(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体デバイス上の領域から、混在した金属層と誘電体層とのうちの１つ以上をエッチングする方法であって、
エッチングすべき前記半導体デバイス上の領域を画定することであって、前記領域が、前記半導体デバイス中で組み合わされた混在した前記金属層および前記誘電体層で構成される少なくともいくつかの層を含む、前記画定すること、
前記半導体デバイス上の前記画定された前記領域に向けて第１のエッチング剤を誘導することであって、前記第１のエッチング剤は、酸化性元素の量が還元性元素の量よりも１元素多く、前記還元性元素の量が多くても３であることを特徴とする比率で、コア構造−Ｃ（＝Ｏ）Ｏ−、または−Ｃ（＝Ｏ）Ｎ−を含み、さらに、フッ素、塩素、酸素、窒素の群から選択される前記酸化性元素と、炭素である前記還元性元素とを含む、前記第１のエッチング剤を誘導すること、および
前記第１のエッチング剤の存在下で、前記半導体デバイス上の前記画定された前記領域に向けてイオンビームを誘導し、それによって、混在した前記金属層と前記誘電体層との少なくとも一部を除去するとともに、対象物上のミリングされた前記領域に、少なくとも１つの実質的に滑らかで平らな表面を有した凹部を生成することを含む、
方法。
【請求項２】
前記第１のエッチング剤中の前記酸化性元素の量が３である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第１のエッチング剤が、エタン酸アンモニウム、クロロアセトアミド、フルオロアセトアミド、およびカルバミン酸メチルの群から選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
第２のエッチング剤が、前記半導体デバイス上の前記画定された前記領域に向けて誘導され、前記第２のエッチング剤が、フッ素、塩素、酸素、窒素の群から選択される酸化性元素と、炭素である還元性元素とを含み、前記第２のエッチング剤中の前記酸化性元素の量が少なくとも１である、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記第２のエッチング剤中の前記酸化性元素の量から前記第２のエッチング剤中の前記還元性元素の量を引いたものが、−１〜３範囲の数に等しい、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記第２のエッチング剤が、酢酸、ギ酸エチル、重炭酸アンモニウム、ヒドラジンアセテート、およびジエチルイミドジカーボネートの群から選択される、請求項４に記載の方法。
【請求項７】
半導体デバイス上の領域から、混在した金属層と誘電体層とのうちの１つ以上をエッチングする方法であって、
エッチングすべき前記半導体デバイス上の領域を画定することであって、前記領域が、前記半導体デバイス中で組み合わされた混在した前記金属層および前記誘電体層で構成される少なくともいくつかの層を含む、前記画定すること、
前記半導体デバイス上の前記画定された前記領域に向けて第１のエッチング剤を誘導することであって、前記第１のエッチング剤は、酸化性元素の量が還元性元素の量よりも１元素多く、前記還元性元素の量が多くても３であることを特徴とする比率で、コア構造−Ｃ（＝Ｏ）Ｏ−、または−Ｃ（＝Ｏ）Ｎ−を含み、さらに、フッ素、塩素、酸素、窒素の群から選択される前記酸化性元素と、炭素である前記還元性元素とを含む、前記第１のエッチング剤を誘導すること、および
前記第１のエッチング剤の存在下で、前記半導体デバイス上の前記画定された前記領域に向けてイオンビームを誘導し、それによって、混在した前記金属層と前記誘電体層との少なくとも一部を除去するとともに、対象物上のミリングされた前記領域に、少なくとも１つの実質的に滑らかで平らな表面を有した凹部を生成すること、
を含み、
前記第１のエッチング剤で前記半導体デバイスの前記画定された領域をエッチングすることは、
混在した前記金属層と前記誘電体層との少なくとも一部分を、第１のビームエネルギーでエッチングする、第１のエッチングステップと、および
前記第１のエッチングステップでエッチングした前記金属層と前記誘電体層との少なくとも一部分を、第２のビームエネルギーで微細エッチングする、第２のエッチングステップであって、前記第１のビームエネルギーは前記第２のビームエネルギーよりも高い、第２のエッチングステップ
を包含する、
方法。
【請求項８】
前記微細エッチングが、Ｍ１からトランジスタコンタクト層までの高金属密度層の少なくとも一部分をエッチングするために使用される、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記半導体デバイス中の誘電体がＬｏｗ−ｋ誘電体である、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記半導体デバイス中の誘電体が、ＳｉｘＮｙまたはＳｉｘＯｙの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記実質的に滑らかで平らな表面が、前記半導体デバイスの前記金属層または前記誘電体層に平行である、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記実質的に滑らかで平らな表面が、前記半導体デバイスの前記金属層または前記誘電体層に対して１０°〜１７０°の範囲の角度をなす、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記イオンビームが集束イオンビームである、請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオンビーム照射による異種材料のガスアシストエッチング方法に関し、例えば、半導体デバイス上に滑らかで平らな表面を作り出すための金属材料および誘電体材料の均一除去に適用可能である。
【背景技術】
【０００２】
エッチングは、半導体デバイスから材料を除去するために用いられる半導体産業でよく知られた技法である。除去を行う目的は、関心領域の接触性を拡張することにある。エッチングプロセスは２つのモードを有し得る。第１のモードは、半導体デバイスのダイに接続する薄層を層ごとに除去することを含む、いわゆる平面エッチングまたは平面剥離処理である。第２のモードは断面エッチングと呼ばれ、その内部に他よりも多くの層の断面が認められ得る凹部を、半導体デバイスに製造する。エッチングは、半導体産業で頻繁に使われている技法であり、研究機関および大学の材料分析グループによっても多用されている。商用化されているエッチングは、研磨もしくは切断を含む反応性イオンエッチング、湿式化学エッチング、または機械的エッチングにより実施され得る。この中でも、機械的エッチングは、金属と誘電体とが混在したまたは非混在の大面積除去に使用される最も一般的な技法である。機械的エッチング手法は、研磨作用が非常に強く、デバイスの層間にスラリーが形成されたままになる可能性が高いために、追加の洗浄手順を必要とする。機械的エッチングで得られる表面は、一般には、平らではない表面であり、その表面には明白な勾配があり、小さな構造体の局在化に関して信頼性が低い。半導体デバイスの性質がこれらの副作用に対し一層敏感になるならば、正確な欠陥位置測定、ナノプロービング、Ｃ−ＡＦＭ測定、回路編集、またはその他の電気的テストを通らなくなる可能性がある。
【０００３】
機械的エッチングは、局所的にエッチングを実施できる集束イオンビームデバイスまたはブロードイオンビームデバイスのような、はるかに高精度の高性能な機器に置き換えることができる。近傍の領域はほとんど影響を受けず、あるいは影響は数マイクロメートルの範囲内のみである。イオンビームデバイスは、試料から原子をスパッタするために事前に選択された領域を極めて正確に標的にするイオンストリームを作り出す。イオンビーム（ＩＢ）は、所与の領域にわたって走査をする際に、入射イオンのエネルギーに応じて、様々な方法で試料に変更を加える。イオンビームデバイスでは、ＨｅからＸｅまで種々のイオンが用いられ、これらのイオンは通常、イオンの質量と、結果的にイオンの標的表面との相互作用とにより区別される。
【０００４】
材料除去のプロセスは、ＦＩＢ−ＳＥＭシステムの様々な検出器を使用してスパッタイオンから信号を収集することによって、稼働中に簡単に監視することができ、それに従って制御される。現在、ＦＩＢ−ＳＥＭシステムの応用基盤がさらに拡大するなか、ガスアシストエッチング（ＧＡＥ）技法が広く用いられている。
【０００５】
ＦＩＢのみを使用する場合には、３次元に積層された半導体デバイスの誘電体材料を貫通する導電性の金属線の「迷路」のような形状により、平面エッチングおよび断面エッチングはより困難になる。試料表面とのＦＩＢの相互作用は、標的表面の組成および／または結晶化度によって違ったものになる。このことにより、同じＦＩＢ条件のセットを使用して、材料ごとにスパッタリング速度が事前に決定される。これらの相互作用は、ガス注入システム（ＧＩＳ）を使用して、反応分子がガスまたは蒸気の形でエッチング剤として作業領域に導入されるとき、変更することができる。この方法の基本原則は、所望物質の適切な化学形態を含むガスを試料チャンバに導入することである。この好ましい化学ガス剤を、２つ以上の異種材料のエッチング中にチャンバ内に注入すると、平滑な表面をもたらす等速でのスパッタリングを可能にし得る。
【０００６】
一般に、試料表面近くにガスを導入したとき、２つの主要な反応が観察され得る。つまり、エッチングおよび材料堆積による表面改質である。ガスアシストエッチングは、ガスの存在による特定の材料のエッチング挙動を修正するために、またはイオンビーム下のガス剤によって、標的表面上への前駆体材料の堆積を可能にするために使用することができる。ビームの影響下でエッチング剤として反応性ガスを用いると、局所的な化学反応のために、一部の材料のエッチング速度を増加または減少させるのに役立ち得る。一方では、揮発性種が形成されるとき、スパッタリング速度が増加し、材料の再堆積が少なくなる。他法では、表面へのガス分子の堆積によって、より硬い層を作成することもでき、スパッタリング速度の同時減少が観察される。このような多様なスパッタリング速度の用途は、半導体デバイス上の選択エッチングまたは平面エッチングを実施する役に立てる。反応性エッチング剤を使用すると、イオンビームによるイオンビームエッチングを、局所的な化学反応により強化または低減することができる。
【０００７】
ＵＳ６９００１３７は、ＸｅＦ２を使用して、ＦＩＢの滞留時間を長くすることにより、有機誘電体層および金属層の両方に、制御された方法でエッチングをする。
【０００８】
特許ＵＳ７００８８０３は、ＧＡＥを可変位置終点検出器とともに使用して、エッチングされる層の端部までの一点エッチングの滞留時間を決定している。
【０００９】
特許出願第２０１３／０１１８８９６号では、ＦＩＢは、回転試料ステージを用いて異種材料を均質に除去し、プロセス中にＦＩＢ動作条件を調整するのに使用される。この方法は、試料表面に存在する各材料のエッチング速度と、ミリングの間中に制御する必要があるパラメータの数とを正確に制御する必要がある。この方法は、削除された各層から取得した表面データを使用して、各試料の階層回路図を作る必要がある。
【００１０】
特許ＵＳ９０６４８１１では、アセテート／ニトロアセテートおよび短い炭化水素鎖を含む群から選択された金属化合物と比較して、誘電体のエッチング速度を遅くすることにより、異種材料のエッチング速度が等しくなるＧＡＥ用のエッチング剤の群が報告されている。特許は、ＧＡＥ用の薬剤として、メチルアセテート、エチルアセテート、エチルニトロアセテート、プロピルアセテート、プロピルニトロアセテート、ニトロエチルアセテート、メチルメトキシアセテート、またはメトキシアセチルクロリドを具体的に記している。
【００１１】
半導体業界は非常に速いペースで成長しており、日々新しい課題に直面している。使用される材料は、より小さな面積内のトランジスタの数を増やすために、さらなる微細化を常に必要とする、より一層複雑なアーキテクチャであり、そのため、それらのサイズの縮小により、回路の凝縮密度は指数関数的に変化した。上記の参考文献では、イオンビームデバイスを用いて平らな表面を製造する様々な方法が論じられているが、次世代の半導体デバイスを構成する材料の増加と、回路に使用されるアーキテクチャとに関しては、平面エッチングにさらに使用できる多種多様なエッチング剤が存在する。多くの方法は、ガス副産物からの再堆積のような望ましくない副作用を最小限に抑えながら、特定の金属−誘電体の組み合わせをエッチングするのに適し、ＦＩＢを単独で他の組み合わせに使用するよりも効果的であり得る。
【００１２】
なかには、既存のＧＡＥ法を用いてエッチングすることができる場合もある。異なる材料をほぼ同じエッチング速度でエッチングする方法に最適な性能を示すものを選択するには、種々のエッチング剤を選択するのがより効果的である。
【発明の概要】
【００１３】
以下に説明する方法では、トランジスタのコンタクト層（ＴＣＬ）のすぐ上にある非常に薄い高密度の銅層にデキャップを施した後に直接露出する厚い銅層から半導体材料を除去するために、選択したエッチング剤を使用する。多くの場合に、エッチング中は、異種材料のエッチング速度を同じにする必要がある。選択されたエッチング剤は、金属のエッチング速度を調節するのに十分な酸化性元素と、誘電体のエッチング速度を、両方の異種材料がほぼ同じエッチング速度でエッチングされるレベルに調節するのに十分な還元性元素とを含まなければならない。
【００１４】
少なくとも５ｋｅＶのビームエネルギーを有する集束イオンビームやブロードビームといった高エネルギーイオンビーム（ＩＢ）の存在は、エッチング剤および半導体デバイスとともに、作業チャンバ内、特に活性イオンビーム領域内で、化合物の元素間結合を切断することによって、反応性元素を生成する。活性イオンビーム領域は、イオンビームの軌道に沿った領域であり、イオンビームが半導体デバイスの表面に到達する空間内の領域である。イオンビームと試料表面またはエッチング剤との相互作用によって生成される大量の電子に関連したこれらの反応性元素は、構成元素と反応し、他の分子を形成する場合がある。エッチングに好都合な揮発性化合物を作り出すには、ＧＩＳは、対象となる揮発性化合物の生成に必要な元素を含むエッチング剤またはエッチング剤の組み合わせを供給しなければならない。金属および誘電体を含む異種材料の同時ミリングをより良く制御するには、所望の表面反応を可能にするために、表面組成とＧＩＳによって導入される元素との適切な組み合わせを見出す必要がある。揮発性分子の作成に必要な元素には、炭素（Ｃ）、酸素（Ｏ）、フッ素（Ｆ）および塩素（Ｃｌ）のようなハロゲン化元素、ならびに窒素（Ｎ）が含まれ得る。半導体デバイスの金属構成元素の同時エッチングは、層除去した表面が指定の粗さを得るように同様に制御される必要がある誘電体のエッチングと一緒に、考慮されなければならない。最も一般的な誘電体はＳｉＯｘおよびＳｉｘＮｙのタイプであるため、この誘電体はより多くの元素からなる様々な組成を有することができる。これまで、炭素は、ＧａＡｓまたはＧａＮ材料をベースにした可能な基板などのＬｏｗ−ｋ誘電体と呼ばれるものに添加されてきた。半導体デバイスで使用される金属は、銅、コバルト、アルミニウム、タングステン、およびタンタルであり得る。誘電体とのイオンビーム相互作用によって、試料からスパッタされ、排出されると、誘電体ミリングからの反応性分子の量が増加する。（上記の）金属エッチングと同様に、ＧＩＳによってもたらされる相補的分子の存在なしに、それらのミリング速度を制御することは困難である。したがって、選択された試料のすべての構成元素間で、ほぼ１：１の比率の制御されたエッチング速度に達するには、化学物質の添加の有無にかかわらず、すべての材料のエッチング速度を考慮する必要がある。ＧＡＥに使用されるエッチング剤は、窒素、酸素、およびハロゲン（Ｆ、Ｃｌ）を利用する１つまたはいくつかの様々な化学官能基を持つ酸化性元素と、好ましくは炭素の形態の還元元素とを含み得る。窒素は、窒化銅などの揮発性金属窒素分子を生成するために必要とされる。ハロゲンは、金属ハロゲン化物またはハロゲン化ケイ素を生成するために必要とされる。酸素は、Ｌｏｗ−ｋ誘電体中に含まれるＣを用いて揮発性ＣＯｘ分子を生成するために使用され得る。この揮発性分子の形成は、チャンバからのこれらの排気を促進し、イオンビームを使用してＧＡＥの間中に生成された副産物の再堆積を減少させる。
【００１５】
これらすべての注入元素の比率は、最終層の表面均一性および表面粗さのレベルに到達するように、試料組成を考慮して制御する必要がある。エッチング剤を選択する本発明と一致する化合物は、酸化／還元比（ｏ／ｒ）の要件に従って他の元素と組み合わせた−ＣＯＯ−、−ＣＯＮ−、または−ＣＮＮ−コア構造を含む。本発明によるエッチングは、イオンビームによって作られた実質的に平らな表面が半導体デバイスの金属層もしくは誘電体層に平行である平面エッチングであってもよく、または実質的に平らな表面が金属層もしくは誘電体層に対して１０°〜１７０°の範囲の角度をなす断面エッチングであってもよい。
【００１６】
金属と誘電体となどの異種材料のエッチングに対する本手法に基づいて、エッチング剤中に存在する酸化性元素（ｏ）の量と還元性元素（ｒ）の量とはバランスがとられるべきである。異種材料のエッチングのための最良の比率は、［ｏ＝ｒ＋１］として、好ましくは、二酸化ケイ素と銅となどの誘電体と金属との最も一般的な組み合わせに対して、酸化性元素が３、還元性元素が２であると決定された。エッチング剤中の還元性元素の数が増えるに伴って、反応性フラグメントの量を予測し、それらのガス特性を作業チャンバ内に確保することがより困難になる。適切な機能を保証するエッチング剤中の還元性元素の数は３までだけではなく、より多くの還元性元素を含むエッチング剤が必要な特性を有する場合がある。エッチング剤の還元性元素はＣでなければならず、酸化性元素は、Ｆ、Ｃｌ、Ｏ、およびＮの群から選択されなければならない。好ましい実施形態では、エッチング剤は、エタン酸アンモニウム、クロロアセトアミド、フルオロアセトアミド、カルバミン酸メチル、Ｎ−ニトロソジエチルアミンの群からの１つの化合物を含み得る。
【００１７】
本発明によるさらなる実施形態では、半導体デバイスのエッチングは、半導体デバイスから作業チャンバへ多数の二次酸化性元素および二次還元性元素を放出し得る。これらの二次酸化性元素および二次還元性元素は、エッチングプロセスに大いに寄与する可能性があり、それ自体では、エッチングの間中にＧＩＳを介して導入される必要がある酸化性元素および還元性元素の総量に影響を与えることになる。二次元素の数が、エッチングプロセスに影響を与える元素の不均衡を引き起こすのに十分に多く、および／または異種材料の不均一なエッチングにつながる場合は、エッチング剤またはエッチング剤の混合物の組成を調節する必要がある。エッチング剤中の元素の数を［ｏ−ｒ＝−１］から［ｏ−ｒ＝３］の範囲内にしたエッチング剤、またはエッチング剤の混合物について、異種材料エッチング性能が良好に調節されることが確認された。銅のエッチングが誘電体よりも速い場合、より多くの還元性元素が含まれる必要がある。同じように、誘電体のエッチングが銅よりも速い場合、より多くの酸化性元素が必要とされる。不均一なエッチング比は、酢酸、ギ酸エチル、重炭酸アンモニウム、ヒドラジンアセテート、ジエチルイミドジカーボネート、シュウ酸アンモニウム、および水から１つの化合物を含むエッチング剤によって調節することができる。このエッチングプロセスは、適切な信号検出デバイスおよび方法を備えたＳＥＭまたはＦＩＢデバイスを使用して、稼働中にまたは定期的に監視することができる。
【００１８】
好ましい実施形態では、エッチング剤の混合物は、エタン酸アンモニウム、クロロアセトアミド、フルオロアセトアミド、カルバミン酸メチル、Ｎ−ニトロソジエチルアミンからの少なくとも第１のエッチング剤と、酢酸、ギ酸エチル、重炭酸アンモニウム、ヒドラジンアセテート、ジエチルイミドジカーボネート、および水からの少なくとも１つの第２のエッチング剤とを含む。
【００１９】
本発明に即したさらなる実施形態では、エッチング剤はＲ−ＣＯ−Ｒコア構造を含む。式中のＲは、コア構造とともに酸化性元素および還元性元素の比率の条件を満たすいずれかの元素を含み得る。Ｒ−ＣＯ−Ｒ構造は、強いＣ−Ｏ二重共有結合と、Ｃ−Ｏ二重共有結合よりも低い結合エネルギーを持つ、例えばＣ−Ｈ、Ｃ−Ｃ、Ｃ−ＮＨ２といった他の元素間結合とを含む。分子は、高エネルギー衝突誘起解離（ＣＩＤ）によって、気相で分裂され得る。典型的なＣＩＤでは、分子イオンは通常、電位によって高運動エネルギーに加速され、その後中性分子（多くの場合、ヘリウム、窒素、またはアルゴン）と衝突させる。本発明による実施形態では、中性エッチング剤分子は、高運動エネルギーのイオンビームイオンと衝突する。衝突に由来するエネルギーは、エッチング剤の結合の切断と、より小さなフラグメントへの分裂とをもたらす、内部エネルギーに変換され得る。通常、フラグメントの量は、イオンの加速エネルギーおよびその質量に伴って増加する。イオンビームのエネルギーが低エネルギー領域（＜５ｋｅＶ）に減少すると、反応性元素の量が減少し、Ｃ−Ｏ分子などの揮発性分子が作業チャンバ内に生じ得る。これらの分子はそのままであり続け得、元素間反応に大きく寄与しない。反応性元素の総量が減少すると、エッチング速度が低下する。半導体デバイス表面の低い浸食度とともに、エッチング速度が低下することで、エッチング剤の組成、濃度、または注入圧力を変更する必要なく、試料表面の精細なエッチングをもたらし得る。最新のイオンビームデバイスは、ビームエネルギーを迅速に変更することができ、したがって、通常の異種材料エッチングから非常に精細な異種材料エッチングへの間で、非常に高速に変えることが可能である。これは、半導体デバイスの厚い上部金属層と、非常に高密度の下部半導体デバイス金属層とを組み合わせて除去したり、またはエッチングプロセスが速すぎる場合に、終点検出の制御を改善したりすることにとって有益である。
【００２０】
本発明、およびその利点をより完全に理解するために、次に添付の図面と併せて、以下の説明を参照する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の好ましい実施形態を実施するためのデバイスの概略図である。
【図２】典型的な半導体デバイスの一部分を概略的に示す断面図である。
【図３】平面エッチング後の半導体デバイスの一部分を概略的に示す断面図である。
【図４】断面エッチング後の半導体デバイスの一部分を概略的に示す断面図である。
【図５】半導体デバイスの一部分の詳細を不活性イオンビームとともに概略的に示す断面図である。
【図６】半導体デバイスの一部分の詳細を活性高エネルギーイオンビームとともに概略的に示す断面図である。
【図７】半導体デバイスの一部分の詳細を、走査中の活性高エネルギーイオンビームとともに概略的に示す断面図である。
【図８】エッチング剤を用いたエッチングに失敗した後の半導体デバイスの一部分の詳細を概略的に示す断面図である。
【図９】エッチング剤と他のエッチング剤との組み合わせを用いたエッチングに成功後の半導体デバイスの一部分を概略的に示す断面図である。
【図１０】半導体デバイスの一部分を活性低エネルギーイオンビームとともに概略的に示す断面図である。
【図１１】半導体デバイスの一部分を、走査中の活性低エネルギーイオンビームとともに概略的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明の実施形態は、金属と誘電体とのような異種材料の複数の層を除去することによって、平面エッチングおよび断面エッチングを実施する方法であり、対象となる単一の層を露出させることを目的とし、またはいくつかの層を断面化して、ナノプロービング、回路編集、および故障解析を含むが、これらに限定されない様々な用途を実施する方法である。
【００２３】
本発明の好ましい実施形態は、半導体デバイスの製造で使用される異種材料のエッチングに使用される方法を対象とする。本技法および本装置は、銅、Ｌｏｗ−ｋ誘電体、ＧａＡｓ、およびＧａＮなどの異種材料を均一かつ平滑にエッチングするために、繰り返して利用することができる。本方法は柔軟性があり、単独で動作するように適応させることも、エッチングの生産性を向上させるために、またはプロービング解析の技法を促進するために、他の方法と組み合わせて使用することもできる。
【００２４】
図１は、半導体デバイス２をエッチングするためのデバイス１００の概略図である。このデバイスは、半導体デバイス２がその内部でホルダ３上に置かれる真空チャンバ１を備える。このデバイスはさらに、イオンビームを生成し、このイオンビームを光軸５に沿って半導体デバイス２へ向けて伝播させる手段４を備える。イオンビームには、軽いＬｉから比較的重いＸｅイオンまで、種々のイオンが使用できる。デバイス１００は、ＳＥＭ光軸７に沿って電子を生成し伝播させるＳＥＭ６をさらに備えてもよい。ＳＥＭ光軸７は、対象物上のイオンビーム光軸５とほぼ同じ領域に狙いを定めている。試料から散乱した電子、またはＳＥＭ６電子との相互作用の後に対象物によって生成された電子は、半導体デバイス２表面のエッチング進行を監視するために利用される。デバイス１００は、エッチング剤９のガス分子を半導体デバイス２に向けて伝播させるためのガス注入システム８をさらに備える。
【００２５】
図２は、半導体デバイス２の断面図を示す。半導体デバイス２は、複数の層で構成されている。半導体デバイス２の上部には、キャッピング層１０がある。半導体デバイス２は、Ｍ０〜Ｍ８のラベルの付いた金属層１１をさらに含む。各金属層１１は、金属導体１３（金属層１１を貫通する）およびＬｏｗ−ｋ誘電体１４を含む。Ｖ７〜ＶＣＬのラベルの付いたビア層１２は、金属導体１３を１つの金属層１１から相互接続導体１５を介して、すぐ次の金属層１１の金属導体１３に接続するものであり、金属層１１の間に配置される。相互接続導体１５は、誘電体１４でもってビア層１２内で分離されている。
【００２６】
図３は、本発明によるガスアシストエッチングを使用した良好な平面エッチングの結果を示す。Ｍ８からＭ１までの金属層１１と、Ｖ７からＶ０までのビア層１２との一部が、画定された領域の範囲内で除去され、平滑な表面１６が金属層１１（Ｍ０）上に作成される。平面エッチングされた箱の平滑表面１６と壁１７とによって画定されるこの箱の近くの金属層１１は損傷を受けていない。この平滑表面の面積は、１００ｘ１００マイクロメートルの寸法を有する。清浄で円滑なエッチングプロセスのために、金属層１１（Ｍ０）の金属導体１３は、観察および分析を目的としてアクセス可能である。金属層１１およびビア層１２の除去は層ごとのプロセスであり、任意の金属層１１またはビア層１２は、イオンビームにより半導体デバイス２の表面を走査することによって、本発明による観察および分析に備えられ得る。
【００２７】
図４は、本発明によるガスアシストエッチングを使用した良好な断面エッチングの結果を示す。図３と比較して、断面エッチングは、複数の金属層１１と交差する平面である断面表面１８の観察または分析を可能にする。本発明によるガスアシストエッチングを用いることにより、金属導体１３、誘電体１４、および相互接続導体１５などの異種材料を同じエッチング速度でエッチングすることができ、したがってカーテン効果を最小限に抑えることができる。
【００２８】
図５は、酸化性元素１９および還元性元素２０を含む誘電体１４と、金属元素２１を含む金属導体１３とを含む、エッチングを受けようとしている半導体デバイス２の１つの金属層１１の詳細な断面図である。イオンビームの活性領域２２は、エッチングされた元素が最初に解放されるとともに、エッチング剤２３分子がイオンビーム活性領域２２と最初に接触する領域を表す。図５は、活性領域２２に高エネルギーイオンが存在しないことを意味する不活性イオンビームを用いた状況を示している。エッチング剤２３は、半導体デバイスの表面に近い領域に、酸化性元素１９および還元性元素２０を含む。半導体デバイス層もまた、反応量を満たすだけの酸化性元素および還元性元素を含んでいる。好ましい実施形態では、エッチングガスは、還元性元素２０と酸化性元素１９との比が２：３のカルバミン酸メチルである。代替実施形態では、エタン酸アンモニウム、クロロアセトアミド、フルオロアセトアミド、Ｎ−ニトロソジエチルアミンをエッチング剤として使用することができる。エッチング剤２３は、単独で、またはこの群の他のいずれかと組み合わせて、または酢酸、ギ酸エチル、重炭酸アンモニウム、ヒドラジンアセテート、ジエチルイミドジカーボネート、および水を含む群の少なくとも１つと組み合わせて使用することができる。
【００２９】
図６は、図５と比較して、イオンビームが活性化され、半導体デバイス２の金属層１１に存在するＬｏｗ−ｋ誘電体１４および金属導体１３を高エネルギーイオンビームでエッチングする状況を示している。イオンビームは、少なくとも５ｋｅＶのエネルギーを有するが、好ましくは１０ｋｅＶを超える。金属層１１からの元素１９、２０、２１と、エッチング剤の元素１９、２０とは、イオンビームの影響下で解離され、活性領域２２中に反応性元素１９、２０、２１の雲を作り出す。エッチング剤２３は、均一エッチングを支援するために、全エッチングプロセスを通じて、半導体デバイス２の表面の近くに連続的に圧送される。
【００３０】
図７は、大量の材料（誘電体１４および金属導体１３の両方）をエッチングする高エネルギーイオンビーム下で進行中のエッチングプロセスを示す。金属層１１およびエッチング剤２３の両方からの元素（１９、２０、２１）は、イオンビームの活性領域２２中で解離していることを見出すことができる。これらの解離した元素１９、２０、２１はいずれも、酸化性（１９）金属（２１）元素か、または還元性元素２０および酸化性元素１９の組合せによって形成される難分解揮発性分子２４、２５を形成するように互いに結合し続け、それらの揮発性の性質によって排気される。金属層１１の表面上または表面近くに吸着されたエッチング剤２３は、平面エッチングの進行の間中ずっと存在し、イオンビームの移動のステップのたびに活性領域２２に入る。好ましい実施形態では、半導体デバイス２の表面全体に均一に広がる多量のエッチング剤２３が最も重要である。適切な量の酸化性元素および還元性元素を含むエッチング剤２３の存在は、同じエッチング速度での金属導体１３および誘電体１４のエッチングと、平滑表面１６の作成とを促進するために、表面に再堆積する代わりに排気され得る揮発性分子２４、２５を形成するのに不可欠である。
【００３１】
図８は、高密度金属層Ｍ０のガスアシストエッチングを使用した失敗した平面エッチングの結果を示す。Ｍ８からＭ１までの金属層１１と、Ｖ７からＶ０までのビア層１２との一部分が、画定された領域の範囲内で除去され、表面１６ａ、１６ｂが金属層１１（Ｍ０）中に作成される。誘電体１４は、金属密度の高い層であるＭ０では、金属１６よりもエッチング速度が低く、イオンビームエッチングは、この層に粗い表面を生成する。異なるエッチング速度を調節するには、第２のエッチング剤２３を供給する必要があり、第２のエッチング剤２３は、第１のエッチング剤２３とともに混合物を生成する。金属１３が、誘電体１４と比較して高いエッチング速度を有する場合は、より多くの還元性元素２０を含む第２のエッチング剤を供給する必要がある。好ましい実施形態では、エッチングガスは、還元性元素２０と酸化性元素１９との比が２：３のカルバミン酸メチルである。代替実施形態では、エタン酸アンモニウム、クロロアセトアミド、フルオロアセトアミド、Ｎ−ニトロソジエチルアミンを第１のエッチング剤として使用することができる。
【００３２】
第２のエッチング剤中の酸化剤の数は、第２のエッチング剤２３中の還元性元素２０の数よりも最大で１元素だけ少ない。金属１３が、誘電体１４と比較して低いエッチング速度を有する場合は、第２のエッチング剤は、供給する必要があるより多くの酸化性元素１９を含む。
【００３３】
第２のエッチング剤中の酸化剤の数は、第２のエッチング剤２３中の還元性元素２０の数よりも最大で３元素だけ多い。
【００３４】
好ましい実施形態では、この第２のエッチング剤は、ギ酸エチル（ｏ−ｒ＝−１）、ジエチルイミドジカーボネート（ｏ−ｒ＝−１）、酢酸（ｏ−ｒ＝０）、ヒドラジンアセテート（ｏ−ｒ＝２）、水（ｏ−ｒ＝１）、または重炭酸アンモニウム（ｏ−ｒ＝３）を含む群から選択することができる。図９に示すように、同じ高さの表面１６ａおよび１６ｂに達するまで、第２のエッチング剤が供給される。
【００３５】
図１０は、酸化性元素１９および還元性元素２０を含む誘電体１４、金属元素２１を含む金属導体１３を含む、エッチングを受けようとしている半導体デバイス２の１つの金属層１１の詳細な断面図である。図５と比較して、イオンビームのエネルギーは低く、５ｋｅＶ未満である。これは、強い元素間結合を切断するのに十分ではなく、イオンビームは高反応性フラグメントを少なく生成し、低イオンビームエネルギーのために、イオンビームイオンは金属層１１の奥深くまで浸透することができない。この結果、金属層１１からの材料除去は遅くなる。この特徴は、半導体デバイス２の高感度層においては特に重要である。エッチング剤２３の一部は、構造中に二重共有結合を有したＣ−Ｏ元素２６を持つ還元性元素２０および酸化性元素１９を含む。表面に導入されたエッチング剤２３は完全な解離を受けず、非解離揮発性フラグメント２７は、イオンビームの活性領域２２に存在するスパッタ元素（１９、２０、２１）のいずれとも反応することなくシステムから排気される。
【００３６】
図１１は、図１０と比較して、半導体デバイス２の金属層１１に存在するＬｏｗ−ｋ誘電体１４および金属導体１３を低エネルギーイオンビームでエッチングしながら、金属層１１の表面にわたってイオンビームが走査される状況を示している。非解離揮発性フラグメント２７は連続的に排気される。一方、解離した元素１９、２０、２１はいずれも、還元性金属（２１）−酸化性（１９）元素か、または還元性（２０）−酸化性（１９）元素の組合せによって形成される難分解揮発性分子２４を形成するように互いに結合し続け、それらの揮発性の性質によって排気される。５ｋｅＶ未満のイオンビームとエッチング剤とを使用したエッチングの深さは数十ナノメートルであり、新たにエッチングされた領域の再堆積量は最小限に抑えられている。エッチングの均一性は依然として保持され、表面は平らで滑らかであり、トランジスタ接触層ＴＣＬのような非常に高い感度の層の場合、局所的な粗さは１０ｎｍ未満である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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