JPH10283971A - 集束イオンビーム加工方法及び加工装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ＦＩＢ照射による損傷の厚さをコントロール
しつつ、高速な加工を行う。 【解決手段】 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
での加速電圧Ｖ１，Ｖ２におけるレンズ条件を登録して
おく。加工領域の設定時には加速電圧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、形成したＦＩ
Ｂ３１で領域３３を走査してＳＩＭ像を形成する。加工
時には加速電圧Ｖ２のレンズ条件でＦＩＢ３２を形成
し、領域３４を加工する。

Description

【発明の詳細な説明】

【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５−１５
９８１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 Sampl
e Preparation Using a Focused Ion Beam (J. Electro
n 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１
０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、Ｓ
ＩＭ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，Ｖ
２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Ｖ１，Ｖ２はＶ１＝Ｖ２，Ｖ１＞Ｖ２か
ら選択することができる。具体的には、粗加工の時Ｖ１
＝Ｖ２とし、仕上げ加工の時Ｖ１＞Ｖ２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１
３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４０ｋ
Ｖ，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ＦＩ
Ｂを用いた同一加工体積の加工時間は、４０ｋＶ、５０
ｋＶ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、５０
ｋＶ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】そこで従来は、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＝５０
ｋＶ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Ｖ
１＝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＝５０ｋ
Ｖ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、ＣＲＴ１
７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２０
ｎＡ）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ＦＩＢ
３１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＝４
０ｋＶ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＝４０ｋ
Ｖ、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１００
ｎｍ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＝３０ｋ
Ｖ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４
７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３
０ｋＶ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３０
ｋＶのＦＩＢ加工による損傷を受けた層の厚さ

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項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、 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、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
   レンズ制御を行うことを特徴とする集束イオンビーム加
   工方法。
2. 【請求項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、前記加速電圧
   Ｖ１，Ｖ２はＶ１＜Ｖ２であ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. 【請求項３】 前記加速電圧Ｖ１は２５〜３５ｋＶであ
   り、前記加速電圧Ｖ２は４０〜６０ｋＶ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. 【請求項４】 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Ｖ１，Ｖ２はＶ１＝Ｖ２，Ｖ１＞Ｖ
   ２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。
5. 【請求項５】 粗加工の時Ｖ１＝Ｖ２であり、仕上げ加
   工の時Ｖ１＞Ｖ２であることを特徴とする請求項４記載
   の集束イオンビーム加工方法。
6. 【請求項６】 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ＳＩ
   Ｍ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。