JPH07161322A

JPH07161322A - エレクトロスプレイ型イオン源及びこれを用いた集束イオンビーム装置

Info

Publication number: JPH07161322A
Application number: JP5305162A
Authority: JP
Inventors: Kaoru Umemura; 馨梅村; Minoru Sakairi; 実坂入
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1993-12-06
Filing date: 1993-12-06
Publication date: 1995-06-23

Abstract

(57)【要約】【目的】各種不活性ガスや酸素、窒素などのイオンを高
輝度に放射するエレクトロスプレイ型イオン源と、これ
を搭載した集束イオンビーム装置を実現し、上記イオン
材料による集束イオンビームによって、半導体などの表
面の微小領域に汚染を与えることなしに微細加工、分
析、あるいは計測を行う方法を確立する。【構成】断熱性の真空容器２８の中にある冷却槽１０の
中に設けられ、低温に保持されたイオン材料槽４内に不
活性ガスや酸素、窒素などの液体イオン材料１を充填
し、貯溜部５のキャピラリ６の先端とそれに対向する引
出し電極１９との間に高電圧を印加することによって、
イオン材料１を荷電液滴２０として引き出し、さらにキ
ャリアガス３の噴射によってさらに小さなクラスタイオ
ンとして、集束イオンビーム系内に放射する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、液体のイオン材料をイ
オン化させるエレクトロスプレイ型イオン源に係り、特
に、酸素、窒素、不活性ガスなどの気体を液体化してイ
オン化するイオン源と、このイオン源を用いた半導体素
子加工用の集束イオンビーム装置や材料分析に用いる二
次イオン質量分析装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】はじめに、エレクトロスプレイ型イオン
源（以下、ＥＳＰイオン源と略記）の動作原理につい
て、図２を用いて説明する。

【０００３】まず、試料溶液３０を、シリンジ３１など
で金属製キャピラリ３２に導入する。通常の溶液の流量
は、数μl／分から数十μl／分程度である。この時、金
属製キャピラリ３２と対向電極３３との間に数ｋＶの電
圧を印加すると、溶液はキャピラリ３２先端でコーン状
になり、その先端から液滴３４が噴霧される。この時、
液滴３４は強電場によって荷電液滴となる。これら荷電
液滴はレイレーリミット（Ｒayleigh limit）と呼ばれ
る大きさまで分解するが、生成した微小液滴はその最大
直径が数μｍから数十μｍ程度とまだかなり大きいの
で、乾燥したヘリウムあるいはアルゴン等の純粋な不活
性ガス３５を、生成した微小液滴３４に向けて吹き付け
気化を促進させ、同時にクラスタイオン化させる。ここ
で、微小液滴３４に照射する不活性ガス３５をキャリア
ガスとも呼ぶ。生成したクラスタイオン３６は、さら
に、第２キャピラリ３７とスキマー３８などを通過し
て、最終的にはビーム集束系４０に導入される。このＥ
ＳＰイオン源のイオン化が生じるイオン化室４１は大気
圧に近いのが特徴で、４２，４３などの真空ポンプによ
って差動排気され、高真空の分析部へ導かれる。

【０００４】次に、ＥＳＰイオン源の従来応用例とし
て、上記ビーム集束系４０として質量分析計を設置する
組合せがある。質量分析計の磁場掃引によって、磁場強
度に対応した質量のイオンが検出器に到達して、質量ス
ペクトルが得られる。この組合せで、極微量の溶液の成
分分析が可能となり、従来、高分子溶剤の質量分析によ
く用いられ、非常に大きな分子量（例えば５００,００
０）の溶液もイオン化させている。また、イオンに与え
られるエネルギーが低いので、イオンの分裂が生じたと
しても非常に少なく、生化学分野や、熱的に不安定な分
子のイオン化によく用いられてきた。この質量分析のた
めのエレクトロスプレイ型イオン源については、特公平
４−３６２２号公報の『質量スペクトル分析イオンの形
成方法および装置』（公知例１）に開示されている。

【０００５】ＥＳＰイオン源の動作原理は電気流体力学
的（ＥＨＤ）イオン源と類似であるが、イオン化室の
圧力が大気圧に近いこと、イオン材料である液体が背
圧によって徐々に高電界領域に導入されること、がＥＨ
Ｄイオン源と異なるところである。ＥＳＰイオン源に関
して説明した論文として、例えば、シー・エム・ホワイ
トハウスらが論文集『アナリティカル・ケミストリ』の
第５７巻、（１９８５年）第６７５頁から第６７９頁に
記載した『エレクトロスプレイ・インタフェイス・フォ
ア・リクイッド・クロマトグラフス・アンド・マス・ス
ペクトロメータ』と題する論文がある（Ｃ．Ｍ．Ｗhite
house et．ａl．“Ｅlectrospray Ｉnterface for Ｌiq
uid Ｃhromatographs and Ｍass Ｓpectrometers”Ａna
liticalＣhemistry，Ｖol．５７，(１９８５）６７５〜
６７９）（公知例２）。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、ＥＳＰ
イオン源はもっぱら生化学分野での高分子溶液の質量分
析に利用されているが、ＥＳＰイオン源から放出された
イオン自身が分析されるだけであり、ＥＳＰイオン源か
らの放出イオンをビーム状に成形し、これを積極的に加
工や分析に利用しようという試みは、なされていないの
が現状である。更に、このＥＳＰイオン源を用いて、原
子量が１００以下の元素、特に、不活性ガス元素や窒
素、酸素などを液化してイオン化する試みはいまだなさ
れておらず、勿論、これらの放出イオンをビーム化し、
イオンビームとして積極的に利用しようとする試みは未
だにない。

【０００７】一方、アルゴンなど不活性ガス種を集束イ
オンビーム化し、デバイスやウエハの局所領域を汚染を
伴わずに加工や分析、計測のできるプローブとして使い
たいという要望は非常に強くある。しかし、それを満足
するイオン源はなく、他のイオン種で代用するか、ある
いは、デュオプラズマトロン型イオン源のように電流密
度の低いイオンビームで代用せざるを得なかった。

【０００８】一方、集束イオンビームに成形できるイオ
ン源として、液体金属イオン源や電界電離ガスイオン源
が周知である。しかし、液体金属イオン源では、不活性
ガス、さらに、酸素や窒素などガス種のイオンは、原理
的に発生させることができない。また、電界電離ガスイ
オン源からのヘリウムイオンやアルゴンイオンの放出の
試みはあるものの、イオン電流が不安定で実用には至っ
ていない。

【０００９】このように、現在までのところ、デバイス
やウエハの極微小領域を金属元素による汚染を伴わず
に、集束イオンビームによって加工、分析、計測が行え
る手段が確立しておらず、また、長寿命、高安定で、不
活性ガスや酸素、窒素などのイオンを集束イオンビーム
に形成できる高輝度なイオン源がなかった。

【００１０】本発明は上述の課題を解決するためになさ
れたもので、不活性ガスや酸素、窒素などのイオンを高
輝度に発生させるＥＳＰイオン源と、これを用いた集束
イオンビーム装置、およびこの装置を用いて半導体デバ
イスやウエハの極微小領域の加工、分析、あるいは計測
を行う方法を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するた
め、本発明においては、エレクトロスプレイ型イオン源
のイオン材料の貯溜部、キャピラリ、及びイオン材料の
気化を促進するキャリアガスの供給手段などに、これを
低温に保持するための冷却手段を設け、液体状の不活性
ガスや酸素、窒素などをイオン材料として、上記ＥＳＰ
イオン源からイオンとして放出する。このとき、冷却手
段には液体窒素を用い、また、イオン材料の貯溜部やキ
ャピラリの一部を断熱真空容器内に設置する。

【００１２】ここで、イオン材料とキャリアガスとを同
一元素とすることにより、例えば、イオン材料として液
体窒素、キャリアガスとして低温窒素ガスを用いること
により、窒素イオンの放出を行う。同様にして、酸素イ
オンやアルゴンを初めとする不活性ガスの各種イオンの
放出を行うことができる。

【００１３】そして、上記のＥＳＰイオン源を集束イオ
ンビーム装置に搭載することにより、上記の酸素、窒
素、あるいは各種不活性ガスのイオンビームにより、半
導体試料の微細領域の加工、分析、計測などを行う。特
に、上記不活性ガスのイオンビームにより、試料表面に
付着した異物の除去加工や、電子顕微鏡観察用の断面試
料の加工を行い、また、上記酸素イオンを二次イオン質
量分析装置の一次イオンとして用い、微小領域の元素分
析を行う。さらに、酸素イオンの集束ビームを半導体試
料の局部に照射することによって、試料の微細領域に電
気的絶縁領域を形成する。

【００１４】

【作用】以下、本発明の根本となる作用について、液体
窒素をイオン材料とするＥＳＰイオン源を例にとり、摸
式図３（ａ），（ｂ）を用いて説明する。

【００１５】図３（ａ）はＥＳＰイオン源５０の全体構
成を示し、この場合、イオン放出方向は垂直方向であ
る。イオン材料の貯溜部５１は、イオン材料となる液体
窒素５２を貯溜する部分である。イオン材料となる液体
窒素５２はイオン材料貯溜部５１からシリンダ５３の先
端のキャピラリ５４（第１キャピラと呼ぶ）先端まで浸
透する。キャピラリ５４は金属製で、先端は内径約０.
１ｍｍにまで絞られていて、先端は大気に露出してい
る。対向電極５５との間に数ｋＶの電圧を印加すること
で、イオン材料となる液体窒素５２を極微量ずつイオン
化し、荷電微粒子５６として霧状に噴出させることがで
きる。これらの部品は、液体窒素５２の熱蒸発を防止す
るために冷却槽１０の中に設置され、かつ、断熱されて
いる。断熱方法は、熱伝導の悪いセラミックス５７を使
用することと、キャピラリ５４の先端を除いたＥＳＰイ
オン源５０および冷却槽１０を真空容器５８内に入れた
ことである。５９は液体イオン材料の投入時の空気抜き
である。

【００１６】キャリアガス６０は、タンク６１から供給
され、シリンダ５３を取り囲むキャリアガス導入部６２
を通過する。キャピラリ５４先端部の拡大図を図３
（ｂ）に示した（図３（ｂ）では水平方向に示したが、
垂直でも同じである）。キャリアガス６０はキャピラリ
５４先端から放出された荷電微粒子５６と衝突して、荷
電微粒子５６を更に小さなクラスタイオン６３にする。
ここで用いたキャリアガス種はイオン材料と同じ窒素ガ
スである。このクラスタイオン６３は更に第２キャピラ
リ６４を通過し、高真空状態のイオンビーム照射系（図
示せず）に導入される。

【００１７】従来のＥＳＰイオン源（図２）では、イオ
ン材料である溶液は注射器状のシリンジ３１に封じ込ま
れていたが、今回用いたＥＳＰイオン源では、イオン材
料が超低温であるため、シリンジ３１への封入を人手で
行うのが困難である。そこで、本発明では、一旦、イオ
ン材料貯溜部５１にイオン材料５２を貯溜し、キャピラ
リ５４に送り込めるような構造にしてある。また、イオ
ン材料が昇温しないように真空容器５８で断熱作用を持
たせ、さらに、キャリアガスの温度によってキャピラリ
５４が昇温するのを防ぐため、キャリアガス自体も冷却
用液体窒素によって予冷却できる構造にしてある。

【００１８】このようにして、ＥＳＰ方式により、酸
素、窒素、あるいは各種不活性ガスのイオン化を達成
し、高輝度のイオン源を形成することができる。そし
て、このＥＳＰイオン源を集束イオンビーム装置のイオ
ン源として搭載することにより、上記の酸素、窒素、あ
るいは不活性ガスの集束イオンビームが実現する。

【００１９】したがって、まず、窒素や各種不活性ガス
のイオンビームを半導体試料の微細領域の加工に用いる
ことにより、試料上に汚染物質を残すことなく、加工が
できる。例えば、半導体デバイスの表面に存在する異物
の除去加工や、電子顕微鏡観察用の断面試料の加工の場
合に、従来のガリウム（Ｇa）イオンを用いた場合に
は、常に、試料自体がＧa金属の残留物によって汚染さ
れていたが、本発明の窒素や不活性ガスのイオンビーム
を用いることによって、これらの汚染なしに試料の加工
ができる。

【００２０】また、酸素の集束イオンビームを二次イオ
ン質量分析装置の一次イオンとして用いた場合には、酸
素イオンによる試料元素のイオン化効率が、従来のＧa
イオンに比較して約２桁も高いので、集束イオンビーム
径の微細化と共に、試料の極微小領域の元素分析が可能
になる。さらに、この酸素イオンの集束イオンビームを
半導体試料の局部に照射することによって、試料上に、
レジスト塗布、露光、エッチングなどの工程を経ること
なく、試料上の微小領域に、直接、電気的絶縁パターン
を形成することができる。

【００２１】このように、上記の酸素、窒素、あるいは
各種不活性ガスのＥＳＰイオン源により、特に、半導体
試料表面に汚染を与えることなく、微細加工、分析、あ
るいは計測を行うことができる。

【００２２】

【実施例】

（実施例１）図１は本発明に係るエレクトロスプレイ型
イオン源の構成図である。本実施例１では、イオン材料
１が液体酸素であるＥＳＰイオン源（以下、Ｏ‐ＥＳＰ
と略記）の例について示してある。

【００２３】まず、キャリアガス３には低温酸素ガスを
用いた。また、十分に冷却されたイオン材料槽４に液体
酸素が充填されている。イオン材料槽４と貯溜部５とは
連結されている。貯溜部５の先端はキャピラリ６で、そ
の先端は内径が約０.１ｍｍでイオン材料１は滲み出す
程度で、決して流れ出ることはない。イオン材料槽４の
イオン材料供給口７と空気抜き８部は断熱性セラミック
９によって固定されているが、イオン材料槽４、貯溜部
５および先端を除くキャピラリ６は、真空容器２８内に
設置されていて断熱されている。また、イオン材料槽４
の大部分は、冷却維持効果を高めるために、冷却槽１０
の冷媒１１に接触し冷却されている。ここで用いた冷媒
１１は液体窒素であり、冷媒供給口１２から流入され
る。１３は冷却槽１０の空気抜きであり、冷媒１１投入
後、イオン材料槽４および冷却槽１０が十分低温に保た
れた時点でバルブ１４を閉じる。

【００２４】キャリアガス３である酸素はタンク１５か
ら供給される。途中、バルブ１６によって酸素の流量が
制御された後、冷却槽１０の冷媒１１に接触して低温に
され、キャピラリ６をほぼ同軸に覆うように設置された
キャリアガス放出口１７から放出される。１８はキャリ
アガス導入時の空気抜きであり、キャリアガス放出口１
７の口径より大きいため、キャリアガス導入時には管内
の空気の大半は空気抜き１８より放出される。管内がキ
ャリアガスと置換された後はバルブ１６′を閉じる。

【００２５】次に、引出し電極１９に徐々に高電圧を印
加し、イオン材料１は、引出し電極１９が作る高電界に
よってイオン化され、荷電液滴２０となってキャピラリ
６先端から離脱する。この時、キャリアガス３と衝突
し、さらに小さなクラスタイオンになり、下流の第２キ
ャピラリ（図示せず）に向かう。２１はＯ‐ＥＳＰが取
り付けられ、真空容器２８に搭載するためのフランジで
ある。断熱のために、真空容器２８内は真空状態にして
ある。

【００２６】イオン材料の低温維持方法やキャリアガス
の冷却方法については、上記実施例以外に種々改変で
き、図４にその例を示す。図４（ａ）は、冷媒の通路を
パイプ２５状にして巻き付けた構造である。冷媒は供給
口２６から導入され、イオン材料槽４およびキャリアガ
ス導入パイプ２７の周りを循環する。このことにより、
少量の冷媒でキャリアガス３の冷却と、イオン材料１の
低温維持ができる。また、図４（ｂ）では、冷媒を通過
させるパイプ２５をイオン材料槽４に巻き付け、さら
に、その周りにキャリアガス用のパイプ２７を巻き付け
た。この構造によりキャリアガス３の積極的な冷却が可
能になる。

【００２７】上記実施例では、イオン材料の気化を促進
するためにキャリアガスを流したが、キャピラリの内径
を小さくし、流量を調節することで、必ずしもキャリア
ガスを流す必要がない場合もある。図４（ｃ）はその例
であり、６はキャピラリ、１１は冷媒、２８は真空容器
であり、冷却槽１０にはイオン材料槽４のみが漬けられ
ていてイオン材料１が冷却される。

【００２８】（実施例２）図５は、図１に示した本発明
に係るＯ‐ＥＳＰを搭載し、酸素イオンを一次イオンビ
ームとして照射させることのできる二次イオン質量分析
（ＳＩＭＳ）装置である。８１は本発明によるＯ‐ＥＳ
Ｐ、８２は引出し電極、８３が一次イオンビーム、８４
はビーム制限アパチャ、８５はイオンビームを集束させ
るための集束レンズ、８６はイオンビームを走査するた
めの偏向器、８７は試料台８８に設置された試料であ
り、試料８７から放出された二次イオン８９は、二次イ
オン質量分析部９０で質量分離される。

【００２９】Ｏ‐ＥＳＰ８１から放出された酸素イオン
は、集束レンズ８５により、分析試料８７上で直径０.
１μｍ程度にまで集束される（以下、この集束酸素イオ
ンビームをＯ‐ＦＩＢと記す）。この時の到達イオン電
流値は約５pＡであった。この値は電流密度に換算する
と約６５ｍＡ／cｍ²であり、デュオプラズマトロン型イ
オン源で形成した酸素イオンビームの電流密度に比較し
て、約２〜３桁高電流密度であった。

【００３０】このＯ‐ＦＩＢを使ってＳi基板中のホウ
素に関してＳＩＭＳ分析を行った結果、従来のガリウム
ＦＩＢを用いた場合に比較して、分析感度が約２桁高
く、その他、Ｆe，Ｃr，Ｎi等のシリコン中の不純物元
素についても、数十倍から数百倍感度が向上することが
わかった。

【００３１】（実施例３）本実施例３では、本発明に係
る液体アルゴンを用いたＥＳＰイオン源を搭載したＦＩ
Ｂ装置による検査方法について説明する。

【００３２】ここでは、Ｓiウエハの検査内容の一例と
して、多層配線間の絶縁層の形成が所定の厚さを有して
いるかどうかを確認することに注目する。多層配線を正
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、製品歩留りの悪化をもたら
していた。

【００３３】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、Ａr‐ＦＩＢを
照射して断面を形成して、観察した。図６は、シリコン
ウエハ面の一部にＦＩＢを照射している様子を立体的に
示した図である。Ａr‐ＦＩＢ１００の走査により、一
辺が約５μｍ、深さ約５μｍの矩形穴１０１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。ここ
で、１０２は第１層配線、１０３は第２層配線、１０４
は第３層配線、１０５は第１層間絶縁膜、１０６は第２
層間絶縁膜、１０７は表面保護膜であり、第１配線１０
２と第２配線１０３が絶縁され、第２配線１０３と第３
配線１０４が上下に接続されていることが観察できる。
第１配線１０２と第２配線１０３との間の絶縁層１０５
と第２配線１０３に注目し、特に、この部分を拡大して
観察した様子を図７に示す。図７から、絶縁層１０５の
上面が平坦でないため、第２配線１０３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ウエハの１０箇所の検査用デバイスについて
行った結果、全点が同じ傾向を示すため、第１層間絶縁
膜１０５の平坦化プロセスの条件に修正を施した。そし
て、プロセス条件の修正後に同様の検査を行った結果、
検査箇所の全点が所定の寸法、耐圧を満たしたので、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
歩留り向上に大きく寄与した。

【００３４】ＦＩＢのイオン種がガリウムのような金属
種でないため、ＦＩＢ照射によってイオン種が試料に付
着して配線間の短絡を起こすことはなく、また、試料に
不純物として電気的影響をもたらせることもない。

【００３５】（実施例４）本実施例４では、液体窒素を
イオン材料としたエレクトロスプレイ型イオン源（以
下、Ｎ‐ＥＳＰと略記）から窒素イオンを放出させて集
束イオンビーム化し、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）観察
のための試料片を作成した。図８を用いて説明する。

【００３６】本実施例におけるＮ‐ＥＳＰイオン源は、
イオン材料には液体窒素を、冷却手段にも冷却用液体窒
素を用いた。Ｎ‐ＥＳＰイオン源から放出されたイオン
は、実施例２で示したものと同様の一次イオンビーム集
束系によって集束窒素イオンビーム（Ｎ‐ＦＩＢ）を形
成して、試料に照射した。

【００３７】以下、試料片の作成手順を示す。まず、試
料１３０にＮ‐ＦＩＢ１３２によって複数の矩形穴１３
１，１３１′を形成し、残った厚さ数１０nｍの薄片状
の壁１３３をＴＥＭ試料とする。ＴＥＭ観察における観
察方向は、矢印１３５の方向である。従来、Ｇa‐ＬＭ
ＩＳを用いたＧa‐ＦＩＢによってＴＥＭ試料を作成し
ていたが、蒸気圧が低いＧaが試料表面に液滴となって
付着し、薄片状の良好なＴＥＭ試料とはならず、精密な
ＴＥＭ観察ができなかった。特に、サンプルがＧaＡsの
場合、Ｇa‐ＦＩＢで薄片状試料を作成しようとする
と、照射したＧaがサンプル内で過飽和状態になり、Ｇa
Ａsサンプル表面に析出してくるような状態となり、サ
ンプル本来の状態をＴＥＭ観察することができなかっ
た。一方、本実施例の場合、一次イオンビーム種として
窒素を用いているため、試料表面に一次イオンビーム種
が凝集、付着するなどの汚染のないＴＥＭ試料１３３の
作成を行うことができ、ＴＥＭ試料１３３内の微小欠陥
１３４を発見することができた。

【００３８】なお、本実施例４では液体窒素を用いた
が、液体キセノン、液体アルゴンについても同様の構成
で、同じような結果が得られた。

【００３９】（実施例５）本実施例５では、実施例１で
示した本発明に係るＯ‐ＥＳＰをＦＩＢ装置に搭載し、
イオン光学系の途中に質量分析器を設置し、Ｏ‐ＥＳＰ
から放出した¹⁶Ｏ+イオンを選択して集束させ、シリコ
ン（Ｓi）基板に高濃度酸素イオンビーム照射を行い、
絶縁領域を形成した。

【００４０】イオン照射条件は以下の通りである。ま
ず、Ｓi基板上に形成した絶縁層ＳiＯ₂の上に単結晶Ｓi
層を成長させた。この時の単結晶Ｓi層の寸法は３００
μｍ×３００μｍ、厚さ０.２μｍである。Ｏ+集束イオ
ンビーム(以下、Ｏ‐ＦＩＢと略記)の加速エネルギは５
０ｋeＶ、ビーム直径は約０.２μｍの条件で、上記単結
晶Ｓi層の中央部を横切るようにＯ‐ＦＩＢを走査さ
せ、ドーズ量１×１０¹⁸／cｍ²のイオン注入をした。イ
オン注入後、このＳi基板を１２００℃、２時間の熱処
理を行った。熱処理後、Ｏ‐ＦＩＢ注入領域が絶縁領域
（ＳiＯ₂）に変化していることを確認するために、分断
された単結晶Ｓi層の両端の抵抗測定を行ったところ約
５ＭΩであり、イオン注入部が高抵抗領域になっている
ことが分かった。

【００４１】次に、絶縁領域形成に関する別の方法を示
す。本実施例は、上記実施例５の応用で、絶縁物ＳiＯ₂
で囲まれたＳiのアイランド（島状領域）の形成を試み
た。まず、Ｓi基板状に形成した絶縁層ＳiＯ₂の上に単
結晶Ｓi層を成長させた。この時の単結晶Ｓi層の寸法
は、厚さ０.２μｍ，５００μｍ×５００μｍである。
この単結晶Ｓi層領域に、本発明に係るＯ‐ＥＳＰを用
いて、Ｏイオンの微細領域注入を行った。注入領域は１
辺５μｍの四角形の枠状である。枠幅はイオンビーム径
に依存し、本実施例ではビーム径はおよそ０.１μｍで
あったため、枠幅は約０.２μｍであった。このような
集束酸素イオンビームの注入によりＳiＯ₂によって囲ま
れた厚さ０.２μｍ、１辺約５μｍのＳiのアイランドが
形成された。ところで、従来法でこのような形状を形成
しようとすると、Ｓiアイランド領域へのマスキング、
四角枠部のドライエッチング、さらに、エッチングされ
た四角枠部にＳiＯ₂を形成させる、など多くのプロセス
が必要とされる。しかし、本実施例による方法では、絶
縁層ＳiＯ₂の上に成長させた単結晶Ｓi層にＯ‐ＦＩＢ
を照射するだけで済み、時間的に大幅に短縮されたばか
りか、従来法では形成が困難であった枠幅が０.２μｍ
という絶縁性細線をも形成することができた。

【００４２】上記いずれの方法も、本発明のＯ‐ＥＳＰ
イオン源が、従来のプラズマ型イオン源に比べて高電流
密度の酸素イオンを放出でき、かつ、集束させることが
できたために実現できたのである。

【００４３】（実施例６）別の絶縁膜形成方法として、
アシストデポジションによる方法を示す。本装置は、２
個のイオン源と、２個のアシストデポジションのための
ガス供給ノズルを備え、真空外からビーム照射位置近辺
に流出させたガスと、１次イオンビームを反応させるこ
とができるＦＩＢ装置である。イオン源の一方はＧa液
体金属イオン源であり、他方は実施例５で用いたＯ‐Ｅ
ＳＰである。また、ガス供給源は、モノシラン（Ｓi
Ｈ₄）ガスとヘキサカルボニルタングステン（Ｗ（ＣＯ)
₆）ガスを、別々に供給することができる。例えば、絶
縁層を形成するためには、ＳiＨ₄を導入しつつＯ‐ＦＩ
Ｂを照射することで、試料面上にＳiＯ₂をデポジション
させる。

【００４４】以下、アシストデポジション層の作成およ
び確認方法を、図９で説明する。図中１４０は、シリコ
ン基板上に形成されたアルミ製のパッド１４４（５０μ
ｍ□）から突出した３μｍ×１０μｍの導電領域で、厚
みは０.５μｍである。この突出部の先端の４μｍ□の
領域にＳiＨ₄ガスを流出させながらＯ‐ＦＩＢを照射
し、ＳiＯ₂層１４１を形成した。ＳiＨ₄ガス流出の停
止、Ｏ‐ＦＩＢ照射の停止後、Ｗ（ＣＯ)₆ガスを流出さ
せながらＧa‐ＦＩＢを走査させ、矩形のＷデポジショ
ン領域１４２を形成し、予め形成しておいたアルミパッ
ド１４３とつないだ。こうして形成した導電膜に挾まれ
た絶縁層１４１の絶縁性を調べるために、パッド１４４
と１４３に電圧を印加した。結果は印加電圧５０Ｖに対
して充分な絶縁性を示した。

【００４５】このように、本実施例で用いた装置を用い
ることで、絶縁層と導電層とをマスクなどの従来の煩雑
な半導体プロセスを用いずに形成することができ、絶縁
膜形成のために、時間的、経済的節減がなされるという
効果をもたらした。

【００４６】（実施例７）本実施例７は、液体キセノン
を用いたエレクトロスプレイ型イオン源（以下、Ｘe‐
ＥＳＰと略記）を搭載した極微小部の表面異物除去装置
である。

【００４７】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、デバイスの動作に致命
的支障を来す。特に、超大型コンピュータに内蔵される
ＵＬＳＩのように、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による
不良品は、決して許されない。従って、このような欠陥
をその場で対処できる装置が望まれていた。

【００４８】しかし、従来のＧa‐ＦＩＢ照射によるス
パッタ洗浄では、照射時に試料表面にＧaが残留し、配
線間の短絡などの発生率が高く、表面異物除去に対する
信頼性が低かった。

【００４９】本実施例７で示すＸe‐ＥＳＰ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検出され
た微小異物を、Ｘe‐ＦＩＢ照射によりスパッタエッチ
ングして除去する装置である。図１０は表面異物除去
装置の概略断面図である。１５０はイオン源、１５１は
集束イオンビーム照射系、１５２は試料であり、集束イ
オンビーム照射系１５１によって集束されたＸe‐ＦＩ
Ｂ１５６は、試料１５２に照射される。１５３は二次電
子検出器で、イオンビーム照射位置の形状を観察するこ
とができる。試料台１５４はデバイス製造ラインと直結
された搬送路１５７を移動し、大気に触れることなく、
随時、バルブ１５５，１５５′を介して試料室１５８に
搬入・搬出ができる。

【００５０】イオン源の概略構成は図３とほぼ同じで、
イオン材料は液体キセノン、冷媒は液体窒素である。こ
のＸe‐ＥＳＰイオン源は、特に、キャピラリ中には電
界を集中させるためにタングステン製の針状エミッタを
貫通させ、その先端をキャピラリからわずかに露出させ
た。液体Ｘeはエミッタ先端で、引出し電極によって形
成された高電界によりＥＳＰモードで電離される。液体
ＸeをＥＳＰモードでイオン放出した例は、これまでに
はなかった。

【００５１】以下、本発明に係るＸe‐ＥＳＰのＦＩＢ
装置への適用例を示す。ここで示す試料は、超大型コン
ピュータに搭載されるシリコンＵＬＳＩである。図１１
（ａ）は、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１８１，１
８１′が短絡を起こしていた。この異物１８２を除去す
るために、まず、上記試料の表面観察を表面異物検査装
置（図示せず）によって行い、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走査
し、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１μ
ｍの球形であった。Ｘe‐ＦＩＢ１８３のビーム電流を
高め、異物１８２が覆う領域を走査した。約１０分間の
照射によって、図１５（ｂ）のように、試料表面はＦＩ
Ｂ照射による照射跡１８４は若干残るものの、上記異物
１８２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。

【００５２】このＦＩＢが不活性ガスの一種であるＸe
イオンであるため、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。また、この装置は、上に示
した異物除去の他に、表面に形成された薄い酸化膜を除
去することもでき、走査型電子顕微鏡やＦＩＢによる試
料表面観察の際に、像を明確なコントラストで観察でき
るようにすることにも利用できる。

【００５３】実施例１から７は、本発明のうちの僅かな
例に過ぎない。本発明の趣旨は、一次イオンビーム種そ
のものによる汚染を抑えたイオン源、およびこれを搭載
した装置、このイオン源から得られるＦＩＢを利用した
プロセスを提供することであって、イオンビーム光学系
の集束レンズ、偏向器などの個数や配列などはビーム集
束性やビーム電流などの観点から、種々の改変が可能で
あることは周知のことである。

【００５４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係るエレ
クトロスプレイ型イオン源、及びこれを用いた集束イオ
ンビーム装置においては、上記イオン源にイオン材料を
低温に維持する冷却手段を設けたことにより、イオン材
料として液体状の各種不活性ガスや酸素、窒素などを用
いることができ、かつ、これらのイオンを高輝度に放出
することができるため、これらのイオン源を搭載した集
束イオンビーム装置により、特に、半導体試料表面の微
小領域を、試料表面に汚染を与えることなしに、微細加
工すること、あるいは高感度な二次イオン質量分析を行
うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るエレクトロスプレイ型イオン源の
基本的な構成を示す概略構成図である。

【図２】従来型のエレクトロスプレイ型イオン源の概略
構成図である。

【図３】本発明に係るエレクトロスプレイ型イオン源の
作用の説明図であり、（ａ）は基本的な構成、（ｂ）は
キャピラリ先端部の拡大図である。

【図４】本発明に係るエレクトロスプレイ型イオン源の
別の構成例（ａ），（ｂ），（ｃ）を示した図である。

【図５】本発明に係る液体酸素エレクトロスプレイ型イ
オン源を搭載した二次イオン質量分析装置の概略構成図
である。

【図６】集束イオンビームによってシリコンウエハの一
部に矩形の穴を穿った図である。

【図７】集束イオンビームで穿たれた矩形穴の側面の拡
大図である。

【図８】本発明に係る液体窒素エレクトロスプレイ型イ
オン源を搭載したＴＥＭ試料作製装置によるＴＥＭ試料
作製方法の説明図である。

【図９】本発明に係る液体酸素エレクトロスプレイ型イ
オン源を搭載した集束イオンビーム装置により、シリコ
ン基板上に絶縁膜を形成する実験の説明図である。

【図１０】本発明に係る液体キセノンエレクトロスプレ
イ型イオン源を搭載した表面異物除去装置の概略構成図
である。

【図１１】（ａ）は本発明に係る集束イオンビームを用
いた表面異物除去装置の動作説明図、（ｂ）は異物を除
去した後の様子を示す図である。

【符号の説明】

１…イオン材料３…キャリアガス４…イオン材料槽５…イオン材料貯溜部６…キャピラリ７…イオン材料供給口８…空気抜き９…断熱性セラミック１０…冷却槽１１…冷媒１２…冷媒供給口１３…空気抜き１４…バルブ１５…タンク１６，１６′…バルブ１７…キャリアガス放
出口１８…空気抜き１９…引出し電極２０…荷電液滴２１…フランジ２５…パイプ２６…供給口２７…キャリアガス導入パイプ２８…真空容器３０…試料溶液３１…シリンジ３２…キャピラリ３３…対向電極３４…液滴３５…不活性ガス３６…クラスタイオン３７…第２キャピラリ３８…スキマー４０…ビーム集束系４１…イオン化室４２，４３…真空ポン
プ５０…ＥＳＰイオン源５１…イオン材料貯溜
部５２…液体窒素（イオン材料）５３…シリンダ５４…キャピラリ５５…対向電極５６…荷電微粒子５７…セラミックス５８…真空容器５９…空気抜き６０…キャリアガス６１…タンク６２…キャリアガス導入口６３…クラスタイオン６４…第２キャピラリ８１…Ｏ‐ＥＳＰイオ
ン源８２…引出し電極８３…一次イオンビー
ム８４…ビーム制限アパチャ８５…集束レンズ８６…偏向器８７…試料８８…試料台８９…二次イオン９０…二次イオン質量分析部１００…Ａr‐ＦＩＢ１０１…矩形穴１０２…第１層配線１０３…第２層配線１０４…第３層配線１０５…第１層間絶縁膜１０６…第２層間絶縁
膜１０７…表面保護膜１３０…試料１３１，１３１′…矩形穴１３２…Ｎ‐ＦＩＢ１３３…ＴＥＭ試料１３４…微小欠陥１３５…観察方向１４０…導電領域１４１…絶縁層１４２…Ｗデポジショ
ン層１４３，１４４…パッド１５０…イオン源１５１…集束イオンビーム照射系１５２…試料１５３…二次電子検出
器１５４…試料台１５５，１５５′…バ
ルブ１５６…Ｘe‐ＦＩＢ１５７…搬送路１５８…試料室１８０…ウエハ１８１，１８１′…配線１８２…異物１８３…Ｘe‐ＦＩＢ１８４…照射跡

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】液体のイオン材料、該イオン材料を貯溜す
る貯溜部、上記イオン材料をイオン化領域に導くための
金属製キャピラリ、該金属製キャピラリの先端に電界を
集中させるための引出し電極、を有するエレクトロスプ
レイ型イオン源において、少なくとも上記イオン材料を
低温に保持するための冷却手段を有することを特徴とす
るエレクトロスプレイ型イオン源。
【請求項２】液体のイオン材料、該イオン材料を貯溜す
る貯溜部、上記イオン材料をイオン化領域に導くための
金属製キャピラリ、該金属製キャピラリの先端に電界を
集中させるための引出し電極、及び上記イオン材料の気
化を促進するキャリアガスの供給手段、を有するエレク
トロスプレイ型イオン源において、少なくとも上記イオ
ン材料を低温に保持するための第１冷却手段と、上記キ
ャリアガスを低温にするための第２冷却手段とを有する
ことを特徴とするエレクトロスプレイ型イオン源。
【請求項３】少なくとも上記イオン材料の貯溜部および
上記キャピラリの一部が断熱真空容器内に設置されてい
ることを特徴とする請求項１または２に記載のエレクト
ロスプレイ型イオン源。
【請求項４】上記イオン材料が、液体酸素、液体窒素、
液体アルゴン、液体キセノン、液体クリプトン、液体ネ
オンのうちの少なくとも１種であることを特徴とする請
求項１，２または３に記載のエレクトロスプレイ型イオ
ン源。
【請求項５】上記イオン材料を低温に保持する冷却手段
に液体窒素を用いたことを特徴とする請求項１から４ま
でのいずれかの項に記載のエレクトロスプレイ型イオン
源。
【請求項６】上記イオン材料と上記キャリアガスとが同
一元素であることを特徴とする請求項２に記載のエレク
トロスプレイ型イオン源。
【請求項７】上記イオン材料が液体窒素であり、上記キ
ャリアガスが低温窒素ガスであることを特徴とする窒素
イオン放出用の請求項６に記載のエレクトロスプレイ型
イオン源。
【請求項８】上記イオン材料が液体アルゴンであり、上
記キャリアガスが低温アルゴンガスであることを特徴と
するアルゴンイオン放出用の請求項６に記載のエレクト
ロスプレイ型イオン源。
【請求項９】上記イオン材料が液体酸素であり、上記キ
ャリアガスが低温酸素ガスであることを特徴とする酸素
イオン放出用の請求項６に記載のエレクトロスプレイ型
イオン源。
【請求項１０】イオン源、集束イオンビーム形成系、試
料台から構成された集束イオンビーム装置において、上
記イオン源が請求項１から９までのいずれかの項に記載
のエレクトロスプレイ型イオン源であることを特徴とす
る集束イオンビーム装置。
【請求項１１】上記試料の微細領域の加工に、上記試料
表面に付着した異物を除去する加工を含むことを特徴と
する請求項１０に記載の集束イオンビーム装置。
【請求項１２】上記試料の微細領域の加工に、走査型電
子顕微鏡または透過型電子顕微鏡による断面観察用試料
の作製加工を含むことを特徴とする請求項１０に記載の
集束イオンビーム装置。
【請求項１３】イオン源、イオンビーム照射系、試料
台、二次イオン分析部から構成される二次イオン質量分
析装置において、上記イオン源に、液体酸素をイオン材
料とする請求項９に記載のエレクトロスプレイ型イオン
源を用いたことを特徴とする二次イオン質量分析装置。
【請求項１４】イオン材料が液体酸素である請求項９に
記載のエレクトロスプレイ型イオン源、集束イオンビー
ム照射系、試料台から構成された集束イオンビーム装置
により、集束酸素イオンビームを試料に照射すること
で、上記試料に微細な電気的絶縁領域を形成することを
特徴とする微細絶縁領域の形成方法。