JP2005172588A

JP2005172588A - 試料の微小部断面解析方法および解析装置

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Publication number: JP2005172588A
Application number: JP2003412112A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Ueda; 厚植田
Original assignee: Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2003-12-10
Filing date: 2003-12-10
Publication date: 2005-06-30

Abstract

【課題】ＦＩＢ加工により試料の特定微小部位に形成した加工断面の形態，元素分析をＳＥＭにより正確に観察でき、かつ試料の前処理から加工断面の観察までの工程を装置内で一貫して行えるように改良した特定微小部断面解析方法および解析装置を提供する。
【解決手段】試料室（真空チャンバ）１に、ＦＩＢカラム２，ＳＥＭカラム５，計測部６，試料ステージ８を装備し、かつ試料ステージに対してＦＩＢカラムはイオンビーム２ａの方向がステージ面と平行に、ＳＥＭカラムは電子ビーム４ａの方向がステージ面と垂直な向きに配置した構成とし、ステージ上に直立姿勢でセットした試料７に対し、矢印Ａ方向からイオンビームを照射してボックス状の開口部７ａをＦＩＢ加工(b)した後、加工断面７ｂを観察面として開口部を横切るラインＸ−Ｘに沿って試料を劈壊し(c)、この状態で加工断面７ｂに矢印Ｂ方向から電子ビームを走査してＳＥＭ観察を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体デバイス等を対象とした試料の特定部位にイオンビームを照射して断面加工し、その加工断面を走査電子顕微鏡により観察して信頼性評価，不良解析を行う試料の微小部断面解析方法，およびその解析方法の実施に使用する解析装置に関する。

近年の半導体デバイスにおけるデザイン極小化に伴い、その信頼性評価，不良解析にはサブミクロンスケールの解析分解能が要求され、このような微小部の解析に対応する解析装置として、最近では集束イオンビーム（Focused Ion Beam：ＦＩＢ）装置と走査電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope：ＳＥＭ）とを組み合わせたＦＩＢ／ＳＥＭデュアルビーム装置が普及されつつある（例えば、特許文献１参照）。
このＦＩＢ／ＳＥＭデュアルビーム装置は、先ず試料解析の前処理として、ＦＩＢ装置により、試料の解析対象となる微小な特定部位の表面に垂直方向からイオンビームを照射し、この所定部位に周囲が加工断面の壁で囲まれたくぼみ状の開口部をエッチング加工する。次に、この開口部内に露呈した加工断面にＳＥＭ装置の電子銃から出射した電子ビームを斜め方向から走査してその断面形態を観察するものである。

図３は、従来のＦＩＢ／ＳＥＭデュアルビーム装置（例えば，特許文献１の図１参照）を用い、試料に前処理のエッチング加工を施した加工断面の形状を示している。すなわち、従来の解析方法では、先ず前処理として試料（例えば、半導体チップ）７の解析対象領域となる微小な特定部位に矢印Ａ方向から照射したイオンビーム（Ga⁺イオンビーム）をスキャンし、周囲が加工断面の壁で囲まれたくぼみ状の開口部７ａ（以下「ボックス状開口部」と呼称する）を断面加工（ＦＩＢ加工）する。次に、観察面となる開口部内の加工断面７ｂに対して矢印Ｂの斜め方向（３０°〜６０°）から電子ビームを走査し、加工断面７ｂから励起，放出される二次電子，特性Ｘ線，オージェ電子などを検出し、その検出情報から試料の断面形態の解析，組成分析を行う（ＳＥＭ観察）ようにしている。
なお、図３に示したボックス状の開口部７ａは有底のくぼみで、くぼみ内の周囲四面が加工断面で囲まれた平面四角形であるが、開口部の形状はこれに限定されるものではなく、例えば平面形状を三角形とする、あるいは階段状に加工したくぼみとし、さらに試料の厚さ方向の全域を観察する場合には試料に貫通穴を断面加工するものとし、本発明ではこれらの各形状を総称して「ボックス状の開口部」と定義することにする。

また、ＦＩＢ／ＳＥＭデュアルビーム装置に関して、ＦＩＢ装置のイオンビーム光学軸と、ＳＥＭ装置の電子ビーム光学軸とを直交させた配置とした上で、試料ホルダをイオンビーム光学軸および電子ビーム光学軸と直交する方向に回動させて試料の向きを変えるようにした構成とし、試料の観測対象領域を試料の端部から突出するように前処理加工して観測を行うようにしたものも知られている（特許文献２参照）。
特開平１１−２１３９３５号公報特開２００１−８４９５１号公報

しかしながら、前記した従来の試料解析方法においては、次に記すような問題点がある。すなわち、図３のように試料７にボックス状の開口部７ａをＦＩＢ加工した上で、ＳＥＭ装置で加工断面の形態を観察する際には加工断面（観察面）７ｂに斜め方向から電子ビームを走査して観察することから、加工断面７ｂが開口部７ａの深さ方向に縮んだように観察されるようになり、例えば多層膜の膜厚測定を行う場合に正確な評価が行えない。
また、加工断面７ｂに電子ビームを走査してエネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＸ），波長分散型Ｘ線分析（ＷＤＸ），オージェ電子分光分析（ＡＥＳ）を行う場合に、ボックス状開口部７ａの周壁部が観測の妨げとなって、特性Ｘ線強度やオージェ電子強度が減少するため分析感度が低下してしまう。特に、ボックス状の開口部７ａが微小でくぼみ穴の深さが深いと観測への影響が大きくなる。さらに、斜め方向から走査する電子ビームがボックス状開口部７ａの開口周縁に当たるため、壁から特性Ｘ線強度やオージェ電子（シリコンウエハであればSi）が放出され、これが加工断面７ｂから放出する特性Ｘ線強度やオージェ電子に加算されるため、正確な元素分析が行えなくなるといった問題もある。

なお、分析の際に前記開口部の周囲壁（加工断面）が斜め方向から電子ビームを走査する観測の妨げとないようにするために、試料の前処理加工でボックス状の開口部７ａを大きく（開口面積を拡大する）しておくことも可能であるが、試料７に大きな開口部７ａをＦＩＢ加工するには、試料の前処理に膨大な加工時間を要するため、非効率的である。
また、特許文献２に開示されているＦＩＢ／ＳＥＭデュアルビーム装置を用いて試料の解析を行う場合には、前処理でＦＩＢ加工した加工断面を、垂直方向から障害なく観察できるように試料の端部に露呈させる必要であることから、前記と同様に試料の前処理加工に膨大な時間を要する。
本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、その目的はＦＩＢ装置による前処理加工で試料の特定微小部位に形成した加工断面の形態，元素分析をＳＥＭ装置により正確に観察でき、かつ試料の前処理加工から観察までの工程を一貫して行えるように改良した試料の特定微小部断面解析方法および解析装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明によれば、試料の特定部位にイオンビームを照射してエッチング加工した微小な開口部の断面に電子ビームを走査してその断面を走査型電子顕微鏡で観察，分析する試料の微小部断面解析方法において、
試料の特定部位にイオンビームを照射してボックス状の微小な開口部をエッチング加工した後に、前記開口部内に露呈した観察対象となる加工断面を残して前記断面と略平行に開口部を横切るラインに沿って試料を劈壊し、この状態で試料の加工断面に該面と直交する方向から電子ビームを走査させて加工断面の形態観察，元素分析を行うものとする（請求項１）。なお、「ボックス状の開口部」とは、先記した定義に対応した形状のくぼみ，ないし貫通穴である。
ここで、前記した試料の具体的な劈壊方法として、試料にボックス状の開口部を断面加工した状態で、開口部を横切る劈壊ラインに沿って試料の表面にイオンビームを照射して切り溝を形成した後、試料に曲げ荷重を加えて切り溝に沿って劈壊させるようにする（請求項２）。

また、前記の解析方法を実施するための本発明による解析装置は、試料を搭載するステージを内装した真空チャンバになる試料室に、試料にイオンビームを照射して断面加工を行うイオン銃と、加工断面に電子ビームを走査させる電子銃と、電子ビームの走査によって試料から励起，放出する特性Ｘ線，オージェ電子等を検出する計測部と、および試料を所定の姿勢に保持する試料ステージを装備し、かつ試料ステージに対して前記イオン銃はイオンビームの方向がステージ面と平行に、電子銃は電子ビームの方向がステージ面と垂直な向きに配置した構成とし（請求項３）、また前記試料ステージには、加工面をイオン銃に向けて試料を直立姿勢に支持するステージ機構，および劈壊ラインに沿って試料を破断する劈壊手段を備え（請求項４）、この構成により試料をステージ上に保持した状態で、試料の断面加工，および加工断面の観察，分析の工程を一貫して行うようにする。

上記した本発明の解析装置を用いた試料の解析方法では、前処理としてステージ上に試料を起立姿勢に載置保持した状態で、水平方向からイオンビームを照射してボックス状の開口部をＦＩＢ加工した後、この開口部に露呈した観察対象となる加工断面を残して試料の開口部を横切るように試料を劈壊するようにしている。したがって、開口部の周壁に妨げられることなく、観察対象の加工断面に向けて該断面と直交する方向から電子ビームを走査させることができる。これにより、感度低下などの障害を伴わずに加工断面の形態観察，元素分析が正確に行える。しかも、解析装置の試料ステージに試料をセットしたままで、前処理加工から観察、分析までの工程を一貫して行うことができる。

以下、本発明の実施の形態を図１，図２に示す実施例に基づいて説明する。
図１(a) は本発明の実施例による解析装置（ＦＩＢ／ＳＥＭデュアルビーム装置）を模式的に表した構成図であり、図において１は真空チャンバで構成した試料室、２はＦＩＢカラム（イオン銃）、３はＦＩＢカラム２から出射したイオンビーム２ａ（Ga⁺イオンビーム）の照射を受けて試料７から励起，放出する二次電子の検出器、４はＳＥＭカラム（電子銃）、５はＳＥＭカラム４からの電子ビーム４ａの走査を受けて試料から放出する二次電子の検出器、６はＥＤＸ検出器，ＷＤＸ検出器，オージェ電子検出器などの各種検出器を装備したＳＥＭ観察用の計測部、８は試料室１の底部側に配置した試料ステージである。ここで、図示のようにＦＩＢカラム２は試料ステージ８に対してイオンビーム２ａの方向がステージ面と平行に、一方ＳＥＭカラム４は電子ビーム４ａの方向がステージ面と垂直な向きになるよう互いに直交した向きに配置されている。

次に、半導体デバイスから切り出した試料について、前記構成の解析装置を用いて行う試料の解析方法を説明する。
(1) 試料の前処理加工（Ｉ）：まず試料７を解析装置の試料室内にセットして図１(b) のように起立させた姿勢で試料ステージ８に載置保持し、この状態でＦＩＢカラム２から出射したGa⁺イオンビーム２ａを矢印Ａの水平方向（試料７の板面に対して垂直方向）に照射し、試料７の観察対象領域として指定した特定微小部位に断面加工（エッチング加工）を施してボックス状の開口部７ａ（図示例の開口部７ａは周囲四面が加工断面で囲まれた平面四角形の有底くぼみ）を形成する。なお、イオンビームによる加工位置は、二次電子検出器３からの検出信号をモニターに写して確認する。
(2) 試料の前処理加工（II）：前項(1) の工程で試料に断面加工したボックス状の開口部７ａの中に露呈した深さ方向の加工断面７ｂを観察面として、該加工断面７ｂから数μｍ上方に離れた位置で、加工断面７ｂとほぼ平行して開口部７ａを横切る劈壊ラインＸ−Ｘに沿って後述する破断手段により試料７を劈壊し、図１(b) のように形状にする。なお、図中で７ｃは試料７の劈壊端面を表している。

(3) 加工断面の観察：次に前記の加工断面（観察面）７ｂに対して、ＳＥＭカラム４から垂直方向（矢印Ｂ）に電子ビーム４ａを走査し、加工断面７ｂの表面から放出される二次電子を二次電子検出器５により検出して断面形態を観察する。この場合に、前項(2) の前処理加工（II）で試料７の上部を取り除いているので、矢印Ｂ方向からの電子ビーム４ａがボックス状の開口部７ａの周壁によって阻害されることはない。なお、この観察を基に必要に応じて前項(1) による試料に断面加工を追加するなどの様々な応用も可能である。
(4) また、前項(3) の加工断面観察と並行して、電子ビームの照射を受けて試料７の加工断面７ｂから励起，放出される特性Ｘ線やオージェ電子を、計測部６のＥＤＸ検出器，ＷＤＸ検出器，オージェ電子検出器などにより検出して元素分析を行う。

次に、前項(1),(2) で述べた試料７の前処理加工を、図１(a) の解析装置で行うためのステージ機構，および劈壊手段についての具体的な実施例を図２(a),(b) に示す。
すなわち、図１(a) に示した試料ステージ８には、試料７を直立姿勢（図１(b) 参照）に担持して上下移動する上下可動式スライダー８ａと、その両側に配して試料７を支える支持ガイド板８ｂおよび８ｃからなるステージ機構、および直立した試料７の上縁に引っ掛けて矢印Ｐ方向に劈壊荷重を加えるフォーク９を装備している。なお、前記支持ガイド板８ｃは、その上縁を４５°の角度に斜めカットしてエッジを形成している。
そして、先記(1) 項で述べた試料の前処理加工工程では、図２(a) のよう高さ位置で試料７を直立姿勢に保持し、この状態で矢印Ａ方向からイオンビームを照射してボックス状の開口部７ａを断面加工する。次いで、観察面となる下側の加工断面７ｂから上方に数μｍ離れた位置で、開口部７ａを水平に横切るように矢印Ａ方向からイオンビームを照射し、試料７の表面に劈壊ラインとなる溝７ｄ（幅１μｍ，深さ１μｍ）を形成する。

次に、試料７を担持したままスライダー８ａを図２(a) の位置から下方に移動し、試料７に形成した前記のライン状溝７ｄが支持ガイド板８ｃの上縁エッジと同じ高さに並ぶように高さ位置を調整する。この状態で前記のフォーク９を矢印Ｐ方向に駆動操作して試料７に曲げ荷重を加えると、試料７は前記のライン状溝７ｄに沿って破断され、図１(c) に示した形状となる。
その後、スライダー８ａを上昇移動して試料７を図２(b) の観察位置まで押し上げ、この位置で先記の(3),(4) 項で述べたように矢印Ｂ方向から加工断面７ｂに電子ビームを走査してその断面形態の観察，元素分析を行う。この方法を採用することにより、試料７を解析装置のステージに搭載セットした状態で、試料の前処理加工から加工断面の観察，元素分析までの各工程を一貫して行うことができる。

なお、上記実施例では試料７を図２のステージ機構に保持した状態で、劈壊ラインにイオンビームを照射してライン状の溝７ｄを形成しているが、試料７にボックス状の開口部７ａをエッチング加工した状態で試料７を図１の試料室１から一旦外部に取り出し、ダイサーを用いて試料７を所定の劈壊ラインに沿ってダイシングした後、再び試料室内のステージ８にセットして加工断面７ｂの観察，元素分析を行うことも可能である。

本発明の実施例による解析装置および解析方法の説明図で、(a) は模式図で表した解析装置の構成図、(b),(c) はそれぞれ(a) 図の解析装置にセットして前処理加工を施した試料の劈壊前，および劈壊後の加工断面形状を表す斜視図本発明の実施例による試料の劈壊方法およびステージ機構の説明図で、(a),(b) はそれぞれ劈壊前，劈壊後の状態を表す斜視図従来のＦＩＢ／ＳＥＭデュアルビーム装置で試料に前処理加工を施した加工断面の形状を表す斜視図

符号の説明

１試料室（真空チャンバ）
２ＦＩＢカラム
２ａイオンビーム
４ＳＥＭカラム
４ａ電子ビーム
６計測部
７試料
７ａ加工断面の開口部
７ｂ加工断面（観察面）
７ｃ劈壊面
７ｄライン状溝
８試料ステージ
８ａ上下可動式スライダー
８ｂ，８ｃ支持ガイド板
９フォーク（劈壊手段）

Claims

試料の特定部位にイオンビームを照射して微小な開口部を断面加工し、その加工断面に電子ビームを走査して断面形態を観察するようにした試料の微小部断面解析方法において、
試料の特定部位にイオンビームを照射してボックス状の微小な開口部を断面加工した後に、前記開口部内に露呈した観察対象の加工断面を残して該断面と略平行に開口部を横切るラインに沿って試料を劈壊し、この状態で試料の加工断面に該面と直交する方向から電子ビームを走査させて加工断面の形態観察，元素分析を行うことを特徴とする試料の微小部断面解析方法。
請求項１に記載の解析方法において、試料にボックス状の開口部を断面加工した状態で、前記開口部を横切る劈壊ラインに沿って試料の表面にイオンビームを照射して切り溝を形成した後、試料に曲げ荷重を加えて劈壊させるようにしたことを特徴とする試料の微小部断面解析方法。
真空チャンバになる試料室に、試料にイオンビームを照射して断面加工を行うイオン銃と、加工断面に電子ビームを走査させる電子銃と、電子ビームの走査によって試料から励起，放出する特性Ｘ線，オージェ電子等を検出する計測部と、および試料を保持する試料ステージを装備し、かつ試料ステージに対して前記イオン銃はイオンビームの方向がステージ面と平行に、電子銃は電子ビームの方向がステージ面と垂直な向きに配置し、ステージ上に試料を保持した状態で、試料の断面加工，および加工断面の観察，分析の工程を一貫して行うことを特徴とする請求項１，２に記載の解析方法を実施するための試料の微小部断面解析装置。
請求項３に記載の解析装置において、試料ステージに、加工面をイオン銃に向けて試料を直立姿勢に支持するステージ機構，および劈壊ラインに沿って試料を破断する劈壊手段を備えたことを特徴とする試料の微小部断面解析装置。