JP4279369B2 - Semiconductor device processing method - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ICやLSI等の半導体装置の補修あるいは特性評価や不良解析等を目的とした半導体装置等の集束イオンビームを用いた加工方法に関するもので、特に平坦化処理された半導体装置を正確且つ短時間に加工するに好適な加工方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
配線等の微細化・多層化により高密度化の進む半導体装置において、任意の配線を切断あるいは接続して不良解析や部分補修を迅速に行うことができれば、その開発期間短縮に大きな効果が有る。
【0003】
これを可能にする技術として、『月刊 Semiconductor World』1987年9月号27頁〜32頁に記載の集束イオンビーム(Focused Ion Beam:以下、FIBと略記)を用いた加工および成膜の方法が知られている。
【0004】
FIB加工は、FIBによるスパッタリング作用を応用したものである。
【0005】
先ず、 Ga等のイオン源から引き出されたイオンビームを静電レンズにより真空中に置かれた半導体装置上に0.5μm以下のスポット径に集束・照射し、デフレクタにより2次元的に走査する。これにより、半導体装置表面から2次電子や2次イオンが発生する。この2次電子または2次イオンをディテクタで検出し、走査電子顕微鏡と同様に上記走査に同期して検出強度に応じた輝度変調信号でCRT上に走査イオン顕微鏡像(以下、SIM(=Scanning Ion Microscope)像と呼ぶ)として表示する。
【0006】
従って、このSIM像は走査電子顕微鏡と同様に半導体装置の表面形状を反映しており、例えば図6に示す構造の半導体装置100においては、最上層の保護膜105の凹凸形状がSIM像のモニタ画面43上に表示される。この時、平坦化処理された層間絶縁膜104aの下の第1層Al配線103aの情報は得られないが、第2層および第3層のAl配線103bおよび103cについてはその上の層間絶縁膜104bおよび保護膜105が平坦化されていないため、Al配線103bおよび103cの有無に対応した凹凸が保護膜105に反映される。そして、その解像度は照射するイオンビームのスポット径に依存しており、スポット径が小さいほど、微細な表面状態を表すことが可能である。
【0007】
作業者は、先ずSIM像で半導体装置内のアライメントマーク等の特定パターンを捜す。次いで、加工用座標データに基づいて該パターンから加工位置まで半導体装置を載置したステージを移動させ、再びSIM像を観察しながら加工位置の設定を行う。
【0008】
加工位置設定後、加工寸法(=FIBの走査領域)を設定し、所定時間あるいは上記2次電子あるいは2次イオンの変化を見ながらFIBを照射する。このFIB照射により、半導体装置を構成する保護膜・層間絶縁膜やAl配線は表面から順次スパッタリング除去され、接続用窓あけや配線切断が行われる。
【0009】
一方、成膜は化学気相成長法(Chemical Vapor Deposition:以下、CVDと略記)を応用したもので、CVDガス分解のエネルギ源にFIBを用いており、FIB-CVDとも呼ばれている。この方法は、上記方法による位置合わせ後、成膜領域(=FIBの走査領域)を設定する。次いで、ノズルよりCVDガスを半導体装置上に吹き付けてCVDガス雰囲気を形成し、所定時間FIBを照射・走査する。これにより半導体装置表面に吸着したCVDガスは分解し、金属等の膜を形成する。
【0010】
上記従来例では、上記FIB加工およびFIB-CVDを2層配線構造のECLゲートアレイや1MDRAMの電気的特性評価に適用し、その有用性を述べている。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来例の半導体装置に比べ最近の半導体装置の配線構造はよりいっそう微細かつ多層になっている。そして、この複雑な配線構造を実現するためにCMP(=Chemical & Mechanical Polishing:メカノケミカルポリッシング)技術等を用いて各層間絶縁膜に平坦化処理が施されている。
【0012】
図7a)はその一例を示すもので、第1層から第3層までのAl配線103a,103b,103c上の層間絶縁膜104a,104b,104cは平坦化されている。このような構造の半導体装置100のSIM像は、図7b)に示すように、最上層のAl配線103dの情報しか得られないため、SIM像を見ながら下層のAl配線103a,103b,103cに対して高精度の加工位置決めを行うことは困難である。この理由は、SIM像を見ずにアライメントマーク等からの座標データに基づいて半導体装置100を移動させて位置決めを行った場合、半導体装置100の傾きやステージ精度のばらつき、等によって位置ズレを生ずるためである。この状態で配線切断等の加工を行うと、対象配線と共に隣の配線も加工する等の不具合を生ずる場合が有る。
【0013】
本発明の目的は、このような問題点を解決し、SIM像観察が困難あるいは不可能な半導体装置の加工対象に対し、該対象部の構造に応じた有効な加工方法を提供することにある。
【0014】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、半導体装置の保護膜および層間絶縁膜は光学的に透明なことから、半導体装置の被加工位置またはその近傍位置に光および荷電粒子で観察可能な膜を形成し、該膜の一部を除去してマーク形成を行った後、測長機能を有する光学顕微鏡を用いて該マークと被加工位置との相対距離を測定し、上記マークと該測定結果とを参照して被加工位置を特定後、FIB加工を行うものである。
【0015】
ここで、上記被加工位置近傍とは、FIB加工位置合わせ時の最終段階におけるSIM像観察領域内のことである。
【0016】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明におけるFIB加工装置の一実施例である。
【0017】
本実施例の加工装置は、ロードロック室10と処理室20とFIB光学チャンバ30の3室から成り、ロードロック室10と処理室20はゲートバルブ11により隔離され、処理室20とFIB光学チャンバ30はFIB通過のための開口を有する仕切板31で分けられる。除振台69は床からの振動を防ぐためのもので、少なくともロードロック室10と処理室20とFIB光学チャンバ30の3室と光学系50をこの上に載置する。
【0018】
ロードロック室10は、ホルダ12に載置・固定された半導体装置100の出し入れのための扉13を備え、内部に半導体装置100をホルダ12と共に処理室20内に搬送するための搬送機構14を備えている。また、ロードロック室10内の真空度を検知するための真空計15a、排気バルブ16aを介して真空ポンプ17、リークバルブ18を介してリークガス供給手段19が配管接続されている。
【0019】
処理室20は、内部にX・Y・Z・θの各方向に移動可能なステージ21を備え、上面にイオン照射により生じた2次荷電粒子を検出するための2次粒子ディテクタ22、エッチングガスおよびCVDガスを供給するためのノズル23とそれらの供給手段24、半導体装置100を観察するための対物レンズ25、該対物レンズ25を切り換えるための駆動機構26、レーザ光を導入するための窓27を備えている。また、下面には処理室20内の真空度を検知するための真空計15bおよび排気バルブ16bが配管接続されている。
【0020】
対物レンズ25を処理室20内に設けた理由は、作動距離の小さい高開口数レンズの使用を可能とすることで高倍・高分解能の観察を可能とし、後述のマークと被加工位置との相対距離測定の精度を高めるためである。また、複数の対物レンズ25を備えておくことにより、加工対象である半導体装置100の形態(ウエハ、チップ、パッケージ品)に応じて適当な物を選択・使用できる。例えば、加工対象の半導体装置100が、ウエハやチップの場合には作動距離の小さい高開口数の対物レンズ25を用い、パッケージ品の場合には作動距離が比較的大きい低開口数の対物レンズ25を用いる。前者に比べて後者の場合には分解能が低下するが、画像処理装置59の画像処理(電気的に観察倍率を高め、光学的に得た画素を分割して補間する)で対応できる。
【0021】
FIB光学チャンバ30は、側面に該チャンバ30内を排気するための真空ポンプ32を配管接続し、内部にイオン源33、引き出し電極34、集束レンズ35、ブランキング電極36、アパーチャ37、デフレクタ電極38、対物レンズ39を備えている。引き出し電極34によりイオン源33より引き出されたイオンビーム40は、集束レンズ35により集束され、電流および集束径を制限するためのアパーチャ37を通過し、対物レンズ39により微細なスポット径で半導体装置100上に照射される。この時、ブランキング電極36とデフレクタ電極38への印加電圧を図示していないコントローラで制御することにより、イオンビーム40照射のON・OFFや、イオンビーム40の半導体装置100上での走査が可能となる。そして、イオンビーム40照射によって生じた半導体装置100からの2次荷電粒子41は、2次粒子ディテクタ22により検出される。
【0022】
このディテクタ22には、その検出信号をイオンビーム40の走査に同期して各種画像処理するための画像処理装置42を介し、該画像処理装置42によって処理された画像を表示するためのモニタ43が接続されている。尚、イオンビーム40の光軸と上記対物レンズ25の光軸は所定の距離に位置しており、ステージ21移動量にその値を与えることで、互いに略同位置を観察できる。
【0023】
また、処理室20内の対物レンズ25の直上には光学的観察を行うための光学系50が設けられている。該光学系50は、観察光源となるレーザ発振器51、該発振器51から出たレーザ光52を導く全反射ミラー53、レーザ光52を成形するアパーチャ54、レーザ光52をXおよびY方向に面状に走査する手段55、ハーフミラー56、ピンホール57、該ピンホール57を通過したレーザ光52’の光量を検出する光検出器58、該検出器58からの検出信号をレーザ光52の走査に同期して各種画像処理するための画像処理装置59、該画像処理装置59によって処理された画像を表示するためのモニタ60から構成される。
【0024】
尚、アパーチャ54およびピンホール57は対物レンズ25の結像位置に置かれ、アパーチャ54で成形されたレーザ光52は半導体装置100上に投影され、半導体装置100の像は対物レンズ25によりピンホール57の位置に結像する。走査手段55は、2枚の全反射ミラーとその駆動機構によってガルバノメータを構成し、2枚の全反射ミラーをそれぞれ所望の角度回転させることにより、半導体装置100上にレーザ光52をXおよびY方向に走査するものである。ガルバノメータの替わりに音響光学偏向器あるいは電気光学偏向器等を組み合わせ用いても良い。画像処理装置59は、モニタ60画面上に2組のクロスカーソルを表示する機能を有すると共に、該2組のクロスカーソル間のモニタ60画面の画素数と観察に用いた対物レンズ25の倍率とから両クロスカーソル間の距離を求める機能を有する。
【0025】
上記光学系50において、レーザ発振器51から出たレーザ光52は、全反射ミラー53によりアパーチャ54に入射する。該アパーチャ54によりレーザ光52は成形されて走査手段55に達する。ここでレーザ光52はXY平面に対して走査されて対物レンズ25に入射し、アパーチャ54の開口寸法に対物レンズ25の倍率Mの逆数(1/M)を掛けたスポット経で半導体装置100上に投影・走査される。そして、半導体装置100内の配線等の各パターンからの反射光52’は、対物レンズ25およびハーフミラー56を透過してピンホール57に達する。
【0026】
前述したように、ピンホール57は対物レンズ25の結像位置に置かれていることから、対物レンズ25の焦点面に位置するパターンからの反射光52’が最も効率よくピンホール57を通過して光検出器58に至る。そして、画像処理装置59に検出光量の閾値を設定しておくことで、対物レンズ25の焦点面に位置するパターンのみをモニタ60表示および画像処理装置59に記憶できる。ステージ21をZ方向に移動させながら画像を取り込み、それらを重ね合わせることで半導体装置100内の下層配線から上層配線までをモニタ60の画面上に一括表示できる。
【0027】
次に、上記実施例を用いたFIB加工手順について説明する。ここでは、図2(a)に示す半導体装置100内の配線を切断することとして説明する。
【0028】
1)半導体装置の導入
先ず、ネットワークあるいは磁気媒体等を介して加工対象の半導体装置100のレイアウトデータおよび被加工位置や加工深さ・材質等の情報を図示していないコントローラに入力・記憶する。
【0029】
排気バルブ16aを閉じ、リークバルブ18を開けてリークガス供給手段19からロードロック室10内に窒素やアルゴン等の不活性ガスあるいは乾燥空気等のリークガスを導入する。ロードロック室10内が略大気圧に達したらバルブ18を閉じてリークガスの供給を停止する。扉13を開けてホルダ12に固定した半導体装置100をホルダ12と共に搬送機構14上に載せ、扉13を閉じる。バルブ16bを閉じ、バルブ16aを開けてロードロック室10内を所定圧力(例えば10-4Pa)に達するまで排気する。所定の圧力に達したならば、バルブ16bおよびゲートバルブ11を開ける。
【0030】
ステージ21をホルダ12の受け渡し位置に移動後、搬送機構14を駆動してホルダ12を該機構14からステージ21に移す。ステージ21を移動して半導体装置100を対物レンズ25の直下に位置させる。
【0031】
2)半導体装置の傾き補正
図2(b)に示すように、モニタ60の画面上にクロスカーソル70を表示後、半導体装置100の各種パターンを観察しながらステージ21を移動し、クロスカーソル70の交点と半導体装置100を製造する際に用いた第1のアライメントマーク2とを一致させる。両者が一致したステージ25の座標を記憶後、レイアウトデータに基づいてステージ25を移動し、第2のアライメントマークとクロスカーソル70の交点とを一致させる。ここでのステージ座標と上記第1のアライメントマーク2におけるステージ座標とを比較し、XY平面における半導体装置100の傾きθ1を求める。得られた結果に基づいてステージ25を逆方向にθ1だけ回転させることにより、半導体装置100の傾きは補正される。
【0032】
半導体装置100の傾き補正にアライメントマーク2を用いて行ったが、半導体装置100内の配線等のパターンを用いて行っても良い。また、傾きθ1に従って座標変換を行い、ステージ21は回転させず、以後の操作を変換後の座標に基づいて行っても良い。
【0033】
3)マーク用下地膜形成
上記操作後、ステージ21を所定量移動してSIM像による観察領域内に半導体装置100を位置させ、該半導体装置100のSIM像およびクロスカーソル80をモニタ43画面上に表示する。観察倍率を適宜変えながらステージ21を移動してアライメントマーク2を捜し出す。そして、観察倍率を順次高めると共にステージ21を移動し、上記工程2)の半導体装置の傾き補正で行った時と同様に、アライメントマーク2の中心をクロスカーソル80の交点と一致させる。該操作後、被加工位置1の座標データに基づいてステージ21を移動する。これにより、被加工位置1はSIM像による観察領域内(モニタ43の表示画面内)のどこかに位置することとなる。この時のステージ21の座標をコントローラに記憶させた後、SIM像による観察倍率を、被加工位置1をFIB加工する際の最終的な位置合わせ時に適した観察領域(例えば、□20〜100μm)が得られる倍率にする。
【0034】
次に図2c)に示すように、FIB加工時のイオンビーム40の走査領域を設定するためのボックス81をモニタ43画面上に表示し、FIB-CVDでマーク用下地膜を形成するためのX方向およびY方向の走査領域をコントローラに入力する。該走査領域はモニタ43の画面内で有ればどこでも良い。
【0035】
走査領域設定後、CVDガス供給手段24aのバルブを開け、ノズル23aからCVDガスを吹き付けながら、所定の条件でイオンビーム40を照射する。所定時間照射後、CVDガス供給手段24aのバルブを閉じてCVDガス供給を停止する。これにより、図2c)に示すように、走査領域にマーク用下地膜3が形成される。
【0036】
ここで用いるCVDガスは、イオンビーム照射により分解して金属を析出するものが適しており、例えば、W、Mo、Cr、等を析出するカルボニル化合物(W(CO)6、Mo(CO)6、Cr(CO)6、等)、あるいはAu、Cu、Pt、Al、等を析出する有機金属化合物等である。そして、マーク用下地膜3として必要な膜厚は、形成した膜の材質および位置合わせ時のSIM像の観察回数によって異なるが、1μm以下で良い。
【0037】
尚、該下地膜3の周辺にもイオンビーム40のエネルギ分布の裾部分で析出した余剰膜3’が形成される。SIM像やレーザ顕微鏡による観察では、該余剰膜3’と下地膜3の境界が不明確のため、この状態ではマークとして使用できない。
【0038】
4)マーク形成
上記FIB加工時の走査領域を設定するためのボックス81をモニタ43画面上に表示し、図3a)に示すように、上記工程で形成したマーク用下地膜3の加工領域を設定する。該設定後、所定の条件でイオンビーム40を照射・走査して下地膜3を部分的に除去加工する。この除去加工において、下地膜3をイオンビーム40でスパッタ除去する方法と、エッチングガス供給手段24bのバルブを開けてノズル23bから上記金属膜のエッチングガス(例えば、塩素、臭素、等のハロゲンガス単体あるいはその化合物)を吹き付けながらイオンビーム40を照射し、イオンビーム40のエネルギで金属膜とエッチングガスを反応させて除去する方法とがある。
【0039】
これらの何れかの方法により、下地膜3は部分的に除去されてマーク4が形成される。尚、該マーク形成における加工深さは、下地膜3の膜厚を超えて保護膜の途中まで加工しても良い。
【0040】
5)マークから被加工位置までの相対距離の測定
FIB加工によりマーク形成後、ステージ21を移動し、モニタ60の画面上にマーク4と被加工位置1を表示する。図3b)に示すように、第1のクロスカーソル70をマーク4に合わせ、第2のクロスカーソル70’を被加工位置1に合わせる。画像処理装置59の機能により、両クロスカーソル70および70’間のX方向およびY方向の距離(δx、δy)が求められる。
【0041】
6)FIB加工
上記工程3)でコントローラに記憶させた座標位置にステージ21を移動させ、該半導体装置100のSIM像およびクロスカーソル80をモニタ43画面上に表示する。モニタ43の画面上には、図3c)に示すように、下地膜3およびマーク4が表示される。上記マーク4から被加工位置1までの相対距離を測定した時と同様に、クロスカーソル80をマーク4に合わせ、クロスカーソル80から(δx、δy)離れた位置に第2のクロスカーソル80’を表示する。該第2のクロスカーソル80’の交点は被加工位置1を指示していることから、該交点を中心にFIB加工時の走査領域を設定するためのボックス81をモニタ43画面上に表示し、予めコントローラに入力した加工データに基づいて、加工領域を設定する。該設定後、イオンビーム40を照射・走査して保護膜・層間膜・配線を順次除去する。
【0042】
この除去加工においても、上記下地膜3へのマーク形成と同様に、各層をイオンビーム40でスパッタ除去する方法と、エッチングガスを切り替え吹き付けながらイオンビーム40を照射し、イオンビーム40のエネルギで絶縁膜あるいは配線とエッチングガスを反応させて除去する方法とがある。絶縁膜用のエッチングガスとしては、フッ素あるいはXeF2、NF3、CF4、等と言ったフッ素化合物が適しており、配線用のエッチングガスとしては、上記下地膜3の加工に用いた塩素、臭素、等のハロゲンガス単体あるいはその化合物が適している。
【0043】
7)半導体装置の取り出し
FIB加工終了後、ステージ21をロードロック室10とのホルダ12の受け渡し位置に移動する。ロードロック室10が高真空状態にあることを確認後、ゲートバルブ11を開け、搬送機構14を駆動して半導体装置100をホルダ12と共にロードロック室10内に搬送する。
【0044】
次に、ゲートバルブ11を閉じ、バルブ16aを閉じ、リークバルブ18を開けてロードロック室10内にリークガスを導入する。ロードロック室10内が略大気圧に達したら、リークバルブ18を閉じ、扉13を開けて半導体装置100をホルダ12ごと取り出す。そして、扉13およびバルブ16bを閉じ、バルブ16aを開けてロードロック室10内を排気する。所定の圧力に達したならば、バルブ16bを開けて終了となる。
【0045】
以上が本発明のFIB加工装置を用いて、半導体装置にマーク形成から配線切断まで実施した例である。
【0046】
本発明は、上記実施例に限定されるものでなく、例えば、図1のFIB加工装置において、レーザ発振器51をハロゲンランプ等の一般的な光学顕微鏡用光源に替え、白色光を観察光に用いてマーク4と被加工位置1との距離を測定しても良い。また、CVD手段を持つFIB加工装置と光学顕微鏡とを個別に設けて用いても良い。
【0047】
また、工程2)における半導体装置100の傾き補正をFIB光学系を用い、SIM像でアライメントマーク2を観察しながら行っても良い。
【0048】
さらに、マーク4の形状および形成場所も上記実施例に限定されず、例えば図4a)に示すように、マーク用下地膜3を十文字形に除去加工してマーク4を形成しても良い。あるいは図4b)に示すように、最終的加工位置合わせ時のSIM像観察領域全面にマーク用下地膜3をFIB-CVDで形成後、最終的加工位置合わせ時の観察領域内で且つ被加工位置1が含まれるよう、FIB加工により下地膜3を広く除去してマーク4を形成しても良い。そして、図4c)に示すように、広く形成したマーク4の2辺から被加工位置1までの距離(δx、δy)を測定する。
【0049】
この時のマーク用下地膜3の除去領域(=マーク4の形成寸法)は、上記工程5)のマーク4から被加工位置1までの距離測定において、観察光が被加工位置1およびその周辺に充分に照射されるサイズ(例えば、□20μm)である。
【0050】
この除去加工において、前述したように、下地膜3をイオンビーム40でスパッタ除去する方法と、エッチングガスを吹き付けながらイオンビーム40を照射してイオンビーム40のエネルギで金属膜とエッチングガスを反応させて除去する方法とがある。但し、イオン源33に金属Gaを用いて下地膜3をスパッタ除去した場合、露出した保護膜105中にGaが打ち込まれて保護膜105の透過率が低下して被加工位置1が光学的に見にくくなることから、エッチングガスを吹き付けながら加工した方が良い。尚、エッチングガスとしては、上記金属膜のエッチングガス(例えば、塩素、臭素、等のハロゲンガス単体あるいはその化合物)に限らず、前述の絶縁膜除去に用いたフッ素あるいはXeF2、NF3、CF4、等と言ったフッ素化合物でも良い。そして、下地膜3の膜厚を超えて保護膜105の途中まで加工しても良い。
【0051】
さらにまた、被加工位置1をFIB加工する際の最終的な位置合わせ時の観察領域内に下地膜3およびマーク4を複数個形成しても良い。そして、図5a)に示すように、上記レーザ顕微鏡でマーク4から被加工位置1までの相対距離の測定を行う際、2つのクロスカーソル70および70’の交点をそれぞれマーク4および4’の中心に合わせて両マーク4および4’間の距離x1も測定しておき、SIM像観察でも同様に2つのクロスカーソル80および80’の交点をそれぞれマーク4および4’の中心に合わせ、SIM像における両マーク4および4’間の距離x2を測定する。そして、FIB加工時の走査領域設定ボックス81の設定位置を(δx×x2/x1、δy×x2/x1)にすることで、観察系の違いによる設定誤差を無くすることができる。尚、ここではX方向に2つのマーク4および4’を形成し、それに基づいてマーク4から被加工位置1までの距離(δx、δy)を補正したが、図5b)に示すように、3箇所に形成してX方向およびY方向の距離x1およびy1をそれぞれ求め、(δx×x2/x1、δy×y2/y1)と補正しても良い。
【0052】
【発明の効果】
以上、本発明によれば、FIB加工の最終位置決め時のSIM像観察領域内にマークを形成後、該マークと被加工位置を光学顕微鏡により同一画面上に表示して該画面上で測定し、最終位置決め時のSIM像観察倍率と同一の画面上でマーク表示および上記測定結果に基づいた位置に加工領域を設定するため、平坦化処理等により加工領域からのFIBの2次イオン像あるいは2次電子像による被加工位置の情報が得られない半導体装置においても、被加工位置の特定が容易且つ正確になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明におけるFIB加工装置の一例を示す略断面図である。
【図2】本発明における半導体装置の加工工程を示す図である。
【図3】本発明における各加工工程における半導体装置の平面図である。
【図4】本発明におけるマークの一例を示す半導体装置の平面図である。
【図5】本発明におけるマークの一例を示す半導体装置の平面図である。
【図6】従来の半導体装置の概略構成を示し平面図および断面図である。
【図7】本発明で加工対象としている半導体装置の概略構成を示し平面図および断面図である。
【符号の説明】
1---被加工位置、2---アライメントマーク、3---マーク形成用下地膜、4---マーク、10---ロードロック室、14---搬送機構、20---処理室、21---ステージ、22---2次粒子ディテクタ、23---ノズル、24---ガス供給手段、25---対物レンズ、30---FIB光学系チャンバ、33---イオン源、34---引き出し電極、35---集束レンズ、39---対物レンズ、40---イオンビーム、41---2次粒子、42---画像処理装置、43---モニタ、50---光学系、51---レーザ発振器、52---レーザ光、58---光検出器、59---画像処理装置、60---モニタ、100---半導体装置、101---基板、102---酸化膜、103---Al配線、104---層間絶縁膜、105---保護膜。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a processing method using a focused ion beam of a semiconductor device or the like for the purpose of repairing or characterization of a semiconductor device such as an IC or LSI, and failure analysis. In addition, the present invention relates to a processing method suitable for processing in a short time.
[0002]
[Prior art]
In a semiconductor device whose density is increasing due to miniaturization / multilayering of wiring and the like, if any wiring can be cut or connected and defect analysis and partial repair can be performed quickly, the development period can be greatly shortened.
[0003]
As a technology that makes this possible, there is a processing and film forming method using a focused ion beam (hereinafter abbreviated as FIB) described in pages 27-32 of the September 1987 issue of “Monthly Semiconductor World”. Are known.
[0004]
FIB processing is an application of sputtering by FIB.
[0005]
First, an ion beam extracted from an ion source such as Ga is focused and irradiated to a spot diameter of 0.5 μm or less on a semiconductor device placed in a vacuum by an electrostatic lens, and two-dimensionally scanned by a deflector. Thereby, secondary electrons and secondary ions are generated from the surface of the semiconductor device. This secondary electron or secondary ion is detected by a detector, and a scanning ion microscope image (hereinafter referred to as SIM (= Scanning Ion) is displayed on the CRT with a luminance modulation signal in accordance with the detection intensity in synchronization with the scanning in the same manner as in the scanning electron microscope. Microscope) image).
[0006]
Therefore, this SIM image reflects the surface shape of the semiconductor device as in the scanning electron microscope. For example, in the
[0007]
The operator first searches for a specific pattern such as an alignment mark in the semiconductor device using the SIM image. Next, the stage on which the semiconductor device is mounted is moved from the pattern to the processing position based on the processing coordinate data, and the processing position is set while observing the SIM image again.
[0008]
After the processing position is set, a processing dimension (= FIB scanning area) is set, and FIB is irradiated for a predetermined time or while watching the change of the secondary electrons or secondary ions. By this FIB irradiation, the protective film, the interlayer insulating film and the Al wiring constituting the semiconductor device are sequentially removed from the surface by sputtering, and the connection window is opened and the wiring is cut.
[0009]
On the other hand, film deposition is an application of chemical vapor deposition (hereinafter abbreviated as CVD), which uses FIB as an energy source for CVD gas decomposition, and is also called FIB-CVD. In this method, after alignment by the above method, a film formation region (= FIB scanning region) is set. Next, CVD gas is blown onto the semiconductor device from a nozzle to form a CVD gas atmosphere, and FIB is irradiated and scanned for a predetermined time. Thereby, the CVD gas adsorbed on the surface of the semiconductor device is decomposed to form a film of metal or the like.
[0010]
In the above-mentioned conventional example, the above-mentioned FIB processing and FIB-CVD are applied to the electrical characteristic evaluation of an ECL gate array having a two-layer wiring structure and 1M DRAM, and the usefulness thereof is described.
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
However, the wiring structure of recent semiconductor devices is much finer and more multilayered than the conventional semiconductor device. In order to realize this complicated wiring structure, each interlayer insulating film is planarized using a CMP (= Chemical & Mechanical Polishing) technique or the like.
[0012]
FIG. 7a) shows an example, and the interlayer insulating films 104a, 104b, 104c on the Al wirings 103a, 103b, 103c from the first layer to the third layer are flattened. As shown in FIG. 7B), the SIM image of the
[0013]
An object of the present invention is to solve such problems and to provide an effective processing method according to the structure of the target portion for a processing target of a semiconductor device in which SIM image observation is difficult or impossible. .
[0014]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, according to the present invention, since the protective film and the interlayer insulating film of the semiconductor device are optically transparent, a film that can be observed with light and charged particles is formed at the processing position of the semiconductor device or in the vicinity thereof After forming a mark by removing a part of the film, the relative distance between the mark and the processing position is measured using an optical microscope having a length measuring function, and the mark and the measurement result The FIB processing is performed after specifying the processing position with reference to FIG.
[0015]
Here, the vicinity of the processing position refers to the area within the SIM image observation region at the final stage during FIB processing positioning.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 shows an embodiment of an FIB processing apparatus according to the present invention.
[0017]
The processing apparatus according to this embodiment includes three chambers, a
[0018]
The
[0019]
The
[0020]
The reason why the
[0021]
The FIB
[0022]
The
[0023]
Further, an
[0024]
The
[0025]
In the
[0026]
As described above, since the pinhole 57 is placed at the image forming position of the
[0027]
Next, the FIB processing procedure using the above embodiment will be described. Here, description will be made on the assumption that the wiring in the
[0028]
1) Introduction of semiconductor device First, layout data of the
[0029]
The exhaust valve 16a is closed, the
[0030]
After the
[0031]
2) Correction of tilt of semiconductor device As shown in FIG. 2B, after the
[0032]
Although the alignment mark 2 is used to correct the tilt of the
[0033]
3) Formation of mark base film After the above operation, the
[0034]
Next, as shown in FIG. 2c), a
[0035]
After setting the scanning region, the valve of the CVD gas supply means 24a is opened, and the
[0036]
As the CVD gas used here, a gas that decomposes by ion beam irradiation to precipitate a metal is suitable. For example, a carbonyl compound that precipitates W, Mo, Cr, etc. (W (CO) 6, Mo (CO) 6 , Cr (CO) 6, etc.), or organometallic compounds that deposit Au, Cu, Pt, Al, etc. The film thickness necessary for the
[0037]
An
[0038]
4) Mark formation A
[0039]
By any one of these methods, the
[0040]
5) Measuring the relative distance from the mark to the machining position
After forming the mark by FIB processing, the
[0041]
6) FIB processing The
[0042]
Also in this removal processing, similarly to the mark formation on the
[0043]
7) Removal of semiconductor device
After the FIB processing is completed, the
[0044]
Next, the gate valve 11 is closed, the valve 16 a is closed, the
[0045]
The above is an example in which the semiconductor device is formed from mark formation to wiring cutting using the FIB processing apparatus of the present invention.
[0046]
The present invention is not limited to the above embodiment. For example, in the FIB processing apparatus of FIG. 1, the laser oscillator 51 is replaced with a general light source for an optical microscope such as a halogen lamp, and white light is used as observation light. The distance between the
[0047]
Further, the tilt correction of the
[0048]
Further, the shape and the formation location of the
[0049]
At this time, the area for removing the mark undercoat film 3 (= dimension size of the mark 4) is such that, in the distance measurement from the
[0050]
In this removal process, as described above, the
[0051]
Furthermore, a plurality of
[0052]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, after forming a mark in the SIM image observation area at the final positioning of FIB processing, the mark and the processing position are displayed on the same screen by an optical microscope and measured on the screen, In order to set the processing area at the position based on the mark display and the above measurement results on the same screen as the SIM image observation magnification at the time of final positioning, the secondary ion image or secondary image of FIB from the processing area by flattening processing etc. Even in a semiconductor device in which information on a processing position based on an electronic image cannot be obtained, the processing position can be easily and accurately specified.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of an FIB processing apparatus according to the present invention.
FIGS. 2A and 2B are diagrams illustrating a process of processing a semiconductor device according to the present invention.
FIG. 3 is a plan view of the semiconductor device in each processing step according to the present invention.
FIG. 4 is a plan view of a semiconductor device showing an example of a mark in the present invention.
FIG. 5 is a plan view of a semiconductor device showing an example of a mark in the present invention.
FIG. 6 is a plan view and a cross-sectional view showing a schematic configuration of a conventional semiconductor device.
7A and 7B are a plan view and a cross-sectional view showing a schematic configuration of a semiconductor device to be processed in the present invention.
[Explanation of symbols]
1 --- Processing position, 2 --- Alignment mark, 3 --- Undercoat film for mark formation, 4 --- Mark, 10 --- Load lock chamber, 14 --- Transfer mechanism, 20 --- Processing chamber, 21 --- Stage, 22 --- Secondary particle detector, 23 --- Nozzle, 24 --- Gas supply means, 25 --- Objective lens, 30 --- FIB optics chamber, 33-- -Ion source, 34 --- Extraction electrode, 35 --- Focusing lens, 39 --- Objective lens, 40 --- Ion beam, 41 --- Secondary particles, 42 --- Image processing device, 43 --- Monitor, 50 --- Optical system, 51 --- Laser oscillator, 52 --- Laser beam, 58 --- Photo detector, 59 --- Image processing device, 60 --- Monitor, 100- --Semiconductor device, 101 --- Substrate, 102 --- Oxide film, 103 --- Al wiring, 104 --- Interlayer insulating film, 105 --- Protective film.
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