JP2002039926A - 試料作製方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高い作業効率で試料を作製することができ、
作製時に熟練技術を必要としない試料作製方法を提供す
る。 【解決手段】 半導体基板１００の厚さ方向の一方側の
部分１２のうち、平面から見て観察対象部分を含む所定
領域を除く領域を厚さ方向に所定寸法削り取り、観察対
象部分を含む凸状部１４を半導体基板１００の厚さ方向
の一方側に形成する。次に後のＴＥＭによる観察の時に
電子線の透過を遮るダミーパターンが存在する領域に選
択的に高密度のエキシマレーザービームを凸状部１４の
上方、すなわち半導体基板１０の厚さ方向と平行な方向
から照して凸状部１４の一部とダミーパターンとを共に
除去する。次に半導体基板１０に対して異方性エッチン
グを行ない観察対象部分を含む凸状部１４を薄膜化す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体基板に設け
られている配線やスルーホールを透過型電子顕微鏡（Ｔ
ｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒ
ｏｓｃｏｐｅ、以下ＴＥＭという）で観察するために、
半導体基板を加工して観察用試料を作製する試料作製方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体基板において、特定の位置の断面
（例えば不良であることがわかっている配線やスルーホ
ールの断面等）をＴＥＭで観察するために、上記半導体
基板を加工して試料を作製する。ＴＥＭで観察するため
の試料を作製する従来の試料作製方法を本発明の実施の
形態を示す図３を流用して説明する。まず、基板中から
所望の部分を切り出し、観察箇所を含んだ30μｍ程度の
幅の領域を残してダイサーを用いて表面を削り落とす。
続いて集束イオンビーム（Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｉｏｎ Ｂ
ｅａｍ、以下ＦＩＢという）を用いて、観察箇所がＴＥ
Ｍ観察に適する程度（２０００Å以下）まで薄膜化す
る。しかしながら、ＦＩＢを用いた従来の試料作製方法
では、薄膜化する最後の過程でＦＩＢの空間分解能が十
分でないため、精度よく加工するためには熟練技術を必
要とする。また1試料の作製にかかる時間が例えば1日程
度であり、作業効率（スループット）が低い。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来方法にお
けるスループットが低いという問題を解決するために特
開平８−２６１８９７号公報のような手法も提案されて
いる。この手法では、ダイサーで３０μｍ幅の領域を残
した後に、観察箇所の表面にマスクとなる膜を選択的に
堆積し、反応性イオンエッチング（ＲｅａｃｔｉｖｅＩ
ｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ、以下ＲＩＥという）によりマス
ク以外の部分をＲＩＥで飛ばして、最後の仕上げ加工だ
けＦＩＢで行なうというものである。したがって、上記
手法では依然として最終仕上げの状態で熟練技術が必要
なＦＩＢを使用しなくてはならないという欠点がある。
また、マスク以外の部分で見たい配線なりスルーホール
と同じ高さに別の配線があるとその部分はＲＩＥの際に
エッチングされないので、ＴＥＭ観察の時に電子線透過
の障害となり観察が困難となる。このように上記手法で
はスループットは上がるものの問題点が多く残ってい
る。以上のように配線やスルーホールをＴＥＭによって
観察するための試料作製方法は確立しているとはいえな
い。本発明は、前記事情に鑑み案出されたものであっ
て、本発明の目的は、高い作業効率で試料を作製するこ
とができ、作製時に熟練技術を必要としない試料作製方
法を提供することにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は、半導体基板に
設けられている配線のうちの観察対象部分を透過型電子
顕微鏡で観察するために前記半導体基板を加工して観察
用試料を作製する試料作製方法であって、前記半導体基
板の厚さ方向の一方側の部分のうち、平面から見て前記
観察対象部分を含む所定領域を除く領域を前記厚さ方向
に所定寸法削り取ることによって前記観察対象部分を含
む凸状部を前記半導体基板の厚さ方向の一方側に形成す
る第１工程と、前記半導体基板をその厚さ方向にエッチ
ングすることによって前記観察対象部分を含む前記凸状
部の部分を前記透過型電子顕微鏡で観察可能な程度に薄
膜化する第２工程とを含むことを特徴とする。

【０００５】そのため、観察対象部分を含む凸状部を半
導体基板の厚さ方向の一方側に形成し、半導体基板をそ
の厚さ方向にエッチングすることによって観察対象部分
を含む凸状部の部分を薄膜化するため、従来の集束イオ
ンビーム（ＦＩＢという）を用いる場合と違って、高い
作業効率で試料を作製することができ、作製時に熟練技
術を必要としないで試料を作製することができる。

【０００６】

【発明の実施の形態】次に、本発明の試料作製方法の実
施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発
明の試料作製方法の第１の実施の形態における試料の作
製状態を示す説明図であり、図１（Ａ）は加工前の状態
を示す斜視図、図１（Ｂ）は第１工程が終了した状態を
示す試料の斜視図、図１（Ｃ）は第２工程が終了した状
態を示す半導体基板の斜視図である。図２は本発明の試
料作製方法の第１の実施の形態における試料の第１工程
が終了した状態を示す説明図であり、図２（Ａ）は試料
の平面図、図２（Ｂ）は試料の側面図である。図３は本
発明の試料作製方法の第１の実施の形態における試料の
第３工程が終了した状態を示す説明図であり、図３
（Ａ）は試料の平面図、図３（Ｂ）は試料の側面図であ
る。図４は本発明の試料作製方法の第１の実施の形態に
おける試料の第２工程が終了した状態を示す説明図であ
り、図４（Ａ）は試料の平面図、図４（Ｂ）は試料の側
面図である。

【０００７】まず、図１乃至図４を参照して本発明の第
１の実施の形態について説明する。図１に示されている
ように、試料１００は上下方向の厚さと、前後方向の長
さと、左右方向の幅を有する半導体基板（半導体ウェハ
ともいう）１０から構成されている。半導体基板１０
は、図２に示されているように、ＳｉＯ２からなる層間
膜１と、層間膜１の内部に設けられた微細スルーホール
２（特許請求の範囲のスルーホールに相当）と、層間膜
１の内部で微細スルーホール２に接続された微細配線
３、３（特許請求の範囲の配線パターンに相当）と、層
間膜１の内部に設けられたダミーパターン４（特許請求
の範囲の電子線不透過部に相当）とが設けられている。
微細配線３、３は厚さ方向に異なる位置で、厚さ方向と
直交する方向に延在し、微細スルーホール２は、これら
配線パターン３、３の間を接続するように厚さ方向に延
在している。また、ダミーパターン４は、微細配線３の
側方、すなわち厚さ方向と直交する方向に間隔をおいて
設けられており、微細スルーホール２および微細配線３
をＴＥＭで観察する際に照射する電子線が通過すること
を妨害するものである。そして、本例では、この微細ス
ルーホール２、微細配線３が、ＴＥＭで観察する観察対
象部分に相当している。

【０００８】まず、本実施の形態における試料作製方法
の概略について説明する。最初に、図１（Ａ）に示され
ている半導体基板１００を、図１（Ｂ）で示したような
形状にダイサーを用いて加工する。すなわち、この工程
は、半導体基板１００の厚さ方向の一方側（図１では上
側）の部分１２のうち、平面から見て観察対象部分であ
る「微細スルーホール２と微細配線３、３と」を含む所
定領域を除く領域（層間膜１の部分）を厚さ方向に所定
寸法削り取り、観察対象部分を含む凸状部１４を半導体
基板１００の厚さ方向の一方側に形成する第１工程に相
当している。つまり、観察領域を含んだ幅約２０μｍの
領域である凸状部１４を残してその他の部分は削ぎ落と
す。図２（Ａ）、（Ｂ）は、図１（Ｂ）の観察領域付近
を拡大したものの平面図と側面図である。微細スルーホ
ール２の径および微細配線３の配線幅は0.2μｍ程度で
ある。例えばデュアルダマシン法を用いた銅配線の場合
には微細スルーホール２、微細配線３、ダミーパターン
４は共に銅で構成されている。

【０００９】次に、図１（Ｂ）および図２（Ａ）、
（Ｂ）の状態で、後のＴＥＭによる観察の時に電子線の
透過を遮ることになりそうなダミーパターン４が存在す
る領域に選択的に高密度のエキシマレーザービーム（例
えばＫｒＦエキシマレーザー：λ＝２４８ｎｍ）を凸状
部１４の上方、すなわち半導体基板１０の厚さ方向と平
行な方向から照射する。すると、レーザーのエネルギー
が化学気相成長法で成膜したSiO2のSi-O結合エネルギー
と同等かそれ以上であるため、直接Si-O結合が切断さ
れ、SiO2膜が飛ばされる。すなわち、この工程は、電子
線の観察対象部分への透過を妨げる電子線不透過部であ
るダミーパターン４が凸状部１４に存在している場合
に、高密度エキシマレーザを凸状部１４の部分に照射す
ることで凸状部１４の一部と電子線不透過部であるダミ
ーパターン１４とを共に除去する第３工程に相当してい
る。なお、レーザー照射で銅は直接飛ばないが、ダミー
パターン４のように小さい塊がSiO2中に埋まっている場
合は、ダミーパターン４を構成する銅がSiO2と一緒に飛
んでいく（図３（Ａ）、（Ｂ））。また、ダミーパター
ン４ではなく微細配線の場合でもレーザーのパワー密度
を上げることにより飛ばすことが可能である。

【００１０】次に、図３の状態の半導体基板１０に対し
てCF4とO2の混合ガス中でＲＩＥを行なう。混合ガスの
流量を適当に設定するとSiO2のエッチングは異方的に進
行する異方性エッチングとなる。そして、微細スルーホ
ール２と微細配線３以外の部分ではSiO2が全てエッチン
グされ、スルーホール２と配線３の直下のSiO2はそれら
がエッチングマスクとなるためエッチングされずに残
る。この状態が図４（Ａ）、（Ｂ）である。すなわち、
この工程は、半導体基板１０をその厚さ方向にエッチン
グすることによって観察対象部分を含む凸状部１４の部
分を薄膜化する第２工程に相当している。

【００１１】微細配線３の配線幅や、微細スルーホール
２のスルーホール径が近年のデバイスでは2000Å程度で
あるので、図４（Ａ）、（Ｂ）の状態そのままでＴＥＭ
観察を行なうことができる。なお、ＴＥＭ観察時の電子
線の透過方向は図４（Ａ）、（Ｂ）に符号５で示した矢
印方向（厚さ方向と直交する方向）となる。

【００１２】次に、第１の実施の形態について詳細に説
明する。まず、第１工程について説明する。観察箇所を
含めた幅２０μｍの領域、すなわち凸状部１４を残すと
したが、実際はできるだけこの部分を狭く（薄く）し
て、観察したい微細配線３および微細スルーホール４以
外の金属をなるべく残らないようにしたい。しかしなが
ら、現状の市販されているダイサーの精度は５μｍ程度
であり、ダイサーによる切り口をあまり観察箇所に近付
け過ぎると、観察箇所を傷つける危険性があるので、安
全性を確保するという意味で２０μｍが適当である。

【００１３】第１工程で観察箇所を含めた凸状部１４を
ダイサーにより形成（ダイシング）した後には、第２工
程として、後のＴＥＭ観察時に図３（Ａ）、（Ｂ）に示
したように電子線を透過させた時に微細スルーホール２
の観察に邪魔になるであろう電子線不透過部である金属
（配線、スルーホール、ダミーパターンなどを含む）を
除去するためにエキシマレーザー照射工程を行なう。

【００１４】もし、上記のような金属が試料上に存在し
なければこの第２工程は省略できる。レーザー照射によ
り、レーザーのエネルギーよりも小さい結合エネルギー
しか持たない結合は切断することができ、それゆえ膜を
除去することができる。例えば、ＫｒＦエキシマレーザ
ーを用いると化学気相成長法で成膜したSiO2、SiNのよ
うな配線間の層間膜に広く用いられる材料は除去するこ
とができる。実際に除去したいのは観察箇所以外の邪魔
な金属であるが、レーザー照射で直接金属を除去するこ
とはできない。しかしながら、メタルはSiO2等の層間膜
に埋まっているような構造であるため、層間膜を除去す
ると一緒に金属が吹き飛び、結果的に除去することが可
能である。

【００１５】第２工程でレーザー照射により邪魔なメタ
ルを選択的に除去したら、第３工程、すなわちＲＩＥ工
程を行なう。ＲＩＥは凸状部１４を含む半導体基板１０
の全面に施される処理で、SiO2およびSiN等の層間膜材
料が異方性を持ってエッチングされる。微細配線３およ
び微細スルーホール４の部分では、それらが上面から露
出するまでは層間膜４がエッチングされるが、表面に露
出するとエッチングが止まり、微細配線３がマスクとな
りその直下の層間膜４はエッチングが進行しない。その
結果、図４（Ａ）、（Ｂ）のように微細配線３はその配
線幅分だけ、および微細スルーホール２はそのスルーホ
ール径だけ残り、薄膜化された形状となる。最近の配線
幅やスルーホール径は2000Å以下程度であり、このまま
で十分ＴＥＭ観察を行なえる膜厚となる。

【００１６】以上詳述した第１の実施の形態によれば、
従来と違ってＦＩＢを用いず、ダイサーによって凸状部
１４の形成する第１工程と、異方性エッチングによって
観察対象部分を含む凸状部１４の部分を薄膜化する第２
工程と、エキシマレーザ照射によるダミーパターンなど
観察に邪魔になる部分の除去を行なう第３工程とによっ
て試料１００を作製することができるので、高い作業効
率で試料を作製することができ、作製時に熟練技術を必
要としないという作用効果を奏することができる。

【００１７】次に第２の実施の形態について説明する。
図５は本発明の試料作製方法の第２の実施の形態におけ
る試料の第１工程が終了した状態を示す説明図であり、
図５（Ａ）は試料の平面図、図５（Ｂ）は試料の側面図
である。図５（Ａ）、（Ｂ）に示されているように、１
つの半導体基板１０の１つの微細配線３上に観察したい
微細スルーホール４が複数ある場合には、従来のＦＩＢ
を用いた作製法ではそれぞれのスルーホールに対して精
密な加工をしなくてはならず、作業効率が低いものとな
らざるを得なかった。ところが、本発明の試料作製方法
によれば、第１工程の後に、１度の第２工程、すなわ
ち、ＲＩＥによる異方性エッチングを１度行なうだけ
で、全てのスルーホール４を含む凸状部１４の部分が薄
膜化できるため、作業効率が非常に向上され、高スルー
プット化という意味で非常に有効である。

【００１８】次に第３の実施の形態について説明する。
図６は本発明の試料作製方法の第３の実施の形態におけ
る試料の第１工程が終了した状態を示す説明図であり、
図６（Ａ）は試料の平面図、図６（Ｂ）は試料の側面図
である。図６（Ａ）、（Ｂ）に示された例では、例えば
厚さと直交する方向に延在する第１の微細配線３Ａと、
厚さ方向の下方に第１の微細配線３Ａと平行に延在する
第２の微細配線３Ｂと、第１、第２の微細配線３Ａ、３
Ｂを接続する微細スルーホール２とが設けられている。
そして、第１の微細配線３Ａの側方に別の微細配線４が
設けられている。この場合に、第１の微細配線３Ａをそ
の延在方向に例えば１００μｍ程度にわたって観察する
ものとする。この場合も、従来のＦＩＢを用いた作製法
では第１の微細配線３Ａの延在方向にわたって１００μ
ｍにわたって精密な加工をしなくてはならず、作業効率
が低いものとならざるを得なかった。これに対して本発
明では、第１工程によって凸状部１４を作製した後、第
２工程でダミーパターン４を含む層間膜１を除去する。
そして、ＲＩＥによる異方性エッチングで第１の微細配
線３Ａを含む凸状部１４の部分をその延在方向にわたっ
て容易に薄膜化できるため、作業効率が非常に向上さ
れ、高スループット化という意味で非常に有効である。

【００１９】なお、上述した実施の形態では、ＲＩＥの
前に行なうレーザー照射の工程で用いるレーザーを例え
ばＫｒＦエキシマレーザー（λ＝２４８ｎｍ）とした
が、レーザーの波長を短波長化して結合を切ることので
きる範囲を増やすことが可能である。例えば、ＡｒＦ
（λ＝１９３ｎｍ）、Ａｒ２（λ＝１２６ｎｍ）、Ｈ２
（λ〜１１０ｎｍ）といったものが例として挙げられる
が、その他レーザーの種類に関係なくより短波長、高エ
ネルギーほど結合を解離できる範囲が広がり、応用でき
る対象が増える。

【００２０】また、観察対象部分について更に細かい情
報を得たい場合、例えばスルーホールの下部と配線の界
面の詳細な情報等、ＲＩＥまでは、上述した各実施の形
態と同様の工程を行ない、最終工程としてさらにＦＩＢ
で観察対象部分を含む凸状部１４の部分を削って薄くす
ることで、膜厚を１０００Å以下にまでさらに薄膜化す
る。これによって、より明瞭なＴＥＭ像が得られ、さら
なる情報を得ることができる。

【００２１】

【発明の効果】本発明は、半導体基板に設けられている
配線のうちの観察対象部分を透過型電子顕微鏡で観察す
るために前記半導体基板を加工して観察用試料を作製す
る試料作製方法であって、前記半導体基板の厚さ方向の
一方側の部分のうち、平面から見て前記観察対象部分を
含む所定領域を除く領域を前記厚さ方向に所定寸法削り
取ることによって前記観察対象部分を含む凸状部を前記
半導体基板の厚さ方向の一方側に形成する第１工程と、
前記半導体基板をその厚さ方向にエッチングすることに
よって前記観察対象部分を含む前記凸状部の部分を前記
透過型電子顕微鏡で観察可能な程度に薄膜化する第２工
程とを含む。

【００２２】そのため、観察対象部分を含む凸状部を半
導体基板の厚さ方向の一方側に形成し、半導体基板をそ
の厚さ方向にエッチングすることによって観察対象部分
を含む凸状部の部分を薄膜化するため、従来の集束イオ
ンビーム（ＦＩＢという）を用いる場合と違って、高い
作業効率で試料を作製することができ、作製時に熟練技
術を必要としないで試料を作製することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の試料作製方法の第１の実施の形態にお
ける試料の作製状態を示す説明図であり、図１（Ａ）は
加工前の状態を示す斜視図、図１（Ｂ）は第１工程が終
了した状態を示す試料の斜視図、図１（Ｃ）は第２工程
が終了した状態を示す半導体基板の斜視図である。

【図２】本発明の試料作製方法の第１の実施の形態にお
ける試料の第１工程が終了した状態を示す説明図であ
り、図２（Ａ）は試料の平面図、図２（Ｂ）は試料の側
面図である。

【図３】本発明の試料作製方法の第１の実施の形態にお
ける試料の第３工程が終了した状態を示す説明図であ
り、図３（Ａ）は試料の平面図、図３（Ｂ）は試料の側
面図である。

【図４】本発明の試料作製方法の第１の実施の形態にお
ける試料の第２工程が終了した状態を示す説明図であ
り、図４（Ａ）は試料の平面図、図４（Ｂ）は試料の側
面図である。

【図５】本発明の試料作製方法の第２の実施の形態にお
ける試料の第１工程が終了した状態を示す説明図であ
り、図５（Ａ）は試料の平面図、図５（Ｂ）は試料の側
面図である。

【図６】本発明の試料作製方法の第３の実施の形態にお
ける試料の第１工程が終了した状態を示す説明図であ
り、図６（Ａ）は試料の平面図、図６（Ｂ）は試料の側
面図である。

【符号の説明】

１……層間膜、２……微細スルーホール、３、３Ａ、３
Ｂ……微細配線、４……ダミーパターン、１０……試
料、１４……凸状部、１００……半導体基板。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０１Ｎ 1/28 Ｆ

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板に設けられている配線のうち
   の観察対象部分を透過型電子顕微鏡で観察するために前
   記半導体基板を加工して観察用試料を作製する試料作製
   方法であって、 前記半導体基板の厚さ方向の一方側の部分のうち、平面
   から見て前記観察対象部分を含む所定領域を除く領域を
   前記厚さ方向に所定寸法削り取ることによって前記観察
   対象部分を含む凸状部を前記半導体基板の厚さ方向の一
   方側に形成する第１工程と、 前記半導体基板をその厚さ方向にエッチングすることに
   よって前記観察対象部分を含む前記凸状部の部分を前記
   透過型電子顕微鏡で観察可能な程度に薄膜化する第２工
   程と、 を含むことを特徴とする試料作製方法。
2. 【請求項２】 前記観察対象部分は、前記厚さ方向と直
   交する方向に延在する配線パターンと、前記配線パター
   ンの間を接続する前記厚さ方向に延在するスルーホール
   との少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項１記
   載の試料作製方法。
3. 【請求項３】 前記第１工程によって形成される凸状部
   は、前記観察対象部分を挟んで対向する２つの側面を有
   し、前記２つの側面の間の間隔が２０μｍ程度であるこ
   とを特徴とする請求項１または２記載の試料作製方法。
4. 【請求項４】 前記第１工程における前記半導体基板の
   前記観察対象部分を含む所定領域を除く領域の前記厚さ
   方向への所定寸法の削り取りは、ダイサーによって行な
   われることを特徴とする請求項１、２または３記載の試
   料作製方法。
5. 【請求項５】 前記第２工程における前記半導体基板に
   対するエッチングは前記厚さ方向にエッチングを行なう
   異方性エッチング、すなわち、反応性イオンエッチング
   により行なわれることを特徴とする請求項１乃至４に何
   れか１項記載の試料作製方法。
6. 【請求項６】 前記透過型電子顕微鏡による前記観察対
   象部分の観察時には前記観察対象部分を含む前記凸状部
   の部分に対して前記厚さ方向と直交する方向に電子線が
   照射および透過されることを特徴とする請求項１乃至５
   に何れか１項記載の試料作製方法。
7. 【請求項７】 前記電子線の前記観察対象部分への透過
   を妨げる電子線不透過部が前記凸状部に存在している場
   合に、高密度エキシマレーザを前記凸状部の部分に照射
   することで前記凸状部の一部と前記電子線不透過部とを
   共に除去する第３工程を含むことを特徴とする請求項６
   記載の試料作製方法。
8. 【請求項８】 前記電子線不透過部はダミーパターンで
   あることを特徴とする請求項７記載の試料作製方法。
9. 【請求項９】 前記電子線不透過部は金属であることを
   特徴とする請求項７または８記載の試料作製方法。
10. 【請求項１０】 前記第２工程によって薄膜化された前
    記観察対象部分を含む前記凸状部に対して集束イオンビ
    ームを照射することで前記凸状部の部分を前記厚さ方向
    と直交する方向から削ることで前記観察対象部分を含む
    凸状部の部分をさらに薄くする第４工程を含むことを特
    徴とする請求項１乃至８に何れか１項記載の試料作製方
    法。