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KR920003791B1 - 집속된 이온 비임을 사용하여 금속 화학 증착을 위한 선택적인 영역의 핵생성 및 성장 방법 - Google Patents

집속된 이온 비임을 사용하여 금속 화학 증착을 위한 선택적인 영역의 핵생성 및 성장 방법 Download PDF

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KR920003791B1
KR920003791B1 KR1019900700114A KR900700114A KR920003791B1 KR 920003791 B1 KR920003791 B1 KR 920003791B1 KR 1019900700114 A KR1019900700114 A KR 1019900700114A KR 900700114 A KR900700114 A KR 900700114A KR 920003791 B1 KR920003791 B1 KR 920003791B1
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KR1019900700114A
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랜달 엠. 쿠베나
토마스 엠. 메이어
Original Assignee
휴우즈 에어크라프트 캄파니
제이. 제이. 히긴스
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Publication date
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Abstract

내용 없음.

Description

[발명의 명칭]
집속된 이온 비임을 사용하여 금속 화학 증착을 위한 선택적인 영역의 핵생성 및 성장 방법
[도면의 간단한 설명]
제 1 도는 본 발명을 사용한 FIB 컬럼(column)의 간단한 정면도이고,
제 2 도 및 제 3 도는 본 발명에 따른 라인 부착시의 연속적인 단계를 도시한 기판의 부분도이며,
제 4 도는 가열 시간의 함수로서 여러가지 온도에 대한 비임 보조 및 자발적 핵생성 사이의 관계를 도시한 그래프이고,
제 5 도 내지 제 8 도는 각각 IC 칩의 제조와 수리, 및 광석판인쇄마스크의 제조와 수리에 대한 본 발명의 적용을 도시한 평면도이다.
[발명의 상세한 설명]
[발명의 배경]
[발명의 분야]
본 발명은 IC 칩(chip) 또는 마스크(mask)와 같은 기판 상에 금속 라인(metallic line)을 부착시키는 방법에 관한 것으로, 특히 부착을 개시하기 위해 집속된 이온 비임을 사용하는 부착 방법에 관한 것이다.
[관련 기술의 설명]
IC 칩 또는 마스크의 제조 또는 수리와 관련하여 기판 상에 재료의 라인을 부착시키기 위해 사용되는 여러가지 방법이 있다. 이들 방법은 전자 비임, 레이저 비임 및 이온 비임의 사용을 포함한다. 그러나, 이러한 방법중의 어느것도 신속한 부착(rapid writing), 비교적 두꺼운 라인, 1/2미크론(micron)미만의 분해능, 부착 재료의 고순도(high purity), 및 다른 집속된 이온 비임(focused ion beam, FIB)처리 기술과의 처리 공존성 조합을 달성할 수 없다.
종래의 이-비임(e-beam) 방법은 직접 중합(polymerization) 및 화학 중착(CVD)기술 모두를 사용한다. 직접 중합은 실온에서 행해지고, e-비임은 1017내지 1018전자/cm2정도의 선량(dosage)에서 일정한 상태로 남아있다. CVD 방법은 성장 재료가 추출되는 가스의 자발적 열 분해 온도(spontaneous thermal decomposition temperature)보다 약간 낮은 온도에서 사용된다. 이-비임은 기판 상의 라인을 주사(scanning) 후 공급이 중단되고, 부착될 재료를 포함하는 가스의 존재시에 부착이 발생한다. 다소 낮은 이-비임 선량이 CVD 방법에 관하여 요구되지만, 이러한 선량은 적절한 선택성을 위해 크기가 1자리수 밖에 감소되지 않은 1016내지 1017전자/cm2정도이어야 한다. 상기 온도 및 선량은 철 펜타카르보닐(pentacarbonyl) 가스로부터 철을 부착시키기 위해 사용되지만, 직접 중합과 CVD 방법 사이의 비교가능한 차이는 다른 재료에서 경험하게 된다. 서브미크론(submicron) 범위의 폭을 갖는 금속 라인이 전자 비임으로 부착되지만, 이 라인들은 전형적으로 높은 전자 선량을 필요로 한다. 철 펜타카르보닐 가스 존재시에 철라인의 CVD에 대한 전자 비임의 사용은 Kunz 등에 의한 문헌 "전자비임 부착의 촉매 성장 비율 증진(Catalytic Growth Rate Enhancement of Electron Beam Deposited Iron Films)", Appl.Phys.Lett., 제50권, 제15호, 1987년 4월 13일, 962-964페이지에 기술되어 있다.
레이저 보조 부착 역시 부착되는 재료에 대한 소오스 가스의 자발적 열분해 온도 이하의 온도에서 사용된다. 그러나, 레이저 보조 부착물의 경우에, 레이저 스폿(spot)은 약 0.5 내지 1미크론(micron) 이하의 직경으로 집속될 수 없다. 이것은 서브미크론의 기하학적 형태를 갖고 있는 IC 응용 분야에 대해 레이저 보조 부착의 사용을 불가능하게 한다. 레이저 보조 부착은 Higashi 등에 의한 문헌 "요약; 알루미늄 화학 증착의 파장-종속 활성화 선택도의 핵생성 고찰(Summary Abstract : Nucleation Consideration in the Wavelength-Dependent Activation Selectivity of Aluminum Chemical-Vapor Deposition)", J.Vac.Sci.Technol., 제 B5권, 제5호, 1987년 9월/10월, 1441-1443페이지에 기술되어 있다.
집속된 이온 비임은 실온에서 직접 중합처리에 의해 금속 라인을 부착시키기 위해 종전에 사용되었다. FIB는 부착될 재료를 포함하는 가스의 존재시에 바람직한 성장 라인의 궤적을 따라 기판을 주사한다. 핵생성 위치가 설정되고 그 후에 대부분의 금속 성장이 부착에 의해 발생하면 비임이 공급이 중단되는 이-비임 및 레이저와 함께 사용되는 CVD 처리와는 달리, FIB 기술은 전체 성장 기간 동안에 비임이 남아 있는 것이 요구된다. 종래의 FIB 처리 기술은 또한 여러가지 다른 중요한 단점을 갖고 있다. 단지 수천 Å 두께인 라인을 부착시키기 위해 1017이온/cm2정도의 비교적 높은 선량이 요구된다. 부착된 라인의 불순물 레벨은 아주 높아서, 25%를 초과하고, 그 결과 바람직한 저항 이상의 저항이 발생된다. 또한, 부착된 재료가 비임내의 과도한 에너지에 의해 스퍼터링(sputterring)되지 않도록 주의해야 한다. 비교적 높은 이온 선량의 요구는 라인이 부착될 수 있는 속도를 상당히 저속으로 하므로, IC 제조시 사용되는 다른 고속 FIB 처리와 금속라인의 부착을 일체화하기가 어렵다. 그러므로, 이온 비임이 1 미크론 이하의 직경으로 쉽게 집속될 수 있어서 IC 제조시 서브미크론 분해능에 대한 포텐셜(potential)을 가지나, IC 제조 처리에 신속한 FIB 금속라인 부착을 일체화하려는 실제적인 방법은 종래에는 찾아볼 수 없었다. 직접 중합에 의한 금속 부착에 대하여 FIB를 사용하는 것은 Shedd 등에 의한 문헌 "금의 집속된 이온 비임 유도 부착(Focused Ion Beam Induced Deposition of Gold)", Appl.Phys. Letter., 제49권, 제23호, 1986년 12월 8일, 1584-1586페이지에 기술되어 있다.
IC 제조시에 사용되는 다른 FIB 처리는 [선택적인 도핑(doping)을 위한]주입(implantation), (소패턴을 정하기 위한)석판인쇄술(lithography), 및 (재료를 제거하기 위한) 스퍼터링이다. 주입은 일반적으로 1012내지 1015이온/cm2의 범위, 석판인쇄술은 1013내지 1015이온/cm2의 범위, 및 스퍼터링은 약 1016내지 1017이온/cm2의 범위의 선량에서 행해진다. 이러한 다른 처리와 비교할 수 있는 이온 선량이 요구되는 FIB 금속 부착 기술은 완전히 마스크가 없는(mask-free) IC 제조를 가능하게 할 수 있다. 불행하게도, 이러한 기술은 종래에는 이용할 수 없었다.
[발명의 요약]
상기 관련 기술의 한계의 견지에서, 본 발명은 고순도를 갖고, 비교적 두껍고, 다른 FIB 처리 기술과 양립할 수 있는 저 이온 선량을 필요로하며, 신속하게 부착될 수 있는 서브미크론 폭의 재료의 라인들을 부착시키기 위해 FIB를 사용하는 방법을 제공하려는 것이다. 본 발명은 또한 대다수의 성장 기간 동안 비임의 공급이 중단되는 CVD 기술에 관하여 FIB를 사용하려는 것이다.
본 발명은 CVD와 양립할 수 있는 것으로 밝혀진 새로운 FIB 부착기술로서 그러한 목적을 달성한다. 재료의 라인이 부착되는 기판은 궤적을 따라 기판상에 핵생성 위치를 형성하기에 충분한 이온 선량 및 에너지에서 FIB에 의해 라인의 궤적을 따라 주사된다. 이러한 주사는 첨가층(adlayer) 가스의 존재 또는 부재하에 발생한다.
그 후, 기판은 부착될 재료를 포함하는 공급 가스에 노출되고, 재료가 핵생성 위치상에 성장하여 실제로 연속적인 부착을 형성하기에 충분히 높은 온도이나, 공급가스의 자발적 열 분해 온도 보다 낮은 온도로 기판이 가열되어 공급가스에 노출되는 시간 기간 동안 가열된다. FIB 주사는 짧은 초기 시간 기간 후 종료되고, 기판의 가열 및 소오스 가스에의 노출은 성장 처리를 완료시키기위해 주사종료 후에도 계속된다. 공급 가스는 사용되는 소정의 첨가층가스와 동일하거나 상이할 수 있다.
이온 선량의 현저한 감소는 자기 촉매(autocatalytic) 활성화 에너지에 대한 자발적 활성화 에너지의 비율이 적어도 약 1자리수의 크기인 가스에 대해 달성된다. 철 펜타카르보닐에 대하여, 고순도의 철 라인은 약 130℃의 기판 온도에서 1014-1015이온/cm2, 특히 3×1014이온/cm2정도의 FIB 이온 선량으로 실리콘 기판상에 부착된다. 이 재료로서, FIB 주사는 1mm/sec의 속도로 행해질 수 있고 이어서, 가열된 기판이 약 1 또는 2분 동안 공급 가스에 노출된다. 보다 양호한 결과는 한번의 장시간의 주사보다는 오히려 일련의 신속한 다중 주사로 달성된다. 동일한 철 펜타카르보닐 공급 가스를 사용하는 이-비임 CVD 기술과 비교되는 현저한 선량 감소는 이온 비임이 첨가층 분해 및 직접적인 기판 손상 모두에 의해 핵생성 위치를 형성할 수 있는 사실에 기인되는 것으로 믿어진다.
새로운 FIB 보조 부착 방법은 IC 칩의 제조 동안 제위치에 회로접속부의 형성, 칩 회로 접속부의 수리, IC 칩의 제조에 사용되는 마스크 상의 라인 형성, 및 이러한 마스크 라인의 수리를 포함하는 다수의 응용분야를 갖는다.
본 발명의 이러한 특징 및 다른 특징 및 장점은 당해 분야에 통상의 지식을 가진 자에게 첨부된 도면을 참조하여 다음의 여러가지 양호한 실시예의 상세한 설명으로부터 명백해진다.
[양호한 실시예의 상세한 설명]
기판상에 얇은 금속 라인을 부착시키기 위해 본 발명을 사용하기에 적합한 여러가지의 FIB 컬럼이 개발되어 왔다. 그러한 컬럼중의 하나가 본 발명의 양수인인 휴우즈 에어크라프트 캄파니(Hughes Aircraft Company)에 양도된 Ward 등의 미합중국 특허 제4,556,798호("집속된 이온 비임 미세제조 컬럼(Focused Ion Beam Microfabrication Column)")에 기술되어 있다. 제 1 도에는 간단한 FIB 컬럼이 도시되어 있다. 그것은 가열되고 이온이 추출되는 첨예점(sharp point)을 갖는 고휘도(high brightness) 이온 공급원(2)를 포함한다. 금속은 히터에 의해 용융되어 모세관 작용(capillary action)에 의해 이온 공급원(2)의 점으로 이동하고, 그곳에서 이온화된다. 이 고휘도 이온 공급원은 상당히 작은 점으로부터 방사되도록 나타나는 대전 입자의 비임을 발생시킨다.
추출 전극(4)는 액체 금속 이온 공급원(2) 바로 아래에 배치되어 있다. 전위차는 적절한 전원(6)에 의해 공급원으로부터 이온 비임을 추출시키기에 충분하게 이온 공급원(2)와 추출 전극(4) 사이에 설정된다.
이온 비임은 추출 전극의 중앙 개구(opening)를 통과하고, 계속하여 ExB 질량 분리기(mass separator, 8)을 통과한다. 이것은 비임으로부터 바람직하지 않은 종류의 이온을 편향시키기 위해 사용되는 공지된 장치이므로 바람직한 종류의 이온만이 비임 경로를 계속 진행한다. 이것은 비임의 양측면에 배치된 1쌍의 전계 플레이트(electric field plate)와, 전계 플레이트에 직각으로 배치된 1쌍의 자극편(magnetic pole piece)으로 구서된다. 전계 및 자계는 제어 메카니즘(10)에 의해 제어되므로 선택된 종류의 이온은 질량분리기 바로 아래에 배치된 플레이트(14)의 비임 한정 개구(aperture, 12)를 통과하지만, 다른 종류의 이온은 비임 경로로부터 편향되고 플레이트(14)에 의해 저지된다.
가속 렌즈(accelerating lens, 16)은 비임 한정 개구를 통과한 이온 에너지를 가속시키고 증가시키기 위해 플레이트(14) 아래에 배치된다. 가속렌즈(16)은 전형적으로 비임 경로에 순차적으로 배치된 1쌍의 전극으로 구성되고, 전원이 바람직한 가속을 제공하기에 충분한 2개의 전극들 사이의 전위차를 제공한다.
팔극 편향기(octupole deflector, 18)과 같은 비임 편향기는 가속 렌즈 아래에 배치되어, 기판 위의 비임을 주사하기 위해 사용된다. 편향기는 바람직한 경우에 비임을 차단시키기 위해 사용될 수 있는 소거(blanking) 개구(20)을 포함한다.
지금까지 기술된 바와 같이, FIB 컬럼은 종래의 기술이다. 그것은 진공실(vacuum chamber, 22)내에 내장되고 x-y 평면에서 이동을 제어할 수 있는 x-y 기단부(24)를 포함한다. 열절연체(26)은 x-y 단으로 부터 상향으로 연장하고, 전열선(eletrical heating wire, 30)이 코일상으로 감겨지는 발열체(28)을 지지한다. FIB에 대한 타겟(target)을 형성하는 기판(32)는 발열체(28)의 상부에 배치되어 가열되고, 열전쌍 감지기(thermocouple sensor, 34)는 발열체에 대한 제어를 제공하기 위해 기판 온도를 감지한다. 열전쌍 감지기(34)에 의해 감지되는 기판 온도는 전열선(30)을 통해 흐르는 전류를 제어하여 기판 온도를 제어하는 열제어 메카니즘(35)로 전송된다.
기판상에 부착될 재료는 가스 저장기(36)내에 가스 상태로 유지된다. 밸브(38)은 저장기로부터, FIB 근처의 기판 위에서 종료되고 FIB에 의해 주사되는 기판부 상으로 가스의 유동을 유도하는 노즐(40)으로의 공급 가스의 유동을 제어한다.
본 발명은 이전에 요구되던 것보다 실제로 상당히 낮은 이온 선량으로 기판(32)상의 가스로부터 정확히 정해진 재료의 라인을 부착시키기 위한 새로운 방법을 제공하고 있다. 본 발명에 의하면, FIB는 격자 손상 또는 첨가층의 표면 분해, 또는 모두에 의해 표면상에 직접 핵생성 위치의 궤적을 형성하기 위해 기판을 가로질러 주사된다. 그 후 기판은 핵생성 위치상의 공급 가스로부터 바람직한 재료의 성장을 보조하기에는 충분히 높으나 공급 가스의 자발적 열분해온도보다는 낮은 온도로 가열된다. 이 온도에서, 기판은 연속적인 부착 라인이 형성될 때까지, 핵생성위치상에 성장시키기 위해 바람직한 재료의 부착을 유도하는 공급 가스에 노출된다. 이러한 신규한 처리에 의해 높은 애스펙트 비(aspect ratio)를 갖는 상당히 고순도의 부착이 달성된다.
부착 처리는 제 2 도 및 제 3 도에 도시되어 있다. 진공실내의 주위 가스(ambient gas)의 소수의 단층으로 구성되는 첨가층(42)는 기판(32), 전형적으로 실리콘 칩의 표면에 부착된다. 첨가층은 전형적으로 10mTorr 정도의 증기압에서 형성된다. 그 다음에, 이온은 핵형성 위치를 형성하기 위해 첨가층을 분해한다. 부수적으로, 행생성 위치는 이온 손상에 의해 웨이퍼의 표면상에 직접 형성될 수 있다. 그러므로, 가스는 항상 활성화 과정중에 존재해야만 하는 것은 아니다. 본 발명에서 부착 재료에 대해 첨가층을 형성하고 부착재료용 공급 가스를 제공하기 위해 동일 가스가 사용될 수도 있고, 상이한 가스가 사용될 수도 있다.
FIB(44)는 부착을 필요로 하는 궤적을 따라 표면(42)를 가로질러 주사된다. FIB는 컴퓨터 제어하에 순차적인 작은 증분단계로 또는 연속 이동으로 표면 위에 주사될 수 있다. 이러한 주사의 결과는 표면상의 분자들 사이의 결합을 파괴하여, FIB가 부착재료의 성장을 보조하기에 적합한 일련의 핵생성 위치(46)을 형성한다. 기판 온도가 충분히 높이 상승하면, 자발적 핵생성은 FIB 없이도 표면 위에 발생한다. 따라서, 이 과정에서의 기판 가열은 가스가 FIB 없이 핵 생성 위치를 형성하는 자발적 핵생성 온도 보다 낮은 온도에서 유지된다.
FIB는 핵생성 위치의 라인을 형성하기 위해 기판 위에서 단일 주사로 이동될 수 있다. 그러나, 소정의 가스에 대해, 보다 명확한 부착 재료의 라인은, FIB가 바람직한 궤적 위에서 다수의 주사로 이동될 때, 보다 두꺼운 두께 : 폭 비율로서 발생된다. 소정 가스에 대한 보다 양호한 결과는 각각의 주사가 단일 주사 처리 보다 빠른 속도로 행해질 때 그리고 다중 주사에서의 기판상의 비임의 총 체재시간이 단일 주사 처리시의 체재 시간 보다 크지 않을 때조차 다중 주사에 의해 달성된다.
충분한 핵생성 위치가 형성되면, FIB는 공급이 중단되고 기판은 부착될 재료를 포함하는 공급 가스에 노출된다. 기판 온도가 상당히 높은 경우에, 가스는 핵생성 위치 주위에 재료의 막을 부착시키기 위해 핵생성위치와 반응한다. 이러한 목적을 위해, 기판은 공급 가스의 열 분해 온도보다 약간 낮게 가열된다. 상당히 높은 온도는 주사 라인의 외부에 원치않는 부착을 야기시킨다. 노출이 진행됨에 따라, 재료는 제 3 도에 연속적인 일련의 파선(48)로 나타낸 것과 같이, 계속 성장한다. 결국, 핵생성 위치들 사이의 갭(gap)이 충전되어 연속적인 부착 라인(50)을 발생시킨다.
특정 가스에 대한 자발적 핵생성 온도는 절대값이 아니라 오히려 기판이 소정의 특정온도로 가열되는 시간양 및 공급 가스의 압력에 좌우된다. 이러한 현상이 제 4 도에 도시되어 있다. 표면이 T1이 T2보다 크고, T2가 T3보다 큰 3가지 상이한 온도 T1, T2및 T3로 가열되고 3가지 온도 모두가 선택된 가스에 대해 자발적 핵생성을 지지할 수 있다고 가정한다. 제 4 도에 도시된 바와 같이, 소정의 자발적 핵생성이 발생하기 전에 도달 시간(latency time)이 있다. 최고의 온도 T1에서, 기판이 제 1 시간 동안 t1동안 가열될 때 자발적 행생성이 개시되고, 다음 낮은 온도 T2에서 자발적 핵생성은 보다 나중의 시간 t2에서 개시하며 최저 온도 T3동안 자발적 핵생성은 보다 나중의 시간 t3에서 개시한다. 그러므로, 표면이 자발적 핵생성 온도 보다 낮은 온도로 가열되는 필요조건은 절대온도, 및 기판이 가열되어 가스에 노출되는 시간의 기간 모두를 제어함으로써 만족된다.
핵생성 위치가 FIB에 의해 형성된 후에 3가지 상이한 온도에서 공급 가스에 노출된 기판이 제 4 도의 라인 T'1,T'2및 T'3에 의해 도시되어 있다. 성장은 자발적 핵생성으로부터 발생하는 동일한 온도에 대한 성장속도와 동일한 속도로 각각의 온도에 대하여, 거의 즉시 시작한다. 그러므로, 예를 들어, 기판이 온도 T1로 가열되면 선명한 부착 라인이 생기는 것을 보장하기 위해 t1보다 길지 않는 시간 기간 동안 공급 가스에 노출되어야 한다.
가열 시간에 대한 자발적 핵생성 온도에 관한 포괄적인 테이블이 이용할 수 있도록 공지되지 않았고, 소정의 특정 가스에 대해, 이러한 변수(parameter)는 일반적으로 경험적으로 결정되어야 한다. 차동 열량계(differential calorimeter) 측정은 수 초 동안의 비교적 짧은 시간 기간 동안 자발적 핵생성 온도를 산정하기 위해 사용될 수 있다. 철 펜탄카르보닐[Fe(CO)5]에 대해, 130℃에서 60초 동안의 노출은 선명한 철 라인을 형성하고, 150℃에서 동일한 시간 기간 동안의 노출은 칩의 표면 전체에 걸쳐서 자발적 핵생성 및 철성장을 발생시킨다.
첨가층 가스 및 공급 가스에 대해 동일하거나 상이한 가스가 사용될 수 있다. 동일한 가스가 사용되는 경우, 첨가층을 제공하기 위한 FIB 주사 동안에 그리고 그후의 부착을 발생시키는 공급 가스를 제공하기 위해 모두 기판위에 도입된다. 이 경우에, 기판 온도는 총주사 및 성장 시간에 대응하는 자발적 핵생성 온도보다 약간 낮은 온도로 유지된다.
상이한 가스가 사용되는 경우에, 첨가층 가스는 FIB 주사 동안에 기판 위에 도입되고 기판 온도는 주사시간에 대응하는 첨가층 가스에 대해 자발적 핵생성 온도 보다 약간 낮은 온도로 설정된다. 그 후, 첨가층가스가 배출되고 공급 가스가 기판 위에 도입된다. 기판은 성장 기간 동안 공급 가스에 대한 자발적 핵생성온도 보다 약간 낮은 온도로 가열되고, 성장은 공급 가스의 유동이 종료될 때까지 계속된다. 이러한 목적을 위해, 자발적 핵생성 온도 및 자발적 열분해 온도가 상호 교환될 수 있음을 이해할 수 있다.
본 발명은 50KeV FIB의 갈륨 이온들 및 실리콘 기판과 함께, 첨가층 및 공급 가스 둘다 철 카르보닐을 사용하여 설명된다. 공급 가스는 노출동안 130℃로 가열된 실리콘 웨이퍼 상방 약 1mm에 배치된 소형 젯트(jet)에 의해 기판에 공급하였다. FIB는 첨가층으로부터 CO 성분을 제거함과 동시에 표면을 손상시켜서 수 Å 크기로 웨이퍼 표면상에 Fe 핵생성 위치를 형성하였다. 다중 또는 단일 주사 모두가 시험되었다. 각 주사간에 5초간의 지연을 갖는 여러번의 급속한 비임 주사는 동일한 총 이온 선량으로 단일의 저속 주사보다 더 깊은 철의 라인 부착을 형성하였다. 철 깊이는 성장시간 및 국부적인 가스 압력(localized gas pressure)에 의해 변화하였다. 전형적인 철 깊이는 1 내지 2분의 총 성장 시간(주사포함) 및 수 mTorr의 국부적인 가스 압력에서 0.3 내지 0.75미크론이었다. 성공적인 한 양태에서, 약 100미크론 길이의 라인이 약 10msec 마다 10회의 주사를 사용하여 부착되었다.
서브미크론 미터-폭의 철 라인들은 약 1014내지 1015이온/cm2정도의 이온 선량, 및 특히 3×1014이온/cm2에서 형성된다. 이온선량이 높을수록 더 넓고 약간 깊은 부착이 생성되었지만, (10회 이하의 주사에 의한) 1016이온/cm2이상의 이온 선량에서는 스퍼터링이 주사된 영역의 중앙에서 금속 성장의 대부분을 방해하였다. 기판 온도가 2분간의 시간 기간 동안 약 104℃의 Fe(CO)5에 대한 자발적 열분해(핵생성)온도 보다 낮은 온도로 유지되었을 때 FIB로 주사되지 않은 영역에서는 성장이 전혀 관찰되지 않았다. 3×1014이온/cm2의 이온 선량은 FIB 금속 부착 기술에 비해 상당히 낮아서, 크기가 약 3자리수 작다.
입사 갈륨 이온당 5×103-1×104철 원자의 초고부착 수율(ultra high deposition yield)이 이러한 기술을 사용하여 측정되었다. 오거 분석(auger analysis)결과, 부착된 층 전반에 걸쳐 각각 86%, 9% 및 4%의 철, 탄소 및 산소의 조성 퍼센테이지가 산출되었다. 이것은 종래에 시스템에 의해 획득되었던것 보다 상당히 높은 순도이다. 부착된 라인내에서 갈륨은 검출되지 않았다.
새로운 처리는 실리콘 및 SiO2모두의 기판상에 시도되었다. 그러나, 반도체, 유전체 및 금속을 포함하는 실질적으로 모든 종류의 적절히 세척된 기판에 적용할 수 있다고 믿어진다.
이러한 기술에 의해 알루미늄 부착도 실현된다. 이 경우, 첨가층은 불필요하다. 단순히 표면을 횡단하여 이온 비임을 주사하고, 기판을 가열하고, 내-알루미늄 가스(aluminum-bearing gas)[트리이소부틸-알루미늄(triisobutylaluminum-TIBA)]에 표면을 노출시킴으로써 알루미늄 성장을 발생시킨다. 기판은 가스의 자발적 열 분해 온도보다 약간 낮은 약 330℃로 가열되고, FIB 주사후 약 5 내지 20분 동안 가스에 노출된다. 알루미늄 성장은 3×1016이온/cm2의 FIB 선량으로 발생되었고, 또한 TIBA 첨가층이 이용되었을 때도 동일 선량으로 성장이 발생되었다. 반면에, 철 라인은 첨가층을 먼저 형성하지 않고 FIB에 의해 직접 기판을 주사함으로써 유사하게 부착될 수 있지만, Fe(CO)5로부터 성장하는 경우, 첨가층을 생략하면 필요한 이온 선량이 3×1014에서 3×1015이온/cm2으로 증가된다.
단지 철 펜타카르보닐 및 TIBA가 여태까지 설명되어왔지만, 본 발명은 금속과 같은 바람직한 부착 재료가 얻어질 수 있는 다른 공급 가스에 적용될 수 있다. 우수한 가스라는 것은 자기 촉매 활성 에너지(autocatalytic activation energy : ACE)에 대한 자발적인 활성 에너지(SAE)의 비율이 비교적 높은 것이라고 믿어진다. SAE는 첨가층내의 분자가 분해하여 평활한 표면상에 핵생성 위치를 형성하는데 필요한 에너지이고, ACE는 기존의 핵생성 위치의 존재시에 성장을 발생시키는데 필요한 에너지이다. Fe(CO)5에 대한 SAE는 약 1.5eV이고, ACE는 약 0.1 내지 0.2eV이다. 이상적으로는, 가스에 대한 SAE : ACE 비율은 약 1자리수 이상의 크기어야 한다. 130℃ 정도의 낮은 온도에 대한 다른 유망한 가스는 Cr(CO)5이다. 약 300℃ 정도의 높은 온도에 대하여 유망한 가스는 Ni(CO)6, Mo(CO)6및 W(CO)6이다. 양호한 전위를 갖는 것으로서 알려진 다른 가스는, 온도 범위가 불확실하지만, Ti(C5H5)2이다.
가스가 높은 SAE : ACE 비를 갖지만 가스로부터 부착된 재료가 최적의 전기적 특성을 갖지 않는 경우, 각각 전체 처리의 일부를 위해 특별히 선택된 특성을 갖는 상이한 가스들이 핵생성 및 성장을 위해 사용될 수 있다. 예를들어, Fe(CO)5는 높은 SAE : ACE 비를 갖고 낮은 FIB 선량에 의해 핵생성 위치들을 발생시키지만, 많은 경우들에서 철 보다는 오히려 알루미늄 또는 소정의 다른 금속을 기판상에 부착하는 것이 더욱 바람직하다. 이 경우, FIB 주사는 Fe(CO)5의 존재하에 행해질 수 있고, 성장은 TIBA와 같은 알루미늄 공급 가스의 존재시에 발생한다. 이 가스에 대한 자발적 분해는 360℃ 정도에서 되기 대문에, 기판은 주사가 완료되고 Fe(CO)5가 배출된 이후에 약 330℃로 가열되는 것이 바람직하다. 이온이 무거울수록 더많은 스퍼터링을 발생시키는 경향이 있지만, FIB를 위해 사용될 수 있는 이온의 형태에 대한 이론적 제한은 없다. 그러나, 본 발명으로써 가능한 1014내지 1015이온/cm2정도의 낮은 선량에서는 적은 스퍼터링이 예상된다. 갈륨 이온만이 설명되었지만, 실리콘, 베리륨, 헬륨 또는 수소와 같은 가벼운 이온들의 사용은 이들 이온들이 적은 스퍼터링을 발생시키고 도핑 및 석판인쇄술을 위해 사용될 수 있기 때문에 처리의 융통성을 증가시킬 수 있다.
약 50KeV 미만의 이온 에너지가 스퍼터링을 제어하는데 도움이 되지만, 1 내지 100KeV의 일반적인 범위내의 에너지는 사용 가능한 결과를 발생시킬 것이다. 수백 eV의 더욱 낮은 에너지도 작용할 수 있지만, 이들 낮은 에너지 레벨들로 비임을 접속하기가 어렵고, 일반적으로 1 미크론 라인 폭에 대하여 1KeV가 최소 비임 에너지로 생각된다.
본 발명의 독특한 이점중의 하나는 석판인쇄술, 도핑 주입 및 스퍼터링에 의한 재료의 제거와 같은 다른 FIB 처리를 수반하여 금속 부착의 직접화를 가능하게 함으로써 집적화되고 완전한 마스크가 없는 IC 제조시스템을 제작할 수 있다. 이것은 본 발명의 처리에 필요한 낮은 이온 선량이 다른 FIB 처리들에 사용되는 선량과 양립될 수 있고, 전체적인 제조를 지나치게 느리게 하지 않는다.
제 1 도의 시스템은 각각의 처리를 위해 사용될 이온들의 간단한 선택에 의한 상이한 FIB 처리, 및 각각의 처리에 대한 FIB 주사에 대응하는 제어를 도모할 수 있다. 예를 들어, 선택적인 n-형 도핑 주입에 대하여는 실리콘 이온, 선택적인 p-형 도핑 주입에 대하여는 베릴륨 이온, 스퍼터링에 대하여는 금 이온, 및 금속 부착에 대하여는 실리콘 이온을 사용하는 것이 바람직하다고 가정한다. 이온 공급원(2)는 실리콘, 베릴륨 및 금이 포함된 액체 및 금속 공급원으로써 제공되고, 비임은 각각의 재료의 이온이 포함된 공급원으로부터 추출된다. 올바른 형태의 이온은 ExB 제어기(10)의 제어하에 동작하는 질량 분리기(8)에 의해 각각의 처리에 대해 선택되고, 다른 형태의 이온은 비임으로부터 편향된다. 선량은 기판상의 비임 흐름 및 체재 시간에 의해 결정된다.
본 발명에 의한 부착에 필요한 선량은 다른 처리의 경우와 동일한 일반적 정도의 크기이기 때문에, 부착 단계는 다른 처리들보다 오래 걸리지 않는다. 이것이 필요한 이온 선량이 상당히 높고 아주 긴 시간 기간을 필요로 하기 때문에 실제로 상용화된 제조 시스템에서의 다른 FIB 처리와 일체화할 수 없었던 종래의 FIB 부착기술과 대조적인 것이다.
제 5 도 내지 제 8 도에 도시된 양태들을 포함하는 새로운 부착 처리에 대하여 다수의 적용이 이용될 수 있다. 제 5 도는 IC 칩(52)상에 전기 접속부를 형성하기 위한 처리의 사용을 도시한 것이다. FET(54 및 56)과 같은 회로 소자들은 적당한 석판인쇄술 및 주입 단계들에 의해 칩상에 우선 형성된다. 다음에, FIB(44)는 원하는 회로 접속 라인에 대응하는 미리 예정된 궤적(58)을 따라 핵생성 위치를 설정하기 위해서 그러한 궤적을 따라 주사된다(다수의 주사가 바람직하다). 다음에, 상부 칩 표면은 공급 가스에 노출되고, 칩은 주사 라인을 따라 성장시키기 위해 가스의 자발적 열분해 온도보다 약간 낮은 온도로 가열된다. 도시된 회로에서, FIB와 관련하여 부착된 도선은 반전기 회로(invertor circuit)내의 한 쌍의 FIB를 접속시킨다.
제 6 도에 도시된 다른 적용은 IC 칩상의 금속 상호 접속부의 수리이다. 개방부(60)이 이전에 부착된 금속 상호 접속 라인(58)내에 발생하거나, 개방부(60)이 본래의 제조상의 결함이었다고 가정한다. 라인은 새로운 핵생성 위치를 형성하기 위해서 FIB로 개방 영역을 간단히 주사한 다음, 새로운 재료로 부착하여 개방부를 폐쇄시키기 위해서 공급 가스에 가열된 칩을 노출시킴으로써 수리될 수 있다.
제 7 도는 IC 칩 제조시에 사용되는 마스크상에 라인을 설치하기 위한 본 발명을 도시한 것이다. FIB 처리는 투명한 석영기판(64)상에 불투명한 금속 라인들(62)를 부착시키는데 사용된다. 그 결과, 마스크는 포토레지스트 코팅이 현상되는 경우와 같이, 칩 제조시의 적절한 단계중에 칩 라인 위치를 차폐함으로써 칩상의 상호 접속 라인의 제조에 사용된다. 이러한 방식으로 라인들은 마스크 라인(62)에 대응하는 포토레지스트내로 에칭될 수 있고, 금속 상호 접속부가 칩상의 에칭되어 버린 부분상에 부착되게 할 수 있다.
마스크는 또한 마스크 라인(62)내에 발생하는 임의의 개구들(66)에 새로운 금속을 부착하기 위해 본 발명의 FIB 처리를 사용함으로써 수리될 수 있다. 이러한 수리 처리가 제 8 도에 도시되어 있다. 제 6 도 및 제 8 도의 IC 칩 마스크 수리는 처음에 부착된 라인내의 임의의 결합들이 칩 또는 마스크의 제조가 완료되자마자 정정되는 품질 제어 사이클과 일체화될 수 있다.
이상과 같이, 종래의 FIB 부착 기술보다 현저히 빠른 부착 속도를 갖고 훨씬 낮은 이온 선량을 필요로 하고 아주 고순도의 고품질 라인을 형성하는 FIB를 사용한 신규한 화학 증착 처리가 도시되고 설명되어 있다. 여러가지 변형예가 기재되어 있지만, 많은 부가적인 실시예가 당해 기술에 통상의 지식을 가진 자에 의해 이루어질 것이다. 따라서, 본 발명은 단지 첨부된 특허 청구의 범위에 대해서만 제한될 것이다.

Claims (44)

  1. 소정의 궤적을 따라 기판상에 핵생성 위치를 형성하기에 충분한 이온 선량 및 에너지를 집속된 이온 비임(FIB)으로 상기 궤적을 따라 기판을 주사하는 단계, 기판을 가열하는 단계, 및 재료를 포함하는 가스에 가열된 기판을 노출하는 단계를 포함하고, 상기 기판은 상기 재료가 상기 핵생성 위치상에 상기 가스로부터 성장하고 상기 궤적을 따라 실제로 연속적인 부착을 형성하기에는 충분히 높은 온도이나 가스의 자발적 열분해 온도 보다는 낮은 온도로, 상기 기판이 가열되어 상기 가스에 노출되는 시간 기간 동안, 가열되는 것을 특징으로 하는 기판상의 소정의 궤적을 따라 재료를 부착하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, FIB 주사가 최초의 시간 기간후에 종료하고, 기판의 가열 및 상기 가스로의 기판의 노출이 FIB 주사의 종료후 계속되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 기판이 상기 FIB에 의해 다중 주사에 노출되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, FIB 주사 동안의 기판 온도가 상기 재료가 성장될때의 기판 온도 보다 낮은 온도인 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 기판이 FIB 주사 동안 실온에 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 재료가 금속으로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 금속이 알루미늄으로 구성되고, 상기 가스가 트리이소부틸알루미늄으로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 기판이 상기 가스 노출 동안 360℃로 가열되는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 6 항에 있어서, 상기 금속이 철로 구성되고, 상기 가스가 철 펜타카르보닐로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 기판이 성장 동안 130℃로 가열되는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 1 항에 있어서, FIB 이온 선량이 1014내지 1016이온/cm2인 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 1 항에 있어서, FIB 주사가 최초의 시간 주기 후에 종료되고, 기판의 가열 및 상기 가스로의 기판의 노출이 FIB 주사의 종료후 총 5 내지 20분 동안 계속되는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 가스의 자발적 활성화 에너지에 대한 자기 촉매 활성화 에너지의 비율은 적어도 1자리수의 크기인 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 기판상에 가스의 첨가층을 형성하기 위해 기판을 가스에 노출하는 단계, 소정의 궤적을 따라 기판상의 상기 첨가층 내에 핵생성 위치를 형성하기에 충분한 이온 선량 및 에너지에서 집속된 이온 비임(FIB)으로 상기 궤적을 따라 상기 첨가층을 주사하는 단계, 상기 FIB 주사를 종료하는 단계, 상기 기판을 가열하는 단계, 및 상기 FIB 주사 종료 후 상기 재료를 포함하는 공급 가스에 가열된 기판을 노출하는 단계를 포함하고, 상기 기판은 상기 재료가 상기 공급 가스로부터 상기 핵생성 위치상으로 성장하고 상기 궤적을 따라 실제로 연속적인 부착을 형성하기에 충분히 높은 온도이나 공급 가스의 자발적 열분해 온도보다는 낮은 온도로, 상기 기판이 가열되어 상기 공급 가스에 노출되는 시간 기간 동안, 공급 가스 노출중에 가열되는 것을 특징으로 하는 기판상의 소정의 궤적을 따라 재료를 부착하는 방법.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 첨가층이 상기 FIB에 의해 상기 궤적을 따라 다중 주사로 주사되는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제 14 항에 있어서, 상기 재료가 금속으로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 금속이 철로 구성되고, 상기 가스가 철 펜타카르보닐로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 기판이 상기 공급 가스 노출 동안 130℃로 가열되는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제 14 항에 있어서, FIB 이온 선량이 1014내지 1015이온/cm2인 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제 14 항에 있어서, FIB 주사가 최초의 시간 기간 후 종료되고, 기판의 가열 및 상기 공급 가스로의 기판의 노출이 FIB 주사의 종료 후 총 1 내지 2분 동안 계속되는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제 14 항에 있어서, 상기 가스의 자기 촉매 활성화 에너지에 대한 자발적 활성화 에너지의 비율은 적어도 1자리수의 크기인 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제 14 항에 있어서, 상기 기판이 상기 주사 동안 상기 가스의 자발적 핵생성 온도보다 약간 낮은 온도로 가열되는 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 제 14 항에 있어서, 첨가층 가스 및 공급 가스용으로 동일한 형태의 가스가 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 제 14 항에 있어서, 첨가층 가스 및 공급 가스용으로 상이한 가스가 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 소정의 궤적을 따라 기판 상에 핵생성 위치를 형성하기에 충분한 이온 선량 및 에너지에서 FIB로 상기 궤적을 따라 기판을 주사하는 단계, FIB 주사를 종료하는 단계, 기판을 가열하는 단계, 상기 궤적을 따라 부착될 재료를 포함하는 가스에 가열된 기판을 노출하는 단계, 및 상기 궤적을 따라 주사시키기 위해 사용된 선량과 동일한 크기의 선량의 이온 선량에서 주입, 석판인쇄술 및 스퍼터링을 포함하는 적어도 1개의 부가적인 FIB 처리로서 기판을 처리하는 단계를 포함하고, 상기 가스 노출중에 상기 기판은 상기 재료가 상기 핵생성 위치상에서 상기 가스로부터 성장하여 상기 궤적을 따라 실제로 연속적인 부착을 형성하기에는 충분한 높은 온도이나 가스의 자발적 열분해 온도 보다는 낮은 온도로, 상기 기판이 가열되어 상기 가스에 노출되는 시간 기간 동안, 가열되는 것을 특징으로 하는 집속된 이온 비임(FIB) 프로세싱 방법.
  26. 제 25 항에 있어서, 상기 재료가 철로 구성되고, 상기 가스가 철 펜타카르보닐로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  27. 제 26 항에 있어서, 상기 기판이 상기 가스에 노출 동안 130℃로 가열되는 것을 특징으로 하는 방법.
  28. 제 25 항에 있어서, FIB 이온 선량이 1014내지 1016이온/cm2인 것을 특징으로 하는 방법.
  29. 소정의 회로 접속부의 경로를 따라 칩상의 핵생성 위치를 형성하기에 충분한 이온 선량 및 에너지에서 집속된 이온 비임 (FIB)으로 상기 회로 접속부의 경로를 따라 칩을 주사하는 단계, 칩을 가열하는 단계, 및 도전 재료를 포함하는 가스에 가열된 칩을 노출하는 단계를 포함하고, 상기 가스 노출중에 상기 칩은 상기 도전 재료가 상기 핵생성 위치상에서 상기 가스로부터 성장하여 상기 회로 접속부의 경로를 따라 실제로 연속적인 도전 부착물을 형성하기에는 충분히 높은 온도이나 가스의 자발적 열분해 온도보다는 낮은 온도로, 상기 칩이 상기 가열되어 가스에 노출되는 시간 기간 동안, 가열되는 것을 특징으로 하는 IC 칩의 제조시에 회로 접속부를 제위치에서 형성하는 방법.
  30. 제 29 항에 있어서, 상기 도전 재료가 철로 구성되고, 상기 가스가 철 펜타카르보닐로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  31. 제 30 항에 있어서, 상기 칩이 상기 가스 노출 동안 130℃로 가열되는 것을 특징으로 하는 방법.
  32. 제 29 항에 있어서, FIB 이온 선량이 1014내지 1016이온/cm2인 것을 특징으로 하는 방법.
  33. 회로 접속부의 경로를 따라 칩상에 핵생성 위치를 형성하기에 충분한 이온 선량 및 에너지에서 집속된 이온 비임(FIB)으로 상기 회로 접속부의 경로를 따라 칩을 주사하는 단계, 기판을 가열하는 단계, 및 상기 도전 재료를 포함하는 가스에 가열된 칩을 노출하는 단계를 포함하고, 상기 가스 노출중에 상기 기판은 상기 도전 재료가 상기 핵생성 위치상에서 상기 가스로부터 성장하여 상기 회로 접속부의 경로를 따라 실제로 연속적인 도전 부착물을 형성하기에는 충분히 높은 온도이나 가스의 자발적 열 분해 온도 보다는 낮은 온도로, 상기 칩이 가열되어 상기 가스에 노출되는 시간 기간 동안, 가열되는 것을 특징으로 하는 IC 칩상의 회로 접속부를 제위치에서 수리하는 방법.
  34. 제 33 항에 있어서, 상기 도전 재료가 철로 구성되고, 상기 가스가 철 펜타카르보닐로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  35. 제 34 항에 있어서, 상기 칩이 상기 가스 노출 동안 130℃로 가열되는 것을 특징으로 하는 방법.
  36. 제 33 항에 있어서, FIB 이온 선량이 1014내지 1016이온/cm2인 것을 특징으로 하는 방법.
  37. 소정의 라인에 해당하는 경로를 따라 마스크 기판상에 핵생성 위치를 형성하기에 충분한 이온 선량 및 에너지에서 집속된 이온 비임 (FIB)으로 칩상의 상기 라인에 해당하는 경로를 따라 마스크 기판을 주사하는 단계, 마스크 기판을 가열하는 단계, 및 불투명 재료를 포함하는 가스에 가열된 마스크 기판을 노출하는 단계를 포함하고, 상기 가스 노출중에 상기 마스크 기판은 상기 불투명 재료가 상기 핵생성 위치상에서 상기 가스로부터 성장하여 상기 라인에 해당하는 경로를 따라 연속적인 불투명 부착물을 형성하기에는 충분히 높은 온도이나 가스의 자발적 열 분해 온도 보다는 낮은 온도로, 상기 마스크 기판이 가열되어 상기 가스에 노출되는 시간 기간 동안 가열되는 것을 특징으로 하는 IC 칩의 제조에 사용하기 위한 마스크를 제위치에 형성하는 방법.
  38. 제 37 항에 있어서, 상기 불투명 재료가 철로 구성되고, 상기 가스가 철 펜타카르보닐로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  39. 제 38 항에 있어서, 상기 마스크 기판이 상기 가스 노출 동안 130℃로 가열되는 것을 특징으로 하는 방법.
  40. 제 37 항에 있어서, FIB 이온 선량이 1014내지 1016이온/cm2인 것을 특징으로 하는 방법.
  41. 라인을 따라 마스크 상에 핵생성 위치를 형성하기에 충분한 이온 선량 및 에너지에서 집속된 이온 비임(FIB)으로 상기 라인을 따라 마스크를 주사하는 단계, 마스크를 가열하는 단계, 및 불투명 재료를 포함하는 가스에 가열된 마스크를 노출하는 단계를 포함하고, 상기 가스 노출중에 상기 마스크는 상기 불투명 재료가 상기 핵생성 위치상에서 상기 가스로부터 성장하여 상기 라인을 따라 실제로 연속적인 불투명 부착물을 형성하기에는 충분히 높은 온도이나 가스의 자발적 열분해 온도 보다는 낮은 온도로, 상기 마스크가 가열되어 상기 가스에 노출되는 시간 기간 동안, 가열되는 것을 특징으로 하는 IC 칩 제조에 사용되는 마스크상의 라인을 제위치에서 수리하는 방법.
  42. 제 41 항에 있어서, 상기 불투명 재료가 철로 구성되고, 상기 가스가 철 펜타카르보닐로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  43. 제 42 항에 있어서, 상기 마스크가 상기 가스 노출 동안 130℃로 가열되는 것을 특징으로 하는 방법.
  44. 제 41 항에 있어서, FIB 이온 선량이 1014내지 1016이온/cm2인 것을 특징으로 하는 방법.
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