[发明专利]用于使用聚焦离子束进行半导体器件的平面剥层的前体

说明书

发明技术领域

本发明涉及带电粒子束加工领域，并具体地涉及一种用于使用聚焦离子束将多个导体和电介质层从半导体电路均匀地清除的方法。

发明背景

半导体器件（如微处理器）可以由数百万个晶体管组成，每个晶体管通过分支在若干个层次上的并且相互之间被多个电介质材料层电隔离开的细金属线互连。当第一次在半导体制造设施中生产新的半导体设计时，通常会发现此设计不会恰好像预期地那样运行。然后，需要设计器件的工程师对其设计进行测试和“重新布线”，以便实现所希望的功能性。由于在半导体制造设施中建造半导体器件的复杂性，通常会花费几个星期或几个月来生产所重新设计的器件。进一步地，频繁进行改变并没有解决问题或还暴露设计中的进一步的困难。测试、重新设计和重新制造的过程会显著地延长营销新的半导体器件的时间。

电路编辑（在电路开发过程中改变电路而不需要重新制造整个电路的过程）通过降低加工成本和减少开发周期次数两者产生了巨大的经济利益。在大多数情况下，有待修改的特征埋藏其他材料底下，如绝缘层和（“倒装芯片”的情况下）半导体层。因此，通常需要向下铣削穿过这些材料层，从而在不损坏相邻电路特征的情况抵达到感兴趣的金属特征。这被称为剥层（deprocessing）。剥层并不限于电路编辑应用。剥层可以用于其他的要求接近位于其他材料底下的埋藏特征的应用。例如，基于FIB的故障分析（FA）可能需要剥层，从而允许出于故障隔离的目的使用无源电压衬度接近隐藏的更低的金属层，或暴露用于电探测的特征。

在过去的十年里，技术已经发展到允许聚焦离子束（FIB）系统减少这种完善设计的过程所需的时间。FIB系统产生窄的聚焦带电粒子（下文中被称为离子）束，通常类似于阴极射线管以光栅方式跨试样扫描该带电粒子束。商用的FIB系统通常使用来自液态金属离子源或等离子体离子源的带正电的离子。现代的FIB系统与电子显微镜非常像可以用于形成样品表面的图像。图像的每个点处的强度由衬底上的相应点处的离子束所射出的次级电子或其他粒子流来确定。离子束还可以用于从样品表面清除材料，或用于沉积材料（通常通过使用当存在离子束时分解并将材料沉积到表面上的气体）。当用于清除材料时，聚焦离子束中的离子通过溅射（即，通过从入射离子向表面处的原子的动量转移）从表面物理地射出原子或分子。

FIB仪器可以用于将半导体器件的目标区域铣削掉，从而暴露埋藏在该器件内的层。可以通过跨感兴趣的区域的离子束成光栅的形式来对通常包括多个导体和电介质混合层的目标区域进行铣削。通常使用使该束从点到点步进的数字电子器件跨有待铣削的区域扫描该束。点之间的距离被称为像素间距。像素间距通常小于束斑尺寸，即每个后续的束位置与前一位置重叠，试图获得均匀的切口和光滑的光洁度。此方法被称为“默认铣削”。在例如Swanson等人的题为“半导体器件制造方法（Method of Semiconductor Device Manufacture）”的美国专利号5,188,705中很好地记录了多种铣削方法。

在用于电路编辑或故障分析（FA）的FIB加工过程中，通常必须对多个层的相对大的区域进行剥层，每个层具有嵌入在同一层中的铜和电介质材料。当通过FIB溅射这些类型的混合层时，铜和电介质材料之间的溅射速率之差还趋向于导致非均匀的铣削面。

已经开发了一些选择性攻击某些材料的化学过程，使得当存在某些气体时比只有离子束时材料溅射得更快。此工艺在本领域是众所周知的，并且通常被称为气体辅助蚀刻（GAE）。由于其加快了清除过程，GAE可以用于例如对一个表面层或多个层的相对大的区域进行铣削，从而暴露下面的层以用于观察和测试。然而，使用GAE来铣削包括混合材料的表面层的相对大的区域的一个缺陷在于用来辅助FIB铣削的化学过程通常增强存在其他材料的情况下的一种材料的清除。选择性地以比其他材料更高的速率蚀刻一种材料，加剧了非均匀铣削面的问题。例如，美国专利号7,883,630涉及用于清除铜的化学过程，但是强调了铜相对于电介质的选择性清除，而不是对于平面剥层而言理想的1 : 1清除速率。水可以用于具有多个Si₃N₄蚀刻停止层的半导体器件上的平面剥层，但是在具有SiC包覆层的现代器件上是无效的。

虽然已知若干种改进铜铣削的均匀性的技术，但这些技术中没有一种充分地解决了铣削穿过铜和电介质混合层的问题。因此，需要一种改进的技术以允许使用聚焦离子束更均匀铣削穿过多个铜和电介质混合层以用于平面剥层。

发明概述