料の上面図である。 試料の側面図である。 ナノマニピュレータに取り付けられた、加工物から抜き出された後の試料を示す図である。 グリッド５０２などのホルダに取り付けられた試料を示す図である。 ホールの特性をその断面全体にわたって評価するために試料を装着しミリングする方法を示す断面図である。 ホールの特性をその断面全体にわたって評価するために試料を装着しミリングする方法を示す断面図である。 ホールの特性をその断面全体にわたって評価するために試料を装着しミリングする方法を示す断面図である。 ホールの特性をその断面全体にわたって評価するために試料を装着しミリングする方法を示す断面図である。 ホールの特性をその断面全体にわたって評価するために試料を装着しミリングする方法を示す断面図である。 ホールの特性をその断面全体にわたって評価するために試料を装着しミリングする方法を示す断面図である。 ホールの特性をその断面全体にわたって評価するために試料を装着しミリングする別の方法を示す断面図である。 ホールの特性をその断面全体にわたって評価するために試料を装着しミリングする別の方法を示す断面図である。 ホールの特性をその断面全体にわたって評価するために試料を装着しミリングする別の方法を示す断面図である。 ホールの特性をその断面全体にわたって評価するために試料を装着しミリングする別の方法を示す断面図である。 ホールの特性をその断面全体にわたって評価するために試料を装着しミリングする別の方法を示す断面図である。 カーテニング効果を受けた試料断面を示す図である。 カーテニング効果が低減された、本発明の実施形態に基づく試料断面を示す図である。 本発明の実施形態を実施するのに適した典型的なデュアル・ビーム・システム９１０を示す図である。 荷電粒子ビーム・システムのバルク試料ステージ９２５上に配置された独立運動ステージ１００２の一実施形態を示す図である。 試料から、複数の関心領域を有する試料塊を、針型マニピュレータを用いて抜き出し、運動ステージ上の第２の針型マニピュレータに装着し、位置を調整し、ミリングし、その後に、関心領域内の特徴部分のＳＥＭ画像を形成する、本発明の一実施形態の一般的なプロセス・フローを示す流れ図である。
構造体の密度が変化していることにより、観察するために試料の内部を露出させるイオン・ビーム・ミリングの最中に、ＦＩＢによってミリングされた最終的な面に、非平面アーチファクトおよび構造的なアーチファクト（ｔｏｐｏｇｒａｐｈｉｃａｌ ａｒｔｉｆａｃｔ）が導入されることがある。このことは、近接した２つの断面をミリングして試料の薄い膜を得るＴＥＭ試料の作製において特に問題である。試料表面に対して完全には垂直でない方向から断面をミリングすることによって、これらの「カーテニング」効果を、ビーム方向に対して平行に導くことができる。密度が変化する繰返し構造体を有する試料上で、「カーテン」の方向を、複数の繰返し構造体にわたってエイリアシングすることができ、事実上、カーテニングを低減させ、または排除することができる。
図１は、ホール１０２などの複数の高アスペクト比構造体を有する加工物１００の一部分を示す。矢印１０４ａおよび１０４ｂによって示された向きにイオン・ビームが加工物へ導かれると、露出した断面は大きなカーテニングを示す。イオン・ビーム走査のある部分の間に、ビームが、矢印１０４ａによって示された位置に配置されたとき、ビームは複数のホール１０２を横切る。矢印１０４ｂによって示されている部分の走査の間、ビームはどのホールも横切らない。この一貫性のなさが大きなカーテニングにつながる。
矢印１０６によって示された向きにイオン・ビームが導かれると、ビームは、走査の間ずっと、ホールと中実領域の組合せに遭遇する。これによりカーテニングは低減する。走査の全ての位置においてビームが同様の条件に遭遇するためである。カーテニングに対する試料の向きの影響は図８Ａ、８Ｂおよび８Ｃにも示されている。
いくつかの実施形態では、ビーム走査に沿って最も終始一貫した条件をビームに提示するビームの向きを計算する。例えば、その平面へのホール１０２の投影面積が最大になる平面を計算することができる。次いで、計算した平面に対して垂直な向きにビームを導いて、カーテニングが低減された断面を生成する。他のアルゴリズムを使用して、ミリングの好ましい向きまたは最適な向きを決定することもできる。
本発明のいくつかの実施形態では、試料の形状情報を使用してこのオフセット角を正確に決定する。試料の形状を分析することによって、プロセスのスループットおよび信頼性を向上させるミリング法を実現することができる。この最適化は、断面試料の作製およびＴＥＭ試料の作製を含む、密度が変化する大部分の構造体に適用することができる。
いくつかの実施形態は、試料内に存在する密度が変化する繰返し構造体の形状に基づいて、断面をミリングするのに最適な、垂直入射から傾斜した角度を識別することを含む。このことは特に半導体試料において効果的である。本発明は、問題があるカーテニング効果の原因となる密度が変化する構造体を識別すること、それらの構造体の形状を分析すること、および、ミリング角度を傾斜させ、それらの構造体にわたってカーテニングを分散させるエイリアシング効果を最適化することからなる。したがって、最初に、試料を通過するビーム経路のビーム走査全体体にわたる均一性を最大化するイオン・ビームの最適な向きを決定することができる。次いで、試料またはビームを、決定した角度で試料に衝突する向きに向ける。試料をミリングした後、露出した表面をＳＥＭまたはＴＥＭを用いて観察する。
図２に本発明の別の実施形態のステップが示される。ステップ２０２で、図４に示されたナノマニピュレータ４０２を使用して、加工物から試料を抜き出す。図４は、ナノマニピュレータ４０２に取り付けられた、加工物から抜き出された後の試料を示す。図３Ａは、試料３００の上面図を示す。図３Ｂは、試料３００の上面図を示す。
ステップ２０４で、試料の向きを定め、グリッド５０２（図５）などのホルダに、試料を、典型的にはイオン・ビーム誘起堆積を使用して取り付ける。図５は、同じ構造体を含む２つの試料を示し、これらの２つの試料は、グリッド５０２に、２つの異なる向きで取り付けられている。これらの２つの異なる向きは、試料３０２および３０４の特徴部分を分析のために異なる形で露出させることを可能にし、さらに、好ましくも、カーテニングを低減させることを可能にする。例えば、後により詳細に説明するが、試料３０２の向きは、高アスペクト比相互接続の深さ全体の特性評価を、最小限のカーテニングで提供する。試料３０４の向きは、特定の深さにおけるホールの断面の観察を提供する。いくつかの実施形態では、このグリッドが、図６Ａに示されているように上方から試料３０２をミリングすることができるように回転可能であり、さらに、グリッドを回転させることにより、図６Ｂに示されているように紙面に向かって試料３０４をミリングすることができるように回転可能である。試料３０２および試料３０４はそれぞれ、図６Ａから図６Ｆへ次第に程度を増してミリングされ、そのため、図６Ａには最小量のミリングが、図６Ｆには最大量のミリングが示されている。図６Ａ〜６Ｆに示されたミリング量は単なる例であり、それらよりも多くのミリングまたはそれらよりも少ないミリングを実行することもできる。例えば図６Ａ〜６Ｅに示されているように試料をミリングした後に、図６ｆに示されているようなホール断面のＳＥＭ画像を撮影することによって、試料３０２のホールの特性を、それらのホールの深さ全体にわたって評価することができる。試料３０４は、特定の深さにおける複数のホールの断面を観察し測定することを可能にする。グリッド５０２の向きを再調整した後、試料３０４のミリングされた表面を、デュアル・ビーム・システム内のＳＥＭに対して垂直に向けることができる。
図７Ａ〜７Ｅは、ホールの特性をその断面全体にわたって評価するために試料を装着する別の方法を示す断面図である。一連のミルは、図７Ａから始めて、図７Ｅで、観察するホールの断面が露出するまでミリングされている試料を示す。いくつかの実施形態では、複数の試料を別々に抜き出し、グリッドに取り付けることができる。いくつかの実施形態では、１つの試料を抜き出し、グリッドに取り付け、次いで、その試料を、追加の複数の試料に分割することができる。それらの追加の試料は次いで、グリッド上の異なる位置に取り付けられる。試料の向きは、前述の通り、カーテニングを最小化するように決定することができる。本発明のいくつかの実施形態は以下のことを達成することができる：
・ＳＥＭに対して９０度の角度で、最小限のカーテニングで観察することができる、ＨＡＲ相互接続の深さ全体にわたる断面
・相互接続ホールを、最上部から最下部まで、ＳＥＭに対して９０度の角度で、最小限のカーテニングで観察すること、さらに、ホールの垂直３Ｄ再構成を可能にすること
・試料の真の平面視
図８Ａは、カーテニング効果を受けた試料断面を示す図である。この例では、断面が、垂直に向けられたＦＩＢによって上下方向へミリングされた。密度が変化する繰返し構造体はカーテニング効果の原因となる。密度が変化する構造体は異なるミル速度を示す傾向があるためである。例えば、スルー・シリコン・バイア（ＴＳＶ）などのホール１０２は、周囲のシリコン基板とは異なる密度を有する。カーテニングは、ある列の２つのホール間のエリアでＦＩＢが走査されたときと、事実上ホールの下の列をミリングする、同じ列のホールにわたってＦＩＢが走査されたときのミル速度の差によって引き起こされる。すなわち、ＦＩＢは、それぞれの走査においておおよそ同じ位置で、シリコンまたはホールの上を通る。これによって、ホールが存在する走査の位置は、ホールのない走査の位置よりも速くミリングされる。
図８Ｂは、カーテニング効果が低減された、本発明の実施形態に基づく試料断面を示す図である。この例では、断面が、垂直に向けられたＦＩＢによって上下方向へミリングされていない。その代わりに、結果として生じるカーテンが断面にわたって分散し、または断面にわたってエイリアシングされるように、断面がある角度でミリングされた。すなわち、断面ミルが最上部から最下部へ進むにつれて、ＦＩＢは、それぞれの走査において異なる位置でシリコンまたはホールの上を通る。事実上、これによって、カーテンは断面にわたって分散し、互いに重なり合う。適切な角度は、断面の特徴部分の形状に依存する。
本発明の実施形態に基づくカーテニングの低減は、問題のあるカーテニング効果の原因となる密度が変化する構造体を識別すること、それらの構造体の形状を分析すること、および、ミリング角度をオフセットして、それらの構造体にわたってカーテンを分散させるエイリアシング効果を最適化することを含む。この方法のいくつかの実施形態は、加工物を横切る平面であり、カーテニングまたは他の画像アーチファクトの原因となる構造体の面積を最大にする平面を決定すること、この平面が集束イオン・ビームの軸に対して垂直になるように試料を傾けること、および、集束イオン・ビームを用いて加工物をミリングして、この平面の下の断面を露出させることを含む。
ミリング角度を調整することによってカーテニングを最小化するいくつかの方法とは違い、本発明の実施形態は、試料の真の平面視を可能にする。高アスペクト比相互接続の深さ全体にわたる断面を、ＳＥＭに対して９０度の角度で、最小限のカーテニングで観察することができる。相互接続ホールを、最上部から最下部まで、ＳＥＭに対して９０度で、最小限のカーテニングで観察することもできる。本発明のいくつかの実施形態は、９０度の視角では構造体の画像を撮影できないという問題を解決する。
いくつかの実施形態は、ユーザが、試料を抜き出し、その試料を、非常に大きな柔軟性を可能にする別の位置決めシステムに装着することを可能にし、そのため、室内において以前は容易には実行されなかった方向の断面をＦＩＢによって形成することができる。新たな位置決めによって、試料を、ミリングに対して最適に配置して、測定学上の問題を引き起こすカーテニング効果を最小化することができる。ミリングの後、ＳＥＭに対して９０度になるように、また短い作動距離のところに位置するように試料の位置を調整して、カーテニング効果によって通常は遮られまたは歪められるＲＯＩの高分解能画像を得ることができる。
図９は、垂直に装着されたＳＥＭカラムと、垂直から約５２°の角度に装着されたＦＩＢカラムとを備える、本発明の実施形態を実施するのに適した典型的なデュアル・ビーム・システム９１０を示す。適当なデュアル・ビーム・システムは例えば、本出願の譲受人である米オレゴン州ＨｉｌｌｓｂｏｒｏのＦＥＩ Ｃｏｍｐａｎｙから市販されている。適当なハードウェアの一例を以下に示すが、本発明は、特定のタイプのハードウェアで実現されることだけに限定されない。
走査電子顕微鏡９４１および電源および制御ユニット９４５はデュアル・ビーム・システム９１０を備える。陰極９５２と陽極９５４の間に電圧を印加することによって、陰極９５２から電子ビーム９４３が放出される。電子ビーム９４３は、集光レンズ９５６および対物レンズ９５８によって微細なスポットに集束する。電子ビーム９４３は、偏向コイル９６０によって試験体上で２次元的に走査される。集光レンズ９５６、対物レンズ９５８および偏向コイル９６０の動作は電源および制御ユニット９４５によって制御される。
電子ビーム９４３を、下室９２６内の可動式Ｘ−Ｙステージ９２５上にある基板９２２上に焦束させることができる。電子ビーム中の電子が基板９２２に当たると、２次電子が放出される。この２次電子は、後に論じる２次電子検出器９４０によって検出される。
デュアル・ビーム・システム９１０は集束イオン・ビーム（ＦＩＢ）システム９１１をさらに含み、ＦＩＢシステム９１１は、上部ネック部９１２を有する排気された室を含み、上部ネック部９１２内にはイオン源９１４および集束カラム９１６が位置し、集束カラム９１６は、引出し電極および静電光学系を含む。集束カラム９１６の軸は、電子カラムの軸から５２度傾いている。上部ネック部９１２は、イオン源９１４、引出し電極９１５、集束要素９１７、偏向要素９２０および集束イオン・ビーム９１８を含む。イオン源９１４を出たイオン・ビーム９１８は、集束カラム９１６を通過し、９２０に概略的に示されている静電偏向手段間を通り抜けて、下室９２６内の可動Ｘ−Ｙステージ９２５上に配置された基板９２２、例えば半導体デバイスを含む基板９２２に向かって進む。
ステージ９２５は、水平面（Ｘ軸およびＹ軸）内で移動することができ、かつ垂直に（Ｚ軸）移動することができることが好ましい。ステージ９２５はさらに約６０°傾くことができ、Ｚ軸を軸にして回転することができる。Ｘ−Ｙステージ９２５上に基板９２２を挿入するため、および内部ガス供給リザーバが使用される場合には内部ガス供給リザーバの整備作業のために、扉９６１が開かれる。システムが真空状態にある場合に開かないように、この扉はインタロックされる。バルク試料ステージ９２５上に配置された運動ステージを荷電粒子ビーム・システムが有する代替実施形態が、図１０に関して説明される。
上部ネック部９１２を排気するためにイオン・ポンプ９６８が使用される。室９２６は、真空コントローラ９３２の制御の下、ターボ分子および機械ポンピング・システム９３０によって排気される。この真空システムは、室９２６に、約１×１０−７トルから５×１０−４トルの間の真空を提供する。エッチング支援ガス、エッチング遅延ガスまたは堆積前駆体ガスを使用する場合、室のバックグラウンド圧力は典型的には約１×１０−５トルまで上昇することがある。
イオン・ビーム９１８にエネルギーを与え集束させるため、高圧電源が、イオン・ビーム集束カラム集束９１６内の電極に適当な加速電圧を印加する。イオン・ビーム９１８が基板９２２に当たると、材料がスパッタリングされる。すなわち試料から材料が物理的に追い出される。あるいは、イオン・ビーム９１８が前駆体ガスを分解して、材料を堆積させることもできる。
液体金属イオン源９１４と、約１ｋｅＶから６０ｋｅＶのイオン・ビーム９１８を形成しそれを試料に向かって導くイオン・ビーム集束カラム９１６内の適当な電極とに高圧電源９３４が接続されている。パターン発生器９３８によって提供される所定のパターンに従って動作する偏向コントローラおよび増幅器９３６が偏向板９２０に結合されており、それによって、対応するパターンを基板９２２の上面に描くようにイオン・ビーム９１８を手動または自動で制御することができる。いくつかのシステムでは、当技術分野ではよく知られているように、偏向板が、最後のレンズの前に配置される。イオン・ビーム集束カラム９１６内のビーム・ブランキング（ｂｌａｎｋｉｎｇ）電極（図示せず）は、ブランキング・コントローラ（図示せず）がブランキング電極にブランキング電圧を印加したときに、イオン・ビーム９１８を、基板９２２ではなくブランキング絞り（図示せず）に衝突させる。
液体金属イオン源９１４は一般にガリウムの金属イオン・ビームを提供する。イオン・ミリング、強化されたエッチングもしくは材料堆積によって基板９２２を改変するため、または基板９２２を画像化するために、この源を一般に、基板９２２の位置における幅が１／１０マイクロメートル未満のビームに集束させることができる。
２次イオンまたは２次電子の放出を検出する目的に使用されるエバーハート・ソーンリー（Ｅｖｅｒｈａｒｔ Ｔｈｏｒｎｌｅｙ）検出器、マルチチャンネル・プレートなどの荷電粒子検出器９４０がビデオ回路９４２に接続されており、ビデオ回路９４２は、ビデオ・モニタ９４４に駆動信号を供給し、コントローラ９１９から偏向信号を受け取る。下室９２６内における荷電粒子検出器９４０の位置は実施形態によって変更することができる。例えば、荷電粒子検出器９４０はイオン・ビームと同軸とすることができ、イオン・ビームが通り抜けることを可能にする穴を含むことができる。他の実施形態では、最終レンズを通して２次粒子を集め、次いで収集するために軸から逸らすことができる。
ガス蒸気を導入し基板９２２に向かって導くためにガス送達システム９４６が下室９２６内へ延びている。本発明の譲受人に譲渡されたＣａｓｅｌｌａ他の「Ｇａｓ Ｄｅｌｉｖｅｒｙ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｂｅａｍ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ」という名称の米国特許第５，８５１，４１３号明細書は適当なガス送達システム９４６を記載している。別のガス送達システムが、やはり本発明の譲受人に譲渡されたＲａｓｍｕｓｓｅｎの「Ｇａｓ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ」という名称の米国特許第５，４３５，８５０号明細書に記載されている。例えば、イオン・ビームまたは電子ビームの衝突時に金属を堆積させるため、ビーム衝突位置に金属有機化合物を送達することができる。白金を堆積させるための（ＣＨ３）３Ｐｔ（ＣｐＣＨ３）、タングステンを堆積させるためのタングステンヘキサカルボニルなどの前駆体ガスを送達し、電子ビームによって分解して、ステップ１０８の保護層を提供することができる。
システム・コントローラ９１９は、デュアル・ビーム・システム９１０のさまざまな部分の動作を制御する。従来のユーザ・インタフェース（図示せず）にコマンドを入力することにより、ユーザは、システム・コントローラ９１９を介して、イオン・ビーム９１８または電子ビーム９４３を所望の通りに走査することができる。あるいは、システム・コントローラ９１９は、プログラムされた命令に従って、デュアル・ビーム・システム９１０を制御することができる。好ましいコントローラは、図１のステップを自動的に実施する命令を記憶した記憶装置と通信し、または図１のステップを自動的に実施する命令を記憶した記憶装置を含む。いくつかの実施形態では、デュアル・ビーム・システム９１０が、関心領域を自動的に識別する米マサチューセッツ州ＮａｔｉｃｋのＣｏｇｎｅｘ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから市販されているソフトウェアなどの画像認識ソフトウェアを含み、システムは、本発明に従って画像化する断面を手動でまたは自動的に露出させることができる。例えば、システムは、複数のデバイスを含む半導体ウェーハ上の同様の特徴部分を自動的に突き止め、異なる（または同じ）デバイス上の注目の特徴部分を露出させ、その画像を形成することができる。
本発明のいくつかの実施形態では、この荷電粒子ビーム・システムが、バルク試料ステージ９２５上に配置された運動ステージを有する。このバルク試料ステージは、少なくともｘ平面およびｙ平面内で平行移動することができる。この運動ステージは、ｚ平面内で独立して平行移動することができ、ある軸に沿って回転することができる。バルク・ステージ上で運動ステージを使用すると、体積内へミリングし体積内を見ることによって、ユーザは、ほとんど全ての位置および方向を見ることができる。バルク試料から試料を取り出し、その試料を運動ステージ上に戦略的に配置する。正確に装着されている場合、バルク・ステージを運動ステージと組み合せて使用することによって、ユーザが望む任意の位置および任意の向きに試料を配置することができる。これは全て、単回溶接法（ｓｉｎｇｌｅ ｗｅｌｄ ｍｅｔｈｏｄ）を用いて、システムを換気することなしに、またはロード・ロック交換を必要とすることなしに達成することができる。
可能なほとんど全ての角度から試料の側面を観察することができる。試料の実際の３次元情報を得たいオペレータは、この方法を使用して、試料をミリングし、試料内のどの位置でも観察することができる。試料を、短い作動距離のところに、電子顕微鏡の電子ビームに対して直角に配置して、高分解能画像を得ることができる。バルク試料ステージ上に装着された運動ステージを有する本発明の実施形態に基づく荷電粒子ビーム・システムは、より高いスループットおよびより速いサイクル・タイムを有し、より良質の最終結果を生み出す。
バルク試料材料から、複数の関心領域を含む単一の塊を抜き出す。抜き出した塊を、独立運動ステージ上の試料ホルダに装着する。この試料ホルダは針型試料ホルダであることが好ましい。この独立運動ステージは、ほとんど全ての方向から試料を同時にミリングし観察することを可能にする。次いで、この試料を、電子ビームに対して９０度の角度で、より短い作動距離で観察して、高分解能の特性評価を達成することができる。１回の溶接および独立した運動を使用する多平面試料アクセスは、ユーザが試料の「寸法」を探査する多くの可能性を開く。ユーザは、１方向から断面を形成して関心領域の位置を突き止めることができ、次いで、最上部から切削された平面を観察して、全く異なる方向から関心領域の特性を評価することができる。
図１０は、荷電粒子ビーム・システムのバルク試料ステージ９２５上に配置された独立運動ステージ１００２の一実施形態を示す。バルク試料ステージ９２５は、ｘ方向（図１０では左右方向）およびｙ方向（図１０では紙面に出入りする方向）に平行移動する。運動ステージ１００２は、バルク試料ステージ９０２上に装着されている。運動ステージ１００２は、ｚ方向（図１０では上下方向）に独立して平行移動することができ、運動ステージ１００２が装着されたバルク試料ステージ９２５の表面に対して実質的に垂直な軸を軸にして独立して回転することができる。運動ステージ１００２は試料プローブ１００４を含む。試料プローブ１００４は、その長軸を軸にして回転することができる。一実施形態では、試料プローブ１００４が、運動ステージ１００２の回転軸と実質的に直交する軸を軸にして回転する。抜き出された試料塊は、試料プローブ１００４の端に配置されたステージ装着針１００６に装着される。バルク試料ステージ９２５および運動ステージ１００２の運動によって、ステージ装着針１００６に取り付けられた試料を、荷電粒子ビーム集束カラム１００８に対するほぼ全ての所望の向きに配置することができる。荷電粒子ビーム集束カラム１００８は、ＳＥＭ９４１の集束カラムまたはＦＩＢ９１１の集束カラムとすることができる。
図１１は、試料から、複数の関心領域を有する試料塊を、針型マニピュレータを用いて抜き出し、運動ステージ上の第２の針型マニピュレータに装着し、位置を調整し、ミリングし、その後に、関心領域内の特徴部分のＳＥＭ画像を形成する、本発明の一実施形態の一般的なプロセス・フローを示す流れ図である。このプロセスはステップ１１０２から始まる。ステップ１１０４で、本出願の譲受人であるＦＥＩ Ｃｏｍｐａｎｙから販売されている荷電粒子ビーム・システム内に見られるＥａｓｙＬｉｆｔ（商標）マイクロマニピュレータなどの抜き出し用の第１の針型マニピュレータを使用して、バルク試料から、複数の関心領域を含む単一の試料塊を抜き出す。ステップ１１０６で、その試料塊を、運動ステージ１００２の試料プローブ１００４上のステージ装着針１００６へ移送する。ステップ１１０８で、ステージ装着針１００６を使用して、試料塊を、少なくとも１つの関心領域の特徴部分を荷電粒子ビーム・ミリングによって露出させることができるような向きに配置する。ステップ１１１０で、荷電粒子ビームによって試料塊をミリングして、カーテニングが低減された関心領域内の特徴部分を露出させる。ステップ１１１２で、露出させた特徴部分のＳＥＭ画像を形成する。ステップ１１１４で、プロセスは終了となる。
本発明は、幅広い適用可能性を有し、上記の例において説明し示した多くの利点を提供することができる。本発明の実施形態は、具体的な用途によって大きく異なる。全ての実施形態が、これらの全ての利点を提供するわけではなく、全ての実施形態が、本発明によって達成可能な全ての目的を達成するわけでもない。本発明を実施するのに適した粒子ビーム・システムは例えば、本出願の譲受人であるＦＥＩ Ｃｏｍｐａｎｙから市販されている。
いくつかの実施形態によれば、この方法は、観察するために試料中の構造体の一部分を荷電粒子ビーム・システム内で露出させる方法であって、バルク試料から試料を抜き出すこと、カーテニングを低減させる試料の向きを決定すること、構造体を露出させるために試料をミリングするときに、試料がカーテニングを低減させる向きを向くように、試料を荷電粒子ビーム・システム内のホルダに装着すること、カーテニングを低減させる方向に試料をミリングすることによって構造体を露出させること、および構造体を画像化することを含む。
いくつかの実施形態では、この方法は、カーテニングを低減させる方向に構造体をミリングすることが、ホルダを回転させることを含む。
いくつかの実施形態では、この方法は、バルク試料から構造体を抜き出すことが、少なくとも１本の回転軸を軸にして試料を回転させる能力を有するナノマニピュレータまたは他の装置を使用して、バルク試料から構造体を抜き出すことを含む。
いくつかの実施形態では、この方法は、構造体が高アスペクト比構造体である。
いくつかの実施形態では、この方法は、構造体をミリングすることが、イオン・ビームまたは電子ビームを用いて構造体をミリングすることを含む。
いくつかの実施形態では、この方法は、構造体の画像が、構造体の配向平面（ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ ｐｌａｎｅ）に対して垂直な画像中の構造体を観察することを含む。
いくつかの実施形態によれば、この方法は、観察するために構造体の一部分を露出させる方法であって、加工物を横切る平面であり、カーテニングまたは他の画像アーチファクトの原因となる構造体の面積を最大にする平面を決定すること、この平面が集束イオン・ビームの軸に対して垂直になるように試料を傾けること、および集束イオン・ビームを用いて加工物をミリングして、平面の下の断面を露出させることを含む。
いくつかの実施形態では、この方法は、カーテニングの原因となる構造体が高アスペクト比ホールを含む。
いくつかの実施形態では、この方法は、カーテニングの原因となる構造体が金属構造体を含む。
いくつかの実施形態によれば、荷電粒子ビーム・システムが、１つまたは複数の荷電粒子ビーム・カラムと、少なくとも第１の方向および第２の方向に平行移動することができるバルク試料ステージと、バルク試料ステージ上に配置された運動ステージであり、第３の方向に独立して平行移動することができ、ある軸を軸にして独立して回転することができる運動ステージとを備える。
いくつかの実施形態では、荷電粒子ビーム・システムが、運動ステージ上に配置された試料プローブをさらに備え、この試料プローブが、荷電粒子ビームによって処理または画像化するために試料を保持することができ、ある軸を軸にして独立して回転することができる。
いくつかの実施形態では、荷電粒子ビーム・システムが、バルク試料から試料を抜き出し、カーテニングを低減させる試料の向きを決定し、試料プローブに試料を装着し、観察するために試料中の構造体を露出させるために試料をミリングするときのカーテニングを低減させる向きに試料を配置し、カーテニングを低減させる方向に試料をミリングすることによって構造体を露出させ、前記構造体を画像化するようにプログラムされたコントローラをさらに備える。
いくつかの実施形態では、荷電粒子ビーム・システムが、バルク試料から試料を抜き出し、試料プローブに試料を装着し、加工物を横切る平面であり、カーテニングまたは他の画像アーチファクトの原因となる構造体の面積を最大にする平面を決定し、この平面が集束イオン・ビームの軸に対して垂直になるように試料を傾け、集束イオン・ビームを用いて加工物をミリングして、平面の下の断面を露出させるようにプログラムされたコントローラをさらに備える。
いくつかの実施形態では、荷電粒子ビーム・システムが、バルク試料から試料を抜き出すナノマニピュレータをさらに備える。
いくつかの実施形態では、荷電粒子ビーム・システムにおいて、ナノマニピュレータがバルク試料から試料プローブへ試料を移送するように適合されている。
いくつかの実施形態では、荷電粒子ビーム・システムにおいて、構造体が高アスペクト比構造体である。
いくつかの実施形態では、荷電粒子ビーム・システムにおいて、１つまたは複数の荷電粒子ビーム・カラムがイオン・ビーム・カラムまたは電子ビーム・カラムである。
いくつかの実施形態では、荷電粒子ビーム・システムにおいて、構造体が高アスペクト比構造体である。
いくつかの実施形態では、荷電粒子ビーム・システムにおいて、１つまたは複数の荷電粒子ビーム・カラムがイオン・ビーム・カラムまたは電子ビーム・カラムである。
本発明および本発明の利点を詳細に説明したが、添付の特許請求の範囲によって定義された本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、本明細書に、さまざまな変更、置換および改変を加えることができることを理解すべきである。さらに、本出願の範囲が、本明細書に記載されたプロセス、機械、製造、組成物、手段、方法およびステップの特定の実施形態に限定されることは意図されていない。当業者なら本発明の開示から容易に理解するように、本明細書に記載された対応する実施形態と実質的に同じ機能を実行し、または実質的に同じ結果を達成する既存のまたは今後開発されるプロセス、機械、製造、組成物、手段、方法またはステップを、本発明に従って利用することができる。したがって、添付の特許請求の範囲は、その範囲内に、このようなプロセス、機械、製造、組成物、手段、方法またはステップを含むことが意図されている。

Claims (10)

  1. 観察するために試料中の構造体の一部分を荷電粒子ビーム・システム内で露出させる方法であって、
    バルク試料から、繰り返し配置された複数の高アスペクト比構造体を含む試料を抜き出すこと、
    問題があるカーテニング効果の原因となる複数の高アスペクト比構造体を識別すること、
    前記複数の高アスペクト比構造体の形状を分析すること、
    前記複数の高アスペクト比構造体にわたってカーテニングを分散させるエイリアシング効果を最適化するためにミリング角度を傾斜させること、
    前記複数の高アスペクト比構造体を露出させるために前記試料をミリングするときに、ホルダが、カーテニングを低減させる向きに前記試料を向かわせるように、前記試料を前記荷電粒子ビーム・システム内の前記ホルダに装着すること、
    前記複数の高アスペクト比構造体にわたってカーテニングを分散させるエイリアシング効果を最適化させることによってカーテニングを低減させる方向に前記試料をミリングすることによって前記複数の高アスペクト比構造体を露出させること、および
    前記複数の高アスペクト比構造体を画像化すること
    を含む方法。
  2. カーテニングを低減させる方向に前記試料をミリングすることが、前記ホルダを回転させることを含む、請求項１に記載の方法。
  3. バルク試料から試料を抜き出すことが、少なくとも１本の回転軸を軸にして前記試料を回転させる能力を有するナノマニピュレータまたは他の装置を使用して、前記バルク試料から前記試料を抜き出すことを含む、請求項１または２に記載の方法。
  4. 前記高アスペクト比構造体が高アスペクト比ホールを含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
  5. 前記試料をミリングすることが、イオン・ビームまたは電子ビームを用いて前記構造体をミリングすることを含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
  6. 前記複数の高アスペクト比構造体を画像化することが、前記試料のミリングされた表面中の前記複数の高アスペクト比構造体を観察することを含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
  7. バルク試料から、繰り返し配置された複数の高アスペクト比構造体を含む試料を抜き出し、
    問題があるカーテニング効果の原因となる複数の高アスペクト比構造体を識別し、
    前記複数の高アスペクト比構造体の形状を分析し、
    前記複数の高アスペクト比構造体にわたってカーテニングを分散させるエイリアシング効果を最適化するためにミリング角度を傾斜させ、
    試料プローブに前記試料を装着し、
    観察するために前記試料中の前記複数の高アスペクト比構造体を露出させるために前記試料をミリングするときにカーテニングを低減させる向きに前記試料を配置し、
    前記複数の高アスペクト比構造体にわたってカーテニングを分散させるエイリアシング効果を最適化させることによってカーテニングを低減させる方向に前記試料をミリングすることによって前記複数の高アスペクト比構造体を露出させ、
    前記複数の高アスペクト比構造体を画像化する
    ようにプログラムされた荷電粒子ビーム・システム。
  8. バルク試料から試料を抜き出すナノマニピュレータをさらに備える、請求項７に記載の荷電粒子ビーム・システム。
  9. 前記ナノマニピュレータが、前記バルク試料から前記試料プローブへ前記試料を移送するように適合された、請求項８に記載の荷電粒子ビーム・システム。
  10. 前記１つまたは複数の荷電粒子ビーム・カラムがイオン・ビーム・カラムまたは電子ビーム・カラムである、請求項７から９のいずれか一項に記載の荷電粒子ビーム・システム。
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