使用包含低质量种类和高质量种类二者的离子源的导航和样本处理的制作方法

专利名称：使用包含低质量种类和高质量种类二者的离子源的导航和样本处理的制作方法
技术领域：
本发明涉及粒子束系统中的级导航(stage navigation)和射束布置，并且特别地，涉及对样本表面上的关注位点的高精度局域导航以及使用聚焦离子束的铣削结束指示(end-pointing)。
背景技术：
现代集成电路(IC)由导体和衬底材料(例如，绝缘体和半导体)的多个层组成。检查和编辑IC中的电路或其他隐藏内部特征需要对目标区域的导航和穿过衬底材料的多个层中的一个或多个的铣削。电路编辑(CE)通过减少在设计调试阶段期间需要的掩模组的数目来降低IC开发成本,并加速总体上市时间。现今，大多数CE活动是利用聚焦离子束(FIB)系统来执行的，FIB系统常用于铣削掉衬底材料，以暴露隐藏特征并且还利用高精度来沉积材料。这些能力可以用于切割和连接器件内的电路，以及创建电气试验的探测点。应用包括:验证设计改变；在生产中调试和优化器件；以及在没有高成本且耗时的掩模组制造的情况下原型制造新器件。典型地，通过使用相对较大的离子的射束在物理上溅射掉衬底材料，来实现FIB系统中的材料移除。大多数FIB系统使用由液态金属离子源(LMIS)产生的镓离子，这是由于这种源容易制造、在室温下操作，并且可靠、长命和稳定。使用铟的离子源也是已知的。在LMIS系统中，使用包括两个或更多个不同元件的金属合金的合金源也是已知的。典型地，现有技术合金源配备有质量过滤器，使得可以选择期望的离子种类。通常使用合金源，这是由于期望的离子种类单独将不适合用在LMIS中(例如，当元素种类具有太高的熔点时)，但是合金的属性更有利。合金源还已经用于在用于植入的两个期望离子种类之间切换，例如，使用产生铍和硅离子的合金源来在砷化镓衬底上分别植入P层和η层结构。等离子体离子源也已经用于形成离子束。在美国专利申请公开N0.2005/0183667“Magnetically enhanced, inductively coupled plasma source for a focused ionbeam system”中描述的磁增强的电感耦合的等离子体离子源可以用于产生可用于CE应用的具有相对较大射束电流的精细聚焦束。尽管FIB系统还可以用于在铣削的同时生成样本图像以监视铣削工艺，但是典型地，图像限于样本的最顶表面。这导致CE应用的问题，这是由于许多现代IC不包括用作导航的参考点的可见表面特征。这尤其适用于背面编辑，该背面编辑变得对CE来说越来越常见。不是尝试从正面铣削穿过密集电路的许多层，而是操作者翻转器件并铣削穿过衬底硅以从背面访问目标区域。图1示出了典型现有技术背面IC器件10的示意表示。如图1所示，典型地，硅12的固体层覆盖电路的背面。在硅层之下，图1所示的IC器件包括有源区14以及多个更深金属层Ml至M5，其中，每个层包括由介电材料20围绕的金属线16和通孔18。图2示出了在楔形抛光后的图1的背面IC器件的示意表示，该楔形抛光是立即暴露多个层的成角度抛光。在图2的示意图中，可以看出，楔形抛光已经移除所有硅和有源层以及金属层M2和M3的暴露部分。在样本的俯视图(例如，图2所示的俯视图)中，由于从左向右观看样本，因此在区域22中，来自层M2的电介质的部分以及通孔将可见；在区域24中，M2金属线的部分将可见；在区域26中，由电介质围绕的通孔的部分将可见；以及最后，在区域28中，层M3的金属线将可见。但是在立即查看多个层的传统方式中，如图2所示的楔形抛光不能用于实际CE，这是由于IC器件被毁坏。对于隐藏在样本表面之下(例如,在体娃样本上的背面编辑中找至IJ)的特征的CE，典型地，有必要精确地确定期望掩埋特征的位置，并且然后铣削掉衬底材料，以暴露该特征。不幸的是，精确地定位这种隐藏特征可能非常困难。即使当正确地定位射束时，通常也难以在不以离子束损坏特征的情况下暴露这些特征。一旦特征在FIB图像中可见，就已经发生一定程度的损坏。换言之，当使用FIB成像来确定何时暴露特征以及应当停止铣削(通常被称作结束指示)时，特征可能在可以停止铣削之前被损坏或者甚至毁坏。此外，为了找到图像中的参考点以确定所关注的特征位于电路上何处，有时有必要通过反复试验来暴露相对较大的区域，潜在地损坏被暴露的每个区域。在一种用于在体硅器件上进行导航的方法中，在已经通过离子铣削来充分使样本衬底变薄之后，有时有可能在视觉上将高掺杂阱与FIB图像中的衬底的其余部分区别开。出于导航的目的，这些掺杂区的轮廓可以有用。但是在体硅器件上的背面铣削期间，容易丢失来自新出现的掺杂阱的信号，这可以导致对样本的过度铣削和损坏。掩埋的氧化物表面自身非常薄且易碎，并且来自掩埋特征的信号也较弱且短暂。因此，需要有侵略性的高射束电流和/或长停留时间来区分晶体管阱，这甚至可能进一步损坏样本。使用分离电子束的实时成像是另一种用于确定结束指示的方法。被转让给本申请的受让人FEI Company of Hillsboro, OR且通过引用并入本文的、Carleson的美国专利N0.7, 388, 218 “Subsurface Imaging Using an Electron Beam，，教导了一种可对表面下特征进行成像的电子显微镜。同时利用离子束的电子束成像允许针对结束指示的铣削工艺的实时观看，并且观看表面下图像的能力在暴露易损掩埋特征时给出了更大得多的误差容限。不幸的是，Carleson的双射束系统遭受多个固有缺点。双射束系统必然比单射束系统更复杂和昂贵。此外，保持这两个射束聚焦于相同焦点相当困难，这也将误差引入到系统中。尽管使用重合且甚至同轴离子和电子束的系统是已知的，但是这种系统是复杂的，并且仍包括对许多现代CE应用来说不期望的不精确度。Reiche 等人在 “Applications of Helium 1n Microscopy in SemiconductorManufacturing, ” MICROSCOPY AND ANALYSIS, pp.11-14 (July 2009)中描述了将氦离子用于表面下成像。然而，由于离子的大小较小(以及其所导致的物理样本损坏的对应缺乏)，氦离子不适用于铣削应用。将必须使用对任何显著材料移除来说更大的离子将Reiche的氦离子束与分离的离子束镜筒(column)进行组合，并且因此，Reiche的氦离子束将遭受与以上关于Carleson讨论的相同的缺陷。因此，仍需要一种用于使用FIB系统对样本进行成像和处理的改进方法，其既允许快速高精度导航和结束指示二者，又允许一旦特征已被定位就进行快速材料移除
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种用于使用FIB系统对衬底进行成像和铣削的改进方法和设备。本发明的优选实施例使用由相同射束光学器件聚焦于相同焦点的轻和重离子的混合物，在轻离子穿透至样本中更深处以允许生成表面下特征的图像时同时铣削样本表面(主要利用重离子)。在其他使用当中，本发明的优选实施例提供了可用于各种电路编辑应用(例如，背面电路编辑)的导航和样本处理的改进方法。以上相当宽地概述了本发明的特征和技术优势，以便可以更好地理解本发明的以下详细描述。以下将描述本发明的附加特征和优势。本领域技术人员应当意识到，可以容易地将所公开的概念和具体实施例用作修改或设计其他结构以实现本发明的相同目的的基础。本领域技术人员还应当认识到，这些等同构造不脱离如所附权利要求限定的本发明的精神和范围。


为了更全面地理解本发明及其优势，现在参照结合附图作出的以下描述，在附图中:
图1示出了现有技术背面IC器件的示意表示；
图2示出了在楔形抛光后的图1的背面IC器件的示意表示；
图3是示出了硅中的各种离子的平均穿透深度的蒙特卡洛(SRM)计算的曲线 图4A和4B示出了已经使用相对较高质量镓离子而成像的楔形抛光后的背面IC器件的显微照相图像；
图5A和5B示出了已经使用相对较低质量铍离子而成像的楔形抛光后的背面IC器件的显微照相图像；
图6A示出了使用金离子而成像的包含N阱对比(掺杂硅)区的IC器件的区域的显微照相图像；
图6B示出了使用铍离子而成像的包含N阱对比(掺杂硅)区的IC器件的区域的显微照相图像；
图7A和7B示意了示出针对两个可能混合离子束的信号相对于位置的变化的理论CRT行扫描；
图8是示出了针对氩/氙混合物的适用于纯成像的混合射束与适用于纯溅射的混合射束之间的关系以及等离子体气体比的曲线 图9示出了针对用于在伪混合射束中的轻离子和重离子之间切换的两个不同的可能占空比的质量过滤器电磁电压相对于时间的变化的曲线 图10示出了可以用于实现本发明的方面的具有质量过滤器的LMIS FIB系统；以及 图11示出了同时执行蚀刻和成像的本发明的实施例的步骤。附图并不意在按比例绘制。在附图中，在各幅图中示意的每个相同或几乎相同的组件由相似的数字表示。为了清楚的目的，在每幅图中，可以不是每个组件都标记。
具体实施例方式本发明的优选实施例涉及生成并使用由轻离子和重离子的混合物组成的离子束以在仍允许快速材料移除的同时提供对表面下特征的成像的方法。在本发明的优选实施例中，将轻离子和重离子形成至混合射束中，使得可以同时使用该轻离子和重离子来处理样本，其中，如在传统FIB系统中那样，重离子铣削样本，而轻离子穿透至样本中更深处，以提供与表面下特征有关的信息。在其他优选实施例中，质量过滤器可以用于以所选频率在轻离子和重离子之间快速切换，以在铣削的同时提供对表面下特征的成像，并且还允许对由合金LMIS产生的轻离子和重离子的比率的调整。还可以使用具有多个气体源的等离子体FIB来实施本发明，从而允许通过调整在等离子体离子源中使用的气体的成分来控制轻离子和重离子的比率。本发明的优选方法或设备具有许多新方面，并且由于本发明可以出于不同目的而体现在不同方法或设备中，因此不是每个方面都需要在每个实施例中出现。此外，所描述的实施例的许多方面可以分别可授予专利权。

常用于半导体制造中的电路编辑(CE)的FIB系统使用由相对较大离子(例如，镓)形成的离子束来铣削掉衬底材料，以暴露隐藏特征。使用这种典型离子束系统的样本成像限于样本的最顶表面。由此，开发了用于针对CE应用导航至掩埋特征并安全地揭开掩埋特征的各种技术。不幸的是，这些技术通常耗时并需要昂贵的专用设备。本发明的优选实施例通过以下方式克服了现有技术的这些缺点:同时使用由相同射束光学器件聚焦于相同焦点的轻离子和重离子的混合物，在轻离子穿透至样本中更深处时同时铣削样本表面(主要利用重离子)，以允许生成表面下特征的图像。在其他使用当中，本发明的优选实施例提供了可用于各种电路编辑应用(例如，背面电路编辑)的导航和样本处理的改进方法。离子在固体中的穿透深度取决于离子的质量，如图3中的曲线图所示，该曲线图示出了硅中的各种离子的平均穿透深度的蒙特卡洛(SRM)计算。尽管更轻的离子(例如，氦或铍)被已知能够穿透衬底至更大深度，并从而提供与衬底表面之下的特征有关的一定程度的信息，但是这些更轻离子对铣削应用来说无用得多。确切地说，这是由于更轻离子趋于穿透样本表面，而不是如更重离子(例如，镓)那样碰撞并溅射掉材料。当然，表面下成像的主要限制不必是平均离子穿透深度，而是二次电子可从样本逃逸并被检测到的深度。然而，现代IC器件上的金属层极薄(80-120 nm)。镓离子具有在硅中 27 nm的平均穿透深度，并因此不会穿透比一个IC层更深。然而，质量低于 20 amu的离子将在50 keV处这样，并且低于 12 amu的离子将在30 keV处这样。在这一点上，He+、Li+、Be+、B+、O+、Ne+和可能的Si+应当能够穿透典型IC层厚度。如本文所使用，术语“轻离子”或“相对较低质量离子”将用于指代将穿透至少一个IC层的离子。“重离子”或“相对较高质量离子”将指代质量大于硅Γ28 amu)的离子，这些离子更适用于快速材料移除。如本文所使用，“快速材料移除”将指代针对给定样本类型和射束配置的材料移除速率，其至少与针对使用硅离子的射束配置和样本类型的材料移除速率一样快。本领域技术人员将认识到，两个离子种类之间的amu差异越大，则相比于通过重离子成像提供的信息，轻离子种类将提供的表面下信息越多。优选地，较重元素种类将具有较轻元素种类的质量至少两倍的质量。在一些优选实施例中，较重离子将具有比较轻离子大至少40 amu的质量；更优选地，较重离子将具有比较轻离子大至少100 amu的质量。此外，应当注意，典型地，术语“二次电子”用于指代从通过具有足够能量的主入射粒子与样本中的价电子的交互而产生的样本表面发射的自由电子。这种所发射的能量小于50 eV的电子被称为二次电子。由于其低能量,低于样本表面多于特定距离所生成的二次电子不能从样品逃逸。尽管最大逃逸深度随混合物(compound)而变化,但是在表面的2-5 nm内产生大多数二次电子。由于轻离子可以用于在远大于5 nm的深度处生成表面下图像，因此显然存在针对穿透较深的离子工作的其他机制，以改变从表面逃逸的电子的数目。但是在任何情况下，可以通过检测在表面上扫描相对较轻离子的射束时逃逸衬底表面的电子，来对样本表面之下的特征进行成像，而不论例如逃逸的电子是真正的二次电子、是反向散射的离子、还是充电效应所导致的。可以通过将图4A和4B与图5A和5B进行比较来清楚地看到这种类型的表面下成像。图4A示出了已经使用相对较高质量的镓离子而成像的楔形抛光后的背面IC器件的显微照相图像。图4B是图4A中的参考标记42所指示的区域的放大。IC器件的该图像仅示出了通孔(其作为由暗介电材料46围绕的白点44出现)。图5A和5B (其中，图5B是图5A所示的参考标记52所指示的区域的放大)示出了已经使用相对较低质量铍离子而成像的楔形抛光后的背面IC器件的类似显微照相图像。当与图4A和4B相比时，清楚地，可以在图5A和5B中清楚地看到多个表面下特征(例如，金属线54)。这些金属线掩埋在样本表面之下，并在图4A和4B的表面图像中根本不可见。图6A至6B还示意了针对包含N阱对比(掺杂硅)区的IC器件的区域的由重离子和轻离子产生的图像的差异。图6A是使用相对较重的金(Au+)离子来成像的，并且几乎无法看到样本特征。然而，图6B是使用更轻得多的铍(Be2+)离子来成像的。在该显微照相中，可以清楚地看到表面之下的特征。质量比硅轻的任何离子应当提供较优的表面下成像，并且，比镓轻的任何离子将优于现今可利用传统的基于镓的液态金属离子源(LMIS)实现的离子。根据优选实施例，较轻质量离子将能够穿透样本表面至>80 nm的深度,更优选地至>120 nm的深度。由此,优选的较轻离子还将提供至>80 nm的深度(更优选地至>120 nm的深度)的表面下图像信息。与较重离子(例如，镓)所导致的样本损坏相比，较轻离子还将导致更小的样本损坏。当然，这意味着:较轻离子将在经由溅射来移除材料时更低效得多，这使得由轻离子形成的离子束不适用于大多数电路编辑(CE)应用。然而，申请人已经发现，由于静电光学器件用于聚焦对离子质量不敏感的离子束，因此有可能将包含不同大小离子的混合物的离子束同轴地聚焦于相同焦点。换言之，使用由重种类(例如，镓)和轻种类(例如，铍)构成的组合射束，重种类和轻种类这两者的聚焦射束位置将重合。因此，使用这种混合射束，有可能高效地铣削掉具有重离子组分的材料，同时使用更轻离子来获得附加成像信息。由于轻离子穿透至样本中更深处，因此实际上可以在进行铣削的同时直接对表面下特征进行成像。本发明的优选实施例在特定类型的衬底处理中(例如，在上述CE应用中)提供了显著优势。使用本发明，对掩埋目标结构的精确位置的导航更容易和快速得多，这是由于不必暴露表面下结构以使用其坐标来定位特定特征。取而代之，使用由轻离子提供的表面下信息，可以定位这种特征并将这种特征与CAD设计数据进行相关。这样做的方便方式是:将CAD形状“覆盖”在二次FIB图像上，并且然后执行两点或三点CAD多边形配准。一旦已经将来自IC芯片设计的坐标映射至实际样本，并且FIB系统已经导航至目标结构的大致区域，任何附加样本配准就也更容易和快速，这是由于还可以观察到样本表面之下的局部特征并使用该局部特征来重新配准样本和图像。本发明还使以下操作更容易得多:一旦掩埋目标结构已被定位，就暴露该掩埋目标结构。由于在特征被暴露于混合射束中的重离子之前可以在二次FIB图像中看到这些特征，因此在目标结构被损坏或毁坏之前停止铣削变得更容易得多。因此，在本发明的优选实施例中，能够产生两种不同离子(一个相对较轻(低质量)并且一个相对较重(高质量))的合金源可以用于产生用于对样本进行成像和处理的混合离子束。优选地，这两种不同离子不是通过使用质量过滤器来分离的，而是二者均存在于被聚焦至样本上的射束中。在一些实施例中，质量过滤器仍可以用于滤除掉其他类型的离子，例如当合金源是三重(tertiary)合金源但仅期望将离子种类中的两个用于对样本进行成像和处理时。在其他实施例中，如下所述，质量过滤器可以用于在离子之间快速切换，以“调谐”撞击样本表面的轻离子和重离子的比率。本领域中已知合金源，并且任何这种源可以用于实施本发明，只要该源产生轻离子和重离子的合适组合即可。例如，AuSiBe、AuSi和AsPdB合金源可商售。如以下更详细讨论，有时将期望针对特定应用调整轻离子与重离子的比率。利用LMIS，该比率由合金中的元素的比率固定。大多数可商售的合金源是共晶成分，这意味着:元素的百分比得到该组合的最低熔点。除较低熔点外，总成分在共晶成分处保持更稳定。尽管典型地，不同成分是可能的，但是所得到的熔点以及所得到的合金的蒸气压必须适合用作合金LMIS。多个其他因素也对特定合金用作合金LMIS的适用性作出贡献。这些因素包括:熔点是否足够低；熔点处的蒸气压；合金是否在处于操作温度时与典型(或易于使用)的衬底材料发生反应；合金是否使衬底材料变湿；合金是否易于在空气中处理(例如，包含Li和Cs的合金是不易于在空气中处理的成分的良好示例)；以及总成分是否随时间/操作保持恒定。用于实施本发明的合适合金LMIS还必须具有足够高以实现对期望特征的充分表面下成像的轻离子含量和足够高以允许在足够高速率下进行材料移除的重离子含量。图7A和7B示意了示出针对两个可能混合离子束的信号相对于位置的变化的理论CRT行扫描。尽管在实际混合射束操作中，难以(如果不是不可能的话)将由轻离子产生的二次电子与由重离子产生的二次电子分离开，但是在这两个信号曲线图中，线601和611示意了可能由轻离子种类产生的电子信号，而线602和612示意了可能由重离子种类产生的电子信号。线603和613示出了组合信号(分别为由线601加上602示出的信号值以及由线611加上612示出的信号值)，这将表示将在实际操作期间检测到的信号。在图7A中，混合射束具有与重离子相比相对较低百分比的轻离子。由于在样本表面604上扫描混合离子束，因此重离子并不穿透样本的无特征表面，并且因此，信号的改变仅反映系统背景噪声。较轻离子穿透样本表面，并因此返回与掩埋特征605和606有关的信息。然而，如图7A所示，样本605具有相对较低对比特征(由于大小、成分、深度等，更难与周围的衬底区分)。尽管信号线601示出了存在掩埋特征605，但是信号差足够小以使得其在由重离子种类产生的更大得多的信号中丢失。由此，在组合信号线603中，将非常难以将由特征605产生的对比与信号噪声区分。另一方面，特征606是较高对比特征，因此，甚至使用相对较低百分比的轻离子，信号对比也足够大以使得可以在组合信号603中看到它。在图7B中，混合射束具有与重离子相比更高百分比的轻离子。由此，甚至对于低对比特征605，信号对比也足够大以使得可以将其与组合信号中的背景噪声分离。当然，特征606的信号对比将甚至更大。显著地，由更大百分比的轻离子产生的表面下特征的增大的对比以降低的铣削速度为代价出现。对于大多数应用，将期望调谐轻/重离子的相对百分比，以实现最小可接受表面下成像灵敏度(换言之，实现轻离子的最小可接受百分比)，以便最大化铣削速度。例如，即使轻离子的百分比相对较低，也可以在组合信号中识别高对比表面下图像。然而，如果轻离子的百分比变得太低，则来自甚至高对比特征的信号对比将在由重离子种类的表面碰撞产生的更大得多的电子信号中丢失。对于非常低对比表面下特征，其可能需要非常高百分比的轻离子，在一些情况下，逼近100%。在大多数情况下，可以通过选择特定标准合金LMIS源来实现对轻离子和重离子的百分比的充分“调谐”。本领域技术人员将能够平衡针对特定应用的考虑，以在没有过多实验的情况下针对大多数应用选择合适的已知合金LMIS。然而，在其他情况下，可以期望更精细地调谐相对百分比或者在处理样本时即时调整百分比。被转让给本发明的受让人且通过引用并入本文的、Smith等人的美国专利申请 12/373，676，“Mult1-Source Plasma Focused 1n Beam System，，描述了一种能够在多个气体源之间切换的等离子体FIB。如以下更详细描述，可以使用类似设备来同时输送多种气体，从而得到包含多个离子种类的混合射束。使用这种多源等离子体FIB，可以容易地将轻和重离子的相对百分比调整至任何期望百分比，例如，如图8所示针对金和氙离子的混合物的纯成像(100%轻离子)与纯溅射(100%重离子)之间。对这种多源等离子体FIB的使用还将允许“即时”调整百分比，使得例如出于导航的目的，可以将更大浓度的轻离子用于对表面下图像进行成像，但是一旦定位了所关注的掩埋特征，就可以增大重离子的百分比以用于更快铣削。由于将经由气体源来控制离子种类的混合，因此可以在没有质量过滤器的情况下使用等离子体FIB来实施本发明的优选实施例。在合金LMIS的情况下，不能调整该源自身的成分，尽管将有可能产生定制源，该定制源将产生期望百分比的轻离子和重离子。显著地，当使用包含适当百分比的轻离子和重离子的合金LMIS时，质量过滤器也不会是必要的，这将极大地降低系统成本和复杂度。
尽管不能如多源等离子体FIB中的气体成分那样“即时”调整合金源的成分，但是对配备有质量过滤器的合金LMIS系统的使用将允许对碰撞表面的轻离子和重离子的相对百分比的某种调整。根据本发明的优选实施例，质量过滤器可以用于在材料处理期间以所选频率在离子种类之间快速切换。例如，质量过滤器可以仅允许轻离子在短时段内撞击样本，然后在另一所设置的非常短时段内切换至重离子。通过以所设置的频率在轻离子与重离子之间快速交替，可以使样本成像对操作者来说显得与样本铣削同时。尽管对轻离子和重离子的使用将交替而不是同时，但是对操作者来说，将显得好像正在使用真正的混合和一致射束。给定系统可在轻离子和重离子之间切换以产生这种“伪”混合射束的速率将取决于可多频繁地调整磁质量过滤器。可以通过以MHz范围内的频率将周期性函数应用于质量过滤器电压，在离子种类之间调整典型质量过滤器，尽管优选地，磁体沉降(settle)所需的时间将被构建至数据获取中，使得仅在适当时刻处收集数据(成像)。约十分之一秒的在离子种类之间切换的占空比将足够快，以使得其不会在视觉上扰乱实时观看样本处理的操作者。根据应用，通过调整每个离子种类被允许经过质量过滤器的时间长度，可以调整射束以有利于无破坏性成像或侵略性溅射。这是在图9中示意的，图9示出了针对用于在伪混合射束中的轻离子和重离子之间切换的两个不同的可能占空比的质量过滤器电磁电流相对于时间的变化的曲线图。虚线900和实线902中的每一个示出了随时间对质量过滤器磁体施加的电压，其中，所应用的周期性函数在V1与V2之间切换磁体，在V1处，仅允许重离子种类经过质量过滤器，在V2处，仅允许轻离子种类经过质量过滤器。如该曲线图中所示，对于虚线900所示的占空比，质量过滤器保持处于电压M2 (允许轻离子经过)的时间比实线902所示的周期中长大约四倍。由此，使用线900所示的周期的样本处理将导致与线902所示的周期的相比每周期相对较高百分比的轻离子撞击样本。这将使线900的周期更适用于较少破坏性的成像，而线902的周期将导致更多数目的大离子，并因此导致更快的材料移除。图9中的这两个占空比时间的频率为大约10 Hz，尽管可以使用不同的频率。图10示出了可以用于实现本发明的优选实施例的典型FIB系统210。还可以使用包括例如双射束系统(例如，FIB/SEM双射束系统)的其他粒子束系统来实现本发明。聚集离子束系统210包括真空容器211，真空容器211具有上颈部分212，在上颈部分212内定位了离子源214和聚焦镜筒216，该聚焦镜筒216包括提取电极215和静电光学系统，该静电光学系统包括聚光透镜217和物镜252。优选地,离子源214是产生多于一个元素种类的离子(优选地，轻离子和重离子的组合)的合金LMIS。如本文所使用，短语“不同元素种类”(或者“多于一个元素种类”)用于指代具有不同元素成分的离子。典型地，离子将完整地具有至少两个不同元素，例如，上述金离子和铍离子的混合射束。然而，在一些实施例中，混合离子中的一个或两个可以是由多于一个元素组成的离子(例如，AuBe+)。一旦从源提取离子(既有轻离子又有重离子)，就通过聚焦镜筒216内的静电透镜将这些离子加速并聚焦至样本上。在其他优选实施例中，可以使用等离子体源，优选地，包括多个气体源的等离子体源。离子束218从离子源214经过镜筒216并在220处示意性指示的静电偏转装置之间朝向样本222传递，样本222包括例如位于下室226内的可移动X-Y-Z镜台224上的半导体器件。可以采用离子泵或其他泵浦系统(未示出)来排空颈部分212。在真空控制器232的控制下利用涡轮分子和机械泵浦系统230来排空室226。真空系统在室226内提供大约
IX 10_7托与5 X 10_4托之间的真空。如果使用蚀刻辅助、蚀刻阻滞气体或沉积前体气体，则室本底压强可以上升，典型地，上升至约I X 10_5托。高电压电源234连接至离子源214以及聚焦镜筒216中的适当电极，以形成离子束218并向下引导该离子束218。根据由图案发生器238提供的指定图案操作的偏转控制器和放大器236耦合至偏转板220，从而可以控制射束218以在样本222的上表面上描绘出对应图案。在一些系统中，将偏转板放置于最后的透镜前，如本领域中公知。典型地，离子源214提供镓的金属离子束，尽管可以使用其他离子源，例如多峰或其他等离子体离子源。典型地，离子源214能够在样本222处聚焦为低于十分之一微米宽的射束，以通过离子铣削、增强的蚀刻、材料沉积修改样本222或出于对样本222进行成像的目的。当尚子束218中的尚子撞击工件222的表面时,发射二次电子和反向散射电子。用于检测针对成像的二次离子或电子发射的带电粒子倍增器240连接至信号处理器242，在信号处理器242中，对来自带电粒子倍增器240的信号进行放大，将其转换为数字信号，并对其进行信号处理。所得到的数字信号要在监视器244上显示样本222的图像。打开门270，以将样本222插入到可被加热或冷却的镜台224上，并且还在使用内部气体供给储存库的情况下使门270服务于内部气体供给储存库。对门进行联锁，使得如果系统处于真空下，则无法打开该门。高电压电源将适当加速电压提供给离子束镜筒216中的电极，以通电和聚焦离子束218。气体输送系统246延伸至下室226中，以引入气态蒸气并向样本222引导该气态蒸气。被转让给本发明的受让人的、Casella等人的美国专利N0.5, 851, 413 “GasDelivery Systems for Particle Beam Processing”描述了合适的气体输送系统 246。在也被转让给本发明的受让人的、Rasmussen的美国专利N0.5, 435, 850 “Gas InjectionSystem”中描述了另一气体输送系统。例如，可以输送碘以增强蚀刻，或者可以输送金属有机化合物以沉积金属。系统控制器219控制双射束系统20的各个部件的操作。通过系统控制器219，用户可以使得以期望的方式通过被输入至传统用户界面(未示出)中的命令对离子束218进行扫描。系统控制器219还可以包括计算机可读存储器221，并可以根据存储器221中存储的数据或编程指令来控制双射束系统210。可以使用关于存储器221中存储的样本/半导体的CAD数据，来创建用于定位所关注的特征和对准点或传送基准的CAD多边形覆盖物或其他定位数据，如上所述。可选地，FIB系统210还可以包括质量分离器(例如，质量过滤器250)，以便将单个离子种类从由合金LMIS或等离子体源提供的重种类和轻种类的组合中分离出。当由质量过滤器250施加磁场时，将通过质量来散开混合离子束。对电压的适当选择将允许仅一个离子种类经过质量选择孔径251并继续经过较低镜筒至样本。不同的电压将允许另一离子种类经过孔径。优选地，质量过滤器250将能够在所选电压之间快速切换，以便以MHz范围内的频率使轻离子束和重离子束交替。图11示出了同时执行蚀刻和成像的本发明的实施例的步骤。步骤1102包括:提供产生至少两个离子种类的离子源。步骤1104包括:提供用于产生离子的射束的离子束镜筒，该射束包括该至少两个离子种类，每个离子种类具有不同的元素成分，其中，一个离子种类具有较低质量并且一个离子种类具有较高质量。步骤1106包括:向样本引导包括至少两个离子种类的粒子束，以同时对样本进行处理和成像。然后，步骤1108包括:检测由于较轻离子的碰撞而从样本发射的二次电子，以形成至少一个表面下特征的图像。在步骤1110中，如果已经暴露充足的特征，则使用所成像的表面下特征的位置向样本引导离子束。在步骤1111中，使用较重离子种类的离子来处理样本，以铣削样本表面。当处理和成像完成时，该方法结束于步骤1112。在一些实施例中，可以更改射束中的粒子的百分比，以微调聚焦离子束的成像和处理能力。较高浓度的重离子将允许以高速率移除材料，而较高浓度的轻离子将允许充足的表面下成像。因此，本发明的优选实施例提供了一种用于对样本上的所关注的特征的高精度射束布置和导航的设备，包括:离子的源，所述源产生多于一个元素种类的离子；以及粒子束镜筒，用于产生包括多于一个元素种类的离子的同轴混合离子束，以及用于将混合射束聚焦于在所述样本处或在所述样本附近的焦点。本发明的优选实施例还包括存储计算机指令的计算机可读存储器，该指令包括用于控制所述设备执行以下步骤的程序:检测由较轻离子种类的离子在所述样本上的碰撞而引起的二次电子，以形成所述样本的表面下特征的图像；使用所成像的表面下特征的位置来向所述样本引导离子束；以及使用较重离子种类的离子来处理所述样本，以铣削样本表面。根据优选实施例，所述离子的源产生具有〈20 amu的质量的较轻元素种类的离子和具有>28 amu的质量的较重元素种类的离子的混合物。根据其他优选实施例，所述较重元素种类具有所述较轻元素种类的原子质量的至少两倍的原子质量，或者，所述较重元素种类具有比所述较轻元素种类的原子质量大至少40 amu的原子质量。优选地，所述离子的源产生包括较轻元素种类的离子和较重元素种类的离子的离子的混合物，所述较轻元素种类所具有的原子质量足够低，以使得当混合射束被聚焦至表面上时，所述较轻元素种类的离子将穿透样本表面至>120 nm的深度，以及，所述较重元素种类所具有的原子质量足够高，以使得当混合射束被聚焦至表面上时，所述较重元素种类的离子将通过溅射来快速移除样本材料。根据优选实施例，所述离子的源是等离子体源，所述等离子体源包括多个气体源，所述多个气体源用于同时输送多种气体，以产生具有多于一个兀素种类且在所述多于一个元素种类之间具有期望比率的离子。优选地，可以调整被输送至所述等离子体源的多种气体的量，以改变所产生的离子在所述多于一个元素种类之间的比率。根据其他优选实施例，所述离子的源是合金液态金属离子源，其中，所述合金液态金属离子源产生具有较低质量的离子的一个元素种类和具有较高质量的另一离子种类。尤其是在使用LMIS的情况下，优选地，本发明还包括:质量过滤器，用于在较低和较高质量离子之间过滤，使得射束仅包括较轻离子或较重离子之一的离子；以及存储计算机指令的计算机可读存储器，该指令包括用于控制所述设备来促使以所选频率在至少第一和第二离子种类之间来回快速切换的程序。优选地，调整较轻或较重离子中的每一个被所述质量过滤器过滤的时间长度，以有利于表面下成像而不是样本处理，或有利于样本处理而不是表面下成像。本发明的优选实施例还提供了一种用于准确地在样本上定位所关注的特征的设备，包括:粒子束镜筒，用于沿射束轴产生带电粒子的射束，以对所述样本进行成像和/或铣削；带电粒子的源，所述带电粒子组成粒子束，其中，所述粒子的源产生至少第一和第二离子种类，所述第一和第二种类具有不同元素成分和不同原子量；质量过滤器，用于在所述至少第一和第二离子种类之间进行过滤，使得带电粒子束仅包括所述第一和第二离子种类之一的离子；以及存储计算机指令的计算机可读存储器，该指令包括用于控制所述设备来促使以所选频率在所述至少第一和第二离子种类之间来回快速切换的程序。本发明的优选实施例还提供了一种用于处理具有表面下特征的样本的方法，所述方法包括:提供粒子束系统，所述粒子束系统包括产生至少两个离子种类的离子源和用于产生离子的射束的离子束镜筒，所述射束包括所述至少两个离子种类，以及，所述至少两个离子种类具有不同元素成分并包括具有较低原子质量的较轻离子种类和具有较高原子质量的较重离子种类；向所述样本引导离子束，以对所述样本进行成像和处理；检测由较轻离子种类的离子在所述样本上的碰撞而引起的二次电子，以形成所述样本的表面下特征的图像；使用所成像的表面下特征的位置，向所述样本引导离子束；以及使用较重离子种类的离子来处理所述样本，以铣削样本表面。根据一些优选实施例，使用所成像的表面下特征的位置向所述样本引导离子束包括:在表面下图像上叠加CAD设计数据的图形表示，并执行图像与CAD设计数据的配准；使用从CAD设计数据已知的坐标，将所述粒子束系统导航至目标位置；以及对所述表面下特征重新成像，以定位目标并将射束导航至所述目标位置。尽管本发明的以上描述主要涉及生成并使用由轻离子和重离子的混合物组成的离子束的方法，但是应当意识到，执行这种方法的操作的设备也将处于本发明的范围内。此夕卜，应当意识到，可以经由计算机硬件或软件或者这两者的组合来实现本发明的实施例。根据本说明书中描述的方法和附图，可以使用标准编程技术在计算机程序中实现这些方法，标准编程技术包括利用计算机程序而配置的计算机可读存储介质，其中，如此配置的存储介质使计算机以具体和预定义方式操作。可以以高级过程或面向对象编程语言实现每个程序，以与计算机系统进行通信。然而，在期望时，可以以汇编或机器语言实现程序。在任何情况下，语言可以是编译或解释语言。此外，程序可以在出于该目的而编程的专用集成电路上运行。此外，可以在任何类型的计算平台中实现方法，这些计算平台包括但不限于与带电粒子工具或其他成像设备分离、集成或通信的个人计算机、小型计算机、主框架、工作站、联网或分布式计算环境、计算机平台等。本发明的方面可以以存储介质或器件上存储的机器可读代码实现，不论该存储介质或器件是可移除的还是与计算平台集成，例如，硬盘、光学读取和/或写入存储介质、RAM、ROM等，使得其可由可编程计算机读取，以在由计算机读取存储介质或器件以执行本文描述的过程时配置和操作计算机。此外，可以在有线或无线网络上传输机器可读代码或其部分。本文描述的本发明包括这些和其他各种类型的计算机可读存储介质，当这种介质包含用于实现以上结合微处理器或其他数据处理器描述的步骤的指令或程序时。本发明还包括当根据本文描述的方法和技术编程时的计算机自身。可以将计算机程序应用于输入数据，以执行本文描述的功能，并从而变换输入数据以生成输出数据。将输出信息应用于一个或多个输出设备，例如显示监视器。在本发明的优选实施例中，变换后的数据表示物理和有形对象，包括在显示器上产生物理和有形对象的特定视觉描绘。本发明的优选实施例还利用粒子束设备(例如，FIB或SEM)，以使用粒子的射束来对样本进行成像。用于对样本进行成像的这种粒子固有地与样本进行交互，导致某种程度的物理变换。此外，遍及本说明书，利用诸如“计算”、“确定”、“测量”、“生成”、“检测”、“形成”、“叠加”、“成像”、“导航”等术语的讨论还指代计算机系统或类似电子器件的动作和过程，该计算机系统或类似电子器件对被表示为计算机系统内的物理量的数据进行操控，并将其变换为类似地被表示为计算机系统或其他信息存储、传输或显示器件内的物理量的其他数据，或控制粒子束系统的操作。本发明具有较宽适用性，并可以提供如以上示例中描述和示出的许多优点。实施例将根据具体应用而极大地变化，并且，不是每个实施例都将提供所有优点并满足本发明可实现的所有目的。适用于执行本发明的粒子束系统是可商售的，例如，从本申请的受让人FEI公司。尽管先前描述中的大部分涉及半导体晶片，但是本发明可以适用于任何合适衬底或表面。此外，无论何时本文使用术语“自动的”、“自动化的”或类似术语，这些术语都将被理解为包括对自动或自动化过程或步骤的手动启动。在以下讨论中以及在权利要求中，术语“包括”和“包含”是以开放端的方式使用的，并因此应当解释为意味着“包括但不限于”。术语“集成电路”指代在微芯片的表面上图案装饰的电子组件及其互连(通称为内部电路元件)的集合。术语“半导体器件”一般指代集成电路(1C)，其可以与半导体晶片集成、从晶片单独切割(Singulated)、或者封装以用在电路板上。本文使用术语“FIB”或“聚焦离子束”来指代任何准直离子束，包括由离子光学器件聚焦的射束以及成形的离子束。就在本说明书中未特殊定义任何术语来说，意在应当对该术语给予其明确且普遍的含义。附图意在帮助理解本发明，并且除另有指示外，附图不按比例绘制。尽管已经详细描述了本发明及其优势，但是应当理解，在不脱离如所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对本文描述的实施例进行各种改变、替换和更改。此外，本申请的范围并不意在限于说明书中描述的过程、机器、制造、物质组成、装置、方法和步骤的特定实施例。如本领域普通技术人员将从本发明的公开中容易地意识到，根据本发明，可以利用执行与本文描述的对应实施例实质上相同的功能或实现与本文描述的对应实施例实质上相同的结果的现有或后续开发的过程、机器、制造、物质组成、装置、方法或步骤。相应地，所附权利要求意在将这些过程、机器、制造、物质组成、装置、方法或步骤包括在其范围内。
权利要求
1.一种用于对样本上的所关注的特征进行高精度射束布置和导航的设备，包括: 离子的源，所述源产生多于一个元素种类的离子；以及 粒子束镜筒，用于产生包括多于一个元素种类的离子的同轴混合离子射束，以及用于将该混合射束聚焦于所述样本处或所述样本附近的焦点。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述离子的源产生具有〈20amu的质量的较轻元素种类的离子和具有>28 amu的质量的较重元素种类的离子的混合物。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述离子的源产生较轻元素种类的离子和较重元素种类的离子的混合物，其中，所述较重元素种类具有所述较轻元素种类的原子质量的至少两倍的原子质量。
4.根据权利要求3所述的设备，其中，所述较轻元素种类具有小于20amu的原子质量。
5.根据权利要求3所述的设备，其中，所述较重元素种类具有大于28amu的原子质量。
6.根据权利要求1所述的设备，其中，所述离子的源产生包括较轻元素种类的离子和较重元素种类的离子的离子的混合物，其中，所述较重元素种类具有比所述较轻元素种类的原子质量大至少40 amu的原子质量。
7.根据权利要求1所述的设备，其中，所述离子的源产生包括较轻元素种类的离子和较重元素种类的离子的离子的混合物，所述较轻元素种类所具有的原子质量足够低，以使得当混合射束被聚焦至表面上时，所述较轻元素种类的离子将穿透样本表面至>120 nm的深度，以及，所述较重元素种类所具有的原子质量足够高，以使得当混合射束被聚焦至表面上时，所述较重元素种类的离子将 通过溅射来快速移除样本材料。
8.根据权利要求1所述的设备，其中，所述离子的源是等离子体源，所述等离子体源包括多个气体源，所述多个气体源用于同时输送多种气体，以产生多于一个元素种类的离子。
9.根据权利要求8所述的设备，其中，包括多个气体源的等离子体源产生多于一个元素种类的并且在所述多于一个元素种类之间具有期望比率的离子。
10.根据权利要求9所述的设备，其中，能够调整被输送至所述等离子体源的多种气体的量，以改变所产生的离子在所述多于一个元素种类之间的比率。
11.根据权利要求2所述的设备，其中，所述离子的源是等离子体源，所述等离子体源包括多个气体源，所述多个气体源用于同时输送多种气体，以产生多于一个元素种类的离子，以及其中，能够调整被输送至所述等离子体源的多种气体的量，以改变所产生的离子在所述多于一个元素种类之间的比率。
12.根据权利要求1所述的设备，其中，混合射束中的多于一个元素种类的离子同时对所述样本进行处理和成像。
13.根据权利要求2所述的设备，其中，在操作中，所述较轻元素种类的离子能够用于产生所述样本的至>80 nm的深度的表面下图像。
14.根据权利要求13所述的设备，其中，在操作中，所述较重元素种类的离子能够用于快速移除样本材料。
15.根据权利要求14所述的设备，其中，在操作中，所述表面下图像用于控制材料移除。
16.根据权利要求14所述的设备，其中，在操作中，能够更改混合射束中的轻元素种类与较重元素种类的比率，以微调所述样本的成像和/或蚀刻。
17.根据权利要求14所述的设备，还包括存储计算机指令的计算机可读存储器，该指令包括用于控制所述设备执行以下步骤的程序: 检测由所述较轻离子种类的离子在所述样本上的碰撞而引起的二次电子，以形成所述样本的表面下特征的图像； 使用所成像的表面下特征的位置向所述样本引导离子束；以及 使用所述较重离子种类的离子来处理所述样本，以铣削样本表面。
18.根据权利要求1所述的设备，其中，所述离子的源是合金液态金属离子源。
19.根据权利要求18所述的设备,其中，所述合金是AuSiBe、AuSi或AsPdB。
20.根据权利要求18所述的设备，其中，所述合金液态金属离子源产生具有较低质量的离子的一个元素种类和具有较高质量的另一离子种类。
21.根据权利要求20所述的设备，其中，所使用的合金液态金属离子源的类型由给定的合金液态金属离子源所产生的较轻离子种类与较重离子种类的比率确定。
22.根据权利要求20所述的设备，还包括:质量过滤器，其用于在较低质量离子和较高质量离子之间进行过滤，使得射束仅包括较轻离子或较重离子之一的离子；以及 存储计算机指令的计算机可读存储器，该指令包括用于控制所述设备来促使以所选频率在至少第一和第二离子种类之间来回快速切换的程序。
23.根据权利要求22所述的设备，其中，较轻离子用于所述样本的表面下成像，以及其中，较重离子用于处理所述样本。
24.根据权利要求23所述的设备，其中，调整较轻离子或较重离子中的每一个被所述质量过滤器过滤的时间长 度，以有利于表面下成像而不是样本处理，或有利于样本处理而不是表面下成像。
25.根据权利要求23所述的设备，还包括:存储计算机指令的计算机可读存储器，该指令包括用于控制所述设备执行以下步骤的程序: 检测由所述较轻离子种类的离子在所述样本上的碰撞而引起的二次电子，以形成所述样本的表面下特征的图像；以及 使用所成像的表面下特征的位置向所述样本引导离子束；以及 使用所述较重离子种类的离子来处理所述样本，以铣削样本表面。
26.根据权利要求18所述的设备，其中，所述离子的源是产生多于两个不同元素种类的离子的合金液态金属离子源，以及，所述设备还包括:质量过滤器，其用于过滤掉至少一个元素种类的离子，但允许两个不同元素种类的离子的混合射束被聚焦至所述样本上。
27.一种用于准确地定位样本上的所关注的特征的设备，包括: 粒子束镜筒，用于沿射束轴产生带电粒子的射束，以对所述样本进行成像和/或铣削；组成所述粒子束的带电粒子的源，其中，所述粒子的源产生至少第一和第二离子种类，所述第一和第二种类具有不同元素成分和不同原子量； 质量过滤器，用于在所述至少第一和第二离子种类之间进行过滤，使得带电粒子束仅包括所述第一和第二离子种类之一的离子；以及 存储计算机指令的计算机可读存储器，该指令包括用于控制所述设备来促使以所选频率在所述至少第一和第二离子种类之间来回快速切换的程序。
28.根据权利要求27所述的设备，其中，在离子种类之间切换的频率为至少每十分之一秒。
29.根据权利要求27所述的设备，其中，在离子种类之间的切换以足够高的频率发生，以使成像和处理对操作者来说显得是同时进行的。
30.根据权利要求27所述的设备，其中，以所选频率在所述至少第一和第二离子种类之间来回切换是通过以期望频率将周期性函数应用于质量过滤器电压来实现的。
31.根据权利要求30所述的设备，其中，能够在射束的操作期间调整频率。
32.根据权利要求28所述的设备，其中，第一种类的离子是用于所述样本的表面下成像的较轻种类的离子 ，以及其中，第二种类的离子是用于处理所述样本的较重种类的离子。
33.根据权利要求32所述的设备，其中，调整第一种类的离子和第二种类的离子中的每一个被所述质量过滤器过滤的时间长度，以有利于表面下成像而不是样本处理，或有利于样本处理而不是表面下成像。
34.一种用于处理具有表面下特征的样本的方法，所述方法包括: 提供粒子束系统，所述粒子束系统包括产生至少两个离子种类的离子源和用于产生离子的射束的离子束镜筒，所述射束包括所述至少两个离子种类，以及，所述至少两个离子种类具有不同元素成分并包括具有较低原子质量的较轻离子种类和具有较高原子质量的较重离子种类； 向所述样本引导离子束以对所述样本进行成像和处理； 检测由所述较轻离子种类的离子在所述样本上的碰撞而引起的二次电子，以形成所述样本的表面下特征的图像； 使用所成像的表面下特征的位置向所述样本引导离子束；以及 使用所述较重离子种类的离子来处理所述样本，以铣削样本表面。
35.根据权利要求34所述的方法，还包括:更改所述至少两个离子种类中的至少一个在射束中的浓度，以微调所述样本的成像和/或处理。
36.根据权利要求35所述的方法，在对所述样本进行处理和/或成像时发生更改所述至少两个离子种类中的至少一个的浓度。
37.根据权利要求34所述的方法，还包括:使用表面下特征的图像来确定何时停止使用射束铣削所述样本。
38.根据权利要求34所述的方法，其中，使用所成像的表面下特征的位置向所述样本引导尚子束包括: 在表面下图像上叠加CAD设计数据的图形表示，并执行图像与CAD设计数据的配准； 使用从CAD设计数据已知的坐标，将所述粒子束系统导航至目标位置；以及 对所述表面下特征重新成像，以定位目标并将射束导航至所述目标位置。
39.根据权利要求35所述的方法，还包括: 当出于导航的目的将射束用于对表面下图像进行成像时，提供与较重离子相比更大浓度的较轻离子，但是一旦已经定位表面下特征，就增大较重离子在射束中的浓度以用于更快速样本处理。
全文摘要
一种用于使用FIB系统对衬底进行成像和铣削的改进方法和设备。本发明的优选实施例使用由相同射束光学器件聚焦于相同焦点的轻和重离子的混合物，来在轻离子穿透至样本中更深处以允许生成表面下特征的图像时同时铣削样本表面(主要利用重离子)。在其他使用当中，本发明的优选实施例提供了可用于诸如背面电路编辑之类的各种电路编辑应用的导航和样本处理的改进方法。
文档编号H01J37/20GK103081054SQ201180041584
公开日2013年5月1日 申请日期2011年8月31日 优先权日2010年8月31日
发明者C.吕埃 申请人:Fei公司