低能量離子銑削或沉積的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及低能量離子銑削或沉積。樣本必須在從晶片挖出所述樣本之后被薄化，以形成具有例如20nm的厚度的薄片。這一般地通過在帶電粒子設(shè)備中用離子進(jìn)行濺射來完成。當(dāng)將薄片銑削成這樣的厚度時，問題是：薄片的一大部分由于離子的轟擊而變成無定形的并且離子變得被注入樣本中。本發(fā)明通過在GIS的毛細(xì)管（201）與樣本（200）之間施加電壓差并將離子或電子束（206）引導(dǎo)到氣體噴射（207）來提供所述問題的解決方案。束從而使被加速至樣本的氣體電離，其中（當(dāng)在樣本與GIS之間使用低電壓時）發(fā)生低能量銑削，并且因此幾乎沒有樣本厚度變成無定形的。
【專利說明】低能量離子銑削或沉積
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于使用帶電粒子設(shè)備從工件去除材料或在工件上沉積材料的 方法，該帶電粒子設(shè)備裝配有： ?安裝在可抽空樣本室上、用于產(chǎn)生帶電粒子束的柱， ?位于樣本室中的樣本位置，以及 ?氣體注入系統(tǒng)，用于將氣體噴射引導(dǎo)到樣本位置， 所述方法包括 ?在樣本位置處提供工件， ?將樣本室抽空，以及 ?將從氣體注入系統(tǒng)出現(xiàn)的氣體噴射引導(dǎo)到工件。
[0002] 這種方法被用于例如薄化工件(樣本)，例如半導(dǎo)體樣本，以用于用透射電子顯微 鏡（TEM)或掃描電子顯微鏡（SEM)進(jìn)行進(jìn)一步檢查。用現(xiàn)有技術(shù)方法薄化的樣本具有下至 25nm或更小的厚度。
[0003] 被技術(shù)人員稱為"聚焦離子束銑削"或"FIB銑削"的這種方法還包括將帶電粒子 束、典型地是具有在例如1 keV至40 keV之間的能量的高能離子束引導(dǎo)到工件。結(jié)果，由于 碰撞離子和被吸附氣體而發(fā)生局部蝕刻和/或沉積。為了進(jìn)行蝕刻，將例如XeF 2或H20的蝕 刻劑引導(dǎo)到樣本，而為了沉積，將諸如MeCpPtMe3 (被用于Pt沉積)、W(C0)6 (被用于鎢沉積） 和萘(被用于碳沉積)的前體引導(dǎo)到樣本。還參見美國希爾巴羅市的FEI公司的App 1 ication Note AN0024 03-2010。
[0004] 發(fā)生如下這樣的問題，即當(dāng)薄化諸如半導(dǎo)體樣本的樣本時，樣本表面的一部分由 于用高能離子進(jìn)行的轟擊而變成無定形的。典型地，當(dāng)離子的能量較高時，無定形層較厚。 因此，所使用的離子能量是相當(dāng)?shù)偷?，例? keV或更小。在最常使用的樣本、諸如基于鋼 鐵和硅的樣本中，典型損壞層在2-5nm范圍內(nèi)。
[0005] 應(yīng)注意的是，常常用所謂的液態(tài)金屬離子源（LMIS)來產(chǎn)生離子束，最流行的LMIS 產(chǎn)生鎵離子。相關(guān)問題是高能離子、例如鎵到樣本材料中的注入。
[0006] 使用能夠產(chǎn)生具有不同組成的離子束的其他離子源、諸如等離子體源、電子碰撞 電離源等是已知的。在美國專利號US 6,236, 054中示出了示例，其中，描述了產(chǎn)生離子 的電子撞擊源，所述離子被加速且聚焦在樣本上。所述離子源以Gentle Mill?的名稱 出售，并且在加利福尼亞州圣克利門蒂市的South Bay Technology公司的Application Laboratory Report 68中被描述，并且能夠產(chǎn)生諸如在300 eV的離子能量下的具有 0. 75mm的直徑的射束。然而，這些源常常不那么適合于對LMIS或電子束進(jìn)行成像，并且因 此這些源大部分被用在用于銑削的專用工具中，或者作為裝配有SEM或FIB柱的成像工具 上的昂貴附件。
[0007] 需要一種用于裝配有掃描電子顯微鏡（SEM)柱和/或聚焦離子束（FIB)柱的帶電 粒子成像工具上的局部化機(jī)械加工或沉積的便宜的改進(jìn)方法。
[0008] 為此，根據(jù)本發(fā)明的方法的特征在于，帶電粒子設(shè)備裝配有被相對于工件電偏置 的電極，所述電極在氣體噴射的至少一部分上引發(fā)電勢，并且?guī)щ娏Ｗ邮灰龑?dǎo)到氣體注 入系統(tǒng)與工件之間的氣體噴射或被引導(dǎo)到氣體注入系統(tǒng)，作為其結(jié)果，帶電粒子束直接地 或間接地產(chǎn)生被加速至工件的二次離子。
[0009] 本發(fā)明是基于這樣的認(rèn)識，即帶電粒子束引起從氣體注入系統(tǒng)出現(xiàn)的氣體原子的 電離。這些二次離子然后被加速至樣本。在氣體注入系統(tǒng)與樣本之間產(chǎn)生二次離子。隨著 在電極與樣本之間形成離子，這些離子用以撞擊在樣本上的能量至多為樣本與電極之間的 電壓差。
[0010] 因此，可以產(chǎn)生與一次帶電粒子（電子或離子）束成比例的二次離子束，并且在假 設(shè)電極與樣本之間有電壓差U的情況下這些二次離子用以撞擊樣本的能量在零與U eV之 間。
[0011] 優(yōu)選地，GIS裝配有用于引導(dǎo)氣體噴射的毛細(xì)管，該毛細(xì)管充當(dāng)電極。
[0012] 發(fā)明人作為有益效果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)使用電子束作為一次帶電粒子束且電極是氣體注入 系統(tǒng)時，可以促使該束撞擊氣體注入系統(tǒng)的毛細(xì)管，從而產(chǎn)生后向散射電子。這例如通過偏 轉(zhuǎn)而發(fā)生，該偏轉(zhuǎn)由于樣本與電極之間的電場而發(fā)生：由于此場被極化以將離子加速至樣 本，所以其也被極化以將電子吸引到毛細(xì)管。由于后向散射電子是高能的，所以產(chǎn)生的后向 散射電子可以在損失全部能量（由于電場的極化，后向散射電子當(dāng)在樣本的方向上行進(jìn)時 被減速）之前朝著樣本行進(jìn)并到達(dá)氣體噴射，在那里，這些后向散射電子引起氣體原子的電 離。
[0013] 后向散射電子的產(chǎn)生可以是在毛細(xì)管的開口處、在毛細(xì)管的面向樣本的面處或者 甚至通過引導(dǎo)電子束通過接近于開口的毛細(xì)管中的縫隙而發(fā)生在毛細(xì)管中。
[0014] 優(yōu)選方法還包括在用二次離子將樣本薄化之前用聚焦離子束將樣本薄化。
[0015] 這導(dǎo)致用聚焦離子束進(jìn)行的粗糙、快速的銑削，之后是細(xì)銑削以去除無定形層。在 這方面其能夠與對宏觀對象的銑削和砂紙打磨相當(dāng)。
[0016] 氣體噴射可以是包括惰性氣體的噴射。還可以將反應(yīng)性氣體、諸如用于鈍化和/ 或還原的氫氣或用于氧化的氧氣引導(dǎo)至樣本。
[0017] 氣體噴射可以是包括惰性氣體的噴射，但是還可包括反應(yīng)性氣體以包括由離子種 類進(jìn)行的附加化學(xué)反應(yīng)?？梢詫㈦妷篣調(diào)諧在銑削開始能量與零之間，從而僅允許從銑削 切換至化學(xué)反應(yīng)?？深A(yù)見的是，在那種情況下一次粒子束的功能是產(chǎn)生諸如在氫和氧的情 況下以化學(xué)方式與表面相互作用的非常低能的離子和基團(tuán)。
[0018] 在一實(shí)施例中，將GIS裝配成在氣體之間進(jìn)行切換，因此能夠產(chǎn)生其組成隨時間 變化的氣體噴射。
[0019] 離子用以撞擊在樣本上、從而引起或者銑削/濺射或者沉積的能量是樣本與電極 (毛細(xì)管）之間的電壓差和樣本與電極之間的其中發(fā)生電離的位置的函數(shù)：當(dāng)所述位置被選 擇成接近樣本時，該能量與其中該位置接近毛細(xì)管的情況相比將是低的。每秒產(chǎn)生的離子 的數(shù)目由一次帶電粒子束、在適用時為產(chǎn)生的高能電子的數(shù)目以及在氣體中的電離橫截面 及可能重組因數(shù)來限定。以這樣的方式，離子電流是與離子能量無關(guān)的參數(shù)，這不同于DC 氣體放電或AC等離子體放電。
[0020] 應(yīng)注意的是，可以將電極(毛細(xì)管）或者樣本連接到接地電位。
[0021] 為了進(jìn)一步控制離子能量無關(guān)效果，可調(diào)制電極上的電壓。
[0022] 為了將氣體噴射和因此的離子束局部化，GIS與樣本之間的距離優(yōu)選地小于 1000 μ m、更優(yōu)選地小于250 μ m、最優(yōu)選地小于125 μ m。
[0023] 通過掃描帶電粒子束，可以定義電離體積的位置，在其中該束并不撞擊毛細(xì)管的 情況下，該位置在從小管（當(dāng)不發(fā)生掃描時）至平面（當(dāng)掃描射束時）的范圍內(nèi)。此電離體積 則對應(yīng)于到達(dá)樣本上的離子線至到達(dá)樣本上的離子平面。
[0024] 現(xiàn)在使用附圖來闡述本發(fā)明，在附圖中相同的附圖標(biāo)記指代相應(yīng)的特征。為此： 圖1示意性地示出了現(xiàn)有技術(shù)的帶電粒子設(shè)備。
[0025] 圖2示意性地示出了示出GIS毛細(xì)管和樣本的細(xì)節(jié)。
[0026] 圖3a示出了 GIS的毛細(xì)管，以及 圖3b示意性地示出了面向樣本的GIS毛細(xì)管。
[0027] 諸如要在透射電子顯微鏡中被成像的半導(dǎo)體樣本的樣本必須在從晶片挖出所述 樣本之后被薄化，以形成具有例如20nm的厚度的薄片。這一般地通過在裝配有掃描電子顯 微鏡（SEM)柱和聚焦離子束（FIB)柱、進(jìn)一步裝配有一個或多個氣體注入系統(tǒng)（GIS)的帶電 粒子設(shè)備中用離子進(jìn)行濺射來完成。
[0028] 當(dāng)將薄片銑削成這樣的厚度時，問題是：薄片的大部分由于用離子進(jìn)行的轟擊而 變成無定形的，并且離子變得被注入樣本中。
[0029] 圖1示意性地示出了現(xiàn)有技術(shù)的帶電粒子設(shè)備。
[0030] 例如掃描電子顯微鏡柱或聚焦離子束柱的帶電粒子柱110包括用于產(chǎn)生具有例 如在200 eV和30 keV之間的可選能量的帶電粒子束的帶電離子源112。該柱還包括一個 或多個帶電粒子透鏡116和用于使束聚焦在樣本100上的聚光透鏡108。偏轉(zhuǎn)器118被用 于對射束進(jìn)行掃描/定位。該柱被安裝在能夠被真空泵(未示出)抽空的可抽空樣本室102 上。在樣本室中，使用諸如Everhart-Thornley檢測器130的一個或多個福射檢測器來檢 測二次輻射，諸如二次電子(典型地具有小于50 eV的能量)、后向散射電子（典型地具有超 過50 eV的能量)、X射線、光等。此檢測器的信號被連接到信號處理器132并在監(jiān)視器134 上被示出。樣本通過定位單元114被定位，定位單元114典型地能夠在3個方向上平移樣 本并在至少1個方向上旋轉(zhuǎn)它。氣體注入系統(tǒng)（GIS) 120包括其中存儲有氣體的體積124、 用以允許氣體經(jīng)由毛細(xì)管101流到樣本的閥126。
[0031] 典型地，GIS毛細(xì)管的最接近于樣本的那部分具有在100至1000 μ m之間的外直 徑和10至50 μ m (最典型地?35 μ m)的內(nèi)直徑，以便獲得足夠的氣流以及形成被充分局部 化的離子源。毛細(xì)管通常被移動至距離樣本小于1mm、常常小于0. 25mm的距離，從而提供局 部化氣體供應(yīng)。通過同時地將氣體噴射和聚焦帶電粒子束引導(dǎo)到樣本，在樣本處發(fā)生氣體 化學(xué)作用，從而導(dǎo)致蝕刻、沉積(也稱為射束致沉積)等。這在與被暴露于氣體的區(qū)域相比甚 至更受限制的位置處發(fā)生，因?yàn)榫劢股涫哂械湫偷卦?和5 nm之間的直徑。已知通過使 用Me2Au (acac)作為前體氣體來沉積具有小于10 nm的寬度的例如金線。
[0032] 應(yīng)注意的是，在該現(xiàn)有技術(shù)方法中在毛細(xì)管與樣本之間不存在電壓差。
[0033] 圖2示意性地示出了示出GIS毛細(xì)管和樣本的細(xì)節(jié)。
[0034] 樣本200被堅(jiān)直安裝，平行于帶電粒子束206。金屬毛細(xì)管201示出了面向樣本的 面202,以及氣體從其出現(xiàn)的內(nèi)孔203。在束206與氣體噴射207的交叉點(diǎn)處，形成電離體 積，離子從該處被朝著樣本加速。電壓源208導(dǎo)致毛細(xì)管與樣本之間的電壓差。
[0035] 應(yīng)注意的是，通過掃描射束，電離體積可以是平面而不是所示的管。
[0036] 還應(yīng)注意的是，可以使得帶電粒子束撞擊毛細(xì)管的該面，從而形成后向散射電子， 所述后向散射電子繼而可以引起二次離子。所形成的二次電子被減速且將被引導(dǎo)回到毛細(xì) 管的面。
[0037] 還應(yīng)注意的是，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)當(dāng)使用電子束并使電壓源的極性反轉(zhuǎn)時，可以使得電 子束撞擊在樣本上，并且可以產(chǎn)生樣本的圖像。這對終點(diǎn)確定(確定何時停止薄化）尤其有 用。
[0038] 圖3a示出了氣體注入系統(tǒng)（GIS)的毛細(xì)管。
[0039] 圖3a示出了鎢GIS毛細(xì)管301，其被用離子束切割以便在遠(yuǎn)端處提供近似地垂直 于毛細(xì)管的軸線的筆直面302。在工作中，該面面向樣本。毛細(xì)管的軸線示出了內(nèi)孔303， 在工作中，氣體被通過該內(nèi)孔303從此毛細(xì)管中被吹出。在毛細(xì)管的壁中，用離子束機(jī)械加 工出小矩形304,從而形成供電子束通過毛細(xì)管的壁的入口。通過引導(dǎo)電子束通過此入口， 在所述孔中形成后向散射電子和二次電子，并且使穿過該孔的氣體電離。因?yàn)檫@些離子由 于氣體流動而仍具有其初始前向運(yùn)動并且甚至從毛細(xì)管出來被剛好在毛細(xì)管外面的電場 加速，所以離子束從毛細(xì)管出現(xiàn)。
[0040] 應(yīng)注意的是，在這里所示的表面305僅僅被用于在機(jī)械加工/銑削期間保持毛細(xì) 管，并且在正常使用中并不存在。
[0041] 圖3b示意性地示出了面向樣本的圖3a的毛細(xì)管。
[0042] 在圖3b中，給出了在圖3a中示出的面向樣本300的GIS毛細(xì)管301的示意圖。毛 細(xì)管被電壓源308電偏置。通過縫隙304,電子束被沿著線306引導(dǎo)至中心孔303的底部。 此電子束具有例如在〇. 1至30 keV之間的能量，并且導(dǎo)致來自孔的底部的二次電子（正常 地定義為以小于50 eV的能量從材料出現(xiàn)的電子)和后向散射電子(正常地定義為以超過50 eV的能量從材料出現(xiàn)的電子)，從而使流過孔的氣體電離。這些離子307連同氣體原子和 /或分子一起由于它們的初始速度和由面302與樣本之間的電場引起的加速度而從毛細(xì)管 出現(xiàn)。當(dāng)撞擊在樣本上時，發(fā)生濺射，濺射能量近似等于由于電壓源308而引起的加速度， 從而導(dǎo)致極低能量的銑削。
[0043] 非專利文獻(xiàn) 1. AN0024 03-2010, FEI Company, Hillsboro, OR, USA, http://www.fei.com/ uploadedf iles/documents/content/an-gis_beam_chemistries-an-web-2010.pdf, version April 1st, 2010 2. Application Laboratory Report 68, South Bay Technology Inc., San Clemente, CA, USA, http://www.southbaytech.com/appnotes/68%20Improving%20 High%20Resolution%20TEM%20Images%20using%20Low%20Energy%20Ion%20Milling. pdf, version September 10th, 2002.
【權(quán)利要求】
1. 一種用于使用帶電粒子設(shè)備從工件（200、300)去除材料或在工件上沉積材料的方 法，該帶電粒子設(shè)備裝配有： ?安裝在可抽空樣本室上、用于產(chǎn)生帶電粒子束的柱， ?位于樣本室中的樣本位置，以及 ?氣體注入系統(tǒng)（201、301)，用于將氣體噴射（207、307)引導(dǎo)到所述樣本位置， 該方法包括 ?在樣本室中的所述樣本位置處提供所述工件，該樣本室被抽空，以及 ?將從所述氣體注入系統(tǒng)出現(xiàn)的氣體噴射引導(dǎo)到所述工件， 該方法的特征在于 所述帶電粒子設(shè)備裝配有被相對于所述工件被電偏置的電極，所述電極在氣體噴射的 至少一部分上引發(fā)電勢，并且?guī)щ娏Ｗ邮灰龑?dǎo)到所述氣體注入系統(tǒng)與所述工件之間的氣 體噴射或被引導(dǎo)到所述氣體注入系統(tǒng)，作為其結(jié)果，所述帶電粒子束直接地或間接地產(chǎn)生 被加速至所述工件的二次離子。
2. 權(quán)利要求1的方法，其中，所述氣體注入系統(tǒng)裝配有氣體從其出現(xiàn)的毛細(xì)管（201)， 所述毛細(xì)管是電極。
3. 權(quán)利要求1或權(quán)利要求2的方法，其中，所述帶電粒子束是電子束。
4. 權(quán)利要求3的方法，其中，所述電子束撞擊所述毛細(xì)管，從而產(chǎn)生后向散射電子，所 述后向散射電子繼而使氣體電離并因此產(chǎn)生二次離子。
5. 前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)的方法，其中，在用二次離子使所述工件薄化之前，用由離 子束柱產(chǎn)生的離子束薄化所述工件。
6. 前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)的方法，其中，所述氣體包括惰性氣體。
7. 權(quán)利要求1-5中的任一項(xiàng)的方法，其中，所述氣體包括氧氣或氫氣。
8. 前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)的方法，其中，所述氣體注入系統(tǒng)被裝配成在兩種或更多 種氣體之間切換，因此能夠產(chǎn)生具有時變的組成的氣體噴射。
9. 前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)的方法，其中，所述電極與所述工件之間的電壓差小于500 eV〇
10. 前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)的方法，其中，所述氣體注入系統(tǒng)與所述樣本之間的距離 小于1mm、更優(yōu)選地小于250 μ m、最優(yōu)選地小于125 μ m。
11. 前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)的方法，其中，所述帶電粒子束被掃描以定義其中產(chǎn)生二 次離子的體積。
12. 前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)的方法，其中，所述帶電粒子束的電流被調(diào)制。
13. 前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)的方法，其中，經(jīng)由氣鎖將所述工件引入被抽空的樣本室 中。
14. 權(quán)利要求1-12中的任一項(xiàng)的方法，其中，所述工件被引入有通風(fēng)口的樣本室中，所 述樣本室然后被抽空。
【文檔編號】H01J37/08GK104103480SQ201410132480
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年4月3日 優(yōu)先權(quán)日:2013年4月3日
【發(fā)明者】J.J.L.穆德斯, R.T.J.P.格爾特斯, P.H.F.特羅姆佩納亞斯, E.G.T.博世 申請人:Fei 公司