JPH0817800A - 集束イオンビーム装置およびそれを用いた試料加工方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 加工時間の短縮と加工の高精度化ができる集
束イオンビーム技術を提供する。 【構成】 イオン源１から放出するイオンビーム２を複
数のイオンビーム２に分割するアパーチャ４と、前記イ
オンビーム２を調整するレンズ系および偏向電極系とを
有する集束イオンビーム装置であって、前記アパーチャ
４によって２本以上のイオンビーム２に分割され、分割
された複数の前記イオンビーム２をそれぞれに対応した
調整をレンズ系および偏向電極系を用いて行い、それぞ
れに対応した調整が行われている複数の前記イオンビー
ム２を用いて試料９の異なる領域を同時に照射して加工
処理を行うものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、集束イオンビーム装置
およびそれを用いた試料加工方法に関し、特に半導体集
積回路装置の加工処理技術に適用して有効な技術に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】半導体集積回路装置においては、高集積
化および微細化が行われており、最小加工寸法を、たと
えば0.５μｍ以下にすることが必要になってきている。

【０００３】このため、半導体集積回路装置の不良解析
を行うために、電子に比較して質量の重いイオンを加速
し、集束して試料の加工などの処理に適用できる集束イ
オンビーム（Focused Ion Beam）装置を使用することが
考えられる。

【０００４】前記集束イオンビーム装置を用いることに
より、たとえば0.５μｍ以下の微細領域の断面加工を行
うことが可能となり、半導体集積回路装置の高集積化お
よび微細加工化にともない、集束イオンビーム装置を使
用して、透過型電子顕微鏡 (Transmission Electron Mi
croscopy; 以下、ＴＥＭともいう）用の試料作製などが
必要不可欠なツールとなってきている。

【０００５】前記集束イオンビーム装置は、イオンガン
（イオン銃）から発射されるイオンビームを集束した
後、偏向させて、試料に照射するものである。イオン源
としては、たとえばガリウムが用いられている。前記試
料にガリウムイオンビームを照射することにより、前記
試料表面がスパッタエッチングされる。イオンビームの
ビーム径は、たとえば５０〜５００μｍである。このよ
うに、前記試料表面をスパッタエッチングすることによ
り、前記試料の断面を露出させ、走査型電子顕微鏡 (Sc
anning Electron Microscopy; ＳＥＭ）あるいは透過型
電子顕微鏡の断面観察用試料の作製に使用することがで
きる。

【０００６】なお、この種の集束イオンビーム装置につ
いては、たとえば工業調査会、平成４年１１月２０日発
行「電子材料別冊・超ＬＳＩ製造・試験装置ガイドブッ
ク」Ｐ１２６〜Ｐ１３１に記載がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところが、前記集束イ
オンビーム装置では、イオンガンから発射される１つの
イオンビームを集束した後、偏向させて、試料に照射す
るものであるため、１つのイオンビームを用いるもので
は、試料の加工精度の向上には限界があり、加工作業に
多大な時間がかかるという問題点があることを、本発明
者は見い出した。

【０００８】さらに、本発明者は、次に述べる諸問題点
を見い出した。すなわち、研磨による不良ビット対応断
面ＴＥＭ試料作製にあたっては、大変困難で熟練度の高
い者が手がけても、ゆうに１カ月以上かかっている。さ
らに、ＬＳＩプロセスの微細加工精度が光学顕微鏡の分
解能を越えるようになり、研磨法による試料作製はます
ます困難になってきている。

【０００９】また、イオン顕微鏡を搭載した精度の高い
集束イオンビーム装置を使用して試料の不良ビット個所
を見ながら断面加工すると、試料作製時間が短縮される
としても約２日間かかる。

【００１０】本発明の一つの目的は、加工時間の短縮と
加工の高精度化ができる集束イオンビーム装置を提供す
ることにある。

【００１１】本発明の他の目的は、集束イオンビームを
用いた加工処理に際して、加工時間の短縮と加工精度の
向上が達成できる加工方法を提供することにある。

【００１２】本発明の前記ならびにその他の目的と新規
な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかに
なるであろう。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明において開示され
る発明のうち、代表的なものの概要を説明すれば、以下
のとおりである。

【００１４】本発明の集束イオンビーム装置は、イオン
源から放出するイオンビームを複数のイオンビームに分
割するアパーチャと、前記イオンビームを調整するレン
ズ系および偏向電極系とを有するものである。

【００１５】

【作用】前記した手段によれば、イオン源から放出する
１本のイオンビームが、アパーチャによって２本以上の
イオンビームに分割され、分割された複数の前記イオン
ビームをそれぞれに対応した調整をレンズ系および偏向
電極系を用いて行い、それぞれに対応した調整が行われ
ている複数の前記イオンビームを用いて試料の異なる領
域を異なる照射面積で同時に照射して加工処理を行うこ
とができる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細
に説明する。なお、実施例を説明するための全図におい
て同一機能を有するものは同一の符号を付し、重複説明
は省略する。

【００１７】（実施例１）図１は、本発明の一実施例で
ある集束イオンビーム装置を示す側面図である。同図を
用いて、本発明の集束イオンビーム装置およびそれを用
いた試料加工技術の具体的な技術について説明する。

【００１８】図１に示すように、本発明の一実施例であ
る集束イオンビーム装置は、イオン源１からイオンビー
ム２を放出し、前記イオンビーム２を、バトラーレンズ
であるコンデンサレンズ３、アパーチャ４を通過させる
ことにより、２本のイオンビーム２に分割している。そ
して、その２本のイオンビーム２を、バトラーレンズで
ある中間レンズ１２、１ｓｔオクトポール（スティグメ
ーション）である偏向電極５、ビームブランキングアパ
ーチャ６、バトラーレンズである対物レンズ７、２ｎｄ
オクトポール（ディフレクション）である偏向電極８、
偏向電場を前記イオンビーム２に印加でき得る偏向電極
１３を通して試料９に照射するものである。また、前記
イオンビーム２が前記試料９の表面に照射された際に発
生する２次電子または２次イオンなどの２次粒子１０を
マイクロ・チャネル・プレート（Ｍ．Ｃ．Ｐ）１１によ
って検出する機能を備えている。前記マイクロ・チャネ
ル・プレート１１においては、走査型イオン顕微鏡（Sc
anning Ion Microscope 、以下、略してＳＩＭと称す
る）機能が備えられている。ＳＩＭ像は、前記集束イオ
ンビーム装置のイオンビーム２を照射することにより放
出される２次粒子１０を検出器により検出し、この検出
された２次粒子１０による画像を作成するものであり、
電気信号として検出することにより、終点検出や断面観
察に利用している。

【００１９】前記イオン源１からは、たとえば３μＡと
いう大量のガリウム（Ｇａ）イオンビームからなるイオ
ンビーム２が放出されている。前記イオンビーム２の加
速電圧は、１５〜３０ＫＶであり、５ＫＶ毎に変更でき
るようになっている。

【００２０】前記イオンビーム２は、３段の前記バトラ
ーレンズであるコンデンサレンズ３、対物レンズ７、中
間レンズ１２および後述する５種類の異なる径を有する
穴を備えているアパーチャ４により集束される。

【００２１】集束されたイオンビーム２は、前記偏向電
極５，８，１３による偏向電場によって偏向することが
できるようになっている。

【００２２】偏向されたイオンビーム２は、試料９の表
面に照射される。

【００２３】このように、イオンビーム２は、２本に分
割されると共に、集束および偏向されて前記試料９の表
面に照射されることにより、２本のイオンビーム２によ
ってそれぞれの異なる位置における試料９の表面をスパ
ッタエッチングすることができる。

【００２４】前記試料９は、たとえば、単結晶のシリコ
ン（Ｓｉ）を主とする半導体ウエハまたは半導体基板そ
れに前記半導体ウエハまたは前記半導体基板をスターテ
ィングマテリアルとして製作している種々の製造工程に
おける半導体デバイスなど加工処理する対象物を使用す
ることができる。

【００２５】前記アパーチャ４は、図２に示すように、
１組のアパーチャ板１４ａ〜１８ａと、それに対応して
いる他の組のアパーチャ板１４ｂ〜１８ｂとから構成さ
れている。

【００２６】１組の前記アパーチャ板１４ａ〜１８ｂに
は、全部で５種類の互いに異なる直径を有する穴が設け
られており、その穴を通して前記イオンビーム２を集束
できるようになっている。また、１組の前記アパーチャ
板１４ａ〜１８ａに対応する他の組の前記アパーチャ板
１４ｂ〜１８ｂには、前記アパーチャ板１４ａ〜１８ａ
と対応するように、全部で５種類の互いに異なる直径を
有する穴が設けられており、その穴を通して前記イオン
ビーム２を集束できるようになっている。

【００２７】具体的に説明すると、前記アパーチャ４に
おける前記アパーチャ板１４ａとそれに対応する他の組
の前記アパーチャ板１４ｂには、前記イオンビーム２を
集束するための直径が、たとえば５０ｎｍの穴が設けら
れている。また、前記アパーチャ板１５ａとそれに対応
する他の組の前記アパーチャ板１５ｂには、前記イオン
ビーム２を集束するための直径が、たとえば６０ｎｍの
穴が設けられている。

【００２８】また、前記アパーチャ板１６ａとそれに対
応する他の組の前記アパーチャ板１６ｂには、前記イオ
ンビーム２を集束するための直径が、たとえば１２０ｎ
ｍの穴が設けられている。また、前記アパーチャ板１７
ａとそれに対応する他の組の前記アパーチャ板１７ｂに
は、前記イオンビーム２を集束するための直径が、たと
えば４００ｎｍの穴が設けられている。

【００２９】さらにまた、前記アパーチャ板１８ａとそ
れに対応する他の組の前記アパーチャ板１８ｂには、前
記イオンビーム２を集束するための直径が、たとえば５
００ｎｍの穴が設けられている。

【００３０】前記アパーチャ４における各アパーチャ板
１４ａ〜１８ａ，１４ｂ〜１８ｂの切り替えは、図示を
省略している電動モータを用いて制御し、駆動すること
によって行われている。

【００３１】図２に示すように、選択されたアパーチャ
板１６ａ，１６ｂは、中央で重なり、それらの間には隙
間はない状態となっている。それ以外のアパーチャ板
は、前記イオンビーム２の通路から離れた位置に留まっ
ている。

【００３２】つまり、上方から放出されてくる１本の前
記イオンビーム２は、２組のアパーチャ板１６ａ，１６
ｂを通って２組のイオンビーム２ａ，２ｂに分割される
ことになる。

【００３３】図２に示すように、本実施例１において
は、前記アパーチャ板１６ａの穴の径と、前記アパーチ
ャ板１６ｂの穴の径とが同じであるものが選択されてい
る。本実施例１においては、前記アパーチャ板１４ａ〜
１８ａおよび前記アパーチャ板１４ｂ〜１８ｂは、設定
条件に応じて種々の組み合わせによって選択でき得るも
のである。

【００３４】すなわち、前記イオンビーム２におけるビ
ーム集束径またはビーム電流密度は、１組のアパーチャ
板１４ａ〜１８ａおよび他の組のアパーチャ板１４ｂ〜
１８ｂを種々選択することにより、異なるものにするこ
とができる。

【００３５】前記アパーチャ板１４ａ〜１８ａ，１４ｂ
〜１８ｂの下には、静電レンズを採用した中間レンズ１
２を装備している。

【００３６】また、前記アパーチャ板１４ａ〜１８ａ，
１４ｂ〜１８ｂによって、１本のイオンビーム２が２本
のイオンビームとなっているそれぞれのイオンビーム２
ａ，２ｂに対応して偏向電場を印加でき得るように偏向
電極１３が設けられている。

【００３７】前述したように、本実施例１における集束
イオンビーム装置は、１つのイオン源１から放出した大
量のイオンビーム２が、それぞれが穴をもつ２つの組の
アパーチャ板１４ａ〜１８ａ，１４ｂ〜１８ｂによっ
て、２本のイオンビーム２ａ，２ｂに分割され、２本の
イオンビーム２ａ，２ｂをもって前記試料９の表面を照
射して、試料９を加工処理することができるものであ
る。

【００３８】すなわち、個々に動作できる２組のアパー
チャ板１４ａ〜１８ａ，１４ｂ〜１８ｂによって、２本
のイオンビーム２ａ，２ｂとし得ると共に、それらの２
本のイオンビーム２ａ，２ｂの径をアパーチャ板１４ａ
〜１８ａ，１４ｂ〜１８ｂによって、所定のものに選択
することができる。

【００３９】さらに、前記中間レンズ１２により２本の
前記イオンビーム２ａ，２ｂの照射位置を自由に設定で
きる。

【００４０】したがって、２本に分割された前記イオン
ビーム２ａ，２ｂを用いて、同時に前記試料９における
任意の２カ所を加工することができる。

【００４１】また、本実施例１における集束イオンビー
ム装置に、図３に示すように、２本の集束されたイオン
ビーム２ａ，２ｂに対応してそれぞれ偏向電極１３ａ，
１３ｂを設けることにより、２本のイオンビーム２ａ，
２ｂを個々に偏向させることができる。したがって、前
記試料９の表面でのスキャン方式をそれぞれ別個に選択
できると共に、異なるスキャン方式を採用することがで
きる。それゆえ、前記試料９は、２本の前記イオンビー
ム２ａ，２ｂを用いることにより、同一条件のもとに同
一の加工を行うことができると共に、異なった面積など
の異なった条件をもって、異なった加工ができる。

【００４２】また、本実施例１における集束イオンビー
ム装置におけるアパーチャ４は、２組のアパーチャ板を
有しており、それらによって２つの穴を備えているもの
である。したがって、前記アパーチャ４によって２本に
分割された前記イオンビーム２ａ，２ｂを集束し、偏向
させて前記試料９の表面に照射し、前記イオンビーム２
ａ，２ｂが照射された領域の前記試料９の表面をスパッ
タエッチングすると共に、前記スパッタエッチングされ
た領域から放出される２次粒子を２次粒子検出器により
検出する手段とを備えた集束イオンビーム装置である。
また、前記のイオンビーム２ａ，２ｂの通路に中間レン
ズ１２を設けている。さらに、３段目のレンズの下に２
本のイオンビーム２ａ，２ｂに対して、それぞれ偏向し
得る手段を設けている。

【００４３】それ故に、前記アパーチャ４に２個の穴を
設けていることにより、１つのイオン源から２本のイオ
ンビームを得ることができる。そのため、同時に２つの
加工を行うことができる。したがって、１本のイオンビ
ームを用いて加工するものに比較して加工時間を半分に
短縮できることになり、加工時間を大幅に短縮すること
ができる。

【００４４】また、前記中間レンズ１２を備えているこ
とにより、２本のイオンビーム２ａ，２ｂの距離を自在
に偏向することができる。そのため、加工時間の短縮と
加工精度の向上が達成できる。

【００４５】さらに、２本のイオンビーム２ａ，２ｂに
それぞれ偏向電極１３ａ，１３ｂを設けることにより、
２カ所の加工領域を独立して変更できる。これにより、
集束イオンビーム装置において、加工時間の短縮と加工
精度の向上が達成できる。

【００４６】本実施例１における前記集束イオンビーム
装置は、イオンガンから発射されるイオンビーム２を集
束した後、偏向させて、試料９に照射するものである。
イオン源１としては、たとえばガリウムが用いられてい
る。前記試料９にイオンビーム２を照射することによ
り、前記試料９の表面がスパッタエッチングされる。イ
オンビームのビーム径は、たとえば５０〜５００μｍで
ある。このように、前記試料９の表面をスパッタエッチ
ングすることにより、前記試料９の断面を露出させ、Ｓ
ＥＭあるいはＴＥＭの断面観察用試料の作製に使用する
ことができる。

【００４７】前記集束イオンビーム装置を用いた断面Ｔ
ＥＭ観察用試料作製法としては、まず、集束イオンビー
ム装置に内蔵されたＳＩＭ機能により、ビームを細く絞
って試料９の表面の形状を観察する。不良ビットにマー
キングを施し、前記試料９を研磨で、たとえば６０〜８
０μｍ幅の棒状に加工する。そして、集束イオンビーム
装置で不良ビット領域の断面を、たとえば５００ｎｍの
膜厚まで加工していく。試料を傾斜させてガリウムのコ
ンタミの残っている断面を細く絞ったビーム径でクリー
ニングする。しかし、ＴＥＭは電子線の透過像を観察す
るため、試料を電子線の透過し得る厚さである２００ｎ
ｍ程度以下まで薄くする必要がある。

【００４８】そこで、最後の処理として膜厚を、たとえ
ば２００ｎｍとなるようにアルゴン（Ａｒ）イオン等で
ミリングする。このような２本のイオンビーム２ａ，２
ｂを用いて、一連の手法により不良ビット対応の断面Ｔ
ＥＭ観察用試料を短時間に作製することができる。

【００４９】また、イオン源１から放出するイオンビー
ム２を複数のイオンビーム２ａ，２ｂに分割するアパー
チャ４と、前記イオンビーム２を調整するレンズ系およ
び偏向電極系および前記イオンビーム２を試料９の表面
に照射した際に発生する２次粒子１０を検出する検出系
１１とを有するため、前記試料９の異なる領域に複数の
イオンビーム２を同時に照射すると共に、前記検出系に
より２次粒子１０を検出してそれからえられる情報をも
って前記試料９を前記複数のイオンビーム２ａ，２ｂを
制御して加工することできることにより、前記試料９の
不良ビット個所を見ながら断面加工すると、試料作製時
間を短縮することができる。

【００５０】それゆえ、本発明は、加工時間の短縮と加
工の高精度化ができる集束イオンビーム装置および試料
加工方法を提供することができる。

【００５１】本実施例における集束イオンビーム装置に
おける前記アパーチャ４は、２組のアパーチャ板を有し
ており、それらによって２つの穴を備えているものであ
るが、前記アパーチャ４の他の態様としては、３組、４
組というように複数の組をもっているアパーチャ板を採
用して、３本、４本というように前記イオンビーム２を
複数に分割する様式を採用することができる。また、各
組のアパーチャ板１４ａ〜１８ａ，１４ｂ〜１８ｂにお
ける穴の径も種々の条件に合致したものにすることがで
きる。

【００５２】（実施例２）図４は、本発明の他の実施例
である集束イオンビーム装置を示す側面図である。同図
を用いて、本発明の集束イオンビーム装置の具体的な技
術について説明する。

【００５３】図４に示すように、本実施例２の集束イオ
ンビーム装置は、２つのイオン源１を備えており、イオ
ン源１と他のイオン源１とは、全く同じ型のものであ
り、個々に必要に応じ交換できるものである。

【００５４】また、供給電圧と引き出し電圧は、個々の
イオン源１に対して切り替わり、２つのイオン源１を同
時に使用したり１つだけのイオン源１を使用することを
選択し得るものである。

【００５５】さらにまた、前記イオン源１は、使用時間
が経過すれば消耗するので、消耗により使用不可となっ
たイオン源１は、交換する必要がある。本実施例２にお
ける集束イオンビーム装置では、２つのイオン源１を搭
載していることにより、一方を交換している間、もう一
方で加工を行うことができ、常に使用条件のもとに稼働
させることができるので、集束イオンビーム装置の稼働
率を向上させることができる。

【００５６】また、２つのイオン源１を搭載しているこ
とにより、イオンビーム２の強度などを種々調整できる
ために、加工時間の短縮と加工精度の向上が達成でき
る。

【００５７】なお、他の構成要素は、前述した実施例１
における集束イオンビーム装置と同様なものを採用して
いることにより、説明を省略する。

【００５８】以上、本発明者によってなされた発明を実
施例に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施例
に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲
で種々変更可能であることはいうまでもない。

【００５９】

【発明の効果】本願によって開示された発明のうち、代
表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、
以下の通りである。

【００６０】本発明によれば、イオン源から放出するイ
オンビームを複数のイオンビームに分割するアパーチャ
と、前記イオンビームを調整するレンズ系および偏向電
極系とを有するものであることにより、イオン源から放
出する１本のイオンビームが、アパーチャによって２本
以上のイオンビームに分割され、分割された複数の前記
イオンビームをそれぞれに対応した調整をレンズ系およ
び偏向電極系を用いて行い、それぞれに対応した調整が
行われている複数の前記イオンビームを用いて試料の異
なる領域を同時に照射して加工処理を行うことができる
ため、加工精度を高くし得ると共に、加工時間を短縮で
きるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である集束イオンビーム装置
を示す側面図である。

【図２】本発明の一実施例である集束イオンビーム装置
におけるアパーチャを示す側面図である。

【図３】本発明の一実施例である集束イオンビーム装置
における偏向電極近傍を示す拡大側面図である。

【図４】本発明の他の実施例である集束イオンビーム装
置を示す側面図である。

【符号の説明】

１ イオン源 ２，２ａ，２ｂ イオンビーム ３ コンデンサレンズ ４ アパーチャ ５ 偏向電極 ６ ビームブランキングアパーチャ ７ 対物レンズ ８ 偏向電極 ９ 試料 １０ ２次粒子 １１ マイクロ・チャネル・プレート（Ｍ．Ｃ．Ｐ） １２ 中間レンズ １３，１３ａ，１３ｂ 偏向電極 １４ａ，１４ｂ アパーチャ板 １５ａ，１５ｂ アパーチャ板 １６ａ，１６ｂ アパーチャ板 １７ａ，１７ｂ アパーチャ板 １８ａ，１８ｂ アパーチャ板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｊ 37/147 Ｄ 37/28 Ｚ Ｈ０１Ｌ 21/027

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 イオンビームを放出するイオン源と、前
   記イオンビームを複数のイオンビームに分割するアパー
   チャと、前記イオンビームを調整するレンズ系および偏
   向電極系とを有することを特徴とする集束イオンビーム
   装置。
2. 【請求項２】 イオンビームを放出するイオン源と、前
   記イオンビームを複数のイオンビームに分割するアパー
   チャと、前記イオンビームを調整するレンズ系および偏
   向電極系と、前記イオンビームを試料表面に照射した際
   に発生する２次粒子を検出する検出系とを有することを
   特徴とする集束イオンビーム装置。
3. 【請求項３】 前記アパーチャは、１組の複数個からな
   るアパーチャ板と、前記アパーチャ板に対応する他の組
   のアパーチャ板とを備えてなり、それぞれの組内の複数
   個の前記アパーチャ板には、イオンビームを集束するた
   めの相互に異なる直径を有する穴が設けられていること
   を特徴とする請求項１または２記載の集束イオンビーム
   装置。
4. 【請求項４】 前記偏向電極系には、複数に分割されて
   いるイオンビームのそれぞれに対し偏向操作を行う偏向
   電場が印加できる偏向電極が備えられていることを特徴
   とする請求項１から３のいずれか一項に記載の集束イオ
   ンビーム装置。
5. 【請求項５】 前記イオン源が、２つ以上備えられてい
   ることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記
   載の集束イオンビーム装置。
6. 【請求項６】 イオン源から放出するイオンビームを複
   数のイオンビームに分割するアパーチャと、前記イオン
   ビームを調整するレンズ系および偏向電極系と、前記イ
   オンビームを試料表面に照射した際に発生する２次粒子
   を検出する検出系とを有する集束イオンビーム装置を用
   いて、試料の異なる領域に複数のイオンビームを同時に
   照射すると共に、前記検出系により２次粒子を検出して
   それから得られる情報をもって前記複数のイオンビーム
   を制御して前記試料を加工することを特徴とする試料加
   工方法。