JP3265901B2

JP3265901B2 - 集束イオンビーム装置及び集束イオンビーム照射方法

Info

Publication number: JP3265901B2
Application number: JP06551195A
Authority: JP
Inventors: 亨石谷; 毅大西
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1995-03-24
Filing date: 1995-03-24
Publication date: 2002-03-18
Anticipated expiration: 2017-03-18
Also published as: JPH08264150A; EP0734045A3; US5852297A; EP0734045A2

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は集束イオンビーム装置
（Focused Ion Beam FIB）に関する。

【０００２】

【従来の技術】現在、集束イオンビーム装置は多くの分
野で利用されている。特に、この細く絞ったビームは微
小領域に対応可能で有り、この領域で使用される。ま
た、この装置は、イオン源からのイオンビームをレンズ
で細く収束して試料に照射するものであり、微小領域で
の試料の加工及び試料の観察に用いられる。例えば、比
較的小さな電流のイオンビームを試料に照射すれば、試
料から発生する２次粒子を検出することにより試料の観
察に用いることができる。また、比較的大きな電流のイ
オンビームを試料と照射すれば、試料を加工することが
できる。

【０００３】さらに、集束イオンビームは半導体の不良
解析に用いられる。半導体は近年集積化しており、その
ため、一般に、積層構造を有している。そのため、半導
体を検査するには、所定の層を露出させてから表面状態
を検査する必要がある。集束イオンビームは加工及び観
察が共に可能であるので、半導体の不良解析に良好であ
る。まず、イオンビームの電流を大きくして半導体の表
面から所定の層まで加工して、それから、イオンビーム
の電流を小さくして所定の層の状態を検査するのであ
る。

【０００４】ところで、従来の装置では、例えば、J.Va
c.Sci.Technol.B （ジャーナルバキュームサイエン
スアンドテクノロジービィ）Vol.8,No.6,Nov／Dec,
1990，pp．1673−1675に記載されている。この記載によ
れば、光学系について、イオン源１のイオンエミッタ先
端から試料１０までの全イオン光学長Ｌｔは２７５mmで
ある。イオン源から集束レンズ中心までの距離Ｌｏは２
５mm、集束レンズ中心から対物レンズ中心までの距離Ｌ
は２２０mm、および対物レンズ中心から試料までの距離
Ｌｉは３０mmである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、イオンビー
ム装置では、加工モードにおいて、イオンビームが充分
に細くないと、不良解析の際に、微細な半導体のパター
ンに適応できないという問題が生じる。さらに、加工モ
ードにおいて、イオンビームの電流が充分に大きくない
と、加工速度が遅くなり、ビーム位置が試料ステージの
ドリフトの影響により、やはり、微細な半導体のパター
ンに適応できないという問題が生じる。

【０００６】一方、観察モードでは、イオンビームが充
分に細くないと、不良解析の際に、微細な半導体のパタ
ーンの観察ができないという問題が生じる。さらに、観
察モードにおいて、イオンビームの電流が充分に大きく
ないと、得られる信号が小さすぎ、充分なＳ／Ｎをもっ
た像の検出ができないという問題が生じる。

【０００７】上記の従来例では、これらの問題を解決し
ておらず、半導体の不良解析が不可能であった。例え
ば、半導体の主力である６４メガＤＲＡＭ（パターン幅
０.４〜０.３ミクロン）の不良解析が事実上困難であ
った。また、これらの主力である２５６メガＤＲＡＭ
（パターン幅約０.２５ミクロン）の不良解析は全く不
可能であった。

【０００８】本発明の目的は、これらの微細な半導体の
不良解析を可能とするイオンビーム装置を提供すること
にある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の発明者は、半導
体の不良解析、特に、イオンビームのビーム幅、及び、
イオンビーム電流について解析及び実験を繰り返し、特
に、６４メガＤＲＡＭ及び２５６メガＤＲＡＭの不良解
析には以下の条件が必要であることを発見した。

【００１０】すなわち、加工ビームに対して最大電流密
度Ｊmax≧１５Ａ／cm²、加工ビームではＩｐ＝数１０ｐ
ＡでＤｐ≦４０ｎｍ、また、観察ビーム（Ｉｐ≧数ｐ
Ａ）に対してＤｐ≦１５ｎｍが必要であることを発見し
た。

【００１１】この数値を達成するため、すなわち、本発
明の目的であるところの半導体、不良解析を実現するた
め、本発明では、イオン源、前記イオン源からのイオン
ビームを集束させる集束レンズ及び対物レンズからなる
集束イオンビームと装置において、前記イオン源のエミ
ッタ先端から前記試料までの全光学長が３００mmから４
５０mmの範囲にあり、かつ前記対物レンズの中心から前
記試料までの距離が４０mm以下であるように構成した。

【００１２】

【作用】上記の構成によれば、最大電流密度Ｊmax≧１
５Ａ／cm²、加工モードにおいて、Ｉｐ＝数１０ｐＡで
Ｄｐ≦４０ｎｍ、また、観察ビーム（Ｉｐ≧数ｐＡ）に
対しＤｐ≦１５ｎｍが実現される。この結果として、半
導体、特に、６４メガDRAM及び２５６メガＤＲＡＭの解
析が可能となる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に用いて説明す
る。

【００１４】図１において、ＦＩＢ装置のイオン光学系
概略構成図である。イオン源１は輝度の高いガリウム
（Ｇａ）の液体金属イオン源（Liquid Metal Ion Sourc
e 、略してＬＭＩＳ）である。イオン源１から放出され
たイオンは集束レンズ２と対物レンズ８により試料１０
に集束させられる。ＦＩＢ９のビーム径は集束レンズ２
の直後に置かれたビーム制限絞り３にて決まり、試料１
０上でのビーム走査は静電型偏向器７にて行われる。こ
こで、レンズ中心の位置はレンズ作用の最も強い位置、
つまり前と後の両レンズ主面の中心の位置に取るべきで
あるが、ここでは薄肉レンズ近似したレンズ位置にて定
義する。（具体的には、本公知例装置の集束レンズは電
極間ギャップ１０mmの４枚電極で構成されており、イオ
ン源側から数えて第３枚目の電極の位置を集束レンズの
中心位置とする。対物レンズにおいては、電極間ギャッ
プ１０mmの３枚電極で構成されているレンズの中央電極
の位置を対物レンズの中心位置とする。）次に、集束レ
ンズの切り替えによるモード変化を説明する。集束レン
ズの第２と第３枚目の電極電位を切り替えて２種類の集
束モード、つまり（ａ）ＦＩＢ加工用の高電流密度ビー
ムモードと（ｂ）ＳＩＭ像観察用の微細ビームモードと
を採用している。

【００１５】ここで、本発明の実施例を明確とするた
め、従来の技術について説明する。従来では、イオン源
１とイオンエミッタ先端から試料１０までの全イオン光
学長Ｌｔは２７５mmである。イオン源から集束レンズ中
心までの距離Ｌｏは２５mm集束レンズ中心から対物レン
ズ中心までの距離Ｌは２２０mm、および対物レンズ中心
から試料までの距離Ｌｉは３０mmである。従来におけ
る、ＦＩＢ加工用モードとＳ／Ｍ像観察用モードについ
て、ビーム径Ｄｐ及びビーム電流Ｉｐを図３に示す。計
算条件として、イオンの引き出し電圧Ｖｅは５ｋＶ、イ
オン放射角電流密度Ｊａは１４μＡ／sr、イオンエネル
ギー幅ΔＥは７ｅＶ、仮想ソースサイズＤｓは６０ｎ
ｍ、試料に対するイオンの加速電圧Ｖｉは３０ｋＶを用
いる。FIB加工モードでは加工面積に応じて、加工ビー
ム径Ｄｐを５０ｎｍ〜１μｍの範囲の中で大から小に切
り替えて粗，中、および仕上げの加工を行う。

【００１６】したがって、従来の集束イオンビーム装置
は以下のようにまとめられる。

【００１７】(1）加工ビームの最大電流密度Ｊmaxは約
１０Ａ／cm²である。

【００１８】(2）Ｉｐ＝数１０ｐＡを持つ仕上げ加工ビ
ームのビーム径Ｄｐは６０〜７０ｎｍである。

【００１９】(3）微細ビーム（観察）モードではＩｐ＝
１０ｐＡでＤｐ＝３５ｎｍのビームが形成できる。

【００２０】本発明の実施例であるＦＩＢ装置における
イオン光学系のビーム集束状態を表す図を用いて説明す
る。光学系は２段静電レンズ構成であり、集束レンズ中
心からイオンエミッタ先端までの距離をＬｏ、集束レン
ズ中心から対物レンズ中心までの距離をＬ、対物レンズ
中心から試料までの距離をＬｉとする。これらの総和
（Ｌｏ＋Ｌ＋Ｌｉ）である全光学長をＬｔとする。ま
た、集束レンズ中心からビーム制限絞りまでの距離をＬ
ｃａとする。イオンエミッタ先端を集束レンズの物点と
し、その像点をＰ１とする。集束レンズおよび対物レン
ズのそれぞれの中心から像点Ｐ１までの距離をそれぞれ
Ｌ１およびＬ２（＝Ｌ−Ｌ１）とする。ここで、Ｌ１の
符号は像が実像および虚像の場合、それぞれ正および負
となる。特に、像点Ｐ１が２段レンズ間に位置する場合
をクロスオーバモード、２段レンズ間の外側に位置する
場合をコリメートモードと呼ぶ。図１の（ａ）および
（ｂ）はそれぞれクロスオーバモード、およびコリメー
トモードで像点Ｐ１がイオン源側にある場合のビーム集
束状態を表したものである。

【００２１】また、電位についてはイオン源側をＶｏ
（＝イオン引き出し電位Ｖｅ）、レンズ間をＶｍ、試料
側をＶｉとし、Ｖｍ＝Ｖｉに設定する。ただし、電位の
原点は光学系解析の一般的習慣に従いイオンエミッタに
取ってある。実際の装置においては、通常、試料を接地
電位とし、イオンエミッタにイオン加速電圧を印加す
る。電位の具体値は、イオン源がＧａ−ＬＭＩＳの場
合、Ｖｏ（＝Ｖｅ）＝６〜１０ｋＶであり、Ｖｉ（＝Ｖ
ｍ）はイオンスパッタリングを効率よく行うために２０
ｋＶ以上に設定する。

【００２２】以下、光学長（Ｌｉ，Ｌｏ，Ｌ，Ｌ１／Ｌ
２，Ｌｃａ）の最適化に先立ち、ビーム特性（Ｄｐ−Ｉ
ｐカーブ）と光学長との関係の解析結果を示す。ただ
し、レンズは薄肉レンズで近似し解析した。

【００２３】光学長と電位を固定し、ＦＩＢを形成する
集束レンズの入射側でのビーム半開角αｏを変えた時に
得られる一般的なＤｐ−Ｉｐ特性カーブを図４に示す。
ビーム径Ｄｐはガウス像のサイズｄｇ、レンズの色収差
および球面収差によるそれぞれの像ぼけ、ｄｃおよびｄ
ｓにより一般的に次式で表される。

【００２４】

【数１】Ｄｐ²＝ｄｇ²＋ｄｃ²＋ｄｓ²…（１）なお、ｄｇ，ｄｃおよびｄｓはレンズ倍率Ｍｔ、仮想イ
オンソースの大きさＤｓ、レンズの色収差及び球面収差
のそれぞれの係数（ＣｃおよびＣｓ）を用いてそれぞれ
次式で表される。

【００２５】

【数２】ｄｇ＝ＭｔＤｓ …（２）

【００２６】

【数３】ｄｃ＝α ｏＨｃ ΔＶ …（３）

【００２７】

【数４】ｄｓ＝（１／２）ＭｔＣｓ αｏ³…（４）ここで

【００２８】

【数５】Ｈｃ＝ＭｔＣｃ／Ｖｏ …（５）

【００２９】

【数６】

【００３０】ΔＶはΔＥの電圧換算値、Ｖｏはイオン引
き出し電圧である。Ｈｃはｄｃにおける光学系の光学長
と電位のみで決まる比例項である。また、Ｍｃｌおよび
Ｍｏｌはそれぞれ集束レンズおよび対物レンズのレンズ
倍率である。

【００３１】一方、ＩｐはＪａとαｏを用いて次式で表
される。

【００３２】

【数７】Ｉｐ＝Ｊａ（παｏ²） …（７）Ｄｐ−Ｉｐ特性カーブを両対数目盛でプロットすると、
この特性カーブは次の三つの特徴を示す。特性カーブ
は、Ｉｐの小，中，大の領域でそれぞれＤｐ＝ｄｇ，Ｄ
ｐ＝ｄｃ、およびＤｐ＝ｄｓの３本の直線で外挿でき、
それらの直線の傾きはそれぞれ０，１／２、および３／
２である。Ｄｐの最小値はｄｇである。Ｄｐ＝ｄｃ
の領域でＦＩＢ電流密度Ｊは最大になり、この時のＪma
x は次式で表される。

【００３３】

【数８】Ｊmax＝（４Ｊａ／ΔＶ²）／｜Ｈｃ｜ …（８）通常はＩｐの小と中の領域のみを使用するので、以下で
はこの領域に限定する。

【００３４】解析においては、まずイオン源動作条件
（Ｊａ，Ｄｓ，ΔＶ）、電圧値（Ｖｏ，Ｖｍ，Ｖｉ（＝
Ｖｍ））、および光学長（Ｌｏ，Ｌ，Ｌｉ）を定数とし
て取扱い、ビーム特性を支配するＨｃとＭｔとをこれら
定数の関数として導出した。その後、特性改善の観点か
ら光学長の最適化を検討した。以下、ビームを加工ビー
ムと観察ビームとに分けてその解析結果を示し、次にビ
ーム制限絞り位置を後者ビームに絡ませた検討結果を示
す。また、（１）加工ビーム加工ビームにおいてＪmax を大きくすることは、像点Ｐ
１の設定位置を最適化し、つまりＬ１／Ｌ２を最適化し
て｜Ｈｃ｜を極小にすることに他ならない。そのＬ１／
Ｌ２の最適値は、集束レンズおよび対物レンズのそれぞ
れの平均電位（VavcおよびVavo）を用いて次式（９）で
与えられる（途中の導出式は省略）。またその時のＨｃ
とＭｔはそれぞれ次式（１０）と（１１）で与えられ
る。ただし、Ｌｏ，Ｌｉ≪Ｌと仮定した。

【００３５】

【数９】

【００３６】

【数１０】

【００３７】

【数１１】

【００３８】ここで、＋および−の符号はビーム集束状
態がそれぞれクロスオーバおよびコリメートのモードで
ある場合に対応する。この像点位置を最適化したＤｐ−
Ｉｐ特性カーブに関して以下の解析結果が得られる。

【００３９】像点は式（９）を満足する位置に設定す
る。

【００４０】Ｊmax を大きくするには｜Ｈｃ｜を小さ
く、つまりＬｏＬｉを小さくする。仕上げ加工ビームのＤｐを小さくするには、Ｍｔを小
さく、つまりＬｉ／Ｌｏを小さくする。

【００４１】最適化した特性カーブはＬｏ，Ｌｉに関
して敏感で有り、Ｌに関しては鈍感である［Vavc，Vavo
がＬｉ，ＬｏおよびＬの変化に対して鈍感であるた
め］。

【００４２】（２）観察ビームここではＩｐ＝数ｐＡを確保し、かつＤｐ≦１５ｎｍの
細束化を図る。そのため像点Ｐ１は加工ビームで求めた
最適位置からレンズ電圧を変えることによりずらし、レ
ンズ倍率｜Ｍｔ｜を下げる。観測ビームのＤｐ−Ｉｐカ
ーブ(図４参照)において、直線Ｄｐ＝ｄｇとＤｐ＝ｄｃ
の交点近傍のビーム［Dp≒（√2）dg］を観測ビームに
使うのが得策である。これより、｜Ｍｔ｜の条件が式
（２）よりに求まる。

【００４３】

【数１２】｜Ｍｔ｜≦Ｄｐ／Ｄｓ＝０.１８ …（１２）ただし、Ｄｓ＝６０ｎｍと仮定した。この条件式は式
（６）より以下に書き改められる。

【００４４】

【数１３】

【００４５】観測ビームでは後述(３)のビーム制限絞り
からの要求もあって、ビーム集束状態にはコリメートモ
ードを選択し、｜Ｌ１／Ｌ２｜が小さくなるように像点
Ｐ１をイオン源側にずらし虚像点とする。この時、集束
レンズは集束よりも加速の作用を優先させて働かせる。
通常の動作条件、Ｖｏ＝６〜９ｋＶ，Ｖｍ＝Ｖｉ＝２５
〜３５ｋＶの範囲では、Ｌ１／Ｌｏ＝−（１〜２），Ｍ
ｃｌ＝１〜３となる。従って、Ｌｉ／Ｌ２（＝Ｍｏｌ）
には以下の条件が導かれる。

【００４６】

【数１４】Ｌｉ／Ｌ２＝Ｍｔ／Ｍｃｌ ≦１／（６〜１７） …（１４）Ｌ２＝Ｌ−Ｌ１＝Ｌ＋（１〜２）Ｌｏ＝Ｌｔ＋（０〜
１）Ｌｏ−Ｌｉ≒Ｌｔ−Ｌｉと近似すると、この条件式
は以下のように書き直される。

【００４７】

【数１５】Ｌｔ≒Ｌ２＋Ｌｉ ≧（７〜１８）Ｌｉ …（１５）また、この時のＨｃは対物レンズのみの１段レンズ光学
系の解析式（公知例１参照）が適用でき次式で表され
る。

【００４８】

【数１６】｜Ｈｃ｜＝２（Ｌ２＋Ｌｉ）／Vavo ≒２Ｌｔ／Vavo …（１６）以上、式（１３)〜(１６）より観察ビームに関して以下
の結論が得られる。

【００４９】集束レンズは集束よりも加速の作用を優
先して働かせ、像点Ｐ１は虚像点のコリメートモードの
集束状態で使用する。

【００５０】Ｌｔ≧（７〜１８）ＬｉとなるようにＬ
ｔを長くとり、Ｍｔを下げる。

【００５１】｜Ｈｃ｜を下げるためには、全光学長Ｌ
ｔを短くする。

【００５２】（３）ビーム制限絞りビーム制限絞りの設置位置と孔径について考察する。加
工ビームではＩｐ＝数１０ｐＡ〜１０ｎＡの約３桁の広
範囲をビーム制限絞りの孔径により変える必要がある。
一方、観察ビームではＩｐ＝数ｐＡと加工ビームの最低
Ｉｐより約１桁少なくする必要がある。そのため観察ビ
ームが最小の孔径を要求する。このように絞りはビーム
の通過量を制限するものであるが、その孔の側壁に衝突
したビームは散乱ビームとなり試料上で径の太いノイズ
ビームとなる。この散乱ビームの低減化の観点からは絞
りの厚さは薄い方が良い。一方、絞りを照射するビーム
はスパッタリング現象によるエッチングを引き起こし、
絞りの寿命を短くする。従って、長寿命化の観点からは
厚さは厚い方が良い。

【００５３】また、絞り孔の繰り返し位置合わせ精度は
ＦＩＢ性能の観点からその孔径程度以下が要求される。
一方、低コスト化の観点から簡単な機構を採用した絞り
から得られる繰り返し位置合わせ精度は約１０μｍであ
る。従って、繰り返し位置合わせ精度の観点からは最小
の孔径を１０μｍ以上に設定することが望ましい。

【００５４】上記の３つの観点から、高い絞り性能をよ
り大きい孔径で得るための絞り位置として下記の要求
（ａ）が生まれる。また、ＦＩＢ装置の操作性を向上の
観点からの要求（ｂ)〜(ｄ）もある。最小の絞り孔径に
関しては、ここでは約１０μｍと設定した。

【００５５】（ａ）イオン源から試料までの間でビーム
径の太い位置に入れる。

【００５６】（ｂ）偏向器より前側（前段）に置く。

【００５７】（ｃ）加工ビームと観察ビームとで共通位
置とする。

【００５８】（ｄ）接地電位の空間に置く。

【００５９】以上の要求から絞りは２段レンズ間に設置
した。また、観測ビームではビーム集束状態として、２
段レンズ間で発散タイプであるコリメートモード（Ｌ１
≒−Ｌｏ＜０）が適していることがわかる。この時の集
束レンズの入出射ビームの半開角（それぞれαｏとα
ｍ）、絞り孔径Ｗ、および集束レンズ中心から絞りまで
の距離Ｌｃａ（≫Ｗ）との関係の説明図を図５に示す。
αｏとαｍの関係はレンズ倍率Ｍｃｌ［式（６−ａ）参
照］を用いてレンズ公式（１７）により表される。ま
た、αｍとＷとの関係は次式（１８）により示される。

【００６０】

【数１７】

【００６１】

【数１８】 αｍ＝（Ｗ／２)／(−Ｌ１＋Ｌｃａ） …（１８）これらを式（７）に代入して整理し、ＩｐとＷとの関係
を求めると次式で表される。

【００６２】

【数１９】

【００６３】ここで、Ｖｏ＝６〜９ｋＶ，Ｖｍ＝２５〜
３５ｋＶの時、−Ｌ１／Ｌｏ＝１〜２である。例えば、
イオン源をＪａ＝２０μＡ／ｓｒで働かせた時、Ｉｐ＝
２ｐＡの観測ビームをＷ≧１５μｍの絞りで形成するた
めの条件は式（１９）から得られる。

【００６４】Ｌｏ＋Ｌｃａ≧５５〜７５［mm］ここで、左辺の項はイオンエミッタ先端からビーム制限
絞りまでの距離に対応している。

【００６５】以上、絞り位置に関して以下の結論を得
た。

【００６６】２段レンズ間で、Ｌｏ＋Ｌｃａ≧５５〜
７５［mm］となるように設置する。以上、加工ビーム，観察ビーム、およびビーム制限絞り
からのそれぞれの要求〜，〜、およびに応え
るために、本実施例の第１の装置ではＬｏ＝１５〜４５
mm，Ｌｉ≦１０〜４０mm，Ｌｃａ＝８０mmとした。な
お、全光学長はＬｔ＝３００〜４５０mmである。これに
より加工ビームに対して最大電流密度Ｊmax≧１５Ａ／c
m²、特に仕上げ加工ではＩｐ＝数１０ｐＡでＤｐ≦４０
ｎｍ、また、観察ビーム（Ｉｐ≧数ｐＡ）に対してＤｐ
≦１５ｎｍのビーム特性が実現できた。この観察ビーム
時の絞り孔径はφ１５μｍである。Ｖｉ＝３０ｋＶにお
ける本装置の代表的なＤｐ−Ｉｐ特性カーブを図６に示
す。

【００６７】Ｖｉを高めるとＪmax も高められるが、高
いＶｉほどレンズへの印加電圧も高くなり、レンズ電源
やイオン加速電源のコストが高くなる。また、試料上で
のビーム走査範囲は同じ偏向電圧下ではＶｉに反比例し
て狭くもなる。従って、実用的観点からのＶｉの最大値
は４０ｋＶである。特に広範囲にビーム走査し広視野の
ＳＩＭ像観察をしたい場合は、例えば通常３０ｋＶのＶ
ｉを１／２の１５ｋＶに下げ、最大ビーム走査距離を２
倍に（視野面積では４倍に）広げることにより行った。
しかし、１５ｋＶより更に下げることは像分解能が急激
に悪くなること、かつ、像形成のために検出している二
次電子の発生効率が低下することなどであまり実用的で
ない。一方、加工の観点からはスパッタリング収率を高
めるために２０ｋＶ以上が必要がある。以上の観点から
ここではＶｉを２０〜４０ｋＶの範囲に設定した。

【００６８】Ｌｏに関しては、イオン源からの放出イオ
ンをＶｏ＝６〜９ｋＶで引き出し集束するのに少なくと
も１５mmが必要である。また、加工ビームで前記所望の
Ｊｍａｘを確保するためには最大４５ｍｍであった。Ｌ
ｉに関しては、前記所望のＪmax を確保し、かつ、仕上
げビームのＤｐを所望値まで細束化するためには最大４
０mmであった。一方、対物レンズのビーム集束作用のた
めの距離に試料上で実用的なビーム偏向範囲（≧１００
μｍ角）を確保するための距離を加えると、最小１０mm
が必要であった。これらのＬｉおよびＬｏ値にＬを加え
た全光学長Ｌｔに関しては、Ｌｔ＝３００〜４５０mmに
おいて前記所望のＤｐ−Ｉｐ特性カーブが実現できた。

【００６９】偏向器に関しては２か所の置き方をした。
一つは対物レンズの直ぐ後に置く後段偏向方式であり、
もう一つは対物レンズの直ぐ前に置く前段偏向方式であ
る。前者はＬｉが長い場合のみ可能であり、後者はＬｉ
が短くても可能である。後者では、ビームを常に偏向量
に関係無く対物レンズの中心に通す必要がある。そのた
め、偏向器が２段の偏向器タイプとなり、その構造や電
気制御部がより複雑になる欠点が生じる。しかし、特に
Ｊmax を高くし、仕上げ加工ビームを細束化したい場合
は、前段偏向方式を採用してＬｉを短くすることが得策
である。

【００７０】また、静電レンズに関しては、同一焦点距
離の下ではＶｉ(＝Ｖｍ)が高くなるに従いレンズ電圧も
高くなるため、レンズ電極間のギャップを広げなければ
ならない。しかし、レンズ収差はレンズ平均電位(Vav）
に反比例する［式（１０）参照］ので、そのギャップは
できるだけ狭めた薄いレンズを設計製作するのが重要と
なる。

【００７１】本発明の第２の実施例の装置では前記実施
例第１の装置におけるＬｏを４５〜８０mmに、Ｌｃａを
１３０mm変更した以外は全く同じである。この装置にお
けるビーム特性の特徴は前記実施例第１の装置と比べ、
Ｊmax は若干低くはなるが、仕上げ加工ビームがより細
束化できることにある。これは、式（１０)，(１１）か
らも予想された結果である。このようにＪmax と最小ビ
ーム径はトレードオフの関係があるので、特に最小ビー
ム径を優先するならば長めのＬｏ設定が有利である。

【００７２】本発明の第３の実施例の装置では前記実施
例第１の装置におけるＬｔを５５０mmに変更した以外は
全く同じである。この装置におけるビーム特性の特徴
は、前記実施例第１の装置と比べＪmax は若干低くはな
るが、観察ビームにおけるレンズ倍率がより下げられる
ため、より微細なビーム径までが実現できることにあ
る。特に、高分解能ＳＩＭ像観察に好都合となる。

【００７３】本実施例によれば、従来装置と比べ加工ビ
ームの最大電流密度Ｊmax の増大率で５０％以上、ま
た、ビームの細束化率では仕上げ加工ビームで約２０
％、観察ビームでは６０％以上の改善が行えた。これに
より、より高精度で、かつ高速のＦＩＢ加工、およびよ
り高い像分解能によるＳＩＭ像観察が可能になり、高機
能微細素子などの不良解析やプロセス評価が高精度に、
かつ高スループットで行えるようになった。特に、ＴＥ
Ｍ試料の前処理加工においては、加工歩留まりが従来の
約７０％から９０％以上になり、加工信頼性が大きく改
善できた。

【００７４】また、本発明によるビーム特性の改善効果
は上記の不良解析やプロセス評価ばかりでなく、ＦＩＢ
加工による配線切断やＦＩＢアシストデポジションによ
る配線接続などを利用したデバイス修正においても、位
置精度，スループット，高信頼性の点で同様な高い改善
効果がある。

【００７５】ＦＩＢによる局所的な断面加工を用いた透
過型電子顕微鏡（TransmissionElectron Microscope 、
略してＴＥＭ）用試料の前処理加工が示されている。図
７はそのＦＩＢ加工順序を示したものである。初めに試
料上のＴＥＭ観察したい部分を含む厚さ数μｍの薄膜が
残るように２か所の断面加工を粗加工ビームで行い、引
き続き中加工および仕上げ加工用ビームにて薄膜試料の
厚さが０.１μｍ（＝１００ｎｍ）程度以下になるまで
加工する。粗加工，中加工、および仕上げ加工の（Ｄ
ｐ，Ｉｐ）はそれぞれ（０.５〜２μｍ，８〜１５ｎ
Ａ），（０.１〜０.５μｍ，０.２〜８ｎＡ）および
（５０〜６０ｎｍ，５０〜８０ｐＡ）である。また、中
および仕上げ加工時間はそれぞれ１〜２ｈおよび０.３
〜１ｈであり、粗加工時間も含めた全加工時間は１.５
〜３ｈである。最終加工後の薄膜試料はその断面をより
微細な観察ビームを用いたＳＩＭ像観察により確認した
後、ＴＥＭ観察に回される。

【００７６】上記の仕上げ加工を代表的に取上げ従来装
置の問題点を説明する。ＦＩＢを刃物の刃にたとえる
と、その刃の厚さが試料の両端を切り落して残そうとす
る薄膜試料の厚さの半分程度もあるのである。そのため
薄膜試料の切り口がだれたり、また切削途中で刃振れが
生じると薄膜試料そのもが破壊消失してしまうという問
題が起きている。特に、不良解析においては切り出すべ
き場所はただ一個所しかなく、切削ミスは全く許されな
い。加工信頼性の向上が強く望まれている。

【００７７】ＦＩＢ加工の位置精度はＤｐに比例し、加
工速度はＩｐに比例している考えられる。従って、ＦＩ
Ｂ電流密度Ｊの増大は高精度加工，高速加工に貢献す
る。つまり、Ｄｐが同一（加工位置精度が同一）であれ
ば、Ｉｐが大きいほど加工速度が速く、短時間で加工で
きる。一方、Ｉｐが同一（加工速度が同一）であれば、
Ｄｐが小さいほど加工位置精度が高くなる。この加工時
間の短縮は、ビーム位置や試料ステージのドリフトを軽
減するので、最終の加工位置精度にも貢献する。また、
ＳＩＭ像観察ではビームの細束化が像分解能を向上し、
Ｉｐの増大化が像質を向上させる。

【００７８】なお、最近の高機能素子などではパターン
の微細化や構造の３次元化が進行している。そのため、
これらの不良解析やプロセス評価において、所望場所で
の断面加工と構造観察が必須となっている。現在では、
ＦＩＢ装置の他にこれに応えうる装置は無く、ＦＩＢ加
工の高位置精度化と高速化、およびＳＩＭ像観察の高分
解能化が非常に強く要求されている。

【００７９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明では、半導
体の不良解析が実現できるという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】集束イオンビーム装置のイオン光学系構成を示
す図である。

【図２】従来技術におけるビーム径−ビーム電流（Ｄｐ
−Ｉｐ）図である。

【図３】イオン光学光概略を示す図である。

【図４】一般的なビーム径−ビーム電流（Ｄｐ−Ｉｐ）
の関係図である。

【図５】本施例の観察ビームにおける集束レンズのビー
ム入出射半開角とビーム制限絞り孔径との関係図であ
る。

【図６】本実例のＦＩＢ装置のビーム径−ビーム電流
（Ｄｐ−Ｉｐ）特性カーブ図である。

【図７】ＦＩＢの順序にＴＥＭ用試料の前処理加工図で
ある。

【符号の説明】

１…イオン源、２…集束レンズ、３…ビーム制限絞り、
４…アライナー／スティグマ、５…ブランカー、６…ブ
ランキングプレート、７…偏向器、８…対物レンズ、９
…集束イオンビーム、１０…試料、１１…試料ステー
ジ、１２…荷電粒子検出器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平５−258699（ＪＰ，Ａ) 特開平６−187940（ＪＰ，Ａ) 特開平７−45522（ＪＰ，Ａ) 特開平１−159957（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01J 37/30 - 37/36 H01J 37/26

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】イオン源と、前記イオン源からのイオンビ
ームを集束させる集束レンズ及び対物レンズを有し、前
記集束レンズ及び対物レンズを通過したイオンビームを
試料に照射する集束イオンビーム装置において、前記イ
オン源から前記試料までの光学長が３００mmから４５０
mmの範囲にあり、前記対物レンズの中心から前記試料ま
での距離が４０mm以下であることを特徴とした集束イオ
ンビーム装置。
【請求項２】イオン源、前記イオン源からの放出イオン
を集束させる集束レンズと対物レンズ、前記集束したイ
オンビームを前記試料上で走査させる偏向器、前記集束
イオンビームを制限するビーム制限絞りから構成される
集束イオンビ−ム装置において、前記イオン源のエミッ
タ先端から前記試料までの光学長が３００mmから450mm
の範囲にあり、かつ前記対物レンズの中心から前記試料
までの距離が４０mm以下であることを特徴とした集束イ
オンビ−ム装置。
【請求項３】前記イオン源のエミッタ先端から前記集束
レンズの中心までの光学長が４５mm以下であることを特
徴とした請求項２記載の集束イオンビ−ム装置。
【請求項４】前記ビーム制限絞りが前記集束レンズと前
記対物レンズの間の光軸上にあり、かつ、前記エミッタ
先端から５５mm以上離れた位置にあることを特徴とした
請求項２および３記載の集束イオンビ−ム装置。
【請求項５】イオン源、前記イオン源からの放出イオン
を試料上に加速して集束させる集束レンズと対物レン
ズ、前記集束したイオンビームを前記試料上で走査させ
る偏向器、および前記集束イオンビームのビーム電流、
あるいはビーム径を制限するビーム制限絞りから構成さ
れる集束イオンビ−ム装置において、前記イオン源のエ
ミッタ先端から前記集束レンズの中心までの光学長が４
５mm以下、前記対物レンズから前記試料までの距離が４
０mm以下、および前記ビーム制限絞りが前記集束レンズ
と前記対物レンズの間の光軸上にあり、かつ、前記エミ
ッタ先端から５５mm以上離れた位置にあることを特徴と
した集束イオンビ−ム装置。
【請求項６】前記偏向器が前記対物レンズの前段にある
ことを特徴とした請求項１から請求項５記載の集束イオ
ンビ−ム装置。
【請求項７】前記イオン源が液体金属イオン源であるこ
とを特徴とした請求項１から請求項６記載の集束イオン
ビ−ム装置。
【請求項８】イオン源と、前記イオン源からのイオンビ
ームを集束させるレンズと、前記レンズを通過したイオ
ンビームを試料に照射する集束イオンビーム装置におい
て、最大電流密度Ｊmax≧１５Ａ／cm²、加工モードでは
Ｉｐ≧数１０ｐＡでＤｐ≦４０ｎｍ、また、観察モード
でＩｐ≧数ｐＡでＤｐ≦１５ｎｍであることを特徴とす
る集束イオンビーム装置。
【請求項９】イオン源からイオンをイオンビームとして
取り出し、集束レンズ及び対物レンズで集束させ、試料
に照射する集束イオンビーム照射方法において、前記イ
オン源のエミッタ先端から前記試料までの光学長が３０
０mmから４５０mmの範囲にあり、かつ前記対物レンズの
中心から前記試料までの距離が４０mm以下であるように
それらを配置したことを特徴とした集束イオンビーム照
射方法。
【請求項１０】イオン源からイオンビームを取り出し、
レンズで集束させて、試料に照射する集束イオンビーム
照射方法において、最大電流密度Ｊmax≧１５Ａ／cm²、
加工モードではＩｐ＝数１０ｐＡでＤｐ≦４０ｎｍ、ま
た、観察モードではＩｐ≧数ｐＡでＤｐ≦１５ｎｍであ
ることを特徴とする集束イオンビーム照射方法。