JP2708451B2

JP2708451B2 - エネルギビームを用いた加工方法

Info

Publication number: JP2708451B2
Application number: JP63060331A
Authority: JP
Inventors: 文和伊藤; 聡原市; 克郎水越; 朗嶋瀬; 幹雄本郷; 貴彦高橋
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1988-03-16
Filing date: 1988-03-16
Publication date: 1998-02-04
Anticipated expiration: 2013-02-04
Also published as: JPH01235252A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明のエネルギビームを用いて半導体素子の配線修
正を行う方法に係り、修正歩留りを化学的エッチングに
より向上させる修正方法に関する。

〔従来の技術〕

SIM像は素子の表面凹凸パターンを得ることができる
が、近年多層配線素子の層間絶縁膜に平坦化がなされる
ようになり、下層配線パターンが素子表面の凹凸に表わ
れなくなってきた。一方、層間絶縁膜はSiO₂等で作られ
ており、光学的に透明であるから、光学顕微鏡像（以下
光顕像と略す）により下層配線パターンを得ることがで
きる。このため従来は、特開昭61-24136号公報に示され
ている装置を用いて、多層配線を持つLSIの配線修正を
行っていた。その方法は第２図に示すようにSIM（走査
イオン顕微鏡:Scanning Ion Microscope）と光顕を用い
て、光顕像による下層配線の位置を、SIM像上に表わし
て集束イオンビームを照射する位置を決めていた。

また、配線修正加工の終点判定に関しては、従来特開
昭61-224319に示してあるようにイオンビームでスパッ
タされた粒子を分析することにより行われていた。ある
いは、イオンビームの照射時間や照射量により加工終点
を判定していた。

〔発明が解決しようとする課題〕

（第一の課題）LSIによっては最上層配線に大きな電
流を流すため、大変幅の広い（数10μｍ以上）最上層配
線を持つものが多くある。これに対しては上方から光顕
で観察しても、配線層（アルミニウム）が光学的に不透
明であるため、下層配線のパターンを見ることができな
い。また層間絶縁膜が平坦化されている場合が多いので
SIM像にも下層配線パターンは表われない。このため第
一の従来技術では、下層配線への位置決めができないと
いう課題があった。

（第二の課題）最近のSLIでは高密度化と多層化が進
んでいるため、配線が上下に高い段差を持つ場合が多
い。第３図は下層配線、中層配線、上層配線（以下それ
ぞれＡ１、Al2、Al3と呼ぶ）の３層配線を持つLSIの
断面図である。Al3のすき間からAl2を切断する場合を示
しているが、Ａ１とAl2の層間絶縁膜は平坦化されて
いないために（Al2とAl3の層間膜は平坦化されてい
る）、切断穴10の深さ設定が困難である。

すなわち従来技術である、スパッタされた粒子を分析
する方法では、配線Al2が上下に大きい段差をもってい
るために、Al2の加工が開始された時点からはアルミと
層間絶縁物（SiO₂等）の両方が分析の結果得られてしま
い、加工終点を判定することは困難であるという課題を
有していた。

また他の従来技術であるイオンビームの照射量により
終点を判定する方法によっても、第３図に示した穴の設
定幅、設定深さで加工すると、第４図に示すような穴が
あくが、底面からのAl再付着や、側壁がだれることによ
る実質的な穴の幅の減少により、Al2の切断歩留りは悪
化する。一方設定深さをより深くするとＡ１を露出
し、Ａ１とAl2の短絡の恐れもでてくる。

このように高い段差をもつ配線に対しては、いくら正
確に穴の深さを制御できても、高い配線修正歩留りが得
られないという課題があった。

（第三の課題）第５図はAl2を露出するための穴加工
をＡ、B2ケ所に行い、その後レーザCVD等の局所成膜技
術によりAl2層のＡ点とＢ点を接続する場合を示してい
る。Al2の上層にAl3が幅広く存在する場合は、第５図で
はAl2とAl3がCVD配線20により短絡してしまう。そこで
第６図に示す様に、Al3を必要な範囲Ｗにわたり深さＺ
だけ集束イオンビーム等のエネルギビームで除去し、Al
2を露出するための２つの穴Ａ、Ｂをエネルギビームで
加工し、その後レーザCVD等の局所成膜技術によりAl2の
Ａ点とＢ点を接続すれば、前記Al2とAl3の短絡の問題は
解消する。

しかし従来技術によりアルミニウムにエネルギビーム
加工を行った場合はアルミニウムの粒界の影響のため加
工面が0.5ないし数μｍの凹凸面となる。このため深さ
Ｚを加工した場合も加工底面に凹凸が残り、Al2のパタ
ーンを光顕像でもSIM像でもとらえることは困難とな
る。従って穴Ａ、Ｂを加工する位置を精度よく決めるこ
とができないという課題があった。

本発明の第一の目的は、上層配線下にありしかも平坦
化層間膜におおわれた下層配線への位置決めを可能にす
る素子の配線修正方法を提供することにある。

本発明の第二の目的は高い段差をもつ配線層に歩留り
よくエネルギビーム加工を行う素子の配線修正方法を提
供することにある。

本発明の第三の目的は上層配線をエネルギビーム加工
した後も下層配線への位置決めを可能にする素子の配線
修正方法を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、表面を保護膜で覆われた半導体素子の表
面の第１の所望の領域に第１のエネルギビームを照射し
第１の所望の領域の保護膜を除去して半導体素子の第１
の導体パターン層を露出させ、次にこの露出した第１の
導体パターン層の第２の所望の領域にエッチングガス雰
囲気中で第２のエネルギビームを照射して化学的にエッ
チングすることにより露出した第１の導体パターン層の
第２の所望の領域を露出した第１の導体パターン層の下
の層に影響を与えることなく除去することにより達成さ
れる。

更に、上記目的は、表面を保護膜で覆われて内部に多
層の導体パターン層が形成された試料の表面の保護膜の
第１の所望の領域に第１のエネルギビームを照射し第１
の所望の領域の保護膜を除去して第１の導体パターン層
を露出させ、この露出させた第１の導体パターン層の第
２の所望の領域にエッチングガスの雰囲気中で第２のエ
ネルギビームを照射し第１の導体パターン層の第２の所
望の領域を除去加工して第１の導体パターン層の下部の
層を露出させ、試料上に第３のエネルギビームを照射し
て露出させた下部の層を含む試料の２次粒子像を検出
し、この検出した２次粒子像上で除去加工した部分のエ
ッジの位置情報に基づいて露出させた下部の層の加工す
べき領域を決定し、この決定した下部の層の加工すべき
領域に第４のエネルギビームを照射して下部の層の加工
すべき領域を加工することにより達成される。

〔作用〕

エネルギビームを照射して化学的にエッチングする加
工は、絶縁膜を損傷することなしにアルミニウムを除去
できるので（すなわち高い選択比をもつので）、加工後
も絶縁膜の光の透過性を損わないし、また絶縁膜の下に
あるアルミニウム迄加工が進んでしまうことがない。

〔実施例〕

以下第11図に基いてエネルギビーム加工装置の一実施
例について説明する。（具体的には特開昭59-168652号
等に開示されている。）エネルギビーム加工装置は、架台37、真空容器を構成
する鏡筒39と試料室40、該試料室40に連設された試料交
換室41、真空排気系44〜46、試料90を載置する載物台5
5、液体金属イオン源65、コントロール（バイアス）電
極66、イオンビームの引出し電極67、アパーチャ69、静
電レンズ70、71、72、ブランキング電極73、アパーチャ
74、偏向電極75、76、フィラメント用電源77、コントロ
ール電極用電源78、引出し電極用電源79、静電レンズ用
電源80、81、高圧電源82、ブランキング電極用電源83、
偏向電極用電源84、電源やバルブ等を制御する制御装置
85、試料室40内に挿入された２次荷電粒子検出器86、SI
M（走査型イオン顕微鏡）観察装置87、イオンビームの
電荷によるスポットの乱れを防ぐ手段89とを備えてい
る。

試料室40および試料交換室41は架台37の上に設置さ
れ、試料室40の上に鏡筒39が設置されている。試料室40
と鏡筒39とは、ゲートバルブ43で仕切られており、試料
室40と試料交換室41とは他のゲートバルブ43で仕切られ
ている。

載物台55には、回転導入手段61、62、63を介してＸ、
Ｙ、Ｚ方向の移動駆動手段56、57、58が取付けられ、か
つθ（水平面内の回転）方向の回転手段59が設けられて
おる。載物台55は制御装置85からの指令でこれら移動駆
動手段56、57、58を駆動すると共に回転手段59によって
Ｘ、Ｙ、Ｚ方向の微動、および水平面内における回転角
が自動または手動で調整されるようになっている。載物
台55の上には、試料台60が設置され、試料台60の上に試
料90が載置されるようになっている。試料台60は試料引
出し具64により試料室40と試料交換室41間を移動しうる
ようになっており、試料交換時には、ゲートバルブ43を
開け、試料台60を試料室40に引出し、ゲートバルブ43を
閉じ、試料交換室41の扉を開け、試料を交換、載置し、
扉を閉め、試料交換室41の予備排気を行ってからゲート
バルブ43を開け、試料台60を試料室40に入れるようにな
っている。高輝度イオン源である例えば液体金属イオン
源65は、鏡筒39の頭部に設けられている。

コントロール電極66は、高圧電源82に接続されたコン
トロール電極用電源78に接続されており、イオンビーム
である電流を制御する。

イオンビームの引出し電極67は、高圧電源62に接続さ
れた引出し電極用電源79に接続されていて、一数10KVの
負の電圧が印加されて液体金属イオン源65のニードルの
先端部の極めて狭い領域からイオンビームを引出す。ア
パーチャ69は引出し電極67により引出されたイオンビー
ムの中央部付近のみ取出すようになっている。静電レン
ズ70、71、72の組は、高圧電源82に接続されたレンズ用
電源80、81に接続され、アパーチャ69により取出された
イオンビームを集束するようになっている。

ブランキング電極73は、制御装置85に接続されたブラ
ンキング電極用電源83に接続され、極めて速い速度でイ
オンビームを試料に向かう方向と直交する方向に走査さ
せ、アパーチャ74の外へはずし、試料90へのイオンビー
ムの照射を高速で停止させる。偏向電極75、76の組は、
制御装置85に接続された偏向電極用電源84に接続され、
静電レンズ70、71、72で0.3〜0.1μｍ乃至それ以下に集
束されたイオンビームのスポットをＸ、Ｙ方向に偏向さ
せる。制御装置85は、各種バルブを切換え、更にブラン
キング電極用電源83および偏向電極用電源84を通じてブ
ランキング電極73および偏向電極75、76を所定のパター
ンに従って作動するように制御する。

２次荷電粒子検出器86は、試料室40内において試料90
に向って配置され、試料90にイオンビームのスポットが
照射されたとき、試料90から出る２次電子または２次イ
オンを受け、その強度を電流の強弱に変換し、その信号
をSIM観察装置87に送るようになっている。SIM観察装置
87は、ブラウン管88を備えている。そしてSIM観察装置8
7は偏向電極用電源84からイオンビームのＸ、Ｙ方向の
偏向量に関する信号を受け、これと同期させてブラウン
管88の輝点を走査し、かつその輝点の輝度を２次荷電粒
子検出器86から送られてくる電流強度の信号に応じて変
化させることにより試料の各点における２次電子放出能
に応じた試料の像が得られるSIM、すなわち走査型イオ
ン顕微鏡の機能により、試料面の拡大観察を行ないうる
ようになっている。

従って切替え手段91からの信号を制御装置85に与え、
偏向電極75、76によるイオンビームの走査速度を早めて
加工量を著しく少くした、即ちイオンビームのパワーを
低下させた観察状態がイオンビームをある領域走査にSI
M観察装置87で試料上の表面のある領域についての拡大
像を表示し、座標を指定する設定手段38で拡大像上で加
工またはCVD成膜個所を設定する。その後切替え手段91
で信号を制御装置85に与え、イオンビームの走査速度を
遅くして加工またはCVD成膜できる状態（イオンビーム
のパワーを増大させた状態）に切替え、上記設定手段38
から発生する座標信号にもとづいて制御装置85から偏向
電極75、76、及びブランキング電極73を制御し、設定さ
れた加工またはCVD成膜個所のみ、イオンビームが走査
・照射されるようにする。

次に、第一の課題を解決するための本発明の実施例
を、第１図により説明する。第１図（ａ）に示す試料90
である素子はＡ１の上に絶縁膜、SOG（Spin on Gras
s）等の平坦化膜３、絶縁膜２からなる三層層間膜が存
在する。この上にAl2が幅広く存在し更にパシベーショ
ン膜１がかぶせてある。

第11図に示すようなエネルギビーム加工装置において
集束イオンビーム加工等のエネルギビーム加工により第
１図（ｂ）に示す如く、パシベーション膜１を必要な部
分４だけ除去する。次いて図示されていないエッチング
装置で第１図（ｃ）に示すようにアルミニウムに対する
ウェットエッチあるいはドライエッチを行う。するとパ
シベーション膜１をマスクとして穴４の部分のみAl2が
除去される。この後十分な水洗を行いエッチング液を除
去する。ドライエッチングの場合はアッシングを行い以
後のアルミ腐食を防止する。

この状態では、絶縁膜２の表面は滑かであり、特開昭
61-24136号に記載されているように光学顕微鏡にてＡ
１のパターンを観察することができる。そこで加工対象
となるＡ１のパターンと穴４のエッジとの距離を精密
位置出し機能付きの光学顕微鏡で求めることができる。

次にエネルギビームとして例えばＡ１のパターンに
対し集束イオンビーム加工を施す場合は、平坦化膜３の
存在のためＡ１のパターンをSIM像で観察することは
できない。そこで、第１図（ｄ）に示すようにSIM像に
より観察できる穴４のエッジをたよりにすでに得た寸法
ｘを用いてＡ１に対する加工位置を定めることができ
る。寸法ｘの絶縁値にたよらなくとも、穴４の開口幅ｙ
と寸法ｘの比率により、Ａ１に対する加工位置を定め
ることができる。そして集束イオンビームにより平坦化
膜３と絶縁膜２を除去し、所定のＡ１パターンの露出
加工を行う。

この方法によると、チップあるいはウェハ全面に対し
化学反応加工を施すため素子上のボンディングパッドが
エッチングによりダメージを受けたり、リードフレーム
に組付けられている素子の場合はボンディングワイヤが
エッチングにより切断されたりする。

これに対しては第１図（ｃ）のプロセスのかわりに第
１図（ｅ）に示すように塩素や塩素を含むエッチングガ
ス５の雰囲気の中で、除去すべきAl2の部分にレーザビ
ーム６等を素子に対して相対的にスキャン照射し、照射
部分のみで化学反応をおこす方法がある。これによれ
ば、ボンディングパットや、ボンディングワイヤの損傷
は大幅に低減される。

また、第１図（ｃ）のかわりに（ｆ）に示すように、
ノズル８を用いて加工箇所４の近傍（例えば100μｍ平
方）にのみエッチングガス５を吹きつけ、集束イオンビ
ーム７を加工箇所４の範囲にてスキャンし、集束イオン
ビームの照射部分のみでエッチングガスとアルミニウム
の化学反応をおこすこともできる。この場合はエッチン
グガス５が急速に拡散するため、加工箇所４以外ではエ
ッチングガス濃度が極めて低くなるため、ボンディング
パッドやボンディングワイヤ等に与えるダメージは更に
小さなものとなる。

この加工箇所４のエッチングでは、特に高精度な位置
出しの必要性は小さいので、集束イオンビームのエネル
ギを下げ（例えば通常20KVから5KVへ）ビームスポット
の収差は大きくなるものの、下地である絶縁膜２へのダ
メージを小さくすることも望ましい方法である。

またAl2の除去には、レーザビーム６やイオンビーム
７のかわりに中性ラジカルビームを用いれば、寸法精度
は劣るが、更に高い選択比の加工ができる。

以下、第二の問題点を解決するための実施例を第４図
と第７図により説明する。第４図に示す深さまでエネル
ギビーム加工を行った時点では、凹部のアルミニウム11
が残り、またスパッタ物の再テポ物など12が存在するた
め、Al2は切断しようとしたにもかかわらず電気的に導
通している。

そこで、第７図に示すようにレーザビーム６あるいは
集束イオンビーム７を加工穴10に照射しつつ、エッチン
グガス５をノズル８により加工穴10に集中的に供給す
る。これにより絶縁膜２を除去するよりも５ないし10倍
速いレートでアルミ残り11を除去できるので、絶縁膜２
をほとんど除去することなくAl2の電気的な切断を完全
なものとすることができる。

もちろん、このエッチングは、エネルギビームアシス
トエッチングに限らず、通常のプラズマエッチングであ
ってもかまわない。

次に、第三の問題点を解決するための実施例を第８図
〜第10図により説明する。

第８図はパシベーション膜１にエネルギビームを用い
て幅Ｗの穴加工を行いAl3を露出したのち、アルミニウ
ムに対するエッチングガス５の雰囲気中でレーザ６又は
集束イオンビーム７を幅Ｗの穴全面に照射した状態を示
している。エッチングガスを用いるかわりにエッチング
液を用いてもよい。第８図ではエッチングガスが全体的
に存在しているが、第１図（ｃ″）や第７図に示したよ
うにノズル８を用いてエネルギビームの照射点近傍にの
みガス５を吹付ける方法もある。

このエッチングは下地の絶縁膜（例えばSiO₂）２に対
し高い選択比を持つので下地をほとんど損傷することな
く、また粒界を残すことなくAl3を除去できる。したが
って従来技術の問題点であった加工底面の凹凸がなくな
るのでAl2のパターンを精度良く光顕でとられることが
できる。そこで第１図（ｄ）で示した方法により高い精
度でAl2へのエネルギビーム加工位置を定めることがで
きる。

そして第９図に示すようにエネルギビーム加工により
穴Ａ、ＢをあけAl2を露出し、レーザCVD等の局所成膜技
術により金属を析出して穴ＡとＢの間の電気的接続をと
るAl3が完全に除去できるので第５図に示したAl2とAl3
の短絡は全く生じない。

一方、第９図の寸法Ｖは、隣接するパターンの制約な
どで、大きくとれない場合がある。すると穴Ａ、Ｂから
レーザCVD等で金属を析出させる場合、第９図に示した
形状ように更に穴Ａ、Ｂの幅より大きく析出してしま
い、Al3と接触し短絡をおこす可能性がでてくる。

特にアルゴンイオンレーザを用いたような熱反応によ
るレーザCVDの場合、加熱しすぎて急速に金属が析出し
てしまうことがありがちである。これを防ぐためには、
第10図に示すようにパシベーション膜１を幅Ｗだけ集束
イオンビームで加工した後、ウェットエッチ、ラジカル
エッチ等の化学反応加工により、Al3にサイドエッチを
発生させ、寸法Ｖを大きくすることがよい。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、エネルギビーム
加工を行なった後、化学反応加工により下地を損傷せず
にアルミニウムやSiO₂を完全に除去できるので、従来困
難だった下層配線への位置決め、高段差配線の高歩留り
加工が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第一の実施例を示す断面図、第２図は
従来技術を説明するための図、第３図は本発明を実施し
た素子を示す断面図、第４図、第５図、第６図は各々従
来方法により加工した素子を示す断面図、第７図は本発
明の第二の実施例を示す断面図、第８図、第９図、第10
図は各々本発明の第三の実施例を示す断面図、第11図は
本発明の方法を実施するためのエネルギビーム加工装置
の一実施例を示す図である。１……パシベーション膜、２……絶縁膜、３……平坦化
膜、４……加工穴、６……レーザビーム、７……集束イ
オンビーム、８……ノズル、10……加工穴、11……アル
ミ残り、12……再デポ物。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者嶋瀬朗神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者本郷幹雄神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者高橋貴彦東京都青梅市今井2326番地株式会社日立製作所デバイス開発センタ内 (56)参考文献特開昭62−185326（ＪＰ，Ａ) 特許2619435（ＪＰ，Ｂ２)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】表面を保護膜で覆われた半導体素子の前記
表面の第１の所望の領域に第１のエネルギビームを照射
し前記第１の所望の領域の保護膜を除去して前記半導体
素子の第１の導体パターン層を露出させ、次に該露出し
た第１の導体パターン層の第２の所望の領域にエッチン
グガス雰囲気中で第２のエネルギビームを照射して化学
的にエッチングすることにより該露出した第１の導体パ
ターン層の前記第２の所望の領域を該露出した第１の導
体パターン層の下の層に影響を与えることなく除去する
ことを特徴とするエネルギビームを用いた加工方法。
【請求項２】前記第１の導体パターン層の下の層は光学
的に透明な層であり、該光学的に透明な層を通して該光
学的に透明な層の下の第２の導体パターン層を光学的に
観察し第３のエネルギビームを照射することにより該第
２の導体パターン層の第３の所望の位置を露出させるこ
とを特徴とする請求項１記載のエネルギビームを用いた
加工方法。
【請求項３】前記第１のエネルギビームが集束イオンビ
ームであることを特徴とする請求項１記載のエネルギビ
ームを用いた加工方法。
【請求項４】前記第２のエネルギビームが集束イオンビ
ームであることを特徴とする請求項１記載のエネルギビ
ームを用いた加工方法。
【請求項５】前記第２のエネルギビームがレーザビーム
であることを特徴とする請求項１記載のエネルギビーム
を用いた加工方法。
【請求項６】表面を保護膜で覆われて内部に多層の導体
パターン層が形成された試料の前記表面の保護膜の第１
の所望の領域に第１のエネルギビームを照射し前記第１
の所望の領域の保護膜を除去して第１の導体パターン層
を露出させ、該露出させた第１の導体パターン層の第２
の所望の領域にエッチングガスの雰囲気中で第２のエネ
ルギビームを照射し前記第１の導体パターン層の前記第
２の所望の領域を除去加工して前記第１の導体パターン
層の下部の層を露出させ、前記試料上に第３のエネルギ
ビームを照射して前記露出させた下部の層を含む前記試
料の２次粒子像を検出し、該検出した２次粒子像上で前
記除去加工した部分のエッジの位置情報に基づいて前記
露出させた下部の層の加工すべき領域を決定し、該決定
した前記下部の層の加工すべき領域に第４のエネルギビ
ームを照射して前記下部の層の加工すべき領域を加工す
ることを特徴とするエネルギビームを用いた加工方法。
【請求項７】前記第１のエネルギビームがイオンビーム
であることを特徴とする請求項６記載のエネルギビーム
を用いた加工方法。
【請求項８】前記第２のエネルギビームがイオンビーム
であることを特徴とする請求項６記載のエネルギビーム
を用いた加工方法。
【請求項９】前記第３のエネルギビームがイオンビーム
であることを特徴とする請求項６記載のエネルギビーム
を用いた加工方法。
【請求項１０】前記第４のエネルギビームがイオンビー
ムであることを特徴とする請求項６記載のエネルギビー
ムを用いた加工方法。