JPH09283073A - イオンビーム照射装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】集束イオンビームでは観察不可能なパシベーシ
ョンに覆われた、または、平坦化デバイスの最下層配線
等を、簡便かつ迅速にサブミクロンの高精度で観察及び
加工を行う方法を開発する。 【解決手段】イオン源からのイオンを多次元的に移動可
能な移動機構上に載置されたターゲット上に集束して照
射し、照射位置を２次元的に走査するイオンビーム照射
機構と、イオンビームの照射により試料上の複数箇所に
マーク加工を行い、マークから発生した２次粒子を検出
して、検出信号により２次粒子像を形成する２次粒子検
出機構とからなるイオンビーム照射装置と、２次粒子像
では不足な情報を含んだ異種画像観察系を搭載した装置
からなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はイオンビーム照射装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の光学観察装置に光学顕微鏡を組み
合わせたものは、たとえば実公昭59−10687 号公報に示
すごとく、加工位置決めのために光学顕微鏡を使用した
もので、単に粗い観察加工位置設定のために使用される
ので、光学顕微鏡の倍率が低く、光学顕微鏡の光軸と光
学観察装置の光軸も１００μｍオーダのずれがあり、か
つ、解像度が悪く加工位置測長用としての工夫もされて
いない。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来、集束イオンビー
ム装置は半導体デバイスの回路修正，不良解析に応用実
用化されているが、近年半導体デバイスは、最下層Ａｌ
配線上の層間絶縁膜の平坦化が進んでおり、表面の凹凸
を観察する走査イオン顕微鏡では最下層Ａｌ配線情報は
得られない。第２層Ａｌ配線上の層間絶縁膜も平坦化さ
れているので、第２層Ａｌ配線の情報もほとんど得られ
ない。また、今後更に平坦化が進む方向にあって、将来
最上層Ａｌ配線の観察すら困難になる可能性が高い。

【０００４】また、半導体の集積化が進みデバイスの最
小線幅もサブミクロン以下であり、更に積層化も進みデ
バイスの厚さ方向も１０μｍ程度で有る。今後、更にこ
の傾向は進む方向にあり、通常の光学顕微鏡では、深さ
方向１０μｍにわたってサブミクロンオーダの像分解能
で観察することができない。

【０００５】集束イオンビーム装置において共焦点光学
顕微鏡を用いると、最下層Ａｌ配線の情報を得ることが
できる。しかし、集束イオン像と共焦点光学顕微鏡像の
像倍率，回転，歪みが異なるため、共焦点光学顕微鏡像
で加工位置決めを行うには、集束イオン像と共焦点光学
顕微鏡像間の歪みを補正することが必要である。

【０００６】

【課題を解決するための手段】半導体デバイスの絶縁膜
や保護膜は光学的には透明であるから、共焦点光学顕微
鏡を用いた場合にはサブミクロンの最下層Ａｌ配線まで
観察することができる。更に、像の積算をデバイスの最
下層から表面まで行うとサブミクロンの線幅であって
も、最下層Ａｌ配線と最上部Ａｌ配線を同じ像に鮮明な
像として観察できる。また、加工位置決めを、集束イオ
ンビームでマーク加工を行い、次に共焦点顕微鏡を用い
て加工位置を求めて、マークから加工位置までの距離を
共焦点光学顕微鏡で測定する。前記測定したマークから
の距離を元に集束イオン像で加工を行えば、最下層Ａｌ
に対しても加工が可能になる。更に加工位置決め精度を
上げるために、異種光学系間の倍率，回転，歪みの較正
を行う必要があるが、本方法によれば、簡単にかつ迅速
に精度良く行うことができる。

【０００７】本発明の課題を解決するための手段は次の
通りである。

【０００８】１．集束イオンビーム装置と平行に搭載さ
れた異種光学系（共焦点光学顕微鏡）を用いて所望の加
工位置を探す。

【０００９】２．異種光学系で求めた加工位置を集束イ
オンビームの方に移す。集束イオンビームでマークを加
工（Ｘｉ，Ｙｉ）ｉ＝０〜４（たとえば、四角形の四隅
と中心）する。この加工位置（Ｘｉ，Ｙｉ）は、集束イ
オンビーム装置の偏向器の座標系で加工したもので、ま
た、断面加工も集束イオンビーム装置で行うので集束イ
オンビーム装置の座標系を基準座標とする。このため、
偏向器に与える信号（ｓｉ，ｔｉ）ｉ＝０〜４と偏向量
（Ｘｉ，Ｙｉ）ｉ＝０〜４が等しいと考える。つまり、
ｓｉ＝Ｘｉ，ｔｉ＝Ｙｉ；ｉ＝０〜４である。

【００１０】３．マークを異種光学系の方に移す。異種
光学系を用いて、集束イオンビームで加工したマークを
観察ワークステーションに表示する。

【００１１】４．このワークステーション上の像から各
マーク位置を５点（ｘｉ，ｙｉ）ｉ＝０〜４を測定す
る。

【００１２】次に、集束イオンビーム装置の偏向板に
（Ｓｊ＝ｓｊ−ｓ０，Ｔｊ＝ｔｊ−ｔ０）ｊ＝１〜４な
るデータを与えると、実際の偏向距離（座標）が（ｕｊ
＝ｘｊ−ｘ０，ｖｊ＝ｙｊ−ｙ０）ｊ＝１〜４であるよ
うに変換する。

【００１３】５．このため、異種光学系の座標（（ｕ
ｉ，ｖｉ）ｉ＝０〜３：測定位置）を集束イオンビーム
光学系の座標（（Ｓｉ，ｔｉ）ｉ＝０〜３：加工位置）
に次式の変換式を用いて合わせる。

【００１４】即ち、ｉ＝０〜３として

【００１５】

【数３】 ｕｉ＝Ｓｉ＋ａ１Ｓｉ＋ａ２Ｔｉ＋ａ３ＳｉＴｉ＋ａ０ …（数３）

【００１６】

【数４】 ｖｉ＝Ｔｉ＋ｂ１Ｓｉ＋ｂ２Ｔｉ＋ｂ３ＳｉＴｉ＋ｂ０ …（数４） である。

【００１７】この数３，数４を制御計算機で解き変換係
数ａ０〜ａ３，ｂ０〜ｂ３を求める。

【００１８】次に、（ｕ，ｖ）なるデータを与えてそれ
に対応する（Ｓ，Ｔ）を求める。これは、ｕｉ，ｖｉ，
ａ０〜ａ３，ｂ０〜ｂ３から数３，数４をＳｉ，Ｔｉに
ついて解き、求める。

【００１９】６．ワークステーション上に表示されてい
る異種光学像で加工場所(ｕ０，ｖ０)を探し、加工領域
（Δｕ，Δｖ）を設定する。

【００２０】７．マークを集束イオンビームの方に移
す。ワークステーションに集束イオンビーム像を取り込
み中心のマーク位置（Ｘ，Ｙ）を測定する。

【００２１】８．５．で求めた変換係数ａ０〜ａ３，ｂ
０〜ｂ３と数１，数２を用いて集束イオンビーム（座
標）での加工位置（Ｓ（ｕ０）＋Ｘ，Ｔ（ｖ０）＋Ｙ）
を計算し集束イオンビーム像上に対応する加工場所を表
示する。

【００２２】９．加工パラメータの設定，加工を実施す
る。

【００２３】

【発明の実施の形態】従来、集束イオンビームを用いて
半導体の加工を行うために使用されている集束イオンビ
ーム装置は、図１に示すごとくイオン加速電圧コントロ
ーラ１で加速されたイオン源２からイオン源コントロー
ラ３で引き出されたイオンビーム４を、レンズコントロ
ーラ５で静電レンズ６の制御を行い集束する。この集束
イオンビームは、デフレクトコントローラ７からの走査
信号により走査するデフレクタ８により、２次元的に走
査する。一方、イオンビームで加工される試料９は、Ｘ
−Ｙ（平面移動），Ｚ（高さ移動），Ｒ（回転移動），
Ｔ（傾斜移動）の５軸制御１０された５軸ステージ１１
上に保持される。前記イオンビームで前記加工試料上の
一定領域を２次元的に走査させると、加工試料上から２
次粒子１２が発生する。この２次粒子を、２次粒子検出
器１３で検出して、前記２次粒子の数に対応した輝度変
調信号をデフレクタの偏向信号と同期させて検出器コン
トローラ１４でＣＲＴ１５に表示，装置制御計算機１６
で制御すると、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）と同じ原理で
走査イオン顕微鏡（ＳＩＭ）になる。集束イオンビーム
装置は、この走査イオン顕微鏡で加工試料の表面を観察
し加工位置を決め試料の加工を行う。

【００２４】また、加工試料を保持するＸ−Ｙ，Ｚ，
Ｒ，Ｔの移動機構を持つ５軸ステージは、ステージコン
トローラで制御される。当然前記ステージの在る試料室
は、イオンビームで加工を行うために真空チャンバに覆
われ、真空ポンプで１×１０^-3Ｐａの真空度に保たれて
いる。また、前記真空チャンバ全体を保持している定盤
は系全体の振動を除くためにエアーサポートに載置され
ている。

【００２５】この装置によって、たとえばガリウム(Ｇ
ａ）イオンビームをビーム径＜０.１μｍに集束し、半
導体デバイスの＜０.５μｍ のコンタクトホールを切断
した場合、その加工位置精度を＜０.１μｍ にすること
ができる。また、前記加工装置により加工される対象
は、半導体デバイス及び半導体露光用マスクがある。

【００２６】前記半導体デバイスはその断面がたとえば
図２に示すごとく、下からＳｉ基板１７，ＳＩＯ₂ 層間
絶縁膜１８，最下層Ａｌ配線１９，層間絶縁膜１８，第
２層Ａｌ配線２０，層間絶縁膜１８，最上層Ａｌ配線２
１，パッシベーション膜２２で形成されている。

【００２７】近年、半導体デバイスは従来より最下層Ａ
ｌ配線上の層間絶縁膜は平坦化が進んでおり表面の凹凸
を観察する走査イオン顕微鏡では最下層Ａｌ配線の情報
は得られない。第２層Ａｌ配線の観察ですら困難になる
可能性が高い。更に、半導体デバイスは集積化と積層化
が進み、配線幅やコンタクトホールがサブミクロンに達
し、デバイスの厚さも１０μｍになってきている。

【００２８】このような状況下では、従来技術の延長上
で集束イオンビームを用いた半導体デバイスの加工がで
きず、新たな加工技術が必要になってきいている。本発
明ではそのため、図２に示す半導体デバイスにおいて絶
縁膜が光学的には透明であるため、共焦点光学顕微鏡を
用いる。これにより、表面から＞１０μｍの最下層Ａｌ
配線まで観察することが可能である。また、共焦点光学
顕微鏡のフォーカスを最下層配線から表面まで変え、そ
のときの積算像を表示することによって、半導体デバイ
スの深さ方向１０μｍにわたってサブミクロンの像分解
能を持った像を表示することができる。したがって、共
焦点光学顕微鏡で観察したうえで走査イオン顕微鏡で加
工位置決めを行えば、最下層Ａｌ配線に関しても加工可
能になる。

【００２９】本発明装置の構成は図３に示すごとく、従
来の集束イオンビームに加えてレーザ２４，ビームスプ
リット２５，対物レンズ２６，カメラ２７，メモリとコ
ントローラ２８からなる共焦点光学顕微鏡２９をイオン
ビームと平行に試料室内の観察ができるように搭載され
ている。共焦点光学顕微鏡は光源より発生した光を一度
中間レンズで収束し、大気と真空チャンバの隔壁をなす
ガラス板を通過し対物レンズで試料上に収束し結像す
る。この結像点はイオンビームの（基準）結像高さと一
致するように共焦点光学顕微鏡は搭載されている。

【００３０】前記共焦点光学顕微鏡からの情報で構成さ
れた画像は、本発明においては、マーク及びデバイスの
表面下（内部）に存在して前記マークの表面凹凸として
現れていないパターンを意味する。また、前記の２次粒
子（ＳＩＭ）像は、本発明においてマーク及びデバイス
表面凹凸として現れているパターンを意味する。

【００３１】本発明では共焦点光学顕微鏡で所望の加工
位置を求め、集束イオンビームのビーム照射位置に前記
加工位置を移し、集束イオンビーム装置でマークを加工
し、再び共焦点光学顕微鏡に前記位置を移動しマークと
所望の加工位置の間の距離を測長し、更に、前記位置を
集束イオンビーム装置まで移動してＳＩＭ像を用いてマ
ークからの前記測長結果の場所に集束イオンビームで加
工をする。しかし、上記方法では、工程が多く煩雑で自
動化を図る必要が生じた。また、異種光学系間の光学系
の歪み，回転，倍率の違いによる影響で寸法誤差が生じ
目的の場所をサブミクロンの精度で加工できない。これ
らを克服するため、簡便でかつ、サブミクロンの精度で
加工制御できる方法を提供するように構成したことを特
徴とする。

【００３２】上記目的を解決する手段は図４の記号を用
いると、以下の手順で行う。

【００３３】１．集束イオンビーム装置と平行に搭載さ
れた異種光学系（共焦点光学顕微鏡）を用いて所望の加
工位置を探す。

【００３４】２．異種光学系で求めた加工位置を集束イ
オンビームの方に移す。集束イオンビームでマークを加
工（Ｘｉ，Ｙｉ）ｉ＝０〜４（たとえば、四角形の四隅
と中心）する。この加工位置（Ｘｉ，Ｙｉ）は集束イオ
ンビーム装置の偏向器の座標系で加工したもので、ま
た、断面加工も集束イオンビーム装置で行うので集束イ
オンビーム装置の座標系を基準座標とする。したがっ
て、サブミクロンの精度を達成するために異種光学系の
座標系を集束イオンビーム装置の座標系に精度良く変換
することを目的とする。このため、偏向器に与える信号
（ｓｉ，ｔｉ）ｉ＝０〜４と偏向量（Ｘｉ，Ｙｉ）ｉ＝
０〜４が等しいと考える。つまり、ｓｉ＝Ｘｉ，ｔｉ＝
Ｙｉ；ｉ＝０〜４である。

【００３５】３．マークを異種光学系の方に移す。異種
光学系を用いて、集束イオンビームで加工したマークを
観察ワークステーションに表示する。

【００３６】４．このワークステーション上の像から各
マーク位置(中心)を５点(ｘｉ，ｙｉ)ｉ＝０〜４を測定
する。この測定は、ワークステーション上の画像からマ
ークのエッジを検出して（自動測定）行う。

【００３７】次にやりたいことは、異種光学系の座標系
を集束イオンビーム装置の座標系に合わせる方法を求め
ることである。

【００３８】これは、集束イオンビーム装置の偏向板に
（Ｓｊ＝ｓｊ−ｓ０，Ｔｊ＝ｔｊ−ｔ０）ｊ＝１〜４な
るデータを与えると、実際の偏向距離（座標）が（ｕｊ
＝ｘｊ−ｘ０，ｖｊ＝ｙｊ−ｙ０）ｊ＝１〜４であるよ
うに変換することを意味する。

【００３９】５．このため、異種光学系の座標（（ｕ
ｉ，ｖｉ）ｉ＝０〜３：測定位置）を集束イオンビーム
光学系の座標（（Ｓｉ，ｔｉ）ｉ＝０〜３：加工位置）
に次式の変換式を用いて合わせる。

【００４０】即ち、ｉ＝０〜３として

【００４１】

【数５】 ｕｉ＝Ｓｉ＋ａ１Ｓｉ＋ａ２Ｔｉ＋ａ３ＳｉＴｉ＋ａ０ …（数５）

【００４２】

【数６】 ｖｉ＝Ｔｉ＋ｂ１Ｓｉ＋ｂ２Ｔｉ＋ｂ３ＳｉＴｉ＋ｂ０ …（数６） である。

【００４３】数５をMatrix表示すると（ただし、（ｓ
０，ｔ０）は偏向中心としｓ０＝０，ｔ０＝０である）

【００４４】

【数７】

【００４５】となる。同様に数２もMatrix表示できる。

【００４６】この数５，数６を制御計算機で解き変換係
数ａ０〜ａ３，ｂ０〜ｂ３を求める。

【００４７】次にやりたいことは、異種光学系で位置を
決めたとき、それと一致する集束イオンビームの位置を
求めることで、つまり、（ｕ，ｖ）なるデータを与えて
それに対応する（Ｓ，Ｔ）を求めることである。

【００４８】これは、ｕｉ，ｖｉ，ａ０〜ａ３，ｂ０〜
ｂ３から数１，数２をＳｉ，Ｔｉについて解き、求める
ことができる。

【００４９】６．ワークステーション上に表示されてい
る異種光学像で加工場所(ｕ０，ｖ０)を探し、加工領域
（Δｕ，Δｖ）を設定する。

【００５０】７．マークを集束イオンビームの方に移
す。ワークステーションに集束イオンビーム像を取り込
み中心のマーク位置（Ｘ，Ｙ）を測定する。この測定
は、ワークステーション上の画像からマークのエッジを
検出して（自動測定）行う。

【００５１】８．５．で求めた変換係数ａ０〜ａ３，ｂ
０〜ｂ３と数１，数２を用いて集束イオンビーム（座
標）での加工位置（Ｓ（ｕ０）＋Ｘ，Ｔ（ｖ０）＋Ｙ）
を計算し集束イオンビーム像上に対応する加工場所を表
示する。

【００５２】９．加工パラメータの設定，加工を実施す
る。

【００５３】また上記方法は、電子ビーム装置にレーザ
顕微鏡を搭載した複合装置にも同様に応用が可能であ
る。例として、ゴミ検査装置で測定した異物情報に基づ
いてステージを移動して電子ビームで観察測定する場合
に、電子ビームで情報を得ることのできない（観察でき
ない）異物に対して、観察位置近傍に電子線を照射して
真空中のカーボンのコンタミや電子線誘発デポジッショ
ンでマークを付け、それをマークとしてレーザ顕微鏡で
観察を行い、レーザ顕微鏡で観察位置を同定すること
や、上記シーケンスと逆の操作で位置を同定することが
できる。

【００５４】

【発明の効果】集束イオンビームを走査して得られる、
２次粒子像では観察不可能な半導体デバイスの最下層配
線を、集束イオン光学系と平行に装着する共焦点光学顕
微鏡を用いると観察可能である。この共焦点光学顕微鏡
を用いた本発明の補正方法によれば、パシベーションに
覆われた、また、平坦化デバイスの最下層配線であって
も、簡単にサブミクロンの高精度で観察及び加工位置を
正確に決めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来装置の説明図。

【図２】デバイスの構造の説明図。

【図３】本発明の実施装置の説明図。

【図４】マーク位置関係の説明図。

【符号の説明】

１…加工電源コントローラ、２…イオン源、３…イオン
源コントローラ、４…イオンビーム、５…レンズコント
ローラ、６…静電レンズ、７…デフレクターコントロー
ラ、８…デフレクタ、９…試料、１４…検出器コントロ
ーラ、１６…装置制御計算機、１８…層間絶縁膜、２０
…第２層Ａｌ配線。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】イオン源から引き出したイオンを多次元的
   に移動可能な移動機構上に載置された試料上に集束して
   照射し、その照射位置を２次元的に走査するイオンビー
   ム照射機構と、前記イオンビームの照射により試料上の
   複数箇所にマーク加工を行い、前記マークから発生した
   ２次粒子を検出して、その検出信号により２次粒子像を
   形成する２次粒子検出機構とからなるイオンビーム照射
   装置において、前記２次粒子像では不足な情報を含んだ
   異種画像観察系をイオンビーム照射機構と平行に搭載し
   た装置からなるイオンビーム照射装置において、前記２
   次粒子像では観察することのできない表面下の加工部位
   の位置情報を含んだ異種画像と前記２次粒子像を調整し
   て重合する重合機構として、異種光学系の間の座標変換
   を、集束イオンビームで加工したマークを基準座標とし
   て行うことを特徴とする簡便かつ迅速にサブミクロンの
   高精度で観察及び加工を行うことができるイオンビーム
   照射装置。
2. 【請求項２】前記座標変換を以下の手順により実施する
   請求項１に記載のイオンビーム照射方法。 １．集束イオンビーム装置と平行に搭載された異種光学
   系を用いて所望の加工位置を探す。 ２．異種光学系で求めた加工位置を集束イオンビームの
   方に移す。集束イオンビームでマークを加工（Ｘｉ，Ｙ
   ｉ）ｉ＝０〜４（たとえば、四角形の四隅と中心）す
   る。この加工位置（Ｘｉ，Ｙｉ）は、集束イオンビーム
   装置の偏向器の座標系で加工したもので、また、断面加
   工も集束イオンビーム装置で行うので集束イオンビーム
   装置の座標系を基準座標とする。このため、偏向器に与
   える信号（ｓｉ，ｔｉ）ｉ＝０〜４と偏向量（Ｘｉ，Ｙ
   ｉ）ｉ＝０〜４が等しいと考える。つまり、ｓｉ＝Ｘ
   ｉ，ｔｉ＝Ｙｉ；ｉ＝０〜４である。 ３．マークを異種光学系の方に移す。異種光学系を用い
   て、集束イオンビームで加工したマークを観察ワークス
   テーションに表示する。 ４．このワークステーション上の像から各マーク位置を
   ５点（ｘｉ，ｙｉ）ｉ＝０〜４と測定する。次に、集束
   イオンビーム装置の偏向板に（Ｓｊ＝ｓｊ−ｓ０，Ｔｊ
   ＝ｔｊ−ｔ０）ｊ＝１〜４なるデータを与えると、実際
   の偏向距離（座標）が（ｕｊ＝ｘｊ−ｘ０，ｖｊ＝ｙｊ
   −ｙ０）ｊ＝１〜４であるように変換する。 ５．このため、異種光学系の座標（（ｕｉ，ｖｉ）ｉ＝
   ０〜３：測定位置）を集束イオンビーム光学系の座標
   （（Ｓｉ，ｔｉ）ｉ＝０〜３：加工位置）に次式の変換
   式を用いて合わせる。即ち、ｉ＝０〜３として 【数１】 ｕｉ＝Ｓｉ＋ａ１Ｓｉ＋ａ２Ｔｉ＋ａ３ＳｉＴｉ＋ａ０ …（数１） 【数２】 ｖｉ＝Ｔｉ＋ｂ１Ｓｉ＋ｂ２Ｔｉ＋ｂ３ＳｉＴｉ＋ｂ０ …（数２） である。数１，数２を制御計算機で解き変換係数ａ０〜
   ａ３，ｂ０〜ｂ３を求める。次に、マークに囲まれた任
   意の点（ｕｉ，ｖｉ）と上記ａ０〜ａ３，ｂ０〜ｂ３を
   数１，数２に代入しＳｉ，Ｔｉについて解く。 ６．ワークステーション上に表示されている異種光学像
   で加工場所(ｕ０，ｖ０)を探し、加工領域（Δｕ，Δ
   ｖ）を設定する。 ７．マークを集束イオンビームの方に移す。ワークステ
   ーションに集束イオンビーム像を取り込み中心のマーク
   位置（Ｘ，Ｙ）を測定する。 ８．６．の加工場所（ｕ０，ｖ０）及び５．で求めた変
   換係数ａ０〜ａ３，ｂ０〜ｂ３と数１，数２を用いて集
   束イオンビーム（座標）での位置（Ｓ（ｕ０),Ｔ（ｖ
   ０））を求め加工位置（Ｓ（ｕ０）＋Ｘ，Ｔ（ｖ０）＋
   Ｙ）を集束イオンビーム像上に表示する。 ９．加工パラメータの設定，加工を実施する。
3. 【請求項３】制御計算機に異種画像を取り込み、ワーク
   ステーションから前記画像を用いて加工位置を制御する
   場合、異物検査装置のデータを元に加工位置にステージ
   を移動し、異種光学系の像を用いてゴミや加工の位置を
   確認する請求項１に記載のイオンビーム照射装置。
4. 【請求項４】異種光学顕微鏡としてレーザ顕微鏡を用い
   ること、該レーザ光を用いてウェーハのアライメントマ
   ーク位置を検出すること、レーザ顕微鏡の対物レンズの
   フォーカスを変えた像を積算するメモリ機能を有する請
   求項１に記載のイオンビーム照射装置。
5. 【請求項５】マーク加工をイオン誘発デポジションで行
   う請求項１に記載のイオンビーム照射装置。