JP2001050919A - Observation method for internal structure - Google Patents

Observation method for internal structure

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JP2001050919A
JP2001050919A JP11222006A JP22200699A JP2001050919A JP 2001050919 A JP2001050919 A JP 2001050919A JP 11222006 A JP11222006 A JP 11222006A JP 22200699 A JP22200699 A JP 22200699A JP 2001050919 A JP2001050919 A JP 2001050919A
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Japan
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internal structure
sample
observation
electron beam
depth
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JP11222006A
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Japanese (ja)
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Masao Nagase
雅夫 永瀬
Kenji Kurihara
健二 栗原
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain an observation method, in which a fine structure buried at the inside of a sample ca be observed clearly without destroying the sample. SOLUTION: In this observation method for an internal structure, an electron beam 3 is scanned, and a fine structure 1 which is embedded at the inside of a sample is observed and measured. The mean free path of electrons in the electron beam 3 is set at about the same extent as the depth to which the fine structure 1 as an object to be observed is embedded. That is to say, when the observation conditions of a scanning electron microscope and the surface state of the sample are controlled properly, fine structures which is embedded at the inside of the sample can be obserbed, and the observation method is effective in observing and measuring the three-dimensional shape of the fine structure.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、電子線を走査して
試料内部に埋め込まれた微細な構造体を観察・計測する
内部構造観察方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an internal structure observation method for observing and measuring a fine structure embedded in a sample by scanning an electron beam.

【0002】[0002]

【従来の技術】半導体集積回路の高集積化、高性能化を
目指して、微細加工技術は進展を続けている。現在、1
00nm程度の構造の加工が可能であり、今後もさらな
る微細化が進むものと思われる。
2. Description of the Related Art Microfabrication technology has been developed with the aim of achieving higher integration and higher performance of semiconductor integrated circuits. Currently 1
Processing of a structure of about 00 nm is possible, and further miniaturization is expected to continue in the future.

【0003】微細化に伴い、複雑な3次元的構造も多く
用いられるようになっている。これに伴い、複雑な微細
構造の3次元的内部構造の観察の重要性が増大してきて
いる。
[0003] With the miniaturization, complicated three-dimensional structures are often used. Accordingly, the importance of observing a three-dimensional internal structure of a complicated fine structure has been increasing.

【0004】内部構造の観察方法としては、試料断面の
走査電子顕微鏡(SEM)等での断面観察、試料断面を
薄層化して透過電子顕微鏡(TEM)を用いての断面観
察、目標構造物以外を除去してのSEM等での形状観察
が一般的である。
[0004] The methods of observing the internal structure include cross-sectional observation of a sample cross section with a scanning electron microscope (SEM), thinning of the sample cross section with a transmission electron microscope (TEM), and other than the target structure. In general, the shape is observed with an SEM or the like after removing the particles.

【0005】すなわち、従来の方法では、観察前の処理
により内部構造を表面に露出させ、それを直接観察する
方法が採られている。
That is, in the conventional method, a method is employed in which the internal structure is exposed on the surface by a treatment before observation, and the internal structure is directly observed.

【0006】これは、観察に用いられる電子線の性質に
由来する。電子線は細く(1nm以下)絞ることができ
るため、微細構造の観察には非常に適する(これは主に
SEMで利用される性質である)。また、波動として見
た場合でも波長が短く分解能の高い像が得られる(これ
は主にTEMで利用される性質である)。
This is due to the nature of the electron beam used for observation. Since the electron beam can be narrowed down (1 nm or less), it is very suitable for observation of a fine structure (this is a property mainly used in SEM). Further, even when viewed as a wave, an image having a short wavelength and high resolution can be obtained (this is a property mainly used in TEM).

【0007】しかし、電子線は物質との相互作用が大き
いため、一般的には材料を透過することはできない(X
線等で構造の内部透視が可能なのは相互作用が程々に小
さいからである)。それでも、物質との相互作用の大き
さは有限であるので、ある程度、材料内部へ侵入するこ
とは可能である。例えば、TEMでよく使われる電子加
速電圧が200kVの電子線の場合、材料にもよるが概
ね10μm程度の薄膜であれば透過が可能である。TE
Mでの試料観察には試料の薄層化が必須であるのはこの
ためである。
However, since an electron beam has a large interaction with a substance, it cannot generally penetrate a material (X
The inside of the structure can be seen through a line or the like because the interaction is moderately small.) Nevertheless, since the interaction with the substance is finite, it is possible to penetrate into the material to some extent. For example, in the case of an electron beam with an electron acceleration voltage of 200 kV, which is often used in a TEM, transmission is possible with a thin film of about 10 μm, depending on the material. TE
It is for this reason that the sample must be thinned for observation of the sample at M.

【0008】TEMの場合には透過電子を情報の担体と
して用いるが、同じ電子線を用いた顕微鏡でもSEMは
試料表面から放出される2次電子を情報として用いる。
この2次電子の主な成分は比較的低速(10eV前後)
の電子であり、試料表面から概ね数nm〜10nm程度
の深さで発生した2次電子の情報を使うことになる。つ
まり、一般にSEMでは試料の表面構造のみが像とな
る。このため、通常のSEMで内部構造を観察するには
破断面を観察するか、観察目標構造物以外を除去して表
面に露出させるかのいずれかの方法が用いられる。
[0008] In the case of a TEM, transmitted electrons are used as a carrier of information. Even in a microscope using the same electron beam, the SEM uses secondary electrons emitted from the surface of a sample as information.
The main component of this secondary electron is relatively slow (around 10 eV)
And information on secondary electrons generated at a depth of about several nm to 10 nm from the sample surface. That is, in general, only the surface structure of the sample becomes an image in the SEM. For this reason, to observe the internal structure with a normal SEM, either a method of observing a fractured surface or removing a structure other than the observation target structure and exposing it to the surface is used.

【0009】前述したとおり従来の電子顕微鏡を用いた
内部構造の観察方法においては、観察対象を何らかの形
で表面に露出させる必要がある。しかし、観察対象(特
に半導体集積回路)の微細化に伴い、断面試料作製が非
常に困難となりつつある。通常、最も簡単な断面試料作
製法は、試料の破断・分割であるが、実効的には目視を
行いながら、所望の位置のけがき、破断作業を行う必要
があり、ミクロンオーダーでの位置決めは困難である。
TEM用断面試料の作製においては、研磨による薄層化
を行うため、所望の場所を薄層化することは非常に困難
である。近年、収束イオンビーム(FIB)を用いた断
面試料作製法が考案されているが、これをもってしても
サブミクロンオーダーの位置決めは困難である。また、
微細化により構造自体が脆弱になるため、膜の剥離に対
する処理も非常に困難になっている。
As described above, in the conventional method for observing the internal structure using an electron microscope, it is necessary to expose the object to be observed to the surface in some form. However, with the miniaturization of the observation target (especially, a semiconductor integrated circuit), it has become very difficult to prepare a cross-sectional sample. Usually, the simplest method of preparing a cross-sectional sample is to break and divide the sample, but it is necessary to scribe and break at a desired position while visually observing the sample. Have difficulty.
In the preparation of a TEM cross-sectional sample, it is very difficult to reduce the thickness of a desired location because the thickness is reduced by polishing. In recent years, a cross-sectional sample preparation method using a focused ion beam (FIB) has been devised, but even with this method, positioning on the order of submicrons is difficult. Also,
Since the structure itself becomes brittle due to the miniaturization, processing for peeling of the film is also extremely difficult.

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】本発明により解決しよ
うとする課題は、走査電子顕微鏡像において明瞭な内部
構造像を得ることである。
The problem to be solved by the present invention is to obtain a clear internal structure image in a scanning electron microscope image.

【0011】構造の微細化にともない、3次元構造把握
のための試料の作製が非常に困難になってきている。す
なわち、断面観察においては、特定箇所の断面試料の正
確な切り出しが非常に困難となっている。対象構造にダ
メージを与えることなく、それ以外の構造を除去するこ
とも非常に困難である。これらの点に鑑みて、本発明に
よる方法は、内部構造の露出といった試料の前処理を必
要としない内部構造観察方法である。
With the miniaturization of the structure, it has become extremely difficult to prepare a sample for grasping the three-dimensional structure. That is, in cross-sectional observation, it is very difficult to accurately cut out a cross-sectional sample at a specific location. It is also very difficult to remove other structures without damaging the target structure. In view of these points, the method according to the present invention is an internal structure observation method that does not require pretreatment of a sample such as exposure of the internal structure.

【0012】通常、構造体の内部構造を非破壊で観察す
るには、X線等の透過能の高い光子系の線源を用いる。
しかし、これらの線源を用いた観察方法では、原理的に
高い分解能を得ることはできないため、半導体回路に用
いられるような微細な構造体の観察には適用できない。
電子線を代表とする荷電粒子線は収束が容易で、細いビ
ームを得ることができる。このため、微細な構造体の観
察によく用いられる。しかし、粒子線は光子に比べると
格段に物質との相互作用が大きく、透過能的には劣る。
各種の粒子線の中で、電子は物質との相互作用が小さ
く、透過能が比較的高い。しかし、微細構造体の観察方
法のうち、最もよく使われる方法であるSEMでは、試
料表面から放出される2次電子を情報として用いるた
め、通常は表面構造のみを観察することになる。また、
これまでは表面構造の観察に主眼が置かれていたため、
この特徴は有用であった。しかし、非破壊での内部構造
観察の必要性があり、SEM的方法を用いて、この課題
に取り組んだ。
Normally, in order to observe the internal structure of the structure in a non-destructive manner, a photon-based radiation source having a high transmittance such as X-rays is used.
However, an observation method using such a radiation source cannot obtain a high resolution in principle, and thus cannot be applied to observation of a fine structure used in a semiconductor circuit.
A charged particle beam represented by an electron beam can be easily converged and a thin beam can be obtained. Therefore, it is often used for observation of a fine structure. However, particle beams have much greater interaction with substances than photons, and are inferior in permeability.
Among various particle beams, electrons have a small interaction with a substance and a relatively high permeability. However, in the SEM, which is the most frequently used method of observing a fine structure, secondary electrons emitted from the surface of the sample are used as information, so that usually only the surface structure is observed. Also,
Until now, the main focus was on observing the surface structure,
This feature was useful. However, there is a need for nondestructive observation of the internal structure, and this problem was addressed using an SEM-like method.

【0013】比較的加速電圧の高い電子線は、材料内部
に侵入するため、内部構造情報の取得のためのプローブ
として用いることが可能である。しかし、通常のSEM
の画像情報として用いられる低速の2次電子は、脱出深
さが数nm程度と浅く、これを直接的に内部構造情報と
してとらえることはできない。例えば1つの方法として
像情報として反射電子を用いれば、入射電子の侵入深さ
と同程度の深さからの情報を得ることが原理的には可能
である。しかし、反射電子像を得るためには構成材料の
原子量(分子量)が大きく異なる必要がある上に、通常
の2次電子像に比べてS/Nが悪く、このため一般的に
は高分解能像を得ることができない。特に、半導体回路
の主流である、シリコン/絶縁膜系において明瞭な像を
得ることは非常に困難である。
An electron beam having a relatively high accelerating voltage penetrates into a material, and can be used as a probe for obtaining internal structure information. However, normal SEM
The low-speed secondary electrons used as the image information have a shallow escape depth of about several nanometers, and cannot be directly captured as internal structure information. For example, if reflected electrons are used as image information as one method, it is possible in principle to obtain information from a depth substantially equal to the penetration depth of incident electrons. However, in order to obtain a backscattered electron image, the atomic weight (molecular weight) of the constituent materials needs to be greatly different, and the S / N ratio is lower than that of a normal secondary electron image. Can not get. In particular, it is very difficult to obtain a clear image in a silicon / insulating film system, which is the mainstream of semiconductor circuits.

【0014】また、別の方法として、いわゆるEBテス
ター法がある。この方法では、内部構造に電圧を印可
し、その電位コントラストを試料表面から放出される2
次電子量に変換することにより内部構造像を得ることが
できる。しかしながら、この方法では電位コントラスト
であるため、分解能があまり高くない。
As another method, there is a so-called EB tester method. In this method, a voltage is applied to the internal structure, and the potential contrast is applied to the internal structure.
By converting into the amount of secondary electrons, an internal structure image can be obtained. However, in this method, the resolution is not so high because of the potential contrast.

【0015】反射電子像でも、電位コントラスト像で
も、内部構造像は表面形状像に比べて強度が弱いため、
通常の観察方法で両者を分離し、あるいは、内部構造像
だけを得ることはできない。
Since the internal structure image is less intense than the surface shape image in both the backscattered electron image and the potential contrast image,
It is not possible to separate them by a normal observation method or to obtain only an internal structure image.

【0016】以上のように、従来のSEM的方法では試
料の非破壊での内部構造の明瞭な観察はできていない。
これは、これまでの多くの方法が元来、表面観察に主眼
を置いて設定された観察条件を用いていたことが要因で
ある。そこで本発明では、内部構造に適した走査電子線
を用いた試料非破壊で内部構造の明瞭な像が得られる観
察条件・方法を提示する。
As described above, the conventional SEM method cannot clearly observe the internal structure of the sample without destruction.
This is due to the fact that many conventional methods originally used observation conditions set with a focus on surface observation. Accordingly, the present invention provides an observation condition and method for obtaining a clear image of the internal structure without destruction of the sample using a scanning electron beam suitable for the internal structure.

【0017】[0017]

【課題を解決するための手段】電子線を材料に照射する
と、そのエネルギーに応じて材料内部に侵入し、材料の
構成原子により散乱され、最終的には吸収されてしま
う。散乱過程で発生する2次電子のうち、試料表面付近
(深さ約10nmより浅い)で発生した低エネルギーの
2次電子を主な像情報として用いているのが走査電子顕
微鏡(SEM)である。そのため、通常のSEMは表面
構造の観察が主たる使用方法である。本発明は、通常は
表面構造情報しか得ることのできないSEMを用いて内
部構造情報を得る方法であり、以下これについて述べ
る。
When a material is irradiated with an electron beam, it penetrates into the material according to its energy, is scattered by atoms constituting the material, and is eventually absorbed. Among secondary electrons generated in the scattering process, a scanning electron microscope (SEM) uses low-energy secondary electrons generated near the sample surface (shallower than about 10 nm in depth) as main image information. . For this reason, ordinary SEM is mainly used to observe the surface structure. The present invention is a method for obtaining internal structure information using an SEM that can normally obtain only surface structure information, and this will be described below.

【0018】電子線をプローブとして用いて、内部構造
の情報を得ることを考えた場合、まず、プローブが観察
対象に到達するように十分なエネルギーを有することが
必要となる。プローブに用いる電子線の侵入深さ(入射
電子が到達できる深さ)は内部構造深さより大きくする
必要がある。また、高分解能観察のためには観察対象位
置では散乱が小さく、プローブにぼけが少ないことが重
要となる。これは、散乱半径と表される。侵入深さ、散
乱半径共に対象材料、加速電圧に依存するが、この2つ
のパラメータから見ると高加速電圧になるほど内部構造
の観察には有利になる。しかし、電子線と材料との相互
作用を考えた場合、エネルギーが高いほど、単位長さ
(電子線の走行方向)当たりに失うエネルギー量が相対
的に減少する。このため、ある特定の大きさの内部構造
の情報を得ることを考えた場合、エネルギーが低いほど
有利となる。以上を考え合わせると、内部構造観察には
最適な加速電圧が存在することが予測される。最適な加
速電圧は材料系により異なると考えられるが、概ね材料
内部での電子の平均自由行程と観察対象構造の深さがほ
ぼ同程度になるような加速電圧である。
When obtaining information on the internal structure using an electron beam as a probe, it is necessary to first have sufficient energy so that the probe reaches the object to be observed. The penetration depth of the electron beam used for the probe (the depth at which the incident electrons can reach) must be larger than the internal structure depth. In addition, for high resolution observation, it is important that scattering is small at the position of the observation target and that the probe has little blur. This is referred to as the scattering radius. Both the penetration depth and the scattering radius depend on the target material and the accelerating voltage. From these two parameters, the higher the accelerating voltage, the more advantageous the observation of the internal structure. However, when the interaction between the electron beam and the material is considered, the higher the energy, the relatively smaller the amount of energy lost per unit length (the traveling direction of the electron beam). Therefore, when obtaining information on the internal structure of a specific size, the lower the energy, the more advantageous. Considering the above, it is predicted that an optimum acceleration voltage exists for the internal structure observation. Although the optimum acceleration voltage is considered to be different depending on the material system, the acceleration voltage is such that the mean free path of electrons in the material and the depth of the structure to be observed are substantially the same.

【0019】なお、電子の平均自由行程は、入射電子線
が材料内部で最初に散乱されるまでに走行する平均的距
離を指す。この物理量は概念的なもので、実効的に測定
することは一般的には不可能である。この量は、概ね加
速電圧の上昇と共に増大することが知られている。例え
ば、Siでは加速電圧1keVで電子の平均自由行程
1.7nm、5keVで9.4nm、30keVで58
nm、200keVで370nmというシミュレーショ
ン結果がある。一般的な関係式は知られていないが、S
EMで用いる加速電圧の範囲内では電子の平均自由行程
は概ね加速電圧に比例する。
The mean free path of an electron refers to an average distance traveled by an incident electron beam until it is first scattered inside a material. This physical quantity is conceptual, and it is generally impossible to measure it effectively. It is known that this amount generally increases with increasing acceleration voltage. For example, in Si, the mean free path of electrons is 1.7 nm at an acceleration voltage of 1 keV, 9.4 nm at 5 keV, and 58 at 30 keV.
There is a simulation result of 370 nm at 200 keV. Although no general relation is known, S
Within the range of the acceleration voltage used in the EM, the mean free path of the electrons is approximately proportional to the acceleration voltage.

【0020】例えば、Si酸化膜中に埋まったSi構造
を対象とすれば、10nm程度の深さの構造の場合、概
ね5kV程度、100nm程度の深さの構造の場合、数
10kV、ミクロンオーダーの深さの場合は数100k
Vの電子線をプローブとして用いることにより、コント
ラストよく分解能の高い像を得ることができる。
For example, for a Si structure buried in a Si oxide film, a structure having a depth of about 10 nm is approximately 5 kV, and a structure having a depth of about 100 nm is several tens kV, which is on the order of microns. Several hundred k in depth
By using a V electron beam as a probe, an image with high contrast and high resolution can be obtained.

【0021】Si系のように、いわゆる軽元素で構成さ
れる材料の場合、電子の平均自由行程程度の深さでのビ
ームのぼけ(散乱半径)は1nm程度と見積もられるた
め、十分に細いプローブにより観察が可能である。以上
(加速電圧を電子の平均自由行程程度に設定すること)
が内部観察の要件の1点目で、プローブについての条件
である(この条件は必ず満たしている必要がある)。
In the case of a material composed of a so-called light element such as a Si-based material, the beam blur (scattering radius) at a depth of about the mean free path of electrons is estimated to be about 1 nm, so that a sufficiently thin probe is used. Allows observation. (Set the acceleration voltage to about the mean free path of electrons)
Is the first condition of the internal observation, which is the condition for the probe (this condition must be satisfied).

【0022】次に、内部構造情報と表面構造情報との分
離の問題がある。通常、SEMによる形状観察の場合、
表面構造の凹凸と材料差に由来する2次電子放出量差を
像情報として用いる。このため、通常は観察対象表面に
存在する凹凸や異種材料分布が像として現れることが一
般的である。SEMでは表面構造の軽微な差異も像にす
ることができる(これは通常のSEM法にとっては有用
な性質である)。
Next, there is a problem of separation between the internal structure information and the surface structure information. Usually, in the case of shape observation by SEM,
The difference in secondary electron emission amount resulting from the unevenness of the surface structure and the difference in material is used as image information. For this reason, it is common that irregularities and dissimilar material distributions usually present on the surface of the observation target appear as images. SEM can also image minor differences in surface structure (a useful property for normal SEM methods).

【0023】しかしながら、内部構造に由来する像情報
は表面構造情報に比べて微弱であることが判っているた
め、内部構造の観察のためには、このような各種の表面
構造に由来する像は障害となる。そのため、なるべく凹
凸が少なく、均一な材料で構成されている方が望まし
い。試料表面を凹凸が少なく均一な材料で構成すること
ができれば(通常の意味のSEM像は得られない状態に
なる)、微妙な内部情報を有効に活用することが可能と
なる。すなわち、内部観察の要件の2点目は、表面構造
の凹凸の低減、均一化ということになる(必須要件では
ない)。
However, since image information derived from the internal structure is known to be weaker than surface structure information, images derived from such various surface structures are required to observe the internal structure. It is an obstacle. Therefore, it is desirable that the material be made of a uniform material with as little unevenness as possible. If the sample surface can be composed of a uniform material with few irregularities (a state in which an SEM image in a normal meaning cannot be obtained), delicate internal information can be effectively used. That is, the second requirement of the internal observation is that the unevenness of the surface structure is reduced and made uniform (not an essential requirement).

【0024】以上、2点の要件を満たすようにプローブ
条件、試料表面条件を設定することにより、内部構造が
明瞭に2次電子像として観察できるようにする。比較的
深い(10nm以上)内部構造情報が試料表面(約10
nm以内)から放出される2次電子量に変換されて、こ
れを可視化することが可能である。すなわち、電子線プ
ローブを十分細い状態で内部構造と相互作用させること
(第1の要件)と表面構造の均質化(第2の要件)によ
り、従来は情報として用いることのできなかった微妙な
内部構造に由来する像情報を利用することが可能とな
る。
By setting the probe conditions and sample surface conditions so as to satisfy the two requirements, the internal structure can be clearly observed as a secondary electron image. Relatively deep (10 nm or more) internal structure information is stored on the sample surface (about 10
is converted into the amount of secondary electrons emitted from the electron beam (within nm), and this can be visualized. That is, by making the electron beam probe interact with the internal structure in a sufficiently thin state (first requirement) and homogenizing the surface structure (second requirement), the delicate interior that could not be used as information in the past was obtained. Image information derived from the structure can be used.

【0025】すなわち、本発明は、電子線を走査して試
料内部に埋め込まれた微細な構造体を観察・計測する内
部構造観察方法において、観察対象の上記構造体が埋め
込まれた深さと、上記電子線の電子の平均自由行程を同
程度とすることを特徴とする。つまり、電子線の電子の
平均自由行程を、観察対象の構造体が埋め込まれた深さ
と同程度になるように、電子線の加速電圧を調整して電
子線を走査する。
That is, the present invention provides an internal structure observation method for observing and measuring a fine structure embedded in a sample by scanning an electron beam. It is characterized in that the mean free path of electrons of the electron beam is substantially the same. That is, the electron beam is scanned by adjusting the accelerating voltage of the electron beam so that the mean free path of the electrons of the electron beam is substantially the same as the depth of the structure to be observed.

【0026】[0026]

【発明の実施の形態】実施の形態1 図1(a)は本発明の実施の形態1の内部構造観察方法
を示す図、(b)は上から内部構造に由来する2次電子
強度分布、表面構造に由来する2次電子強度分布、総量
の2次電子強度分布を示す図である。図1(a)におい
て、2はSi酸化膜、1はSi酸化膜2に埋め込まれた
内部Si構造体、3は観察対象の内部Si構造体1が埋
め込まれた深さと同程度に電子線の電子の平均自由行程
を調整した電子線である。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiment 1 FIG. 1A is a view showing an internal structure observation method according to Embodiment 1 of the present invention, and FIG. 1B is a diagram showing a secondary electron intensity distribution derived from the internal structure from above. It is a figure which shows the secondary electron intensity distribution derived from a surface structure, and the secondary electron intensity distribution of the total amount. In FIG. 1A, reference numeral 2 denotes an Si oxide film, 1 denotes an internal Si structure embedded in the Si oxide film 2, and 3 denotes an electron beam having the same depth as the embedded internal Si structure 1 to be observed. This is an electron beam whose mean free path has been adjusted.

【0027】図3(a)は従来の表面観察方法を示す
図、(b)は上から内部構造に由来する2次電子強度分
布、表面構造に由来する2次電子強度分布、総量の2次
電子強度分布を示す図である。図3(a)において、図
1(a)と同符号のものは同一のものを示す。5は電子
線の電子の平均自由行程が表面付近で浅い電子線であ
る。
FIG. 3A shows a conventional surface observation method, and FIG. 3B shows, from above, a secondary electron intensity distribution derived from the internal structure, a secondary electron intensity distribution derived from the surface structure, and a secondary of the total amount. It is a figure showing an electron intensity distribution. In FIG. 3A, the same components as those in FIG. 1A indicate the same components. Reference numeral 5 denotes an electron beam whose mean free path of electrons of the electron beam is shallow near the surface.

【0028】図1(a)に示すように、Si酸化膜2中
にSi構造体1が埋め込まれた構造の観察を考える。S
i構造体1上の酸化膜厚はおよそ100nmである。内
部構造観察のためには加速電圧の選択が重要であるが、
ここでは構造(内部Si構造体1の深さ)と材質(Si
酸化膜2)を考慮に入れて30kVに設定することとす
る。
As shown in FIG. 1A, consider the observation of a structure in which a Si structure 1 is embedded in a Si oxide film 2. S
The oxide film thickness on the i-structure 1 is about 100 nm. It is important to select the accelerating voltage for observing the internal structure,
Here, the structure (depth of the internal Si structure 1) and the material (Si
The voltage is set to 30 kV in consideration of the oxide film 2).

【0029】これにより、観察対象深さと酸化膜中での
電子の平均自由行程とがほぼ一致し、内部構造情報が得
やすくなる(図中電子線を表す矢印の先端位置が表面か
らの電子の平均自由行程を模擬している)。また、この
条件での内部構造付近での電子線の散乱による広がりは
2nm程度と見積もられるため、十分、高い分解能での
観察が可能である。
As a result, the observation target depth and the mean free path of the electrons in the oxide film substantially coincide with each other, so that the internal structure information can be easily obtained. Simulates the mean free path). Further, under these conditions, the spread due to the scattering of the electron beam near the internal structure is estimated to be about 2 nm, so that observation with sufficiently high resolution is possible.

【0030】この状態では2次電子像としては図1
(b)に示すように表面構造に由来する2次電子成分と
内部構造に由来する2次電子成分とが重ね合わさって観
察されることになるが、内部構造の情報を得ることが可
能である。
In this state, the secondary electron image is shown in FIG.
As shown in (b), the secondary electron component derived from the surface structure and the secondary electron component derived from the internal structure are superimposed and observed, but information on the internal structure can be obtained. .

【0031】通常のSEM観察では、表面構造のみを観
察することが目的であるため、例えば1kVといった比
較的低い加速電圧が用いられる。この場合、図3(a)
に示すように、電子線はほとんど表面のみで吸収され、
その2次電子信号強度は図3(b)に示すようになり、
表面構造のみを反映したものとなる。
In normal SEM observation, since the purpose is to observe only the surface structure, a relatively low acceleration voltage of, for example, 1 kV is used. In this case, FIG.
As shown in the figure, the electron beam is absorbed only on the surface,
The secondary electron signal intensity is as shown in FIG.
It reflects only the surface structure.

【0032】加速電圧を5kV程度に上げれば、電子線
は内部のSi構造体1に到達することができるようにな
る。しかし、この程度の加速電圧では材料内での散乱に
より実効的なビーム径は100nm程度となってしまう
ため、内部構造を観察することはできない(実効的には
この付近(数kV)の加速電圧では酸化膜2のチャージ
アップにより表面構造の観察も困難になる)。さらに加
速電圧を上昇させ、30kV程度にすれば、最初に述べ
たように内部構造像が得られる。さらに加速電圧を上
げ、例えば200kV程度にすると実効的なビーム径は
わずかに小さくなるが、Si構造との相互作用が小さく
なるため、コントラストが低下し、この影響で実効的な
分解能はあまり変化しないか、場合によっては劣化す
る。要は観察目的の構造の埋まっている深さと同程度の
電子線が通過する材料中での電子の平均自由行程を与え
る加速電圧に観察条件を設定することが重要であり、こ
れにより良好な像観察を行うことができる。
When the acceleration voltage is increased to about 5 kV, the electron beam can reach the internal Si structure 1. However, at this level of acceleration voltage, the effective beam diameter becomes about 100 nm due to scattering in the material, so that the internal structure cannot be observed (effectively, the acceleration voltage near this (several kV)). In this case, observation of the surface structure becomes difficult due to charge-up of the oxide film 2). If the acceleration voltage is further increased to about 30 kV, an internal structure image can be obtained as described above. If the accelerating voltage is further increased to, for example, about 200 kV, the effective beam diameter is slightly reduced, but the interaction with the Si structure is reduced, so that the contrast is reduced and the effective resolution is not significantly changed by this influence. Or, in some cases, deteriorate. In short, it is important to set the observation conditions to the accelerating voltage that gives the mean free path of the electrons in the material through which the electron beam passes at the same depth as the buried depth of the structure to be observed. Observations can be made.

【0033】本実施の形態では、100nm程度の深さ
にある内部構造を想定したが、もちろん、構造深さ、材
質により最適な加速電圧条件は変化する。例えばSi系
の材料(Si、Si酸化膜、各種のSi酸化物系の材
料)では、20〜30nmの深さの構造であれば10k
V程度、100nm前後の深さの構造を観察する場合は
30〜50kV程度、1μmオーダーであれば数100
kV以上の加速電圧が望ましい。また、より重い(電子
線の透過能が小さい)材料では、軽い材料に比べてより
大きな加速電圧を必要とする。
In the present embodiment, an internal structure having a depth of about 100 nm is assumed, but, of course, the optimum acceleration voltage condition changes depending on the structure depth and the material. For example, in the case of a Si-based material (Si, Si oxide film, various Si oxide-based materials), if the structure has a depth of 20 to 30 nm, 10 k is used.
When observing a structure having a depth of about V and about 100 nm, about 30 to 50 kV and several hundreds in the order of 1 μm.
An acceleration voltage of kV or more is desirable. In addition, a heavier (lower electron beam transmission) material requires a higher acceleration voltage than a lighter material.

【0034】実施の形態2 表面構造に由来する2次電子と、内部構造に由来する2
次電子とを選別することは不可能であるので、常にこの
2つの成分は重なり合うことになる。観察対象の内部構
造上の表面形状に変化が少なく、2次電子放出効率に場
所による大きな変動がなければ、内部構造に由来する2
次電子量の変化を像として明瞭に観察することができ
る。しかし、一般的には、内部構造に対応してある程度
表面構造にも凹凸があり、この表面構造に由来する像
が、内部構造像に重なることになる。このような状態で
は、内部構造の正確な把握は困難である。これを防止す
るには表面の凹凸を低減し、また材質的にも均一なもの
とする必要がある。
Embodiment 2 Secondary electrons derived from the surface structure and secondary electrons derived from the internal structure
Since it is impossible to select the next electron, the two components always overlap. If there is little change in the surface shape on the internal structure of the observation target, and if there is no large change in the secondary electron emission efficiency depending on the location, 2
The change in the amount of secondary electrons can be clearly observed as an image. However, in general, the surface structure has irregularities to some extent corresponding to the internal structure, and an image derived from this surface structure overlaps the internal structure image. In such a state, it is difficult to accurately grasp the internal structure. In order to prevent this, it is necessary to reduce surface irregularities and to make the material uniform.

【0035】図2(a)は本発明の実施の形態2の内部
構造観察方法を示す図、(b)は上から内部構造に由来
する2次電子強度分布、表面構造に由来する2次電子強
度分布、総量の2次電子強度分布である。図2(a)に
おいて、図1(a)と同符号のものは同一のものを示
す。3′は観察対象の内部Si構造体1が埋め込まれた
深さと同程度に電子線の電子の平均自由行程を調整した
電子線、4は試料表面に被着させた軽元素を主成分とす
る被膜である。
FIG. 2 (a) is a diagram showing an internal structure observation method according to the second embodiment of the present invention, and FIG. 2 (b) is a secondary electron intensity distribution derived from the internal structure from above, and secondary electrons derived from the surface structure. It is an intensity distribution, and a secondary electron intensity distribution of the total amount. In FIG. 2A, the same reference numerals as those in FIG. 1A indicate the same components. Reference numeral 3 'denotes an electron beam whose mean free path of electrons of the electron beam is adjusted to the same depth as the depth in which the internal Si structure 1 to be observed is buried, and 4 denotes a light element mainly deposited on the sample surface. It is a coating.

【0036】図2(a)に示すように、例えば電子線照
射励起反応により形成した炭素系の被膜4(いわゆる、
コンタミネーション膜)を試料の観察対象領域に被着す
ればその目的を達成することが可能である。Si酸化膜
上に被膜4を被着すると、酸化膜2の表面凹凸に由来す
る2次電子像はほぼ完全に消去する場合があることは本
発明者らは確認済みである。被膜4の表面凹凸は、被着
前の凹凸に比較してかなり小さくなるため、これに由来
する像もかなり弱くなり、実効的に内部構造像が明瞭に
観察できることになる(図2(b))。被着する被膜4
の膜厚としては10nm〜数10nm程度でよく、例え
ば数10kV以上の加速電圧を用いれば透過能的には膜
の有無の影響はほとんどない。
As shown in FIG. 2A, for example, a carbon-based coating 4 (so-called,
The purpose can be achieved by applying a contamination film to the observation target region of the sample. The present inventors have confirmed that when the coating film 4 is applied on the Si oxide film, the secondary electron image derived from the surface irregularities of the oxide film 2 may be almost completely erased. Since the surface irregularities of the coating 4 are considerably smaller than the irregularities before the application, the image derived therefrom is considerably weakened, and the internal structure image can be effectively observed clearly (FIG. 2B). ). Coating 4 to be applied
May have a thickness of about 10 nm to several tens of nm. For example, if an acceleration voltage of several tens of kV or more is used, there is almost no effect of the presence or absence of the film on the transmittance.

【0037】本実施の形態では、試料表面に被着する被
膜4として、SEMによる観察時に装置内で被着可能な
コンタミネーション膜を用いたが、あらかじめ、表面凹
凸を緩和し、かつ均一な材料系の膜を被着しておいても
かまわない。要は、電子線の透過能を妨げない程度の厚
さで、表面の凹凸を緩和するような膜を被着すればよ
い。電子線の透過能を妨げないためにはなるべく軽元素
が良く、炭素系の材料はこの目的には最適である。コン
タミネーション膜は一般には緻密な膜ではないため、表
面が不明瞭で試料表面の凹凸を消失させる効果が非常に
強いものの代表であるが、後で除去することが望ましけ
れば、例えばスピン塗布により溶液から製膜したレジス
ト材料を薄く被着してもかまわない。凹凸緩和の点から
は、スピン塗布により溶液から製膜したレジスト材料の
ような膜が好ましいが、スパッタや蒸着により被着した
カーボン膜でも所期の効果が得られれば問題ない。
In this embodiment, a contamination film which can be applied in the apparatus at the time of observation by SEM is used as the coating 4 to be applied to the surface of the sample. A system film may be applied. In short, it is only necessary to apply a film having a thickness that does not hinder the electron beam transmission ability and that alleviates surface irregularities. In order not to hinder the electron beam transmission ability, a light element is preferably used, and a carbon-based material is most suitable for this purpose. Since the contamination film is generally not a dense film, the surface is unclear and the effect of eliminating irregularities on the sample surface is very strong.However, if it is desired to remove the film later, for example, by spin coating, A thin resist material formed from a solution may be applied. From the viewpoint of alleviation of unevenness, a film such as a resist material formed from a solution by spin coating is preferable. However, there is no problem if a desired effect can be obtained even with a carbon film applied by sputtering or vapor deposition.

【0038】以上本発明を実施の形態に基づいて具体的
に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるも
のではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変
更可能であることは勿論である。
Although the present invention has been specifically described based on the embodiments, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and it is needless to say that various modifications can be made without departing from the scope of the invention. It is.

【0039】[0039]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
走査電子顕微鏡の観察条件・試料表面状態を適切に制御
することにより、試料材料内部に埋め込まれた微細な構
造を観察できるため、微細構造の三次元形状観察・計測
に効果がある。
As described above, according to the present invention,
By appropriately controlling the observation conditions and the sample surface state of the scanning electron microscope, a fine structure embedded in the sample material can be observed, which is effective in observing and measuring the three-dimensional shape of the fine structure.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】(a)は本発明の実施の形態1の内部構造観察
方法を示す図、(b)は内部構造に由来する2次電子強
度分布、表面構造に由来する2次電子強度分布、総量の
2次電子強度分布を示す図である。
FIG. 1 (a) is a diagram showing an internal structure observation method according to Embodiment 1 of the present invention, FIG. 1 (b) is a secondary electron intensity distribution derived from an internal structure, a secondary electron intensity distribution derived from a surface structure, It is a figure which shows the secondary electron intensity distribution of the total amount.

【図2】(a)は本発明の実施の形態2の内部構造観察
方法を示す図、(b)は内部構造に由来する2次電子強
度分布、表面構造に由来する2次電子強度分布、総量の
2次電子強度分布である。
2A is a diagram showing an internal structure observation method according to Embodiment 2 of the present invention, FIG. 2B is a secondary electron intensity distribution derived from an internal structure, a secondary electron intensity distribution derived from a surface structure, It is a secondary electron intensity distribution of the total amount.

【図3】(a)は従来の表面観察方法を示す図、(b)
は内部構造に由来する2次電子強度分布、表面構造に由
来する2次電子強度分布、総量の2次電子強度分布を示
す図である。
FIG. 3A is a diagram showing a conventional surface observation method, and FIG.
FIG. 3 is a diagram showing a secondary electron intensity distribution derived from an internal structure, a secondary electron intensity distribution derived from a surface structure, and a total secondary electron intensity distribution.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…内部Si構造体、2…Si酸化膜、3、3′…Si
構造体が埋め込まれた深さと同程度に電子の平均自由行
程を調整した電子線、4…軽元素を主成分とする被膜、
5…電子の平均自由行程が浅い電子線。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Internal Si structure, 2 ... Si oxide film, 3, 3 '... Si
An electron beam whose mean free path of electrons is adjusted to the same depth as the depth at which the structure is embedded, a coating mainly composed of light elements,
5. An electron beam whose electron mean free path is shallow.

─────────────────────────────────────────────────────
────────────────────────────────────────────────── ───

【手続補正書】[Procedure amendment]

【提出日】平成11年12月2日(1999.12.
2)
[Submission date] December 2, 1999 (1999.12.
2)

【手続補正1】[Procedure amendment 1]

【補正対象書類名】図面[Document name to be amended] Drawing

【補正対象項目名】図2[Correction target item name] Figure 2

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction contents]

【図2】 FIG. 2

【手続補正2】[Procedure amendment 2]

【補正対象書類名】図面[Document name to be amended] Drawing

【補正対象項目名】図3[Correction target item name] Figure 3

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction contents]

【図3】 FIG. 3

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 2G001 AA03 BA07 CA03 GA06 GA09 KA20 LA11 NA07 NA20 RA08 RA20 4M106 AA20 BA02 CA70 DH24 DH60 5C033 UU03  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page F term (reference) 2G001 AA03 BA07 CA03 GA06 GA09 KA20 LA11 NA07 NA20 RA08 RA20 4M106 AA20 BA02 CA70 DH24 DH60 5C033 UU03

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】電子線を走査して試料内部に埋め込まれた
微細な構造体を観察・計測する内部構造観察方法におい
て、上記電子線の電子の平均自由行程を、観察対象であ
る上記構造体が埋め込まれた深さと同程度とすることを
特徴とする内部構造観察方法。
1. An internal structure observation method for observing and measuring a fine structure embedded in a sample by scanning an electron beam, wherein the mean free path of electrons of the electron beam is determined by observing the structure. A method for observing an internal structure, wherein the depth is approximately the same as the embedded depth.
【請求項2】上記試料表面に軽元素を主成分とする薄膜
を被着させることを特徴とする請求項1記載の内部構造
観察方法。
2. The method for observing an internal structure according to claim 1, wherein a thin film mainly composed of a light element is deposited on the surface of the sample.
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003066118A (en) * 2001-08-29 2003-03-05 Sanyo Electric Co Ltd Failure analysis method of semiconductor device
US7391039B2 (en) 2005-05-12 2008-06-24 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Semiconductor processing method and system
JP2010054336A (en) * 2008-08-28 2010-03-11 Kanagawa Acad Of Sci & Technol Discrimination method of microbody having element thin film existing on surface
JP2011158331A (en) * 2010-01-29 2011-08-18 Kanagawa Acad Of Sci & Technol Identification method of film-like element
JP2016176703A (en) * 2015-03-18 2016-10-06 株式会社村田製作所 Method for observing ceramic dielectric

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