JPH04121939A - イオンビーム加工方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はイオンビームによる半導体装置の加工時のマー
クの検出において、マークの検出精度を向上させるマー
クの顕在化方法に関する。

〔従来の技術〕

近年、半導体装置のデパック、または、論理修正等の素
子機能の変更において、イオンビームを集束して半導体
装置の表面に照射し、そのスパッタ効果により微小部を
局所加工する方式が広く用いられている。この場合、半
導体装置上に形成したマークを検出し、この位置を基準
にステージ移動とイオンビーム偏向とで加工位置を設定
する。

実際の手順は以下に述べる様に進めるのが通例である。

検出するマークは、配線層、例えば、アルミ層の一部を
配線形成過程の中でマーク検出を容易にする形状に加工
する。この形状は、通常、半導体装置のＸ軸、Ｙ軸と平
行な二辺ずつをもつパターンで形成する。第４図（ａ）
（ｂ）は最も簡単な正方形のマーク１のパターン例の平
面図と側面図を示したものである。パターンのエツジで
第４図（ｃ）（ｄ）の様に集束したイオンビーム４を走
査する。この時、ターゲットである半導体装置から二次
電子、または、二次イオン等の二次粒子が放出される。

パターンエツジでは、この二次粒子の放出確率が高いた
め、検出される二次粒子信号８は第４図（ｅ）の様に変
化する。信号のピーク位置を平均し、パターン−辺ごと
の位置からその中点の位置を求める。この操作をＸ、Ｙ
両軸について行い、マークパターンの中心を求める。通
常、この操作を二個以上のマークについて、二度以上繰
り返し、集束イオンビーム加工装置内に設置した半導体
装置の水平面内での傾きと原点位置を決定する。半導体
装置の設計データに従い、求められたマークパターンの
中心から加工位置までの距離が計算され、それに従い、
レーザゲージ等の移動量計測手段を持つステージ、及び
、イオンビームの偏向電圧を制御して、加工位置を設定
する。

半導体装置の加工には±０．５μｍの加工精度が求めら
れる。従って、マーク検出では±０．５μｍ以下の検出
精度が必要である。

マーク１を形成するアルミ等の配線パターンは第５図（
ａ）の様にレジスト９をかけ、例えば、シャワータイプ
のイオンビームｌＯを用いてエツチングする。この後、
レジストを除去すると、パターンのエツジは鋭く切り立
った形状となる。このパターンであれば、エツジの検出
精度は高い。しかし、通常、第５図（ｂ）（ｃ）の様に
配線パターンを保護膜３で覆うため、検出精度が低下す
る。

第５図（ｂ）はバイアスをかけつつ、スパッタリングで
Ｓｉｎ、を保護膜３として成膜した場合である。

この場合、Ｓｉｎ、のエツジは鋭いが、ウェハ内の位置
によってＳｉｏ！のエツジ位置の中心がずれる事があり
、これがマーク位置の精度を低下させる。第５図（Ｃ）
の様にＣＶＤでＳｉｎ！を成膜した場合には、５ｉ−０
，のエツジ位置の中心のずれは少ないが、エツジ自体は
なだらかになり、検出信号が鈍るため、検出精度が低下
する。

最上層の配線層のパターンを露出させてマークとする事
は、従来のパッドによる接続法を採用している半導体装
置では、第６図（ａ）から（ｇ）のようにパッド１２へ
の窓形成時に、マーク１の部分の上部の保護膜３を同時
に除去すれば可能である。ところが、近年、半導体装置
の集積度の向上に伴い、パッド１２でのワイヤーボンデ
ィングからバンプでのＣＣＢボンディングに接続の形態
が変化している。バンプを採用している半導体装置では
、配線層をマーク１として露出させるのは困難である。

バンプでは最上層の配線から、保護膜３上に形成したバ
ンプへ、スルーホールでコンタクトを取り、信号の入出
力を行う。このため、第７図（ａ）のように保護膜３に
フォトプロセスでスルーホールを空け、次に第７図（ｂ
）の様にウェハ全面に数種の金属膜１１を付け、これを
、第７図（ｃ）の様にバターニングし、その上にバンプ
材料を載せ、最終的に第７図（ｄ）の形状のＣＣＢボン
ディング用のバンプ１３となる。この方式で、マーク１
用にパターニングした配線層を露出させようとする場合
、第７図（ａ）のスルーホール加工時にマークパターン
を抜き出す大きさのスルーホールを空けておく。しかし
、第７図（ｂ）の金属膜１１のエツチング過程ではマー
クパターンの配線層までエツチングされ、マーク１は残
らない。最上層配線１４と金属膜１１とで材料を変えて
、材料の加工選択性を持たせた加工を行うにしても、両
者ともに金属であり、配線層１４のみを精度良く残した
加工は困難である。また、バンプ材料を載せる金属膜１
１のパターニング後に、フォトプロセスを追加すれば、
マーク部分のみのエツチングも可能だが、工程が増える
に従い、歩留りは低下する。さらに、バンプ材料の密着
性の低下からも、これは望ましくない。この様にバンプ
付き半導体装置において、通常のフォトプロセスでは配
線層自身を露出させたマークを形成するのは難しいため
、特開昭６３３０７７３６号公報では、マークの上層を
所定範囲内でエツチング除去して、マークを、直接、外
部に露出させた状態とし、これを基準に加工を行う方法
が開示されている。

半導体装置は多層化が進んでいる。各層間の合わせずれ
は極力小さく抑えられているが、±０．１μｍから±０
．２μｍのずれは発生する。このため、最上層の配線層
のマーク１を基準に加工した場合、層間の合わせずれ分
の加工位置ずれは避けられない。

これを回避するため、特開昭６３〜３０７７３６号公報
には、各配線層ごとにマーク１を形成して、加工すべき
配線層と同じ層のマーク１を検出する方法、及び、最上
層の配線層と下層の配線層との合わせずれを予め光学的
に測定して、この情報に従い加工座標を補正する方法も
記載されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術において、所定範囲内のエツチングを行う
には、集束イオンビームによるスパッタリングを用いて
いる。例えば、第８図（ａ）の様なマーク１をエツチン
グする。しかし、イオンビーム４によるスパッタリング
では、一般に、配線に使用されるアルミは絶縁膜に使用
されるＳｉＯ□よりもスパッタ率が二倍程度高く、また
、スパッタ率の入射角依存性のため、第８図（ｂ）の様
に加工が進行する。従って、保護膜３下にある配線層で
形成されたマークＩはエツジ部分から加工されていく。

このため、マーク１が露出した時点で精度の高いマーク
検出に必要な鋭いエツジが失われてしまう。

各層の合わせずれの影響を避けるため、各層でマーク１
を設けた場合、下層のマーク１の上には、第９図（ａ）
の様に眉間絶縁膜２が積層される。

このため、エツジが鈍り、検出精度が低下する。

この様に上層の膜をエツチング除去しようとしても、下
層にあるマーク１では第９図（ｂ）の様にエツチング途
中で加工底面が平坦になり、マーク１が露出した時点で
は逆に絶縁膜２側にエツジが生じる。しかし、このエツ
ジは形成された時点でも比較的鈍く、加工が進むとさら
に鈍くなり、精度の高いマーク検出には使用できない。

本発明の目的は半導体装置の形成にフォト工程を追加す
る事なく、検出精度の高いマークを形成する方法を提供
することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、局所的にマーク材料とその
上層に積層した膜とで加工速度に大きな差異を生じさせ
る加工選択性の高い加工を行う。

〔作用〕

現在、一般に、配線にはアルミ、絶縁膜にはＳｉｎ、が
使用されている。これらについて、通常の物理的なスパ
ッタ加工では上記の様に加工選択性に乏しい。それぞれ
の材料に対応した反応性ガスを導入し、化学的増速効果
を付加すると、アルミと５ｉｎ２とで１０：１以上ある
いは１：１０以上の加工選択性を持たせられる事が知ら
れている。ただし、ウェハ全面をエツチングする方式で
は、工程が増加するため、局所的なエツチングが望まし
い。

集束イオンビームを用いれば、局所領域を自由に狙って
加工する事ができる。しかも、集束イオンビームで加工
している領域に反応性ガスを導入した場合、材料との自
発反応の少ない反応性ガスを選択すれば、イオンビーム
の照射されている領域のみが加工できる。また、マーク
材料とマーク上部の保護膜材料とで、加工選択性の高い
反応性ガスを選択すると、マークを露出することができ
る。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。

一般に、配線にはアルミ、絶縁膜にはＳｉＯ□が使用さ
れているが、この二種の材料について、　ＳｉＯ□の下
にアルミで形成されたマークを顕在化させる。

加工には、Ｇａを液体金属イオン源から引き出し、静電
レンズで集束したＧａの集束イオンビームを用いる。

第１図（ａ）の様なＳｉＯ□の下のアルミマーク１を顕
在化させるには、ＳｉＯ□の加工は増速するが、アルミ
の加工は増速しない反応性ガス５を使用する必要がある
。これにはフッ素系のガスが適している。例えば、この
ガスとしてＸｅＦｚを使用し、アルミマーク１の領域を
Ｇａの集束イオンビーム４で加工すると、第１図（ｂ）
の様にＳｉｎ、は増速エツチングされるが、アルミは増
速されないため、Ｓｉｎ、が加工されて、アルミが露出
した時点で加工がほとんど停止する。このため、加工を
さらに進めると、第１図（Ｃ）の様にアルミマークが完
全に露出する。この時、５ｉｎ２とアルミとの加工選択
性は５０：１程度のため、第１図（Ｃ）の状態でのアル
ミマークエツジの鈍りは少なく、アルミマーク１の形状
はアルミマーク１がフォトプロセスで形成された時点の
形状と変わらない。従って、マーク検出で検出信号がマ
ークエツジ部分で鋭く変化し、精度の高いマーク検出が
可能となる。

配線各層に対応したマークをそれぞれの層に形成する場
合、例えば、第２図（ａ）に示した四層の配線で構成さ
れている半導体装置では、最下層にある配線層は表面か
ら８μｍ以上の深さにある。

この配線層に対してでも、ＸｅＦｚを使用すれば、第２
図（ｂ）の様に加工の選択性が高いため、マーク１を顕
在化できる。従って、配線贋金てについて、集束イオン
ビーム加工開始前にマーク１を露出させておき、加工対
象配線に対応して、その配線層に作られたマーク１を検
出する事で、各配線層の合わせずれの影響を受けない加
工位置決めができる。その場合、この様に露出したマー
ク１を検出に使用するため、高いマークの検出精度が得
られる。

各配線層に対応したマークｌを形成する場合、マーク領
域に余裕をとれない事が多く、マークパターンを積層さ
せる。この時、第３図（ａ）の様に下層のマーク１を上
層のマーク１が覆うか、または、下層マーク１のエツジ
部分にかかると、その部分は上層のアルミのカバレッジ
状態に応じて、エツジを緩やかに覆うため、第３図（ｂ
）の様に鋭いエツジを無くし、検出精度が低下する。こ
のため、第３図（Ｃ）の様に下層のマークパターンの上
にそれよりも小さなマークパターンを積層すると、Ｘｅ
Ｆよを導入しつつ、集束イオンビーム加工を施した場合
、第３図（ｄ）の様にそれぞれの層のマーク形状を保持
するため、鋭いエツジが保たれ、精度の高い検出が各配
線層について可能となる。

実際の半導体の加工において、加工対象はＳｉＯよ等の
絶縁層とアルミ等の配線層の両方である。これらを高速
で、かつ、選択性良く加工するには、絶縁層に対しては
フッ素系の反応性ガス、配線層に対しては塩素系の反応
性ガスとガスを切り換えて加工を進める。

本実施例では、絶縁層であるＳｉＯ□にはＸｅＦ、、配
線層であるアルミには塩素を用いている。その場合、第
１図（ｃ）に示した状態にマーク１を露出させていると
、絶縁層の加工時には問題無いが、配線層の加工時には
、第１０図（ａ）の様に導入した塩素系の反応性ガス１
７がマーク１と自発的に反応し、第１０図（ｂ）の様に
、マーク１の損傷を与え、精度の高いマーク検出が不可
能となる。

塩素系の反応性ガス１７の自発反応は、アルミの表面に
僅かでも酸化層があると進まない事が知られている。そ
こで、第１図（ａ）の状態に露出したアルミを塩素ガス
導入前に一度酸素雰囲気にさらし、酸化層１８を形成す
ると、第１０図（ｃ）の様に反応性ガス１７の塩素がマ
ーク１に吸着しても、自発反応は進行せず、マーク１の
形状は保存される。この方法で数回のマーク検出は精度
良く行える。しかし、マーク検出を続けていると、マー
クｌが物理的なスパッタリング現象で削られていき、ア
ルミの生地が露出して、第１０図（ｂ）と同様に、マー
ク１が損傷する。そこで、単に酸素雰囲気にさし、酸素
ビーム等でアルミ表面の浅い層のみを酸化するのではな
く、深い層まで酸化を進め、マーク１の使用耐用回数を
増加させる事ができる。

また、アルミに対しては酸化が最も有効であるが、マー
ク１としている材料によっては酸化以外に窒化させる等
、反応性ガスに耐性を持つ表面保護膜を形成する事はア
ルミに対する酸化膜と同様の効果が得られる。

アルミ表面に酸化層１８を形成する方法でもマーク１の
寿命を伸ばせるが、それにも限界がある。

そこで、第１１図（ａ）の様に、積極的に塩素ガス１７
を導入しつつ、集束イオンビーム４を走査し、アルミの
マーク１を加工除去する。その下には、第１１図（ｂ）
の様にアルミのマーク形状を反映した５ｉｎ２の段差が
形成される。これには、最初にアルミマーク１を露出さ
せる時に、オーバーエッチ量を大きくしておき、充分な
高さが残る様にしておく必要がある。この段差をマーク
とすれば、塩素ガス雰囲気中で何回マーク検出しても、
塩素ガスによる自発反応でマークが損傷せず、精度の高
いマーク検出が可能となる。

第３図（ｃ）の様なマーク１を用い、多層配線１４を持
つ半導体装置を加工する場合について説明する。

第１２図（ａ）の様に、表面の保護膜を加工する前には
、保護膜表面にできている最上層のアルミマーク１を反
映した段差でマーク検出する。この段差では従来技術の
項で説明した様に□、必ずしも、最上層アルミの位置に
一致はしていない。しかし、次に、保護膜を加工する時
に導入するＸｅＦ２５を、そのままマーク上部の保護膜
加工時に使用して、第１２図（ｂ）の様に、アルミマー
ク１を露出させ、これが加工対象である最上層アルミの
位置を正確に反映するため、問題は無い、さらに、第ニ
アルミ層上部のＳｉｎ、を加工する前に、第１２図（ｃ
）の様に、アルミ加工時に導入した塩素ガス１７を使い
、第１１図（ｂ）と同様のＳｉｎ、、の段差を形成し、
これをマークとして、第ニアルミ層上部のＳｉｎ、を加
工する。後は第１２図（ｂ）（ｃ）の繰り返しで必要な
配線層まで加工を進めれば良い。

アルミとＳｉｎ、の段差を交互にマークとして使用して
いく場合、集束イオンビームで加工面を衝撃していなく
ても、表面に吸着している反応性ガスで自発反応が進む
。特に、塩素ガスではこの進行が速い。このため、必要
の無い時のガスの吸着を最小限にするよう、ガスの導入
法をノズル方式とし、加工時以外ではガスの供給を停止
する。または、各マーク検出前に表面に吸着したガスを
飛ばすため、レーザ等の加熱ビームをマーク部分に照射
する。これにより、マークの損傷を抑えられる。

マークパターンは単純な正方形としたが、対向する二辺
をＸＹそれぞれの方向について持っていれば長方形、十
字形、Ｌ字形、どの様なパターンでも同様な検出精度が
得られる。

集束イオンビームでの加工において、現在、最も多く使
われているイオン種はＧａである。これはＧａの融点と
蒸気圧が低く、取り扱い易く、安定なビームを引き出せ
るためであり、本実施例でもＧａを使用した。ただし、
反応性ガスを導入しつつ加工する方式では、集束イオン
ビームは被加工物表面に物理エネルギを与え、格子振動
を誘起する事が主な役割であるため、Ｇａと同じＡｕ、
　Ｓｉ、　Ｂｅ、　Ｓｂ。

Ｂｉ等の金属種以外、Ａｒ！　Ｎｉ、０□９等のガス種
をイオン種としても同様の効果が得られる。

本実施例ではＳｉｎ、の下のアルミを顕在化させるため
、反応性ガスにＸｅＦ、を選択した。ＳｉＯ□とアルミ
以外の材料については、加工して除去すべき材料Ａと残
して顕在化させるべき材料Ｂとの組み合わせを考慮し、
材料Ａの加工速度は増大させるが、材料Ｂの加工速度は
あまり変化させない反応性ガスを選択すれば良い。例え
ば、本実施例とは逆にアルミの下のＳｉｎ、を顕在化さ
せる場合には、フッ素系のガスから塩素系のガスに反応
ガスを交換する。

本実施例ではマークの顕在化を可能にする方法について
記載したが、これと同様に、下層にあるどの様なパター
ンもこの方法で顕在化が可能である。従って、半導体装
置の不良解析等、表面を覆っている膜の下にある物質の
同定などへの応用にも展開できる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、保護膜等の膜の下にある集束イオンビ
ーム加工時の位置決め用基準マークをマーク形状を損な
うこと無く露出できるので、マークのエツジ部分の鋭さ
と位置が保たれ、マーク検出時の検出信号がエツジ部分
で大きく変化し、マーク位置の検出精度を向上させるこ
とができる９

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のマーク構造とマーク顕在化
方法を示す半導体装置の断面図、第２図は本発明の実施
例における各配線層ごとのマーク構造とマーク顕在化方
法を示す半導体装置の断面図、第３図は本発明の実施例
における各層ごとのマークの積層パターンとマークの顕
在化方法を示す半導体装置の断面図、第４図はマークの
検出方法を示すマークと集束イオンビーム走査とマーク
検出信号とを示す図、第５図は半導体装置におけるマー
クの形成方法と形状及びマーク上の保護膜形状を示す断
面図、第６図はパッドを持つ半導体装置におけるマーク
の露出工程を示す断面図、第７図はバンプを持つ半導体
装置におけるマークの消失過程を示す断面図、第８図は
集束イオンビームにより半導体装置のマーク上の保護膜
をエツチング除去する工程を示す断面図、第９図は半導
体装置における各配線層に対応したマーク上の保護膜を
エツチング除去する過程を示す断面図、第１０図は塩素
系の反応ガスと半導体装置のマークとの反応を示す断面
図、第１１図は塩素ガスを導入しつつ集束イオンビーム
を走査してマークを除去してその下にこのマーク形状を
反映させたＳｉｎ、の段差を形成する場合を示した図、
第１２図はマークとＳｉｎ、の段差を交互にマークとし
て使用し、こ九を基準にして他の個所をイオンビーム加
工しようとする本発明の実施例を示す図である。 １・・・マーク（アルミ）　２・・・絶縁膜（５１０２
）３・・・保護膜（Ｓｉｎ、）　　　　４・・・イオン
ビーム５・・・反応性ガス（ＸｅＦｚ）　　６・・・基
板７・・・イオンビーム走査　８・・・検出信号９・・
・レジスト　　　　　ｌＯ・・・イオンビーム１１・・
・金属膜　　　　　　１２・・・パッド１３・・・バン
プ（はんだボール） １４・・・配線層 １５・・・露光用エネルギビーム １６・・・被露光領域

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、イオンビームを集束して、半導体装置を加工するイ
   オンビーム加工方法において、 加工位置の基準マークを検出前に前記基準マークの材料
   と前記基準マークの上部に積層されている材料とで加工
   の選択性を高める反応性ガスを導入しつつ、前記基準マ
   ークを含む領域を集束イオンビームで加工し、前記基準
   マークを露出させ、マーク検出時の検出精度を向上させ
   ることを特徴とするイオンビーム加工方法。 ２、請求項１において、加工対象である全ての配線層の
   一部をマークパターンに形成したマークを前記反応性ガ
   スを導入しつつ、集束イオンビームで加工し、前記配線
   層ごとの位置の基準となる前記基準マークを露出させる
   イオンビーム加工方法。 ３、請求項１において、前記配線層ごとの位置の基準と
   なる前記基準マークを下層の前記配線層から、順次、同
   一箇所に、形状を変えつつ積層する際、上層の前記基準
   マークが下層の前記基準マークの領域を覆わない領域で
   形成するイオンビーム加工方法。 ４、請求項１において、露出させた前記基準マークの表
   面に、酸化層、窒化層等の反応性ガスに耐性を持つ膜を
   形成するイオンビーム加工方法。 ５、基準マークの加工速度を加速させる反応性ガスを導
   入しつつ前記基準マークを加工し、前記基準マークを構
   成する材料を除去し、前記基準マークの形状を反映した
   前記基準マーク下の前記基準マークと異なる材料の段差
   を、前記基準マークの加工を加速させる前記反応性ガス
   を導入しつつ前記基準マークと同じ材料を加工する工程
   における加工位置の基準マークとすることを特徴とする
   イオンビーム加工方法。 ６、反応性ガスを切り換えて基準マークの露出と除去を
   交互に繰り返しつつ、前記基準マークを前記基準マーク
   と同層にある配線層の基準マークとし、前記基準マーク
   下の段差マークを前記配線層間の絶縁層の基準マークと
   することを特徴とするイオンビーム加工方法。