JP2006319105A

JP2006319105A - 半導体加工方法および加工装置

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Publication number: JP2006319105A
Application number: JP2005139725A
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Inventors: Yuichi Kitamura; 裕一北村; Naoto Sugiura; 直人杉浦
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Filing date: 2005-05-12
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Abstract

【課題】集束イオンビームにバラつきがあったり、また、シリコン界面にＰＮ接合がない場合においても、正確に制御されたトレンチ加工により、シリコン残膜厚が非常に均一なトレンチを掘る。
【解決手段】集束イオンビーム６ａにより半導体チップ裏面からシリコン基板１をエッチングしつつ、電子ビーム８ａにより得られる２次電子像を２次電子・２次イオン検出器９で検出し、電子ビーム８ａがシリコン基板１を透過し分離層５、ポリシリコン層２等の２次電子像のコントラストを画像処理装置１０により検出した時点を加工終点とする。このとき、電子ビーム８ａの加速度電圧の設定を変更することにより任意のシリコン残膜厚を得る。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体チップを高精度に加工する半導体加工方法および加工装置に関するものである。

従来、半導体チップの加工および解析を行う場合、集束イオンビーム（ＦＩＢ：ＦｏｃｕｓｅｄＩｏｎＢｅａｍ）を用いて半導体チップの表面から加工を行ってきた。しかし近年、半導体プロセスの微細化、多層化が進むにつれてチップ表面からの解析において難易度が増し、チップ裏面からの加工および解析技術が重要になってきた。チップ裏面からの解析を行うためには、シリコン基板を非常に薄く加工する必要がある。一般に、シリコン基板を薄く加工するには、図９に示すようにシリコン残膜厚が非常に均一で正確に制御されたトレンチを掘る必要がある。図９に示す１は、半導体装置の裏面側のシリコン基板であり、４は、半導体装置の表面側の層間絶縁膜である。この層間絶縁膜４の中に、半導体集積回路等を構成するポリシリコン層やメタル配線層が含まれる。また、６は、シリコン基板にトレンチを掘るための集束イオンビーム発生装置であり、６ａは集束イオンビームである。

また、上記のように、半導体チップの裏面からの集束イオンビーム加工でトレンチ（シリコンの大面積削り込み）を作成する際における加工の終点検出には、ＰＮ接合に光が当たったときに発生するＯＢＩＣ（ＯｐｔｉｃａｌＢｅａｍｉｎｄｕｃｅｄＣｕｒｒｅｎｔ）が用いられていた。これは、加工箇所にレーザー光を当て、シリコン薄膜化に伴うＯＢＩＣの増加をモニターし、観測されたグラフの変化点を加工終点とする方法である。この加工方法について、図１０を用いて説明する。図１０の１〜５は半導体チップの構成を示しており、このうち、１は半導体チップ裏面のシリコン基板、２はポリシリコン層、３はメタル配線層、４は層間絶縁膜、また、５は分離層を示している。６はシリコン基板にトレンチを行うための集束イオンビーム発生装置であり、６ａは集束イオンビームである。また、７はトレンチの進み具合を観察するためのレーザー光を照射するレーザー光照射装置であり、７ａはレーザー光である。このような構成の装置により、レーザー光照射装置７を用いてトレンチ加工箇所にレーザー光７ａを当てながら、集束イオンビーム６ａを走査してトレンチ加工を行う。このようにしてトレンチ加工が進むと、シリコン残膜が薄くなるにつれてシリコン界面のＰＮ接合に当たる光の量が増えてくる。２２は、この光の量の変化に応じて変化するＯＢＩＣを計測する計測器である。このＯＢＩＣの変化を、図１１のグラフに示す。図１１は、計測器２２により得られたＯＢＩＣ相対強度の、加工時間に対する変化を示している。このように、トレンチ加工が進むにつれてＯＢＩＣ相対強度が増し、これをモニターしながら、ＯＢＩＣの極大点の検出により加工終点が判定される。ここに示したＯＢＩＣの観測によるトレンチ加工技術の詳細については非特許文献１に記載がある。
Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｂ２０（６），Ｎｏｖ／Ｄｅｃ２００２特開２００１−５０９１９号公報

しかしながら、ＯＢＩＣはトレンチ加工範囲にあるＰＮ接合全体から発生し、トレンチの残膜厚を平均的にしか反映しないため、集束イオンビーム６による加工バラつきがあると均一な残膜厚が維持できなくなり、たとえば図１０に示すようにトレンチの底面は平面ではなくなってしまう場合があり、ひどい場合には局所的に残膜がなくなってしまう場合もある。またＯＢＩＣの極大点は非常に検出しにくく終点検出が困難で残膜厚を任意の厚さに加工することが難しい。またシリコン界面にＰＮ接合がない場合ＯＢＩＣは発生しないのでシリコン界面にＰＮ接合がない部分の加工は不可能である。加えて、ＯＢＩＣを検出するためには、半導体チップから通常モニター用に電源配線を引き出す等の必要があり、工数を要していた。

上記課題を解決するために、本発明では、集束イオンビームにバラつきがあったり、また、シリコン界面にＰＮ接合がない場合においても、正確に制御されたトレンチ加工により、シリコン残膜厚が非常に均一なトレンチを掘ることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、ＰＮ接合がない領域においても、微細な範囲の明瞭な内部構造像を得ることができる電子ビームの透過性に着目する。そして、この電子ビームの透過性を利用して加工位置よりも少し先（深い位置）の所定の対象に対する２次電子像の観察を行い、この２次電子像のコントラストの強度変化を利用して所定の対象と加工位置との間の距離を判断し、この判断結果に基づいて集束イオンビームの加工にフィードバックをかける。

すなわち、請求項１記載の発明の半導体加工方法は、集束イオンビームの走査により半導体基板面を加工する半導体加工方法において、前記集束イオンビームを照射して前記半導体基板面を加工する集束イオンビーム照射工程と、所定の透過性を有する電子ビームを、前記半導体基板面の前記集束イオンビームによる加工箇所に照射する電子ビーム照射工程と、前記電子ビームの照射により得られる第１の２次電子像と、前記集束イオンビームの照射により得られる２次イオン像及び第２の２次電子像とを検出し、観察する観察工程と、前記観察工程により検出された前記第１の２次電子像、２次イオン像、又は第２の２次電子像のうち、前記半導体基板内部に存在する所定の対象の前記第１の２次電子像、２次イオン像、又は第２の２次電子像のコントラスト強度に基づいて、前記加工箇所から前記所定の対象までの距離を判断し、この判断結果に応じた前記集束イオンビームの出力制御により加工進度を制御する加工制御工程とを含むことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の半導体加工方法において、前記電子ビーム照射工程では、前記半導体基板における目標の加工終点から前記所定の対象までの所定距離と、前記電子ビームの電子の平均自由行程とが同程度となるように前記電子ビームの加速電圧を調節することにより、前記所定の透過性が設定されることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１記載の半導体加工方法において、前記加工制御工程では、前記コントラストの強度が所定強度に達した前記半導体基板上の領域のみ、前記集束イオンビームの出力を停止して走査することにより、前記加工進度が制御されることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項１記載の半導体加工方法において、前記加工制御工程では、前記コントラストの強度が所定強度に達した前記半導体基板上の領域のみ、前記集束イオンビームの出力を弱めて走査することにより、前記加工進度が制御されることを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項１記載の半導体加工方法において、前記集束イオンビームの走査中に、少なくとも前記集束イオンビームの照射箇所へアシストガスが供給されることを特徴とする。

請求項６記載の発明は、請求項１記載の半導体加工方法において、前記電子ビーム照射工程では、前記電子ビームは前記集束イオンビームの走査箇所とほぼ同じ箇所を同時に走査されることを特徴とする。

請求項７記載の発明は、請求項２記載の半導体加工方法において、前記集束イオンビーム照射工程と、前記電子ビーム照射工程と、前記観察工程とからなる一連の工程が繰り返され、前記加工制御工程では、前記一連の工程の繰り返しにより、前記コントラストの強度が所定強度に達したとき、前記集束イオンビームの出力が停止されることを特徴とする。

請求項８記載の発明は、請求項１記載の半導体加工方法において、前記電子ビーム照射工程では、前記半導体基板面に対して前記電子ビームの照射角度が任意に変更されることを特徴とする。

請求項９記載の発明は、請求項１記載の半導体加工方法において、前記電子ビーム照射工程では、前記半導体基板面に対して複数の前記電子ビームが複数の角度から照射されることを特徴とする。

請求項１０記載の発明の半導体加工装置は、集束イオンビームを照射して半導体基板面を加工する半導体加工装置において、前記集束イオンビームを半導体基板面に照射する集束イオンビーム照射手段と、所定の透過性を有する電子ビームを、前記半導体基板面の前記集束イオンビームによる加工箇所に照射する電子ビーム照射手段と、前記電子ビームの照射により得られる第１の２次電子像と、前記集束イオンビームの照射により得られる２次イオン像及び第２の２次電子像とを検出し、観察する観察手段と、前記観察手段により検出される第１の２次電子像、２次イオン像、又は前記第２の２次電子像のうち、前記半導体基板内部に存在する所定の対象の前記第１の２次電子像、２次イオン像、又は第２の２次電子像のコントラスト強度に基づいて、前記加工箇所から前記所定の対象までの距離を判断し、この判断結果に応じて前記集束イオンビームによる加工進度を制御する制御信号を前記集束イオンビーム照射手段に送信する加工制御手段とを備えることを特徴とする。

請求項１１記載の発明は、請求項１０記載の半導体加工装置において、前記電子ビーム照射手段は、加速電圧の設定値を変更することにより前記電子ビームの透過性を変更することを特徴とする。

請求項１２記載の発明は、請求項１０記載の半導体加工装置において、前記加工制御手段は、前記観察手段から得られた前記コントラストの強度が所定の強度に達しているとき、前記集束イオンビームの出力を停止させる制御信号を前記集束イオンビーム照射手段に送信することを特徴とする。

請求項１３記載の発明は、請求項１０記載の半導体加工装置において、前記加工制御手段は、前記観察手段から得られた前記コントラストの強度が所定の強度に達しているとき、前記集束イオンビームの出力を弱める制御信号を前記集束イオンビーム照射手段に送信することを特徴とする。

請求項１４記載の発明は、請求項１０記載の半導体加工装置において、前記集束イオンビーム照射手段による前記集束イオンビームの走査中において、少なくとも、前記集束イオンビームの照射箇所にアシストガスを供給するアシストガス供給手段を備えることを特徴とする。

請求項１５記載の発明は、請求項１０記載の半導体加工装置において、前記電子ビーム照射手段は、前記基板面に対する前記電子ビームの照射角度を変更可能であることを特徴とする。

請求項１６記載の発明は、請求項１０記載の半導体加工装置において、前記電子ビーム照射手段は、前記基板面に対して異なる角度から前記電子ビームを照射する複数の電子ビーム照射部を備えることを特徴とする。

以上により、請求項１〜１６記載の発明では、集束イオンビームによる半導体基板の加工に伴って加工箇所に電子ビームを照射し、この加工箇所よりも少し深い位置の２次電子像を観察する。また、集束イオンビームの照射により得られる２次イオン像及び２次電子像も観察する。そして、加工箇所が半導体基板内部の所定の対象に近づいてきたことを、２次電子像又は２次イオン像のコントラストの強度変化から判断し、この判断結果に基づいて集束イオンビームの走査を制御する。これにより、加工の進み具合の情報が、集束イオンビームによる加工にフィードバックされ、加工精度が上がる。

以上説明したように、請求項１〜１６記載の発明によれば、集束イオンビームによる加工箇所よりも少し深い位置の状態を、２次電子像又は２次イオン像のコントラスト強度の変化により知ることができ、集束イオンビームによる加工にフィードバックをかけることが可能となるので、集束イオンビームがバラついても高い精度で加工することが可能である。また、電子ビームを用いることにより、得られる２次電子像は解像度が高いことに加え、ＰＮ接合のない領域であっても、明瞭な内部構造像を得ることができるので、シリコンチップ裏面のトレンチ加工において、簡単で、精度（残膜制御性、面内均一性）のよい加工が可能になる。

特に、請求項７記載の発明によれば、シリコンチップ表面の剥離解析において異常部分に到達する直前に加工を止めて観察をすることが可能になる。

以下、本発明に係る半導体加工装置および方法についての実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

（第１の実施の形態）
先ず、図１を用いて本発明の第１の実施の形態における半導体加工を説明する。

図１は、シリコンチップ（半導体基板）の断面と、このシリコンチップ裏面からトレンチ加工を行う半導体加工装置とを示している。シリコンチップは、シリコン基板１、ポリシリコン層２、メタル配線層３、層間絶縁膜４、分離層５により形成される。６はシリコンチップに集束イオンビーム６ａを照射し、トレンチ加工を行う集束イオンビーム照射装置（集束イオンビーム照射手段）であり、８はシリコンチップ内部を観察するために、シリコンチップに電子ビーム８ａを照射する電子ビーム照射装置（電子ビーム照射手段）である。また、９は、集束イオンビーム６ａがシリコンチップに照射されたときに生ずる２次イオン像及び２次電子像（第２の２次電子像）、並びに電子ビーム８ａがシリコンチップに照射されたときに生ずる２次電子像（第１の２次電子像）を観測する２次電子・２次イオン検出器（観察手段）である。そして、１０は、２次電子・２次イオン検出器９から得られる画像情報Ａを受け、フィードバック信号Ｂ（制御信号）により集束イオンビーム照射装置６をフィードバック制御する画像処理装置（加工制御手段）である。

本実施の形態の図１では、シリコンチップの裏面側であるシリコン基板１側から、集束イオンビーム６ａで走査することにより、シリコン基板１にトレンチ加工する状態を示している。電子ビーム８ａは集束イオンビーム６ａが照射されている箇所とほぼ同一の箇所に照射され、加工の終点を検出するために用いられる。

ここで、上記構成における半導体加工方法について説明する。

先ず、加工終点を図１に示すように、ポリシリコン層２や分離層５（所定の対象）が存在するシリコン基板１と層間絶縁膜４との境界から一定のシリコン膜厚２０を残した地点（目標の加工終点）という設定で説明する。集束イオンビーム６ａを走査するとシリコン基板１の集束イオンビーム６ａが走査された部分が削られていき、トレンチ加工がされていく（集束イオンビーム照射工程）。このとき、集束イオンビーム６ａを少し走査して加工が進むと、集束イオンビーム６ａとほぼ同じ領域に電子ビーム８ａを照射（電子ビーム照射工程）して２次電子像を得、加工面の観察を行う（観察工程）。観察が終了したら、また集束イオンビーム６ａを走査して加工を行い、電子ビーム８ａを照射して再び観察を行う。このように、集束イオンビーム６ａによる加工を行う工程から、この集束イオンビーム６ａの照射による２次イオン像、２次電子像、及び電子ビーム８ａの照射による２次電子像の観察を行う工程までの一連の工程を何度も繰り返してトレンチ加工を進めていく。

ここで、図２に示したのは、電子ビーム８ａと、電子ビーム８ａに印加される加速電圧との関係である。このように、電子ビーム８ａは、印加される加速電圧が大きいほど、透過性が大きくなり、観察可能な深さが増す。本実施の形態では、電子ビーム８ａの加速電圧は、電子の平均自由行程が上記一定のシリコン膜厚２０とほぼ同じ距離になるように設定される。このような設定により、加工が進んでいない初期段階では、電子ビーム８ａの照射による２次電子像には何も現れないが、加工が進んで、層間絶縁膜４が近づくにつれて、電子ビーム８ａの透過性により分離層５、ポリシリコン層２、メタル配線層３、層間絶縁膜４の像が現れ、次第に２次電子像（第１の２次電子像）のコントラストが強くなってくる。すなわち、加工が進んで終点が近づいていることを、電子ビーム８ａによる２次電子像のコントラスト強度の変化により判断することができる。ここで、画像処理装置１０において、２次電子像のコントラストが、ある一定の強度になったとき集束イオンビーム６ａの走査をストップ（加工を終了）するような加工制御を行う工程の処理をする機構（加工制御手段）を設けるかもしくは、目視で加工を終了するようにしておけば、図１に示すように、シリコン残膜厚を一定の膜厚になるように正確にトレンチ加工することができる。

尚、本実施の形態では、２次電子・２次イオン検出器９は、集束イオンビーム６ａによる２次イオン像及び２次電子像と、電子ビーム８ａによる２次電子像とを共に検出するものとして、１つのみ示されているが、集束イオンビーム６ａおよび電子ビーム８ａ毎にそれぞれ２次電子・２次イオン検出器９を備える構成でもよい。

（第２の実施の形態）
本実施の形態では、シリコン残膜厚を任意の設定値に制御する装置および方法について説明する。

これは、電子ビーム８ａの透過性を制御することで実現できる。電子ビーム８ａの透過性は、対象とする素材によって異なり、第１の実施の形態において図２に示したように、一般的に、電子ビーム８ａの加速電圧を高くするほど大きくなる。例えば、シリコンでは、加速電圧１０ｋＶで０．４８ｕｍ、２５ｋＶで２．３ｕｍ透過することが実験から分かっている。つまり、第１の実施の形態では、電子ビーム８ａの加速電圧は、電子の平均自由行程が一定のシリコン膜厚２０の距離と等しくなるように設定されたが、この電子ビーム８ａの加速電圧の設定値を変えることにより、シリコン基板１の残膜厚を任意の膜厚になるように加工することが可能になる。すなわちシリコン基板１の加工終点の残膜厚は、電子ビーム８ａの加速電圧と、集束イオンビーム６ａの走査をストップ（加工を終了）する画像処理装置１０の感度とにより設定することができる。

またシリコン基板を残さない（残膜厚ゼロ）ときは、電子ビーム８ａの加速電圧を非常に低くするか、あるいは集束イオンビーム６ａの走査（電子ビーム８ａは使わない）により発生する２次電子像（第２の２次電子像）あるいは２次イオン像を利用して、集束イオンビーム６ａの走査をストップ（加工を終了）すればよい。集束イオンビーム６ａの透過性は電子ビーム８ａの透過性に比べて非常に小さいため、シリコン基板を残さないことが可能になる。このように、シリコン基板を残さない場合は、シリコン裏面から剥離解析を行う場合や、断面解析を行う場合などで分離層を露出させる時に用いられる。

（第３の実施の形態）
上記第１及び第２の実施の形態ではシリコン基板１の残膜厚を任意の膜厚になるように加工する方法を示した。しかし、実際の半導体チップの場合は、加工前のシリコン基板１の膜厚がどの位置においても一定であるとは限らないし、表面が平坦であるとも限らない。本実施の形態では、このような場合においてもシリコン基板１の残膜厚を、残膜制御性、面内均一性において精度よく加工することを可能にする半導体加工装置及び加工方法について説明する。

図４は、シリコンチップ（半導体基板）の断面と、このシリコンチップ裏面からトレンチ加工を行う半導体加工装置とを示している。図４は、第１の実施の形態において、図１に示したのと同じ構成には、同じ符号が付されている。この図４は、シリコンチップ裏面が平坦でない場合を示している。以下に、このような平坦でないシリコンチップ面をトレンチする方法について説明する。

まず、加工終点を図４に示すように、シリコン基板１と層間絶縁膜４との境界から一定のシリコン膜厚２０を残した地点という設定で説明する。集束イオンビーム６ａを走査すると、シリコン基板１上の集束イオンビーム６ａが走査された部分が削られ、トレンチ加工が進んでいく。第１及び第２の実施の形態と同様に、集束イオンビーム６ａによる加工から、電子ビーム８ａによる観察までの一連の動作（一連の工程）を繰り返し行い、電子ビーム８による２次電子像（第１の２次電子像）が現れるまで、これら一連の動作を何度も繰り返し加工を進めていく。また、第１及び第２の実施の形態と同様の処理により、画像処理装置１０において、２次電子像のコントラスト強度の変化に基づいて集束イオンビーム照射装置８にフィードバックがかけられる。

図５は、加工面が傾斜したシリコンチップに対してトレンチ加工を進めていき、一部の加工面が加工終点に達した場合の加工状態を示している。このような場合、集束イオンビーム６ａの走査範囲内で２次電子像のコントラストがある一定の強度になった場所を走査するときのみ集束イオンビーム６ａの電流をオフし、その領域のみ加工をストップするような機構を働かせると、集束イオンビーム６ａの走査範囲内で加工終点に達していないシリコン残膜厚の厚い部分のみ集束イオンビーム６ａによる加工を行うことができる。そして集束イオンビーム６ａの走査範囲内すべての場所の２次電子像のコントラストがある一定の強度になったとき、集束イオンビーム６ａの走査をストップ（加工を終了）すればよい。このように、加工終点に達した一部の領域に対しては、集束イオンビーム６ａの電流をオフすることにより出力を停止した状態で走査させるステップを設け、加工終点に達していない残りの領域に対しては、集束イオンビーム６ａの電流をオンした状態で走査させるステップを設ける上記方法は、図６に示すような、加工面が平坦でないシリコンチップに対しても同様に用いることが出来る。このようにしてシリコン基板１の上部がどのような状態にあっても、図４に示すように、シリコン残膜厚を任意の設定値になるように加工することができる。

更に、２次電子像のコントラストによる集束イオンビーム６ａの制御方法であるが、上記のように２次電子像のコントラストが一定の強度（所定強度）になったところを境に集束イオンビーム６ａの電流をオンオフする方法以外に、２次電子像のコントラストが一定の強度に近づくにつれて集束イオンビーム６ａの電流を弱めて（連続的に減少させる）いき、２次電子像のコントラストが一定の強度になったところで集束イオンビーム６ａの電流をオフし、その領域のみ加工をストップする方法もある。このほうがより滑らかで効率のよい加工が可能になる。

また、本方法は加工中のマイクロバブルの発生に対して有効な対策方法となる。マイクロバブルとは、トレンチ加工中に、傷等をきっかけにして広がって行く局所的にエッチング速度の速い箇所に発生するものであり、表面から見ると泡状の形状をしている。マイクロバブルが加工箇所にできると、均一にエッチングすることができないため、従来ではトレンチ加工を続行することができなかったが、第３の実施の形態を用いることにより、マイクロバブル部分の加工を抑えて加工を行うことで、マイクロバブルの成長を抑え、消滅させることができる。

（第４の実施の形態）
次に、第４の実施の形態における半導体加工装置及び加工方法について、図３を用いて説明する。

図３は、シリコンチップ（半導体基板）の断面と、このシリコンチップ裏面からトレンチ加工を行う半導体加工装置とを示している。本実施の形態における図３の半導体加工装置は、アシストガス（エッチングガス）１１を供給するアシストガス供給装置（アシストガス供給手段）１２が備わった点において、第１の実施の形態において図１に示した半導体加工装置とは異なっている。

このような構成において、本実施の形態では、集束イオンビーム６ａの走査中にアシストガス１１を使用する。これにより、第１〜第３の実施の形態に示したトレンチ加工に比べて、加工速度及び加工形状が改善される場合があり、必要に応じて使用することによって効率的な加工が可能となる。このアシストガスとしては、ＸｅＦ₂ガス、Ｃｌ₂、又はＢｒ₂等が有効である。

（第５の実施の形態）
次に、第５の実施の形態について説明を行う。

近年では、ＦＩＢ加工時に、電荷のチャージアップによるデバイスの破壊が問題となっている。これは、ＦＩＢのイオンソースとしてＧａ⁺など、プラスの電荷を持つ物質が用いられるため、集束イオンビーム６ａが照射された時に、半導体チップに電荷が蓄積するためである。これが過度に起こると、半導体チップを破壊することもある。本実施の形態では、この問題を解決する方法を示す。すなわち、集束イオンビーム６ａの走査中に集束イオンビーム６ａが照射される箇所とほぼ同一の箇所を電子ビーム８ａで同時に走査すると加工箇所の電荷のチャージアップを防止することができる。このとき、集束イオンビーム６ａの電流量、スポットサイズ、ピクセルスペース、ビームの滞在時間、インターバル等から、適した量の電子ビーム８ａを照射すると効果的である。

（第６の実施の形態）
次に、本発明の第６の実施の形態における半導体加工装置及び加工方法について図７を用いて説明する。

図７に示す半導体加工装置は、第１の実施の形態において図１に示したものと同じであるので、ここでは説明を省略する。

本実施の形態においては、図７に示すように、シリコン基板１、ポリシリコン層２、メタル配線層３、層間絶縁膜４、分離層５により形成されるシリコンチップ（半導体基板）の表面からトレンチ加工が行われる。図中の１３は、シリコンチップ内部の異常原因である構造体（所定の対象）である。本実施の形態では、この異常箇所の解析を行うためにトレンチ加工を行う。

先ず、第１の実施の形態と同様に、電子ビーム８ａの加速電圧をある一定の値に設定し、集束イオンビーム６ａによる加工から電子ビーム８ａによる観察までの一連の動作を繰り返し行う。そして、電子ビーム８ａによる２次電子像（第１の２次電子像）のコントラストが、ある一定の強度になったとき、集束イオンビーム６による加工を停止して、異常原因である微細な構造体１３を観察する。ここで、電子ビーム８ａに設定する加速電圧は、微細な構造体１３の大きさ、層間絶縁膜４の材料等を考慮し、電子の平均自由行程と、微細な構造体１３の観察を行うのに適当となる表面からの距離（所定距離）とがほぼ同じになるように設定される。このように設定することにより、電子ビーム８ａのコントラストの強度が観測に適したある一定の強度（所定強度）になったとき、すなわち、構造体１３を破壊する前に、集束イオンビーム６ａによる加工を停止して、観察を行うことが可能である。

本発明は、自動化された半導体製造設備内において、インラインの半導体チップの異常箇所の解析装置として使用することもできる。

（第７の実施の形態）
次に、本発明の第７の実施の形態では、異常箇所について短時間で効率良く解析を実施する半導体加工装置及び加工方法について、図８を用いて説明する。

図８に示した半導体加工装置は、電子ビーム照射装置８が、電子ビーム８ａの照射対象（所定の対象）に対する照射角度を変更することができる点において、第１の実施の形態において図１に示したものと異なる。

このような構成の半導体加工装置を用いて、例えば、第６の実施の形態において図７に示した方法により、集束イオンビーム６ａによる加工を構造体１３の前で止めた後、必要に応じて図８に示すように、集束イオンビーム６ａの走査範囲を変更して、構造体１３の断面を露出させる断面加工を行う。そして、電子ビーム発生装置６の設置角度を変更することにより、構造体１３の断面構造を観察する。

電子ビーム８ａは、照射角度が、表面に対して０度に近いほど表面情報が多く収集できるので、ＦＩＢ加工の開口面積が狭い場合にも対応できる。一方、設置角度が表面に対して９０度に近いほど、断面の観察には有利になるが、断面加工を行う場合のＦＩＢ加工の開口面積に応じて、設置角度θの可動範囲は限られる。

尚、本実施の形態では、１つの電子ビーム発生装置８の設置角度を調節する構成を示したが、二台以上の設置角度の異なる複数の電子ビーム（複数の電子ビーム照射部）からなる構成であっても、同様の効果が得られる。

以上第１〜第７の実施の形態については、シリコン半導体チップについて述べたが、ＧａＡｓ等他の半導体チップについても同様に実施可能であるのは言うまでもない。

本発明の半導体加工方法及び加工装置は、電子ビームで集束イオンビームによる材料の加工状態を観察しつつ加工を進める技術であって、目標の加工終点まで精度良くトレンチ加工することができるので、微細化、多層化の進んだ半導体の加工及び観察を行う場合に特に有用である。また、マスクリペア装置等、イオンビームを用いてエッチングを行う装置において利用することが可能である。更に、残膜を高精度に制御する必要がある分野においても応用可能である。

本発明の第１の実施の形態における半導体加工装置及び方法の説明図である。本発明の第１〜７の実施の形態における加工終点の設定を説明する図である。本発明の第４の実施の形態における半導体加工装置及び方法の説明図である。本発明の第５の実施の形態における半導体加工装置及び方法の説明図である。本発明の第５の実施の形態における半導体加工装置及び方法の別の説明図である。本発明の第５の実施の形態における半導体加工装置及び方法の更に別の説明図である。本発明の第６の実施の形態における半導体加工装置及び方法の説明図である。本発明の第７の実施の形態における半導体加工装置及び方法の説明図である。従来のＦＩＢ加工の模式図である。従来技術における半導体チップの加工を示す図である。従来技術における半導体チップの加工時のＯＢＩＣ相対強度と加工時間との関係を示す図である。

符号の説明

１シリコン基板
２ポリシリコン層（所定の対象）
３メタル配線層
４層間絶縁膜
５分離層（所定の対象）
６集束イオンビーム照射装置（集束イオンビーム照射手段）
６ａ集束イオンビーム
８電子ビーム照射装置（電子ビーム照射手段）
８ａ電子ビーム
９２次電子・２次イオン検出器
１０画像処理装置（加工制御手段）
１１アシストガス
１２アシストガス供給装置（アシストガス供給手段）
１３微細な構造体（所定の対象）
２０シリコン膜厚（所定距離）
２１微細な構造体までの距離（所定距離）
Ａ画像情報
Ｂフィードバック信号（制御信号）

Claims

集束イオンビームの走査により半導体基板面を加工する半導体加工方法において、
前記集束イオンビームを照射して前記半導体基板面を加工する集束イオンビーム照射工程と、
所定の透過性を有する電子ビームを、前記半導体基板面の前記集束イオンビームによる加工箇所に照射する電子ビーム照射工程と、
前記電子ビームの照射により得られる第１の２次電子像と、前記集束イオンビームの照射により得られる２次イオン像及び第２の２次電子像とを検出し、観察する観察工程と、
前記観察工程により検出された前記第１の２次電子像、２次イオン像、又は第２の２次電子像のうち、前記半導体基板内部に存在する所定の対象の前記第１の２次電子像、２次イオン像、又は第２の２次電子像のコントラスト強度に基づいて、前記加工箇所から前記所定の対象までの距離を判断し、この判断結果に応じた前記集束イオンビームの出力制御により加工進度を制御する加工制御工程とを含む
ことを特徴とする半導体加工方法。
請求項１記載の半導体加工方法において、
前記電子ビーム照射工程では、前記半導体基板における目標の加工終点から前記所定の対象までの所定距離と、前記電子ビームの電子の平均自由行程とが同程度となるように前記電子ビームの加速電圧を調節することにより、前記所定の透過性が設定される
ことを特徴とする半導体加工方法。
請求項１記載の半導体加工方法において、
前記加工制御工程では、前記コントラストの強度が所定強度に達した前記半導体基板上の領域のみ、前記集束イオンビームの出力を停止して走査することにより、前記加工進度が制御される
ことを特徴とする半導体加工方法。
請求項１記載の半導体加工方法において、
前記加工制御工程では、前記コントラストの強度が所定強度に達した前記半導体基板上の領域のみ、前記集束イオンビームの出力を弱めて走査することにより、前記加工進度が制御される
ことを特徴とする半導体加工方法。
請求項１記載の半導体加工方法において、
前記集束イオンビームの走査中に、少なくとも前記集束イオンビームの照射箇所へアシストガスが供給される
ことを特徴とする半導体加工方法。
請求項１記載の半導体加工方法において、
前記電子ビーム照射工程では、前記電子ビームは前記集束イオンビームの走査箇所とほぼ同じ箇所を同時に走査される
ことを特徴とする半導体加工方法。
請求項２記載の半導体加工方法において、
前記集束イオンビーム照射工程と、前記電子ビーム照射工程と、前記観察工程とからなる一連の工程が繰り返され、
前記加工制御工程では、前記一連の工程の繰り返しにより、前記コントラストの強度が所定強度に達したとき、前記集束イオンビームの出力が停止される
ことを特徴とする半導体加工方法。
請求項１記載の半導体加工方法において、
前記電子ビーム照射工程では、前記半導体基板面に対して前記電子ビームの照射角度が任意に変更される
ことを特徴とする半導体加工方法。
請求項１記載の半導体加工方法において、
前記電子ビーム照射工程では、前記半導体基板面に対して複数の前記電子ビームが複数の角度から照射される
ことを特徴とする半導体加工方法。
集束イオンビームを照射して半導体基板面を加工する半導体加工装置において、
前記集束イオンビームを半導体基板面に照射する集束イオンビーム照射手段と、
所定の透過性を有する電子ビームを、前記半導体基板面の前記集束イオンビームによる加工箇所に照射する電子ビーム照射手段と、
前記電子ビームの照射により得られる第１の２次電子像と、前記集束イオンビームの照射により得られる２次イオン像及び第２の２次電子像とを検出し、観察する観察手段と、
前記観察手段により検出される第１の２次電子像、２次イオン像、又は前記第２の２次電子像のうち、前記半導体基板内部に存在する所定の対象の前記第１の２次電子像、２次イオン像、又は第２の２次電子像のコントラスト強度に基づいて、前記加工箇所から前記所定の対象までの距離を判断し、この判断結果に応じて前記集束イオンビームによる加工進度を制御する制御信号を前記集束イオンビーム照射手段に送信する加工制御手段とを備える
ことを特徴とする半導体加工装置。
請求項１０記載の半導体加工装置において、
前記電子ビーム照射手段は、加速電圧の設定値を変更することにより前記電子ビームの透過性を変更する
ことを特徴とする半導体加工装置。
請求項１０記載の半導体加工装置において、
前記加工制御手段は、前記観察手段から得られた前記コントラストの強度が所定の強度に達しているとき、前記集束イオンビームの出力を停止させる制御信号を前記集束イオンビーム照射手段に送信する
ことを特徴とする半導体加工装置。
請求項１０記載の半導体加工装置において、
前記加工制御手段は、前記観察手段から得られた前記コントラストの強度が所定の強度に達しているとき、前記集束イオンビームの出力を弱める制御信号を前記集束イオンビーム照射手段に送信する
ことを特徴とする半導体加工装置。
請求項１０記載の半導体加工装置において、
前記集束イオンビーム照射手段による前記集束イオンビームの走査中において、少なくとも、前記集束イオンビームの照射箇所にアシストガスを供給するアシストガス供給手段を備える
ことを特徴とする半導体加工装置。
請求項１０記載の半導体加工装置において、
前記電子ビーム照射手段は、前記基板面に対する前記電子ビームの照射角度を変更可能である
ことを特徴とする半導体加工装置。
請求項１０記載の半導体加工装置において、
前記電子ビーム照射手段は、前記基板面に対して異なる角度から前記電子ビームを照射する複数の電子ビーム照射部を備える
ことを特徴とする半導体加工装置。