DE68906865T2 - Verfahren mit selektiver keimbildung und wachstum zur chemischen dampfphasenabscheidung von metallen unter verwendung von fokussierten ionenstrahlen. - Google Patents

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG Bereich der Erfindung
• Diese Erfindung betrifft Verfahren zum Abscheiden von metallischen Linien auf einem Substrat, wie einem IC-Chip oder einer Maske und insbesondere Abscheidungsverfahren, die einen fokussierten Ionenstrahl verwenden, um die Abscheidung zu initiieren.
Beschreibung des Standes der Technik
• Verschiedene Verfahren wurden verwendet für das Abscheiden von Materiallinien auf einem Substrat in Verbindung mit der Herstellung oder der Reparatur von IC-Chips und Masken.
• Diese Verfahren schliefen die Verwendung von Elektronenstrahlen, Laserstrahlen und Ionenstrahlen ein. Jedoch war keines dieser Verfahren in der Lage, eine Kombination aus schnellem Schreiben, relativ dicken Linien, einer Auflösung von weniger als einem halben Mikrometer, einer hohen Reinheit des abgeschiedenen Materials und Verfahrenskompatibilität mit anderen Verfahrenstechniken mit fokussierten Ionenstrahlen (FIB) zu erreichen.
• Frühere e-Strahllösungswege haben sowohl die direkte Polymerisation als auch chemische Dampfabscheidungsverfahren (CVD) verwendet. Direkte Polymerisation wird bei Raumtemperatur ausgeführt, wobei der e-Strahl konstant bei einer Dosierung in der Größe von 10¹&sup7;-10¹&sup8; Elektronen/cm² belassen wird. Der CVD-Lösungsweg wird bei einer Temperatur verwendet, die ein wenig unterhalb der Temperatur der spontanen thermischen Zersetzung des Gases liegt, aus dem das Wachstumsmaterial gewonnen wird. Der e-Strahl wird nach dem Scannen einer Linie auf dem Substrat abgeschalten und die Abscheidung findet in der Gegenwart eines Gases statt, das das abzuscheidende Material enthält. Obwohl bei dem CVD-Lösungsweg eine etwas niedrigere e-Strahldosierung benötigt wird, muß die Dosierung für eine vernünftige Selektivität noch in der Größe von 10¹&sup6;-10¹&sup7; Elektronen/cm² liegen, was eine Dosierungsverringerung von nur etwa einer Größenordnung bedeutet. Die obige Temperatur und die Dosen wurden verwendet, um Eisen aus Eisenpentacarbonylgas abzuscheiden, aber ein vergleichbarer Unterschied zwischen der direkten Polyinerisation und CVD-Lösungswegen wurde auch für andere Materialien ermittelt. Obwohl Metallinien mit Breiten im Submikrometerbereich mit Elektronenstrahlen abgeschieden wurden, benötigen sie typischerweise hohe Elektronendosen. Die Verwendung von Elektronenstrahlen für die CVD von Eisenlinien in der Gegenwart von Eisenpentacarbonylgas wird in Kunz et al. "Catalytic Growth Rate Enhancement of Electron Beam Deposited Iron Films", Appl. Phys. Lett., Vol.50, No.15, 13. April 1987, Seiten 962-64 diskutiert.
• Laserunterstützte Abscheidung wurde auch verwendet bei Temperaturen unterhalb der Temperatur der spontanen thermischen Zersetzung des Ausgangsgases für das Material, das abgeschieden werden soll. Im Fall der laserunterstützten Abscheidung kann der Laserpunkt jedoch nicht auf einen Durchmesser unterhalb etwa 0,5-1 Mikrometer fokussiert werden. Dies schließt die Verwendung von laserunterstützter Abscheidung für IC-Anwendungen aus, die Submikrometergeometrien aufweisen. Laserunterstützte Abscheidung wird in Higashi et al., "Summary Abstract: Nucleation Considerations in the Wavelength-Dependent Activation Selectivity of Aluminum Chemical-Vapor Deposition", J. Vac. Sci. Technol., Vol. B5, No. 5, Sept./Oct. 1987, Seiten 1441-43 diskutiert.
• Fokussierte Ionenstrahlen wurden früher verwendet, um Metallinien bei Raumtemperatur in einem direkten Polymerisationsverfahren abzuscheiden. Ein FIB scannt das Substrat entlang des Ortes der gewünschten Wachstumslinie in der Gegenwart eines Gases (z.B. ein Metallhexacarbonyl, wie beschrieben in EP-A-247,714), das das abzuscheidende Material enthält. Im Gegensatz zu dem CVD-Verfahren, das mit e-Strahlen und Lasern verwendet wurde, in dem die Strahlen abgeschaltet wurden, wenn die Nukleierungsstellen einmal hergestellt worden waren und der größte Teil des Metallwachstums durch Abscheidung danach stattfindet, hat die FIB-Technik erfordert, daß der Strahl während der gesamten Wachstumsdauer angelassen wird. Die früheren FIB-Verfahren haben auch einige andere wichtige Nachteile. Relativ hohe Dosen in der Größe von 10¹&sup7; Ionen/cm² oder größer waren erforderlich, um Linien abzuscheiden, die nur ein paar Tausend Angström dick waren. Der Verunreinigungspegel der abgeschiedenen Linien ist recht hoch, er überschreitet 25%, und er führt damit zu einem Widerstand der höher ist als gewünscht. Sorgfalt muß auch aufgewandt werden um sicherzustellen, dar das abgeschiedene Material nicht durch überschüssige Energie in dem Strahl weggesputtert wird. Die Anforderung einer relativ hohen Ionendosis verlangsamt die Geschwindigkeit beträchtlich, mit der Linien geschrieben werden können und macht es damit schwierig, das Schreiben von Metallinien in andere FIB-Verfahren mit höherer Geschwindigkeit zu integrieren, die bei der Herstellung von ICs verwendet werden. Obwohl Ionenstrahlen leicht unterhalb eines Mikrometers im Durchmesser fokussiert werden können und somit das Potential für Submikrometerauf lösung bei der IC-Herstellung haben, konnte somit früher kein praktischer Weg gefunden werden, schnelle FIB-Metallinienabscheidung in ein IC-Herstellungsverfahren zu integrieren. Die Verwendung eines FIB für Metallabscheidung durch direkte Polymerisation ist in Shedd et al., "Focused Ion Beam Induced Deposition of Gold", Appl. Phys. Lett., Vol. 49, No. 23, 8. Dez. 1986, Seiten 1584-86 beschrieben.
• Andere FIB-Verfahren, die bei der IC-Herstellung verwendet werden, sind Implantation (für selektives Dotieren), Lithographie (zum Definieren von kleinen Mustern) und Sputtern (zum Entfernen von Material). Implantation wird im allgeineinen bei einer Dosierung innerhalb des Bereichs von 10¹²-10¹&sup5; Ionen/cm² durchgeführt, Lithographie innerhalb des Bereiches von 10¹³-10¹&sup5; lonen/cm² und Sputtern bei etwa 10¹&sup6;-10¹&sup7; Ionen/cm². Eine FIB-Metallabscheidungstechnik, die Ionendosierungen vergleichbar zu diesen anderen Verfahren benötigte, würde die völlig maskenf reie Herstellung von ICs möglich machen. Unglücklicherweise war solch eine Technik früher nicht verfügbar.
• Mit Blick auf die obigen Beschränkungen des einschlägigen Standes der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Verwenden eines FIB zum Abscheiden eines Materials entlang eines gewünschten Ortes auf einem Substrat bereitzustellen.
• Diese Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst.
• Es ist ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Verwenden eines FIB bereitzustellen, um Materiallinien mit Submikrometerbreite abzuscheiden, die eine hohe Reinheit aufweisen, relativ dick sind, eine niedrige Ionendosierung erfordern, die kompatibel mit anderen FIB-Verfahrenstechniken ist, und die rasch abgeschieden werden können. Es ist auch ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, einen FIB in Verbindung mit einer CVD-Technik zu verwenden, die es erlaubt, den Strahl während des größten Teils der Wachstumsdauer abzuschalten.
• Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe mit einer neuen FIB-Abscheidungstechnik, von der gefunden wurde, daß sie kompatibel mit CVD ist. Ein Substrat, auf dem eine Materiallinie abgeschieden werden soll, wird entlang des Ortes der Linie mit einem FIB bei einer ausreichenden Ionendosierung und Energie gescannt, um Nukleierungsstellen auf dem Substrat entlang des Ortes auszubilden. Das Scannen findet in oder ohne die Gegenwart eines Adsorptionsschichtgases statt.
• Das Substrat wird dann einem Ausgangsgas ausgesetzt, das das abzuscheidende Material einschließt, und wird auf eine Temperatur erwärmt, die hoch genug für das Material ist, um auf den Nukleierungsstellen zu wachsen und eine im wesentlichen kontinuierliche Abscheidung auszubilden, aber unterhalb der Temperatur der spontanen thermischen Zersetzung des Ausgangsgases für die Zeitdauer, die das Substrat erwärmt und dem Ausgangsgas ausgesetzt wird. Das FIB-Scannen wird nach einer kurzen anfänglichen Zeitdauer beendet, während das Erwärmen des Substrates und das dem Ausgangsgas Ausgesetztsein nach der Beendigung des Scannens fortgesetzt wird, um das Wachstumsverfahren fertigzustellen.
• Das Ausgangsgas kann entweder gleich oder verschieden von irgendeinem verwendeten Adsorptionsschichtgas sein.
• Signifikante Verringerungen bei der Ionendosierung werden für Gase erreicht, bei denen das Verhältnis der spontanen Aktivierungsenergie zu der autokatalytischen Aktivierungsenergie wenigstens in etwa eine Größenordnung beträgt. Für Eisenpentacarbonyl wurden Eisenlinien mit hoher Reinheit auf einem Siliziumsubstrat abgeschieden mit einer FIB- Ionendosierung in der Größe von 10¹&sup4;-10¹&sup5; Ionen/cm², präzise 3x10¹&sup4; Ionen/cm², mit einer Substrattemperatur von ungefähr 130ºC. Mit diesem Material kann das FIB-Scannen bei einer Geschwindigkeit von 1 mm/s durchgeführt werden, gefolgt durch ein dem Ausgangsgas Ausgesetztsein des erwärmten Substrates über etwa 1 oder 2 min. Bessere Ergebnisse werden eher mit einer Serie von schnellen mehrfachen Scans als durch einen einzelnen längeren Scan erzielt. Es wird angenommen, dar die signifikante Dosisverringerung im Vergleich zu e-Strahl-CVD-Techniken, die das gleiche Eisenpentacarbonylausgangsgas verwenden, auf die Tatsache zurückzuführen ist, daß der Ionenstrahl Nukleierungsstellen sowohl durch die Zersetzung der Adsorptionsschicht als auch durch direkte Substratbeschädigung erzeugen kann.
• Das neue FIB-unterstützte Abscheidungsverfahren hat zahlreiche Anwendung, einschließend die in-situ-Ausbildung von Schaltungsanschlüssen während der Herstellung eines IC- Chips, die Reparatur von Chipschaltungsanschlüssen, die Ausbildung von Linien auf einer Maske, die für die Herstellung von IC-Chips verwendet wird, und die Reparatur von solchen Maskenlinien.
• Diese und andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden dem Durchschnittsfachmann aus der folgenden detaillierten Beschreibung von verschiedenen bevorzugten Ausführungsformen zusammengenommen mit der dazugehörigen Zeichnung offensichtlich werden, in der:
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
• Fig. 1 eine vereinfachte Aufrißansicht einer FIB-Säule ist, die die Erfindung verwendet;
• Fig. 2 und 3 sind bruchstückhafte Ansichten eines Substrates, die die aufeinanderfolgenden Schritte bei einer Linienabscheidung gemäß der Erfindung verdeutlichen;
• Fig. 4 ist ein Kurvenschaubild, das die Beziehung zwischen strahlunterstützter und spontaner Nukleierung für mehrere Temperaturen als eine Funktion der Erwärmungszeiten zeigt; und
• Fig. 5-8 sind Grundrißansichten, die die Anwendung der Erfindung auf die Herstellung und Reparatur eines IC-Chips und die Herstellung und Reparatur einer photolithographischen IC-Maske verdeutlichen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
• Zahlreiche FIB-Säulen wurden entwickelt, die für die Verwendung mit der vorliegenden Erfindung geeignet sind, um dünne metallische Linien auf einem Substrat abzuscheiden. Eine solche Säule wird in US-A-4,556,798 offenbart. Eine vereinfachte FIB-Säule wird in Fig. 1 gezeigt. Sie schließt eine Ionenquelle 2 mit hoher Strahlungskraft (high brightness) ein, welche beheizt wird und die einen scharfen Punkt aufweist, von dem Ionen herausgelöst werden. Ein Metall wird durch eine Heizung geschmolzen und wandert durch kapillare Wirkung zu dem Punkt der Ionenquelle 2, wo es ionisiert wird. Diese Ionenquelle mit hoher Strahlungskraft (high brightness) produziert einen Strahl von geladenen Partikeln, die von einem sehr kleinen Punkt auszustrahlen scheinen.
• Eine Extraktionselektrode 4 befindet sich direkt unterhalb der Flüssigmetallionenguelle 2. Durch ein geeignetes Netzteil 6 wird zwischen der Ionenquelle 2 und der Extraktionselektrode 4 eine elektrische Potentialdifferenz errichtet, die ausreichend ist, um einen Ionenstrahl aus der Quelle herauszulösen.
• Der Ionenstrahl tritt durch eine zentrale Öffnung in der Extraktionselektrode und setzt sich durch einen ExB-Masssenseparator 8 fort. Dies ist eine bekannte Vorrichtung, welche verwendet wird, um Ionen von unerwünschter Art aus dem Strahl abzuleiten, so dar nur Ionen der gewünschten Art sich in dem Weg des Strahles fortsetzen. Sie besteht aus einem Paar Kondensatorplatten (electric field plates), die an gegenüberliegenden Seiten des Strahles angeordnet sind, und einem Paar magnetischer Polstücke, die orthogonal zu den Kondensatorplatten (electric field plates) angeordnet sind. Die elektrischen und magnetischen Felder werden durch einen Steuerungsmechanismus 10 kontrolliert, so dar Ionen der ausgewählten Art durch eine einen Strahl definierende Öffnung 12 in einer Platte 14 hindurchtreten, die sich unmittelbar unterhalb des Massenseparators befindet, während Ionen von anderer Art aus dem Weg des Strahles ausgeblendet und durch die Platte 14 abgeblockt werden.
• Eine Beschleungigungslinse 16 befindet sich unterhalb der Platte 14, um die Ionen zu beschleunigen und die Energie der Ionen zu vergrößern, die durch die den Strahl def inierende Öffnung hindurchtreten. Die Beschleunigungslinse 16 besteht typischerweise aus einem Elektrodenpaar, das sequentiell in dem Weg des Strahles positioniert ist, wobei das Netzteil 6 für eine Potentialdifferenz zwischen den zwei Elektroden sorgt, die ausreichend ist, um die gewünschte Beschleunigung bereitzustellen.
• Ein Strahlableiter, wie ein Oktupolableiter 18 ist unterhalb der Beschleunigungslinse positioniert und wird verwendet, um den Strahl über ein Substrat zu scannen. Der Ableiter schließt eine Abschneideöffnung (blanking aperture) 20 ein, die verwendet werden kann, um den Strahl wenn gewünscht abzuschneiden.
• Soweit bisher beschrieben, ist die FIB-Säule konventionell. Sie ist innerhalb einer Vakuumkammer 22 untergebracht und schließt eine x-y-Bühne 24 ein, die zu kontrollierten Bewegungen in einer x-y-Ebene in der Lage ist. Ein thermischer Isolator 26 erstreckt sich nach oben aus der x-y-Bühne und trägt ein Heizelement 28, um das ein elektrischer Heizdraht 30 aufgespult ist. Das Substrat 32, das das Target für den FIB ausbildet, ist auf der Oberseite des Heizelementes 28 angebracht und wird damit erwärmt, wobei ein Thermoelementsensor 34 die Temperatur des Substrates mißt, um eine Steuerung für das Heizelement bereitzustellen. Die durch das Thermoelement 34 gemessene Substrattemperatur wird zu einem Temperatursteuerungsmechanismus 35 übermittelt, welcher den durch die Heizspule 30 fließenden Strom und damit die Substrattemperatur kontrolliert.
• Das auf dem Substrat abzuscheidende Material wird in einem gasförmigen Zustand innerhalb des Gasbehälters 36 gehalten. Ein Ventil 38 steuert den Fluß des Ausgangsgases aus dem Behälter durch eine Ausströmöffnung 40, die oberhalb des Substrates nahe des FIB endet und die einen Gasfluß auf den Teil des Substrates lenkt, der durch den FIB gescannt wird.
• Die vorliegende Erfindung stellt ein neues Verfahren für das Abscheiden von präzise definierten Materiallinien aus dem Gas auf dem Substrat 32 bereit, mit einer wesentlich niedrigeren Ionendosierung als früher benötigt wurde. Gemäß der Erfindung wird der FIB über das Substrat gescannt, um einen Ort mit Nukleierungsstellen direkt auf der Oberfläche durch Gitterbeschädigung oder durch Oberflächenzersetzung einer Adsorptionsschicht oder durch beides auszubilden. Das Substrat wird dann auf eine Temperatur erwärmt, die hoch genug ist, um das Wachstum des gewünschten Materials aus dem Ausgangsgas auf den Nukleierungsstellen zu unterstützen, aber die unterhalb der Temperatur für die spontane thermische Zersetzung des Ausgangsgases. Bei dieser Temperatur wird das Substrat dem Ausgangsgas ausgesetzt, was Abscheidungen des gewünschten Materials induziert, um auf den Nukleierungsstellen zu wachsen, bis eine kontinuierliche Linie aus Abscheidungen ausgebildet worden ist. Abscheidungen mit einer sehr hohen Reinheit und mit hohen Höhe-Breite-Verhältnissen wurden mit diesem neuen Verfahren erzielt.
• Das Abscheidungsverfahren wird in Fig. 2 und 3 verdeutlicht. Eine Adsorptionsschicht 42, bestehend aus ein paar Monoschichten des Umgebungsgases innerhalb der Vakuumkammer, haftet an der Oberfläche des Substrates 32, das typischerweise ein Siliziumchip ist. Die Adsorptionsschicht wird typischerweise bei einem Dampfdruck in der Größe von 1,33 Pa (10 mTorr) ausgebildet. Die Ionen zersetzen dann die Adsorptionsschicht, um Nukleierungsstellen auszubilden. Zusätzlich können Nukleierungsstellen direkt auf der Oberfläche des Wafers durch Beschädigung mit Ionen ausgebildet werden. Somit muß das Gas nicht immer während der Aktivierungsphase gegenwärtig sein. In der vorliegenden Erfindung kann das gleiche Gas verwendet werden, um sowohl die Adsorptionsschicht auszubilden als auch eine Quelle für das Abscheidungsmaterial bereitzustellen, oder es können unterschiedliche Gase verwendet werden.
• Der FIB 44 wird über die Oberfläche 42 entlang des Ortes gescannt, wo Abscheidung erwünscht ist. Der FIB kann entweder über die Oberfläche in einer Abfolge kleiner inkrementaler Schritte unter Computersteuerung oder mit einer kontinuierlichen Bewegung gescannt werden. Das Ergebnis dieses Scannens ist, dar der FIB die Bindungen bei (among) den Molekülen auf der Oberfläche aufbricht und eine Reihe von Nukleierungsstellen 46 ausbildet, die geeignet sind, das Wachstum des Abscheidungsmaterials zu unterstützen. Wenn die Substrattemperatur hoch genug angehoben wird, wird sich spontane Nukleierung über der Oberfläche auch ohne den FIB ereignen. Folglich wird das Erwärmen des Substrates in diesem Stadium unterhalb der Temperatur der spontanen Nukleierung gehalten, bei dem das Gas Nukleierungsstellen in der Abwesenheit eines FIB ausbildet.
• Der FIB kann in einem einzigen Scan über das Substrat bewegt werden, um eine Linie aus Nukleierungsstellen auszubilden. Für manche Gase wurden jedoch besser definierte Linien aus abgeschiedenem Material hergestellt mit einem größeren Dicke:Breite-Verhältnis, wenn der FIB in mehrfachen Scans über den gewünschten Ort bewegt wird. Bessere Ergebnisse wurden für einige Gase mit mehrfachem Scannen erhalten, selbst wenn die einzelnen Scans bei einer größeren Geschwindigkeit als ein einzelnes Scanverfahren durchgeführt wurden und wenn die Gesamtverweildauer des Strahles auf dem Substrat durch mehrfache Scans nicht größer ist als jene durch ein einzelnes Scanverfahren.
• Wenn genügend Nukleierungsstellen ausgebildet worden sind, wird der FIB abgeschalten und das Substrat dem Ausgangsgas ausgesetzt, das das abzuscheidende Material enthält. Das Gas reagiert mit den Nukleierungsstellen, um einen Materialfilm um die Stellen herum abzuscheiden, wenn die Substrattemperatur ausreichend hoch ist. Zu diesem Zweck wird das Substrat knapp unterhalb der Temperatur der thermischen Zersetzung des Ausgangsgases erwärmt; wesentlich höhere Temperaturen führen zu ungewünschten Abscheidungen außerhalb der Scanlinie. Sowie das Ausgesetztsein fortdauert, wird das Material weiter wachsen, wie durch die auf einanderfolgenden Serien von gestrichelten Linien 48 in Fig. 3 angezeigt wird. Schließlich werden die Lücken zwischen den Nukleierungsstellen aufgefüllt werden und es wird eine kontinuierliche Abscheidungslinie 50 hergestellt.
• Die Temperatur für die spontane Nukleierung eines bestimmten Gases ist kein absoluter Wert, sondern ist eher von der Länge der Zeit abhängig, die das Substrat auf eine bestimmte Temperatur erwärmt wird, und von dem Druck des Ausgangsgases. Dieses Phänomen wird in Fig. 4 verdeutlicht. Angenommen, die Oberfläche wird auf drei verschiedene Temperaturen T&sub1;, T&sub2; und T&sub3; erwärmt, wobei T&sub1; größer ist als T&sub2; und T&sub2; größer als T&sub3;, und alle drei Temperaturen sind in der Lage, spontane Nukleierung für das ausgewählte Gas zu unterstützen. Wie in Fig. 4 verdeutlicht wird, gibt es eine Latenzdauer, bevor sich irgendeine spontane Nukleierung ereignet. Bei der höchsten Temperatur T&sub1; wird spontane Nukleierung beginnen, wenn das Substrat über eine erste Zeitdauer t&sub1; erwärmt wurde, spontane Nukleierung bei der nächstniedrigeren Temperatur T&sub2; wird zu einer späteren Zeit t&sub2; beginnen, während die spontane Nukleierung bei der niedrigsten Temperatur T&sub3; bei einer noch späteren Zeit t&sub3; beginnen wird. Somit wird das Erfordernis, dar die Oberfläche auf eine Temperatur unterhalb der Temperatur für seine spontane Nukleierung erwärmt wird, sowohl durch das Steuern der absoluten Temperatur als auch der Zeitdauer, die das Substrat erwärmt und dem Gas ausgesetzt wird, erfüllt.
• Die Situation, nachdem die Nukleierungsstellen mit einem FIB ausgebildet worden sind und das Substrat dem Ausgangsgas bei drei verschiedenen Temperaturen ausgesetzt wurde, wird durch die Linien T'&sub1;, T'&sub2; und T'&sub3; in Fig. 4 verdeutlicht. Das Wachstum beginnt nahezu unverzüglich und mit dergleichen Geschwindigkeit für jede Temperatur wie die Wachstumsgeschwindigkeit für die gleiche Temperatur, die aus spontanen Nukleierung resultiert. Wenn das Substrat auf die Temperatur T&sub1; erwärmt wird, sollte es somit zum Beispiel dem Ausgangsgas für eine Zeitdauer ausgesetzt werden, die nicht länger ist als t&sub1;, um sicherzustellen, dar klar definierte Abscheidungslinien sich ergeben.
• Von Vergleichstabellen, die die Temperaturen für die spontane Nukleierung zu den Erwärmungszeiten in Beziehung setzen, ist nicht bekannt, dar sie erhältlich sind und für jedes einzelne Gas müssen diese Parameter im allgemeinen empirisch ermittelt werden. Differentialkalorimetermessungen können verwendet werden, um die Temperaturen für die spontane Nukleierung für relativ kurze Zeitdauern von einigen Sekunden abzuschätzen. Für Eisenpentacarbonyl (Fe(CO)&sub5;) stellte das Ausgesetztsein bei 130ºC über 60 s eine gut definierte Eisenlinie her, während das Ausgesetztsein bei 150ºC für die gleiche Zeitdauer zu spontaner Nukleierung und Eisenwachstum über die gesamte Oberfläche des Chips führte.
• Es kann entweder das gleiche oder ein anderes Gas für das Adsorptionsschichtgas und das Ausgangsgas verwendet werden. Wenn das gleiche Gas verwendet wird, wird es über das Substrat sowohl während des FIB-Scannens geleitet, um die Adsorptionsschicht bereitzustellen, als auch nachher, um das Ausgangsgas bereitzustellen, aus dem die Abscheidung stattfindet. In diesem Fall wird die Substrattemperatur knapp unterhalb der Temperatur für die spontane Nukleierung gehalten, entsprechend des gesamten Scannens und der Wachstumszeit.
• Wenn verschiedene Gase verwendet werden, wird das Adsorptionsschichtgas über das Substrat während des FIB-Scannens geleitet und die Substrattemperatur wird knapp unterhalb der Temperatur für die spontane Nukleierung des Adsorptionsschichtgases entsprechend der Scanzeit gesetzt. Das Adsorptionsschichtgas wird dann entfernt und das Ausgangsgas über das Substrat geleitet. Das Substrat wird auf eine Temperatur erwärmt, die ein wenig geringer als die Temperatur der spontanen Nukleierung des Ausgangsgases über die Wachstumsdauer, und das Wachstum setzt sich fort, bis der Fluß des Ausgangsgases beendet wird. Zu diesem Zweck kann angenommen werden, dar die Temperatur für die spontane Nukleierung und die Temperatur für die spontane thermische Zersetzung austauschbar sind.
• Die Erfindung wurde unter Verwenden von Eisencarbonyl sowohl als der Adsorptionsschicht als auch dem Ausgangsgas vorgeführt, mit einem 50 keV FIB aus Galliumionen und einem Siliziumsubstrat. Das Gas wurde zu dem Substrat durch eine schmale Düse gefördert, die sich in etwa 1 mm über dem Siliziumwafer befand, der während des Ausgesetztseins auf 130ºC erwärmt wurde. Der FIB schlug sowohl CO-Komponenten aus der Adsorptionsschicht weg und beschädigte auch die Oberfläche und bildete somit Fe-Nukleierungsstellen auf der Waferoberfläche in der Größe einiger Ängström. Es wurde sowohl mehrfaches als auch einzelnes Scannen getestet. Mehrere schnelle Strahlenscans mit fünf Sekunden Pause zwischen jedem Scan erzeugten tiefere Linienabscheidungen aus Eisen als ein einzelner langsamerer Scan mit der gleichen Gesamtionendosierung. Die Eisentiefe variierte mit der Wachstumszeit und dem örtlichen Gasdruck. Typische Eisentiefen waren 0,3-0,75 um für Gesamtwachstumszeiten (einschließlich Scannen) von 1-2 Minuten und einem örtlichen Gasdruck von einigen Pa (mTorr). Bei einer erfolgreichen Vorführung wurde eine etwa 100 um lange Linie abgeschieden unter Verwenden von zehn Scans von jeweils etwa 10 ms.
• Submikrometerbreite Eisenlinien wurden bei Ionendosen in der Größe von 10¹&sup4;-10¹&sup5; Ionen/cm², und präzise bei 3x10¹&sup4; Ionen/cm², ausgebildet. Höhere Ionendosen stellten breitere und geringfügig tiefere Abscheidungen her, aber bei Dosen größer als 10¹&sup6; Ionen/cm² (mit zehn Scans oder weniger) verhinderte Sputtern viel von dem Metallwachstum im Zentrum des gescannten Bereichs. In den Bereichen, die nicht mit dem FIB gescannt wurden, wurde kein Wachstum beobachtet, wenn die Substrattemperatur unterhalb der Temperatur der spontanen thermischen Zersetzung (Nukleierung) für Fe(CO)&sub5; von etwa 140ºC für die zwei Minutenzeitdauer gehalten wurde. Die Dosierung von 3x10¹&sup4; Ionen/cm² war extrem niedrig im Vergleich zu früheren FIB-Metallabscheidungstechniken, in etwa drei Größenordnungen niedriger.
• Ultrahohe Abscheidungsausbeuten von 5x10³-1x10&sup4; Eisenatome pro auftref fendem Galliumion wurden beim Verwenden dieser Technik gemessen. Auger-Analysen ergaben Zusammensetzungsprozentgehalte an Eisen, Kohlenstoff und Sauerstoff von 86%, 9% beziehungsweise 4% über die abgeschiedene Schicht hinweg. Dies war eine deutlich höhere Reinheit als früher mit FIB- Systemen erzielt wurde. In den abgeschiedenen Linien wurde kein Gallium festgestellt.
• Das neue Verfahren wurde auf Substraten sowohl aus Silizium als auch aus SiO&sub2; vorgeführt. Jedoch wird angenommen, daß es für praktisch alle Arten von vernünftig sauberen Substraten anwendbar ist, einschließlich Halbleitern, Dielektrika und Metallen.
• Es wurde auch Aluminiumabscheidung mit dieser Technik vorgeführt. In diesem Fall ist eine Adsorptionsschicht nicht notwendig. Einfaches Scannen des Ionenstrahls über die Oberfläche, Erwärmen des Substrates und Aussetzen der Oberfläche einem aluminiumhaltigen Gas (Triisobutylaluminium - TIBA) erzeugt Aluminiumwachstum. Das Substrat wird auf etwa 330ºC erhitzt, knapp unterhalb der Temperatur für die spontane thermische Zersetzung des Gases und dem Gas über etwa 5-20 Minuten nach dem FIB-Scannen ausgesetzt. Das Aluminiumwachstum wurde mit einer FIB-Dosis von 3x10¹&sup6; Ionen/cm² vorgeführt; die gleiche Dosierung erzeugte auch Wachstum, wenn eine TIBA-Adsorptionsschicht verwendet wurde. Obwohl Eisenlinien auf ähnliche Weise durch das direkte Scannen des Substrats mit dem FIB geschrieben werden können, ohne zuerst eine Adsorptionsschicht auszubilden, erhöht im Gegensatz dazu das Weglassen einer Adsorptionsschicht die benötigte Ionendosierung von 3x10¹&sup4; auf 3x10¹&sup5; Ionen/cm², wenn sie aus Fe(CO)&sub5; wachsen.
• Obwohl bisher nur Eisenpentacarbonyl und TIBA vorgeführt worden sind, ist die Erfindung auch für andere Ausgangsgase anwendbar, aus denen gewünschte Abscheidungsmaterialien, wie Metalle, erhalten werden können. Es wird angenommen, dar die besten Gase jene sein werden, die ein relativ hohes Verhältnis von spontaner Aktivierungsenergie (SAE) zu autokatalytischer Aktivierungsenergie (ACE) aufweisen. Die SAE ist die Energie, die für Moleküle in der Adsorptionsschicht benötigt wird, um aufzubrechen und Nukleierungsstellen auf glatten Oberflächen auszubilden, während die ACE die Energie ist, die für das Wachstum benötigt wird, um in der Gegenwart von existierenden Nukleierungsstellen stattzufinden. Die SAE von Fe(CO)&sub5; beträgt in etwa 1,5 eV, während seine ACE in etwa 0,1-0,2 eV beträgt. Idealerweise sollte das SAE: ACE-Verhältnis des Gases in etwa eine Größenordnung oder größer betragen. Ein anderes vielversprechendes Gas für niedrige Temperaturen in der Größe von 130ºC ist Ni(CO)&sub4;. Vielversprechende Gase für höhere Temperaturen in der Größe von etwa 300ºC sind Cr(CO)&sub6;, Mo(CO)&sub6; und W(CO)&sub6;. Ein anderes Gas, das als eines erkannt wurde, das ein gutes Potential aufweist obwohl der Temperaturbereich unsicher ist, ist Ti(C&sub5;H&sub5;)2.
• Wenn ein Gas ein hohes SAE:ACE-Verhältnis aufweist, aber das aus dem Gas abgeschiedene Material keine optimalen elektrischen Eigenschaften aufweist, könnten verschiedene Gase für die Nukleierung und das Wachstum verwendet werden, wobei jedes für seinen Teil des Gesamtverfahrens speziell ausgewählte Eigenschaften aufweist. Zum Beispiel hat Fe(CO)&sub5; ein hohes SAE:ACE-Verhältnis und erzeugt Nukleierungsstellen mit einer niedrigen FIB-Dosierung, aber es kann in vielen Fällen wünschenswerter sein, Aluminium oder irgendein anderes Metall auf dem Substrat anstelle von Eisen abzuscheiden. In diesem Fall kann das FIB-Scannen in der Gegenwart von Fe(CO)&sub5; stattfinden, wobei das Wachstum in der Gegenwart eines Aluminiumausgangsgases wie TIBA stattfindet. Da die spontane Zersetzung für dieses Gas in der Größe von 360ºC liegt, würde das Substrat vorzugsweise auf etwa 330ºC erwärmt, nachdem das Scannen beendigt ist und das Fe(CO)&sub5; entfernt wurde. Es gibt keine theoretischen Beschränkungen für die Ionenarten, die für den FIB verwendet werden können, obwohl schwerere Ionen dazu neigen, mehr Sputtern zu erzeugen. Wenig Sputtern wird jedoch bei niedrigen Dosen in der Größe von 10¹&sup4;-10¹&sup5; Ionen/cm² erwartet, die mit dieser Erfindung möglich sind. Obwohl bisher nur Galliumionen vorgeführt worden sind, kann die Verwendung von leichteren Ionen, wie Silizium, Beryllium, Helium oder Wasserstoff die Vielseitigkeit des Verfahrens vergrößern, da diese Ionen weniger Sputtern erzeugen und für Dotieren und Lithographie verwendet werden können.
• Ionenenergien nicht größer als etwa 50 keV werden helfen, das Sputtern zu kontrollieren, aber Energien innerhalb des allgemeinen Bereichs von 1-100 keV werden brauchbare Ergebnisse liefern. Auch niedrigere Energien von einigen Hundert eV könnten funktionieren, aber es ist schwierig, den Strahl bei diesen niedrigen Energieniveauß zu fokussieren, und 1 keV wird im allgemeinen als die unterste Strahlenergie für eine Linie mit 1 Mikrometer Linienbreite angesehen.
• Eine der einzigartigen Vorteile der vorliegenden Erfindung ist, dar sie die Integration von Metallabscheidung in andere FIB-Verfahren wie Lithographie, dotierende Implantationen und die Entfernung von Material durch Sputtern ermöglicht, und damit ein integriertes, komplett maskenfreies IC-Herstellungssystem möglich macht. Dies liegt daran, dar die für das vorliegende Verfahren benötigte niedrige Ionendosierung kompatibel ist mit den Dosen, die bei den anderen FIB-Verfahren verwendet werden, und dar sie die Gesamtherstellung nicht unangemessen verlangsamt.
• Das System von Fig. 1 kann sich an verschiedene FIB-Verfahren anpassen durch eine einfache Auswahl der für jedes Verfahren zu verwendenden Ionen und durch eine entsprechende Kontrolle über das FIB-Scannen für jedes Verfahren. Angenommen, dar es beispielsweise erwünscht ist, Siliziumionen für selektive n-dotierende Implantationen zu verwenden, Berylliumionen für selektive p-dotierende Implantationen, Goldionen zum Sputtern und Siliziumionen für Metallabscheidungen. Die Ionenquelle 2 würde mit einer Flüssigmetallquelle versehen, die Silizium, Beryllium und Gold einschlösse, so daß der aus der Quelle gewonnene Strahl Ionen von jedem Material enthalten würde. Die richtige Ionenart wird für jedes Verfahren durch den Massenseparator 8 ausgewählt, der unter der Kontrolle der ExB-Steuerung 10 funktioniert, während die anderen Ionenarten aus dem Strahl ausgeleitet werden. Die Dosierung wird durch den Ionenstrom bestimmt und die Verweilzeit auf dem Substrat; da die für die Abscheidungen durch die Erfindung benötigte Dosierung sich in derselben allgemeinen Größenordnung befindet wie für die anderen Verfahren, sollte der Abscheidungsschritt nicht länger dauern als die anderen Verfahren. Dies steht im Gegensatz zu früheren FIB-Abscheidungstechniken, in denen die benötigte Ionendosierung so hoch ist und eine so lange Zeitdauer benötigt, dar es nicht praktisch ist zu versuchen, sie in andere FIB-Verfahren in einem kommerziellen Herstellungs-System zu integrieren.
• Es gibt zahlreiche Anwendungen für das neue Abscheidungsverfahren, einschließlich jener, die in Fig. 5-8 verdeutlicht werden. Fig. 5 verdeutlicht die Verwendung des Verfahrens, um elektrische Verbindungen auf einem IC-Chip 52 auszubilden. Schaltungselemente wie FETs 54 und 56 werden zuerst auf dem Chip durch geeignete Lithographie- und Implantationsschritte ausgebildet. Der FIB 44 wird dann entlang eines vorbestimmten Ortes 58 gescannt (vorzugsweise in mehrfachen Scans) entsprechend einer gewünschten Schaltungsverbindungslinie, um Nukleierungsstellen entlang des Ortes auszubilden.
• Die obere Chipoberfläche wird dann einem Ausgangsgas ausgesetzt und der Chip wird auf eine Temperatur knapp unterhalb der Temperatur der spontanen thermischen Zersetzung des Gases erwärmt, um ein Wachstum entlang der Scanlinie zu begründen. In der gezeigten Schaltung verbindet die abgeschiedene leitende Linie im Zusammenhang mit dem FIB ein Paar von FETs in einer Wechselrichterschaltung.
• Eine andere Anwendung, die in Fig. 6 verdeutlicht wird, ist die Reparatur von Metallverbindungsleitungen (interconnects) auf einem IC-Chip. Angenommen, dar sich eine Öffnung 60 in der Metallverbindungslinie 58 entwickelt, die früher abgeschieden worden war, oder daß die Öffnung 60 ein ursprünglicher Herstellungsfehler war. Die Linie kann repariert werden durch einfaches Scannen des offenen Bereichs mit dem FIB, um neue Nukleierungsstellen zu erzeugen und dann durch das einem Ausgangsgas Aussetzen des erwärmten Chips, um neues Material abzuscheiden und die Öffnung zu schließen.
• Fig. 7 verdeutlicht die Verwendung der Erfindung, um Linien auf einer Maske abzulegen, die bei der IC-Chipherstellung verwendet wird. Das FIB-Verfahren wird verwendet, um undurchsichtige Metallinien 62 auf einem transparenten Quarzsubstrat 64 abzuscheiden. Die resultierende Maske wird bei der Herstellung von Verbindungslinien auf einem Chip verwendet durch das Abschirmen der Chiplinienorte während eines geeigneten Stadiums in der Chipherstellung, wie wenn eine Photoresistbeschichtung entwickelt wird. Auf diese Weise können Linien entsprechend der Maskenlinie 62 in den Photoresist geätzt werden, was ermöglicht, dar Metallverbindungsleitungen auf den weggeätzten Teilen des Chips abgeschieden werden.
• Die Maske kann auch repariert werden durch das Verwenden des vorliegenden FIB-Verfahrens, um neues Metall in irgendwelchen Öffnungen 66 abzuscheiden, die sich in der Maskenlinie 62 entwickeln. Dieses Reparaturverf ahren wird in Fig. 8 verdeutlicht. Die IC- und Maskenreparaturen von Fig. 6 und 8 können in Qualitätskontrollzyklen integriert werden, in denen irgendwelche Defekte in den ursprünglich abgeschiedenen Linien korrigiert werden, sobald die Herstellung des Chips oder der Maske beendet worden ist.
• Ein neues chemisches Dampfabscheidungsverfahren, das einen FIB verwendet, wurde somit gezeigt und beschrieben, welches eine signifikant höhere Schreibgeschwindigkeit als frühere FIB-Abscheidungstechniken aufweist, eine viel niedrigere Ionendosis benötigt und verbesserte Linienqualität mit einer sehr hohen Reinheit herstellt. Obwohl verschiedene Variationen beschrieben wurden, werden eine Vielzahl zusätzlicher Ausführungsformen dem Durchschnittsfachmann einfallen. Folglich soll die Erfindung nur in bezug auf die beigefügten Ansprüche beschränkt sein.

Claims (26)

1. Ein Verfahren zum Abscheiden eines Materials entlang eines gewünschten Ortes auf einem Substrat (32), beinhaltend:

Scannen des Substrates entlang des Ortes mit einem fokussierten Ionenstrahl (FIB) (44) bei einer ausreichenden Ionendosierung und Energie, um Nukleierungsstellen (46) auf dem Substrat (32) entlang des Ortes auszubilden,

Erwärmen des Substrates (32), und

Aussetzen des erwärmten Substrates (32) einem Ausgangsgas, welches das Material einschließt,

wobei das FIB-Scannen nach einer anfänglichen Zeitdauer beendet wird und das Erwärmen des Substrates (32) und das dem Ausgangsgas Ausgesetztsein des Substrates (32) nach der Beendigung des FIB-Scannens fortgesetzt wird, und

wobei das Substrat (32) während des dem Ausgangsgas Ausgesetztseins auf eine Temperatur erwärmt wird, die hoch genug für das Material ist, um auf den Nukleierungsstellen (46) aus dem Ausgangsgas zu wachsen und um eine im wesentlichen kontinuierliche Abscheidung entlang des Ortes auszubilden, aber unterhalb der Temperatur für die spontane thermische Zersetzung des Ausgangsgases für die Zeitdauer, die das Substrat (32) erwärmt und dem Ausgangsgas ausgesetzt wird.

2. Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei das FIB-Scannen beendet wird, bevor das Substrat (32) erwärmt und dem Ausgangsgas ausgesetzt wird.

3. Das Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Substrat (32) mehrfachen Scans durch den FIB (44) ausgesetzt wird.

4. Das Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Substrattemperatur während des FIB-Scannens niedriger ist als seine Temperatur, wenn man das Material wachsen läßt.

5. Das Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Substrat (32) während des FIB-Scannens Raumtemperatur hat.

6. Das Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Material ein Metall enthält.

7. Das Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Metall Aluminium enthält und das Ausgangsgas Triisobutylaluminium enthält.

8. Das Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Substrat (32) auf ungefähr 360ºC während des dem Ausgangsgas Ausgesetztseins erwärmt wird.

9. Das Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Metall Eisen enthält und das Ausgangsgas Eisenpentacarbonyl enthält.

10. Das Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Substrat (32) auf ungefähr 130ºC während des dem Ausgangsgas Ausgesetztseins erwärmt wird.

11. Das Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die FIB-Ionendosierung in der Größe von 10¹&sup4;- 10¹&sup6; Ionen/cm² liegt.

12. Das Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das Erwärmen des Substrates (32) und das dem Ausgangsgas Ausgesetztsein des Substrates (32) nach der Beendigung des FIB-Scannens über eine Gesamtdauer von etwa 5-20 min fortgesetzt wird.

13. Das Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das Verhältnis von der spontanen Aktivierungsenergie zu der autokatalytischen Aktivierungsenergie für das Ausgangsgas wenigstens in etwa eine Größenordnung beträgt.

14. Das Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 13, vor dem FIB-Scanschritt ferner beinthaltend:

Aussetzen des Substrates (32) einem Gas, um eine Adsorptionsschicht (42) des Gases auf dem Substrat auszubilden.

15. Das Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Adsorptionsschicht (42) mit mehrfachen Scans entlang des Ortes durch den FIB (44) gescannt wird.

16. Das Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, wobei die FIB- Ionendosierung in der Größe von 10¹&sup4;-10¹&sup5; Ionen/cm² liegt.

17. Das Verfahren nach wenigsten einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei das FIB-Scannen nach einer anfänglichen Zeitdauer beendet wird, und das Erwärmen das Substrates (32) und das dem Ausgangsgas Ausgesetztsein des Substrates (32) nach der Beendigung des FIB-Scannens über eine Gesamtdauer von etwa 1-2 min fortgesetzt wird.

18. Das Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 14 bis 17, wobei das Verhältnis von der spontanen Aktivierungsenergie zu der autokatalytischen Aktivierungsenergie der Gase wenigstens in etwa eine Größenordnung beträgt.

19. Das Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 14 bis 18, wobei das Substrat (32) auf eine Temperatur knapp unterhalb der Temperatur der spontanen Kristallkeimbildung der Gase während des Scannens erwärmt wird.

20. Das Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 14 bis 19, wobei die gleiche Art von Gas für das Adsorptionsschichtgas und das Ausgangsgas verwendet wird.

21. Das Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 14 bis 19, wobei verschiedene Gase für die Adsorptionsschicht und die Ausgangsgase verwendet werden.

22. Das Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 21, ferner beinhaltend:

Bearbeiten des Substrates (32) mit wenigstens einem zusätzlichen FIB-Verfahren bei einer Ionendosierung in der gleichen Größenordnung wie die Dosierung, die für das Scannen entlang des gewünschten Ortes verwendet wird, wobei wenigstens ein zusätzliches FIB-Verfahren Implantation, Lithographie und/oder Sputtern beinhaltet.

23. Das Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 22, wobei das Substrat (32) der Chip ist, der entlang des Weges der gewünschten Schaltungsverbindung mit dem fokussierten Ionenstrahl (FIB) (44) gescannt wird und das Material leitend ist,

für das in-situ Ausbilden einer Schaltungsverbindung während der Herstellung eines IC-Chips (52).

24. Das Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 22, wobei das Substrat (32) der Chip ist, der entlang des Weges der Schaltungverbindung mit dem fokussierten Ionenstrahl (FIB) (44) gescannt wird und das Material leitend ist,

für das in-situ Reparieren einer Schaltungsverbindung auf einem IC-Chip (52).

25. Das Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 22, wobei das Substrat (32) die Maske ist, die entlang des Weges entsprechend gewunschter Linien auf dem Chip (52) mit dem fokussierten Ionenstrahl (FIB) (44) gescannt wird und das Material undurchsichtig ist,

für das in-situ Ausbilden einer Maske für die Verwendung bei der Herstellung von IC-Chips (52).

26. Das Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 22, wobei das Substrat (32) die Maske ist, die entlang der Linie mit dem fokussierten Ionenstrahl (FIB) (44) gescannt wird und das Material undurchsichtig ist,

für das in-situ Reparieren einer Linie auf einer Maske, die für die Herstellung von IC-Chips (52) verwendet wird.