CN103257067A

CN103257067A - 样本制备方法和装置

Info

Publication number: CN103257067A
Application number: CN2013100546533A
Authority: CN
Inventors: 铃木秀和
Original assignee: Hitachi High Tech Science Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Science Corp
Priority date: 2012-02-21
Filing date: 2013-02-20
Publication date: 2013-08-21
Anticipated expiration: 2033-02-20
Also published as: US20130214458A1; DE102013101665A1; JP2013170941A; US8916839B2; CN103257067B; JP5872922B2

Abstract

本发明提供了一种样本制备方法和装置。样本制备方法包括：在显示屏幕上显示样本的第一截面的SEM图像的同时，通过扫描并照射聚焦离子束对第一截面进行蚀刻处理，从而暴露第二截面；以及在显示屏幕上显示另一截面的SEM图像的同时，在执行聚焦离子束的扫描和照射的同时改变聚焦离子束的扫描方向并对第二截面进行蚀刻处理，从而暴露样本的期望的截面。

Description

样本制备方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于使用聚焦离子束通过蚀刻处理制备样本的样本制备方法和装置。

背景技术

作为分析半导体器件等等中的内部结构和缺陷的方法，已知一种截面处理和观察方法，其中使用聚焦离子束用于样本的截面处理以暴露包括想要的结构或缺陷的截面并且使用扫描电子显微镜来观察截面。根据该方法，能够以针尖精度暴露样本内的期望的观察对象，并且因此，能够快速地观察结构或缺陷。

作为用于暴露期望的观察对象的方法，公开了一种重复地执行截面处理和截面观察并且在观察对象出现在截面观察图像中的时刻结束截面处理的方法（参见JP-A-2009-204480）。根据该方法，能够准确地暴露包括期望的观察对象的截面。

作为另一种分析方法，还已知一种利用聚焦离子束从样本制备包括期望的观察对象的样本件并且通过透射电子显微镜观察该样本件的方法。根据该方法，能够利用具有高分辨率的透射电子显微镜观察观察对象。

在使用聚焦离子束暴露半导体器件的截面或制备样本件的情况下，重要的是，处理半导体晶圆中沿着器件图案的布置方向的截面。

在截面处理和观察方法中，从包括器件图案的截面的观察图像观察结构或缺陷，并且因此，需要暴露沿着器件图案的布置方向的截面。此外，在样本件的制备中，通过透射电子显微镜（TEM）观察分析样本件的内部结构，并且因此，需要制备内部具有期望的结构并且沿着器件图案的布置方向的样本件。

然而，近年来，器件图案变得更加精细并且半导体器件的密集化和小型化。因此，传统方法难以通过观察检查器件图案的布置方向并且形成沿着器件图案的布置方向的截面。

发明内容

本发明的示例性方面提供了一种用于沿着精细器件图案的布置方向制备样本的样本制备方法和装置。

（1）根据本发明的示例性方面，提供了一种样本制备方法，其包括：在显示屏幕上显示进行扫描电子显微镜观察的样本的作为第一截面的截面的观察图像的同时，通过扫描并照射聚焦离子束对第一截面进行蚀刻处理，从而暴露样本的第二截面；并且在显示屏幕上显示进行扫描电子显微镜观察的第二截面的观察图像的同时，在执行聚焦离子束的扫描和照射的同时改变聚焦离子束的扫描方向并且通过具有改变后的扫描方向的聚焦离子束的扫描和照射对第二截面进行蚀刻处理，从而暴露样本的期望的截面。

利用该构造，能够暴露样本的沿着内部器件图案的布置方向的截面。能够在利用扫描电子显微镜实时地观察样本的同时调整聚焦离子束的扫描方向。因此，即使在其中以几十纳米的数量级的间隔布置器件的器件图案的情况下，也能够准确地将器件图案的布置方向和截面的形成方向彼此对齐。

（2）根据本发明的另一示例性方面，提供了一种样本制备装置，其包括：样本台，其被构造为在其上放置样本；聚焦离子束镜筒，其被构造为利用聚焦离子束扫描并且照射样本以暴露样本的截面；电子束镜筒，其被构造为利用电子束扫描并且照射截面；带电粒子检测器，其被构造为检测由于电子束的照射而从截面发出的带电粒子；显示部，其被构造为显示由带电粒子检测器的检测信号形成的截面的观察图像；输入部，其被构造为接收聚焦离子束的扫描方向的旋转角度的输入；以及扫描方向控制部，其被构造为基于经由输入部输入的旋转角度在截面的处理和观察期间改变聚焦离子束的扫描方向。

利用该构造，能够在观看显示在显示部上的进行处理的截面的观察图像的同时调整聚焦离子束的扫描方向。

根据本发明的样本制备装置和方法，即使在具有精细器件图案的样本的情况下，能够形成沿着器件图案的布置方向的截面，并且因此，能够制备用于分析精细内部结构或缺陷的样本。

附图说明

在附图中：

图1是根据本发明的实施方式的样本制备装置的构造图；

图2A和图2B分别是根据本发明的第一示例的样本表面和样本截面的说明图；

图3A至图3D是根据本发明的第一示例的处理方法的说明图；

图4是根据本发明的第一示例的显示画面的构造图；

图5A至图5C是根据本发明的第二示例的用于TEM观察的样本的制备的说明图；以及

图6是根据本发明的第二示例的用于TEM观察的样本的说明图。

具体实施方式

将在下面描述根据本发明的实施方式的样本制备装置和方法。

如图1中所示，本实施方式中的样本制备装置包括EB镜筒1、FIB镜筒2和样本室3。EB镜筒1和FIB镜筒2分别利用电子束8和离子束9照射样本室3中容纳的样本7。

样本制备装置进一步包括二次电子检测器4和背向散射电子检测器5作为带电粒子检测器。二次电子检测器4能够检测由于电子束8或离子束9的照射从样本7产生的二次电子。背向散射电子检测器5设置在EB镜筒1内。背向散射电子检测器5能够检测由于电子束8到样本7的照射而由样本7反射的背向散射电子。

样本制备装置进一步包括用于在其上放置样本7的样本台6。样本台6能够倾斜以改变离子束9到样本7的入射角度。通过样本台控制部16控制样本台6的倾斜。

样本制备装置进一步包括EB控制部12、FIB控制部13、图像形成部14和显示部17。EB控制部12将照射信号发送到EB镜筒1以控制EB镜筒1辐射电子束8。FIB控制部13将照射信号发送到FIB镜筒2以控制FIB镜筒2辐射离子束9。图像形成部14基于从EB控制部12发送的用于扫描电子束8的信号和由背向散射电子检测器5检测到的背向散射电子的信号形成背向散射电子图像。显示部17能够显示背向散射电子图像。图像形成部14基于从EB控制部12发送的用于扫描电子束8的信号和由二次电子检测器4检测到的二次电子的信号形成SEM图像的数据。显示部17能够显示SEM图像。此外，图像形成部14基于从FIB控制部13发送的用于扫描离子束9的信号和由二次电子检测器4检测到的二次电子的信号形成SIM图像的数据。显示部17能够显示SIM图像。

样本制备装置进一步包括输入部10和控制部11。操作员向输入部10输入关于装置控制的条件，例如，束照射条件。输入部10将输入信息发送到控制部11。控制部11将控制信号发送到EB控制部12、FIB控制部13、图像形成部14、样本台控制部16或者显示部17，从而控制样本制备装置的操作。

描述装置的控制。例如，操作员基于显示部17上显示的观察图像（例如，背向散射电子图像、SEM图像或SIM图像）设置离子束9的照射区域。操作员经由输入部10输入用于在显示部17上显示的观察图像上设置照射区域的处理框。这里使用的处理框是表示将利用离子束9照射的区域与没有利用离子束9照射的区域之间的边界的框架。当操作员将开始处理的指令输入到输入部10时，表示照射区域的信号和表示处理开始的信号被从控制部11发送到FIB控制部13，并且FIB控制部13将离子束9辐射到样本7的指定照射区域。以该方式，能够利用离子束9照射操作员所输入的照射区域。

扫描方向控制部15基于输入到输入部10的离子束9的扫描方向生成用于改变离子束9的扫描方向的信号，并且将信号发送给FIB控制部13。FIB控制部13将控制信号发送给FIB镜筒2以改变将从FIB镜筒2辐射的离子束9的扫描方向。顺便地，扫描方向控制部15甚至在利用分别来自EB镜筒1和FIB镜筒2的电子束8和离子束9扫描和照射样本7的状态下也能够改变离子束9的扫描方向。

（第一示例）

参考图2A至图4，将描述根据该示例的样本制备方法，其涉及用于具有器件图案的样本的内部结构的分析的截面处理和观察。

图2A是从表面7a侧看的样本7的图。首先，利用来自表面7a侧的离子束9扫描和照射样本7以在表面7a的一部分中形成处理槽21。图2B是沿着图2A的截面b-b截取的图。为了观察通过处理槽21的制备而暴露的截面7b，利用电子束8a扫描并照射截面7b。以该方式，在显示部17上显示截面7b的SEM图像。

为了暴露样本7内存在的缺陷，执行利用离子束9的截面处理。在该情况下，为了检查缺陷，利用扫描电子显微镜连续地观察进行截面处理的截面。换言之，在用于分别利用离子束9a、9b暴露截面7c、7d和7e的处理期间，利用电子束8b、8c和8d照射截面7c、7d和7e以实时地显示截面7c、7d和7e的各SEM图像。暴露截面的过程中的SEM图像也实时地进行显示。

在该情况下，由离子束9a形成的截面7b和截面7c之间的间隔t1等于由离子束9b形成的截面7c和截面7d之间的间隔和由离子束9c形成的截面7d和截面7e之间的间隔。在该示例中，间隔t1被设置为1nm，并且，在离子束9在扫描方向上扫描一次之后，离子束9在垂直于离子束9的扫描方向的副扫描方向上移动1nm，并且然后离子束9在扫描方向上再次扫描一次。以该方式，重复地执行扫描方向上的离子束9的扫描和副扫描方向上的离子束9的移动。

如上所述，实时地观察处理期间的截面，并且因此，当在SEM图像中出现作为观察对象的缺陷时，能够结束截面处理，并且能够通过观察包括缺陷的截面来分析缺陷。

顺便地，在分析具有器件图案的样本的结构的情况下，需要暴露沿着器件图案的布置方向的截面。这是因为能够仅通过其中出现器件图案的原始形状的截面的观察图像来分析器件结构。

图3B是从样本7的表面看的样本7的图。在器件图案32的布置方向33不平行于用于通过照射暴露截面7b的离子束9的扫描方向31a（如图3A的截面7b的SEM图像中所示）时，器件结构32a、32b和32c暴露在截面7b中作为具有不同宽度的结构。如果从截面7b的SEM图像分析器件结构，则器件结构32a、32b和32c被错误地确定为具有不同宽度的器件结构。

为了解决该问题，在样本7的表面7a的平面中旋转离子束9的扫描方向31a，从而扫描方向31a可以平行于器件图案32的布置方向33。如图3D中所示，离子束9的扫描方向31b旋转为平行于器件图案32的布置方向33，并且利用离子束9处理样本7以暴露截面7f。图3C是截面7f的SEM图像。该SEM图像反映了其中显示具有相同宽度的器件结构32a、32b和32c的器件图案32的原始器件结构。以该方式，能够根据截面的SEM图像执行准确的结构分析。

现在，描述离子束9的改变扫描方向的方法。

图4是显示部17的显示画面的构成图。该示例中的样本制备装置能够独立地扫描和照射电子束8和离子束9，并且通过经由输入部10的电子束照射按钮43和离子束照射按钮44的操作来控制各束的照射开始和停止。在利用电子束8和离子束9照射样本7的情况下，能够实时地在显示屏幕上显示SEM图像41和SIM图像42的各观察图像。

当经由输入部10输入离子束9的旋转角度时，在显示屏幕的旋转角度显示部45中显示旋转角度。基于旋转角度，扫描方向控制部15旋转离子束9的扫描方向。这里使用的旋转角度是指相对于作为基准的扫描方向的样本7的表面7a的平面中的旋转角度。在该示例中，以0.01度的增量输入旋转角度以改变扫描方向。

扫描方向控制部15能够在离子束9的扫描和照射期间旋转扫描方向。以该方式，不需要为了扫描方向的旋转调整而暂停利用离子束9的处理，从而导致能够高效地执行截面处理的功能和效果。

扫描方向控制部15还能够在扫描电子显微镜观察期间旋转离子束9的扫描方向。以该方式，能够在观察进行处理的截面的同时调整离子束9的扫描方向，并且因此甚至能够准确地执行旋转角度的精细调整。另外，能够在没有停止离子束9的扫描和照射并且没有停止扫描电子显微镜观察的情况下旋转扫描方向，并且因此，能够显著地缩短截面处理所需的时间段。

此外，能够暴露反映器件图案的原始形状的截面，并且因此，该示例还在器件图案结构的分析的情况下提供了卓越的功能和效果。

虽然在上述示例的描述中使用了SEM图像，但是能够使用背向散射电子图像来代替SEM图像。

（第二示例）

参考图5A至图5C和图6，描述根据该示例的样本制备方法，其涉及用于TEM观察的样本。

图5A是作为半导体晶圆的样本7的图。为了制备用于TEM观察的样本，利用离子束9执行用于从样本7切出薄片样本51作为样本7的一部分的处理。图5B是薄片样本51及其附近的放大图。利用离子束9在薄片样本51的两侧上形成处理槽52。然后，如图5C中所示，进一步执行薄化处理从而薄片样本51可以具有想要的厚度，从而制备用于TEM观察的薄片样本51。

图6是用于TEM观察的薄片样本51的说明图。薄片样本51具有其中周期性地布置器件54a和54b的结构。利用为隔离器件设置的元件隔离（STI）区域53a、53b和53c来划分器件54a和54b，并且器件54a和54b被布置在由元件隔离（STI）区域夹持的区域中。

在薄化处理中，薄片样本51被处理为在薄片样本51内可以留下期望的器件结构。例如，在制备仅具有一个器件的薄片样本的情况下，利用离子束9对薄片样本51进行蚀刻处理，从而可以仅留下元件隔离（STI）区域53b、元件隔离（STI）区域53c和由元件隔离（STI）区域53b和元件隔离（STI）区域53c夹持的器件54b。器件之间的间隔为几十纳米的数量级，并且因此，仅具有一个器件的薄片样本51的最终厚度极小。在用于制备这样的薄片样本的薄化处理方法中，重要的是，沿着器件图案的布置方向利用离子束9扫描和照射样本。

在薄化处理方法中，在第一示例中描述的方法用于将离子束9的扫描方向旋转为平行于器件图案的布置方向55。换言之，在利用电子束8扫描和照射截面51a以执行扫描电子显微镜观察的状态下，利用离子束9执行蚀刻处理以减小薄片样本51的厚度。在蚀刻处理时利用扫描电子显微镜观察观看截面51a的SEM图像时，离子束9的扫描方向旋转使得截面51a中暴露的多个元件隔离（STI）区域53a的宽度可以是均匀的。另外，也对薄片样本51的截面51a的反侧上的截面执行类似的蚀刻处理。然后，基于在截面中暴露的器件图案和薄片样本51的厚度来估计薄片样本51的内部器件结构。当在薄片样本51中仅留下元件隔离（STI）区域53b、元件隔离（STI）区域53c和由元件隔离（STI）区域53b和元件隔离（STI）区域53c夹持的器件54b时结束利用离子束9的处理。以该方式，能够制备想要的薄片样本51。

根据上述薄化处理方法，即使在用于具有极精细的器件图案的TEM观察的样本的情况下，能够在实时地利用扫描电子显微镜观察观察样本的同时旋转离子束9的扫描方向。因此，能够准确地制备想要的薄片样本。此外，能够在没有暂停离子束9的扫描和照射的情况下旋转离子束9的扫描方向，并且因此，能够在短时间内制备想要的薄片样本。

Claims

1.一种样本制备方法，所述样本制备方法包括：

在显示屏幕上显示进行扫描电子显微镜观察的样本的作为第一截面的截面的观察图像的同时，通过聚焦离子束的扫描和照射对所述第一截面进行蚀刻处理，从而暴露所述样本的第二截面；以及

在显示屏幕上显示进行扫描电子显微镜观察的所述第二截面的观察图像的同时，在执行所述聚焦离子束的扫描和照射的同时改变所述聚焦离子束的扫描方向并且利用改变了扫描方向后的所述聚焦离子束的扫描和照射来对所述第二截面进行蚀刻处理，从而暴露所述样本的期望的截面。

2.根据权利要求1所述的样本制备方法，

其中，改变所述聚焦离子束的扫描方向的步骤包括将所述扫描方向改变为平行于所述样本的器件图案的布置方向。

3.一种样本制备方法，所述样本制备方法用于制备具有通过根据权利要求1或2所述的样本制备方法形成的期望的截面的薄片样本。

4.一种样本制备装置，所述样本制备装置包括：

样本台，所述样本台被构造为在其上布置样本；

聚焦离子束镜筒，所述聚焦离子束镜筒被构造为利用聚焦离子束扫描和照射所述样本以暴露所述样本的截面；

电子束镜筒，所述电子束镜筒被构造为利用电子束扫描和照射所述截面；

带电粒子检测器，所述带电粒子检测器被构造为检测由于所述电子束的照射而从所述截面发射的带电粒子；

显示部，所述显示部被构造为显示由所述带电粒子检测器的检测信号形成的所述截面的观察图像；

输入部，所述输入部被构造为接收所述聚焦离子束的扫描方向的旋转角度的输入；以及

扫描方向控制部，所述扫描方向控制部被构造为基于由所述输入部接收到的所述旋转角度在所述截面的处理和观察期间改变所述聚焦离子束的所述扫描方向。

5.根据权利要求4所述的样本制备装置，

其中，所述显示部被构造为显示：

所述截面的SEM图像和背向散射电子显微镜图像中的一个；

所述样本的SIM图像；

用于指示所述聚焦离子束的照射开始和停止的聚焦离子束显示部；

用于指示所述电子束的照射开始和停止的电子束显示部；以及

用于输入所述旋转角度的旋转角度显示部。

6.根据权利要求4所述的样本制备装置，

其中，所述带电粒子检测器包括背向散射电子检测器和二次电子检测器中的一个。

7.根据权利要求4所述的样本制备装置，

其中，所述扫描方向控制部被构造为在所述聚焦离子束镜筒利用所述聚焦离子束连续地扫描和照射所述样本的同时旋转所述聚焦离子束的扫描方向。