JP2919229B2 - 集束イオンビーム加工方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は集束イオンビーム加工方
法に係わり、特に半導体集積回路等の多層配線構造のデ
バイスにおいて、下層に位置する配線パターンの加工、
修正する個所を認識する技術に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】集束イオンビーム技術は、半導体素子に
描かれるパターンを加工修正する技術であるとともに、
この半導体素子の表面を拡大して観察する技術でもあ
る。

【０００３】図４を用いて従来技術の集束イオンビーム
加工装置および加工方法を説明する。イオン源３１から
引き出されたイオンビーム３２を集束レンズ３３により
集束して、Ｘ−Ｙステージ３４に搭載されたデバイス３
５の加工箇所に照射し加工を行う。この際、イオンビー
ム３２のＯＮ／ＯＦＦおよびイオンビーム３２の偏向
は、それぞれブランキングコントローラ３６およびデフ
レクタコントローラ３７を介して制御部３８により制御
される。また、イオンビーム３２の照射によりデバイス
３５から発生する２次イオンや２次電子の２次粒子をデ
ィテクタ３９により検出し、２次粒子像を得る。この図
４では、デバイス３５表面の観察手段はこの２次粒子像
のみであるから、多層化されたデバイス３５の、その凹
凸が表面に反映しない下層配線に対するイオンビーム３
２の照射位置決定は、その凹凸が表面に反映することに
より２次粒子像で確認できる上層部の配線パターンがよ
りどころとなる。

【０００４】次に、試料（デバイス）の観察手段として
光学顕微鏡を採用した従来技術を説明する。

【０００５】まず特開平１−１７９１５３号公報には、
イオンビーム照射系の照射軸と光学顕微鏡の光軸との間
をＸ−Ｙステージが移動し、光学顕微鏡による観察位置
とイオンビーム照射位置とを合致させようとする技術が
開示されている。

【０００６】特開平１−１３７５４７号公報には、光学
顕微鏡を用いて加工状態を光学的にモニタしながら加工
する技術が開示されている。

【０００７】また、特開平２−２４９４９号公報には、
光学顕微鏡の像をデジタル画像に処理し、加工領域の指
定はこのデジタル画像上で行い、この指定した領域にイ
オンビームが照射されるように試料をコンピュータ制御
により移動する技術が開示されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】図４に示す集束イオン
ビーム加工装置では、試料を観察する手段は２次粒子像
のみであった。ここで２次粒子像とは、イオンビームの
偏向走査と同期して、試料表面から発生する２次粒子を
検出し、場所による２次粒子の発生率の違いを輝度の変
化で現わしたものである。

【０００９】２次粒子像から得られるものは、試料表面
の凹凸や、材質の情報である。特に表面が保護膜に覆わ
れている試料では、材質の違いによる２次粒子像は得ら
れず、試料の観察は試料表面の凹凸がよりどころとな
る。しかし、近年の半導体デバイスは配線構造の多層化
が進められ、各層は平坦化がなされている。このため試
料表面に下層配線の凹凸が現われず、２次粒子像では下
層に位置する配線パターンを認識することができない。

【００１０】さらに、素子の微細化、高集積化に伴い、
下層の配線ほど配線幅は小さくなり、隣接する配線パタ
ーンは極めて近接している。従来、下層に位置する配線
パターンが認識できない状況では、認識可能な上層部の
配線パターンを目安にしてイオンビーム照射位置の設定
を行ってきたが、この方法では微細化、高集積化および
多層化されたデバイスの加工修正には対応できなくなっ
てきた。すなわち、イオンビーム照射位置と加工箇所の
位置合わせ精度劣による隣接配線への誤修正が顕著とな
ってきた。

【００１１】一方、光学顕微鏡を用いれば、層間絶縁膜
は光に透明であるから下層配線を観察することができ
る。しかしながら光学顕微鏡を用いた従来技術には次に
説明するような問題点を有する。

【００１２】まず特開平１−１７９１５３号公報に開示
された技術は、光学顕微鏡の光軸とイオンビーム照射系
の照射軸とを合致するように試料が両者間を移動する。
観察は光学像を用いているため高倍率は望めない。低倍
率の観察による位置出しでは光学顕微鏡の光軸と加工位
置との間にズレが生じる。このズレはイオンビーム照射
に試料を移動させた後にもイオンビーム照射系の照射軸
と加工位置とのズレとして残る。この従来技術において
も、２次粒子像に表れる上層配線が加工対象の場合は、
２次粒子像で配線パターンを観察しながら補正を行うこ
とができる。しかしながら２次粒子像に表れない下層配
線が加工対象となる場合は、加工位置を認識することが
できず、ズレを補正することはできない。

【００１３】特開平１−１３７５４７号公報に開示され
た技術では、光学顕微鏡で加工状態を光学的に観察しな
がらイオンビームを試料に照射する。しかし光学像では
高倍率の画像が得られないという弱点がある。近年、配
線幅が１μｍ程度のデバイスが製品化されており、サブ
ミクロンサイズの加工修正が頻繁に行われるようになっ
ている。光学顕微鏡から得られる低倍率の画面では、微
細な加工部分の微妙な変化を観察することはできない。
したがって下層配線が加工対象となる場合に、光学顕微
鏡からの観察のみに依存するこの従来技術では問題を生
じる。

【００１４】特開平２−２４９４９号公報に開示された
技術では、光学顕微鏡の像をデジタル画像に処理してい
る。加工領域の指定はデジタル処理された静止画像上で
行われ、実際にデバイスの同領域にイオンビームを照射
させるため、デバイスを載せたＸ−Ｙステージをコンピ
ュータ制御により移動させる。しかし、機械的なステー
ジの移動によって生じる位置のズレを補正することは何
ら言及していない。

【００１５】したがって本発明は、２次粒子像では認識
できない下層配線の加工修正において、特にイオンビー
ム照射位置と加工位置の位置合わせを精度良く行うこと
を目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明の特徴は、光学顕
微鏡による光学像からデジタル画像を得る手段と、集束
イオンビームによる２次粒子像を得る手段とを有する集
束イオンビーム加工装置を用いて、前記デジタル画像で
は現われるが前記２次粒子像には現われない第１の箇所
と、前記デジタル画像および前記２次粒子像の両者に現
われる第２の箇所とを有する試料の、前記第１の箇所に
集束イオンビーム加工を行なうに際し、前記第１および
第２の箇所の両箇所を現わしたデジタル画像を得る工程
と、前記デジタル画像を得るための前記光学像を前記光
学顕微鏡により取り込んだ後、前記試料を移動させて前
記集束イオンビームの照射軸下に位置させ、前記第１お
よび第２の箇所のうち前記第２の箇所のみを現わした２
次粒子像を得る工程と、前記デジタル画像と前記２次粒
子像の倍率を合わせ、かつ両者に現れている前記第２の
箇所どうしが重なるようにして、前記デジタル画像と前
記２次粒子像とを重ね合わした像を同一の画像表示部に
表示する工程と、前記重ね合わされて表示された像によ
って前記第１の箇所を認識してそこに集束イオンビーム
による加工を行なう集束イオンビーム加工方法にある。

【００１７】ここで、前記試料はＸーＹステージ上に載
置され、前記試料の移動は前記ＸーＹステージの移動に
より行われることが好ましい。

【００１８】

【実施例】次に図面を参照して本発明を説明する。

【００１９】図１は本発明の実施例の集束イオンビーム
加工装置を示す構成図である。真空チャンバーとなる外
囲器１０内に、イオン源、エクストラクタ電圧（例え
ば、液体ＧａをイオンＧａにするための引き出し電圧）
手段、イオンビームモニタ手段、コンデンサレンズやオ
ブジェクトレンズ等のレンズ手段、ブランキングコント
ローラ手段、デフレクタコントローラ手段等を有するイ
オンビーム照射部１が載置され、外囲器外に載置されて
ある制御部と結合して制御されている。外囲器１０の試
料室に載置されたＸ−Ｙステージ８に搭載された試料で
ある半導体集積回路デバイス７の所定箇所が、このイオ
ンビーム照射部１から発せられた集束イオンビームによ
り加工される。また加工すべき所定箇所を認識するため
に、試料からの２次粒子（２次電子や２次イオン）を検
出する検出部としてディテクター３および光学顕微鏡２
が装置され、Ｘ−Ｙステージ８が位置８’から位置
８’’に移動することにより、加工箇所が光学顕微鏡２
の光軸１２下の観察位置から集束イオンビームの照射軸
１１下の観察位置に移動するようにコンピュータにより
制御される。ディテクター３による検出情報は２次粒子
画像処理部４により２次粒子像に変換され、光学顕微鏡
２の像は光学画像処理部６によりデジタル画像に変換さ
れ必要に応じて画像の拡大縮小が行なわれる。また、２
次粒子画像処理部４および光学画像処理部６と接続結合
した画像表示部５により、２次粒子像でリアルタイムに
試料７を観察しながら、同一画面で、デジタル画像と２
次粒子像を同時あるいは交互に重ね合わせ、表示する。

【００２０】図２は本発明の実施例により加工される半
導体集積回路デバイス７を例示した図であり、（Ａ）は
上面斜視図、（Ｂ）は断面図である。半導体基体（図示
省略）上に第１層のアルミ配線２１，第１層のアルミ配
線２１に接続した第２層のアルミ配線２２，第３層のア
ルミ配線２３，第３層のアルミ配線２３に接続した第４
層のアルミ配線２４が、互いの間に層間絶縁膜２５を挟
んで形成され、全体が保護絶縁膜２６により被覆されて
いる。そして第１層のアルミ配線２１の箇所２９’上の
絶縁膜２５，２６に集束イオンビームを照射してそこの
構成原子を飛ばして穴を掘り、これにより開口部２９を
形成した状態を示してある。

【００２１】第１層および第２層のアルミ配線２１，２
２上の層間絶縁膜２５は膜厚が厚くまた一般に平坦化処
理がされているから上面２８は平坦であり、したがって
第１層および第２層のアルミ配線２１，２２の２次粒子
像は得られない。第３層および第４層のアルミ配線２
３，２４上の層間絶縁膜２５は膜厚が薄いから上面２７
に第３層および第４層のアルミ配線２３，２４の位置形
状をそれぞれ反映した凹凸形状２３’，２４’が形成さ
れ、したがって第３層および第４層のアルミ配線２３，
２４の２次粒子像が得られる。

【００２２】一方、層間絶縁膜２５や保護絶縁膜２６等
の絶縁層は一般に光学的に透明であるから、第１層乃至
第４層のアルミ配線２１〜２４の全てについて光学顕微
鏡で観察することができ、これら配線のデジタル画像が
得られる。この開口部２９は、例えばここにタングステ
ンを埋め込んで第１層のアルミ配線の引き出し構造や追
加の配線構造を形成するために孔明する。あるいは、解
析装置のＥＢテスターにおいて第１層のアルミ配線の電
位を測定するため、または探針の直接の当接により第１
層のアルミ配線の電位を測定するために開口部２９の形
成が必要となる場合もある。

【００２３】次に図１および図３を参照して、本発明の
実施例における加工位置の認識方法について説明する。

【００２４】まずＸ−Ｙステージ８の位置８’において
集積回路デバイス７の加工すべき領域を光学顕微鏡２の
光軸１２と一致させて光学像１００を観察する。この光
学像には、第１層乃至第４層のアルミ配線２１〜２４の
全てがそれぞれ像２１ｐ〜２４ｐとして現われる。そし
てこの光学像をデジタル画像に変換して部分５０を拡大
した拡大像２００を得る。このデジタル拡大画像２００
において第１層乃至第４層のアルミ配線２１〜２４の光
学像２１ｐ〜２４ｐはそれぞれ２１ｄ〜２４ｄとなって
おり、第１層乃至第４層のアルミ配線の配置が確認でき
る。

【００２５】次に、デバイス７を搭載したＸ−Ｙステー
ジ８を位置８’’に移動させ、加工箇所を光学顕微鏡２
の光軸１２の位置からイオンビーム照射部１の照射軸１
１の位置に移動させる。

【００２６】次にイオンビーム照射による試料７からの
２次電子や２次イオン等の２次粒子をディテクター３で
検知して２次粒子像３００を得る。この２次粒子像３０
０はデジタル拡大画像２００と同じ箇所の像である。こ
の２次粒子像３００において、表面にその形状が凹凸で
現われる、第４層のアルミ配線パターン２４の２次粒子
像２４ｓは鮮明に、第３層のアルミ配線パターン２３の
２次粒子像２３ｓはやや不鮮明ながら観察できる。しか
しその表面に凹凸が現われない第２層および第１層のア
ルミ配線２１，２２の２次粒子像は観察できない。

【００２７】次に、デジタル画像２００を２次粒子像３
００と同じ倍率に合わせ、画像表示部５において両者を
重ね合わせた像４００を表示する。

【００２８】重ね合わせは、２次粒子像で認識できる第
３層および第４層のアルミ配線のパターンを目安に行
う。すなわち、デジタル画像２００における表示パター
ン２３ｄ，２４ｄと２次粒子像３００における表示パタ
ーン２３ｓ，２４ｓとが重なるようにする。

【００２９】この際、ＣＲＴ画面に固定している光学像
のデジタル静止画像に対して同倍率の２次粒子像が重な
るように移動させる。イオンビームが照射されている部
分が２次粒子像としてＣＲＴに現われるので、２次粒子
像の移動はイオンビーム照射エリアを移動させれば良
い。逆にＣＲＴに映し出された２次粒子像に光学静止画
像をかぶせるとしてもよい。いずれの場合でも両画像を
重ね合わせるために両画像にそれぞれ現われている第
３、第４層の配線の像どうしが重なることを目安とし、
これにより位置ずれを補正する。そして、リアルタイム
画面である２次粒子像上にビーム照射エリアを設定し、
スイッチを押すことにより設定したエリアにだけビーム
が照射されるような機能とすることができる。

【００３０】この結果、像として現れない２次粒子像の
第１，第２層の配線パターン上にデジタル画像の同配線
パターンが配置される。重ね合わせた状態にあっても２
次粒子像にてリアルタイムにデバイス７を観察している
ため、イオンビーム不安定等の理由により２次粒子像が
乱れ、両者の重ね合わせにズレが生じた場合、直ちに位
置補正をすることができる。

【００３１】次に、デジタル画像により表示された第１
層のアルミ配線２１ｄを目安に加工箇所２９’を認識
し、イオンビーム照射領域を設定する。

【００３２】次に、加工モードの集束イオンビーム４０
を照射して加工箇所２９’上の絶縁層２６，２５を除去
して開口部２９を形成する。

【００３３】この集束イオンビーム加工は真空状態（１
×１０^-7Ｔｏｒｒ〜１×１０^-8Ｔｏｒｒ）中で行なわ
れ、イオンビームにより飛ばされた原子は、ポンプによ
り排気されたり穴の周辺に付着されたりする。また、２
次粒子検出も加工も同じイオンビームを用いているか
ら、画像を見ながらも常にエッチングされている。この
加工の際の加工モードでは照射エリアを狭くする。イオ
ンビームは常に一定のスピードで走査しているので、同
一時間内に照射エリアに照射されるイオンビームの量は
狭いほど多くなり、エッチング（穴掘り）の度合いが変
ってくる。

【００３４】条件としては、例えば、イオン引き出し用
のエクストラクタ電圧が３〜５ｋｖ，加速電圧が３０ｋ
ｖで、第２層の配線に約３０秒で到達し、第１層の配線
に約６０秒で到達する。

【００３５】尚、実施例ではアルミ配線を例示して説明
したが、他の配線、電極または別のパターンに対して本
発明を適用することはもちろん可能である。

【００３６】

【発明の効果】本発明により、特に微細化、高集積化お
よび多層化された半導体デバイスの加工、修正におい
て、イオンビーム照射位置と加工箇所の位置合わせを精
度良く行うことができ、加工、修正を正確に行うことが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の集束イオンビーム加工装置を
示す構成図である。

【図２】本発明の実施例による半導体集積回路デバイス
を示す図であり、（Ａ）は上面斜視図、（Ｂ）は断面図
である。

【図３】本発明の実施例の集束イオンビーム加工方法を
説明する図である。

【図４】従来技術の集束イオンビーム加工装置を示す構
成図である。

【符号の説明】

１ イオンビーム照射部 ２ 光学顕微鏡 ３ ディテクター ４ ２次粒子画像処理部 ５ 画像表示部 ６ 光学画像処理部 ７ 半導体集積回路デバイス（加工処理される試料） ８ Ｘ−Ｙステージ ８’，８’’ Ｘ−Ｙステージの位置 １０ 外囲器 １１ イオンビームの照射軸 １２ 光学顕微鏡の光軸 ２１ 第１層のアルミ配線 ２１ｐ 第１層のアルミ配線の光学像 ２１ｄ 第１層のアルミ配線のデジタル画像 ２２ 第２層のアルミ配線 ２２ｐ 第２層のアルミ配線の光学像 ２２ｄ 第２層のアルミ配線のデジタル画像 ２３ 第３層のアルミ配線 ２３’ 第３層アルミ配線により表面に形成された凹
凸形状 ２３ｐ 第３層のアルミ配線の光学像 ２３ｄ 第３層のアルミ配線のデジタル画像 ２３ｓ 第３層のアルミ配線の２次粒子像 ２４ 第４層のアルミ配線 ２４’ 第４層アルミ配線により表面に形成された凹
凸形状 ２４ｐ 第４層のアルミ配線の光学像 ２４ｄ 第４層のアルミ配線のデジタル画像 ２４ｓ 第４層のアルミ配線の２次粒子像 ２５ 層間絶縁膜 ２６ 保護絶縁膜 ２７ 凹凸形状がある表面 ２８ 平坦な表面 ２９ 集束イオンビームにより形成された開口部 ２９’ 開口部が形成される箇所 ３１ イオン源 ３２ イオンビーム ３３ 集束レンズ ３４ Ｘ−Ｙステージ ３５ デバイス ３６ ブランキングコントローラ ３７ デフレクタコントローラ ３８ 制御部 ３９ ディテクタ ４０ イオンビーム ５０ 光学像の拡大してデジタル画像とする部分 １００ 光学像 ２００ デジタル画像 ３００ ２次粒子像 ４００ デジタル画像と２次粒子像とを重ね合わせた
像

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光学顕微鏡による光学像からデジタル画
   像を得る手段と、集束イオンビームによる２次粒子像を
   得る手段とを有する集束イオンビーム加工装置を用い
   て、 前記デジタル画像では現われるが前記２次粒子像には現
   われない第１の箇所と、前記デジタル画像および前記２
   次粒子像の両者に現われる第２の箇所とを有する試料
   の、前記第１の箇所に集束イオンビーム加工を行なうに
   際し、 前記第１および第２の箇所の両箇所を現わしたデジタル
   画像を得る工程と、前記デジタル画像を得るための前記光学像を前記光学顕
   微鏡により取り込んだ後、前記試料を移動させて前記集
   束イオンビームの照射軸下に位置させ、 前記第１および
   第２の箇所のうち前記第２の箇所のみを現わした２次粒
   子像を得る工程と、 前記デジタル画像と前記２次粒子像の倍率を合わせ、か
   つ両者に現れている前記第２の箇所どうしが重なるよう
   にして、前記デジタル画像と前記２次粒子像とを重ね合
   わした像を同一の画像表示部に表示する工程と、 前記重ね合わされて表示された像によって前記第１の箇
   所を認識してそこに集束イオンビームによる加工を行な
   うことを特徴とする集束イオンビーム加工方法。
2. 【請求項２】 前記試料はＸーＹステージ上に載置さ
   れ、前記試料の移動は前記ＸーＹステージの移動により
   行われることを特徴とする請求項１記載の集束イオンビ
   ーム加工方法。