JPH0620639A - 集束イオンビーム加工用ガスノズル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】集束イオンビーム加工においてガスノズルのス
パッタによる試料汚染を防止し、ノズルの試料に対する
位置設定を容易にする。 【構成】ガスノズルを試料と同じ材料で作製しノズル材
料のスパッタによる試料汚染を防止した。また、試料接
触によるノズル位置設定でガスノズルの位置設定精度を
向上した。 【効果】半導体集積回路を加工した場合の試料汚染によ
る回路性能の劣化を防止し、かつ集束イオンビーム加工
の高速化，歩留向上を実現する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は大規模集積回路の開発，
製造，不良解析，回路修正に係り、特に、超大型論理回
路の開発，ウェハ上の修正に際して、検査配線形成，ス
ルーホール形成などに用いられる集束イオンビーム加工
プロセスに関する。

【０００２】

【従来の技術】加工用イオンビームのイオンが試料に打
込まれて生じる汚染に関しては、特開平2−90520号に詳
しく述べられている。ここでは、加工用イオンビームの
イオン種を試料を構成しているものと同じ元素、或いは
固溶度，電気的性質から不活性と見なされる元素にする
ことで、基板中の電子デバイスの性能劣化を防いだ。し
かし、ここでは、イオンビーム誘起加工プロセスを行う
際のガス導入ノズルのスパッタによる試料汚染に関して
は考慮されておらず、ノズル材質の金属のスパッタ粒子
により試料汚染が生じる危険があった。

【０００３】ノズルの位置合わせに関しては、試料面に
対するノズルの距離を一定にするために試料台を上下し
て、光学顕微鏡による拡大像が鮮明に見える点を求めた
り、試料台上に一定の高さのブロックをおいてこれにノ
ズルを接触させて高さを調節していた。しかし、これら
の例では、ウェハの反り，試料固定の際の誤差などか
ら、ノズルと試料間の距離が固定できず、プロセスの条
件が一定にならないばかりでなく、試料台を移動させた
ときの機械的振動によりノズルを試料に衝突させ、試料
を破損する危険があった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ガスノズル位置のイオ
ンビーム照射による二次電子像を使った位置合わせは、
集束イオンビーム加工プロセスにおいて不可欠であり、
その際にイオンビームスパッタリングによってノズル構
成物質が試料表面に付着することは避けられない。従っ
て、ノズルが重金属等基板，絶縁膜の電気特性に影響を
与える物質で構成されていれば、汚染により被加工集積
回路の性能を大幅に劣化させる危険がある。これが、本
発明が解決しようとする第１の課題である。

【０００５】集束イオンビーム加工プロセスにおいて試
料表面のガス圧力は加工速度，加工形状等の性質を制御
する重要なプロセス条件であるが、特にイオンビームの
電流密度が高い領域では加工部位で局所的高ガス圧を実
現することが不可欠になってくる。例えば、集束イオン
ビームの電流密度が１０Ａ／cm² 付近では１Torr前後の
高ガス圧を真空チャンバ内の局所領域で実現しなけれ
ば、集束イオンビーム誘起デポジションプロセスは実現
できない。また、ビーム走査速度が速くできない場合に
も、ガス圧力を高める必要がある。特に加工チャンバ内
の真空度が下げられない場合は、さらにガスノズルの位
置を試料に近付けて圧力を高めなければならない。この
際、最も重要な点はガスノズルの高さ、及びガスノズル
と試料面の成す角度を一定に保つことである。従来、集
束イオンビーム加工プロセス装置では試料とガスノズル
の間の静電容量を測る、或いは一旦ガスノズルを試料表
面に接触させノズルにつけたマイクロメータなどの測長
手段で移動距離を測定しながら離す、などの方法でこの
位置設定を行なってきた。しかし、加工試料を移動した
場合、ウェハの反り，試料台，ノズル移動機構の機械的
誤差等から、ガスノズルの高さが変動してガス圧が低く
なり加工ができないという問題があった。これが、本発
明が解決しようとする第２の課題である。又、副次的な
問題として試料にノズルが衝突して試料を破損，汚染す
るという問題もあった。

【０００６】

【課題を解決するための手段】第１の課題であるガスノ
ズルのスパッタによる試料汚染は、イオンビームが照射
されるガスノズル表面を基板材料で被覆、或いは基板と
同じ材料で作製することにより回避できる。また、基板
と同じ材料でできたガスノズルを使用すれば基板に接触
した際の汚染もないため、基板に接触して高さ合わせを
行った場合の接触による汚染も回避することができる。

【０００７】ガスノズル高さに対する試料面でのガス圧
力の依存性は、図２に示した通りである。ガス圧力はガ
スノズル高さが大きくなるにつれ、急速に低下する。従
って、ガス圧を集束イオンビームプロセスに十分なだけ
高く保つためには、ガスノズル開口面の試料面に対する
距離を約０.１mmから０.０５mm以下まで近付け、しかも
角度の設定も一定にしなくてはならない。角度に対する
依存性の概略は図３に示した。この程度の距離，角度を
再現性良く設定するためには、ガスノズル開口部と加工
試料表面と接触するガスノズル下端部の距離を所望の距
離にし、かつ開口部と試料表面との角度も所望の値に
し、ノズル下端部を試料表面に接触させて位置設定を行
えばよい。これが、第２の課題の解決法である。

【０００８】この際、接触による汚染から生じる被加工
半導体回路の性能劣化を避けるために、ノズルの試料接
触部の材質を加工試料と同じ構成材料、または半導体デ
バイスの特性を劣化させない材料にすることは第１の課
題の解決法と同様である。また、接触の際の試料破損を
防止するため、ノズルの固定はばね等で可動のものと
し、ノズル接触部の表面は凹凸の少ない滑らかなものと
する。これは、ノズル先端の基板に対する角度設定を精
度良く行うためにも重要である。

【０００９】

【作用】試料と同じ物質でガスノズルをつくることによ
り、イオンビームが照射され、スパッタが生じてもスパ
ッタ粒子が汚染物質とならない。また、試料に接触した
場合にも試料汚染が生じない。

【００１０】ガスノズルの一部を試料面に接触させるこ
とにより試料に対するガスノズルの距離，角度設定が再
現性良くでき、位置合わせ誤差に起因してプロセス条件
が変り、集束イオンビームプロセスの加工結果が変動す
ることがない。

【００１１】

【実施例】

＜実施例１＞本実施例はシリコン基板上に形成した集積
回路を修正するために、ＳｉＯ₂ を用いてガスノズルを
被覆したものである。（図１）直径０.２mm，内径０.１
mmのアルミニウム製ガスノズル１に化学的気相成長法を
用いて膜厚０.２mmのＳｉＯ₂膜２を形成した。膜形成
後、表面の凹凸を無くし、滑らかにするために１２００
℃で１時間の熱処理を行った。実際に集束イオンビーム
装置内に入れ、タングステンカルボニル蒸気を導入し、
ビーム電流１ｎＡのＳｉ１価陽イオン３０ｋｅＶビーム
３により、シリコン基板４上に集束イオンビーム誘起デ
ポジションを行ったが、位置合わせ時のチャージアップ
による二次電子像の乱れ、堆積膜５の形状歪みも無く性
能は良好であった。

【００１２】＜実施例２＞本実施例はシリコン基板上に
形成した集積回路を修正するために、ＳｉＯ₂ を用いて
ガスノズルを作製したものである。形状は図４に示し
た。ＳｉＯ₂ としては石英ガラスを用い、石英ガラス管
を加熱し、所望の太さに引き延ばし、試料接触部６を加
工して切断した。ＳｉＯ₂ は集積回路の絶縁膜として使
われており、汚染物質として働かない。また、加工が容
易で、直径０.０１mm 程度のノズルも比較的容易にでき
るため、局所的にガス圧力を上げるためには都合が良
い。しかも、表面の凹凸を小さく滑らかにできるため試
料表面にひっかき傷などをつける危険も少ない。しか
し、絶縁体のため高電流イオンビームを連続して照射し
た場合、ノズルが正の電荷を持つ場合があるが、シリコ
ン薄膜をこの上に形成する、或いは図５に示したように
イオンビームの照射されない部分に金属膜７を蒸着する
などして接地し、電荷を逃がせばこれを低減、支障を無
くすことができる。

【００１３】＜実施例３＞図６に示した実施例はシリコ
ン基板上に形成した集積回路を修正するために、シリコ
ンを用いてつくったガスノズルを使用した例である。ガ
スノズルは単結晶ウェハから細く切り出したシリコンの
板８を組み合わせ、接着面をフッ酸で洗浄した後、圧
着，熱処理して作製したものである。シリコンからノズ
ルを作製する方法としてはこれ以外にも、多結晶シリコ
ン塊から機械加工して作製する方法がある。シリコン製
ノズルはイオンビームでスパッタされた場合、試料にシ
リコンのスパッタ粒子が付着するが、シリコン集積回路
に対しては汚染物質として働かない。

【００１４】また、このシリコン製のノズルを酸素中で
加熱することにより、表面が酸化され、ＳｉＯ₂ 被覆し
たノズルを容易につくることができる。

【００１５】ノズル材料のシリコン，ＳｉＯ₂ は集積回
路構成物質のため、集束イオンビームエッチングに使用
した場合、イオンビーム照射によりスパッタされるだけ
でなく、化学的なエッチングも受けるが、ノズル位置合
わせ時にエッチングガスを止めておけば、これによるノ
ズル自身の損傷は防がれる。イオンビームがノズルに照
射されていない時にもガスによる自発的エッチングは受
けるが、このプロセスは緩慢であり大きな問題にならな
い。

【００１６】＜実施例４＞図７は、表面を熱酸化したシ
リコンノズルを使ってシリコン集積回路の加工プロセス
を行った例である。集束イオンビームのイオン種として
はシリコン（加速エネルギ２０ｋｅＶ）を用い、集束イ
オンビームエッチングにより最上層のSiO₂絶縁膜９にコ
ンタクトホール１０を形成、その後、通常のスパッタリ
ング法とリソグラフィ加工によりアルミ電極を形成し
た。

【００１７】図８はこの様にしてゲート酸化膜の薄い電
界効果トランジスタのゲート近傍の加工を行い、加工後
１００℃，１０時間の加速試験を行い、ゲート酸化膜の
耐圧を１００個のトランジスタに関して測定した結果で
ある。ステンレス製ノズルを使用して加工した場合と比
べると、耐圧値が大きく分布の広がりも少ない。キャパ
シタの加工に関しても、ステンレス製ノズルを使った場
合に比べてリーク電流量が１／１０程度であった。ノズ
ルを窒化膜Ｓｉ₃Ｎ₄で被覆した場合もこれと同様の効果
が得られる。

【００１８】また、同様にガリウムヒ素集積回路に対し
て集束イオンビーム加工プロセスを行う際にはガリウム
ヒ素製のガスノズルを用いることで回路性能の劣化を防
ぐことができる。

【００１９】＜実施例５＞図９は本発明の実施例として
ノズルの固定方法を示したものである。本実施例では、
ガスノズルとして内径０.１mm，外径０.３mmの石英ガラ
ス管の先端に機械加工，熱処理により丸みを付けたもの
を用いた。ノズル１４は金属性のガス導入管１５に溶接
され、ベローズ状の導入管１７を介してｘｙｚ３軸の位
置微動機構２０に固定され、試料台２２に対しては接触
した状態で４５°の角度をなすように調節した。ノズル
先端の動きはノズル固定部１６に接続した変位検出機構
２１により電気的に検出される。３軸微動機構のｚ軸方
向の調整によりノズルを動かし、接触を検出した後はプ
ロセス終了までｚ軸方向の移動は行わない。試料上の凹
凸，微動機構の誤差等により、ノズルを試料表面に接触
した場合の接触角にはばらつきがあったが、これは±５
°の範囲に収まっており、実測ではノズル先端部でのガ
ス圧変動は２０％程度に抑えられた。このノズルを用い
た場合にノズル先端での試料上ガス圧はガスの全流量を
０.０３Torr・l／sに設定した場合、0.5Torrであり、集
束イオンビームデポジションを行う場合、５Ａ／cm² の
電流密度に対してもノズル先端０.２mm 角の正方形の範
囲でデポジションを可能にする。

【００２０】＜実施例６＞図１０は本発明の一例として
ＳｉＯ₂ により被覆したノズルの固定機構を示したもの
である。本実施例では真空チャンバ内にガス材料を置
き、加熱気化によって反応ガスを得る方式のガス供給方
法を示した。ＳｉＯ₂被覆ノズル２４にはガス材料のリ
ザーバ２５につながっている。リザーバ２５は内部にヒ
ータを備え、真空外の温度コントローラ２９から温度調
節を行い、安定した流量のガスをノズル２４から噴出す
る。

【００２１】角度固定機構はｘｙｚ３軸の位置微動機構
３０に接続したガイド２７にばね２８及び、滑り部２６
を介して固定されている。このような固定法を用いると
ノズル先端の高さは試料面の凹凸或いは試料面の反りに
応じて変化するが、リザーバ２５及びノズル２４はガイ
ド２７の働きにより垂直方向にしか動けないため、ノズ
ルの試料面に対する入射角の誤差を非常に小さくでき
る。このため、試料表面でのガス圧分布が変化しにく
い。ばね２８の強さを適当に調節すれば、表面にかかる
圧力を１ｍｇ程度に小さくでき、試料表面を破損する危
険が無い。このため、試料上の複数個の部位を連続して
加工する際もノズルを各点で引上げ、再度降ろすといっ
た設定をしなおす必要がなく工程を高速化できる。ま
た、同様の機構を使ってノズルの接触による変位或いは
力を検知して、位置調節を能動的に行うことも可能であ
り、このようにすれば、ばねを使った場合よりもより一
定した接触が可能になる。

【００２２】試料表面にノズルを接触できない場合につ
いては、この方法は使えないため、接触により直接変
位，力を測るのではなく、ノズル先端、或いはノズルと
同じ水平面上に試料との間の距離を検出する検出器を備
え、一定の距離を保つようにして同様のフィードバック
をかけることができる。

【００２３】

【発明の効果】集束イオンビーム誘起堆積法により集積
回路上に膜形成を行い回路の修正を行う際にノズルのス
パッタによる試料の汚染を防止することができ、これに
より、集積回路の信頼性を大幅に向上することができ
る。また、汚染が許されないような、製造段階の途中に
あるウェハに関しても集束イオンビーム誘起堆積を用い
て電極，配線の形成ができ、細かい電気的な検査が可能
になる。さらに、集束イオンビーム堆積の際、ノズルを
試料に接触させて高さを調節、あるいは接触させた状態
で膜堆積ができるため、プロセス条件を一定に保ち、常
に同じ膜質，膜厚を得ることが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ＳｉＯ₂ により被覆したガスノズルを用いた集
束イオンビーム誘起デポジションの断面図。

【図２】ノズルの試料面からの高さと試料上でのガス圧
力の関係の説明図。

【図３】ガスノズルの角度を変えた場合の試料上でのガ
ス圧力の分布図。

【図４】ＳｉＯ₂(石英ガラス）により作製したノズルの
形状の断面図。

【図５】ＳｉＯ₂(石英ガラス）により作製したノズルの
帯電防止法の例の説明図。

【図６】シリコンウェハから作製したガスノズルの形状
の説明図。

【図７】シリコン集積回路の集束イオンビームエッチン
グによる加工例の断面図。

【図８】ステンレスノズルを使用した時とシリコンノズ
ルを使用した時の酸化膜耐圧の比較説明図。

【図９】変位測定器を用いたガスノズルの固定法の説明
図。

【図１０】ばねを用いたガスノズルの固定法の説明図。

【符号の説明】

９…ＳｉＯ₂ 絶縁膜、１０…集束イオンビームエッチン
グで作ったコンタクトホール、１１…シリコン製ガスノ
ズル、１２…アルミ配線、１３…絶縁膜。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 梅村 馨 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】集積回路上の局所部分に膜堆積を行う集束
   イオンビーム誘起堆積及び、前記集積回路上の局所部分
   をエッチングする集束イオンビーム誘起エッチング等の
   集束イオンビーム加工プロセスにおいて、試料上にガス
   雰囲気を形成するために用いるガスノズルの材質を、試
   料の構成元素と同じ物質を用いて作製、或はガスノズル
   の表面を試料の構成元素と同じ物質を用いて被覆したこ
   とを特徴とする集束イオンビーム加工用ガスノズル。
2. 【請求項２】請求項１において、集束イオンビーム加工
   プロセスによりシリコン集積回路を加工する際のガスノ
   ズルとして、シリコンを用いて作製、または、シリコン
   により被覆されたノズルを用いた集束イオンビーム加工
   用ガスノズル。
3. 【請求項３】請求項１において、集束イオンビーム加工
   プロセスによりシリコン集積回路を加工する際のガスノ
   ズルとして、シリコン酸化物を用いて作製、または、シ
   リコン酸化物により被覆されたガスノズルを用いた集束
   イオンビーム加工プロセス用ガスノズル。
4. 【請求項４】請求項１において、シリコン集積回路に加
   工プロセスを行う際のガスノズルとして、シリコン窒化
   物を用いて作製、または、シリコン窒化物により被覆さ
   れたガスノズルを用いた集束イオンビーム加工プロセス
   用ガスノズル。
5. 【請求項５】請求項１において、ガリウムヒ素基板を用
   いた集積回路に加工プロセスを行う際のガスノズルとし
   て、ガリウムヒ素を用いて作製した、またはガリウムヒ
   素により被覆されたガスノズルを用いた集束イオンビー
   ム加工プロセス用ガスノズル。
6. 【請求項６】集積回路上の局所部分に膜堆積を行う集束
   イオンビーム誘起堆積及び、前記集積回路上の局所部分
   をエッチングする集束イオンビーム誘起エッチング等の
   集束イオンビーム加工プロセスにおいて、試料上にガス
   雰囲気を形成するために用いるガスノズルの材質を、試
   料の構成元素と同じ物質を用いて作製、或いはガスノズ
   ルの表面を試料の構成元素と同じ物質を用いて被覆した
   ことを特徴とする集束イオンビーム加工装置。
7. 【請求項７】集束イオンビームをガス雰囲気中で試料に
   照射して、膜堆積，エッチング等のプロセスを行う集束
   イオンビーム加工プロセスにおいて、反応ガスの供給を
   行うガスノズルを試料面に接触させて位置設定を行うこ
   とを特徴とする集束イオンビーム加工プロセス用ガスノ
   ズル。