JP3968144B2 - 集束イオンビーム加工方法及び加工装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、集束イオンビームを用いて材料、例えば半導体デバイスなどの断面観察試料を加工する方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
集束イオンビーム（以下、ＦＩＢと略す）を用いると、半導体デバイスなどの特定箇所についての断面観察、配線修正などを短時間で容易に行うことができる。この方法に関しては、例えば特開平５−１５９８１号公報などに記載されている。また、透過形電子顕微鏡（以下、ＴＥＭと略す）を用いて半導体デバイスの断面を観察する場合にも、ＦＩＢを用いることによりデバイスの所望位置からの薄膜試料を短時間で確実に作ることができる。このＦＩＢによるＴＥＭ試料作製方法に関しては、Transmission Electron Microscope Sample Preparation Using a Focused Ion Beam (J. Electron Microsc. 43, pp.322-326, 1994)に報告されている。
【０００３】
ＦＩＢに用いられるイオン種にはガリウム（Ｇａ）が多く、それを３０ｋＶ〜５０ｋＶの電圧で加速し、アパーチャの切り替えや、集束レンズ、対物レンズなどのレンズのレンズ条件の変更などにより、集束イオンビームはビーム径数ｎｍ、ビーム電流数ｐＡの微細径のビームから、ビーム径数１００ｎｍ、ビーム電流１０数ｎＡの大電流のビームに切り替えられる。ビームを偏向器を用いて試料上を走査させることにより、イオンスパッタリングによる加工や、試料上より放出される二次電子を利用した走査イオン顕微鏡像（以下、ＳＩＭ像と略す）を用いての試料表面の観察が行える。
【０００４】
半導体デバイスなどの試料の特定箇所を加工するには、まず、ＳＩＭ像を観察しながら所望の場所に試料を移動させる。次に、所望の加工領域を含む試料表面のＳＩＭ像をブラウン管（ＣＲＴ）上に表示し、ＳＩＭ像の上で加工領域を設定し、加工領域をビーム走査して加工を行う。
【０００５】
ＦＩＢの特性は、加速電圧を変えると変化する。加速電圧が高いほどイオンのエネルギーが上がり、また、色収差が少なくなるのでビームを絞ることができる。その結果、電流密度が増すので加工速度は速くなる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ＦＩＢが試料上を走査すると、試料上の原子がスパッタされて、試料表面は少しずつ削れていく。加速電圧を高くした方が加工速度を速く、かつビーム径を細くすることができるが、加工位置を探して、加工領域を設定するまでのプロセスにおいては、試料表面の削れる量が大きくなってしまうという問題があった。また、加速電圧が高いとＦＩＢによるイオン打ち込み深さや横方向の広がりが大きくなり、それにより試料のＦＩＢ照射部付近に形成されるアモルファス層の厚さが大きくなる。その結果として、ＦＩＢにより厚さ１００ｎｍ以下に薄膜化されたＴＥＭ試料では、格子像の像質が劣化するという問題点もあった。
【０００７】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、加工材料表面の損傷を抑制しつつ高速な加工を行うことのできるＦＩＢ加工方法及び加工装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明では、ＦＩＢ加工を加工領域設定までのプロセスと加工プロセスの２つのプロセスに分け、各プロセスにおける加速電圧Ｖ１，Ｖ２を、同一あるいは異なった電圧に選択することにより前記目的を達成する。
【０００９】
すなわち、本発明は、加工領域の設定プロセスと加工プロセスとを含む集束イオンビーム加工方法において、照射イオンの加速電圧Ｖ１におけるレンズ条件及び照射イオンの加速電圧Ｖ２におけるレンズ条件を予め登録しておき、加工領域の設定プロセス時には登録された加速電圧Ｖ１のレンズ条件を自動的に読み込んでレンズ制御を行い、加工プロセス時には予め登録された加速電圧Ｖ２のレンズ条件を自動的に読み込んでレンズ制御を行うことを特徴とする。
【００１０】
加工プロセスがイオンスパッタリングを利用したエッチング加工であるとき、加速電圧Ｖ１，Ｖ２はＶ１＜Ｖ２とすることができる。加速電圧Ｖ１は２５〜３５ｋＶ、加速電圧Ｖ２は４０〜６０ｋＶとすることができる。
【００１１】
また、加工プロセスがイオンスパッタリングを利用したエッチング加工であるとき、加工の段階に応じて加速電圧Ｖ２はＶ２＝Ｖ１，Ｖ２＜Ｖ１から選択することができる。具体的には、粗加工の時Ｖ２＝Ｖ１とし、仕上げ加工の時Ｖ２＜Ｖ１とすることができる。
【００１２】
また、本発明は、イオン源と、イオン源から発生したイオンビームを集束させるレンズ系と、レンズ系を制御するレンズ系制御手段と、レンズ系により集束された集束イオンビームを偏向して走査させる偏向電極と、集束イオンビームの照射により試料から放出される二次電子を検出する二次電子検出手段と、二次電子検出手段から得られる二次電子信号に基づいてＳＩＭ像を表示する表示手段とを有する集束イオンビーム加工装置において、加工領域の設定プロセス時の加速電圧Ｖ１のレンズ条件と、加工プロセス時の加速電圧Ｖ２のレンズ条件とを記憶する記憶手段を備え、レンズ系制御手段は前記記憶されたレンズ条件を読み込んでレンズ系を制御することを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
図１は、本発明に使用したＦＩＢ装置の一例を示す概略構成図である。ＦＩＢ装置のイオン源１にはＧａ液体金属イオン源を用いた。液体金属イオン源１から引き出されたＧａイオンビームは例えば３０ｋＶ以上に加速され、集束レンズ２、ビーム制限絞り３、アライナ・スティグマ電極４、偏向電極５、対物レンズ６などからなるイオン光学系で集束、偏向されて、試料７の任意の場所を走査する。
【００１４】
イオン源１、集束レンズ２、対物レンズ６は高圧電源部１０によって給電制御され、ビーム制限絞り３、アライナ・スティグマ電極４、偏向電極５はビーム制御部１１によって制御される。二次電子検出器８からの出力信号は二次電子信号処理部１４によって処理され、ステージ９はステージ制御部１５によって駆動制御される。また、ＦＩＢ装置は画像出力部１６、ＣＲＴ等の画像表示部１７、キーボードやマウス等の入力部１８を備える。ＦＩＢ装置の各制御部や出力部は、メモリ１３に記憶されたデータ等に基づいてコンピュータ１２により統括制御される。
【００１５】
ＦＩＢ照射により試料７の表面から発生した二次電子は、二次電子検出器８によって検出・増幅され、偏向電極５による偏向制御と同期処理することによりＣＲＴ１７上にＳＩＭ像として表示される。試料７はステージ９の上にセットされ、ステージ９を移動させることにより試料７上の任意の位置を観察・加工することができる。加速電圧、各レンズの電圧、ビーム制限絞りなどの条件はメモリ１３に記憶しておき、それぞれの条件に応じて高圧電源部１０やビーム制御部１１を制御することにより、加工領域の設定、加工・観察に用いる一連のビーム条件の設定を自動化できるようになっている。また、ＳＩＭ像のデータは、画像出力部１６を介してビデオプリンターや他のコンピュータなどに出力できる。
【００１６】
図２は、ＦＩＢの加速電圧と、加工速度（加工時間）及び加工による試料の損傷の厚さの関係をプロットした図である。加速電圧を３０ｋＶから４０ｋＶ，５０ｋＶにすると、最大電流密度がそれぞれ約１．４倍、１．８倍に向上する。これにより、同一径のＦＩＢを用いた同一加工体積の加工時間は、４０ｋＶ、５０ｋＶで加工すると、３０ｋＶで加工するときのそれぞれ７０％、５０％に短縮できる。他方、ＦＩＢ照射による試料の損傷は、加速電圧を３０ｋＶから４０ｋＶ、５０ｋＶにすると、３０ｋＶで加工したときのそれぞれ約１．３倍、１．６倍に増えてしまう。
【００１７】
そこで、高速な加工を求めるときは約４０ｋＶ以上の高い加速電圧２２で、試料の損傷を抑えたいときは３０ｋＶ程度の加速電圧２１で、ＦＩＢ加工領域設定及び加工を行っていた。このとき、加速電圧が２５ｋＶ以下のビームでは、電流密度が低く、ＳＩＭ像分解能も悪くなるため、通常加工・加工領域設定には適さない。一方、加速電圧６０ｋＶを越えるビームは電流密度は高くなるものの、ＦＩＢ光学系や、これを形成するための高圧電源部が大きくなり、その結果として、装置自体が大きく、価格も高くなるため汎用装置には適さない。
【００１８】
本発明においては、加工領域の設定プロセスでは加速電圧Ｖ１のＦＩＢを用い、加工プロセスでは加速電圧Ｖ２のＦＩＢを用いる。このような加速電圧の変更を迅速に行うため、複数の加速電圧Ｖ１，Ｖ２に適合した複数のレンズ条件をメモリ１３に登録しておき、加工領域の設定プロセスと加工プロセスとで、それぞれ最適な加速電圧を選択するとそれに適合したレンズ条件が自動的に読み出されて各レンズに設定される。
【００１９】
最初に、断面観察の加工手順を示すデバイスの表面の図である図３を参照し、断面の短時間加工が要求される加工において、Ｖ１＝３０ｋＶ、Ｖ２＝５０ｋＶとする加工例について説明する。デバイスの表面にはアルミ配線３６の途中に下層配線とのコンタクト３５が形成されている。まず、断面観察に用いる加速電圧Ｖ１＝３０ｋＶにおける集束レンズ１、対物レンズ６などのレンズ条件、及び加工に用いる加速電圧Ｖ２＝５０ｋＶにおける集束レンズ１、対物レンズ６などのレンズ条件を、入力部１８から登録する。登録された内容はメモリ１３に記憶される。
【００２０】
次に、加工領域の設定は、まず、ＣＲＴ１７に表示される低倍率のＳＩＭ像を見ながらステージ９を動かし、試料の所望の加工場所に移動させる。この時に用いるビームは、試料７のスパッタ損傷を最小限に押さえ、かつ、充分な解像度のＳＩＭ像を得るために、加速電圧を３０ｋＶに、ビーム制限絞り３の径を小さく設定し、ビーム径１０ｎｍ、ビーム電流１ｐＡのＦＩＢを用いた。
【００２１】
その後、加工領域設定プロセス・加工プロセスに入る。まず粗加工として、ビーム制限絞り３の径を大きく設定し、大電流（加速電圧５０ｋＶの時に２０ｎＡ）のＦＩＢを用意する。加工領域設定のときには加速電圧Ｖ１＝３０ｋＶのＦＩＢ３１を読み出して、断面観察したいコンタクト３５を含んだ試料表面の領域３３を１回ビーム走査し、そうして得られたＳＩＭ像をもとに加工領域３４を設定する。加工開始の命令をコンピュータ１２に与えると、予めメモリ１３上に記録しておいた加速電圧５０ｋＶにおけるレンズ条件を自動的に読み出し、自動的に加速電圧をＶ２＝５０ｋＶに上げて、電流密度のより高いＦＩＢ３２を照射し、ＦＩＢ加工を行った。加工領域設定に加速電圧Ｖ１＝３０ｋＶのＦＩＢ３１を、加工にＶ２＝５０ｋＶのＦＩＢ３２を用いることで、試料表面の損傷を最小限に抑え、また、加工時間を約５０％短縮することが出来た。
【００２２】
その後、ビーム制限絞り３の径を少し小さく設定して、ビーム電流１ｎＡのビームを用いて、所望観察断面の仕上げ加工を行った。この場合も、加工領域決定時には加速電圧を３０ｋＶに、加工時には５０ｋＶに設定することで、試料表面の損傷を抑えると共に、高速度な加工を行った。
【００２３】
次に、試料の損傷をできるだけ抑えることを目的とする加工において、Ｖ１＝４０ｋＶ，Ｖ２＝４０ｋＶと３０ｋＶの加工例について説明する。図４は、ＦＩＢを用いてＳｉデバイスの断面ＴＥＭ試料を作成するときの手順を示したものである。図４（ａ）は、ウェハから切り出された試料の斜視図、図４（ｂ）〜（ｄ）は所望観察位置を含む部分の断面図である。
【００２４】
まず、ダイシングソーなどを用いて、ウェハから所望観察位置４２を含むように図４（ａ）のような形に試料４１を切り出す。次に、図４（ｂ）に示すように、試料４１の加工位置の上部付近にＦＩＢを用いてタングステンの保護膜４３を形成する。これにより、試料表面のＦＩＢによる損傷を気にすることなく加工ができる。
【００２５】
次に、図４（ｃ）に示すように祖加工を行う。粗加工を行う時には、加工領域を設定するプロセスの時から加速電圧をＶ１＝４０ｋＶに設定して加工領域の設定を行い、加速電圧を変えることなくＶ２＝４０ｋＶ、ビーム電流１５ｎＡのビーム４４で粗加工を行う。この際、加速電圧を変化させるプロセスを省略できるので、ＦＩＢ加工時間のさらなる短縮ができる。その後、同様の手順でビーム制限絞り３の形を小さく設定し、ビーム電流１ｎＡのビームを用いて、試料の観察所望位置４２を含む部分を厚さ１ｍｍ程度まで加工する。この時も加工領域を設定するプロセスでの加速電圧Ｖ１と加工プロセスでの加速電圧Ｖ２はＶ１＝Ｖ２＝４０ｋＶと同じにしている。この時点での試料側面のＦＩＢ加工損傷によるアモルファス層の厚さ４６は約１３ｎｍである。
【００２６】
ＴＥＭで観察するには試料の厚さを１００ｎｍ以下にする必要があるので、図４（ｄ）に示すように、仕上げ加工用として、ビーム電流５００ｐＡのビーム４５を用いて試料の薄膜化を行う。ここで、より微細なビームで加工位置精度を向上させるために、加速電圧をＶ１＝４０ｋＶにして加工領域の設定を行い、加工するときにはＶ２＝３０ｋＶの加速電圧で加工するよう設定すると、メモリ１３上に記録してあったＶ２＝３０ｋＶにおけるレンズ条件を自動的に読み出して加工するので、加工位置精度の向上と、ビーム照射により形成されるアモルファス層の厚さを抑さえた加工をすることができる。その結果、仕上げ加工後のアモルファス層の幅４７は約１０ｎｍとなり、例えば試料を６０ｎｍまで薄膜化した場合、アモルファス層の薄膜部分に占める割合は４０ｋＶで仕上げ加工を行った場合と比べて約１０％減らすことができ、ＴＥＭ観察の際には明瞭な格子像を得ることができた。
【００２７】
【発明の効果】
本発明によると、半導体デバイスなどの試料表面の損傷を少なく抑えつつ、高速度な加工を行うことができる。また、ＴＥＭ試料作製においては、高速度加工とビーム照射により形成されるアモルファス層の低減を両立させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるＦＩＢ装置の概略図。
【図２】ＦＩＢの加速電圧と加工時間・加工による試料の損傷の深さの関係を示す図。
【図３】ＦＩＢによる断面観察のための加工手順を示すデバイス表面の図。
【図４】ＦＩＢを用いてＳｉデバイスの断面ＴＥＭ試料を作成するときの手順を示した図。
【符号の説明】
１…液体金属イオン源、２…集束レンズ、３…ビーム制限絞り、４…アライナ・スティグマ電極、５…偏向電極、６…対物レンズ、７…試料、８…二次電子検出器、９…ステージ、１０…高圧電源部、１１…ビーム制御部、１２…コンピュータ、１３…メモリ、１４…二次電子信号処理部、１５…ステージ制御部、１６…画像出力部、１７…ＣＲＴ、１８…入力部、２１…加速電圧約３０ｋＶの領域、２２…加速電圧約４０ｋＶ以上の領域、３１…加工領域設定プロセスでのＦＩＢ、３２…加工プロセスでのＦＩＢ、３３…加工領域設定プロセスで走査する領域、３４…加工領域、３５…アルミ配線、３６…コンタクト、４１…試料、４２…観察したい部分、４３…タングステン保護膜、４４…粗加工用ＦＩＢ、４５…仕上げ加工用ＦＩＢ、４６…加速電圧４０ｋＶのＦＩＢ加工による損傷を受けた層の厚さ、４７…加速電圧３０ｋＶのＦＩＢ加工による損傷を受けた層の厚さ

Claims (6)

1. 加工領域の設定プロセスと加工プロセスとを含む集束イオンビーム加工方法において、
   前記加工領域の設定プロセス時の照射イオンの加速電圧Ｖ１におけるレンズ条件及び前記加工プロセス時の照射イオンの加速電圧Ｖ２におけるレンズ条件を予め登録しておき、前記加工領域の設定プロセス時には前記登録された加速電圧Ｖ１のレンズ条件を自動的に読み込んでレンズ制御を行い、前記加工プロセス時には前記予め登録された加速電圧Ｖ２のレンズ条件を自動的に読み込んでレンズ制御を行うと共に、前記加速電圧Ｖ２は、前記加工領域断面の仕上げ加工のときに、粗加工のときの加速電圧Ｖ１より低く設定されることを特徴とする集束イオンビーム加工方法。
2. 前記加工プロセスがイオンスパッタリングを利用したエッチング加工であるとき、加工の段階に応じて前記加速電圧Ｖ２はＶ２＝Ｖ１，Ｖ２＜Ｖ１から選択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加工方法。
3. 粗加工の時Ｖ２＝Ｖ１であり、仕上げ加工の時Ｖ２＜Ｖ１であることを特徴とする請求項２記載の集束イオンビーム加工方法。
4. イオン源と、前記イオン源から発生したイオンビームを集束させるレンズ系と、前記レンズ系を制御するレンズ系制御手段と、前記レンズ系により集束された集束イオンビームを偏向して走査させる偏向電極と、前記集束イオンビームの照射により試料から放出される二次電子を検出する二次電子検出手段と、前記二次電子検出手段から得られる二次電子信号に基づいてＳＩＭ像を表示する表示手段とを有する集束イオンビーム加工装置において、
   加工領域の設定プロセス時の加速電圧Ｖ１のレンズ条件と、加工プロセス時の加速電圧Ｖ２のレンズ条件とを記憶する記憶手段を備え、前記加速電圧Ｖ２は加工領域断面の仕上げ加工のときに粗加工のときの加速電圧Ｖ１より低く設定され、前記レンズ系制御手段は前記記憶されたレンズ条件を読み込んで前記レンズ系を制御することを特徴とする集束イオンビーム加工装置。
5. デバイスの表面にイオンビームを走査して、断面観察に用いる断面を形成する集束イオンビーム加工方法において、
   所定の加速電圧でイオンビームを照射して前記デバイスの粗加工を行うステップと、
   当該粗加工によって形成された断面を、前記所定の加速電圧より低い加速電圧のイオンビームを用いて仕上げ加工を行うステップと
   を有することを特徴とする集束イオンビーム加工方法。
6. デバイスの表面にイオンビームを走査して行われる粗加工、仕上げ加工を経て、走査電子顕微鏡観察用あるいは透過電子顕微鏡観察用の観察断面を形成する集束イオンビーム加工方法において、
   前記仕上げ加工のときに、前記粗加工を行うときの加速電圧よりも低い加速電圧のイオンビームを照射することを特徴とする集束イオンビーム加工方法。

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