JPH0680672B2

JPH0680672B2 - Ｉｃ素子の加工装置

Info

Publication number: JPH0680672B2
Application number: JP30311087A
Authority: JP
Inventors: 博史山口; 朗嶋瀬; 建興宮内; 幹雄本郷
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1987-12-02
Filing date: 1987-12-02
Publication date: 1994-10-12
Anticipated expiration: 2009-10-12
Also published as: JPS63296241A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は高集積デバイスの微細な配線パターン等の加工
を行なうIC素子の加工装置に関するものである。

〔従来の技術〕

半導体集積回路、CaAs素子、磁気バルブメモリ、ジョセ
フソン素子などにおいてはパターン幅、配線幅が微細化
の一途をたどっている。すなわち３μ幅から２μ幅の素
子が実現され、そして1.5μ,1μ、サブミクロンの配線
幅の素子が開発されつつある。これらの素子に対し、従
来、デバイス開発段階においてデバッグのための配線切
断が、また素子の制作段階において不良箇所の救済、書
込み、抵抗値、容量、調整のための素子の一部の切断、
接続などの手段がとられてきた。

以下代表的な用例としてデバッグのためのAl配線の切断
につき述べる。以下がAuやPoli Silicon等の配線にも適
用できることは明らかである。

半導体集積回路（以下“IC"とよぶ）においては設計開
発工程において設計不良、プロセス不良のため、試作し
たチップがそのままでは動作しないことが多い。この場
合不良箇所を判定するためには、その周辺の配線を切断
して動作試験等を行なうことが必要となる。５μ以上の
パターンにおいてはこのための手段として顕微鏡でデバ
イスを観察しながらマニユピレータにとりつけた細い金
属針により引っかいて切断する方法が用いられていた。
しかしながらこの方法は成功率が低く熟練を要するため
３μパターン以下のICでは使用不可能である。第１図に
レーザによりICの配線の切断を行なう装置を示す。レー
ザ発振器１から出たレーザビーム1aはミラー２で反射さ
れて後、レンズ3a,3bの組合せから成るビームエクスパ
ンダー３によりビーム径を拡げられ、可変スリット5,6
による矩形パターンの縮小投影像をレンズ７により載物
台９の上に置かれた試料８の上に結像する。この場合に
おいて参照光用ランプ2aからの光は凹面鏡2bにより反射
され、レンズ2cにより平行ビームとされてレーザビーム
と同じ経路を通って配線上に結像するのでこれを用いて
レーザ除去部の位置決め等が可能となる。すなわち第２
図（ａ）においてAl配線部11は配線のない部分10に隣接
している。すなわちその断面は第２図（ｂ）のようであ
り、Si基板13上にSiO₂の絶縁層14を介してAl配線15が形
成されている。第１図において参照光2dによるスリット
5,6の像12が投影されるが、スリットの幅をマイクロメ
ータ5a,6aにより調整して切断すべき配線11の幅に合わ
せる。そののちレーザを照射すればレーザ光は全く同じ
位置12に結像してこの部分を除去する。この場合に以下
のような問題が存在した。すなわちレーザにより溶融し
た部分が周辺に飛散して隣接部分に付着し、特性を劣化
し、また短絡を生じたりする。また下部のSiへ損傷を生
じさせ、またSiの一部が溶融して盛上ることによりAl配
線との短絡を生じさせる。また配線の側方においても隣
接するAl配線のない部分に影響を与えて下部のSiを損傷
し、また上記と同様なAl-Siの短絡を生じさせやすい。
これは主としてレーザの照射領域の位置決めが困難でレ
ーザ光の一部がAl配線のない部分に照射されたり、熱伝
導とAlの飛散の際、隣接するSi部分に損傷を与えるため
である。

とくに第５図のようにAl配線15の上にパツシベーシヨン
膜18がコートされている場合、これらの膜18は一般にSi
O₂，Si₃N₄などで出来ていてレーザ光に対して透明であ
るため、直接レーザにより加工されず下部のAl配線15が
レーザを吸収し、熱エネルギーを受けて、上部のパツシ
ベーシヨン膜を破って飛び出してゆくこととなる。した
がってこの場合には飛散するAl粒子はパツシベーシヨン
膜がないときに比べてはるかに高いエネルギーを有して
おり、第６図にみられるように下部や周辺に損傷を与え
やすくまたパツシベーシヨン膜自体にもクラックを生じ
たりする。さらに切断部分はパツシベーシヨン膜に穴20
があいてしまい、容易にこれを埋める方法がないため特
性の劣化を来たすというような課題があった。

さらに、根本的な問題として、ICが微細化、高集積化し
て配線幅が２μから1.5,1μそしてサブミクロンと狭く
なっていく傾向に対してレーザ加工による配線切断法は
限界を有する。すなわち第１図に示した結像投影法によ
ってもまた、第７図のごとくレンズ21によりビームを細
く絞り、焦点22に試料を置いてこれを加工する場合でも
レーザ光の回析限界のため波長（可視光で0.5μ）スポ
ット径を得ることは困難である。さらにレーザ加工法で
は材料がレーザ光を吸収してこれが熱に変化してからこ
れを吹飛ばすという過程を経るため熱伝導や溶融噴出な
どによる周辺の影響を避けることは不可能であり、加工
域、熱影響域はスポット径よりも大きくなってしまうの
が常であった。すなわち実用的な最小加工寸法は１μ程
度であり、このため１μ以下の配線パターンに対してレ
ーザ加工法を適用することは困難であった。また、従来
技術として、特開昭56-80131号公報、特開昭56-94630号
公報、アプライド、フイジックス、レター「アハイイ
ンテンシテイスキヤニングイオンプローブウィズ
サブマイクロメータスポットサイズ（Appl.Phys.
Lett.34（５）、“A highintesity scanning ionprobe
with submicrometer spot size"）P310-311、1979年３
月１日発行、および理化学研究所半導体工学研究室応用
物理学会応用電子物性分科会日本学術振興会荷電粒子ビ
ームの工業への応用第132委員会第13回シンポジウム
「イオン注入とサブミクロン加工」日時昭和57年２月３
日−５日第19-22頁「液体金属イオン源による微小集束
装置」が知られている。いずれも従来技術も、単に収束
イオンビームによるスパッタエッチング加工技術が記載
されているに過ぎないものである。そしてSIM観察装置
は、単にスパッタエッチング加工された状態を観察する
ものに過ぎないものである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明の目的は、上記した従来のレーザ加工によるICの
配線切断法とその装置の欠点をなくして、１μｍ以下の
極微細配線上に段差状の保護膜を有するVLSKI,ULSI等の
完成されたIC素子に対して、配線切断しようとする箇所
において保護膜の下層に存在する配線まで配線の幅に亘
って一様な深さでもってスパッタ加工をして、下部、周
辺部の配線や基板に損傷、短絡を発生またはそのおそれ
を防止すると共にその特性に影響を及ぼすことなく前記
配線切断等を実用に供せる短時間で行なって不良箇所の
解析、修正などを行ない、開発期間の大幅な短絡、開発
時における歩留り向上などを実現できるようにしたIC素
子の加工装置を提供することにある。

また本発明の目的は、１μｍ以下の極微細配線上に段差
状の保護膜を有するVLSKI,ULSI等の完成されたIC素子に
対して、保護膜の下層に存在する配線の切断加工と、更
に絶縁膜等について局所成膜加工とを行なって不良箇所
の解析、修正などを行ない、開発期間の大幅な短絡、開
発時における歩留り向上などを実現できるようにしたIC
素子の加工装置を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、上記目的を達成するために、高輝度イオンビ
ームを放射する液体金属イオン源と該液体金属イオン源
から放射される高輝度イオンビームの内、エネルギー密
度の高い中央部付近を取出すアパーチア手段と該アパー
チア手段で取出された高輝度イオンビームを前記配線の
幅より大幅に細いイオンビームスポット径に集束させる
荷電粒子光学系と該荷電粒子光学系により集束されるイ
オンビームの照射・停止を行なうブランキング電極と前
記荷電粒子光学系により集束されたイオンビームスポッ
トを走査させる偏向電極とを備えた鏡筒と、配線上に配
線に倣った段差状の保護膜を被覆したIC素子を設置する
試料台と前記荷電粒子光学系により集束にされたイオン
ビームスポットによって前記IC素子の保護膜表面から発
生する２次電子または２次イオンを検出する２次荷電粒
子検出器とを備えた試料室とを真空容器を形成するよう
に構成したIC素子の加工装置であって、前記偏向電極を
制御して前記イオンビームスポットを前記IC素子の配線
切断しようとする箇所付近の保護膜表面の観察領域に走
査照射して前記２次荷電粒子検出器で検出される２次電
子または２次イオンに基づいて前記偏向電極を制御する
偏向信号を受けて前記観察領域の拡大SIM画像を表示し
て拡大観察する走査イオン顕微鏡とを備えて前記走査イ
オン顕微鏡で拡大観察された拡大SIM画像に基づいて前
記偏向電極による走査領域を制御して前記配線切断しよ
うとする箇所における配線の幅に亘る領域のみにエネル
ギーを10KeV以上にして前記配線の幅より大幅に細いイ
オンビームスポットを走査照射して前記保護膜への少な
くとも配線の幅に亘る一様な穴あけスパッタ加工とその
下層における配線の幅に亘っての一様な切断スパッタ加
工とを行いながら配線切断の終点を検出して前記ブラン
キング電極を制御してイオンビームスポットの照射を停
止する制御手段を備えたことを特徴とするIC素子の加工
装置である。また本発明は、上記他の目的を達成するた
めに、高輝度イオンビームを放射する液体金属イオン源
と該液体金属イオン源から放射される高輝度イオンビー
ムの内、エネルギー密度の高い中央部付近を取出すアパ
ーチア手段と該アパーチア手段で取出された高輝度イオ
ンビームを前記配線の幅より大幅に細いイオンビームス
ポット径に集束させる荷電粒子光学系と該荷電粒子光学
系により集束されるイオンビームの照射・停止を行なう
ブランキング電極と前記荷電粒子光学系により集束にさ
れたイオンビームスポットを走査させる偏向電極とを備
えた鏡筒と、配線上に配線に倣った段差状の保護膜を被
覆したIC素子を設置する試料台と前記荷電粒子光学系に
より集束にされたイオンビームスポットによって前記IC
素子の保護膜表面から発生する２次電子または２次イオ
ンを検出する２次荷電粒子検出器とを備えた試料室とを
真空容器を形成するように構成したIC素子の加工装置で
あって、前記偏向電極を制御して前記イオンビームスポ
ットを前記IC素子の配線切断しようとする箇所付近の保
護膜表面の観察領域に走査照射して前記２次荷電粒子検
出器で検出される２次電子または２次イオンに基づいて
前記偏向電極を制御する偏向信号を受けて前記観察領域
の拡大SIM画像を表示して拡大観察する走査イオン顕微
鏡と前記試料室内のIC素子の表面近傍にガスを導入する
ガス導入手段とを備えて前記走査イオン顕微鏡で拡大観
察された拡大SIM画像に基づいて前記偏向電極による走
査領域を制御して前記配線切断しようとする箇所におけ
る配線の幅に亘る領域のみにエネルギーを10KeV以上に
して前記配線の幅より大幅に細いイオンビームスポット
を走査照射して前記保護膜への少なくとも配線の幅に亘
る一様な穴あけスパッタ加工とその下層における配線の
幅に亘っての一様な切断スパッタ加工とを行って配線切
断の終点を検出して前記ブランキング電極を制御してイ
オンビームスポットの照射を停止し、更に前記走査イオ
ン顕微鏡で拡大観察された拡大SIM画像に基づいて前記I
C素子の所望の個所に前記偏向電極によるイオンビーム
スポットの走査領域を制御して前記ガス導入手段で導入
されたガスとの反応により局所成膜する制御手段を備え
たことを特徴とするIC素子の加工装置である。また本発
明は、前記IC素子の加工装置において、前記試料室とゲ
ートバルブを介して接続された試料交換室を設けて前記
IC素子を該試料交換室から前記ゲートバルブを介して前
記試料室内の試料台へ載置できるように構成したことを
特徴とする。また本発明は、前記IC素子の加工装置にお
いて、前記試料室内にIC素子に照射されるイオンビーム
スポットの乱れを防止するために電子シャワを設けたこ
とを特徴とする。

〔作用〕

特に本発明の場合、0.3〜0.1μないしはそれ以下のスポ
ット径が得られること、かつ加工のプロセスがイオンと
ターゲット原子との衝突、散乱によるスパッタ加工であ
るため熱拡散による周辺への影響がほとんどないことか
ら、0.3μ以下の寸法、加工が可能であり、しかも１μ
ｍ以下の幅を有する配線に対して該配線幅より大幅に細
い0.3μｍ以下のスポット径のイオンビームを配線切断
しようとする箇所付近の保護膜（パツシベーシヨン膜）
表面の観察領域に投影して走査させて照射し、この走査
して投影照射された保護膜表面の観察領域から発生する
２次電子または２次イオンを２次荷電粒子検出器で検出
して走査イオン顕微鏡に前記観察領域の拡大SIM画像を
表示して拡大観察し、この拡大観察された拡大SIM画像
に基づいて第９図（ｂ）に示すように偏向電極による走
査領域を制御して、前記配線切断しようとする箇所にお
ける配線の幅に亘る領域のみに、エネルギーを10KeV以
上にして前記荷電粒子光学系により配線の幅より大幅に
細い0.3μｍ以下のイオンビームスポット径にして投影
させたイオンビームを走査照射して第12図に示すように
前記保護膜への少なくとも配線の幅に亘る穴あけスパッ
タ加工とその下層における配線の幅に亘っての切断スパ
ッタ加工とを行なうため、第４図（ｂ）に示す加工とは
異なり、第12図（ｂ）に示すように配線幅に亘って配線
断面の通りの、即ち一様な深さのスパッタ加工が実用に
供せる短時間で可能となり、下層および周辺への損傷等
を防止して１μｍ以下の配線への切断加工が容易にかつ
高精度に行なうことができる。更に本発明は、フォーカ
スしたイオンビームによるマイクロデポジションを併用
して例えば切断後のパツシベーシヨン膜の穴の部分を埋
めるような局所成膜を行なうことが可能である。

〔実施例〕

以下、本発明を図面に基づいて説明する。

第６図に本発明に係る配線切断装置の一実施例を示す。

この第６図に示す装置は、架台37、真空容器を構成する
鏡筒39と試料室40、該試料室40に連設された試料交換室
41、真空排気系、試料であるマスクの載物台55、液体金
属イオン源65、コントロール（バイアス）電極66、イオ
ンビームの引出し電極67、アパーチア69、静電レンズ7
0,71,72、ブラシキング電極73、アパーチア74、偏向電
極75,76、フィラメント用電源77、コントロール電極用
電源78、引出し電極用電源79、静電レンズ用電極80,8
1、高圧電源82、ブランキング電極用電源83、偏向電極
用電源84、電源の制御装置85、試料室40内に挿入された
２次荷電粒子検出器86、SIM（走査型イオン顕微鏡）観
察装置87、イオンビームの電荷によるスポットの乱れを
防ぐ手段89とを備えている。

前記架台37は、エアサポート38により防震措置が施され
ている。

前記試料室40および試料交換室41は、前記架台37の上に
設置され、試料室40の上に鏡筒39が設置されている。

前記試料室40と鏡筒39とは、ゲートバルブ43で仕切られ
ており、試料40と試料交換室41とは、他のゲートバルブ
43で仕切られている。

前記真空排気系は、オイルロータリポンプ47、オイルト
ラップ48、イオンポンプ49、ターボ分子ポンプ50、バル
ブ51,52,53,54、とを有して構成されている。この真空
排気系と前記鏡筒39、試料室40、試料交換室41とは真空
パイプ44,45,46を介して接続され、これら鏡筒39、試料
室40、試料交換室41とは真空パイプ44,45,46を介して接
続され、これら鏡筒39、試料室40、試料交換室41を10^-5
torr以下の真空にしうるようになっている。

前記載物台55には、回転導入端子61,62,63を介してX,Y,
Z方向の移動マイクロメータ56,57,58が取付けられ、か
つθ方向の移動リング59が設けられており、載物台55は
これら移動マイクロメータ56,57,58と移動リング59とに
よりX,Y,Z方向の微動および水平面内における回転角が
調整されるようになっている。

前記載物台55の上には、試料台60が設置され、該試料台
60の上に試料が載置されるようになっている。そして、
試料台60は試料引出し具64により試料室40と試料交換室
41間を移動しうるようになっており、試料交換時にはゲ
ートバルブ43を開け、試料台60を試料室40に引出し、ゲ
ートバルブ43を閉じ、試料交換室41の扉を開け、試料の
交換、載置し、扉を閉め、試料交換室41の予備排気を行
なってからゲートバルブ43を開け、試料台60を試料室40
に入れるようになっている。なお、第６図において試料
を符号90で示す。

前記液体金属イオン源65は、鏡筒39の頭部に、試料室40
に対峙して設けられている。この液体金属イオン源65の
第７図に示すものは、絶縁体で作られたベース650、該
ベス650にＵ型に取付けられたフィラメント651,652、タ
ングステン等で作られかつ両フィラメント651,652の先
端部間にスポット溶接等で取付けられた鋭いニードル65
3、該ニードル653に取付けられたイオン源となる金属65
4とを有して構成されている。イオン源となる金属654と
しては、Ca,In,Au,Bi,Sn,Cu等が用いられる。また前記
フィラメント651,652はその電極651′,652′を通じて第
６図に示すように、高圧電源82に接続されたフィラメン
ト用電源77に接続されている。

前記コントロール電極66は、液体金属イオン源65の下位
に設置され、かつ高圧電源82に接続されたコンクリート
電極用電源78に接続されており、このコントロール電極
66の設置位置に低い正負の電圧を印加し、イオンビーム
である電流を制御する。

前記イオンビームの引出し電極67は、コントロール電極
66の下位に設置され、かつ高圧電源82に接続された引出
し電極用電源79に接続されている。そして、前記液体金
属イオン源65のフィラメント651,652に電流を供給し、1
0^-5torr以下の真空中において加熱溶融したうえで、引
出し電極67に−数10KVの負の電圧を印加すると、液体金
属イオン源65のニードル653の先端部の極めて狭い領域
からイオンビームが引出される。なお、第６図中のイオ
ンビームを符号68で示し、またスポットを符号68′で示
す。

前記アパーチア69は、引出し電極67の下位に設置されて
おり、引出し電極67により引出されたイオンビームの中
央部付近のみを取出すようになっている。

前記静電レンズ70,71,72の組は、アパーチア69の下位に
配列され、かつ高圧電源82に接続されたレンズ用電源8
0,81に接続されている。これらの静電レンズ70,71,72
は、アパーチア69により取出されたイオンビームを集束
するようになっている。

前記ブランキング電極73は、静電レンズ72の下位に設置
され、かつ制御装置85に接続されたブランキング電極用
電源83に接続されている。このブランキング電極73は、
極めて速い速度でイオンビームを試料に向かう方向と直
交する方向に走査させ、ブランキング電極73の下位に設
置されたアパーチア74の外べはずし、IC素子へのイオン
ビームの照射を高速で停止させるようになっている。

前記アパーチア74は、静電レンズ70,71,72で集束された
イオンビームのスポットを、第４図または第16図（ａ）
に示すIC素子上に0.3〜0.1μｍ乃至はそれ以下のスポッ
ト径で投影結像させるようになっている。

前記偏向電極75,76の組は、アパーチア74の下位に設置
され、かつ制御装置85に接続された偏向電極用電源84に
接続されている。この偏向電極75,76は、前記静電レン
ズ70,71,72で集束されたイオンビームのスポットをX,Y
方向に偏向させ、第４図または第16図（ａ）に示すIC素
子上に0.3〜0.1μｍ乃至はそれ以下のスポット径で結ば
せるようになっている。

前記液体金属イオン源65のフィラメント用電源77、コン
トロール電極用電源78、イオンビームの引出し電極用電
源79、レンズ用電源80,81に電圧を印加する高圧電源82
には、数10KVのものが使用される。

前記制御装置85は、ブランキング電極用電源83および偏
向電極用電源84を通じて、ブランキング電極73および偏
向電極75,76を一定のパターンにしたがって作動するよ
うに制御する。

前記２次荷電粒子検出器86は、試料室40内においてIC素
子である試料に向かって設置され、制御装置85からの制
御信号により、ブランキング電極用電源83を介してブラ
ンキング電極73および偏向電極用電源84を介して偏向電
極75,76が制御され、第４図または第16図（ａ）に示すI
C素子の段差を有するパツシベーシヨン膜（保護膜）18
の表面の観察領域に、0.3〜0.1μｍ乃至はそれ以下のス
ポット径のイオンビームスポットが走査照射されたと
き、段差を有するパツシベーシヨン膜18の表面から出る
２次電子または２次イオンを受止め、段差に応じたその
強度を電流の強弱に変換し、その信号をSIM観察装置87
に送るようになっている。

前記SIM観察装置97は、ブラウン管88を備えている。そ
して、SIM観察装置87は、観察領域について観察すべ
く、偏向電極用電源84からイオンビームのX,Y方向の偏
向量に関する信号を受け、これと同期させてブラウン管
88の輝点を走査し、かつその輝点の輝度を前記２次荷電
粒子検出器86から送られてくる電流強度の信号に応じて
変化させることにより、段差を有するパツシベーシヨン
膜18の表面上の各点における２次電子放出能に応じた段
差像が得られるSIM、即ち走査型イオン顕微鏡の機能に
より、IC表面の拡大観察を行ない得るようになってい
る。

前記イオンビームの電荷によるスポットの乱れを防ぐ手
段89は、偏向電極76とIC素子間に設置されている。この
スポットの乱れを防ぐ手段89の第８図に示すものは、イ
オンビームの通過方向と交差する方向に電子シャワ890,
891を対向装置しており、各電子シャワ890,891はカップ
型の本体892、その内部に設けられたフィラメント893、
本体892の開口部に設けられた格子状の引出し電極894と
を有して構成されている。そして、各電子シャワ890,89
1はフィラメント893から引出し電極894により100V程度
の加速電圧で電子流895を引出し、該電子流895をイオン
ビームの通過する空間に放出し、イオンビームに負電荷
を与えて中和するようになっている。この第８図中、符
号68はイオンビーム、75,76は偏向電極、90はIC素子で
ある試料を示す。

次に、第６図ないし第９図（ａ），（ｂ）に関連して前
記実施例の素子修正装置の作用とともに本発明の素子修
正方法の一実施例態様を説明する。IC素子である試料90
を試料交換室41内において試料台60の上に載置しついで
試料交換室41を密閉し、真空排気系による予備排気を行
なった後、試料引出し具64を介して試料室40に入れ、載
物台55の上に載置する。

ついで、真空排気系により鏡筒39と試料室40内を10^-6to
rr程度に真空引きし、その真空状態に保つ。

次に、第６図に示す装置において、試料として第４図ま
たは第16図（ａ）に示すICチップまたはウエハを載物台
90の上に設置して配線切断する方法について説明する。
まず、高圧電源82によりフィラメント用電源77、コント
ロール電極用電源78、及び引出し電極用電源79を作動さ
せて、液体金属イオン源のアパーチア69から高輝度イオ
ンビームを引出すと共にレンズ用電源80,81を作動させ
て静電レンズ70,71,72及びアパーチア70により0.3〜0.1
μｍ乃至はそれ以下のスポット系に集束させ、イオンビ
ーム照射条件を低エネルギーのビームにして、制御装置
85からの制御信号によりブランキング電極用電源83及び
偏向電極用電源84を介してブランキング電極73及び偏向
電極75,76を制御して、ICチップまたはウエハのパツシ
ベーシヨン膜18の表面の観察領域に、0.3〜0.1μｍ乃至
はそれ以下のスポット径のイオンビームスポットが走査
照射し、段差を有するパツシベーシヨン膜18の表面上の
各点における２次荷電粒子検出器86から出力される２次
電子または２次イオンによるパツシベーション膜18の段
差表面の拡大像をSIM観察装置87のブラウン管88により
観察し、観察される拡大像から得られるパツシベーシヨ
ン膜18の段差情報に基いて第９図（ａ）に示す１μｍ以
下の配線を切断すべく範囲（切断個所）を設定する。ま
た後述する局所成膜においてもSIM観察装置87のブラウ
ン管88により観察される拡大像から得られるパツシベー
シヨン膜18の段差情報に基いて局所成膜する範囲を設定
することは明らかである。そして、インオビーム照射条
件をスパッタ加工できるようにエネルギーを10KeV以上
にして、制御装置85からの制御信号により設定された配
線の切断すべき個所に、0.3〜0.1μｍ乃至はそれ以下の
スポット径に集束されたイオンビームスポットを走査照
射して、第12図（ａ）または第16図（ｂ）に示すように
パッシベーシヨン膜18に穴をあけ、更に第12図（ｂ）ま
たは第16図（ｂ）に示すようにその穴の下に位置する配
線をスパッタ加工して除去し、切断する。この場合、走
査幅と配線幅を一致させることが必要であり、これは偏
向電圧の制御系により高精度を行なうことができる。

第９図（ａ），（ｂ）にこの場合のスパッタ加工法によ
り配線を切断する場合を示す。第９図（ａ）においてパ
ツシベーシヨン膜18が被覆されたICチップまたはウエハ
上のAl配線のうち、12で示す矩形部分が切断する除去す
べき範囲であるとする。このとき、SIM像として観察さ
れたパツシベーシヨン膜18の段差位置情報に基いて設定
された12の部分に対して第９図（ｂ）に示す如く集束イ
オンビーム200a,200b,200d,200c,…,200zの順に偏向電
極75,76により走査しつつ、集束照射して照射部のパッ
シベーシヨン膜18への穴あけと照射部の配線を除去して
切断とを行なう。

第10図は、本発明の実施例ではないところの参考図であ
り、第６図の装置においてイオンビーム光学系の構成を
アパーチアの投影方式にかえた構成を示すものである。
すなわち高輝度イオン源210から出たイオンビームは静
電レンズ201,202,203により平行ビームとなりアパーチ
ア204,205,206,207に入射する。このイオンビーム光学
系は、第１図に示したレーザ光学系と同様の構成であ
り、アパーチアの像をレンズ208,209により試料210上に
縮小結像投影するものである。ここで211は投影された
像を示す。たとえばレンズ208,209が倍率40倍のレンズ
となるらばアパーチア部においてマイクロメータヘッド
204a,205a,206a,207aを調整して40μの矩形を±２μの
精度で設定するならば収差を無視したとき試料表面にお
いては１μの矩形のイオンビーム像が±0.05μの精度で
設定されることになる。したがって高精度の位置決めが
容易に行なえ、有利である。この場合は第９図（ａ）に
おいて矩形12の部分にイオンビームが照射されるように
アパーチアを設定しイオンビームの照射をして配線11の
切断を行なう。

第６図に示すようなイオンビーム光学系を用いて第２図
（ｂ）に示す如く、本発明の対象外であるパツシベーシ
ヨン膜のないICの配線切断を行なう場合においてもイオ
ンビームのスパッタリング加工によりAl配線15のみが精
度よく周辺への影響の損傷なしに除去でき、第11図のよ
うな断面が得られる。

次に第４図のごときパツシベーシヨンコートを有する配
線の切断を行なう場合においては、イオンビームによる
加工では表面のパツシベーシヨン膜から順に加工してゆ
くため、まず第12図（ａ）のごとくAl配線15の表面まで
パツシベーシヨン膜18を加工し、次に、Al配線15を加工
して第12図（ｂ）のごとき断面を得る。この場合におい
てもレーザ加工の場合と異なり、周辺の損傷、パツシベ
ーシヨン膜のクラック、下部及び隣接部への損傷は全く
みられない。

第13図は本発明の別の実施例である装置の主要断面図を
示す。ここで真空排気系、二次電子像ディスプレー、試
料交換室、架台等は第６図と同様であり、省略されてい
る。

液体金属イオン源65はAl-Si,Au-Siなどの合金イオン源
であるとする。引出し電極66により引出され、コントロ
ール電極67により制御を受けたイオンビームはレンズ7
0,71,72により平行ビームとされ、アパーチア101により
その一部をとり出され、EXBマスフィルター（質量分離
装置）102を通過する際にEXBマスフィルター102の電源
制御部115によってこれにかける電界Ｅ、磁界Ｂを調節
し、特定の質量のイオンのみが直進して下部のアパーチ
ア103を通過し、他の質量のイオンはビーム104のように
方向が曲げられて、アパーチア103により蹴られて下方
へ到達できないようにできる。直進したイオンは、集束
用のレンズ104,105,106で集束され、ブランキング電極7
3、偏向電極75,76を経て、試料面90に到達する。

試料室102は119の通路から排気ポンプにより排気されて
いる。試料室120には、N₂ガス、O₂ガスなどのガスボン
ベ109からのガス導入ノズル107が設置されており、ボン
ベの弁は、コントローラ117により制御される。また試
料室120に設置された真空計110により試料室120の内部
の真空度をモニターし、コントローラ117により一定の
ガス濃度となるように弁108をコントロールする。試料
室には、二次電子ディテクター86の他に４重極質量分析
管などの２次イオン質量分析計111を有しており、試料9
0にイオンビームが照射されるときこれより出来る２次
イオンの質量分析を行なう系は１つの制御装置118によ
り制御され、２次イオン質量分析計111のコントローラ1
12の信号はこれに入る。また113はイオン源電源制御部
で、イオン源のヒータ65の電流、引出し電極66の電圧、
コントロール電極67の電圧等をコントロールするもので
ある。114は第１レンズの電源制御部で、第１レンズ70,
71,72を制御するものである。115は電源制御部で、EXB
マスフィルタ102の電源を制御するものである。116は電
源制御部で第２レンズ104,105,106の電源を制御するも
のである。

118は制御装置で、イオン源電源制御部113、第１レンズ
の電源制御部114、EXBマスフィルタの電源制御部115及
び第２レンズの電源制御部116等を全て制御する。この
他、図では省略されているがブランキング電極73、偏向
電極75,76の電源制御部も制御装置118によりコントロー
ルをうける。

第14図（ａ）は、二次イオン質量分析管の出力を示すも
のである。第14図（ｂ）のようにSi上にAlの薄膜を有す
る試料の上部からイオンビームにより加工してゆく場合
において、２次イオン電流は第14図（ａ）のようにはじ
めはAlのみ（実線）を示す。しかしAlとSiの境界が近く
なると、Si（点線）がみられるようになり、境界におい
てこれが交替し、更に加工を続けるとAlが出なくなって
Siのみとなる。このようにして加工が境界部に達した時
点t₁を検出することができる。この信号を用いれば第15
図の制御装置118によりAlのみか加工された時点t₁でイ
オンビームの照射を止めるなどの制御を行なうことがで
きる。

第13図によれば、第12図（ｂ）のように上部のパツシベ
ーシヨン膜を除いてAl配線を切断した後にパツシベーシ
ヨン膜の穴を埋めることができる。すなわち、イオン源
65としてたとえばAu-Si合金イオン源を用いてEXBマスセ
パレータ102によりAuイオンのみをとり出して加工し、
第12図（ｂ）のようにパツシベーシヨン膜、Al配線を加
工した後、EXBマスセパレータにかける電界、磁界を変
更し、Siイオンのみをとり出すようにする。また、ガス
ボンベ109の弁108を開き、O₂ガスを試料室120へ導入
し、真空計により圧力を測定して一定の圧力になるよう
にコントローラ117で弁108の開閉を制御する。

また、第１レンズと第２レンズにかける電圧を電源制御
部114,116で変更してイオンビームが試料部へ数KeV〜数
10eVのエネルギーで微細に集束されつつ入射するように
する。（加工を行なう場合はエネルギーは10KeV以上で
ある。）このような低エネルギーでは、イオンビームは
試料表面に付着し、デポジションが行なわれる。

以上のようであるから、第12図（ｂ）パツシベーシヨン
膜18の開孔部にO₂雰囲気中でSiイオンビームを照射し、
これにより第15図に示したようにSiO₂膜111を蒸着する
ことができる。

導入するガスとしてO₂の代りにN₂を用いれば、Si₃N₄膜
を蒸着することもできる。これによりAl配線の切断部の
上のパツシベーシヨン膜の孔を埋めて、パツシベーシヨ
ン膜の再コートを行なうことができ、素子の劣化を防ぐ
ことができ、また電気特性を安定化できる。

第16図（ａ）〜（ｅ）は第13図に示した装置による新た
な実施例である。すなわちAl配線が上下二層に走ってい
てその交叉部において下層部をイオンビームで切断する
方法を示す。

第16図（ａ）においてSi301の上にSiO₂の絶縁膜309を介
してAl配線302が左右に走り、その上にSiO₂絶縁膜303を
介してAl配線304が紙面垂直方向に走っている。さらに
その上にSiO₂のパツシベーシヨン膜305が形成されてい
る。この場合において下部のAl配線309のみを切断する
方法を以下に示す。第13図の装置でイオン源65としてAl
-Si合金イオン源を用いEXBマスセパレータ102によりAl
イオンビームのみを分離して下方へとり出し、第16図
（ａ）の試料に照射して下部のAl配線まで加工し、第16
図（ｂ）のごとき断面を得る。次にEXBマスセパレータ1
02の電界磁界を変更して、Siイオンバームのみを下方へ
とりだし、またガスボンベ109からO₂を試料室102へ導入
する。またレンズの電圧をコントロールして数KeV以下
のエネルギーでSiイオンビームが集束しつつ試料に照射
されるようにする。このようにして前に詳しく述べた方
法によりSiO₂膜をもとの上部Al配線の下部の高さまで加
工部に蒸着して第16図（ｃ）のごとき断面を得る。さら
にその後試料室をO₂ガスを止めて排気した無酸素雰囲気
にし、かつEXBマスセパレータ102によりAlのみをとり出
し、数KeV以下のエネルギーにて第16図（ｄ）の307のよ
うなAl蒸着層を得て、もとの上部Al配線を再形成する。
さらに前と同じ方法でこの上にSiO₂膜308を蒸着してパ
ツシベーシヨン層とする。以下によりAl配線の交叉部に
おいて下部のAl配線のみの切断を行なうことができた。

上記第13図は合金イオン源を用いてEXBマスセパレータ
によりそのうちの一種類の金属をとり出すやり方である
が、適当な合金イオン源が存在しない場合は何種かのイ
オン源を用意して切換る必要がある。第17図（ａ）はこ
のような装置の一例であり、第17図（ｂ）はその断面を
示すものである。第17図（ａ）において、鏡筒部403は
レンズ413デフレクタ414などの素子をふくむ。イオン源
部は複数個の異なる元素イオン源の容器406a,406b,406
c,…が円柱状の回転体415にとりつけられており、鏡筒
部に接続した真空容器416に納められている。これらの
イオン源容器はイオン源部407a,407b,407c,…引出し電
極408a,408b,408c,…コントロール電極409a,409ba,409,
…を含んでいる。ヒータ電流、引出し電圧、コントロー
ル電圧等は高圧ケーブル412によりターミナルをかねた
導入端子411を介して分岐ケーブル410a,410b,410c,…に
より各イオン源へと導入されている。第17図（ａ）にお
いて407aのイオン源が光学系と接続されて用いられてい
るが、回転体415を軸405を中心に回転させてイオン源40
7b,407c,…に切換えて用いることができる。この装置に
おいて光学系の軸にイオン源が高精度に合致されるよう
な角度よみとり機構、微調機構、固定機構がとりつけら
れているが図では省略されている。

この装置を用いれば第13図の場合のように特定の合金を
つくる金属イオン種だけでなく、任意の液体金属イオン
源（あるいはその他の種類のイオン源）の組合せにより
上記した配線修理プロセスの遂行が可能となる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、１μｍ以下の配線幅の配線上に保護膜
を被覆したVLSI,ULSI等の完成されたIC素子に対して、
第４図（ｂ）に示す加工とは異なり、第12図（ｂ）に示
すように配線幅に亘うて配線断面の通りの、即ち一様な
深さのスパッタ加工が可能となり、下層および周辺への
損傷等を防止して１μｍ以下の配線幅を有する配線の切
断加工を実用に供せる短時間で実現することができる効
果を奏する。

この場合従来のレーザ加工法と異なり周辺への損傷や影
響は殆んどない。

また本発明によれば、従来のレーザ加工法では良好な加
工が困難であった上部にパツシベーシヨンコートを有す
るような微細な配線部について配線切断および局所成膜
の修正加工とを一台の液体金属イオン源を用いた高輝度
集束イオンビーム加工装置で実現することができる効果
を奏する。

即ち、本発明は、VLSI,ULSIをはじめとした今後益々極
微細化していく、あらゆる種類のIC素子について、IC素
子としての機能が形成でき、保護膜が被覆されてほぼ完
成された状態において所望の１μｍ以下の極微細な配線
個所に正確に切断加工と局所成膜加工とを一台の液体金
属イオン源を用いた高輝度集束イオンビーム加工装置で
行なうことができ、その結果不良箇所の解析、修正など
を行なうことができ、開発期間の大幅な短縮、開発時に
おける歩留り向上などを実現でき、その効果は極めて大
きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のレーザによる配線切断装置を示す構成
図、第２図（ａ）はそれによるAl配線の切断法を示すIC
のAl配線部の平面図、第２図（ｂ）は同断面図である。
第３図はAl配線のレーザによる切断時の周辺への影響を
示す平面図、第４図（ａ），（ｂ）は各々試料の断面
図、第５図は従来のレーザによる配線切断装置を示す構
成図、第６図は本発明にかかるイオンビームによる配線
切断装置の構成図、第７図は液体金属イオン源を示す
図、第８図は電子シャワーによるビームの中性化を示す
図、第９図（ａ），（ｂ）は各々イオンビームの走査に
よる配線切断を示す正面図、第10図は本発明の実施例で
はないところの投影方式によるイオンビームの配線切断
装置構成を示す参考図、第11図は試料断面図、第12図
（ａ），（ｂ）は各々試料断面図、第13図は同金イオン
源と質量分析器を備えたイオンビームによる配線修理装
置の構成図、第14図（ａ）は質量分析装置の出力を示す
図、第14図（ｂ）は試料断面図、第15図は試料断面図、
第16図（ａ）〜（ｅ）は下部の配線を切断する方法を示
す断面図、第17図（ａ）は多くのイオン鏡をそなえたイ
オンビームによる配線切断装置を示す図、第17図（ｂ）
はその断面図である。 37……架台、40……試料室 41……試料交換室、55……載物台 65……液体金属イオン源 85……２次荷電粒子検出器

フロントページの続き (72)発明者本郷幹雄神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式会社日立製作所生産技術研究所内 (56)参考文献特開昭56−80131（ＪＰ，Ａ) 特開昭56−94630（ＪＰ，Ａ) 特開昭57−132653（ＪＰ，Ａ) 特開昭57−87124（ＪＰ，Ａ) 特開昭58−2202（ＪＰ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】高輝度イオンビームを放射する液体金属イ
オン源と該液体金属イオン源から放射される高輝度イオ
ンビームの内、エネルギー密度の高い中央部付近を取出
すアパーチア手段と該アパーチア手段で取出された高輝
度イオンビームを前記配線の幅より大幅に細いイオンビ
ームスポット径に集束させる荷電粒子光学系と該荷電粒
子光学系により集束されるイオンビームの照射・停止を
行なうブランキング電極と前記荷電粒子光学系により集
束されたイオンビームスポットを走査させる偏向電極と
を備えた鏡筒と、配線上に配線に倣った段差状の保護膜
を被覆したIC素子を設置する試料台と前記荷電粒子光学
系により集束にされたイオンビームスポットによって前
記IC素子の保護膜表面から発生する２次電子または２次
イオンを検出する２次荷電粒子検出器とを備えた試料室
とを真空容器を形成するように構成したIC素子の加工装
置であって、前記偏向電極を制御して前記イオンビーム
スポットを前記IC素子の配線切断しようとする箇所付近
の保護膜表面の観察領域に走査照射して前記２次荷電粒
子検出器で検出される２次電子または２次イオンに基づ
いて前記偏向電極を制御する偏向信号を受けて前記観察
領域の拡大SIM画像を表示して拡大観察する走査イオン
顕微鏡とを備えて前記走査イオン顕微鏡で拡大観察され
た拡大SIM画像に基づいて前記偏向電極による走査領域
を制御して前記配線切断しようとする箇所における配線
の幅に亘る領域のみにエネルギーを10KeV以上にして前
記配線の幅より大幅に細いイオンビームスポットを走査
照射して前記保護膜への少なくとも配線の幅に亘る一様
な穴あけスパッタ加工とその下層における配線の幅に亘
っての一様な切断スパッタ加工とを行いながら配線切断
の終点を検出して前記ブランキング電極を制御してイオ
ンビームスポットの照射を停止する制御手段を備えたこ
とを特徴とするIC素子の加工装置。
【請求項２】前記試料室とゲートバルブを介して接続さ
れた試料交換室を設けて前記IC素子を該試料交換室から
前記ゲートバルブを介して前記試料室内の試料台へ載置
できるように構成したことを特徴とする特許請求の範囲
第１項記載のIC素子の加工装置。
【請求項３】前記試料室内にIC素子に照射されるイオン
ビームスポットの乱れを防止するために電子シャワを設
けたことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のIC素
子の加工装置。
【請求項４】高輝度イオンビームを放射する液体金属イ
オン源と該液体金属イオン源から放射される高輝度イオ
ンビームの内、エネルギー密度の高い中央部付近を取出
すアパーチア手段と該アパーチア手段で取出された高輝
度イオンビームを前記配線の幅より大幅に細いイオンビ
ームスポット径に集束させる荷電粒子光学系と該荷電粒
子光学系により集束されるイオンビームの照射・停止を
行なうブランキング電極と前記荷電粒子光学系により集
束にされたイオンビームスポットを走査させる偏向電極
とを備えた鏡筒と、配線上に配線に倣った段差状の保護
膜を被覆したIC素子を設置する試料台と前記荷電粒子光
学系により集束にされたイオンビームスポットによって
前記IC素子の保護膜表面から発生する２次電子または２
次イオンを検出する２次荷電粒子検出器とを備えた試料
室とを真空容器を形成するように構成したIC素子の加工
装置であって、前記偏向電極を制御して前記イオンビー
ムスポットを前記IC素子の配線切断しようとする箇所付
近の保護膜表面の観察領域に走査照射して前記２次荷電
粒子検出器で検出される２次電子または２次イオンに基
づいて前記偏向電極を制御する偏向信号を受けて前記観
察領域の拡大SIM画像を表示して拡大観察する走査イオ
ン顕微鏡と前記試料室内のIC素子の表面近傍にガスを導
入するガス導入手段とを備えて前記走査イオン顕微鏡で
拡大観察された拡大SIM画像に基づいて前記偏向電極に
よる走査領域を制御して前記配線切断しようとする箇所
における配線の幅に亘る領域のみにエネルギーを10KeV
以上にして前記配線の幅より大幅に細いイオンビームス
ポットを走査照射して前記保護膜への少なくとも配線の
幅に亘る一様な穴あけスパッタ加工とその下層における
配線の幅に亘っての一様な切断スパッタ加工とを行って
配線切断の終点を検出して前記ブランキング電極を制御
してイオンビームスポットの照射を停止し、更に前記走
査イオン顕微鏡で拡大観察された拡大SIM画像に基づい
て前記IC素子の所望の個所に前記偏向電極によるイオン
ビームスポットの走査領域を制御して前記ガス導入手段
で導入されたガスとの反応により局所成膜する制御手段
を備えたことを特徴とするIC素子の加工装置。
【請求項５】前記試料室とゲートバルブを介して接続さ
れた試料交換室を設けて前記IC素子を該試料交換室から
前記ゲートバルブを介して前記試料室内の試料台へ載置
できるように構成したことを特徴とする特許請求の範囲
第４項記載のIC素子の加工装置。
【請求項６】前記試料室内にIC素子に照射されるイオン
ビームスポットの乱れを防止するために電子シャワを設
けたことを特徴とする特許請求の範囲第４項記載のIC素
子の加工装置。