高選択性、低損傷の電子ビーム・デリニエーション・エッチング
【課題】集束ビームを使用して基板を選択的にエッチングする方法および装置を提供する。
【解決手段】ステップ１０２では、少なくとも２種類の材料を有する基板を用意する。この基板は、その上に集積回路が製造されたシリコン・ウェーハとし、この基板はさらに、集積回路の一部分の断面を露出させるために集束イオン・ビームによって切削されたトレンチを含む。ステップ１０４では、エッチングする基板表面の一部分に、エッチング剤前駆体ガスの流束を供給する。ステップ１０６では、基板表面に、エッチング抑制前駆体ガスの流束を供給する。ステップ１０８では、電子ビームなどの集束ビームを基板に向かって、少なくとも２種類の材料を含む領域上に誘導する。このエッチング前駆体ガス、エッチング抑制ガスおよび集束ビームの組合せは、第１の材料を第２の材料に比べて選択的にエッチングする。
【解決手段】ステップ１０２では、少なくとも２種類の材料を有する基板を用意する。この基板は、その上に集積回路が製造されたシリコン・ウェーハとし、この基板はさらに、集積回路の一部分の断面を露出させるために集束イオン・ビームによって切削されたトレンチを含む。ステップ１０４では、エッチングする基板表面の一部分に、エッチング剤前駆体ガスの流束を供給する。ステップ１０６では、基板表面に、エッチング抑制前駆体ガスの流束を供給する。ステップ１０８では、電子ビームなどの集束ビームを基板に向かって、少なくとも２種類の材料を含む領域上に誘導する。このエッチング前駆体ガス、エッチング抑制ガスおよび集束ビームの組合せは、第１の材料を第２の材料に比べて選択的にエッチングする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、集束ビームを使用した選択エッチングに関し、特に、多層構造の断面の電子ビーム画像化に適用可能である。
【背景技術】
【０００２】
最新の集積回路は一般に、半導体基板上に形成された金属、半導体、絶縁体などの材料の複数の層からなる。半導体製造における製造プロセスの特性を評価し、または製造プロセスの問題を調査するため、プロセス技術者はしばしば、集束イオン・ビームを使用して集積回路の断面を切削し、次いで走査型電子顕微鏡を使用してその断面の層の縁を調べる。例えば、プロセス技術者は、ポリシリコン・ゲート、アモルファス・シリコンならびにさまざまな誘電体および障壁材料などの集積回路フィーチャを観察し、層の厚さおよび均一性を測定するために断面を切削することがある。
【０００３】
走査型電子顕微鏡は、表面にわたってビームを走査したときにその表面から放出される２次電子を集めることによって画像を形成する。その画像のそれぞれの点の明るさは、その表面の対応する点から集められた２次電子の数（または他の電子信号）に比例する。それぞれの点で放出される２次電子の数は、材料のタイプおよびトポグラフィに依存する。多くの異なるタイプの材料が入射電子１つあたり異なる数の２次電子を放出するため、例えば金属層と酸化物層の間の境界を観察することは容易である。酸化物と窒化物などいくつかの類似の材料は、１次電子１つに対してほぼ同じ数の２次電子を放出し、そのため、電子ビーム画像中のそれらの材料間の境界はしばしば明白でない。
【０００４】
界面を可視化する１つの方法は、界面の領域を選択的にエッチングすることである。一方の材料がもう一方の材料よりも速くエッチングされる場合、その界面ではトポグラフィが変化し、画像中でその界面を見ることができる。フィーチャをより見やすくするために工作物を処理することは「デコレーション（ｄｅｃｏｒａｔｉｏｎ）」と呼ばれている。本発明の譲受人による１つのデコレーション・プロセスは、ｄｅｌｉｎｅａｔｉｏｎ ｅｔｃｈ（商標）プロセスと呼ばれ、フッ素化炭化水素２，２，２−トリフルオロアセトアミドの蒸気を使用した化学支援型集束イオン・ビーム・エッチングを含む。界面を可視化するときには、プロセス技術者が工作物の正確な写真を得るように、構造をできるだけ変化させないことが望ましい。したがって、プロセス技術者がデコレーション・プロセスを精密に制御することを可能にするため、非常に低いエッチング速度が望ましい。
【０００５】
集積回路のフィーチャ・サイズが小さくなるにつれ、イオン・スパッタリングによって生じる試料に対する固有の損傷が、許容できない測定誤差を導入することがある。イオン・ビームの代わりに電子ビームを使用してデコレーションが実行されるときには、スパッタリングによる物理的な損傷は排除される。電子ビーム誘起反応では運動量の移動がごくわずかであるため、電子ビームは一般に、エッチング剤前駆体ガスが存在する場合にしかエッチングしない。
【０００６】
真空室内のバックグラウンド・ガスはしばしば炭素を含み、電子ビーム処理中に炭素を付着させる。電子ビーム誘起エッチングはバックグラウンド・ガスによる電子ビーム誘起付着を凌駕しなければならず、そうでない場合にはエッチングは起こらない。その攻撃的なフッ素化特性のため、シリコン含有材料および高融点金属をエッチングする目的に、しばしば二フッ化キセノン（ＸｅＦ2）が電子ビームとともに使用される。残念なことに、ＸｅＦ2は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）の電子ビーム誘起エッチングよりも速い速度でシリコンを自発的にエッチングする。したがって、露出したシリコンの存在下でＳｉＯ2をエッチングしようとすると、このガスは、所望のエッチングよりも多くの意図しない損傷を生み出す。さらに、異なるタイプの誘電体層間の電子ビーム・エッチングによって生み出されるデコレーションは、大部分の用途に対して不十分である。例えば、ＸｅＦ2を用いた電子ビーム・エッチングは、窒化物層と酸化物層を同様の速度でエッチングし、そのため、観察者は、それらの層間の境界を容易には観察できない。さらに、ビーム誘起選択性が認められる場合であっても、全体の速度が速すぎて、エッチングの深さを適切に制御することができないことがある。この点をさらに例示するため、デコレーションを実施する試料として、酸化物中に埋め込まれた非常に微細な窒化物フィーチャを考える。この場合には、（フィーチャ・サイズが小さいため）窒化物を非常に穏やかにエッチングし、一方で周囲の酸化物をより迅速に除去することが好ましいであろう。反対に、この状況が逆になり、より高い窒化物エッチング速度が好ましいこともある。これらのタイプのケースでは、所望の材料に対する選択性を提供することができる特定の化学的性質を有することが非常に望ましい。他のタイプの使用例は、デコレーションを実施する関心領域において保存すべき露出した（ポリ、非晶質または単結晶）シリコンがある場合である。この場合、シリコン・エッチングはほぼ単独で自発的に生じ、したがって、このケースでは、修正されたビーム誘起エッチング速度とは対照的に、自発的なエッチングをより抑制する必要がある。この場合も、上記の全てが可能な化学的性質が非常に望ましい。
【０００７】
半導体製造において使用される他のプロセスが反応性イオン・エッチングである。反応性イオン・エッチングでは、ウェーハがプラズマ室内に置かれ、プラズマは、ガスの反応性を増大させることを狙いとするイオン、遊離基（ｒａｄｉｃａｌｓ）および中性粒子（ｎｅｕｔｒａｌｓ）からなる。反応性イオンは、ウェーハ表面に向かって加速され、化学的過程と運動量移動過程の両方によって反応する。反応性イオン・エッチングはウェーハの表面全体で起こる。反応性イオンは集束しないが、プラズマ内の至るところで生み出され、試料に向かって加速される。この反応は、ガス種を制御することによって制御することができ、その一部は基板上に付着し、一部は基板をエッチングする。
【０００８】
ビームの操作および基板上の材料のタイプによって制御され、イオン誘起スパッタリングなどの物理的なプロセスによってあまり変化しないようなエッチングを、集束ビームを使用することによって、基板の小領域において選択的に誘起させる方法が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許第７，２４１，３６１号
【特許文献２】米国特許第５，８５１，４１３号
【特許文献３】米国特許第５，４３５，８５０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、基板上の材料を集束ビームを使用して選択的にエッチングする改良型の方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、電子ビーム、イオン・ビーム、中性粒子ビーム、レーザ・ビームなどの集束ビームを使用して基板上の材料を選択的にエッチングする方法および装置を提供する。好ましくは、ビーム誘起反応と自発反応の両方の競争反応が、第１の材料のエッチングを、基板上に存在する１種または数種の他の材料のエッチングよりも優先し、それによって第１の材料をエッチングし、一方で前記１種または数種の他の材料を保持することを可能にする。いくつかの実施形態では、これらの競争反応が、他の材料のうちの１種または数種の材料上での付着をわずかに優先する。本発明は、異なる材料の層の断面に対して電子ビーム誘起デリニエーションを実施し、同時に工作物の他のフィーチャを維持するのに特に有用である。
【００１２】
以上では、以下の本発明の詳細な説明をより理解できるように、本発明の特徴および技術上の利点をかなり広く概説した。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、本発明の同じ目的を達成する他の構造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されたい。さらに、このような等価の構造は、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されたい。
【００１３】
次に、本発明および本発明の利点のより徹底的な理解のため、添付図面に関して書かれた以下の説明を参照する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態の好ましいステップを示す流れ図である。
【図２Ａ】２つの材料からなる組織の相対的なエッチング速度を定性的に（目盛なしで）示す図であり、エッチング剤前駆体ガスの存在下での２種類の材料の相対的な自発エッチング速度を示す図である。
【図２Ｂ】２つの材料からなる組織の相対的なエッチング速度を定性的に（目盛なしで）示す図であり、エッチング剤前駆体ガスの存在下での２種類の材料の相対的な電子ビーム誘起エッチング速度を示す図である。
【図２Ｃ】２つの材料からなる組織の相対的なエッチング速度を定性的に（目盛なしで）示す図であり、エッチング剤前駆体ガスの存在下での２種類の材料の相対的な電子ビーム誘起エッチング速度を示す図である。
【図２Ｄ】２つの材料からなる組織の相対的なエッチング速度を定性的に（目盛なしで）示す図であり、エッチング剤前駆体ガスおよび補助ガスの存在下での２種類の材料の相対的な電子ビーム誘起エッチング速度を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態に従って試料を処理する前の集積回路の断面を示す顕微鏡写真である。
【図４】本発明の一実施形態に従って試料を処理した結果を示す顕微鏡写真である。
【図５】イオン・ビーム・カラムおよび電子ビーム・カラムを含む、本発明の実施に有用なデュアル・ビーム・システムを概略的に示す図である。
【図６Ａ】一組の所与のビーム条件／フロー・ジオメトリでのエッチング速度および選択性を、ＣＦ3Ｉ（図６Ａ）補助ガスに関して示すグラフである。
【図６Ｂ】一組の所与のビーム条件／フロー・ジオメトリでのエッチング速度および選択性を、ＣＦ4（図６Ｂ）補助ガスに関して示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の実施形態は、電子ビーム、イオン・ビーム、中性粒子ビーム、レーザ・ビームなどの集束ビームを使用して基板上の材料を選択的に処理する方法および装置を提供する。微細集束ビームの使用は、ユーザが、処理する領域を精密に制御することを可能にする。例えば、最新の電子ビームは、数ナノメートルのスポット・サイズに集束させることができ、ナノメートルからミリメートル程度の領域全体を走査することができる。基板は一般に、電子ビーム処理の間、前駆体ガスまたはビームに対して露出する複数の材料を有する。好ましい一実施形態では、自発反応とビーム誘起反応の両方の競争反応が、第１の材料のエッチングを、１種または数種の露出した他の材料のエッチングよりも優先する。したがって、それらの実施形態は、第１の材料を優先的にエッチングし、同時に、露出した他の材料を維持し、またはそれらの材料に対する損傷を最小化する。
【００１６】
いくつかの実施形態では、工作物の領域内に２種類の前駆体ガスが導入される。これらのガス種および工作物におけるこれらのガスの流束は、競争反応が例えば第１の材料のエッチングを優先し、保存すべき他の材料のエッチングを優先しないように選択される。いくつかの実施形態では、これらの競争反応が、保持すべき材料上への付着を優先する。好ましい一実施形態では、保持すべき材料がエッチングされないように、しかしながらあまりに多くの物質が付着しないように、付着プロセスがエッチング・プロセスをわずかに凌駕する。好ましいいくつかの実施形態は、高流束の付着ガスおよび低流束のエッチング剤ガスを使用する。
【００１７】
図１は、好ましい一実施形態のステップを示す流れ図である。ステップ１０２では、少なくとも２種類の材料を有する基板を用意する。この基板は例えば、その上に集積回路が製造されたシリコン・ウェーハとすることができる。この基板はさらに、集積回路の一部分の断面を露出させるために集束イオン・ビームによって切削されたトレンチを含むことができる。ステップ１０４では、エッチングする基板表面の一部分に、エッチング剤前駆体ガスの流束を供給する。ステップ１０６では、基板表面に、エッチング抑制前駆体ガスの流束を供給する。ステップ１０８では、電子ビームなどの集束ビームを基板に向かって、少なくとも２種類の材料を含む領域上に誘導する。このエッチング前駆体ガス、エッチング抑制ガスおよび集束ビームの組合せは、第１の材料を第２の材料に比べて選択的にエッチングする。いくつかの実施形態では、単一のガスを、例えば電子ビームとともに使用して、１つの材料を他の材料に比べて選択的にエッチングすることができる。
【００１８】
図２Ａから２Ｄは、本発明の一実施形態における２つの材料の組織の相対的なエッチング速度を定性的に示す。基板は、ガスＥ（主にエッチング前駆体）およびＤ（主に付着前駆体）に対して露出した材料ＡおよびＢを含む。材料Ｂを選択的にエッチングし、材料Ａを保持することが望ましいとする。図２Ａは、エッチング前駆体ガスＥが存在し、集束電子ビームなどのエネルギー源が存在しない場合、材料Ａのエッチング速度ＥＡは、材料Ｂのエッチング速度ＥＢよりもはるかに大きいことを示している。図２Ｂは、エッチング前駆体Ｅおよび局所エネルギー源が存在する場合、材料Ｂのエッチング速度は増大するが、エッチング速度ＥＡは依然としてエッチング速度ＥＢよりも大きいことを示している。
【００１９】
材料Ａ上での付着速度ＤＡが材料Ｂ上での付着速度ＤＢよりもはるかに大きくなるように補助ガスを選択する。図２Ｃは、競合する自発エッチング、ビーム誘起エッチングおよびビーム誘起付着の結果、材料Ｂが材料Ａよりも速い速度でエッチングされ、材料Ａが実質的に保護されることを示している。図２Ｄは、ビームが存在しない場合には、両方の材料のエッチング速度が非常に小さく、そのため、ビームがなければ材料Ａおよび材料Ｂが保護されることを示している。一実施形態では、材料Ａが窒化シリコンまたはシリコン、材料Ｂが二酸化シリコン、エッチング・ガスＥがＸｅＦ2、付着ガスＤがＣＨ3Ｉであり、二酸化シリコンが、窒化シリコンおよびシリコンに比べて選択的にエッチングされる。
【００２０】
競争反応の結果は、ガス流束およびビーム・エネルギー密度によって異なる。例えばガウス形のビームでは、ビームの中心における結果が、ビームの縁における結果とは異なることがある。優勢な反応をエッチングから付着へ切り替えるのに必要なしきい電流密度がある。当業者は、所望の材料を選択的にエッチングするガス流束とエネルギー密度の機能可能な組合せを経験的に決定することができる。さらに、当業者は、所望の材料選択性を得るガス流束比を決定することができる。バックグラウンド・ガスは一般に、集束ビーム、特に電子ビームの存在下で付着する可能性がある炭素を含むため、本発明の実施形態は、最小限のバックグラウンド・ガスを含むクリーン・システム内で実行されることが好ましい。
【００２１】
本発明の好ましい一用途は、半導体基板上の集積回路断面の層のデリニエーション（ｄｅｌｉｎｅａｔｉｏｎ）である。好ましい一実施形態は、選択エッチングを提供し、例えば窒化物層に比べて酸化物層を優先的にエッチングし、同時にシリコンおよびポリシリコン層を保護するガスの組合せを使用する電子ビーム誘起エッチング・プロセスを含む。電子ビームの使用は、「直接書込み（ｄｉｒｅｃｔ ｗｒｉｔｅ）」プロセスを提供する。すなわち、反応性イオン・エッチングなどの技法におけるウェーハ規模の処理とは対照的に、ビームを誘導した領域だけが処理される。
【００２２】
電子ビームは観察中の基板に対して生み出す変化がより少ないため、大部分のデコレーション用途では、イオン・ビーム処理よりも電子ビーム処理の方が好ましい。例えば、大部分のイオン・ビームは、観察中のフィーチャの縁を丸める傾向があり、またイオンを注入する可能性があり、このことが回路の電気特性に影響を及ぼすことがある。さらに、エッチングを誘起させるために電子ビームを使用すると、ユーザは、試料がエッチングされている最中に、試料の高分解能電子ビーム画像をリアル・タイムで観察することができる。この画像を観察するため、エッチングは、パターニング・モードではなく画像化モードを使用して実行されることが好ましい。次いでユーザは、層のデリニエーションが十分に達成されたことを観察したときに、プロセスを停止することができる。
【００２３】
好ましい一実施形態では、電子ビーム真空室内に２種類のガスが導入される。一方のガスはエッチングし、第２の補助ガスはエッチングを減弱させる。例えば、存在するある材料の表面に材料を付着させる反応によって、またはエッチング剤と反応しない化合物を形成することで表面を不動態化する反応によって、それらの材料のエッチングを抑制することができる。これらのガスは、競争するエッチング反応および付着反応に加わることができ、異なる露出面上では異なる反応が優先される。例えばガス流束およびビームの化学的性質を制御することによって、試料表面の異なるガスおよび吸着種の濃度を制御することができる。
【００２４】
本発明の好ましい一実施形態は、二酸化シリコンの電子ビーム誘起エッチングを可能にし、同時にシリコンのエッチングを抑制するため、ガス混合物を適切に配合することを含む。いくつかの実施形態では、ＸｅＦ2がエッチング剤として噴射される。シリコン、およびＸｅＦ2の攻撃によって影響を受ける可能性がある他の材料のエッチングを抑制し、同時に二酸化シリコンのエッチングを可能にするフルオロカーボン・ガスも噴射される。フルオロカーボンの流束は、二フッ化キセノンの流束よりもはるかに大きいことが好ましい。適当なフッ素−炭素比を達成するガス流束の比を選択することによって、絶縁体上での重合が抑制され、同時にシリコン上での重合が優先され、これにより、高い選択性およびパターン・デリニエーションが可能になる。このビーム誘起選択性は、ＩＣ層の明瞭なデリニエーションを提供し、同時に測定のためにポリシリコン・フィーチャを保護する手段を提供する。
【００２５】
これらの炭素含有ガスの電子ビーム誘起エッチング剤としての効率は低いため、ＸｅＦ2を使用しない場合、炭素含有ガスと電子ビームの反応の結果は実質的に炭素の付着だけとなろう。同じエッチング剤を使用したイオン・ビーム誘起エッチングに対してこれと同じことを言うことはできない。ＸｅＦ2だけを使用しても、層の明瞭な低損傷のデリニエーションは得られず、シリコン・フィーチャが過度に損傷する。
【００２６】
好ましい一実施形態では、１次反応が、ＳｉＯ2表面とＳｉ表面の両方からの揮発性のＳｉＦ4種を形成する。１次反応経路のいくつかは次の通りであると考えられる。
１．ＣＦ3Ｉ（ｇ）＋Ｓｉ（ｓ）＋ｅ-→Ｃ（ｓ）＋Ｓｉ（ｓ）＋３Ｆ（ｇ）＋Ｉ（ｇ） ［電子ビーム誘起炭素付着］
２．４ＣＦ3Ｉ（ｇ）＋３Ｓｉ（ｓ）＋ｅ-→３ＳｉＦ4（ｇ）＋４Ｃ（ｓ）＋４Ｉ（ｇ） ［競争的なシリコン・エッチングおよび付着］
３．２ＸｅＦ2（ｇ）＋Ｓｉ（ｓ）→２Ｘｅ（ｇ）＋ＳｉＦ4（ｇ） ［自発的シリコン・エッチング］
４．２ＸｅＦ2（ｇ）＋ＳｉＯ2＋ｅ-→２Ｘｅ（ｇ）＋ＳｉＦ4（ｇ）＋Ｏ2（ｇ） [電子ビーム誘起ＳｉＯ2エッチング］
図３は、処理前の集積回路断面の写真であり、図４は、本発明に基づく処理後の集積回路断面を示す。図４から分かるとおり、観察者は、異なる中間層、シリサイド、ポリシリコン・ゲートおよび窒化物障壁を区別することができる。補助ガス、この場合にはＣＦ3Ｉはさらに、攻撃的なＸｅＦ2による損傷からポリシリコンを守る。
【００２７】
エッチング現象に先立って、ＳｉＯ2表面からの酸素の脱離を刺激するのに電子ビームが必要であるため、電子ビームを使用しない場合、ＳｉＯ2は、ＸｅＦ2による自発的エッチングを受けない。酸素の脱離はほとんどの場合、律速事象である。ＸｅＦ2流束が非常に低い場合には、シリコン上への競争的炭素付着を利用することにより、シリコン表面にエッチング・ストップ炭素層を重合させることが可能である。しかしながら、フルオロカーボン・ガスは、電子ビームとともに使用するエッチング剤ガスとしての効率が、電子誘起エッチングを単独で可能にするには十分でないため、ある濃度のＸｅＦ2が存在することが好ましい。ＳｉＯ2中の酸素の存在は、下記の反応により、炭素重合プロセスを最小化し、
５．ＳｉＯ2（ｓ）＋ＣＦ3Ｉ（ｇ）＋ｅ-→Ｓｉ（ｓ）＋３Ｆ（ｇ）＋Ｉ（ｇ）＋ＣＯ2（ｇ）
それにより保護炭素層の形成を妨げ、ＳｉＯ2をエッチングすることを可能にする。
【００２８】
炭素前駆体の追加は、ＳｉＯ2のエッチングを減速させるが、Ｓｉのエッチングをよりいっそう減速させる。ＣＦ3Ｉからの付着は、ＸｅＦ2による炭素のエッチング・プロセスをわずかに凌駕し、そのため、シリコンを保護する炭素層が残る。いくつかの実施形態ではそれでもＳｉがエッチングされるが、そのエッチング速度は、層のデリニエーションを達成するためにＳｉＯ2をエッチングするのに必要な時間の間の重大な損傷を防ぐには十分に低い。酸化シリコン上では、２つの過程が炭素をエッチングし、そのため炭素は迅速に除去され、その下のＳｉＯ2をエッチングすることも可能にする。シリコン・エッチングは、ＳｉＯ2エッチングに比べて遅く、実質的に停止し、ＳｉＯ2は、炭素付着反応を凌駕する２つのエッチング反応を受けるため、ＳｉＯ2はエッチングされ続ける。断面の誘電層間の界面を可視化するためには約１０または２０ｎｍだけを除去すればよい。
【００２９】
エッチング速度が低下すると選択性は向上する傾向がある。エッチング速度が遅いとプロセス制御は改善するが、処理時間が増大する。一実施形態において、本出願の出願人は、エッチング中の領域を電子ビームを使用して観察し、約３０分後、層を見ることができた。前述の実施形態は二酸化シリコンをエッチングし、シリコンのエッチングを抑制するが、所望の材料をエッチングし、エッチングが望ましくない領域を保護するエッチング剤および補助ガスを選択することによって、本発明を他の用途に応用することもできる。
【００３０】
反応性イオン・エッチングの全体エッチングとは対照的に、電子ビームは局所的なエッチングを可能にし、制御可能な他の反応成分である電子束を導入する。
【００３１】
多種多様なガスを使用して本発明を実現することができる。本出願の出願人は、ＳｉＯ2とＳｉＮの間の界面を可視化し、Ｓｉを保護する目的に、ＣＦ4とＸｅＦ2の組合せが使用可能であることを示した。他のハロカーボン・ガス、特に他のフルオロカーボンを、さまざまな炭素濃度で使用することができる。塩素ガス混合物も、シリコンの存在下で二酸化シリコンをエッチングするのに有用なことがある。より長い炭素鎖はより効率的に付着し、一般により高い速度で付着し、その結果、それぞれのガス中のより多くの炭素が、エッチングよりも炭素付着を優先するため、単一の炭素を有する分子が好ましい。同様のプロセスが硫黄フッ化物の使用を含むこともできる。
【００３２】
好ましい実施形態を電子ビームに関して説明したが、液体金属イオン源からのガリウム・イオン・ビーム、プラズマ・イオン源からの不活性ガス・イオンなどの他のイオンのビームのような集束イオン・ビームを使用して、本発明を実現することもできる。このようなプラズマ源は例えば、本発明の譲受人に譲渡された「Ｍａｇｎｅｔｉｃａｌｌｙ Ｅｎｈａｎｃｅｄ，Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ，Ｐｌａｓｍａ Ｓｏｕｒｃｅ ｆｏｒ ａ Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ」という名称の米国特許第７，２４１，３６１号に記載されている。イオン・ビームが使用される場合には一般に、基板に対する損傷がより多くなることを当業者は理解するであろう。さらに、イオンが表面に注入され、回路の電気特性に影響を及ぼす可能性がある。例えば、ガリウムは、シリコン中でｐ型ドーパントとして機能する。水素イオンなどの軽イオンのビームが起こす損傷はより軽度で、回路に対する電気的効果をほとんどまたは全く持たない。他の実施形態は、中性ビーム、レーザまたは反応性種のビームを使用することもできる。例えば吸着ガスとの反応を誘起させる２次電子を生成することによって、あるいはガスまたは基板中に光化学電荷を生成することによって、ガス中で反応を開始する任意のビームを使用することができる。
【００３３】
ビーム中の電子のエネルギーは決定的に重要なものではなく、例えば１００ｅＶから１００ｋｅＶとすることができるが、反応を開始させる際の１次ビーム電子の効率はビーム・エネルギーとともに変化する。ビーム中の電子は５００ｅＶ超のエネルギーを有することが好ましい。電子は、運動量移行過程（ｍｏｍｅｎｔｕｍ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｐｒｏｃｅｓｓ）を使用してエッチングしないため、ＸｅＦ2のような強力な酸化剤を電子ビームとともに使用することが好ましい。ビームは、より効率的な処理のために高い電流密度および低いエネルギーを有するべきである。一実施形態は、約３ナノアンペアのビーム電流を有する２ｋＶビームを使用する。
【００３４】
ＸｅＦ2は強力な酸化剤であるため、試料の近くの濃度は比較的に低くすべきだが、表面におけるＣＨ3Ｉなどの補助ガスの濃度はより高いことが好ましい。所望のガス流束を達成する１つの方法は、表面の近くに補助ガスを導入し、表面からより遠い位置にＸｅＦ2を導入する方法である。一実施形態では、２つの別個のガス噴射システム源が使用される。ＸｅＦ2源は、試料から約１と１／２インチの距離に引っ込んでおり、ＸｅＦ2ガスは、サイドアームを備えた挿入されたＧＩＳ上のフィードを通して外部へ供給される。第２のガス噴射システムの噴射針は、表面から約１００ミクロンのところに挿入される。噴射針は表面の圧力を著しく高める結果になるが、両システムは、それぞれの周囲の室の圧力が約１０-5ミリバールであるように設定され、この圧力に噴射針の存在は影響しない。その結果、補助ガス流束は一般に、エッチング・ガスよりも数桁高い。他の実施形態では、単一のＸｅＦ2 ＧＩＳ上で２先端針が使用され、ＸｅＦ2用に、（実質的に引っ込んだ）非常に短いノズルが用いられ、フルオロカーボン用に標準長のノズルが用いられる。他の実施形態では、外側のシース（ｓｈｅａｔｈ）が内側の管よりも短い同軸型の針にガスを注入することができる。エッチング・ガスは外側のシースを通して流され、付着ガスは内側の管を通して流される。より短い外側の管のエッチング・ガス流束は、より長く、より近くまで誘導された内側の付着ガス管よりも低くなる。
【００３５】
前述の実施形態は、ＸｅＦ2環境における自発的シリコン・エッチングを抑制しまたは減弱させる方法を提供する。このような方法は、誘電層のデリニエーション以外の用途でも有用である。例えば、本発明の他の用途は、回路または他の構造の層を除去してその下の層を露出させる「デプロセッシング（ｄｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）」である。デプロセッシングは例えば、埋没した欠陥を露出させるために使用される。最初に、ユーザは一般に、集束イオン・ビームを使用して、欠陥領域を覆っている材料の大部分を除去する。次いで、上述したような「穏やかな」電子ビーム・プロセスを使用して、酸化物層だけを選択的にエッチングし、その下の層を保持することができる。例えば、前述のとおりに、電子ビームを基板に向かって誘導することができ、同時にＸｅＦ2およびＣＦ3Ｉも基板に向かって誘導する。酸化物層を除去し、その下のシリコン層を観察のために露出させる。このシリコン層は実質的に損傷を受けない。
【００３６】
本発明の他の用途は、「回路編集（ｃｉｒｃｕｉｔ ｅｄｉｔ）」プロセスであり、このプロセスでは、例えば、将来の回路の製造プロセスを変更する前に、提案された変更が設計上の問題点を修正するかどうかを判定するために、導体および絶縁体を切断しまたは付着させて集積回路を「配線し直す」。回路編集プロセスでは、過剰な二酸化シリコンを除去することが望ましいことが時々ある。これは現在、非選択的ＸｅＦ2電子ビーム・エッチング・プロセスを使用して実施されている。エッチング剤ガスおよび補助ガスを基板に向かって誘導し、電子ビームをエッチングする領域に向かって誘導する前述の実施形態を使用して、露出したシリコンを保存し、シリコンが自発的にエッチングされることを防ぐことができる。
【００３７】
本発明の他の用途では、ドーパント・プロファイル（ｄｏｐａｎｔ ｐｒｏｆｉｌｅ）に基づいて選択的にエッチングするガスまたはガスの組合せを選択することができる。例えば、一実施形態では、そのドーパントによって触媒される反応によってシリコンを自発的にエッチングするＣＨ3Ｃｌ（塩化メチル）を使用することができる。このエッチング反応は高ドーパント濃度の領域でより強いため、それらの領域が選択的にエッチングされることになり、一方、より低ドーパント濃度の領域では、競争反応の炭素付着を優勢にすることができる。ドーパント・プロファイルに基づく選択的エッチングに使用することができる他のガスには、ヨウ化メチル、臭化メチル、塩化メチルおよびそれらのエチル類似体が含まれる。ｐ型およびｎ型ドーパントは一般に異なる速度で反応を触媒し、この異なる速度を利用して、ドーパント・プロファイルに基づいて優先的にエッチングする競争反応系を設計することができる。このような一実施形態では、電子ビームが、異なるドーパント濃度の領域を有する基板に誘導される。ＣＨ3Ｃｌなどのエッチング剤ガスも基板に向かって誘導される。電子ビームは、より高ドーパント濃度の領域でＣＨ3Ｃｌとの反応を誘起させ、一方、より低ドーパント濃度の領域ではより小さな反応が起こり、それによりドーパント濃度に基づく選択エッチングが達成される。このような実施形態では補助ガスが必要ないことがある。
【００３８】
他の用途では、透過電子顕微鏡で見るための準備として、本発明を使用して試料を薄化することができる。例えば、試料は異なる材料の層からなることがある。本発明に基づくエッチング・プロセスを使用して、試料を所望の厚さに残して層が除去された時点で止める、選択的な層の除去に用いることができる。例えば、試料は、シリコン層および酸化物層を含むことができる。ＸｅＦ2などのエッチング剤ガスおよびＣＦ3Ｉなどの補助ガスの存在下で、電子ビームを試料に向かって誘導する。酸化物層はエッチングによって除去され、このエッチング・プロセスは、シリコン層に到達したときに実質的に停止し、シリコン層まで薄化された試料を残す。他の実施形態では、窒化物材料などの第１の材料の膜上に、物質を付着させることができる。次いでこの窒化物膜をエッチングによって選択的に除去し、透過電子顕微鏡で見るため、付着させた材料だけを残すことができる。
【００３９】
ガリウム集束イオン・ビームでミリングすると、注入されたガリウムが、基板材料とガスの間の反応に影響を及ぼすことがある。ガリウム・ビームを使用してミリングされた一般的な断面では、断面のガリウムの濃度が比較的に高い。ガリウム液体金属イオン・ビームを使用するときに断面にデコレーションを実施するためには一般に、ＸｅＦ2が使用される。イオン・プラズマ源が使用され、集束イオン・ビームが例えば不活性ガス・イオンからなるときには、直鎖フッ素化炭化水素または塩素化炭化水素、あるいはフッ素化された硫黄含有化合物を、ＸｅＦ2などの強力なエッチング剤なしで使用すると、試料が選択的にエッチングされ、所望の結果が得られることがある。
【００４０】
図６Ａおよび６Ｂは、一組の所与のビーム条件およびフロー・ジオメトリ（ｆｌｏｗ ｇｅｏｍｅｔｒｙ）での酸化物および窒化物のエッチング速度ならびにエッチング選択性（窒化物のエッチング速度を酸化物のエッチング速度で割ったもの）を、ＣＦ3Ｉ（図６Ａ）およびＣＦ4（図６Ｂ）補助ガスに関して示したグラフである。必要な選択性、すなわちエッチング速度の比は用途によって異なる。非常に少量の材料だけを除去し、両方の材料のエッチング速度が比較的に低いデコレーション用途では、比較的に低い選択性が許容される。より多くの材料を除去するときには、より高い選択性が好ましい。エッチングの選択性は１．１超、より好ましくは１．２超、さらには１．５超であることが好ましい。いくつかの用途では、２または３超のエッチング速度選択性が好ましい。競争する付着反応とエッチング反応とに関して説明したが、いくつかの実施形態は、表面に材料を付着させる代わりに表面を不動態化することができる。
【００４１】
図５は、垂直に取り付けられたＳＥＭカラムと、垂直線から約５２度の角度で取り付けられた集束イオン・ビーム（ＦＩＢ）カラムとを備える、本発明を実施するのに適した一般的なデュアル・ビーム・システム５１０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ＦＥＩ Ｃｏｍｐａｎｙ社（米オレゴン州Ｈｉｌｌｓｂｏｒｏ）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によって実現されることに限定されない。
【００４２】
デュアル・ビーム・システム５１０は、走査型電子顕微鏡５４１および電源／制御ユニット５４５を備える。カソード５５２とアノード５５４の間に電圧を印加することによって、カソード５５２から電子ビーム５４３が放出される。電子ビーム５４３は、コンデンサ・レンズ５５６および対物レンズ５５８によって微細なスポットに集束する。電子ビーム５４３は、偏向コイル５６０によって、試料を２次元走査する。コンデンサ・レンズ５５６、対物レンズ５５８および偏向コイル５６０の動作は、電源／制御ユニット５４５によって制御される。
【００４３】
電子ビーム５４３を、下部チャンバ５２６内の可動Ｘ−Ｙステージ５２５上にある基板５２２上に集束させることができる。電子ビーム中の電子が基板５２２に衝突すると、２次電子が放出される。これらの２次電子は、後に論じる２次電子検出器５４０によって検出される。ＴＥＭ試料ホルダ５２４およびステージ５２５の下に位置するＳＴＥＭ検出器５６２は、上述したようにＴＥＭ試料ホルダ上に装着された試料を透過した電子を集めることができる。
【００４４】
デュアル・ビーム・システム５１０はさらに、集束イオン・ビーム（ＦＩＢ）システム５１１を含み、ＦＩＢシステム５１１は、上ネック部分５１２を有する排気されたチャンバを備え、上ネック部分５１２内にはイオン源５１４および集束カラム５１６が位置し、集束カラム５１６は引き出し電極および静電光学系を含む。集束カラム５１６の軸は、電子カラムの軸から５２度傾いている。イオン・カラム５１２は、イオン源５１４、引き出し電極５１５、集束要素５１７、偏向要素５２０および集束イオン・ビーム５１８を含む。イオン・ビーム５１８は、イオン源５１４から、カラム５１６内および概略的に５２０で示された静電偏向手段間を通り、基板５２２に向かって進む。基板５２２は、例えば下部チャンバ５２６内の可動Ｘ−Ｙステージ５２５上に配置された半導体デバイスを含む。
【００４５】
ステージ５２５はまた、半導体デバイスから試料を抜き取り、ＴＥＭ試料ホルダまで移動させることができるように１つまたは複数のＴＥＭ試料ホルダ５２４を支持することができる。ステージ５２５は、水平面（ＸおよびＹ軸）内を移動することができ、さらに垂直に（Ｚ軸）移動できることが好ましい。ステージ５２５はさらに約６０度傾けることができ、Ｚ軸の周りを回転することができる。いくつかの実施形態では、別個のＴＥＭ試料ステージ（図示せず）を使用してもよい。このようなＴＥＭ試料ステージもＸ、ＹおよびＺ軸に沿って可動であることが好ましい。扉５６１は、基板５２２をＸ−Ｙステージ５２５上に挿入するため、さらには、内部ガス供給リザーバが用いられる場合にはそれを保守するために開かれる。システムが真空下にある場合に開けることができないように、扉はインタロックされる。
【００４６】
ネック部分５１２から排気するためにイオン・ポンプ５６８が使用される。チャンバ５２６は、真空コントローラ５３２の制御下にあるターボ分子・機械ポンピング・システム５３０によって排気される。この真空システムは、チャンバ５２６内において、約１×１０-7トルから５×１０-4トルの真空を提供する。エッチング支援ガス、エッチング遅延ガスまたは付着前駆体ガスが使用される場合、チャンバのバックグラウンド圧力は、一般に約１×１０-5トルまで上昇することがある。
【００４７】
イオン・ビーム５１８にエネルギーを付与し、イオン・ビーム５１８を集束させるため、高圧電源が、イオン・ビーム集束カラム５１６内の電極に適当な加速電圧を印加する。イオン・ビーム５１８が基板５２２に衝突すると、試料から材料がスパッタリングされる、すなわち物理的に放出される。あるいは、イオン・ビーム５１８は、前駆体ガスを分解して材料を付着させることができる。
【００４８】
約１ｋｅＶから６０ｋｅＶのイオン・ビーム５１８を形成し、それを試料に向かって誘導するため、高圧電源５３４は、液体金属イオン源５１４とイオン・ビーム集束カラム５１６内の適当な電極とに接続される。パターン発生器５３８によって提供される規定のパターンに従って動作する偏向コントローラ・増幅器５３６が、偏向板５２０に結合され、それによってイオン・ビーム５１８を、基板５２２の上面の対応するパターンをトレースするように手動または自動で制御することができる。当技術分野ではよく知られているように、いくつかのシステムでは、これらの偏向板が最後のレンズの前に置かれる。ブランキング・コントローラ（図示せず）が、イオン・ビーム集束カラム５１６内のビーム・ブランキング電極（図示せず）にブランキング電圧を印加すると、ブランキング電極は、イオン・ビーム５１８を、基板５２２ではなくブランキング・アパーチャ（図示せず）に衝突させる。
【００４９】
液体金属イオン源５１４は一般にガリウムの金属イオン・ビームを提供する。この源は一般に、イオン・ミリング、強化エッチング、材料付着によって基板５２２を改変するために、あるいは基板５２２を画像化する目的で、基板５２２において幅１／１０マイクロメートル未満のビームに集束することができる。
【００５０】
２次イオンまたは２次電子の放出を検出するために使用されるＥｖｅｒｈａｒｔ Ｔｈｏｒｎｌｅｙやマルチチャネル・プレートなどの荷電粒子検出器５４０がビデオ回路５４２に接続され、ビデオ回路５４２はビデオ・モニタ５４４に駆動信号を供給し、ビデオ・モニタ５４４はコントローラ５１９から偏向信号を受け取る。下部チャンバ５２６内の荷電粒子検出器５４０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５４０をイオン・ビームと同軸とし、荷電粒子検出器５４０が、イオン・ビームを通過させる孔を含んでもよい。他の実施形態では、最後のレンズを通して２次粒子を集め、次いでそれらの２次粒子を軸から変更させて収集することができる。
【００５１】
Ｏｍｎｉｐｒｏｂｅ，Ｉｎｃ．社（米テキサス州Ｄａｌｌａｓ）のＡｕｔｏＰｒｏｂｅ ２００（商標）、Ｋｌｅｉｎｄｉｅｋ Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｉｋ社（ドイツＲｅｕｔｌｉｎｇｅｎ）のＭｏｄｅｌ ＭＭ３Ａなどのマイクロマニピュレータ５４７は、真空室内の物体を精密に移動させることができる。真空室内に位置する部分５４９のＸ、Ｙ、Ｚおよびθ制御を提供するため、マイクロマニピュレータ５４７は、真空室の外側に置かれた精密電動機５４８を備えることができる。マイクロマニピュレータ５４７には、小さな物体を操作するさまざまなエンド・エフェクタを取り付けることができる。本明細書に記載された実施形態では、エンド・エフェクタが細いプローブ５５０である。
【００５２】
ガス蒸気を導入し、基板５２２に向かって誘導するガス送達システム５４６が下部チャンバ５２６内へ延びる。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号は適当なガス送達システム５４６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」のいう名称の米国特許第５，４３５，８５０号に記載されている。例えば、ヨウ素を送達してエッチングを強化することができ、または金属有機化合物を送達して金属を付着させることができる。
【００５３】
システム・コントローラ５１９は、デュアル・ビーム・システム５１０のさまざまな部分の動作を制御する。システム・コントローラ５１９を介して、ユーザは、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、イオン・ビーム５１８または電子ビーム５４３を、希望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５１９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５１０を制御することができる。いくつかの実施形態では、デュアル・ビーム・システム５１０が、Ｃｏｇｎｅｘ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ社（米マサチューセッツ州Ｎａｔｉｃｋ）から市販されているソフトウェアなど、関心の領域を自動的に識別する画像認識ソフトウェアを含み、本発明に従って試料を手動または自動で抽出することができる。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フィーチャの位置を自動的に突き止め、異なる（または同じ）デバイス上のそれらのフィーチャの試料を抽出することができる。
【００５４】
以上の説明では、用語「エッチング前駆体」および「付着前駆体」を使用したが、多くの前駆体が、そのガス流束およびビーム密度によって、エッチングし、または付着することができることを当業者は認識するであろう。
【００５５】
集積回路の断面において、酸化物材料と窒化物材料の間の界面を可視化するする方法の好ましい実施形態は、
・集束イオン・ビーム・マイクロマシニングによって集積回路の断面を露出させるステップと、
・露出させた断面に向かって電子ビームを誘導するステップと、
・露出させた断面に向かって第１のガスおよび第２のガスを誘導するステップであって、第１のガスが、電子ビームの存在下で反応して、断面の第１の材料をエッチングし、第２のガスが、断面の第２の材料のエッチングを抑制するステップと
を含む。
【００５６】
集束ビームを使用して、第１の材料を、第２の材料に比べて選択的にエッチングする方法の好ましい実施形態は、
・集束ビームを基板に向かって誘導するステップと、
・基板に向かって第１のガスを誘導するステップであって、第１のガスが、集束ビームの存在下で反応して、第１の材料をエッチングするステップと、
・基板に向かって第２のガスを誘導するステップであって、第２のガスが、第２の材料のエッチングを、第１の材料のエッチングに比べて抑制するステップと
を含む。
【００５７】
集束ビームを使用して、基板上の第１の材料を、基板上の第２の材料に比べて選択的にエッチングする方法の好ましい実施形態は、
・基板に向かって集束ビームを誘導するステップと、
・基板に向かって第１のガスおよび第２のガスを誘導するステップであって、集束ビームが、第１および第２のガスと基板中の第１および第２の材料との間の競争反応を開始させ、これらの競争反応が、第１の材料を、第２の材料のエッチングよりも速い速度でエッチングするステップと
を含む。
【００５８】
本発明の好ましい実施形態によれば、
・第１の材料は酸素とシリコンとの化合物を含み、
・第２の材料は窒素とシリコンとの化合物を含み、
・第１のガスはハロゲン化合物を含み、
・第２のガスは炭素化合物を含む。
【００５９】
本発明の好ましい実施形態によれば、第１のガスは二フッ化キセノンを含むことができる。本発明の好ましい実施形態によれば、基板に向かって第１のガスを誘導するステップは、基板に向かってフッ素化合物を誘導するステップを含み、基板に向かって第２のガスを誘導するステップは、基板に向かって炭素含有化合物を誘導するステップを含む。基板に向かって炭素含有化合物を誘導するステップは、ＣＦ3ＩまたはＣＦ4を含む、フッ素と炭素とを含む化合物を誘導するステップを含むことができる。基板に向かって第２のガスを誘導するステップは、基板に向かって炭化水素ガスを誘導するステップを含む。
【００６０】
本発明の好ましい実施形態によれば、基板に向かって第２のガスを誘導するステップは、基板に向かって炭化水素を含むガスを誘導するステップを含む。基板に向かって炭化水素を含むガスを誘導するステップは、メタンまたはヨードメタンを含むガスを誘導するステップを含むことができる。第２のガスは、ＣＦ3ＩまたはＣＦ4を含む、炭素とハロゲンとを含む化合物を含むことができる。
【００６１】
本発明の好ましい実施形態によれば、基板に向かって第２のガスを誘導するステップであって、第２のガスが、第２の材料のエッチングを、第１の材料のエッチングに比べて抑制するステップは、第１のガスと組み合わさって、第１の材料のエッチング速度を、第２の材料のエッチング速度よりも少なくとも１０パーセント速める第２のガスを誘導するステップを含む。第１の材料は、第２の材料のエッチング速度の１．５倍よりも速い速度でエッチングされることが好ましい。
【００６２】
本発明の好ましい実施形態によれば、基板に向かって第２のガスを誘導するステップは、第２の材料のエッチングを、第１の材料のエッチングに比べて低減させるために、集束ビームの存在下で反応して、第２の材料上に物質を付着させる第２のガスを誘導するステップを含むことができる。基板に向かって第２のガスを誘導するステップはさらに、付着係数および滞留時間を有する第２のガスを第２の材料上に誘導するステップであって、付着係数および滞留時間が、第１のガスの分子の第２の材料への付着を低減させ、それによって第２の材料のエッチングを抑制するのに十分であるステップを含むことができる。
【００６３】
本発明の好ましい実施形態によれば、基板に向かって集束ビームを誘導するステップは、基板に向かって、レーザ・ビーム、荷電粒子ビームまたは中性原子ビームを誘導するステップを含む。基板に向かって集束ビームを誘導するステップはさらに、基板に向かって集束イオン・ビームを誘導するステップを含むことができ、基板に向かって電子ビームを誘導するステップを含むことができる。
【００６４】
本発明の好ましい実施形態によれば、基板に向かって第１のガスを誘導するステップは、基板に向かってフッ素化合物を誘導するステップを含み、基板に向かって第２のガスを誘導するステップは、基板に向かって炭素含有化合物を誘導するステップを含む。基板に向かって炭素含有化合物を誘導するステップは、ＣＦ3ＩまたはＣＦ4を含む、フッ素と炭素とを含む化合物を誘導するステップを含むことができる。基板に向かって第２のガスを誘導するステップは、基板に向かって炭化水素ガスを誘導するステップを含む。
【００６５】
第１のドーパント濃度を有する第１の領域と、第２のドーパント濃度を有する第２の領域とを含む基板を選択的にエッチングする方法の好ましい実施形態は、
・基板に向かって電子ビームを誘導するステップと、
・基板にガスを供給するステップであって、電子ビームが、ガスと基板材料の間の反応を開始させ、この反応が、第１の領域のエッチング速度が第２の領域のエッチング速度よりも速くなるようなドーパント濃度に依存するステップと
を含む。
【００６６】
本発明の好ましい実施形態によれば、上記の反応にドーパント濃度によって大きな変化を生じさせる。供給されるガスはＣＨ3Ｃｌを含むことができる。
【００６７】
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、さまざまな変更、置換および改変を実施することができることを理解されたい。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。
【符号の説明】
【００６８】
５１０ デュアル・ビーム・システム
５１１ 集束イオン・ビーム（ＦＩＢ）システム
５１２ 上ネック部分
５１４ イオン源
５１５ 引き出し電極
５１６ 集束カラム
５１７ 集束要素
５１８ 集束イオン・ビーム
５１９ システム・コントローラ
５２０ 偏向要素
５２２ 基板
５２４ ＴＥＭ試料ホルダ
５２５ ステージ
５２６ 下部チャンバ
５３０ ターボ分子／機械ポンピング・システム
５３２ 真空コントローラ
５３４ 高圧電源
５３６ 偏向コントローラ／増幅器
５３８ パターン発生器
５４１ 走査型電子顕微鏡
５４２ ビデオ回路
５４３ 電子ビーム
５４４ ビデオ・モニタ
５４５ 電源／制御ユニット
５４６ ガス送達システム
５４７ マイクロマニピュレータ
５４８ 精密電動機
５４９ マイクロマニピュレータの部分
５５０ プローブ
５５２ カソード
５５４ アノード
５５６ コンデンサ・レンズ
５５８ 対物レンズ
５６０ 偏向コイル
５６１ 扉
５６２ ＳＴＥＭ検出器
５６８ イオン・ポンプ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、集束ビームを使用した選択エッチングに関し、特に、多層構造の断面の電子ビーム画像化に適用可能である。
【背景技術】
【０００２】
最新の集積回路は一般に、半導体基板上に形成された金属、半導体、絶縁体などの材料の複数の層からなる。半導体製造における製造プロセスの特性を評価し、または製造プロセスの問題を調査するため、プロセス技術者はしばしば、集束イオン・ビームを使用して集積回路の断面を切削し、次いで走査型電子顕微鏡を使用してその断面の層の縁を調べる。例えば、プロセス技術者は、ポリシリコン・ゲート、アモルファス・シリコンならびにさまざまな誘電体および障壁材料などの集積回路フィーチャを観察し、層の厚さおよび均一性を測定するために断面を切削することがある。
【０００３】
走査型電子顕微鏡は、表面にわたってビームを走査したときにその表面から放出される２次電子を集めることによって画像を形成する。その画像のそれぞれの点の明るさは、その表面の対応する点から集められた２次電子の数（または他の電子信号）に比例する。それぞれの点で放出される２次電子の数は、材料のタイプおよびトポグラフィに依存する。多くの異なるタイプの材料が入射電子１つあたり異なる数の２次電子を放出するため、例えば金属層と酸化物層の間の境界を観察することは容易である。酸化物と窒化物などいくつかの類似の材料は、１次電子１つに対してほぼ同じ数の２次電子を放出し、そのため、電子ビーム画像中のそれらの材料間の境界はしばしば明白でない。
【０００４】
界面を可視化する１つの方法は、界面の領域を選択的にエッチングすることである。一方の材料がもう一方の材料よりも速くエッチングされる場合、その界面ではトポグラフィが変化し、画像中でその界面を見ることができる。フィーチャをより見やすくするために工作物を処理することは「デコレーション（ｄｅｃｏｒａｔｉｏｎ）」と呼ばれている。本発明の譲受人による１つのデコレーション・プロセスは、ｄｅｌｉｎｅａｔｉｏｎ ｅｔｃｈ（商標）プロセスと呼ばれ、フッ素化炭化水素２，２，２−トリフルオロアセトアミドの蒸気を使用した化学支援型集束イオン・ビーム・エッチングを含む。界面を可視化するときには、プロセス技術者が工作物の正確な写真を得るように、構造をできるだけ変化させないことが望ましい。したがって、プロセス技術者がデコレーション・プロセスを精密に制御することを可能にするため、非常に低いエッチング速度が望ましい。
【０００５】
集積回路のフィーチャ・サイズが小さくなるにつれ、イオン・スパッタリングによって生じる試料に対する固有の損傷が、許容できない測定誤差を導入することがある。イオン・ビームの代わりに電子ビームを使用してデコレーションが実行されるときには、スパッタリングによる物理的な損傷は排除される。電子ビーム誘起反応では運動量の移動がごくわずかであるため、電子ビームは一般に、エッチング剤前駆体ガスが存在する場合にしかエッチングしない。
【０００６】
真空室内のバックグラウンド・ガスはしばしば炭素を含み、電子ビーム処理中に炭素を付着させる。電子ビーム誘起エッチングはバックグラウンド・ガスによる電子ビーム誘起付着を凌駕しなければならず、そうでない場合にはエッチングは起こらない。その攻撃的なフッ素化特性のため、シリコン含有材料および高融点金属をエッチングする目的に、しばしば二フッ化キセノン（ＸｅＦ2）が電子ビームとともに使用される。残念なことに、ＸｅＦ2は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）の電子ビーム誘起エッチングよりも速い速度でシリコンを自発的にエッチングする。したがって、露出したシリコンの存在下でＳｉＯ2をエッチングしようとすると、このガスは、所望のエッチングよりも多くの意図しない損傷を生み出す。さらに、異なるタイプの誘電体層間の電子ビーム・エッチングによって生み出されるデコレーションは、大部分の用途に対して不十分である。例えば、ＸｅＦ2を用いた電子ビーム・エッチングは、窒化物層と酸化物層を同様の速度でエッチングし、そのため、観察者は、それらの層間の境界を容易には観察できない。さらに、ビーム誘起選択性が認められる場合であっても、全体の速度が速すぎて、エッチングの深さを適切に制御することができないことがある。この点をさらに例示するため、デコレーションを実施する試料として、酸化物中に埋め込まれた非常に微細な窒化物フィーチャを考える。この場合には、（フィーチャ・サイズが小さいため）窒化物を非常に穏やかにエッチングし、一方で周囲の酸化物をより迅速に除去することが好ましいであろう。反対に、この状況が逆になり、より高い窒化物エッチング速度が好ましいこともある。これらのタイプのケースでは、所望の材料に対する選択性を提供することができる特定の化学的性質を有することが非常に望ましい。他のタイプの使用例は、デコレーションを実施する関心領域において保存すべき露出した（ポリ、非晶質または単結晶）シリコンがある場合である。この場合、シリコン・エッチングはほぼ単独で自発的に生じ、したがって、このケースでは、修正されたビーム誘起エッチング速度とは対照的に、自発的なエッチングをより抑制する必要がある。この場合も、上記の全てが可能な化学的性質が非常に望ましい。
【０００７】
半導体製造において使用される他のプロセスが反応性イオン・エッチングである。反応性イオン・エッチングでは、ウェーハがプラズマ室内に置かれ、プラズマは、ガスの反応性を増大させることを狙いとするイオン、遊離基（ｒａｄｉｃａｌｓ）および中性粒子（ｎｅｕｔｒａｌｓ）からなる。反応性イオンは、ウェーハ表面に向かって加速され、化学的過程と運動量移動過程の両方によって反応する。反応性イオン・エッチングはウェーハの表面全体で起こる。反応性イオンは集束しないが、プラズマ内の至るところで生み出され、試料に向かって加速される。この反応は、ガス種を制御することによって制御することができ、その一部は基板上に付着し、一部は基板をエッチングする。
【０００８】
ビームの操作および基板上の材料のタイプによって制御され、イオン誘起スパッタリングなどの物理的なプロセスによってあまり変化しないようなエッチングを、集束ビームを使用することによって、基板の小領域において選択的に誘起させる方法が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許第７，２４１，３６１号
【特許文献２】米国特許第５，８５１，４１３号
【特許文献３】米国特許第５，４３５，８５０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、基板上の材料を集束ビームを使用して選択的にエッチングする改良型の方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、電子ビーム、イオン・ビーム、中性粒子ビーム、レーザ・ビームなどの集束ビームを使用して基板上の材料を選択的にエッチングする方法および装置を提供する。好ましくは、ビーム誘起反応と自発反応の両方の競争反応が、第１の材料のエッチングを、基板上に存在する１種または数種の他の材料のエッチングよりも優先し、それによって第１の材料をエッチングし、一方で前記１種または数種の他の材料を保持することを可能にする。いくつかの実施形態では、これらの競争反応が、他の材料のうちの１種または数種の材料上での付着をわずかに優先する。本発明は、異なる材料の層の断面に対して電子ビーム誘起デリニエーションを実施し、同時に工作物の他のフィーチャを維持するのに特に有用である。
【００１２】
以上では、以下の本発明の詳細な説明をより理解できるように、本発明の特徴および技術上の利点をかなり広く概説した。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、本発明の同じ目的を達成する他の構造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されたい。さらに、このような等価の構造は、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されたい。
【００１３】
次に、本発明および本発明の利点のより徹底的な理解のため、添付図面に関して書かれた以下の説明を参照する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態の好ましいステップを示す流れ図である。
【図２Ａ】２つの材料からなる組織の相対的なエッチング速度を定性的に（目盛なしで）示す図であり、エッチング剤前駆体ガスの存在下での２種類の材料の相対的な自発エッチング速度を示す図である。
【図２Ｂ】２つの材料からなる組織の相対的なエッチング速度を定性的に（目盛なしで）示す図であり、エッチング剤前駆体ガスの存在下での２種類の材料の相対的な電子ビーム誘起エッチング速度を示す図である。
【図２Ｃ】２つの材料からなる組織の相対的なエッチング速度を定性的に（目盛なしで）示す図であり、エッチング剤前駆体ガスの存在下での２種類の材料の相対的な電子ビーム誘起エッチング速度を示す図である。
【図２Ｄ】２つの材料からなる組織の相対的なエッチング速度を定性的に（目盛なしで）示す図であり、エッチング剤前駆体ガスおよび補助ガスの存在下での２種類の材料の相対的な電子ビーム誘起エッチング速度を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態に従って試料を処理する前の集積回路の断面を示す顕微鏡写真である。
【図４】本発明の一実施形態に従って試料を処理した結果を示す顕微鏡写真である。
【図５】イオン・ビーム・カラムおよび電子ビーム・カラムを含む、本発明の実施に有用なデュアル・ビーム・システムを概略的に示す図である。
【図６Ａ】一組の所与のビーム条件／フロー・ジオメトリでのエッチング速度および選択性を、ＣＦ3Ｉ（図６Ａ）補助ガスに関して示すグラフである。
【図６Ｂ】一組の所与のビーム条件／フロー・ジオメトリでのエッチング速度および選択性を、ＣＦ4（図６Ｂ）補助ガスに関して示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の実施形態は、電子ビーム、イオン・ビーム、中性粒子ビーム、レーザ・ビームなどの集束ビームを使用して基板上の材料を選択的に処理する方法および装置を提供する。微細集束ビームの使用は、ユーザが、処理する領域を精密に制御することを可能にする。例えば、最新の電子ビームは、数ナノメートルのスポット・サイズに集束させることができ、ナノメートルからミリメートル程度の領域全体を走査することができる。基板は一般に、電子ビーム処理の間、前駆体ガスまたはビームに対して露出する複数の材料を有する。好ましい一実施形態では、自発反応とビーム誘起反応の両方の競争反応が、第１の材料のエッチングを、１種または数種の露出した他の材料のエッチングよりも優先する。したがって、それらの実施形態は、第１の材料を優先的にエッチングし、同時に、露出した他の材料を維持し、またはそれらの材料に対する損傷を最小化する。
【００１６】
いくつかの実施形態では、工作物の領域内に２種類の前駆体ガスが導入される。これらのガス種および工作物におけるこれらのガスの流束は、競争反応が例えば第１の材料のエッチングを優先し、保存すべき他の材料のエッチングを優先しないように選択される。いくつかの実施形態では、これらの競争反応が、保持すべき材料上への付着を優先する。好ましい一実施形態では、保持すべき材料がエッチングされないように、しかしながらあまりに多くの物質が付着しないように、付着プロセスがエッチング・プロセスをわずかに凌駕する。好ましいいくつかの実施形態は、高流束の付着ガスおよび低流束のエッチング剤ガスを使用する。
【００１７】
図１は、好ましい一実施形態のステップを示す流れ図である。ステップ１０２では、少なくとも２種類の材料を有する基板を用意する。この基板は例えば、その上に集積回路が製造されたシリコン・ウェーハとすることができる。この基板はさらに、集積回路の一部分の断面を露出させるために集束イオン・ビームによって切削されたトレンチを含むことができる。ステップ１０４では、エッチングする基板表面の一部分に、エッチング剤前駆体ガスの流束を供給する。ステップ１０６では、基板表面に、エッチング抑制前駆体ガスの流束を供給する。ステップ１０８では、電子ビームなどの集束ビームを基板に向かって、少なくとも２種類の材料を含む領域上に誘導する。このエッチング前駆体ガス、エッチング抑制ガスおよび集束ビームの組合せは、第１の材料を第２の材料に比べて選択的にエッチングする。いくつかの実施形態では、単一のガスを、例えば電子ビームとともに使用して、１つの材料を他の材料に比べて選択的にエッチングすることができる。
【００１８】
図２Ａから２Ｄは、本発明の一実施形態における２つの材料の組織の相対的なエッチング速度を定性的に示す。基板は、ガスＥ（主にエッチング前駆体）およびＤ（主に付着前駆体）に対して露出した材料ＡおよびＢを含む。材料Ｂを選択的にエッチングし、材料Ａを保持することが望ましいとする。図２Ａは、エッチング前駆体ガスＥが存在し、集束電子ビームなどのエネルギー源が存在しない場合、材料Ａのエッチング速度ＥＡは、材料Ｂのエッチング速度ＥＢよりもはるかに大きいことを示している。図２Ｂは、エッチング前駆体Ｅおよび局所エネルギー源が存在する場合、材料Ｂのエッチング速度は増大するが、エッチング速度ＥＡは依然としてエッチング速度ＥＢよりも大きいことを示している。
【００１９】
材料Ａ上での付着速度ＤＡが材料Ｂ上での付着速度ＤＢよりもはるかに大きくなるように補助ガスを選択する。図２Ｃは、競合する自発エッチング、ビーム誘起エッチングおよびビーム誘起付着の結果、材料Ｂが材料Ａよりも速い速度でエッチングされ、材料Ａが実質的に保護されることを示している。図２Ｄは、ビームが存在しない場合には、両方の材料のエッチング速度が非常に小さく、そのため、ビームがなければ材料Ａおよび材料Ｂが保護されることを示している。一実施形態では、材料Ａが窒化シリコンまたはシリコン、材料Ｂが二酸化シリコン、エッチング・ガスＥがＸｅＦ2、付着ガスＤがＣＨ3Ｉであり、二酸化シリコンが、窒化シリコンおよびシリコンに比べて選択的にエッチングされる。
【００２０】
競争反応の結果は、ガス流束およびビーム・エネルギー密度によって異なる。例えばガウス形のビームでは、ビームの中心における結果が、ビームの縁における結果とは異なることがある。優勢な反応をエッチングから付着へ切り替えるのに必要なしきい電流密度がある。当業者は、所望の材料を選択的にエッチングするガス流束とエネルギー密度の機能可能な組合せを経験的に決定することができる。さらに、当業者は、所望の材料選択性を得るガス流束比を決定することができる。バックグラウンド・ガスは一般に、集束ビーム、特に電子ビームの存在下で付着する可能性がある炭素を含むため、本発明の実施形態は、最小限のバックグラウンド・ガスを含むクリーン・システム内で実行されることが好ましい。
【００２１】
本発明の好ましい一用途は、半導体基板上の集積回路断面の層のデリニエーション（ｄｅｌｉｎｅａｔｉｏｎ）である。好ましい一実施形態は、選択エッチングを提供し、例えば窒化物層に比べて酸化物層を優先的にエッチングし、同時にシリコンおよびポリシリコン層を保護するガスの組合せを使用する電子ビーム誘起エッチング・プロセスを含む。電子ビームの使用は、「直接書込み（ｄｉｒｅｃｔ ｗｒｉｔｅ）」プロセスを提供する。すなわち、反応性イオン・エッチングなどの技法におけるウェーハ規模の処理とは対照的に、ビームを誘導した領域だけが処理される。
【００２２】
電子ビームは観察中の基板に対して生み出す変化がより少ないため、大部分のデコレーション用途では、イオン・ビーム処理よりも電子ビーム処理の方が好ましい。例えば、大部分のイオン・ビームは、観察中のフィーチャの縁を丸める傾向があり、またイオンを注入する可能性があり、このことが回路の電気特性に影響を及ぼすことがある。さらに、エッチングを誘起させるために電子ビームを使用すると、ユーザは、試料がエッチングされている最中に、試料の高分解能電子ビーム画像をリアル・タイムで観察することができる。この画像を観察するため、エッチングは、パターニング・モードではなく画像化モードを使用して実行されることが好ましい。次いでユーザは、層のデリニエーションが十分に達成されたことを観察したときに、プロセスを停止することができる。
【００２３】
好ましい一実施形態では、電子ビーム真空室内に２種類のガスが導入される。一方のガスはエッチングし、第２の補助ガスはエッチングを減弱させる。例えば、存在するある材料の表面に材料を付着させる反応によって、またはエッチング剤と反応しない化合物を形成することで表面を不動態化する反応によって、それらの材料のエッチングを抑制することができる。これらのガスは、競争するエッチング反応および付着反応に加わることができ、異なる露出面上では異なる反応が優先される。例えばガス流束およびビームの化学的性質を制御することによって、試料表面の異なるガスおよび吸着種の濃度を制御することができる。
【００２４】
本発明の好ましい一実施形態は、二酸化シリコンの電子ビーム誘起エッチングを可能にし、同時にシリコンのエッチングを抑制するため、ガス混合物を適切に配合することを含む。いくつかの実施形態では、ＸｅＦ2がエッチング剤として噴射される。シリコン、およびＸｅＦ2の攻撃によって影響を受ける可能性がある他の材料のエッチングを抑制し、同時に二酸化シリコンのエッチングを可能にするフルオロカーボン・ガスも噴射される。フルオロカーボンの流束は、二フッ化キセノンの流束よりもはるかに大きいことが好ましい。適当なフッ素−炭素比を達成するガス流束の比を選択することによって、絶縁体上での重合が抑制され、同時にシリコン上での重合が優先され、これにより、高い選択性およびパターン・デリニエーションが可能になる。このビーム誘起選択性は、ＩＣ層の明瞭なデリニエーションを提供し、同時に測定のためにポリシリコン・フィーチャを保護する手段を提供する。
【００２５】
これらの炭素含有ガスの電子ビーム誘起エッチング剤としての効率は低いため、ＸｅＦ2を使用しない場合、炭素含有ガスと電子ビームの反応の結果は実質的に炭素の付着だけとなろう。同じエッチング剤を使用したイオン・ビーム誘起エッチングに対してこれと同じことを言うことはできない。ＸｅＦ2だけを使用しても、層の明瞭な低損傷のデリニエーションは得られず、シリコン・フィーチャが過度に損傷する。
【００２６】
好ましい一実施形態では、１次反応が、ＳｉＯ2表面とＳｉ表面の両方からの揮発性のＳｉＦ4種を形成する。１次反応経路のいくつかは次の通りであると考えられる。
１．ＣＦ3Ｉ（ｇ）＋Ｓｉ（ｓ）＋ｅ-→Ｃ（ｓ）＋Ｓｉ（ｓ）＋３Ｆ（ｇ）＋Ｉ（ｇ） ［電子ビーム誘起炭素付着］
２．４ＣＦ3Ｉ（ｇ）＋３Ｓｉ（ｓ）＋ｅ-→３ＳｉＦ4（ｇ）＋４Ｃ（ｓ）＋４Ｉ（ｇ） ［競争的なシリコン・エッチングおよび付着］
３．２ＸｅＦ2（ｇ）＋Ｓｉ（ｓ）→２Ｘｅ（ｇ）＋ＳｉＦ4（ｇ） ［自発的シリコン・エッチング］
４．２ＸｅＦ2（ｇ）＋ＳｉＯ2＋ｅ-→２Ｘｅ（ｇ）＋ＳｉＦ4（ｇ）＋Ｏ2（ｇ） [電子ビーム誘起ＳｉＯ2エッチング］
図３は、処理前の集積回路断面の写真であり、図４は、本発明に基づく処理後の集積回路断面を示す。図４から分かるとおり、観察者は、異なる中間層、シリサイド、ポリシリコン・ゲートおよび窒化物障壁を区別することができる。補助ガス、この場合にはＣＦ3Ｉはさらに、攻撃的なＸｅＦ2による損傷からポリシリコンを守る。
【００２７】
エッチング現象に先立って、ＳｉＯ2表面からの酸素の脱離を刺激するのに電子ビームが必要であるため、電子ビームを使用しない場合、ＳｉＯ2は、ＸｅＦ2による自発的エッチングを受けない。酸素の脱離はほとんどの場合、律速事象である。ＸｅＦ2流束が非常に低い場合には、シリコン上への競争的炭素付着を利用することにより、シリコン表面にエッチング・ストップ炭素層を重合させることが可能である。しかしながら、フルオロカーボン・ガスは、電子ビームとともに使用するエッチング剤ガスとしての効率が、電子誘起エッチングを単独で可能にするには十分でないため、ある濃度のＸｅＦ2が存在することが好ましい。ＳｉＯ2中の酸素の存在は、下記の反応により、炭素重合プロセスを最小化し、
５．ＳｉＯ2（ｓ）＋ＣＦ3Ｉ（ｇ）＋ｅ-→Ｓｉ（ｓ）＋３Ｆ（ｇ）＋Ｉ（ｇ）＋ＣＯ2（ｇ）
それにより保護炭素層の形成を妨げ、ＳｉＯ2をエッチングすることを可能にする。
【００２８】
炭素前駆体の追加は、ＳｉＯ2のエッチングを減速させるが、Ｓｉのエッチングをよりいっそう減速させる。ＣＦ3Ｉからの付着は、ＸｅＦ2による炭素のエッチング・プロセスをわずかに凌駕し、そのため、シリコンを保護する炭素層が残る。いくつかの実施形態ではそれでもＳｉがエッチングされるが、そのエッチング速度は、層のデリニエーションを達成するためにＳｉＯ2をエッチングするのに必要な時間の間の重大な損傷を防ぐには十分に低い。酸化シリコン上では、２つの過程が炭素をエッチングし、そのため炭素は迅速に除去され、その下のＳｉＯ2をエッチングすることも可能にする。シリコン・エッチングは、ＳｉＯ2エッチングに比べて遅く、実質的に停止し、ＳｉＯ2は、炭素付着反応を凌駕する２つのエッチング反応を受けるため、ＳｉＯ2はエッチングされ続ける。断面の誘電層間の界面を可視化するためには約１０または２０ｎｍだけを除去すればよい。
【００２９】
エッチング速度が低下すると選択性は向上する傾向がある。エッチング速度が遅いとプロセス制御は改善するが、処理時間が増大する。一実施形態において、本出願の出願人は、エッチング中の領域を電子ビームを使用して観察し、約３０分後、層を見ることができた。前述の実施形態は二酸化シリコンをエッチングし、シリコンのエッチングを抑制するが、所望の材料をエッチングし、エッチングが望ましくない領域を保護するエッチング剤および補助ガスを選択することによって、本発明を他の用途に応用することもできる。
【００３０】
反応性イオン・エッチングの全体エッチングとは対照的に、電子ビームは局所的なエッチングを可能にし、制御可能な他の反応成分である電子束を導入する。
【００３１】
多種多様なガスを使用して本発明を実現することができる。本出願の出願人は、ＳｉＯ2とＳｉＮの間の界面を可視化し、Ｓｉを保護する目的に、ＣＦ4とＸｅＦ2の組合せが使用可能であることを示した。他のハロカーボン・ガス、特に他のフルオロカーボンを、さまざまな炭素濃度で使用することができる。塩素ガス混合物も、シリコンの存在下で二酸化シリコンをエッチングするのに有用なことがある。より長い炭素鎖はより効率的に付着し、一般により高い速度で付着し、その結果、それぞれのガス中のより多くの炭素が、エッチングよりも炭素付着を優先するため、単一の炭素を有する分子が好ましい。同様のプロセスが硫黄フッ化物の使用を含むこともできる。
【００３２】
好ましい実施形態を電子ビームに関して説明したが、液体金属イオン源からのガリウム・イオン・ビーム、プラズマ・イオン源からの不活性ガス・イオンなどの他のイオンのビームのような集束イオン・ビームを使用して、本発明を実現することもできる。このようなプラズマ源は例えば、本発明の譲受人に譲渡された「Ｍａｇｎｅｔｉｃａｌｌｙ Ｅｎｈａｎｃｅｄ，Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ，Ｐｌａｓｍａ Ｓｏｕｒｃｅ ｆｏｒ ａ Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ」という名称の米国特許第７，２４１，３６１号に記載されている。イオン・ビームが使用される場合には一般に、基板に対する損傷がより多くなることを当業者は理解するであろう。さらに、イオンが表面に注入され、回路の電気特性に影響を及ぼす可能性がある。例えば、ガリウムは、シリコン中でｐ型ドーパントとして機能する。水素イオンなどの軽イオンのビームが起こす損傷はより軽度で、回路に対する電気的効果をほとんどまたは全く持たない。他の実施形態は、中性ビーム、レーザまたは反応性種のビームを使用することもできる。例えば吸着ガスとの反応を誘起させる２次電子を生成することによって、あるいはガスまたは基板中に光化学電荷を生成することによって、ガス中で反応を開始する任意のビームを使用することができる。
【００３３】
ビーム中の電子のエネルギーは決定的に重要なものではなく、例えば１００ｅＶから１００ｋｅＶとすることができるが、反応を開始させる際の１次ビーム電子の効率はビーム・エネルギーとともに変化する。ビーム中の電子は５００ｅＶ超のエネルギーを有することが好ましい。電子は、運動量移行過程（ｍｏｍｅｎｔｕｍ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｐｒｏｃｅｓｓ）を使用してエッチングしないため、ＸｅＦ2のような強力な酸化剤を電子ビームとともに使用することが好ましい。ビームは、より効率的な処理のために高い電流密度および低いエネルギーを有するべきである。一実施形態は、約３ナノアンペアのビーム電流を有する２ｋＶビームを使用する。
【００３４】
ＸｅＦ2は強力な酸化剤であるため、試料の近くの濃度は比較的に低くすべきだが、表面におけるＣＨ3Ｉなどの補助ガスの濃度はより高いことが好ましい。所望のガス流束を達成する１つの方法は、表面の近くに補助ガスを導入し、表面からより遠い位置にＸｅＦ2を導入する方法である。一実施形態では、２つの別個のガス噴射システム源が使用される。ＸｅＦ2源は、試料から約１と１／２インチの距離に引っ込んでおり、ＸｅＦ2ガスは、サイドアームを備えた挿入されたＧＩＳ上のフィードを通して外部へ供給される。第２のガス噴射システムの噴射針は、表面から約１００ミクロンのところに挿入される。噴射針は表面の圧力を著しく高める結果になるが、両システムは、それぞれの周囲の室の圧力が約１０-5ミリバールであるように設定され、この圧力に噴射針の存在は影響しない。その結果、補助ガス流束は一般に、エッチング・ガスよりも数桁高い。他の実施形態では、単一のＸｅＦ2 ＧＩＳ上で２先端針が使用され、ＸｅＦ2用に、（実質的に引っ込んだ）非常に短いノズルが用いられ、フルオロカーボン用に標準長のノズルが用いられる。他の実施形態では、外側のシース（ｓｈｅａｔｈ）が内側の管よりも短い同軸型の針にガスを注入することができる。エッチング・ガスは外側のシースを通して流され、付着ガスは内側の管を通して流される。より短い外側の管のエッチング・ガス流束は、より長く、より近くまで誘導された内側の付着ガス管よりも低くなる。
【００３５】
前述の実施形態は、ＸｅＦ2環境における自発的シリコン・エッチングを抑制しまたは減弱させる方法を提供する。このような方法は、誘電層のデリニエーション以外の用途でも有用である。例えば、本発明の他の用途は、回路または他の構造の層を除去してその下の層を露出させる「デプロセッシング（ｄｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）」である。デプロセッシングは例えば、埋没した欠陥を露出させるために使用される。最初に、ユーザは一般に、集束イオン・ビームを使用して、欠陥領域を覆っている材料の大部分を除去する。次いで、上述したような「穏やかな」電子ビーム・プロセスを使用して、酸化物層だけを選択的にエッチングし、その下の層を保持することができる。例えば、前述のとおりに、電子ビームを基板に向かって誘導することができ、同時にＸｅＦ2およびＣＦ3Ｉも基板に向かって誘導する。酸化物層を除去し、その下のシリコン層を観察のために露出させる。このシリコン層は実質的に損傷を受けない。
【００３６】
本発明の他の用途は、「回路編集（ｃｉｒｃｕｉｔ ｅｄｉｔ）」プロセスであり、このプロセスでは、例えば、将来の回路の製造プロセスを変更する前に、提案された変更が設計上の問題点を修正するかどうかを判定するために、導体および絶縁体を切断しまたは付着させて集積回路を「配線し直す」。回路編集プロセスでは、過剰な二酸化シリコンを除去することが望ましいことが時々ある。これは現在、非選択的ＸｅＦ2電子ビーム・エッチング・プロセスを使用して実施されている。エッチング剤ガスおよび補助ガスを基板に向かって誘導し、電子ビームをエッチングする領域に向かって誘導する前述の実施形態を使用して、露出したシリコンを保存し、シリコンが自発的にエッチングされることを防ぐことができる。
【００３７】
本発明の他の用途では、ドーパント・プロファイル（ｄｏｐａｎｔ ｐｒｏｆｉｌｅ）に基づいて選択的にエッチングするガスまたはガスの組合せを選択することができる。例えば、一実施形態では、そのドーパントによって触媒される反応によってシリコンを自発的にエッチングするＣＨ3Ｃｌ（塩化メチル）を使用することができる。このエッチング反応は高ドーパント濃度の領域でより強いため、それらの領域が選択的にエッチングされることになり、一方、より低ドーパント濃度の領域では、競争反応の炭素付着を優勢にすることができる。ドーパント・プロファイルに基づく選択的エッチングに使用することができる他のガスには、ヨウ化メチル、臭化メチル、塩化メチルおよびそれらのエチル類似体が含まれる。ｐ型およびｎ型ドーパントは一般に異なる速度で反応を触媒し、この異なる速度を利用して、ドーパント・プロファイルに基づいて優先的にエッチングする競争反応系を設計することができる。このような一実施形態では、電子ビームが、異なるドーパント濃度の領域を有する基板に誘導される。ＣＨ3Ｃｌなどのエッチング剤ガスも基板に向かって誘導される。電子ビームは、より高ドーパント濃度の領域でＣＨ3Ｃｌとの反応を誘起させ、一方、より低ドーパント濃度の領域ではより小さな反応が起こり、それによりドーパント濃度に基づく選択エッチングが達成される。このような実施形態では補助ガスが必要ないことがある。
【００３８】
他の用途では、透過電子顕微鏡で見るための準備として、本発明を使用して試料を薄化することができる。例えば、試料は異なる材料の層からなることがある。本発明に基づくエッチング・プロセスを使用して、試料を所望の厚さに残して層が除去された時点で止める、選択的な層の除去に用いることができる。例えば、試料は、シリコン層および酸化物層を含むことができる。ＸｅＦ2などのエッチング剤ガスおよびＣＦ3Ｉなどの補助ガスの存在下で、電子ビームを試料に向かって誘導する。酸化物層はエッチングによって除去され、このエッチング・プロセスは、シリコン層に到達したときに実質的に停止し、シリコン層まで薄化された試料を残す。他の実施形態では、窒化物材料などの第１の材料の膜上に、物質を付着させることができる。次いでこの窒化物膜をエッチングによって選択的に除去し、透過電子顕微鏡で見るため、付着させた材料だけを残すことができる。
【００３９】
ガリウム集束イオン・ビームでミリングすると、注入されたガリウムが、基板材料とガスの間の反応に影響を及ぼすことがある。ガリウム・ビームを使用してミリングされた一般的な断面では、断面のガリウムの濃度が比較的に高い。ガリウム液体金属イオン・ビームを使用するときに断面にデコレーションを実施するためには一般に、ＸｅＦ2が使用される。イオン・プラズマ源が使用され、集束イオン・ビームが例えば不活性ガス・イオンからなるときには、直鎖フッ素化炭化水素または塩素化炭化水素、あるいはフッ素化された硫黄含有化合物を、ＸｅＦ2などの強力なエッチング剤なしで使用すると、試料が選択的にエッチングされ、所望の結果が得られることがある。
【００４０】
図６Ａおよび６Ｂは、一組の所与のビーム条件およびフロー・ジオメトリ（ｆｌｏｗ ｇｅｏｍｅｔｒｙ）での酸化物および窒化物のエッチング速度ならびにエッチング選択性（窒化物のエッチング速度を酸化物のエッチング速度で割ったもの）を、ＣＦ3Ｉ（図６Ａ）およびＣＦ4（図６Ｂ）補助ガスに関して示したグラフである。必要な選択性、すなわちエッチング速度の比は用途によって異なる。非常に少量の材料だけを除去し、両方の材料のエッチング速度が比較的に低いデコレーション用途では、比較的に低い選択性が許容される。より多くの材料を除去するときには、より高い選択性が好ましい。エッチングの選択性は１．１超、より好ましくは１．２超、さらには１．５超であることが好ましい。いくつかの用途では、２または３超のエッチング速度選択性が好ましい。競争する付着反応とエッチング反応とに関して説明したが、いくつかの実施形態は、表面に材料を付着させる代わりに表面を不動態化することができる。
【００４１】
図５は、垂直に取り付けられたＳＥＭカラムと、垂直線から約５２度の角度で取り付けられた集束イオン・ビーム（ＦＩＢ）カラムとを備える、本発明を実施するのに適した一般的なデュアル・ビーム・システム５１０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ＦＥＩ Ｃｏｍｐａｎｙ社（米オレゴン州Ｈｉｌｌｓｂｏｒｏ）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によって実現されることに限定されない。
【００４２】
デュアル・ビーム・システム５１０は、走査型電子顕微鏡５４１および電源／制御ユニット５４５を備える。カソード５５２とアノード５５４の間に電圧を印加することによって、カソード５５２から電子ビーム５４３が放出される。電子ビーム５４３は、コンデンサ・レンズ５５６および対物レンズ５５８によって微細なスポットに集束する。電子ビーム５４３は、偏向コイル５６０によって、試料を２次元走査する。コンデンサ・レンズ５５６、対物レンズ５５８および偏向コイル５６０の動作は、電源／制御ユニット５４５によって制御される。
【００４３】
電子ビーム５４３を、下部チャンバ５２６内の可動Ｘ−Ｙステージ５２５上にある基板５２２上に集束させることができる。電子ビーム中の電子が基板５２２に衝突すると、２次電子が放出される。これらの２次電子は、後に論じる２次電子検出器５４０によって検出される。ＴＥＭ試料ホルダ５２４およびステージ５２５の下に位置するＳＴＥＭ検出器５６２は、上述したようにＴＥＭ試料ホルダ上に装着された試料を透過した電子を集めることができる。
【００４４】
デュアル・ビーム・システム５１０はさらに、集束イオン・ビーム（ＦＩＢ）システム５１１を含み、ＦＩＢシステム５１１は、上ネック部分５１２を有する排気されたチャンバを備え、上ネック部分５１２内にはイオン源５１４および集束カラム５１６が位置し、集束カラム５１６は引き出し電極および静電光学系を含む。集束カラム５１６の軸は、電子カラムの軸から５２度傾いている。イオン・カラム５１２は、イオン源５１４、引き出し電極５１５、集束要素５１７、偏向要素５２０および集束イオン・ビーム５１８を含む。イオン・ビーム５１８は、イオン源５１４から、カラム５１６内および概略的に５２０で示された静電偏向手段間を通り、基板５２２に向かって進む。基板５２２は、例えば下部チャンバ５２６内の可動Ｘ−Ｙステージ５２５上に配置された半導体デバイスを含む。
【００４５】
ステージ５２５はまた、半導体デバイスから試料を抜き取り、ＴＥＭ試料ホルダまで移動させることができるように１つまたは複数のＴＥＭ試料ホルダ５２４を支持することができる。ステージ５２５は、水平面（ＸおよびＹ軸）内を移動することができ、さらに垂直に（Ｚ軸）移動できることが好ましい。ステージ５２５はさらに約６０度傾けることができ、Ｚ軸の周りを回転することができる。いくつかの実施形態では、別個のＴＥＭ試料ステージ（図示せず）を使用してもよい。このようなＴＥＭ試料ステージもＸ、ＹおよびＺ軸に沿って可動であることが好ましい。扉５６１は、基板５２２をＸ−Ｙステージ５２５上に挿入するため、さらには、内部ガス供給リザーバが用いられる場合にはそれを保守するために開かれる。システムが真空下にある場合に開けることができないように、扉はインタロックされる。
【００４６】
ネック部分５１２から排気するためにイオン・ポンプ５６８が使用される。チャンバ５２６は、真空コントローラ５３２の制御下にあるターボ分子・機械ポンピング・システム５３０によって排気される。この真空システムは、チャンバ５２６内において、約１×１０-7トルから５×１０-4トルの真空を提供する。エッチング支援ガス、エッチング遅延ガスまたは付着前駆体ガスが使用される場合、チャンバのバックグラウンド圧力は、一般に約１×１０-5トルまで上昇することがある。
【００４７】
イオン・ビーム５１８にエネルギーを付与し、イオン・ビーム５１８を集束させるため、高圧電源が、イオン・ビーム集束カラム５１６内の電極に適当な加速電圧を印加する。イオン・ビーム５１８が基板５２２に衝突すると、試料から材料がスパッタリングされる、すなわち物理的に放出される。あるいは、イオン・ビーム５１８は、前駆体ガスを分解して材料を付着させることができる。
【００４８】
約１ｋｅＶから６０ｋｅＶのイオン・ビーム５１８を形成し、それを試料に向かって誘導するため、高圧電源５３４は、液体金属イオン源５１４とイオン・ビーム集束カラム５１６内の適当な電極とに接続される。パターン発生器５３８によって提供される規定のパターンに従って動作する偏向コントローラ・増幅器５３６が、偏向板５２０に結合され、それによってイオン・ビーム５１８を、基板５２２の上面の対応するパターンをトレースするように手動または自動で制御することができる。当技術分野ではよく知られているように、いくつかのシステムでは、これらの偏向板が最後のレンズの前に置かれる。ブランキング・コントローラ（図示せず）が、イオン・ビーム集束カラム５１６内のビーム・ブランキング電極（図示せず）にブランキング電圧を印加すると、ブランキング電極は、イオン・ビーム５１８を、基板５２２ではなくブランキング・アパーチャ（図示せず）に衝突させる。
【００４９】
液体金属イオン源５１４は一般にガリウムの金属イオン・ビームを提供する。この源は一般に、イオン・ミリング、強化エッチング、材料付着によって基板５２２を改変するために、あるいは基板５２２を画像化する目的で、基板５２２において幅１／１０マイクロメートル未満のビームに集束することができる。
【００５０】
２次イオンまたは２次電子の放出を検出するために使用されるＥｖｅｒｈａｒｔ Ｔｈｏｒｎｌｅｙやマルチチャネル・プレートなどの荷電粒子検出器５４０がビデオ回路５４２に接続され、ビデオ回路５４２はビデオ・モニタ５４４に駆動信号を供給し、ビデオ・モニタ５４４はコントローラ５１９から偏向信号を受け取る。下部チャンバ５２６内の荷電粒子検出器５４０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５４０をイオン・ビームと同軸とし、荷電粒子検出器５４０が、イオン・ビームを通過させる孔を含んでもよい。他の実施形態では、最後のレンズを通して２次粒子を集め、次いでそれらの２次粒子を軸から変更させて収集することができる。
【００５１】
Ｏｍｎｉｐｒｏｂｅ，Ｉｎｃ．社（米テキサス州Ｄａｌｌａｓ）のＡｕｔｏＰｒｏｂｅ ２００（商標）、Ｋｌｅｉｎｄｉｅｋ Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｉｋ社（ドイツＲｅｕｔｌｉｎｇｅｎ）のＭｏｄｅｌ ＭＭ３Ａなどのマイクロマニピュレータ５４７は、真空室内の物体を精密に移動させることができる。真空室内に位置する部分５４９のＸ、Ｙ、Ｚおよびθ制御を提供するため、マイクロマニピュレータ５４７は、真空室の外側に置かれた精密電動機５４８を備えることができる。マイクロマニピュレータ５４７には、小さな物体を操作するさまざまなエンド・エフェクタを取り付けることができる。本明細書に記載された実施形態では、エンド・エフェクタが細いプローブ５５０である。
【００５２】
ガス蒸気を導入し、基板５２２に向かって誘導するガス送達システム５４６が下部チャンバ５２６内へ延びる。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号は適当なガス送達システム５４６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」のいう名称の米国特許第５，４３５，８５０号に記載されている。例えば、ヨウ素を送達してエッチングを強化することができ、または金属有機化合物を送達して金属を付着させることができる。
【００５３】
システム・コントローラ５１９は、デュアル・ビーム・システム５１０のさまざまな部分の動作を制御する。システム・コントローラ５１９を介して、ユーザは、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、イオン・ビーム５１８または電子ビーム５４３を、希望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５１９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５１０を制御することができる。いくつかの実施形態では、デュアル・ビーム・システム５１０が、Ｃｏｇｎｅｘ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ社（米マサチューセッツ州Ｎａｔｉｃｋ）から市販されているソフトウェアなど、関心の領域を自動的に識別する画像認識ソフトウェアを含み、本発明に従って試料を手動または自動で抽出することができる。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フィーチャの位置を自動的に突き止め、異なる（または同じ）デバイス上のそれらのフィーチャの試料を抽出することができる。
【００５４】
以上の説明では、用語「エッチング前駆体」および「付着前駆体」を使用したが、多くの前駆体が、そのガス流束およびビーム密度によって、エッチングし、または付着することができることを当業者は認識するであろう。
【００５５】
集積回路の断面において、酸化物材料と窒化物材料の間の界面を可視化するする方法の好ましい実施形態は、
・集束イオン・ビーム・マイクロマシニングによって集積回路の断面を露出させるステップと、
・露出させた断面に向かって電子ビームを誘導するステップと、
・露出させた断面に向かって第１のガスおよび第２のガスを誘導するステップであって、第１のガスが、電子ビームの存在下で反応して、断面の第１の材料をエッチングし、第２のガスが、断面の第２の材料のエッチングを抑制するステップと
を含む。
【００５６】
集束ビームを使用して、第１の材料を、第２の材料に比べて選択的にエッチングする方法の好ましい実施形態は、
・集束ビームを基板に向かって誘導するステップと、
・基板に向かって第１のガスを誘導するステップであって、第１のガスが、集束ビームの存在下で反応して、第１の材料をエッチングするステップと、
・基板に向かって第２のガスを誘導するステップであって、第２のガスが、第２の材料のエッチングを、第１の材料のエッチングに比べて抑制するステップと
を含む。
【００５７】
集束ビームを使用して、基板上の第１の材料を、基板上の第２の材料に比べて選択的にエッチングする方法の好ましい実施形態は、
・基板に向かって集束ビームを誘導するステップと、
・基板に向かって第１のガスおよび第２のガスを誘導するステップであって、集束ビームが、第１および第２のガスと基板中の第１および第２の材料との間の競争反応を開始させ、これらの競争反応が、第１の材料を、第２の材料のエッチングよりも速い速度でエッチングするステップと
を含む。
【００５８】
本発明の好ましい実施形態によれば、
・第１の材料は酸素とシリコンとの化合物を含み、
・第２の材料は窒素とシリコンとの化合物を含み、
・第１のガスはハロゲン化合物を含み、
・第２のガスは炭素化合物を含む。
【００５９】
本発明の好ましい実施形態によれば、第１のガスは二フッ化キセノンを含むことができる。本発明の好ましい実施形態によれば、基板に向かって第１のガスを誘導するステップは、基板に向かってフッ素化合物を誘導するステップを含み、基板に向かって第２のガスを誘導するステップは、基板に向かって炭素含有化合物を誘導するステップを含む。基板に向かって炭素含有化合物を誘導するステップは、ＣＦ3ＩまたはＣＦ4を含む、フッ素と炭素とを含む化合物を誘導するステップを含むことができる。基板に向かって第２のガスを誘導するステップは、基板に向かって炭化水素ガスを誘導するステップを含む。
【００６０】
本発明の好ましい実施形態によれば、基板に向かって第２のガスを誘導するステップは、基板に向かって炭化水素を含むガスを誘導するステップを含む。基板に向かって炭化水素を含むガスを誘導するステップは、メタンまたはヨードメタンを含むガスを誘導するステップを含むことができる。第２のガスは、ＣＦ3ＩまたはＣＦ4を含む、炭素とハロゲンとを含む化合物を含むことができる。
【００６１】
本発明の好ましい実施形態によれば、基板に向かって第２のガスを誘導するステップであって、第２のガスが、第２の材料のエッチングを、第１の材料のエッチングに比べて抑制するステップは、第１のガスと組み合わさって、第１の材料のエッチング速度を、第２の材料のエッチング速度よりも少なくとも１０パーセント速める第２のガスを誘導するステップを含む。第１の材料は、第２の材料のエッチング速度の１．５倍よりも速い速度でエッチングされることが好ましい。
【００６２】
本発明の好ましい実施形態によれば、基板に向かって第２のガスを誘導するステップは、第２の材料のエッチングを、第１の材料のエッチングに比べて低減させるために、集束ビームの存在下で反応して、第２の材料上に物質を付着させる第２のガスを誘導するステップを含むことができる。基板に向かって第２のガスを誘導するステップはさらに、付着係数および滞留時間を有する第２のガスを第２の材料上に誘導するステップであって、付着係数および滞留時間が、第１のガスの分子の第２の材料への付着を低減させ、それによって第２の材料のエッチングを抑制するのに十分であるステップを含むことができる。
【００６３】
本発明の好ましい実施形態によれば、基板に向かって集束ビームを誘導するステップは、基板に向かって、レーザ・ビーム、荷電粒子ビームまたは中性原子ビームを誘導するステップを含む。基板に向かって集束ビームを誘導するステップはさらに、基板に向かって集束イオン・ビームを誘導するステップを含むことができ、基板に向かって電子ビームを誘導するステップを含むことができる。
【００６４】
本発明の好ましい実施形態によれば、基板に向かって第１のガスを誘導するステップは、基板に向かってフッ素化合物を誘導するステップを含み、基板に向かって第２のガスを誘導するステップは、基板に向かって炭素含有化合物を誘導するステップを含む。基板に向かって炭素含有化合物を誘導するステップは、ＣＦ3ＩまたはＣＦ4を含む、フッ素と炭素とを含む化合物を誘導するステップを含むことができる。基板に向かって第２のガスを誘導するステップは、基板に向かって炭化水素ガスを誘導するステップを含む。
【００６５】
第１のドーパント濃度を有する第１の領域と、第２のドーパント濃度を有する第２の領域とを含む基板を選択的にエッチングする方法の好ましい実施形態は、
・基板に向かって電子ビームを誘導するステップと、
・基板にガスを供給するステップであって、電子ビームが、ガスと基板材料の間の反応を開始させ、この反応が、第１の領域のエッチング速度が第２の領域のエッチング速度よりも速くなるようなドーパント濃度に依存するステップと
を含む。
【００６６】
本発明の好ましい実施形態によれば、上記の反応にドーパント濃度によって大きな変化を生じさせる。供給されるガスはＣＨ3Ｃｌを含むことができる。
【００６７】
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、さまざまな変更、置換および改変を実施することができることを理解されたい。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。
【符号の説明】
【００６８】
５１０ デュアル・ビーム・システム
５１１ 集束イオン・ビーム（ＦＩＢ）システム
５１２ 上ネック部分
５１４ イオン源
５１５ 引き出し電極
５１６ 集束カラム
５１７ 集束要素
５１８ 集束イオン・ビーム
５１９ システム・コントローラ
５２０ 偏向要素
５２２ 基板
５２４ ＴＥＭ試料ホルダ
５２５ ステージ
５２６ 下部チャンバ
５３０ ターボ分子／機械ポンピング・システム
５３２ 真空コントローラ
５３４ 高圧電源
５３６ 偏向コントローラ／増幅器
５３８ パターン発生器
５４１ 走査型電子顕微鏡
５４２ ビデオ回路
５４３ 電子ビーム
５４４ ビデオ・モニタ
５４５ 電源／制御ユニット
５４６ ガス送達システム
５４７ マイクロマニピュレータ
５４８ 精密電動機
５４９ マイクロマニピュレータの部分
５５０ プローブ
５５２ カソード
５５４ アノード
５５６ コンデンサ・レンズ
５５８ 対物レンズ
５６０ 偏向コイル
５６１ 扉
５６２ ＳＴＥＭ検出器
５６８ イオン・ポンプ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
集積回路の断面において、酸化物材料と窒化物材料の間の界面を可視化する方法であって、
集束イオン・ビーム・マイクロ機械加工によって前記集積回路の断面を露出させるステップと、
前記露出させた断面に向かって電子ビームを誘導するステップと、
前記露出させた断面に向かって第１のガスおよび第２のガスを誘導するステップであって、前記第１のガスが、前記電子ビームの存在下で反応して、前記断面の第１の材料をエッチングし、前記第２のガスが、前記断面の第２の材料のエッチングを抑制するステップと
を含む方法。
【請求項２】
集束ビームを使用して、第１の材料を、第２の材料に比べて選択的にエッチングする方法であって、
前記集束ビームを基板に向かって誘導するステップと、
前記基板に向かって第１のガスを誘導するステップであって、前記第１のガスが、前記集束ビームの存在下で反応して、前記第１の材料をエッチングするステップと、
前記基板に向かって第２のガスを誘導するステップであって、前記第２のガスが、前記第２の材料のエッチングを、前記第１の材料のエッチングに比べて抑制するステップと
を含む方法。
【請求項３】
集束ビームを使用して、基板上の第１の材料を、前記基板上の第２の材料に比べて選択的にエッチングする方法であって、
前記基板に向かって集束ビームを誘導するステップと、
前記基板に向かって第１のガスおよび第２のガスを誘導するステップであって、前記集束ビームが、前記第１および第２のガスと前記基板中の前記第１および第２の材料との間の競争反応を開始させ、前記競争反応が、前記第１の材料を、前記第２の材料のエッチングよりも速い速度でエッチングするステップと
を含む方法。
【請求項４】
前記第１の材料が酸素とシリコンとの化合物を含み、
前記第２の材料が窒素とシリコンとの化合物を含み、
前記第１のガスがハロゲン化合物を含み、
前記第２のガスが炭素化合物を含む、
請求項１から３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
前記第１のガスが二フッ化キセノンを含む、請求項１から４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
前記第２のガスが、炭素とハロゲンとを含む化合物を含む、請求項１から５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
前記第２のガスがＣＦ3ＩまたはＣＦ4を含む、請求項１から６のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
前記基板に向かって第２のガスを誘導する前記ステップが、前記基板に向かって炭化水素を含むガスを誘導するステップを含む、請求項１から７のいずれかに記載の方法。
【請求項９】
前記基板に向かって炭化水素ガスを誘導する前記ステップが、メタンまたはヨードメタンを含むガスを誘導するステップを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記第１の材料が、前記第２の材料のエッチング速度の１．５倍よりも速い速度でエッチングされる、請求項１から９のいずれかに記載の方法。
【請求項１１】
前記基板に向かって第２のガスを誘導する前記ステップであって、前記第２のガスが、前記第２の材料のエッチングを、前記第１の材料のエッチングに比べて抑制する前記ステップが、前記第１のガスと組み合わさって、前記第１の材料のエッチング速度を、前記第２の材料のエッチング速度よりも少なくとも１０パーセント速める第２のガスを誘導するステップを含む、請求項１から１０のいずれかに記載の方法。
【請求項１２】
前記基板に向かって第２のガスを誘導する前記ステップが、前記第２の材料のエッチングを、前記第１の材料のエッチングに比べて低減させるために、前記集束ビームの存在下で反応して、前記第２の材料上に物質を付着させる第２のガスを誘導するステップを含む、請求項１から１１のいずれかに記載の方法。
【請求項１３】
前記基板に向かって第２のガスを誘導する前記ステップが、付着係数および滞留時間を有する第２のガスを前記第２の材料上に誘導するステップであって、前記付着係数および前記滞留時間が、前記第１のガスの分子の前記第２の材料への付着を低減させ、それによって前記第２の材料のエッチングを抑制するのに十分であるステップを含む、請求項１から１２のいずれかに記載の方法。
【請求項１４】
前記基板に向かって第１のガスを誘導する前記ステップが、前記基板に向かってフッ素化合物を誘導するステップを含む、請求項１から１３のいずれかに記載の方法。
【請求項１５】
前記基板に向かって第２のガスを誘導する前記ステップが、前記基板に向かって炭化水素ガスを誘導するステップを含む、請求項１から１４のいずれかに記載の方法。
【請求項１６】
前記基板に向かって炭化水素ガスを誘導する前記ステップが、前記基板に向かって、メタンまたはヨードメタンを含むガスを誘導するステップを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記基板に向かって第２のガスを誘導する前記ステップが、前記基板に向かって炭素含有化合物を誘導するステップを含む、請求項１から１６のいずれかに記載の方法。
【請求項１８】
前記基板に向かって炭素含有化合物を誘導する前記ステップが、フッ素と炭素とを含む化合物を誘導するステップを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
フッ素と炭素とを含む化合物を誘導する前記ステップが、ＣＦ3ＩまたはＣＦ4を誘導するステップを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記基板に向かって前記集束ビームを誘導する前記ステップが、前記基板に向かって、レーザ・ビーム、荷電粒子ビームまたは中性原子ビームを誘導するステップを含む、請求項１から１９のいずれかに記載の方法。
【請求項２１】
前記基板に向かって前記集束ビームを誘導する前記ステップが、前記基板に向かって集束イオン・ビームを誘導するステップを含む、請求項１から１９のいずれかに記載の方法。
【請求項２２】
前記基板に向かって前記集束ビームを誘導する前記ステップが、前記基板に向かって電子ビームを誘導するステップを含む、請求項１から１９のいずれかに記載の方法。
【請求項２３】
第１のドーパント濃度を有する第１の領域と、第２のドーパント濃度を有する第２の領域とを含む基板を選択的にエッチングする方法であって、
前記基板に向かって電子ビームを誘導するステップと、
前記基板にガスを供給するステップであって、前記電子ビームが、前記ガスと前記基板材料の間の反応を開始させ、前記反応が、前記第１の領域のエッチング速度が前記第２の領域のエッチング速度よりも速くなるような前記ドーパント濃度に依存するステップと
を含む方法。
【請求項２４】
前記反応にドーパント濃度によって大きな変化を生じさせる、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記ガスがＣＨ3Ｃｌを含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項１】
集積回路の断面において、酸化物材料と窒化物材料の間の界面を可視化する方法であって、
集束イオン・ビーム・マイクロ機械加工によって前記集積回路の断面を露出させるステップと、
前記露出させた断面に向かって電子ビームを誘導するステップと、
前記露出させた断面に向かって第１のガスおよび第２のガスを誘導するステップであって、前記第１のガスが、前記電子ビームの存在下で反応して、前記断面の第１の材料をエッチングし、前記第２のガスが、前記断面の第２の材料のエッチングを抑制するステップと
を含む方法。
【請求項２】
集束ビームを使用して、第１の材料を、第２の材料に比べて選択的にエッチングする方法であって、
前記集束ビームを基板に向かって誘導するステップと、
前記基板に向かって第１のガスを誘導するステップであって、前記第１のガスが、前記集束ビームの存在下で反応して、前記第１の材料をエッチングするステップと、
前記基板に向かって第２のガスを誘導するステップであって、前記第２のガスが、前記第２の材料のエッチングを、前記第１の材料のエッチングに比べて抑制するステップと
を含む方法。
【請求項３】
集束ビームを使用して、基板上の第１の材料を、前記基板上の第２の材料に比べて選択的にエッチングする方法であって、
前記基板に向かって集束ビームを誘導するステップと、
前記基板に向かって第１のガスおよび第２のガスを誘導するステップであって、前記集束ビームが、前記第１および第２のガスと前記基板中の前記第１および第２の材料との間の競争反応を開始させ、前記競争反応が、前記第１の材料を、前記第２の材料のエッチングよりも速い速度でエッチングするステップと
を含む方法。
【請求項４】
前記第１の材料が酸素とシリコンとの化合物を含み、
前記第２の材料が窒素とシリコンとの化合物を含み、
前記第１のガスがハロゲン化合物を含み、
前記第２のガスが炭素化合物を含む、
請求項１から３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
前記第１のガスが二フッ化キセノンを含む、請求項１から４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
前記第２のガスが、炭素とハロゲンとを含む化合物を含む、請求項１から５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
前記第２のガスがＣＦ3ＩまたはＣＦ4を含む、請求項１から６のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
前記基板に向かって第２のガスを誘導する前記ステップが、前記基板に向かって炭化水素を含むガスを誘導するステップを含む、請求項１から７のいずれかに記載の方法。
【請求項９】
前記基板に向かって炭化水素ガスを誘導する前記ステップが、メタンまたはヨードメタンを含むガスを誘導するステップを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記第１の材料が、前記第２の材料のエッチング速度の１．５倍よりも速い速度でエッチングされる、請求項１から９のいずれかに記載の方法。
【請求項１１】
前記基板に向かって第２のガスを誘導する前記ステップであって、前記第２のガスが、前記第２の材料のエッチングを、前記第１の材料のエッチングに比べて抑制する前記ステップが、前記第１のガスと組み合わさって、前記第１の材料のエッチング速度を、前記第２の材料のエッチング速度よりも少なくとも１０パーセント速める第２のガスを誘導するステップを含む、請求項１から１０のいずれかに記載の方法。
【請求項１２】
前記基板に向かって第２のガスを誘導する前記ステップが、前記第２の材料のエッチングを、前記第１の材料のエッチングに比べて低減させるために、前記集束ビームの存在下で反応して、前記第２の材料上に物質を付着させる第２のガスを誘導するステップを含む、請求項１から１１のいずれかに記載の方法。
【請求項１３】
前記基板に向かって第２のガスを誘導する前記ステップが、付着係数および滞留時間を有する第２のガスを前記第２の材料上に誘導するステップであって、前記付着係数および前記滞留時間が、前記第１のガスの分子の前記第２の材料への付着を低減させ、それによって前記第２の材料のエッチングを抑制するのに十分であるステップを含む、請求項１から１２のいずれかに記載の方法。
【請求項１４】
前記基板に向かって第１のガスを誘導する前記ステップが、前記基板に向かってフッ素化合物を誘導するステップを含む、請求項１から１３のいずれかに記載の方法。
【請求項１５】
前記基板に向かって第２のガスを誘導する前記ステップが、前記基板に向かって炭化水素ガスを誘導するステップを含む、請求項１から１４のいずれかに記載の方法。
【請求項１６】
前記基板に向かって炭化水素ガスを誘導する前記ステップが、前記基板に向かって、メタンまたはヨードメタンを含むガスを誘導するステップを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記基板に向かって第２のガスを誘導する前記ステップが、前記基板に向かって炭素含有化合物を誘導するステップを含む、請求項１から１６のいずれかに記載の方法。
【請求項１８】
前記基板に向かって炭素含有化合物を誘導する前記ステップが、フッ素と炭素とを含む化合物を誘導するステップを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
フッ素と炭素とを含む化合物を誘導する前記ステップが、ＣＦ3ＩまたはＣＦ4を誘導するステップを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記基板に向かって前記集束ビームを誘導する前記ステップが、前記基板に向かって、レーザ・ビーム、荷電粒子ビームまたは中性原子ビームを誘導するステップを含む、請求項１から１９のいずれかに記載の方法。
【請求項２１】
前記基板に向かって前記集束ビームを誘導する前記ステップが、前記基板に向かって集束イオン・ビームを誘導するステップを含む、請求項１から１９のいずれかに記載の方法。
【請求項２２】
前記基板に向かって前記集束ビームを誘導する前記ステップが、前記基板に向かって電子ビームを誘導するステップを含む、請求項１から１９のいずれかに記載の方法。
【請求項２３】
第１のドーパント濃度を有する第１の領域と、第２のドーパント濃度を有する第２の領域とを含む基板を選択的にエッチングする方法であって、
前記基板に向かって電子ビームを誘導するステップと、
前記基板にガスを供給するステップであって、前記電子ビームが、前記ガスと前記基板材料の間の反応を開始させ、前記反応が、前記第１の領域のエッチング速度が前記第２の領域のエッチング速度よりも速くなるような前記ドーパント濃度に依存するステップと
を含む方法。
【請求項２４】
前記反応にドーパント濃度によって大きな変化を生じさせる、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記ガスがＣＨ3Ｃｌを含む、請求項２４に記載の方法。
【図１】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図２Ｄ】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図２Ｄ】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【公開番号】特開２０１０−１９２８９３（Ｐ２０１０−１９２８９３Ａ）
【公開日】平成２２年９月２日（２０１０．９．２）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２０１０−１８０１４（Ｐ２０１０−１８０１４）
【出願日】平成２２年１月２９日（２０１０．１．２９）
【出願人】（５０１４１９１０７）エフ・イ−・アイ・カンパニー (78)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月２日（２０１０．９．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１８０１４（Ｐ２０１０−１８０１４）
【出願日】平成２２年１月２９日（２０１０．１．２９）
【出願人】（５０１４１９１０７）エフ・イ−・アイ・カンパニー (78)
【Ｆターム（参考）】
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