（材料物理与化学专业论文）聚焦离子束淀积pt薄膜性质的研究.pdf

聚镇离子柬淀积p f 薄膜件质的埘究 摘要 摘要 聚焦离子束( f i b ) 是进行亚微米及深亚微米器件进行微分析和微加工研究 的强有力工具。f i b 淀积p t 薄膜是f i b 集成电路修改的基本手段之一。利用聚 焦离子柬淀积p t 薄膜的功能，可以将i c 集成电路内部金属连线引出器件表面， 使需要的金属层之间形成通路，达到电路修改的目的，或者制作探针测试脚以供 测试分析。 本论文对f i b 不同离子束流下淀积p t 薄膜的性质，从薄膜的体积、厚度和 淀积速率；薄膜的成份；薄膜的电阻三个方面进行了较全面的研究。 p t 薄膜淀积的过程中，与淀积同时存在的溅射刻蚀效应使得淀积形成的p t 薄膜无论厚度或者体积都与实验预期设定值发生偏离，小束流( 3 5 0 p a ) 下形 成的薄膜厚度与体积较设定值大，而大束流( 1 0 0 0 p a ) 时则较小。随着离子 束流增大，辅助气体反应速率更快，从而淀积速率逐渐上升；但是离子束流增大 也使溅射刻蚀效应更明显，导致p t 薄膜厚度和体积不断下降，同时p t 薄膜边缘 的扩展幅度更大，形貌失真越多。 p t 薄膜并非纯净的p t ，主要含有c 、p t 和g a 三种元素。其中原子百分比含 量最高的是为c ，占三分之二左右，p t 含量约为3 0 ，其余为g a 原子。c 原子 来自反应不完全的辅助气体分子，g a 原子则是高能离子入射产生注入效应引起 的。辅助气体分子随着离子柬流增大反应更完全，因此当辅助反应气体流量不变 时，p t 的含量随离子束流增大而增加，c 的含量则随之减少。束流增大也会引起 离子注入效应更明显，g a 原子含量增加。 p t 薄膜的电阻比纯净p t 要大得多。实验证明两探针法测电阻对于p t 薄膜并 不适用，并研究了多种测量微区薄层电阻的方法，得出改进的范德堡法较为符合 f i b 淀积p t 薄膜电阻的测量。 关键词：聚焦离子束，铂薄膜，淀积，离子束流 中图分类号：t n 3 0 7 聚焦离了柬淀积p t 菏膜件质的研究 a b s t r a c t t h es e m i c o n d u c t o ri n d u s t r yu s e sf o c u s e di o nb e a m ( f i b ) s y s t e m sf o rm a n y a p p l i c a t i o n s ，i n c l u d i n gc r e a t i o no f s i t es p e c i f i ct r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p y c r o s ss e c t i o n s ，x r a ya n dp h o t o l i t h o g r a p h ym a s kr e p a i r ，a n dt or e r o u t ee l e c t r i c a l c u r r e n tf o rc i r c u i tt e s t i n g f i bs y s t e m sw i l la l s ob ev a l u a b l et o o l sf o rn a n o f a b r i c a t i o n a n dp r o t o t y p i n gd u et ot h e i ra b i l i t yt oe t c ha n dd e p o s i tm a t e r i a li nd e f i n e dp a t t e m s t h i sw o r kp r e s e n t sr e s u l t so f s t u d i e st h a ti n v e s t i g a t et h ef i bd e p o s i t i o no f p l a t i n u m f i l m sf o ru s ea si n t e r c o n n e c t si np r o t o t y p em i c r o e l e c t r o n i cd e v i c e s ， t h et h i c k n e s sa n dv o l u m eo fp l a t i n u mf i l m sa r e n o ta c c o r d i n gw i t ht h ep a r a m e t e r s w h i c hh a v eb e e ns e tb e f o r ef i bd e p o s i t i o nb e c a u s et h es p u t t e t i n ge t c h i n ge f f e c ti s e x i s tw i t ht h ed e p o s i t i o ne f f e c t t h ed e p o s i t i o nr a t ew a si n c r e a s e da st h ei n c r e a s eo f i o nb e a mc u r r e n tb e c a u s em u c hm o r ep r e c u r s o rf l u xm o l e c u l e sw e r ed e c o m p o s e d b u t t h et h i c k n e s sa n dv o l u m eo f p tf i l m sw e r ed e c r e a s e db yt h ei o nb e a mc m t e n t i n c r e a s i n ga st h es p u t t e r i n ge t c h i n ge f f e c tb e c a m es t r o n g e r p l a t i n u mf i l m sd e p o s i t e db yf i bw e r en o tp u r e t h e r ew e r et h r e em a i ne l e m e n t si n p l a t i n u mf i l m s ：c a r b o n ，p l a t i n u ma n dg a l l i u m c a r b o nw a s c o m ef r o mt h ep r e c u r s o r f l u xm o l e c u l e sw h i c hw e r en o td e c o m p o s e d ，g a l l i u mw a sf r o mt h eh i 曲一e n e r g yi o n i m p l a n t a t i o n ，a b o u t7 0 c o n t e n to f t h ef i l m sw e r ec a r b o na n dg a l l i u m ，a n da t o m i c c o n c e n t r a t i o no f p l a t i n u mw a so n l y3 0 i n c r e a s i n gi o nb e a mc u r r e n ta tc o n s t a n t p r e c u r s o rf l u xi n c r e a s e sp tc o n t e n t ，w h i l ed e c r e a s i n gc c o n t e n to f t h ef i l m s r e s i s t a n c eo ft h i nf i l mw a sm u c hl a g e rt h a np u r ep l a t i n u m t h eb e a tc o n d i t i o n sw e r e g i v e ni nt h i sw o r k t h er e s i s t a n c eo f f i b d e p o s i t e dp tf i l m si su s u a l l y1 0 5 0 0t i m e st h a to f p u r ep t t h i s i sd u et ot h ei n c o r p o r a t i o no fi m p u r i t ye l e m e n t s ，s u c ha sca n dg a k e y w o r d s ：f o c u s e di o nb e a m ；p tt h i nf i l m ；d e p o s i t i o n ；i o nb e a mc u r r e n t c h i n e s el i b r a r yc l a s s i f i c a t i o nc o d e ：t n 3 0 7 d 聚焦离子束淀积p i 菏膜忡质的研究 哼高 引言 现代微电子产业发展迅速，随着集成电路工艺走进亚微米、深亚微米领域， 传统的分析手段己不能满足需要，使得相应的工艺诊断和实效分析变得愈束愈 困难。例如制样技术，传统的扫描电镜和透射电镜制样技术对于尺寸很小的观 察点很难定位，每次制样的时间长、工作繁琐、成功率低，而且传统技术无法 将微分析与微细加工结合起来对微结构进行加工修正。由于集成电路设计、制 造和可靠性考核的周期直接影响产品的市场竞争力，市场要求微电子业缩短i c 设计生产、测试的周期。 聚焦离子束( f i b ) 技术是近年来迅速发展起来的一种将微分析与微细加工 相结合的新技术。系统采用镓液态金属离子源，其探针尺寸小于1 0 h m ，电流密 度高达1 0 - 2 0 a j c m 2 。由此产生的一次离子束具有许多优越之处：它可在电场、 磁场作用下进行高速、高精度的控制，而获得平行束，也可聚焦成微细束；可 在电场作用下加速、减速，而改变能量；离子在固体内直进性好等等【l 】。同时， f i b 具有很高的空间分辨率，结合离子激发的薄膜生长和化学刻蚀，可广泛应 用在微米、亚微米线度上对器件和材料进行微细加工，高速率地刻蚀和细线条 的淀积，修补光刻掩膜板伫卜州以及精密制备t e m 样品【5 】；利用一次高能离子激 发的二次离子束可高分辨率的成像，并结合场发射扫描电子显微镜和投射电子 显微镜作微区结构和组分分析。总之，f i b 集形貌观察、定位制样和电路修正1 6 j 等功能于一身，大大提高了i c 失效分析的速度和精度，从而缩短i c 设计的生 产和测试周期。 作为f i b 微细加工技术中非常重要的功能，利用f i b 淀积薄膜( 金属膜或 绝缘膜) 因为捌有高分辨率、短周期性和高准确性在微电子领域有着广泛的应 用，特别是用于i c 器件的互连线加工。 在大量应用f i b 技术的同时，我们感到对该技术中薄膜淀积功能的基本原 理和淀积过程以及淀积的薄膜的性质都没有比较系统的研究，而这样的研究结 果可以更好的指导我们工作，特别是对于该技术的性能与f i b 系统工作参数之 l 日j 关系的确立，可以使我们有可能优化工作参数，提高效率。基于这样的背景 和要求，我们对如下问题进行了研究： 1 )利用聚焦离子束技术淀积金属p t 元素薄膜的过程和机理 2 )f i b 淀积p t 薄膜的性能及其与淀积条件的关系； 3 ) f i b 淀积p t 薄膜的一些应用。 聚熊离予袋淀投p t 薄膜拜疆翡瓣究繁一鼋f i b 系统麓赍 第一章f i b 系统简介 零零终逐一分缓f i b 系绞豹结憨及王络藏瑗、基本功缝、藏耀、谯点及萁 发震。 瑟1 f i b2 0 0 x p 系缓终鼹蓬 1 1f i b 系统的构成及工作原理 f i b 系统( 由于制造厂商驰不弼，嗣时f i b 系统也不断地爨凝换代，系统 竣遥及离子淫豹接矮会簿些差亵，整大数懿携造及薹奉王箨黎壤大都程司) 可分为三个主要都分：离予源、离子乘聚焦捆描系统( 包括离予分离部分) 和 样品台。另外还有真空系统、检测、供电和计算机数掘处理及控制镣辅助系统。 离子源位于整个系统的顶端，金属离子经过掰腰抽取、加速并通道离子束聚焦1 扫描系统等，形成很小的离子柬斑( 直径可达8 r i m l 7 1 ) ，到达位予撵品台上的样 螽，在群磊表嚣骰二缍耱攥。 1 1 1f i b 系统的核心o i u m n c o l u m n 是f i b 系统的核一心组成部分，其他的如g i s 系统都要在c o l u m n 的 支持下l 可工作。 6 一 聚焦离子束淀积p t 薄膜忭质的q f 究笫一审f i b 系统简介 f i b2 0 0 x p 系统的c o l u m n 依次由离子源系统、离子束流准直和聚焦系统、 离子柬消隐系统及图像偏转系统等组成。 纵向结构组成元素 s u p p r e s s o r 、e x t r a c t o r 、液态金属离子源( l m i s ) 、 离子源系统 允可光圈( a c c e p t a n c ea p e r t u r e ) 物镜一、b d a 光圈、物镜二、 离子束准直和聚焦系统 物镜一的四极掌控板、物镜二的四极掌控板 离子束消隐系统离子束消隐光圈 图像偏转系统八极偏转器 表1 1c o l u m n 的系统组成 1 离子源系统 f i b 系统大多采用液态金属离子源( l i m s ) ，还有一部分采用气体场( g f i s ) 【引。可用作l m i s 的金属需要满足以下条件：该液态金属可以润湿离子源针尖： 对该针尖无腐蚀作用；熔融状态下由较低的饱和蒸汽压；以及有较长的寿命。 比较常用的l m i s 可分为：单元素离子源和合金离子源。前者主要有：镓 ( g a + ) 离子、金离子、铯离子等，其中将镓离子作为离子源的系统比较普遍， 因为镓在常温下为液态，无需加热、液化过程，且镓离子的寿命较长。而将金 离子、铯离子用作离子源的系统一般有特别的应用，如金离子源主要用于对x 射线掩膜版的修补。对合金离子源，在离子柱腔体里还应配备质量分离器，利 用不同的离子的荷质比不同，形成某个组成元素的离子束，而将其它元素偏转 到离子束外。合金离子源可用于半导体器件的离子注入和改性，如将含有b 元 素的合金作为离子源，可将b + 注入到半导体器件的特定微区，使该微区由n 型 变成p 型。 图1 2 离子源针尖图片 7 聚焦离了：束淀积p t 薄f | ； 性质的研究第一章f i b 系统输介 液态金属离子源的工作原理如下：初始状态下，镓( 此处以f i b 2 0 0 x p 系 统为例) 覆盖在衬底上并有加热线圈对其进行持续加热以保持离子源的清洁， 场发射离子源中电子被势垒束缚在原子核周围。离子源上施加一个很强的电场， 电子通过隧道穿透效应穿过势垒，继而产生很多g a + 。( 对离子源加热时应小心 保护，过分加热将明显缩短其寿命。) 抽取电场通过在抽取电极( s u p p r e s s o r 和e x t r a c t o r ) 上加一个负高压来实现。 在该电场影响下，g a + 离子l m i s 受压向尖端延伸，形成圆锥状的泰勒角1 9 j ， 如图1 3 。锥形发射源微小尖顶的末端半径约2 n m ，场致离子发射就在此处发生。 电场的大小以及g a + 表面平衡张力决定了此角度的大小。 图1 3 泰勒角和允可光圈 离子发射形成后，在允可光圈处形成第一次限束。允可光圈将大部分的场 致发射离子阻挡掉，以保证离子柱最后形成聚焦且准直的离子束。 2 离子束准直和聚焦系统 通过允可光圈的离子束在电磁透镜的聚焦作用下形成交叉点，交叉点后再 由限束孔光圈进行第二次限束，然后经电磁透镜二聚焦，就接近样品表面了。 8 聚焦离子束淀积p t 薄膜性质的研究第一章f i b 系统简介 图1 4f i b 的离子束聚焦系统示意图 在b d a 光圈的上下各有一个四极掌控板，分别是物镜一掌控板和物镜二 掌控板，通过调节四极掌控板，可调节交叉点的位置。通过交叉点的位置调节 和第二组透镜，可以控制离子束的定位，使离子束的大部分可通过限束孔的中 心，达到准直和聚焦的目的。 由于f i b 系统所采用的离子比较重，与电子束聚焦相比，离子束聚焦要难 9 聚焦离子柬淀积p t 菏膜性质的研究第一章f i b 系统简介 得多，离子束聚焦系统也复杂得多。f i b 系统的分辨率主要由离子束到达样品 表面的束斑大小决定，离子束斑直径受以下因素影响：金属离子源在针尖上的 大小、由于各个离子能量细微差别而引起的色差、由于透镜系统不共轴而引起 的球差等。同时，离子束流大小也会对束斑直径产生重要影响，束流越大，最 小束斑就越大。 3 离子束消隐系统 只要离子束在扫描样品，样品表面的原子就会被持续剥离。离子束消隐系 统的设立就是为了保护样品免受这种无意义的破坏。 离子束消隐组件包括消隐电极、束消隐孔和监测消隐电流的皮安电流计。 其具体工作原理如下：当离子束于离子柱内穿过消隐孔时，通过分别对离子束 消隐光圈的一侧施加正负电压，使离子束从入射孔方向偏离迸入周围的法拉第 杯，从而避免了离子束在样品上扫描，有效地防止了样品被持续剥蚀，达到保 护目的。皮安电流计可测量进入到法拉第杯的离子束电流大小并显示在用户接 口界面上。 四、偏转系统 图像偏转系统工作时并不偏转样品本身，而是通过改变离子束扫描角度来 达到图像偏转的目的。 图像偏转系统通过一个八极偏转器在离子束扫描时改变离子束本身x 、y 方向扫描的角度，并保持视频监视器光栅的位置固定不变，而使显示出来的图 像偏转了。八极偏转器受两种类型的电压( 扫描和转换) 控制，可向离子束提 供扫描、转换及对自身发散的校正功能。 1 1 2 样品室 样品室位于c o h m m 下，包括样品架、探测器、气体注入系统和其他的一些 附件。 1 样品台 样品台可向x 、y 、z 方向平动，还可水平转动和竖直面倾斜移动。样品台 的操作在f i b 2 0 0 x p 系统中，可直接通过手柄操作，也可通过与之相连的电脑 软件进行控制。 2 气体注入系统g i s ( g a si n j e c ts y s t e m ，简称g i s ) 1 0 簟 聚焦离子束淀积p t 菏膜性_ | 五的研究 第一章f i b 系统简介 气体注入系统用于化学反应淀积或化学增强刻蚀中，向样品表面注射反应 气体，主要由注射、控制、安全三部分装置组成( 一般在样品室可以装不止一 个注入喷嘴) ，如图15 。控制装置用于设定不同样品材料所适宜的工作温度， 并配合安全装置确保在适宜条件下开启气体注入的阀门。 它的的工作原理是：反应气体通过坩埚中的化学反应释放，在坩埚加热的 同时阀门打开，气体由坩埚通过送气针注射到样品表面的指定位置，反应形成 的挥发性产物由抽气泵抽走。 1 1 3 成像系统 f i b 系统通过探测器收集离子束与样品相互作用而引发的二次离子等信 息，再经过计算机放大用以调制显示区扫描点亮度直接形成图像。 1 离子束与样品的相互作用 入射离子束在轰击样品表面时，有规律地进行帧扫描，帧包含一系列纵向 和横向的行列。扫描机制使得样品表面i n m 深度内的原子与入射离子束发生物 理作用，产生二次离子、二次电子、反射离子、光子等。 聚焦离了束淀织p t 薄膜n 质的岍咒第一章f i b 系统简介 2 探测器与成像 探测器收集到因离子束激发而产生的二次电信号，经过计算机放大，并用 以调制显示区域的扫描点亮度，直接显示样品表面形貌图。由于图像显示维持 原尺寸，当离子束扫描区变小时，图像放大倍率将增加。成像质量受溅射产额 影响，但电流过大将加速对样品的剥蚀。 1 1 4 真空系统 聚焦离子束必须运行在较高的真空环境中，防止离子在不断加速过程中， 因受到腔体内气体粒子的干扰而降低强度。真空系统采用机械泵、分子泵、离 子泵组成的抽气系统，镜筒真空度须达到1 0 + m b a r ，样品室的真空度须达到 1 0 。m b a r 方可使用。 f i b 系统的运行对环境要求较高，外界的机械振动和电磁干扰对其裔子束 聚焦准直系统产生严重的影响，影响f i b 系统正常工作。 1 2 高能离子束与固体样品的相互作用 具有一定能量( 几十千电子伏) 的离子入射到固体表面时，由于离子质量 很大，而且离子除带有电荷外，本身还具有能级结构，所以它与固体表面的相 互作用过程比较复杂。而高能离子束与样品的相互作用构成了f i b 技术功能和 应用的基础。 高能离子束与固体样品表面相互作用过程的物理图象如图1 6 所示。图中 的固体表面由a 、b 两种元素组成。入射离子束到固体表面时，一部分与表面 发生弹性或非弹性碰撞，改变其运动方向而背向散射，这些离子叫做背散射离 子。表面原子受到离子撞击，部分原子发生位移、受激，还有部分固体表面原 子被打到固体表面下层，即反弹注入。另一部分离子可以穿入表面，在表面下 层与固体原子发生一系列极联碰撞，将其能量逐步传递给周围晶格，最后能量 损失殆尽而停留在晶格之间，叫做离子注入。在原子的极联碰撞过程中，受到 碰撞的原子数目急速增多，其中必然有一部分影响到表面原子，如果受碰撞后 其动量方向是离开表面，而且能量又达到一定阈值时，会引起表面粒子出射， 这种现象称为溅射。溅射出来的粒子可以是原子、分子、或原子团，可以是中 性的，也可以是受激状态的，还可以是正负离子。同时，在离子与表面帽互作 用过程中也会有电子和光子发射，还会有热效应和化学反应发生。 1 2 聚焦高子柬淀积p t 薄膜r 质的研究第一章f i b 系统简介 图1 6 离子与固体表面的相互作用 对于离子与固体表面相互作用过程， 在固体表面及表层内发生的一系列变化； 出。 可以归纳为两方面的效应：一方面， 另一方面，有各种粒子从固体表面逸 l 2 1 固体表面及表层内发生的过程 表面及近表层的原子，分子和原子团以中性、受激态或离子的形式发射出来，这一区 域一般涉及到两三个原子层的深度，叫做发射区。一般来说，溅射粒子质量越大其逸出深 度越浅，溅射粒子能量越大，逸出深度越深。 入射离子注入及表面原子反弹注入，它们穿入表面_ f 层的深度叫注入区，注入区深度 与入射能量、入射角度及入射离子种类和表面状况都是有关的。 在入射离子的撞击下，固体表层晶格受到扰动，产生一些缺陷及原子错位， 叫做辐射损伤。这种现象波及的区域比注入区更深些，叫做晶格波及区。 在固体表面还会因离子轰击而发生化学键断裂或形成新的化学键，及在表 面可能引起化学反应。如果在固体表面喷附有辅助气体分子，则可以实现增强 刻蚀和薄膜淀积。 1 2 2 各种粒子从表面逸出过程和从中获得的信息 从表面逸出的各种粒子来自不同的物理过程，带有丰富的表面信息，比较重要的有以 下几种： 1 ) 散射离子。是在表面或表层弹性散射或非弹性散射的入射离子，它的能量 聚焦离子柬淀积p t 薄膜性质的研究第一章f i b 系统简介 分布和角分布反映了表面原子的信息。 2 ) 二次离子。从表面溅射出的离子中，有一部分是以正负离子的形式出现的， 它们来自固体表面，对它们的能量和质量进行分析，可以直接得到表面组分的 信息。 3 ) 电子。发射的电子可能来自表面，也可能来自比较深层。如果如果入射离 子在表面发生俄歇中和，则可产生电子发射，但在表面下层是固体原子受激或 电离时，也会有电子放出，这些电子都带有表面的信息。 4 ) x 射线及光发射。可能来自表面及表层，各种退激发及离子中性化过程都 可以导致光发射。离子诱导产生的光发射常常带有表面化学成分及化学态的信 息。 1 3f i b 系统的基本功能 按照高能粒子束与固体样品相互作用的机理和产生的效应，f i b 有以下四 种基本功能： 1 高分辨率扫描离子显微成像( s i m ) 在离子束以帧的形式对样品表面进行扫描时，会使样品表面散射出二次电 子和二次离子，通过探测器对不同微区、不同材料所发出的带电粒子进行收集 并计数，再经过放大处理，可以形成样品的高清晰度、高分辨率的图像。 图1 7 二次电子与二次离子的产生 1 4 聚焦离子束淀积p t 薄膜件质的研究 第一章f i b 系统笳j 介 对于绝缘样品，二次电子产额很低，成像质量不高。用扫描电镜( s e m ) 分 析时，需在表面涂上导电层。而f i b 系统可进行二次离子成像，所以无需对样 品做预处理，在分析介质层时可直接得到较清晰的图像。当然，由于离子束较 难聚焦，与s e m 相比，s i m 的空间分辩率要差些，但是随着f i b 技术逐渐 走向成熟，离子束宽已经缩小了很多( 从最初的3 u m 减小到目前的5 1 0 n m ) ， 使s i m 的分辨率有了很大的提高。 2 微区溅射和增强刻蚀【l o j 当高能粒子束与样品表面作用时，动量会传递给样品中的原子或分子而产 生溅射效应。利用高能离子束对样品的溅射效应，f i b 可以非常精确地对样品 特定微区进行刻蚀，即“溅射刻蚀”( 如图1 7 a ) 。刻蚀形状主要由离子束的扫 描范围决定，受系统稳定性引起的漂移影响；刻蚀深度由f i b 的加速电压、束 流大小和刻蚀时间等参数决定。通常刻蚀较大区域时选择2 7 0 0 p a 以上的束流， 进行微细加工时则常用3 5 0 1 0 0 0 p a 的柬流；且刻蚀的整个过程无需掩膜和光 刻。 这种纯物理溅射过程中，由于被溅射物质往往是不挥发的，容易引起重淀 积现象。而降低刻蚀效率并阻止进一步刻蚀，且当被刻蚀物质为导体时会引起 漏电现象；重淀积的程度与坑的深度和被溅射出的离子数成正比，即与溅射刻 蚀的离子束流大小成正比。 气体注入系统的引入可以克服上述缺点。在刻蚀过程中，将反映气体喷到 样品表面的刻蚀区域，高能离子束诱生吸附在样品表面的气体与刻蚀区样品进 行化学反应，产生的挥发性反应产物由真空泵抽走，这就是“增强刻蚀”( 如图 1 8 c ) 。它不仅有效地防止了重淀积，大大提高了溅射速率，且具有相同的刻蚀 形状和精确度；另外还对不同样品材料有很好的选择性即在同样的刻蚀条 件下，由于不同材料与反应气体的化学活性不同而使刻蚀速率明显不同，从而 大大降低了对刻蚀终点控制的要求。 材料 溅射刻蚀的选择性增强刻蚀的选择性 s i s i 0 2 l8 a l s i o z o 81 5 2 0 g a a s s i 0 2 31 7 g a a s 1 2 6 i n p a u 24 表1 2 普通溅射刻蚀与增强刻蚀对不同材料的选择性 一1 5 聚焦离了束淀积p l 菏膜悍质的研究 第一审f i b 系统简介 3 特定区域薄膜淀积( 导电膜和绝缘膜) l l l j 在特定区域淀积金属或介质薄膜，机理与反应刻蚀相似都是在高能离 子束作用下所进行的化学反应，只是所采用的反应气体不同。 图1 9f i b 淀积薄膜原理示意图 增强刻蚀( 化学反应刻蚀) 所用的腐蚀气体本身不与样品材料作用，只有 在受高能离子作用离解后具有活性才可与样品表面反应，既反应气体只在离子 束扫描区才与样品表面发生化学作用。化学反应产物可挥发，当其脱离样品表 面时，直接被真空系统抽走。工作原理如下： x ( s o l i d ) + m g ( g a s ) j ，一i o nf l u x x g 。1 、( v o l a t i l e ss p e c i e s ) 1 6 聚焦离子柬症积p t 薄膜性质的研究 第一章f i b 系统简介 特定区域薄膜淀积的反应气体始终未与样品表面发生化学作用，而是在离 子束扫描区，高能离子束是吸附在样品表面的单层反应气体分子分解为易挥发 部分和不易挥发部分，易挥发部分被真空系统抽走，而不易挥发部分则淀积下 来，形成f i b 轰击区薄膜淀积。工作原理如下： g ( g a s ) 山- i o nf l u x 专g ( g a s ) t + s ( s o l i d ) 山 有关研究考察了特定区域薄膜淀积( 即化学反应淀积) 速率与离子束电流、 反应气体流量、离子束照射时间、扫描周期四个物理量的关系，得到以下结论： 淀积过程中，薄膜淀积速率与离子束流有着密切的关系：在较低的离子束 流下，由于辅助气体为充分分解，淀积速率相应较低；随着离子柬流增大， 淀积速率逐渐提高，且会在某一束流下达到最大；若离子束继续增大，一 方面，部分离子使气体分解，形成淀积，另一方面，过剩的离子又会对淀 积薄膜产生溅射效应，从而使淀积速率下降，淀积的薄膜结构变得粗糙。 在一定的离子束流下，某一定量的反应气体流量恰好能够完全分解，过低 则降低淀积速率，过高则非但对淀积速率无任何帮助，且不仅在浪费反应 气体，也在沾污样品室。 离子照射时间( d w e l l t i m e ) 和扫描周期是两个不可分割的参量。在一定的 离子束流和反应气体流量下，照射时间不足将使得样品表面所吸附的反应 气体的不到充分反应，而过长却是的反应气体被完全消耗后，离子束溅射 刻蚀薄膜。在照射时间一定的情况下，淀积速率随扫描周期的增大而减小， 这是由于被扫描的单个所受照射的时间变长的缘故。 由上可知，在淀积某一类型的金属或介质时，要得到最佳的材料层，必须 选择合适的离子束电流、反应气体流量、离子照射时日j 和扫描周期。 4 半导体器件离子注入1 1 2 j 小i4 j 如前所述，f i b 技术利用不同的离子源，特别是利用合金离子源，可以向 半导体器件特定微区进行无掩膜离子注入。该技术利用f i b 空间分辨率较高的 优势，在器件的特定微区以不同离子种类和剂量进行注入，可以改进器件性能， 例如，将b + 或a s 注入到双极型晶体管的基区，使其掺杂浓度在平面内呈梯度 变化，以控制基区的阻值分布；将b + 注入m o s f e t 的n 型沟道内，可以提高 器件击穿电压。 1 7 繁熊裹予豪淀獠& 簿羰蛙珏兹辑究第一章f i b 蓉绕筠奔 1 4f i b 系统的应用 f i b 系统作为一种新兴的技术手段，在微电子领域，特别是亚微米、深亚 微米领域的l c 器 孛设计和制造等方颟具有广泛的应朋。 1 。微电子器佟的帮嚣分板 若要对v l s i 器件进行工艺诊断或失效分析，制作特定位置的剖面怒必不 可少的，传统的方法是通过手工研磨，费时费力，同时由于研磨过程与电子显 微镜下观察交咎重复进行，致使必误率非常高，而鼠随着器件的特征尺寸越来 越小，簧统方法制终器 孛割压越来越难。 f i b 技术霹阻在高分辨率翡潢蜥s i m 图像下，运掰离子刻链或气体矮强蕤 蚀，非常精确她在器件的特定微医 制作剖面。而鼠f i b 对所加工的材 料无限制，逐阿边刻蚀边利用s | m 实露盗控，锼褥黯王豹裁嚣其鸯极 高豹定霞耩爱( 哟1 u m ) ，同露囊 于整个过程所受应力很小，剖面黑 有很好的完熬性。f i b 技术还可夜 同一器件的多个方向制作多个剖 嚣( 凰l 一7 ) ，馒蕊察形貔更全蟊、 湾蔽，瑟这怒传统方法无法获褥 曲 图1 1 0f i b 多剖面观察 2 。t e m 样品制备 随着i e 豹线发囱亚微米发展，遴射 电子显黉壤( 诺磁) 西吴毒叛离麓空藏 分辨率及鞍强的分析能力，变得愈来愈重 要。但是因为t e m 技术需要电予束穿透 样品，样品观察区的厚度需要减薄至 o 1 u m 以下致使t e m 样品的铡舔缀豳 难。懿往逶j 窭离予象凌瘗( m i l l i n g ) 魏手 工研磨铡样，费时费力，成功率撮低，并 且只适用于块状材料样品，对器件样品无 法定位，大大限制了t e m 技术夜器件分图1 1 1f i b 制各的t e m 样鼎 析中的应用。 。 8 。 聚焦离子柬淀积p t 薄膜件质的研究 第一章f i b 系统简介 f i b 技术的出现解决了t e m 制样中的困难。先通过手工操作利用切割、研 磨等方法将器件减薄到5 0 1 0 0 u m 左右，再利用f i b 打掉t e m 样品特定微区两 侧的区域，直至形成0 1 u m 的“薄墙”，“薄墙”上保留了欲观察的器件结构。为 了获得高质量的“薄墙”并减少离子束轰击而引起的损伤，样品制备过程中，要 先在样品的保留区域上利用f i b 淀积一层p t ，以保护该区域并随着刻蚀地进行， 逐步调整f i b 的束流，由最初的束斑较大、刻蚀速率较快的大柬流调至中束流， 最后用束斑最小的( 小于1 0 n m ) 的束流进行非常精细的刻蚀。 f i b 系统的微细加工和精确定位能力大大缩短了t e m 样品制备的周期，大 幅度提高了样品制备的成功率。 3 微电子器件互连线加工 f i b 系统具有的刻蚀和淀积的功能，已被广泛应用于半导体集成电路i c 器 件的再加工。 图1 1 2f i b 在半导体i c 产业中的作用与地位示意图 当器件失效时，或利用f i b 技术制作剖面找出失效原因，并利用刻蚀、淀 积改进器件互连线结构，去除失效成因；或在需要对产品内部的小型电路进行 可靠性电学测试时，利用f i b 的刻蚀与淀积柬制作与产品内部小型电路相同的 电学探测孔或探测点。实际应用中，对于内部有多层布线结构的器件，若修改 其内部连线或对该器件的局部电路进行测试时，先利用f i b 技术淀积绝缘膜将 该局部结构和器件的其他结构隔离开来，再淀积金属将内部引线引出器件表面， 并制作探针测试脚以供测试分析。 1 9 聚焦离子震淀穰揪薄膜憾珏蘸研究第一荤f i b 系统籀奔 图1 1 3f i b 淀积p t 应用示意图 穰用褰予袋激发豹电流大小不燃嚣形藏豹蛰像对泌爱不阖可戳识别莱祭逛 路戆开路、浮空或揍遥，僵魏方法不适蘑予高隧线路。 电路修补楚f i b 系统的另一个重要应用，对微电予产品的设计、制造舆有 重要的意义。通过f i b 的刻蚀与淀积可将原本短路的电路断开，也可将原本开 路的电路形成凰连，完成电学功能( 注意f i b 淀积甄逑线引入的电阻) 。 4 、金藩薄蒺多磊绩梅嚣鼷察 铝膜是i c 器件内连中最主爱的导电 膜，其多晶微观结构与成膜工艺荫很大关 系，且会直接影响电迁移等性质，敝观察 i c 器 孚薄膜的多晶微观结构对曩遴静可 靠往繇究爨蠢重要兹理论窝实舔璧产意 义。当f i b 掴描铝膜表面时，幽于不同 晶粒的晶向不同，入射离子束与不间晶向 所成的角度不同，使得各个晶粒发射出的 二次电子、二次离子豹数量也不潮，从两 不嗣螽囊戆熬羧会形成不霜获凌戆s 醚 图像。 利用f i b 观察铝膜的微细结构，可对晶粒取向、 统计分析，以对铝膜的生长工芑质量进行监控。 2 0 趱1 1 4f i b 螽耱溪察 晶粒大小、晶界和晶粒做 聚焦离子束淀积p t 薄膜性质的研究第一章f i b 系统简介 5 纳米制造中的直接写入( d i r e c tw r i t i n g ) 卅 f i b 技术是把离子束斑聚焦到亚微米甚至纳米尺寸，通过偏转系统实现微 细束无掩膜加工的新技术。f i b 的直接写入技术是利用离子束直接轰击工件将 图形转移到基片上的加工方法，它通过在基底上去除或者添加材料实现亚微米 至纳米级的加工，包括研磨、注入和沉积三方面。f i b 的精确定位和此微细加 工能力相结合在制备半导体低维材料方面的优越性越来越明显。通过f i b 研磨 可加工亚微米及纳米级的槽，进行微梁的修调；f i b 注入和湿法刻蚀技术可加 工多种微纳结构；f i b 沉积技术可加工悬垂结构和进行密封封装。 1 5f i b 系统的优点及其发展 1 5 1f i b 系统的优点 f i r s tb e a mh veiii s e c o n db e a l t lp h o t o n e a u g e r e b s is e c o n d is e c o n d i he l e m e n t vv 、， c a p a b i l i t y p p m q u a n t i f i a b l e 、， v f i n ea r e a v w e l ld e p t h vvv c h e m i c a l 、， 审 s t a t u s d e s t r u c t i v e e t c h a b l e m o d i f i c a t a b l e m i l l a b l d 、， 表1 3f i b 系统与其他多种分析仪器的性能比较 ( 符号说明：v 一中等；1 j 一可以达到：一不能达到) 表1 3 显示了f i b 与其他分析仪器相比的特点。另外，由于f i b 系统使用 的一次束和二次束完全与s i m s 一样，所以f i b 系统可以通过加装一个s i m s 组件来实现s i m s 元素分析的功能。 一2 1 聚焦离子柬淀积p t 薄膜性质的研究第一耆f i b 系统简介 c r o s se l e m e n t s a m p l e p r i c e t o p o g r a p h y p r e p a r a t i o n s e c t i o n a n a l y s i s d i m c u l t f i b ( 自w 装 o k ( b y s i m s 组件) m i d0 k o k e a s y s i m s ) s e ml o w0 kn on o e a s y t e m h i g h o k n oo kd i f f i c u l t 表1 4f i b 系统与s e m 、t e m 的比较 表1 4 通过比较f i b 与s e m 、t e m 更好地体现了f i b 系统的优势。由此可见， f i b 具有多种独特的功能，并可扩展s i m s 功能，而且价格不高，具有极强的 实用性。 1 5 2f i b 系统的发展 为了适应微电子产业发展的新要求，f i b 也有了新的进展，组件走向专业 化和集成化两个方向。 1 双束f i b 系统 双束f i b 系统同时具有电子束和功能离子束两个源束系统。使用双束f i b 系统，可在扫描时使用电子束，达到清晰画质，并可大幅度降低扫描时对样品 的破坏；刻蚀时仍然使用离子束。双束f i b 系统的出现避免了在为s e m 制样后， 样品须从f i b 系统中取出送至s e m 上检测的繁琐，且对样品的破坏性低，兼具 系统组装简便( 只需在f i b 系统上加装一个电子束源) ，价格低廉。 2 f i b 系统与s i m s 系统的集成 f i b 系统与s i m s 系统使用同样的一次束和二次束检测，若将二者集成起 来，就可避免样品在各种检测仪器中置入、移出的繁琐和危险，更可大大节约 科研机构的设备成本，故受到人们的重视。 3 f i b 系统和k n i f g h t s 系统的互连 对f i b 系统来说，精确定位是其重要的参数。若一台f i b 系统的定位性能 不佳，将无法对感兴趣的区域进行剖面刻蚀或电路修补，给失效分析工作带来 了极大的困难。目前大量使用的方法是使用激光打点机( l a s e r m a r k e r ) 在目标 区周围打上四个激光点，实现定位。 2 2 - 聚焦离子柬j 定积p t 薄膜性赝的研究 笫一章f i b 系统简介 当前，有一套称为“k n i 曲t s ”的软件系统己问世。该系统可与f i b 系统网 际互连，并以内部精确版图库为基准的f i b 系统定位辅助系统。它通过调出器 件版图，使用鼠标双击方式使得f i b 系统自动定位到版图双击位置，使f i b 系 统的定位方式有四点定位变成一点定位，完成精确定位。 难度耗时( m i n u t e s )精确度 人工定位高1 8 0差 k n i g h t s 定位 低9 0局 表1 5 人工定位与k n i g h t s 定位的比较 4 专业制作t e m 样品的f i b 系统 f i b 系统是目前制作t e m 样品速度最快、成品率最高的设备，但仍需花费 一个经验丰富的工程师几个小时的时间，已无法满足r 益要求快速的微电子产 业的发展。为此f e i 公司研制了一种新型的专门用于t e m 制样的f i b 系统， 具有良好的简易操作性和较高的成功率，并可将制样时间缩短为一个小时，为 t e m 制样提供了更大的方便。 总之，f i b 系统由于其诸多的优点，顺应了微电子产业发展的需要，并随 微电子业的发展不断发展前进。 2 3 聚焦离了柬淀积p t 菏膜悱赝的研究 第一牵聚焦离子束淀积p t 薄膜过程和臆理 第二章聚焦离子束淀积p t 薄膜过程和原理 聚焦离子束淀积p t 薄膜可以近似地看作离子束辅助化学气相淀积的过程 ( f o c u s e di o nb e a m - a s s i s t e dc h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ) 。本章将详细介绍利用聚 焦离子柬技术淀积p t 薄膜过程和原理的研究。 2 1 淀积辅助气体 聚焦离子束淀积p t 薄膜时，所使用的辅助气体为p t 的金属有机化合物一 仃i m e t h y l ( m e t h y l c y c l o p e n t a d i e n y l ) p l a t i n u m ，分子式为( c 5 h 4 ) c h 3 p t ( c h 3 ) 3 ， 它是由i p t ( c h 3 ) 3 和( c 5 h 4 ) c h s n a 反应得到的，反应式为： i p t ( c h 3 ) s + ( c 5 h 4 ) c h 3 n a _ ( c 5 h 4 ) c h s p t ( c h 3 ) + n a i ( c s i - h ) c h 3 v t ( c h 3 ) 3 的分子结构如图2 1 所示，从图中可以看出，p t 原子( 或 离子) 分别与三个甲基和一个带甲基的环戊二稀基相连，其中【p t ( c h 3 ) 3 ) 】+