JP3564717B2

JP3564717B2 - 集束イオンビーム発生手段を用いた処理方法及びその装置

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Publication number: JP3564717B2
Application number: JP03556994A
Authority: JP
Inventors: 通伸水村; 馨梅村; 義実川浪; 祐一間所; 文和伊藤; 有一濱村; 淳三東; 朗嶋瀬; 隆上村
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1993-03-10
Filing date: 1994-03-07
Publication date: 2004-09-15
Anticipated expiration: 2019-09-15
Also published as: JPH07320670A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、半導体ＬＳＩ等のデバイスに集束イオンビームを照射し、微細加工、又は微細成膜を行う装置に係り、特に、集束イオンビーム照射の際、イオン源から照射される物質によりシリコンウエハやデバイス等の試料を汚染しない集束イオンビーム発生手段を備えた処理装置及び処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
集束イオンビーム（ＦｏｃｕｓｅｄＩｏｎＢｅａｍ：以下、略してＦＩＢと記す）を用いた装置は多岐に渡り、半導体製造分野でのマスクレスイオン注入、イオンビームリソグラフィ、マスク修正、配線修正、分析分野でのＳＩＭＳ（二次イオン質量分析）、観察するための試料作成についてはＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）観察用断面作成、ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）観察用薄片作成などがある。集束イオンビームを用いた装置では、液体金属イオン源がよく用いられており、加工や修正に用いる装置ではイオン元素としてはガリウムが広く実用に供されている。また、微量加工して試料を分析する分析装置では、デュオプラズマトロン形イオン源による希ガスイオンや酸素イオンがよく用いられている。
【０００３】
一方、半導体製造工程におけるイオン注入やリソグラフィ、エッチング等の各工程において、それら各工程が所期仕様を満たしているか、また、不意の微塵埃などで所望の形状形成の達成が損なわれていないかなどの工程管理や、形状欠陥がある場合にこれの修正を各工程後に行なうことは製造歩留の向上の面から非常に重要である。このような管理は、試料への外部からのコンタミネイションを避けるために、製造ライン中で行うことが必須である。所謂、インライン観察、修正または分析である。現在、表面観察については、光学顕微鏡や走査型電子顕微鏡を用いて、実際の製造ラインにおいてなされている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
液体金属イオン源は、サブミクロンまでに絞り込まれ、集束イオンビーム加工装置として、半導体ＬＳＩやマスクの加工に実際に使用されている。しかし、加工面に照射された金属イオンは、一部の金属元素の例外は有るが一般的には、物理的衝撃の役割を果たした後には、半導体製造プロセスにとっては不純物となり、悪影響を及ぼすことになる。従って、現状では、半導体製造ライン内で液体金属イオン源を積極的に使用することが出来ない状況にある。
【０００５】
そこで、発明が解決しようとする課題を明らかにするために、以下、▲１▼ＦＩＢ応用に見られる問題点、▲２▼集束イオンビームのためのイオン源、▲３▼イオン源の問題点に分けて説明する。
【０００６】
▲１▼ＦＩＢ応用に見られる問題点
ＦＩＢを用いた装置である、素子の局所的な断面の様子を観察するＦＩＢ断面加工装置や、素子のプロセス欠陥や論理欠陥を修正するＦＩＢ修正加工装置や、特定箇所の組成分析を行なうＦＩＢを用いたＳＩＭＳ装置は、現在半導体素子製造において使用されている光学顕微鏡や走査型電子顕微鏡のように、量産の製造ラインでは用いられておらず、専ら試験サンプルとして製造ラインから抜き取った試料あるいは製造工程が終了した試料について行なわれている。
【０００７】
つまり、再び、製造ラインに戻さないという前提である。理由は、従来のＦＩＢを用いた装置は、試料または試料製造ラインにコンタミネイションを与えるからである。
【０００８】
例えば、ＳｉウエハやＳｉデバイスに、Ｇａ−ＦＩＢを用いて上記の断面加工やＳＩＭＳ分析を施すと、ＧａがＳｉ上に堆積し、そのＧａはＳｉに対するｐ型ドーパント（アクセプタ）として働き、長期間に電気的劣化をもたらす。また、Ｇａの蒸気圧が非常に低いため、Ｇａ−ＦＩＢによる加工領域周辺にＧａのデポジション領域が観察される。これは単なる電気的汚染を超え、導電膜の形成となり、配線間の短絡などデバイスにとっては重大な問題を引き起こす。
【０００９】
また、Ａｕ−Ｓｉ合金を用いた液体金属イオン源（ＬＭＩＳ）を用いたＳｉ−ＦＩＢで局所的な微細加工を施したとしても、ＬＭＩＳから蒸発するＡｕ粒子が試料であるＳｉウエハまたはデバイスを重金属汚染し、デバイス動作に悪影響をもたらす。
【００１０】
一方、上記デュオプラズマトロン型イオン源の場合には、不活性ガスをプラズマ化することにより、その中に存在するイオンを引き出して集束イオンビームとするために、加工面に照射されたイオンは、物理的衝撃の役割を果たした後、再びガス原子あるいは分子にもどるので、直接半導体製造プロセスに不純物として悪影響を及ぼすことはない。しかし、プラズマ発生にアーク放電を利用しているため、フィラメント陰極にかかる高電界や高温により、陰極から不純物金属イオンがプラズマ内に混入し、半導体製造プロセスに悪影響を及ぼすことになる。よって、液体金属イオン源同様に、半導体製造ライン内では利用することが出来ない。
【００１１】
図２に、従来のＦＩＢを用いた加工装置を応用した半導体素子の検査の一例を示す。半導体素子製造工程では、シリコンウェハに成膜やエッチングやイオン打ち込み等を行うことによりトランジスタ素子や配線を作りこんでいく。この過程で、例えば深穴への成膜や、微細な溝のエッチングなどの難度の高い工程において、正しく加工ができたかどうかを検査する必要がある。この場合、前工程ラインからウェハを抜き出し、素子の断面を観察検査したい個所にＧａイオンのＦＩＢ（Ｇａ−ＦＩＢ）を用いた加工装置により穴を加工して、その側壁をＳＥＭにより観察する。
【００１２】
しかし、Ｇａ−ＦＩＢ加工のために照射されたＧａがウェハ上に残り、このＧａが前に述べたようにデバイスに悪影響を及ぼす。また、このウェハを製造ラインに戻すと、ラインにある各種の製造装置にも汚染を拡げてしまい、更にそのような製造装置で作られるウェハも汚染される恐れがある。そこで、図２に示したように、検査のためにＦＩＢ加工を施したウェハは、再び製造ラインに戻すことはせず、廃棄していた。しかし、ウェハは直径２００ｍｍであり、この上に１００から数百チップのＬＳＩを途中まで作成した付加価値の高いものを、検査のために工程途中で廃棄することは大変不経済である。ウェハが将来は３００ｍｍになることもありえるので、この無駄は今後益々無視できないものとなる。
【００１３】
また、ウエハ１枚に数百ものチップが作り込まれるため、ＦＩＢによる工程管理を従来のようにオフラインで行なうと、１回の加工や分析ごとにウエハ１枚をラインから除外することになり、加工や分析を施さなかった残りの素子を無駄にすることになり不経済であった。
【００１４】
図３に、半導体素子の歩留まりに関する状況を示す。半導体素子の製造プロセスにおいて、致命的な欠陥が生ずる確率を単位面積当たりの致命欠陥密度α（個／ｃｍ^２）で表す。αは経験的に試作段階から量産段階になるにつれ減少していくが、決して０にはならず、１〜数個／ｃｍ^２となる。あるプロセスで作られる層に発生する致命欠陥は、チップ面積に比例して大きくなる。つまりある層だけを見たときの良品歩留まりβは、図３に示したように、チップ面積が大きくなるにつれ下がり、例えばチップ面積が１４ｍｍ□、すなわち１．９６ｃｍ^２であるときは、歩留まりは（１−１．９６α）×１００％となる。
【００１５】
一方、半導体素子は多くの層から形成される。図４は配線層数を横軸にとり、各層ごとの歩留まりβを一定と仮定したときのチップの歩留まりを表したものである。ｎ層の配線層が全て良好にできなければチップは良品とならないから、チップ歩留まりはβのｎ乗となる。半導体素子の動向として、チップ面積は益々増大し、配線総数は特に論理ＬＳＩにおいて４から６層と増えつつある。このため致命欠陥密度αが一定とすると、チップ歩留まりは低下する傾向にある。そこで将来は各層ごとにプロセスにより生じた欠陥を修正しないと良品チップが取得できない状況となる。この修正にはＦＩＢを用いた加工を利用するのが好ましいが、前に述べたように、一旦修正のためにＧａ−ＦＩＢ加工をしてしまうと製造工程に戻すことができなくなるので、工程途中での修正は実現できなかった。
【００１６】
以上のような背景から、ウエハやデバイスなどの試料を汚染することなくインラインで試料の加工を行なえる、ＦＩＢを用いた加工方法や、それを実現する装置が望まれていた。
【００１７】
半導体装置におけるイオンビーム加工方法に関しては、特開平２−９０５２０号の『イオンビーム加工方法』（公知例１）において開示されている。この公知例１では、半導体装置が特にＳｉ基板であって、イオン種がＳｉ、Ｃ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓｍのうち少なくとも１種を用いることが示され、特に実施例として、Ｓｉイオンを得るためにＡｕ−Ｓｉ合金（Ａｕ_８２Ｓｉ_１８）をイオン源に用いた例が示され、また、Ｇｅ、ＳｍについてもＡｌ、Ａｕ等の合金から得られることが記載されている。
【００１８】
なお、液体金属イオン源（ＬｉｑｕｉｄＭｅｔａｌＩｏｎＳｏｕｒｃｅ，略してＬＭＩＳ）と、電気流体力学的イオン源（ＥｌｅｃｔｒｏｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃＩｏｎＳｏｕｒｃｅ，略してＥＨＤイオン源）とは同じものであり、構成上違いはない。
【００１９】
▲２▼集束イオンビーム形成のためのイオン源
ＦＩＢでＳｉ基板やデバイスに電気的汚染を与えず加工するには、Ｓｉのエネルギ準位における禁止帯閾内に不純物原子のエネルギ準位を持たないＳｉイオンやＧｅイオンが好適であることは明らかである。また不活性な元素であるＮｅ，Ａｒ，Ｋｒ，Ｘｅ等も好適である。
【００２０】
ＬＭＩＳやＥＨＤイオン源からＳｉまたはＧｅイオンビームを得る最も簡単な方法は、イオン材料としてＳｉまたはＧｅを含んだ合金を用いてイオン材料の融点や蒸気圧を低めて動作させ、ＦＩＢ光学系内に設けたＥ×Ｂ質量分析器によってＳｉ＋、Ｓｉ^２＋イオンやＧｅ＋、Ｇｅ^２＋イオンのみを選択して集束化することである。良く知られたＳｉ系合金はＡｕ−Ｓｉ，Ｐｔ−Ｓｉ，Ａｌ−Ｓｉ合金などであり、Ｇｅ系合金は、Ａｕ−Ｇｅ、Ｆｅ−Ｇｅ、Ｐｔ−Ｇｅ、Ｃｕ−Ｇｅ等である。
【００２１】
このように、ＳｉやＧｅイオンを放出させようとする場合、イオン材料としてＡｕ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｐｔ等との合金を用いることが一般に知られている。しかし、これら合金をイオン材料として用いることは、前節で説明したように、被加工物であるＳｉ素子を、合金成分であるＳｉやＧｅ以外の元素（例えば、Ａｕ、Ｃｕ、Ｐｔ）で汚染してしまうため、インライン検査に求められる非汚染検査とはならない。特に、ＡｕやＰｔのような重金属をＳｉ半導体製造ラインに持ち込むことは、タブーとされていることは周知のことである。
【００２２】
一方、前節で説明したように、デュオプラズマトロン型イオン源の場合には、プラズマ発生にアーク放電を利用しているため、フィラメント陰極にかかる高電界や高温により陰極から不純物金属イオンがプラズマ内に混入し、結果として半導体製造ラインに悪影響を及ぼすことになる。
【００２３】
そこで、ＦＩＢによる非汚染検査を実現するためには、ＥＨＤイオン源の最適なイオン材料としてＳｉ単体やＧｅ単体や液体状の不活性元素を用いるか、不純物を含まないプラズマ源からの不活性元素でなければならないことが判る。
【００２４】
▲３▼現状のイオン源の問題点
Ｓｉ単体は融点が１４０７℃、融点での蒸気圧４×１０￣^４（Ｔｏｒｒ）と非常に高いために、ＬＭＩＳの温度制御や熱蒸発制御が困難で、ＬＭＩＳのイオン材料として実用性が少なかった。一方、Ｇｅ単体の場合、融点が９４７℃、蒸気圧が１ｘ１０￣^６（Ｔｏｒｒ）であり、Ｓｉと比較して、融点が非常に低く、融点での蒸気圧も低くイオン材料としては有望である。しかし、従来ＬＭＩＳのエミッタ材として広く使われてきたＷ（タングステン）を、Ｓｉ−ＬＭＩＳやＧｅ−ＬＭＩＳのエミッタとして用いると、ＳｉやＧｅは活性であるため、Ｗを短時間に侵食してエミッタとしての役割を果たさなくさせる。
【００２５】
また、エミッタとして用いられるＴａ，Ｍｏ，Ｒｅなどの高融点金属についても、溶融ＳｉやＧｅに浸漬させると数時間で侵食、破壊されてしまい、これらＬＭＩＳの寿命が極端に短命であるという問題点を有していた。更に、セラミック材のＳｉＣについては、溶融ＳｉやＧｅと全く濡れず、これもエミッタとしての役割を果たさないという問題を抱えていた。
【００２６】
従って、単体のＳｉやＧｅをイオン材料としたＬＭＩＳからのＳｉイオン、Ｇｅイオンの放出の試みは殆どない。単体ＳｉやＧｅを用いてのイオン放出の報告は見られても、極めて短時間であり、放出イオンを集束化させ、Ｓｉ−ＦＩＢやＧｅ−ＦＩＢを形成し、試料の加工を施したという報告は未だない。従って、溶融ＳｉやＧｅに侵食されず、長時間安定した濡れを維持できるエミッタ、リザーバ材の探索が、Ｓｉ−ＬＭＩＳまたはＧｅ−ＬＭＩＳを実現させるための重要課題である。
【００２７】
上記公知例１には、敢えてＳｉ単体やＧｅ単体、もしくはＳｉとＧｅの合金をイオン材料としなければならない理由や効果は記載されておらず、Ｓｉ単体やＧｅ単体をイオン材料としたイオン源から放出させたＦＩＢによって、半導体素子を微細加工する方法、また、これを実現するための好適なイオン源構成（エミッタ材、リザーバ材）については開示されていない。
【００２８】
また、プラズマイオン源により不純物を含まない集束イオンビーム装置を得るためには、基本的には、不純物を含まないプラズマによるイオン生成が有効であり、不純物を発生しない放電機構の適用を検討したが、従来のプラズマからのイオン引き出し機構では、イオンを引き出すための電界と、加速するための電界とは同一の電界であって、独立に制御することができなかった。従って、必要以上の電界が引き出し電極とプラズマとの間にかかり、絶縁破壊を起こす可能性があった。また、イオンを放出するイオンシース面の制御も難しく、このため、引き出されるイオンの一方向性が弱く、サブミクロンのビーム径を達成することも困難である。
【００２９】
以上の問題点をまとめると、
（１）従来のＧａ−ＦＩＢを用いた装置やＳＩＭＳ装置は汚染を伴うため、それらをＳｉ半導体素子製造ラインで用いることができなかった。半導体素子製造ラインにおける検査や修正を行う手段として、ウエハやデバイスに対して汚染を伴わないＧａ−ＦＩＢに替わるイオン源を用いた検査・修正装置がなかった。
【００３０】
（２）Ｓｉ単体、Ｇｅ単体、もしくはＳｉ／Ｇｅ合金をイオン材料とする長寿命で高安定なイオン放出が可能なＳｉ−ＬＭＩＳ、Ｇｅ−ＬＭＩＳがなかった。
【００３１】
（３）不活性ガスイオンの集束イオンビーム装置用の汚染物質を含まない高輝度イオン源がなかった。
【００３２】
（４）ＳｉウエハやＳｉデバイスの汚染源とならないＳｉイオンやＧｅイオン、不活性ガスイオン等をイオン種とするＦＩＢを用いた装置がなかったため、これらのＦＩＢを用いてＳｉウエハやＳｉデバイスを汚染することなく検査・修正することができなかった。
【００３３】
従って、このような問題点（１）を克服する検査あるいは修正方法を生み出し、さらにその方法を実現するイオン源の問題点（２）、（３）を解決し、それらイオン源を搭載し、問題点（４）を克服したＦＩＢを用いた検査あるいは修正装置の実現が望まれていた。
【００３４】
そこで、本発明の目的は、ＳｉウエハやＳｉデバイスなどの試料に対しＦＩＢを照射して、電気的汚染やビーム照射によるコンタミネイションを発生させることなく試料の特定箇所を微細加工、微細成膜、分析することが可能な集束イオンビーム発生手段を備えた処理装置及び処理方法を提供することである。
【００３５】
【課題を解決するための手段】
上記本発明の目的は、処理すべき試料の電気的特性に影響をおよぼさないイオンを発生させ、発生させたイオンを集束してイオンビームを形成し、形成したイオンビームを試料に照射し、試料を該試料の電気的特性を損なうことなく処理することを特徴とする集束イオンビーム発生手段を用いた処理方法により達成される。
【００３６】
更に、本発明の目的は、集束イオンビーム発生手段を用いた処理装置に、試料の電気的特性に影響をおよぼさないイオンを発生させるプラズマイオン源と、プラズマイオン源で発生させたプラズマからイオンを引出してイオンビームを形成するイオンビーム形成手段と、形成したイオンビームを集束させるイオンビーム集束手段と、集束させたイオンビームを試料に照射する照射手段と、照射により処理される試料を設置する試料室とを備えることにより達成される。
【００３７】
また、本発明の目的は、集束イオンビーム発生手段を備えた処理装置に、試料に照射しても前記試料の電気的特性に影響をおよぼさないイオンを発生させるプラズマイオン源と、プラズマイオン源で発生させたプラズマからイオンを引出して所望の径のイオンビームを形成するビーム径変更手段を備えたイオンビーム形成手段と、形成したイオンビームを集束させるイオンビーム集束手段と、集束させたイオンビームを試料に照射する照射手段と、照射により処理される試料を設置する試料室とを備えることにより達成される。
【００３８】
また、本発明の目的は、集束イオンビーム発生手段を備えた処理装置に、試料の電気的特性に影響をおよぼさないイオンを発生させるイオン源と、イオン源で発生させたイオンを引出してイオンビームを形成するイオンビーム形成手段と、形成したイオンビームを集束させるイオンビーム集束手段と、集束させたイオンビームを試料に照射する照射手段と、照射により処理される試料を設置する試料室とを備えることにより達成される。
【００３９】
【作用】
処理すべき試料の電気的特性に影響をおよぼさないイオンを発生させるイオン源として、プラズマイオン源や電界電離イオン源、ＥＨＤイオン源の何れかにより構成し、ネオン、クリプトン、アルゴン、ゼノンなどの不活性ガスや窒素のいずれかのガス種、又は試料に照射しても試料の電気的特性に影響をおよぼさないような材料をイオン種として用いることにより、試料の電気的特性に悪影響を与えるような金属汚染によるコンタミネイションを発生させないようにした。
【００４０】
特に、試料がシリコンウエハやシリコンデバイスである場合には、上記試料に照射しても試料の電気的特性に影響をおよぼさないような材料として、シリコン単体、ゲルマニウム単体もしくはシリコン／ゲルマニウム合金を用いたＥＨＤイオン源を用いることにより、これから得られるＦＩＢを試料に照射しても、試料の電気的特性に悪影響を与えるような金属汚染を与えることはない。
【００４１】
また、プラズマイオン源の場合は、無電極放電により高密度のプラズマを発生させることにより、放電に直接関与する電極がなくなり、金属種を含まないイオンを発生できるので、試料に対して電気的特性に悪影響を与えるような金属汚染によるコンタミネイションを発生することはない。
【００４２】
また、プラズマイオン源の場合は、引き出し電極のイオン引き出し口をイオンシ−スの厚さよりも小さい半径にすることにより、プラズマが引き出し口から加速電極側へ拡散することがなくなるので、引き出し電極には、プラズマ中のイオンを引き出すための比較的小さい電圧を印加するだけでよくなる。即ち、プラズマ中に設置された基準電極に対して引き出し電極に電圧を加えることにより、効率よくプラズマに電界がかかり、数十ボルトの低電圧で理論上最大限のイオンを引き出すことができ、従来の装置で発生していたような、引き出し電極付近での絶縁破壊は発生しない。
【００４３】
更に、プラズマイオン源の場合は、引き出し電極上にシ−ス面の形状を制御するイオンシ−ス制御電極を設け、イオン放出面積を大きくすることにより、イオン電流密度が増加する。更に、引き出し電極と加速電極との間に設けた集束用電子放出源から引き出し電極側に電子を放出することにより、引き出し口付近でまだ十分に加速されていない電荷密度の大きいイオンに対する空間電荷効果が抑制され、イオンビ−ムは中心軸のまわりに形成される電位の谷で径方向に捕捉され、かつ軸方向の電流制限が緩和される。更に、励磁コイルで、放出された電子を径方向に閉じ込める磁場を発生させることにより、電位の谷で捕捉されたイオンビ−ムの径方向の拡散が抑えられる。
【００４４】
また、プラズマイオン源のビーム径変更手段は、（１）プラズマ発生部への入力電力を変えてプラズマの電子密度を変化させると共に、イオン引き出し電極に印加する電圧を制御して引き出し電極の前面に発生したイオンシ−スの厚さを所望の厚さに設定することにより、イオン電流密度を減少させることなく所望の径を有するイオンビームを引き出すことにより、（２）引き出し電極としてテ−パ状の引き出し電極を用い、プラズマ発生部への入力電力を変えてプラズマの電子密度を変化させ、引き出し電極付近でのイオン放出面形状を変えることにより、イオン電流密度を減少させることなく所望の径を有するイオンビームを引き出すことにより、（３）所望の径を有する複数の引き出し口を持つ可動構造の引き出し電極を用い、所望のイオンビーム径に応じて、それに対応する引き出し口をイオンビーム引き出し位置に移動させて、イオン電流密度を減少させることなく所望の径を有するイオンビームを引き出すことにより、（４）シ−ス面制御電極及び絶縁板を有した多孔式電極で構成した引き出し電極を用い、シ−ス面制御電極の印加電圧を制御して引き出し電極上のイオンシース面の形状を変化させてイオン電流密度を減少させることなく電極の所望の孔からだけイオンを引き出して所望の径を有するイオンビームを形成することにより、（５）プラズマ発生部への印加電力を変えてプラズマの電子密度を変化させると共に、引き出し電極の下方にテ−パ絶縁スペ−サ及びメッシュ電極を設けて引き出し電極とメッシュ電極とに印加する電圧を制御してプラズマ領域を変化させ、所望の径を有するイオンビームを形成することにより、（６）メッシュ状の引き出し電極を用い、移動式加速電極と組み合わせ、イオン通過口を機械的に切り替えてイオン電流密度を減少させることなく所望の径を有するイオンビームを引き出すことにより、所望の径を有するイオンビームが得られる。
【００４５】
また、このようにビーム径が可変な、プラズマイオン源を用いた集束イオンビーム装置を用いることにより、試料の深層構造の微細加工、あるいは新構造の形成あるいは断面からの信号を得て、試料の観察、分析を、試料を汚染することなく高速に行う事ができる。
【００４６】
【実施例】
（実施例１）
本実施例１では、集束イオンビーム（ＦＩＢ）のイオンビーム発生源としてのプラズマイオン源について、図１から図２７により説明する。
【００４７】
図１は、１／４波長共振形半同軸空洞共振器によるマイクロ波放電プラズマをイオン源とする、集束イオンビームを用いた加工装置の構成図である。図１において、１はマイクロ波入射同軸線路、２は１／４波長共振型半同軸空洞共振器、３は波長調整ねじ、４は引き出し電極、５は加速電極、６は基準電極、７は石英ガラス管、８は生成されたプラズマ、９は磁界発生装置、１０は加工作業用真空容器、１１は励磁コイル、１２は集束用電子放出源、１３はブランキング電極、１４は３枚電極レンズ、１５はスティグマトール電極、１６はデフレクター電極、１７は二次粒子検出器、１８は被加工物、１９はステージ、２０は集束イオンビーム、２１は二次粒子である。
【００４８】
まず、図１を用いて本発明によるプラズマイオン源の作用を説明する。
【００４９】
マイクロ波入射同軸線路１を通して２．４５ＧＨｚのマイクロ波が、１／４波長共振型半同軸共振器２に入射する。１／４波長共振型半同軸共振器２には、不活性ガスが封入された石英ガラス管７が設置される。なお、波長調整ねじ３を調整することでマイクロ波電力が１／４波長共振型半同軸共振器２に最大供給条件のもとで供給される。この時、不活性ガスは電離してプラズマ８となる。プラズマ８は、磁界発生装置９により発生した引き出し口近傍の磁束密度８７５Ｇａｕｓｓの磁界でＥＣＲ（ＥｌｅｃｔｒｏｎＣｙｃｌｏｔｒｏｎＲｅｓｏｎａｎｃｅ）効果を起こし、プラズマのカットオフ周波数を越えて電磁波が入射されるので、局所的に１０^１２〜１０^１３／ｃｍ^３の高密度プラズマが生成される。
【００５０】
プラズマ８中に存在するイオンは、プラズマ８中に設置された基準電極６に対して負の電位を与えられた引き出し電極４に開けられた引き出し口から、引き出し電極４と加速電極５間の空間に引き出される。引き出されたイオンは、加速電極５により加工作業用真空容器１０内にある被加工物１８に向かって加速され、集束イオンビーム２０となる。
【００５１】
ところで、加工に必要なイオンのエネルギーは数十キロエレクトロンボルトであるのに対して、引き出し口を出た直後のイオンは数十エレクトロンボルトのエネルギーであるので、ｍ_ｉをイオンの質量、ｖ_ｉをイオンの速度、ｑを電荷量、Ｖを加速電圧とすると
【００５２】
【数１】

【００５３】
から、引き出し口を出た直後のイオンの速度は、加工に必要なイオンの速度の３％程度でしかない。ここで、Ｑ_１を引き出し口付近での電荷密度、Ｑ_２を加速後の電荷密度、ｖ_ｉ１を引き出し口付近での速度、ｖ_ｉ２を加速後の速度、Ｓ_１は引き出し電極付近でのビーム断面積、Ｓ_２は加速後のビーム断面積とすると、
【００５４】
【数２】

【００５５】
が成り立ち、単位長さ当たりの電荷量は速度に反比例する。
【００５６】
従って、引き出し口を出た直後のイオンは加速後に比べて電荷量が大きいので、イオン自身が持つ電荷によって互いに反発し合い、速度が大きくなるにつれビームが広がる。この影響を防ぐために、イオンとは逆の電荷を持つ電子を電子放出源１２から放出させ、かつ励磁コイル１１により磁界を発生させ、電界と磁界の相互作用による力で電子を引き出し口付近に集めて、イオン同士の反発力を中和している。加速電極５を通過した集束イオンビーム２０は、ブランキング電極１３を通過する。このブランキング電極１３は２枚の電極板からできており、この電極間に電界をかけることにより集束イオンビーム２０の軌道を変え、被加工物１８に集束イオンビーム２０が到達しないようにする、すなわち集束イオンビーム２０のオン、オフを行う機能を持つ。
【００５７】
ブランキング電極１３が動作しない場合、集束イオンビーム２０は３枚電極レンズ１４に入射し、３枚の電極の電圧制御を行うことにより加工に必要なビーム径とビーム電流密度となる。引き続き、集束イオンビーム２０はスティグマトール電極１５に入射し、３枚電極レンズ１４の非対称成分による非点収差が補償される。微細加工に必要な性能となった集束イオンビーム２０は被加工物１８に照射されるが、微細加工のためにはステージの移動のみでは十分な加工位置精度が得られない。従って、デフレクター電極１６内の電界により集束イオンビーム２０の軌道を更に細かく変えて任意の位置の加工を行う。
【００５８】
次に、本発明によるプラズマイオン源のイオン引き出し機構について、従来のプラズマイオン源と比較して説明する。
【００５９】
従来、プラズマからイオンを電界によって引き出す場合、プラズマと接する壁に開いたイオン引き出し口を通してイオンを引き出すため、プラズマがこの引き出し口を持つ壁（導体、不導体に限らず）に接することにより、電子とイオンの質量差のためにシースと呼ばれる本来プラズマの特徴である電荷中性条件の成り立たない領域が発生する。
【００６０】
更にほとんどの場合において、イオンは電子に比べ重いので、イオンによる電流と電子による電流のバランスを保つために壁付近にはイオンが過剰になり、イオンシースとなる。プラズマ化するガスのガス圧力が数パスカルから数十パスカル程度であれば、シース内で粒子同士の衝突の無い無衝突プラズマとして取り扱うことができ、「プラズマダイアグノスティックテクニックス」（ＰＬＡＳＭＡＤＩＡＧＮＯＳＴＩＣＴＥＣＨＮＩＱＵＥＳ，ＡＣＡＤＥＭＩＣＰＲＥＳＳ，ＮＥＷＹＯＲＫ，１９６５）のシース生成理論から引き出し可能な最大イオン電流密度を見積もることができる。
【００６１】
イオンシース内の電位はプラズマ電位に比べ低く、プラズマより電子温度Ｔｅの２分の１低い電位の位置から壁までがシースと定義される。この時、プラズマから流れ込むイオン飽和電流密度Ｊｉは
【００６２】
【数３】

【００６３】
で表される。ここで、Ｎｅはプラズマ中の電子密度、ｋはボルツマン定数である。従って、アルゴンガスを例に、数３を用いてプラズマから引き出し可能な最大のイオン飽和電流密度Ｊｉを、電子密度Ｎｅをパラメータにして計算すると、図５に示すようになる。
【００６４】
ところで、近年半導体微細加工やＳＩＭ像観察等に用いる集束イオンビームは、ビーム径０．１μｍで電流１ｎＡ程度、すなわち電流密度１０^５Ａ／ｍ^２の性能が要求される。従って、３枚電極レンズ１４のイオン光学レンズを用いてビーム径を１０分の１まで集束しても、イオン源から引き出されるイオン電流密度は少なくとも１０^３Ａ／ｍ^２が必要となる。よって図２から電流密度１０^３Ａ／ｍ^２を得るには数エレクトロンボルトの電子温度の場合、１０^１３／ｃｍ^３近くの電子密度のプラズマが要求される。
【００６５】
一方、ガスがイオンと電子に電離した状態であるプラズマが中性と見なせる距離、即ちデバイ長λｄは、真空の誘電率をε_０としたとき、
【００６６】
【数４】

【００６７】
で表されるが、電子密度Ｎｅをパラメータにして計算した結果（図６）から上記した電子密度１０^１３／ｃｍ^３の場合のデバイ長λｄを求めると、数μｍとなる。
【００６８】
また、イオンの初速度が無視できれば、ラングミュアチャイルドの３／２乗則から、電極電位をＶ_Ｐ、シース端電位をＶ_０（シ−ス生成条件、電子温度Ｔｅの−２分の１）、シース厚をαとするとイオン飽和電流密度Ｊｉは
【００６９】
【数５】

【００７０】
となる。よって、電子温度Ｔｅをパラメータにして数３と数５からシース厚αを求めると、平板電極の前面には、その電極とシ−ス端電位との電位差に応じて図７に示すような厚さのイオンシースが形成されることになる。
【００７１】
図７中、Ｖ_Ｆは浮動電位と呼ばれ、プラズマ８から電極に流れ込む電流が零である時のシース端電位と電極間電圧である。従って、電極に電圧がかからない時には、電極前面にはデバイ長の数倍の厚さ１０μｍ程度のイオンシースが常に存在する。
【００７２】
従来、プラズマイオン源を用いた集束イオンビーム加工装置の場合、イオン引き出し機構は、図８に示すような構造を持ち、引き出し口を持つ従来型引き出し電極２８を基準にして、加速電極５に引き出し電圧を加える。従来型引き出し電極２８、加速電極５間に電圧を加えない場合は、引き出し口径Ｄ_Ｈに比べてイオンシース２２の厚さＤ_Ｓが小さく、引き出し口を越えて加速電極５にまでプラズマ８の領域が広がっている。この状態ではイオンのみを引き出すことができないため、図９に示すように、高電圧を加えることによって加速電極５近傍のイオンシース２２を成長させて、プラズマ８が従来型引き出し電極２８の引き出し口を通って加速領域にまで広がらない状態にする必要がある。
【００７３】
例えば、従来のプラズマイオン源を用いた集束イオンビーム加工装置の引き出し機構は電子温度１ｅＶ、電子密度１０^１１／ｃｍ^３の比較的低密度プラズマを利用し、図６からデバイ長は２５μｍであるので、浮動電位ＶＦでのシース厚Ｄ_Ｓはその数倍、１００μｍ程度となり、引き出し口径ＤＨを１．５ｍｍ、従来型引き出し電極２８と加速電極５間に電圧１０ｋＶを印加するとすると、１０ｍＰａ以下の圧力下での電極間絶縁距離ｄｇ（ｃｍ）、絶縁破壊電圧Ｖｂ（Ｖ）は
【００７４】
【数６】

【００７５】
の関係が成り立つので、従来型引き出し電極２８と加速電極５の間隔は４ｍｍとなる。
【００７６】
しかし、数６の真空中の絶縁破壊電圧に比べてイオンシース２０の絶縁破壊電圧は低いので、プラズマと電極間で絶縁破壊を起こし、十分に引き出すことが出来ない。
【００７７】
そこで、本発明では、上記した従来のようなイオンを引き出すための電界と加速するための電界が同一となる引き出し機構ではなく、図１０に示すように、常に引き出し口径Ｄ_Ｈに対して、浮動電位のイオンシース厚Ｄ_Ｓ１がその２分の１以上となる状態で動作させることにより、引き出し電極４に電圧を印加しない状態でも引き出し電極４を越えて加速領域にプラズマ８を広がらせず、引き出し電極４の面積に比べて大きく、かつプラズマ８に接した図１における基準電極６に対して引き出し電極４に直接電圧を印加することにより、数十ボルトという低い電圧でも、シース厚Ｄ_Ｓ２となったイオンシース２２を通してイオンを飽和電流値まで引き出すことが可能となる。
【００７８】
従って、微細加工用集束イオンビームのビ−ム径０．１μｍを得るには、本発明の場合、３枚電極１４で１０分の１に絞るので、１μｍの引き出し口径を持つ引き出し電極４を用いている。なお、密度が１０^１３／ｃｍ^３のプラズマ８では、イオンシ−ス厚Ｄ_Ｓ１は１０μｍ程度であり、Ｄ_Ｓ１≧１／２Ｄ_Ｈを満たしている。また、引き出し電圧を変えてもイオン放出面と引き出し電極面は常に平行であるので、イオン電流密度は一定であるが、イオンは引き出し電極面に垂直に加速されるため、従来の引き出し機構に比べて引き出し口を通過した時点では、全くビ−ムの広がり成分を持たない集束性の良いビームを発生できる。すなわち、イオンの引き出し電界と引き出された後の加速電界とを独立に制御することができるので、直接シースに高電界がかからず、絶縁破壊することなくイオンを限界値まで引き出すことが可能となる。なお、絶縁物２５上にあるイオンシース制御電極２４には電圧を印加しない。
【００７９】
一方、図１１に示すように引き出し電極４と絶縁物２５で電気的に絶縁されたイオンシース制御電極２４に外部電源により電圧を印加してプラズマ電位に近づけるか、あるいはイオンシース制御電極２４にフィラメント材料を用い、電流加熱や赤外レーザ加熱により熱電子放出を行うことで、イオンシース制御電極２４前面のシース面の形状を制御することが可能となり、例えば、凹形のイオン放出面を形成させて、平面に比べてイオン放出面積を大きくしてイオン電流密度を増加させたり、上記図１１におけるシース面と引き出し電極との平行度を更に微調整することにより放出されるイオンの一方向性を向上させることが可能となる。
【００８０】
また、このイオンシース制御電極２４は従来の引き出し機構（図９）にも適用でき、イオン放出面の形状を制御することが可能である。なお、上記各電極４、２４のプラズマに対する電圧の極性を変えることにより、そのまま電子銃として同様に動作させることもできる。
【００８１】
次に、上記引き出し機構により引き出し電界と加速電界を独立して制御することができるため、引き出し口から出たイオンを微細加工に必要な速度に加速する加速機構が必要となる。そこで、本発明におけるイオン加速機構について、図１２ないし図１４を用いて説明する。
【００８２】
引き出し口から出た一方向性の強いイオンは、引き出し電極４と加速電極５間の加速電界により加速されるが、上記したように引き出し口付近の低速度イオンは電荷量が大きいために、同一の電荷によるクーロン力で空間電荷効果が働く。この空間電荷効果は主に
（１）径方向のイオンビーム発散
（２）軸方向の空間電荷制限による電流制限
であり、イオンビームの性質に直接関わる。従って、図１における加速後のイオン光学系１４、１５、１６での集束効果を向上させ、微細加工に必要な集束イオンビームを得るには空間電荷効果を抑制する必要がある。
【００８３】
従来、空間電荷効果を抑制するために荷電粒子による空間電荷の中和が行われる。例えば、イオンビームの場合には、図１２に示すように集束用電子放出源１２から電子ビーム２６を集束イオンビーム２０に照射する。この場合、空間電位をφ、集束イオンビーム２０の電荷密度をρｉ、電子ビーム２６の電荷密度をρｅとするとポアソンの方程式は、
【００８４】
【数７】

【００８５】
となる。
【００８６】
集束イオンビーム２０の電荷密度ρｉに対して、電子ビーム２６の電荷密度ρｅが大きい場合、数７から見かけ上、電子による電荷のみとなり、ビーム中心軸を中心に電位の谷ができ、イオンはこの電位の谷に捕捉され、ビームの発散が抑えられる。更にラングミュアチャイルドの３／２乗則による軸方向の空間電荷制限を空間電荷の中和により緩和することができる。なお、図１２は、図面の横は縦に対して５０倍に拡大されている。
【００８７】
しかしながら、上記空間電荷中和法では電位の谷の径を制御できないために、イオンビームの集束効果を十分に得ることができない。一方、本発明では、図１２に示すように、電子放出源１２から集束イオンビーム２０の電荷密度ρｉに対して、電子ビーム２６の電荷密度ρｅを大きくして径方向に電位の谷を発生させるだけでなく、加速領域に図１に示した励磁コイル１１を用いて、図１２に示す電子ビーム２６用閉じこめ磁界を発生させる。この時の図１２におけるＡ−Ａ’断面を、図１３に示した。励磁コイル１１は、４つの巻線コイルからなり、各巻線コイルには、紙面の裏から表方向に向かって電流が流れ、磁束密度Ｂの磁界が発生する。
【００８８】
この磁界は、図１２で示すＥ×Ｂによる力Ｆを電子に与え、図１３に示す電子ビーム集束領域２７に電子ビームを閉じこめる。この結果、磁界の強さによって電子ビーム集束領域２７、すなわち電位の谷の領域が制御され、集束イオンビーム２０のビーム径および軸方向の空間電荷制限を制御することができる。また、図１４に示すように、励磁コイル１１の左右の巻線コイルに紙面の表から裏に向かって電流を流せば、電子ビーム集束領域２７の形状が変わり、集束イオンビーム２０の集束領域形状を制御することもできる。
【００８９】
以上、本発明の実施例１によるプラズマイオン源では、引き出し電極のイオン引き出し口をイオンシ−スの厚さよりも小さい半径にすることにより、イオンが引き出し口から加速電極側へ拡散することがなくなるので、引き出し電極には、プラズマ中のイオンを引き出すための比較的小さい電圧を印加するだけでよくなった。即ち、プラズマ中に設置された基準電極に対して引き出し電極に電圧を加えることにより、効率よくプラズマに電界がかかり、数十ボルトの低電圧で理論上最大限のイオンを引き出すことができるようになり、従来の装置で発生した、プラズマイオン源の引き出し電極付近で絶縁破壊を引き起こすという問題が解決された。
【００９０】
更に、引き出し電極上にシ−ス面の形状を制御するイオンシ−ス制御電極を設け、イオン放出面積を大きくしたことにより、イオン電流密度を増加させることできた。
【００９１】
更に、引き出し電極と加速電極との間に設けた集束用電子放出源から、引き出し電極側に電子を放出させることにより、引き出し口付近でまだ十分に加速されていない電荷量の大きいイオンに対する空間電荷効果が抑制され、イオンビ−ムを、中心軸のまわりに形成される電位の谷で径方向に捕捉し、かつ軸方向の電流制限を緩和させることができるようになった。更に、励磁コイルで、放出された電子を径方向に閉じ込める磁場を発生させることにより、電位の谷で捕捉されたイオンビ−ムの径方向の拡散を抑えることができるようになった。これらにより、プラズマイオン源から、電流密度の高いイオンビームを引出すことができるようになった。
【００９２】
以上、説明した本発明によるプラズマイオン源を用いて集束イオンビーム加工装置を構成することにより、即ち、図１における１、２、３、７、８、９からなる高密度マイクロ波プラズマ発生機構、図１における６、図１０における４、２４、２５からなるイオン引き出し機構、図１における１１、図１２における４、５、１２からなる電子ビーム・磁界集束機構、および図１における１４、１５、１６からなるイオン光学系を用いて構成することにより、従来のプラズマイオン源を用いた集束イオンビーム加工装置に比べ、約１０分の１のビーム径０．１μｍで、かつ約１００倍の電流密度１０^５Ａ／ｍ^２の金属イオンを含まない集束イオンビームを発生することが可能となり、試料を不純物で汚染することなく極微細な加工を行なうことができる。
【００９３】
また、本実施例では被加工物１８を集束イオンビーム２０の物理的衝撃により加工するのみではなく、物理的衝撃に伴って被加工物１８の表面から放出される二次粒子２１を二次粒子検出器１７で電気信号として検出し、集束イオンビーム２０の走査に同期してＣＲＴ上を走査している輝点に輝度変調をかけることにより、二次粒子像を得て、被加工物１８の加工状態を観察しながら微細加工を行うことができる。
【００９４】
なお、プラズマ生成部に関して上記発生機構は一例であり、無電極放電で高密度プラズマを生成できる発生機構であれば特に制限はない。
【００９５】
以上説明したように、本発明の実施例１のプラズマイオン源を用いた集束イオンビ−ム加工装置は、ビーム径０．１μｍ、電流密度１０^５Ａ／ｍ^２の集束イオンビームを発生させることができ、半導体製造ラインを流れるウエハまたはデバイスの微細な加工が可能である。一方、半導体製造ラインを流れるウエハまたはデバイスは多層構造を持ち、そのウエハまたはデバイスの製造来歴を検査、修正するには表面に対して下層にあるパタ−ンまで深く掘り下げることが必要になる。
【００９６】
この際、検査あるいは修正をする層に達するまで、イオンビ−ム径に対して数倍から数百倍の径もしくは辺を持つ大きな断面積を有する上記深穴を掘らなければならない。しかし、ビーム径０．１μｍ、電流密度１０^５Ａ／ｍ^２のイオンビ−ムでは、上記大面積深穴を加工するには長時間を要するため、同じ電流密度でビーム径０．１μｍの数倍から数十倍の、径の太いイオンビ−ムを形成すること必要となる。そこで、本発明のプラズマイオン源を用いた集束イオンビ−ム装置では、電流密度を下げずにビーム径０．１μｍの数倍から数十倍の径を有する、大口径高密度集束イオンビ−ムを発生する機能も有している。
【００９７】
また、上記プラズマイオン源を用いたイオンビーム処理装置は、上記した集束イオンビーム加工装置に限定されるものではなく、シリコンウエハ検査装置や二次イオン質量分析装置、表面異物検査装置、ＦＩＢアシストデポジション等にも容易に摘要できることは、言うまでもない。
【００９８】
次に、本発明によるこの大口径高密度集束イオンビーム形成機構について、図１５から図２７で説明する。ここで、上記したプラズマイオン源で説明して構成要素と同じものについては、同じ番号を付して説明する。
【００９９】
図１５は、図１０に示した引き出し電極４と電極間絶縁破壊の式である数６により決定される距離にある加速電極５を示した図である。この時、プラズマの状態は電子密度Ｎｅ、電子温度Ｔｅで表され、引き出し電極４の電位は接地電位に対してＶｅ、加速電極５は接地電位に対してＶａの電位を持つ。図５に示したように、プラズマから引き出しえるイオン電流の電流密度は電子密度Ｎｅ、電子温度Ｔｅで決まり、図７で示した引き出し電極４の前面にイオンシ−スが発生するプラズマ電位Ｖｐと引き出し電極４の電位差Ｖｆ以上の電位差を作れば、常に一定のイオン電流密度を得ることができる。しかし、Ｄ_Ｓ（シ−ス厚）≧１／２Ｄ_Ｈ１（引き出し口径）を満足しなければ、プラズマが引き出し電極４と加速電極５間に広がり出てしまうため、単純に引き出し口径を大きくするだけで、前述したような高密度のイオンビ−ムを発生させることはできない。
【０１００】
一方、「電子・イオンビームハンドブック；日本学術振興会第１３２委員会編；日刊工業新聞社」１２３〜１２９頁に述べられているように、引き出し口のような円孔が存在するとき、その付近の電界によって、イオンの軌道が変化するため、ビームの焦点距離が移動し、一種のレンズ作用（イオンレンズ効果）をする。
【０１０１】
従って、引き出し口径を変えずにビ−ム径を変えるには、加速電圧Ｖａを調整して、引き出し口付近での上記イオンレンズ効果を利用することになる。しかしながら、前記方法はビ−ムをデフォ−カスすることになり、電流密度は減少してしまう。そこで、マイクロ波源の出力を大きくし、プラズマ密度を上げて電子密度Ｎｅを増加させることにより、前記条件で電流密度を一定に保つ方法も考えられるが、図２７に示す様に、電子密度Ｎｅが増加するにつれ、シ−ス厚が減少するのでＤ_Ｓ（シ−ス厚）≧１／２Ｄ_Ｈ１（引き出し口径）を満足できなくなる。
【０１０２】
一方、図１６に示すように、電子密度を増加させても、図７で示した様に前記電位差すなわちシ−ス端−平板電極間電圧が変化するとシ−スの厚さは変化し、Ｄ_Ｓ（シ−ス厚）≧１／２Ｄ_Ｈ１（引き出し口径）を満足させるシ−ス端−平板電極間電圧以上の電圧を印加すれば、プラズマが引き出し電極４と加速電極５間に広がり出ずに、引き出すことが可能となり、加速電圧Ｖａを調整して、引き出し口付近でのイオンレンズ効果を利用し、ビ−ムをデフォ−カスして加速電極５のイオン通過口径Ｄ_Ｈ２以下の太いイオンビ−ムを得ることが可能となる。しかし、上記したような、電極構造は変えずにイオンビ−ム径を変更する方法では、ビ−ム径を変更するために加速電圧Ｖａが変化してしまう。
【０１０３】
そこで、本発明による大口径高密度イオンビームを形成する方法においては、加速電圧Ｖａを変化させずにイオンビ−ム径を変更する方法として、電極構造を変える必要があり、図１７、１８に示すように引き出し電極４に変えて、引き出し口にテ−パを付けたテ−パ引き出し電極２０４を用いる構成とした。
【０１０４】
図１７には、イオンビ−ムの径を通常の加工に用いるような微小な径に設定した場合を、また、図１８には、図１７におけるシ−ス端−平板電極間電圧を一定のままに維持して電子密度Ｎｅを増加させた場合の状態を示す。図１８では、図１７の状態と比較してシ−ス厚が減少し、Ｄ_Ｓ（シ−ス厚）≧１／２Ｄ_Ｈ１（引き出し口径）が満足されなくなる。しかし、完全にプラズマがテ−パ引き出し電極２０４と加速電極５間に広がり出ない程度に電子密度を増加させると、イオン放出面は引き出し口の付近で引き出し方向に向かって凸となり、イオンはこのイオン放出面に垂直に放出されるので、テ−パ引き出し口付近でのイオンレンズ効果を利用せずに、ビ−ムをデフォ−カスすることができる。なお、テ−パ引き出し口はイオン放出面から出たイオンを側壁で消滅させない効果を持つ。
【０１０５】
この結果、プラズマの電子密度Ｎｅを変化させるのみで、大口径高密度のイオンビ−ムを発生させることが可能となる。
【０１０６】
また、図１９、２０には、プラズマの状態、電子密度Ｎｅ、電子温度Ｔｅ一定、加速電位Ｖａ一定のままで、イオンビ−ム径を変化させる方法を示す。電極構造として引き出し電極４に替えて移動式引き出し電極３０４を用いる。すなわち移動式引き出し電極３０４は数種類の径の引き出し口を備えており、必要に応じて移動式引き出し電極３０４を水平移動して、プラズマに接しない位置に退避していた必要な径を持った引き出し口をイオンビ−ム軸に移動できる。
【０１０７】
微小径ビーム用の図１９での引き出し口３０４１を移動させ、図２０の大口径ビーム用の引き出し口３０４２をイオンビーム軸に移動することで変更し、ＤＳ（シ−ス厚）≧１／２ＤＨ１（引き出し口径）が満足するよう、図７に基づき、シ−ス端−平板電極間電圧を調整する。その結果、プラズマの状態を示す電子密度Ｎｅ、電子温度Ｔｅ一定、加速電位Ｖａ一定のままで、イオンビ−ム径を変化させることが可能となる。
【０１０８】
更に、図２１、２２にはプラズマの状態を示す電子密度Ｎｅ、電子温度Ｔｅ一定、加速電圧Ｖａ一定のままで、イオンビ−ム径を変化させる別の方法を示す。電極構造として、引き出し電極４に替えて多孔式引き出し電極４０６を用いる。多孔式引き出し電極４０６の上には、シ−ス面制御電極４０４，４０４´及び絶縁板４０５，４０５´が、多孔式引き出し電極４０６の中心の引き出し口４０６１，４０６２上に設けられている。
【０１０９】
図２１に示すように、微小径ビーム形成時には、ＤＳ（シ−ス厚）≧１／２ＤＨ１（引き出し口径）の条件を満たすようにシ−ス面制御電極４０４に電圧が印加され、更に、多孔式引き出し電極４０６にもシ−ス面制御電極４０４と同じ電圧あるいはそれ以下で、ＤＳ（シ−ス厚）≧１／２ＤＨ１（引き出し口径）を満たす電圧が印加されている。この時、イオン放出面は、シ−ス厚を保持するためにシ−ス面制御電極４０４の形状に沿った形で形成される。よって、シ−ス面制御電極４０４の電圧を調整することでイオンは多孔式引き出し電極４０６の中心の引き出し口４０６１に集中し、周囲の引き出し口４０６１´からは引き出されない。従って、中央の引き出し口４０６１から、微小径のイオンビ−ムが引き出される。
【０１１０】
一方、図２２に示すように、シ−ス面制御電極４０４に印加された電圧をＤＳ（シ−ス厚）≧１／２ＤＨ１（引き出し口径）を保ちながら調整し、イオン放出面を多孔式引き出し電極４０６に平行になるまでシ−ス端−平板電極間電圧を下げる。この結果、多孔式引き出し電極４０６の有する引き出し口４０６１および４０６１´全体から、均等に一定電流密度で引き出され、加速電圧の調整による引き出し口４０６１および４０６１´付近でのイオンレンズ効果を利用して、各ビ−ムをデフォ−カスして加速電極５に設けられた通過口径ＤＨ２（＝ビ−ム径ＤＢ）の大口径高密度イオンビ−ムが発生可能となる。
【０１１１】
次に、図２３、２４にはテ−パ引き出し電極２０４を用いた場合と同様に、プラズマの状態を示す電子密度Ｎｅの変化によりイオンビ−ム径を変化させる、別の方法を示す。電極構造として、引き出し電極４の下方にテ−パ絶縁スペ−サ５０６を挟んで、メッシュ電極５０５を設置し、その下方には、加速電極５が設置される。
【０１１２】
図２３に示すように、微小径ビーム形成時には、ＤＳ（シ−ス厚）≧１／２ＤＨ１（引き出し口径）を満たした状態でイオンが引き出される。引き出されたイオンは、メッシュ電極５０５に印加された加速電圧により加速されかつ、引き出し口径ＤＨ１より小さいメッシュ電極５０５の通過口径ＤＨ２により微小径のイオンビ−ムとなる。なお、微小径ビーム形成時には、メッシュ電極５０５の下方に設置された加速電極５に、二次加速電圧が印加される。
【０１１３】
一方、図２４では、ＤＳ（シ−ス厚）＜１／２ＤＨ１（引き出し口径）となる電子密度Ｎｅまで増加してプラズマの状態を変化させ、プラズマが引き出し電極４とメッシュ電極５０５間に広がり出す状態とする。前記空間にテ−パの付いた絶縁スペ−サ５０６に沿って広がったプラズマは、メッシュ電極５０５に接し、メッシュ電極５０５が引き出し電極の役割を果たすようになる。この時、引き出し電極として作用するメッシュ電極５０５にはＤＳ（シ−ス厚）≧１／２ＤＨ２（引き出し口径）を満足する電圧が印加される一方、引き出し電極４には電圧は印加せず、浮遊電極としておく。
【０１１４】
この結果、広がり出たプラズマと接するメッシュ電極５０５上の引き出し口から、イオンが引き出される。更に、電子密度を増加させると、テ−パ絶縁スペ−サ側壁及びメッシュ電極５０５の前面に発生したシ−ス厚は短くなり、プラズマと接する引き出し口数は多くなり、引き出されるイオンビ−ム本数は多くなる。この時、メッシュ電極５０５の下方に設置された加速電極５にはメッシュ電極５０５から引き出されたイオンビ−ムを加速するための電圧が印加される。また、引き出し口付近のイオンレンズ効果を利用してデフォ−カスすることにより、多孔イオンビ−ムを、大口径高密度の太い１本のイオンビ−ムにすることが可能となる。
【０１１５】
更に、図２５、２６には、プラズマの状態、引き出し電圧及び加速電圧を変えずにイオンビ−ム径を変化させる方法を示す。電極構造として、メッシュ引き出し電極６０４及び移動式加速電極６０５、及びその下方には加速電極５が設置される。図２５に示すように、ＤＳ（シ−ス厚）≧１／２ＤＨ１（引き出し口径）を満たす電子密度Ｎｅ及びシ−ス端−平板電極間電圧とし、メッシュ引き出し電極６０４の引き出し口６０４１からイオンを引き出す。引き出された多孔イオンビ−ムは移動式加速電極６０５により均一に加速されるが、微小径ビーム形成時には、移動式加速電極６０５の通過口６０５１は、微小径ビーム形成に必要なビ−ム径ＤＢのみが開いているだけで、通過できないイオンは移動式加速電極６０５面で消滅する。なお、移動式加速電極６０５を通過したイオンビ−ムは、下方に設置された加速電極５（図示せず、図２２参照）により２次加速される。
【０１１６】
一方、図２６では、図２５の微細加工時にはプラズマに接しない位置に退避していた大口径用の通過口６０５２が機械的に水平方向に移動して、イオンビ−ム軸に設置される。この結果、図２５では通過できなかったイオンビ−ムが移動式加速電極６０５を通過できるようになり、下方に設置された加速電極５（図示せず、図２２参照）により２次加速された後、大口径で高密度のイオンビ−ムが得られる。なお、図２５、２６のどちらにおいても、引き出し口６０４１付近のイオンレンズ効果を利用して、イオンビ−ムをデフォ−カスしている。
【０１１７】
以上に説明したような、大口径高密度集束イオンビーム形成機構を設けた集束イオンビーム装置を、大面積深穴の加工に用いることにより、半導体製造ラインを流れるウエハまたはデバイスの、断面観察や配線修正を高速に実行することが可能となる。
【０１１８】
更に、以上に説明したような、本発明によるプラズマイオン源を用いた集束イオンビ−ム処理装置は、金属イオンによる試料の汚染がないため、シリコンウエハ検査装置や二次イオン質量分析装置、表面異物検査装置、ＦＩＢアシストデポジション等に摘要できる。また更に、半導体製造ライン上でのＬＳＩやマスクの修正が可能になり、製品の歩留まりを向上させることができる。また、ＩＭＡ（ＩｏｎＭｉｃｒｏＡｎａｌｙｚｅｒ）等の評価計測分野に対しても、金属イオンによる汚染を生ずることなく、被測定物のＳＩＭ像を観察できる。また、二次イオン質量分析装置等の分析装置にも容易に摘要できる。
【０１１９】
（実施例２）
本実施例２では、集束イオンビームの発生源としてゲルマニウム単体をイオン材料としたゲルマニウムＥＨＤイオン源（以下、Ｇｅ−ＥＨＤイオン源と略記）を用いた集束イオンビーム装置について説明する。
【０１２０】
まず、本発明によるＧｅ−ＥＨＤイオン源の全体構成を図２９に示す。図２９において、１０１は針状電極（エミッタとも言う）、１０３は溜め部（リザーバとも言う）、１０７、１０７’は導線（フィラメントとも言う）、１０８は引出し電極である。
【０１２１】
エミッタ１０１はエミッタ支持端子１０２に固定され、リザーバ１０３を貫通して設置されている。リザーバ１０３内にはイオン材料（本実施例ではゲルマニウム単体）１０４が充填され、絶縁性の座１０５に固着された電流導入端子１０６、１０６’を通して導入される電流によってフィラメント１０７、１０７’、リザーバ１０３が加熱され、リザーバ１０３内のゲルマニウム１０４が溶融状態になりエミッタ１０１先端に達する。ここで、引出し電極１０８にエミッタ１０１電位に対して負の高電圧（電源などは図示せず）を印加することで、エミッタ１０１先端の溶融ゲルマニウム１０４はイオン１０９となって放出される。
【０１２２】
エミッタ１０１の具体的形状は、シャフト径０．２５ｍｍ、先端半径５０°、先端曲率半径約２μｍの針状で、リザーバ１０３は内径０．７ｍｍ、外径１．０ｍｍ、高さ２ｍｍの円管状である。エミッタとリザーバの材質は前節で詳述したように、通常よく用いられているタングステンではなく、いずれも炭化タングステン（ＷＣ）である。また、直径０．１ｍｍのフィラメント１０７、１０７’もＷＣからなる。また、座１０５はアルミナセラミック製である。
【０１２３】
動作温度（リザーバ温度）は９５０℃から９７０℃以内に設定することで長時間動作が期待できる。１０００℃以上の動作温度にすると、イオン材料の蒸発が激しく、寿命の短命化や絶縁物への付着による絶縁破壊を生じ適切ではない。逆に、９５０℃以下ではエミッタ先端のゲルマニウムが凝固し、これも安定イオン放出を阻害する。
【０１２４】
本イオン源は、▲１▼イオン材料にＧｅ単体を用いたため一次イオンビーム内に重金属、ドーパント元素イオンを含むことはなく、試料面への重金属、ドーパント元素の汚染を除去したこと、▲２▼エミッタ、リザーバ材に炭化タングステンを用いいたため溶融Ｇｅとの反応を軽減し、長寿命化が実現したことで、引いてはイオン源の交換までの時間が長くなった、という利点を有する。
【０１２５】
次に、上記Ｇｅ−ＥＨＤイオン源を搭載した集束イオンビーム装置の一実施例を、Ｓｉウエハ検査装置に適用した例を、図２８を用いて説明する。
【０１２６】
最大加速電圧３０ｋＶのＦＩＢ装置１１０に、本発明によるＧｅ−ＥＨＤイオン源１１１を搭載した。１１２はＧｅ−ＥＨＤイオン源のエミッタ、１１３は引出し電極を示し、ＦＩＢ光学系は、イオン源から放出したイオンの拡がりを制限するビーム制限アパチャ１１４、集束レンズ１１５、１１５’、電場と磁場を重畳したＥ×Ｂ質量分離器（ウィーンフィルタ）１１６、絞り１１７、偏向器１１８などから成る。試料台１１９上の試料１２０にＧｅ−ＦＩＢ１２１を照射し、照射地点から放出した二次電子１２２を二次電子検出器１２３に取り込み、Ｇｅ−ＦＩＢ１２１の偏向とＣＲＴ（図示せず）の走査を同期させることでＣＲＴ上にＧｅ−ＦＩＢ１２１走査領域の二次電子像を描かせることができる。
【０１２７】
本発明に基づく実施例２の特徴の一つは、ビーム制限アパチャ１１４、絞り１１７はシリコン板で作成したことにある。Ｇｅ−ＥＨＤイオン源１１１から放出したＧｅイオンがイオン光学部品、特に、ビーム制限アパチャ１１４、絞り１１７を照射し、そこから生じる二次粒子、二次イオンが試料に到達して汚染源となるためである。したがって、従来アパチャなどに頻繁に用いられていたモリブデンやタングステンは用いず、シリコン板を用いた。シリコン板のほかに、炭素板、炭化シリコン板についても同様の効果を示した。
【０１２８】
このような構成のＦＩＢ照射系でＧｅイオンビームを集束させ、二次電子像の分解能から７０ｎｍ程度のビーム径に集束されていることが明らかになった。
【０１２９】
更に、試料は製造ラインを流れるウエハに対して、ラインから随時サンプリングでき、バルブ１２４、１２４’で仕切られた試料室１２５に搬入、排出できる構成である。このため製造ライン内で検査あるいは修正でき、検査から工程条件の修正までのターンアラウンド時間の節約という効果をもたらした。
【０１３０】
以下、このＳｉウエハ検査装置を用いた検査例を説明する。
【０１３１】
検査内容は、多層配線間の絶縁層の形成が所定の厚さを有しているかを確認することである。多層配線構造を正確に動作させるには、配線間の絶縁膜が所定の膜厚を有し、絶縁耐圧を示すことが重要課題の一つである。しかし、検査対象としたデバイスでは、この絶縁膜形成の再現性が悪く、時折、所定膜厚より薄いために配線間でリークを起こす事故が発生し、製品歩留の悪化をもたらしていた。
【０１３２】
そこで、製造ラインをながれるシリコンウエハを無作為に抽出し、シリコンウエハ上で予め決められた検査用デバイス内の特定箇所に、Ｇｅ−ＦＩＢを照射して、断面を形成して観察した。図３０はシコンウエハ面１３９の一部にＦＩＢを照射している様子を立体的に示した図である。Ｇｅ−ＦＩＢ１３０の走査により、一辺が約５μｍ、深さ約５μｍの矩形穴１３１を形成し、３層配線の断面（矩形穴の側面）をＦＩＢ照射によって得られる二次電子像によって観察、検査した。
【０１３３】
１３２は第１層配線、１３３は第２層配線、１３４は第３層配線、１３５は第１層間絶縁膜、１３６は第２層間絶縁膜、１３７は表面保護膜であり、第１配線１３２と第２配線１３３が絶縁され、第２配線１３３と第３配線１３４が上下関係に接続してことが観察できる。第１配線１３２と第２配線１３２の間の絶縁層１３５と第２配線１３３に注目し、特にこの部分を拡大して観察した様子を図３１に示す。
【０１３４】
図３１から絶縁層１３５の上面が平坦でないため、第２配線１３３の一部（Ａ点）が第１配線のＢ点に接近していることが観察でき、このＡＢ間で耐圧が低下していたことが明らかになった。この操作を１ウエハについて１０箇所の検査用デバイスについて行なった結果、全点が同じ傾向を示すため、第１層間絶縁膜１３５の平坦化プロセスの条件に修正を施した。プロセス条件の修正後に同様の検査を行なった結果、検査箇所の全点が所定の寸法、耐圧を満たし、そのウエハ及びそのロットを良品と判断して次工程に回した。このような検査方法により、多層配線形成工程における不良品をいち早く検出することができ、最終製品の歩留向上に大きく寄与した。
【０１３５】
本装置は、▲１▼一次イオンビーム照射系のイオン源にＧｅ−ＥＨＤイオン源を搭載することでイオン源からの重金属、ドーパント元素イオンの放出を除去できたこと、▲２▼イオン光学系内のパーツ、特に、ビーム制限アパチャ、絞りにシリコン材を用いることでイオンビーム照射による重金属などの二次粒子の発生を除去したことで不純物汚染を回避できたこと、▲３▼試料は製造ラインを流れるウエハに対して、ラインから随時サンプリングでき試料室に搬入、排出できる構成であるため製造ライン内で検査でき、ターンアラウンド時間の節約という効果をもたらした。
【０１３６】
本実施例では、一次イオンビームはＧｅ−ＦＩＢを用いたが、Ｓｉ−ＦＩＢでも良く、また、Ｓｉ−Ｇｅ合金をイオン材料としてＳｉとＧｅの混合ビームを用いても良い。また、検査内容は、今回は多層配線部の断面観察について説明したがこれに限らず、電子ビームプロービングのためのコンタクトホールの形成、表面配線の短絡部の切断による修正などに用いてもよいことは言うまでもない。
【０１３７】
また、本実施例では、試料はＳｉウエハであったため、Ｇｅ−ＥＨＤイオン源を用い、更に、Ｇｅ−ＦＩＢが通過するイオンビーム照射系のアパチャにはＳｉ板を採用したが、試料が他の材料の場合、イオン源やアパチャ材を交換する。例えば、試料がガリウムヒ素（ＧａＡｓ）の場合、イオン源はＧａ−ＥＨＤイオン源を、イオンビーム照射系のアパチャにはＳｂ板を採用しても差し支えない。
【０１３８】
また、上記イオン源を用いたイオンビーム処理装置は、上記したシリコンウエハ検査装置に限定されるものではなく、二次イオン質量分析装置や表面異物検査装置、ＦＩＢアシストデポジション等にも容易に摘要できることは、言うまでもない。
【０１３９】
（実施例３）
本実施例は、Ａｒガスを電界電離してイオン化し、イオン源として用いるＡｒガス電界電離イオン源（以下、Ａｒ−ＦＩＳと略記）を用いた集束イオンビーム装置について、図３２を用いて説明する。
【０１４０】
１４１はイオンビーム照射系で、Ａｒ−ＦＩＳ１４４、集束レンズ１４５、１４５’、Ｅ×Ｂ質量分離器１４６、アライナ１４７、偏向器１４８、アルゴンガスを貯溜されたガスタンク１５０、エミッタ１５２を冷却するための冷却手段１５１などからなり、イオン発生部がＡｒ−ＦＩＳ１４４であることに最大の特徴を有する。
【０１４１】
イオン源であるＡｒ−ＦＩＳ１４４で電界電離されたアルゴンイオンは、集束レンズ１４５、１４５’で集束され、微小な口径の高密度イオンビームが形成される。
【０１４２】
図３２は、本発明によるＡｒ−ＦＩＳイオン源を用いた集束イオンビーム照射系１４１を、二次イオン質量分析装置（以下、ＳＩＭＳと記載）１４０に搭載した例である。二次イオン質量分析装置１４０の基本構成は、従来からあるＦＩＢ光学系を擁する一次イオンビーム照射系１４１、試料室１４２、二次イオン分析部１４３からなる。
【０１４３】
イオン源１４４で電界電離され、集束レンズ１４５、１４５’で集束されて微小な口径の高密度イオンビームが形成されたアルゴンイオンは、試料１５３に照射される。照射部分から二次イオン１５４が放出され、これを二次イオン分析部１４３で質量分析し、試料表面近傍の組成分析ができる。
【０１４４】
従来のＦＩＢ照射系を持つＳＩＭＳ装置は一次イオンビーム種がＧａであったため、一度分析した試料を再び半導体製造ラインに復帰させることがラインの汚染の立場からできなかったことと、分析中（ビーム照射中）にガリウム液滴が分析部に堆積し、分析結果を信頼性の無いものにするという問題点を有していた。
【０１４５】
しかし、本発明によるＡｒ−ＦＩＢ搭載ＳＩＭＳを用いることで、分析後の試料面をガリウムなど金属汚染することなく製造ラインに復帰させることができ、また、分析中に一次イオンビームが分析データに影響することがないので、半導体素子製造のインラインでの信頼性ある分析装置として用いることができる。更に、分析感度はＧａ−ＦＩＢと大きな違いはない。
【０１４６】
上述したように、本実施例のＡｒ−ＦＩＳをイオン源として用いた集束イオンビーム処理装置を適用したＳＩＭＳは、製造ラインを流れる試料であるウエハを、ラインから随時サンプリングでき、試料室に搬入・排出できる構成であるため製造ライン内で検査でき、ターンアラウンド時間の節約という効果をもたらした。
【０１４７】
また、上記イオン源を用いたイオンビーム処理装置は、上記したＳＩＭＳに限定されるものではなく、シリコンウエハ検査装置や表面異物検査装置、ＦＩＢアシストデポジション等にも容易に摘要できることは、言うまでもない。
【０１４８】
（実施例４）
本実施例４は、電気流体力学的ゼノンイオン源（以下、Ｘｅ−ＥＨＤイオン源と略記）をイオン源として用いた集束イオンビーム装置である。
【０１４９】
本発明によるイオン源の概略縦断面を、図３３（ｂ）に示す。イオン源１６０の形式はＥＨＤイオン源であり、供給口１６７から導入された液体Ｘｅ１６８はリザーバ１６９に貯溜され、その一部はキャピラリ１７０を通り先端に至る。キャピラリ１７０中には電界を集中させるためのエミッタ１７１が貫通して設置されている。リザーバ１６９内の液体Ｘｅ１６８の冷却維持方法は、供給口１７２から冷却槽１７３内に液体窒素１７４に供給し、熱伝導率のよいサファイア１７５によって結合したリザーバ１６９を熱伝導により低温が維持される。液体Ｘｅ１６８はエミッタ１７１に至り、引出し電極１７６によって形成された高電界によりエミッタ１７１先端においてＥＨＤモードで電離されてイオン化し、集束イオンビーム照射系１６１により集束されイオンビームを形成する。
【０１５０】
次に、本発明による上記Ｘｅ−ＥＨＤイオン源を用いた集束イオンビーム装置を搭載した、極微小部の表面異物除去装置について説明する。
【０１５１】
最近の半導体デバイス製造におけるクリーン化技術は高度になってきたが、微塵埃などの完全なる除去は望めず、それらの混入による不良デバイスの発生は避け難い。特に、混入した微塵埃が絶縁層内であったり、配線間にまたがっていると、デバイス動作に致命的支障を来たす。特に、超大型コンピュータに内蔵されるＵＬＳＩのように、単品で作成されるがために単価が非常に高額なデバイスについては、上記のような微塵埃のための配線短絡などは決して許されない。従って、このような欠陥を早急に見つけ、かつ、その場で対処できる修正装置が望まれていた。
【０１５２】
本実施例で示すＸｅ−ＥＨＤイオン源を用いた集束イオンビーム装置を搭載した表面異物除去装置は、エッチングや膜形成等の各プロセス終了後に、ウエハ表面異物検査装置によって表面に付着した微小異物を検出し、特に従来の方法では除去できにくかった異物について、Ｘｅ−ＦＩＢ照射による特定領域のスパッタエッチングを施し、微塵埃を除去する装置である。
【０１５３】
図３３（ａ）は表面異物除去装置の概略横断面図で、上方から見た図である。１６０はイオン源、１６１は集束イオンビーム照射系、１６２は試料、１６３は二次電子検出器である。試料台１６４はデバイス製造ラインから随時、バルブ１６５を介して搬入・搬出ができる。集束イオンビーム照射系１６１によって集束されたＸｅ−ＦＩＢ１６６は、試料１６２に照射される。
【０１５４】
次に、上記装置に、試料として超大型コンピュータに搭載されるＳｉ−ＵＬＳＩを用いた場合について説明する。
【０１５５】
図３４（ａ）は上記ウエハ１８０表面の配線１８１、１８１’に異物１８２が付着した部分の拡大図である。この試料は、異物１８２が導電性であるために、配線１８１、１８１’が短絡を起こしていた。
【０１５６】
異物を除去するために、まず、上記試料の表面観察は表面異物検査装置（図示せず）によって行ない、異物が発見されると、その正確な位置情報を記憶し、本実施例の表面異物除去装置内に入れる。異物は試料台を自動制御することで、イオンビーム照射位置に来るよう移動できる。次に、低電流のＸｅ−ＦＩＢ１８３を異物よりやや広い領域に照射し、この時放出される二次電子によって試料表面を観察し、異物１８２を確認する。この時の異物１８２は直径約１μｍの球形であった。Ｘｅ−ＦＩＢ１８３の試料電流を高め、異物１８２を覆う領域を走査した。約１０分間の照射によって、図３４（ｂ）のように試料表面はＦＩＢ照射による照射跡１８４は若干残るものの、上記異物は完全に除去でき、配線１８１、１８１’間の短絡はなくなり、両配線間の耐圧は復帰した。
【０１５７】
このＦＩＢが不活性ガスの一種であるＸｅであるため、ＦＩＢ照射による試料表面の汚染は無いのが最大の利点である。
【０１５８】
上記プラズマイオン源を用いたイオンビーム処理装置は、上に示した異物除去装置に限定されるものではなく、表面に形成された薄い酸化膜を除去することもでき、走査型電子顕微鏡での観察や、ＦＩＢによる表面観察の際に明確なコントラストで観察することにも利用できる。更に、集束イオンビーム加工装置やシリコンウエハ検査装置や二次イオン質量分析装置、ＦＩＢアシストデポジション等にも容易に摘要できることは、言うまでもない。
【０１５９】
（実施例５）
本実施例のイオン源は、基本的には実施例２に示したＧｅ−ＬＭＩＳと同じ構成であるが、イオン種としてＳｉ単体を用いた点で異なる。即ち、本実施例においては、イオン源としてＳｉ−ＬＭＩＳを採用した。溶融Ｓｉは非常に活性で、従来のエミッタ材であるタングステンとは極めて迅速に反応し、エミッタを破損させ、イオン放出を短時間で停止させるという問題を抱えていたが、本実施例では、エミッタおよびリザーバに炭化タングステンを採用することで、溶融Ｓｉとの反応を軽減して、累積５００時間以上の長時間運転を実現した。
【０１６０】
本実施例によるＳｉ−ＬＭＩＳイオン源を、集束イオンビームを用いた微小成膜装置、いわゆるＦＩＢアシステッドデポジション（以下、ＦＩＢＡＤと略記）に適用した例について、以下に説明する。
【０１６１】
本実施例では、イオン材料がＳｉ単体であるＬＭＩＳを用いてＳｉ−ＦＩＢを形成し、このＳｉ−ＦＩＢと有機金属ガスとを組み合わせて、ＦＩＢの照射地点周辺に有機金属ガスを吹き付け、ＦＩＢとガスとの反応でタングステン（Ｗ）配線を形成した。
【０１６２】
ＦＩＢＡＤのよく知られた例は、完成に近い半導体デバイスに対して、配線のデバッグとしてヘキサカルボニルタングステン（Ｗ（ＣＯ）_６）ガスとＧａ−ＦＩＢを用いてＷ配線を堆積させる例がある。つまり、所定のプロセスを経て作成されたデバイスの中で、回路設計ミスなどによる部分的不良が生じ、所望の動作をしないデバイスに対して配線をつなぎ変える手法、所謂、配線修正である。ＦＩＢＡＤが適用されるまでのデバッグでは、新たにフォトマスクマスクを作り直し、再度同じプロセスを経て作り直されていたため、１度デバッグするには１ヶ月以上もの時間を要し、完成までに多大の時間と費用を必要としていた。一方、ＦＩＢＡＤを用いると、不良箇所のみを修正するため、修正には数時間で済み、時間とコストの面から多大の短縮をもたらした。
【０１６３】
しかし、これまでのＦＩＢＡＤには、致命的問題を抱えていた。つまり、修正されたデバイスの動作寿命が短いことである。原因は、デバッグ時に、新たな配線を有機金属ガスとＧａ−ＦＩＢを用いて金属を堆積させていたため、この時、Ｇａがデバイス表面に付着し、これがＳｉに対するアクセプタとして働き、長期間に電気的劣化をもたらした為である。つまり、一次イオンビーム種に問題があった。
【０１６４】
そこで、従来のＧａ−ＬＭＩＳに替えて、第２の実施例で説明したＳｉ−ＬＭＩＳを用いた。Ｓｉは基板と同元素であるため、電気的汚染を伴わないという最大の利点を有している。従来、ＬＭＩＳからＳｉイオンを放出させるには、Ａｕ−Ｓｉ合金を用いることで、低融点でＳｉイオンを得ることができるため、盛んに用いられていた。しかし、この方法では、イオン材料中にＡｕが含有されているため、熱蒸発などによって飛散したＡｕがＳｉデバイスプロセスに対して重金属汚染源となっていた。
【０１６５】
そこで、本実施例ではイオン材料としてＳｉ単体を採用した。溶融Ｓｉは非常に活性で、従来のエミッタ材であるタングステンとは極めて迅速に反応し、エミッタを破損させ、イオン放出を短時間で停止させるという問題を抱えていたが、本実施例では、エミッタおよびリザーバに炭化タングステンを採用することで、溶融Ｓｉとの反応を軽減して、累積５００時間以上の長時間運転を実現した。
【０１６６】
実際にＳｉ−ＦＩＢによるＷ配線を行ない、Ｓｉデバイスのデバッグを行なった。Ｗの堆積効率を比較すると、従来のＧａ−ＦＩＢの場合と同程度であった。さらに、Ｇａ−ＦＩＢによる修正デバイスの寿命を比較するとＳｉ−ＦＩＢによるものは、修正後約３年経過しても問題を起こすことなく動作し続け、従来のＧａ−ＦＩＢによる修正デバイスの少なくとも約３倍以上の寿命を持つことがわかった。つまり、ＦＩＢ種がドーパントとして働かないためデバイスに電気的な汚染を与えることが無くなったためである。
【０１６７】
本実施例の装置を用いることにより、重金属汚染が生じないことと、ＦＩＢ種がドーパントとして働かないため、これまで製造ライン外で行なわれていたデバイス修正が、製造ライン内で行なうことができ、デバイス完成までの時間短縮がなされ、かつ、修正されたデバイスの寿命を延ばすことができた。
【０１６８】
ここでは、完成に近いパターニングされたデバイスの修正について説明したが、シリコンウエハについても同様の操作ができる。
【０１６９】
また、Ｓｉ−ＬＭＩＳに関しては、エミッタ、リザーバ材として炭化ケイ素、窒化ケイ素を用いても同様の効果を示した。
【０１７０】
以上、本発明による試料を汚染するような物質をイオン種として含まないイオン源を用いた集束イオンビーム装置と、この集束イオンビーム装置を用いた装置の実施例について説明したが、この集束イオンビーム装置を用いた装置は、上記した実施例に限られるものではない。
【０１７１】
その１例として、上記実施例の１〜５で説明した半導体に汚染を生じさせないイオン源を有する集束イオンビーム装置を用いて半導体素子を検査・修正する方法について説明する。
【０１７２】
図３５は半導体素子製造工程の途中で、非汚染ＦＩＢ加工装置によりウェハ上の検査したい場所の断面を作成し、その断面をＳＥＭで観察検査し、この結果に問題が無ければ次の工程にウェハを戻し完成させプローブ検査（Ｐ検）を行い、断面観察の検査結果が不良であれば廃棄する方法を示している。これによりウェハ上に形成されている多くのチップの内、検査のために１チップをつぶすだけで、残りのチップを全て活かすことができる。また不良であることが判明すればこれを捨てることにより、以降の工程で生ずる無駄な工数や材料を節約することができる。
【０１７３】
図３６は、多層配線半導体素子の配線層形成工程の流れを示すものである。配線層を一層形成するごとに外観検査を行い、異物やショート欠陥がある場合は、非汚染ＦＩＢによる加工によりこれを修正し、引続き次の配線層形成工程に戻すもので、これを必要な配線層数分だけ繰り返す。これにより図３と図４に示したように、チップの大面積化や配線の多層化が進んでも高いチップ歩留まりを確保することができる。
【０１７４】
上記した実施例１から５は、本発明の僅かな例に過ぎない。本発明の趣旨は、一次イオンビーム種による試料の汚染を抑えた集束イオンビーム装置と、この集束イオンビーム装置を用いた加工、検査あるいは修正方法およびその装置を提供することであって、集束レンズ、偏向器など光学部品の個数や配列などはビーム集束性や試料電流の増加などの観点から、種々の改変が可能であることは周知である。
【０１７５】
また、イオン源の種類と一次イオンビーム照射系の組合せについても、本実施例で示した組合せのみではなく、加工効率、分析感度などの点で許容できるなら、他の組合せでも良いことは言うまでもない。
【０１７６】
また本実施例では試料としてシリコンＬＳＩをあげたが、これに限るものではなく他の電子回路デバイスやモジュールにも適用可能である。
【０１７７】
【発明の効果】
本発明による、ゲルマニウムやシリコン単体、もしくはそれらの合金をイオン材料とした液体金属イオン源、または、不活性ガス種、特に、ネオン、クリプトン、アルゴン、ゼノン、窒素をイオン材料とした集束プラズマイオン源や電界電離ガスイオン源やＥＨＤイオン源をイオン源とする集束イオンビームを用いた処理装置によって、以下のような効果が得られる。
【０１７８】
▲１▼イオンビーム種による重金属やドーパントなどの汚染なしに、シリコンウエハやシリコンデバイス等の試料にイオンビームを照射できる。
【０１７９】
▲２▼上記集束イオンビームを用いた装置の一次イオンビーム照射系の中で、特にイオンビームによって直接照射される部品を、シリコン、ゲルマニウム単体、もしくはそれらの炭化物、窒化物で作成したことにより、集束イオンビーム形成時の二次的な汚染物の発生を大幅に低減することができる。
【０１８０】
▲３▼シリコン半導体プロセスにおいて、インラインでシリコンウエハやデバイスの微細加工、局所領域の組成分析などの検査ができるウエハ検査装置、二次イオン質量分析装置、配線修正装置、透過型電子顕微鏡用試料作成装置を提供することができる。
【０１８１】
▲４▼シリコンウエハやデバイス自身、および製造工程の来歴の検査をシリコン半導体プロセスラインにおいてできるため、不良箇所の修理や、製造工程の条件変更などが即座に対応でき、不良発見から対応までのターンアラウンドタイムが大幅に削減される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１における半同軸空洞共振器によるマイクロ波放電プラズマを用いた集束イオンビームを用いた処理装置の断面図である。
【図２】従来のＧａ−ＦＩＢによる半導体素子の断面加工とＳＥＭ観察方法の説明図である。
【図３】チップ面積と各層の歩留まりの関係を示すグラフである。
【図４】配線層数とチップ歩留まりの関係を示すグラフである。
【図５】無衝突プラズマのイオン飽和電流密度の電子密度、電子温度依存性を示す図である。
【図６】無衝突プラズマのデバイ長の電子密度、電子温度依存性を示す図である。
【図７】無衝突プラズマのイオンシース厚さのシ−ス端−平板電極間電圧依存性を示す図である。
【図８】従来のプラズマを用いた集束イオンビーム加工装置におけるイオン引き出し電極構造を示す図である。
【図９】従来のプラズマを用いた集束イオンビーム加工装置におけるイオン引き出し機構の原理図である。
【図１０】本発明の実施例１におけるイオン引き出し機構の原理図である。
【図１１】本発明の実施例１におけるイオンシース制御電極を用いたイオン引き出し機構の原理図である。
【図１２】本発明の実施例１における集束イオンビームの電子ビーム・磁界集束機構の原理図である。
【図１３】図１２における電子ビーム・磁界集束機構のＡ−Ａ’断面図である。
【図１４】図１２において２極磁界を用いた場合の電子ビーム・磁界集束機構のＡ−Ａ’断面図である。
【図１５】本発明の実施例１における微細加工時のイオン引き出しの原理図である。
【図１６】本発明の実施例１における粗加工（大面積深穴加工）時のイオン引き出しの原理図である。
【図１７】本発明の実施例１におけるテ−パ引き出し電極を用いた微細加工時のイオン引き出しの原理図である。
【図１８】本発明の実施例１におけるテ−パ引き出し電極を用いた粗加工（大面積深穴加工）時のイオン引き出しの原理図である。
【図１９】本発明の実施例１における移動式引き出し電極を用いた微細加工時のイオン引き出しの原理図である。
【図２０】本発明の実施例１における移動式引き出し電極を用いた粗加工（大面積深穴加工）時のイオン引き出しの原理図である。
【図２１】本発明の実施例１における多孔式引き出し電極を用いた微細加工時のイオン引き出しの原理図である。
【図２２】本発明の実施例１における多孔式引き出し電極を用いた粗加工（大面積深穴加工）時のイオン引き出しの原理図である。
【図２３】本発明の実施例１におけるテ−パ絶縁スペ−サ及びメッシュ電極を用いた微細加工時のイオン引き出しの原理図である。
【図２４】本発明の実施例１におけるテ−パ絶縁スペ−サ及びメッシュ電極を用いた粗加工（大面積深穴加工）時のイオン引き出しの原理図である。
【図２５】本発明の実施例１におけるメッシュ引き出し電極及び移動式加速電極を用いた微細加工時のイオン引き出しの原理図である。
【図２６】本発明の実施例１におけるメッシュ引き出し電極及び移動式加速電極を用いた粗加工（大面積深穴加工）時のイオン引き出しの原理図である。
【図２７】無衝突プラズマのイオンシース厚さのプラズマの電子密度依存性を示す図である。
【図２８】本発明の実施例２におけるゲルマニウム液体金属イオン源を搭載したシリコンウエハ検査装置を説明するための概略構成図である。
【図２９】図２８に示したシリコンウエハ検査装置に搭載したゲルマニウム液体金属イオン源を説明するための概略構成図である。
【図３０】本発明によるシリコンウエハ検査装置の効果を示すために、ゲルマニウム集束イオンビームによってウエハ上に矩形孔を形成している様子を示す図ある。
【図３１】図３０における断面の拡大断面であり、本発明によるウエハ検査装置によって発見された配線間耐圧不良の原因を説明するための図である。
【図３２】本発明の実施例３におけるアルゴン電界電離ガスイオン源を搭載したインライン二次イオン質量分析装置を説明するための概略構成図である。
【図３３】（ａ）は本発明の実施例４におけるゼノンＥＨＤイオン源を搭載した表面異物除去装置を、（ｂ）は（ａ）に用いたゼノンＥＨＤイオン源を説明するための概略断面図である。
【図３４】（ａ）は本発明の実施例４における表面異物除去装置の効果を説明するために注目したデバイス表面に付着した異物を示す図であり、（ｂ）は表面異物除去装置の効果を示すために、ゼノン集束イオンビームによって異物を除去した後の様子を示す図である。
【図３５】本発明による半導体素子製造工程内での非汚染ＦＩＢ断面加工とＳＥＭ観察の方法を示す説明図である。
【図３６】本発明による非汚染ＦＩＢ加工による配線工程における欠陥修正方法を示す説明図である。
【符号の説明】
１…マイクロ波入射同軸線路２…１／４波長共振型半同軸空洞共振器
４…引き出し電極５…加速電極
６…基準電極８…プラズマ
９…磁界発生装置１１…励磁コイル
１２…集束用電子放出源１８…被加工物
２０…集束イオンビーム２２…イオンシース
２３…イオン２４…イオンシース制御電極
２６…電子ビーム２７…電子ビーム集束領域
２８…従来型引き出し電極
１０１、１１２、１５２、１６７、１７１…エミッタ
１０２…エミッタ支持端子
１０３、１６５、１６９…リザーバ１０４…イオン材料
１０５…絶縁性座１０６、１０６’…電流導入端子
１０７、１０７’…フィラメント１０８、１１３、１７６…引出し電極
１０９…イオン１１０…ＦＩＢ装置
１１１…ゲルマニウム液体金属イオン源１１４…ビーム制限アパチャ
１１５、１１５’、１４５、１４５’…集束レンズ
１１６、１４６…Ｅ×Ｂ質量分離器１１７…絞り
１１８、１４８…偏向器１１９、１６４…試料台
１２０、１６２、１６８、１７３…試料
１２１、１３０…ゲルマニウム集束イオンビーム
１２２…二次電子１２３、６３…二次電子検出器
１２４、１２４’、１４９、１４９’、１６５…バルブ
１２５、１４２…試料室
１３１…矩形穴１３２…第１層配線
１３３…第２層配線１３４…第３層配線
１３５…第１層間絶縁膜１３６…第２層間絶縁膜
１３７…表面保護膜
１４０…二次イオン質量分析装置１４１…一次イオンビーム照射系
１４３…二次イオン分析部１４４…アルゴンガス電界電離イオン源
１４７…アライナ
１５０…ガスタンク１５１…冷却手段
１６０…イオン源１６１…集束イオンビーム照射系
１６６、１８３…ゼノン集束イオンビーム１６７、１７２…供給口
１６８…液体ゼノン
１７０…キャピラリ１７３…冷却槽
１７４…液体窒素１７５…サファイア
１８０…ウエハ１８１、８１’…配線
１８２…異物１８４…照射跡
２０４…テ−パ引き出し電極３０４…移動式引き出し電極
４０６…多孔式引き出し電極５０５…メッシュ電極
５０６…テ−パ絶縁スペ−サ６０４…メッシュ引き出し電極
６０５…移動式加速電極

Claims

無極放電でプラズマを発生させるプラズマイオン源によりプラズマを発生させて該発生させたプラズマから該プラズマのイオンシース厚さよりも小さい半径を有するイオン引き出し口からイオンを引き出し、該引き出したイオンを集束させてイオンビームを形成し、該形成したイオンビームを前記試料に照射し、該試料を処理することを特徴とする集束イオンビーム発生手段を用いた処理方法。
前記イオンが、アルゴンやクリプトン、ゼノンなどの不活性ガスや窒素ガスを用いたプラズマにより発生さ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発生手段を用いた処理方法。
前記形成するイオンビームを、該イオンビームの電流密度を低下させることなく前記処理に応じて所望の径に形成し、該所望の径に形成したイオンビームを用いて前記試料を処理することを特徴とする請求項１記載の集束イオンビーム発生手段を用いた処理方法。
前記収束させたイオンビームを前記試料の表面に走査して照射することを特徴とする請求項１記載の集束イオンビーム発生手段を用いた処理方法。
集束したイオンビームを試料に照射して該試料を処理する集束イオンビーム発生手段を用いた処理装置であって、無極放電によりプラズマを発生させるプラズマイオン源と、該プラズマイオン源で発生させたプラズマから前記イオンを引き出す引き出し電極と引き出したイオンを加速する加速電極とを備えたイオン引き出し手段と、該イオン引き出し手段により引き出されたイオンをビーム状に集束させると共に該収束させたイオンを加速するイオンビーム集束手段と、該集束させて加速したイオンビームを前記試料に照射する照射手段と、該照射により処理される前記試料を設置する試料室とを有することを特徴とする集束イオンビーム発生手段を用いた処理装置。
前記プラズマイオン源が、アルゴンやクリプトン、ゼノンなどの不活性ガス又は窒素ガスを用いて無電極放電によりプラズマを発生させることを特徴とする請求項５記載の集束イオンビーム発生手段を用いた処理装置。
前記プラズマイオン源が、マイクロ波電力供給手段を備えたマイクロ波発生部と、該マイクロ波発生部で発生させたマイクロ波を共振させる共振部と、該共振部で共振させたマイクロ波を用いて磁場中で無電極放電によりプラズマを発生させるプラズマ発生部とを有することを特徴とする請求項５記載の集束イオンビーム発生手段を用いた処理装置。
前記照射手段は、前記集束させて加速したイオンビームを前記試料の表面に照射して走査するビーム走査部を有することを特徴とする請求項５記載の集束イオンビーム発生手段を用いた処理装置。
前記イオン引き出し手段の引き出し電極は、前記引き出したイオンを通過させるイオン引き出し口を有し、前記イオン引き出し手段は、更に、前記プラズマイオン源で発生したプラズマの前記イオン引き出し口周辺のイオンシ−スを制御するイオンシ−ス制御電極を備えたことを特徴とする請求項５記載の集束イオンビーム発生手段を用いた処理装置。
前記引き出し電極のイオン引き出し口は、前記プラズマイオン源で発生したプラズマのイオンシ−スの厚さよりも小さい半径の開口であることを特徴とする請求項９記載の集束イオンビーム発生手段を用いた処理装置。
前記イオンビーム集束手段は、イオンを加速する加速電極と、該加速電極と前記イオンビーム形成手段の引き出し電極との間に位置して電子を放出する電子放出源と、前記引き出し電極の前記加速電極側の近傍に前記引き出し電極の開口の軸方向に垂直な磁界を形成する磁界発生源とを有し、前記引き出し電極から引き出されたイオンに前記磁界発生源により発生させた磁界中で前記電子放出源から放出された電子を照射することにより、前記引き出し電極の付近で前記イオンに対する空間電荷効果を抑制すると共に、前記イオンビ−ムの径方向の拡散を抑えることを特徴とする請求項５記載の集束イオンビーム発生手段を用いた処理装置。
集束したイオンビームを試料に照射して該試料を処理する集束イオンビーム発生手段を用いた処理装置であって、無極放電によりプラズマを発生させるプラズマイオン源と、該プラズマイオン源で発生させたプラズマからイオンをビーム状に引き出すイオンビーム引き出し手段と、該イオンビーム引き出し手段で引き出したイオンビームの試料上への照射のオンオフを制御するブランキング電極手段と、該ブランキング電極手段を通過したイオンビームを集束させるイオンビーム集束手段と、該集束させたイオンビームの軌道を変えて前記試料に走査して照射するデフレクタ電極手段とを備えたことを特徴とする集束イオンビーム発生手段を用いた処理装置。
前記プラズマイオン源が、マイクロ波電力供給手段と該マイクロ波電力供給手段から供給されたマイクロ波を共振させる共振部とを備えたマイクロ波発生部
と、該共振部で共振させたマイクロ波で無電極放電によりプラズマを発生させるプラズマ発生部とを有することを特徴とする請求項１２記載の集束イオンビーム発生手段を用いた処理装置。
前記イオンビーム引き出し手段は、前記引き出したイオンを通過させるイオン引き出し口を有する引き出し電極と、前記プラズマイオン源で発生したプラズマの前記イオン引き出し口周辺のイオンシ−スを制御するイオンシ−ス制御電極とを備えたことを特徴とする請求項１２記載の集束イオンビーム発生手段を用いた処理装置。
前記イオンビーム引き出し手段は、前記引き出したイオンを通過させるイオン引き出し口を有する引き出し電極と、前記プラズマイオン源で発生したプラズマの前記イオン引き出し口周辺のイオンシ−スを制御するイオンシ−ス制御電極と、前記引き出し電極で引き出したイオンを加速する加速電極とを備え、前記引き出し電極と前記加速電極とは独立に電圧が制御されることを特徴とする請求項１２記載の集束イオンビーム発生手段を用いた処理装置。
前記イオンビーム引き出し手段が、テーパ状に形成された前記引き出し電極の前記イオン引き出し口により構成されたことを特徴とする請求項１２記載の集束イオンビーム発生手段を用いた処理装置。
前記イオンビーム引き出し手段が、径の異なる複数の開口を備えた前記引き出し電極により構成され、所望のビーム径に応じて前記径の異なる複数の開口のうちの所定の開口から前記イオンビームを引き出すことを特徴とする請求項１２記載の集束イオンビーム発生手段を用いた処理装置。
前記イオンビーム引き出し手段が、前記所望のビーム径に応じて前記径の異なる複数の開口のうちの所定の開口が前記プラズマから前記イオンビームを引き出す所定の位置に位置するように前記引き出し電極を移動させる移動機構を備えた引き出し電極により構成されることを特徴とする請求項１２記載の集束イオンビーム発生手段を用いた処理装置。
前記イオンビーム引き出し手段が、複数の開口を設けた引き出し電極と、該複数の開口の前記プラズマの側に絶縁板を介して設置されたシース面制御電極とにより構成され、該シース面制御電極に印加する電圧を制御することにより前記イオンビームを所定の径に設定することを特徴とする請求項１２記載の集束イオンビーム発生手段を用いた処理装置。
前記イオンビーム引き出し手段が、前記引き出し電極の前記プラズマイオン源と反対の側に前記引き出し口と接続するテ−パ状の開口を備えた絶縁スペ−サと、該絶縁スペ−サの前記プラズマイオン源と反対の側で前記引き出し口より大きな径の前記テーパ状の開口部分に設けた前記引き出し口の径より小さい径の開口を多数設けたメッシュ電極とを有する前記引き出し電極により構成され、前記メッシュ電極に印加する電圧を制御すると共に前記マイクロ波電力供給手段により前記マイクロ波発生部に印加する電力を制御して前記プラズマの密度を変化させることにより、前記イオンビームを所定の径に設定することを特徴とする請求項１２記載の集束イオンビーム発生手段を用いた処理装置。
前記イオンビーム引き出し手段が、前記イオン引き出し部は、前記プラズマに接する側に多数の開口を設けたメッシュ状の引き出し電極からなる前記イオン引き出し部と、異なる複数の開口を有し該異なる複数の開口のうち所望の開口が前記イオン引き出し部から引き出されたイオンが通過する部分に位置するよう移動可能に構成されたイオン集束・加速部により構成されたことを特徴とする請求項１２記載の集束イオンビーム発生手段を用いた処理装置。
前記集束したイオンビームを前記デフレクタ電極手段で前記試料に走査して照射したときに前記試料から放出される２次荷電粒子を検出する２次荷電粒子検出手段と、該２次荷電粒子検出手段で検出した前記２次荷電粒子の検出信号に基づいて前記試料表面の画像を表示する画像表示手段とを更に備えたことを特徴とする請求項１２記載の集束イオンビーム発生手段を用いた処理装置。