JP2006153894A - 電子線を用いた観察装置及び観察方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】電子線を試料に微小かつ平行に照射し、これにより得られる結晶構造を反映した回折像のスポット間距離を画素検出器もしくは位置検出器で測定し、測定位置情報と合わせて電子顕微鏡拡大像上に応力の2次元分布を重ねて表示する。
【効果】高速かつ高分解能で微小な結晶中の歪み、応力を試料の構造情報に合せて表示できる。
【選択図】 図1
Description
CBED法で扱う高次回折パターンでは、ごく微小な格子歪みが敏感に回折パターンに反映するため、応力・歪み感度は大変優れている。また、測定時の電子線は10nm以下に収束されており、空間分解能も十分に優れている。しかし、透過した低次回折パターンの回折点内に現れる低強度な高次回折パターンを観察する必要があるため、試料を極薄膜化し、さらにエネルギーフィルタを活用して非弾性散乱バックグラウンドを最大限低減させる必要があり、それでも試料厚さは100nm程度に抑えられる。試料をこの様に極薄膜にするため、薄膜化過程で応力や歪みが大きく緩和されてしまい、このため、試料が元々有していた情報を得ることが極めて難しいという問題があった。また、エネルギーフィルタを必要とする際はコスト高になるという問題もあった。さらに、高次回折情報であるため、電子線照射ダメージの影響を大変受け易いという問題もあった。このように、本技術から、厚い試料での低次回折像観察法が求められていた。
同一ビットの基板部でも回折像を測定する。そして、基準と成る格子面間隔は基板部で測定し、各測定点で測定された格子面間隔との差が歪み量となる。応力は格子面の歪み量と比例関係にあり、比例定数は元素や面方位ごとに固有である。
従って、基板に対して垂直方向と水平方向にある回折点間の変化を各々2次元的に電子顕微鏡写真上に重畳させて記述することにより、応力・歪みの2次元分布を、デバイスの構造に対応させて可視化できる。
透過電子顕微鏡(Transmission Electron Microscope;以下TEM)で結晶性試料を観察する場合、電子線と試料が回折・干渉現象により、結晶構造、組成等に起因した拡大像と結晶構造に対応した形の回折像を得ることが出来る。従来のTEMにおける結像メカニズムを図2を用いて説明する。電子源135から放射された電子線は放射角をコンデンサしぼり120で制限されたあと第1コンデンサレンズ121と第2コンデンサレンズ122で縮小され、対物レンズ前磁場123で平行に試料124上に照射される。試料に照射された電子線の一部はそのまま相互作用なしに透過するが、残りの一部の電子線は結晶面で回折される。この時、結晶面間隔をd、回折角をθ、電子線波長をλとすると、ブラッグの回折の条件式と呼ばれる、2d・sinθ=n・λ(n=1,2,3…)が成り立つ方向θに回折された電子線は干渉効果により強度が増大し、この条件を満たさない方向への電子線の強度は極めて少ないという現象が古くから知られている。試料から無限遠位置で上記条件を満たした電子線同士が干渉して回折像を形成するが、TEMでは試料直下の対物レンズ後磁場125により回折像が後方焦点面126に結像される。回折像は電子線の軸に垂直な面に2次元的に分布している。回折像は上記ブラッグの条件を満たした形状のパターンであるため、これを解析することにより結晶構造や結晶面間隔を評価することが出来る。TEMにおいては,対物しぼりが後方焦点面126位置に設置される。また、試料の像が対物レンズ後磁場125により結像される。この像を第1中間像127と呼ばれ、TEMではここに制限視野しぼりが設置される。この様に、対物レンズ下に回折像と拡大像の2種の像が形成されており、以下の中間レンズ128や投射レンズ131の電流条件で何れの像を結像させるか、また倍率等の決定をすることが出来る。図2(a)では、第1中間像127を中間レンズ128で第2中間像129に拡大結像し、さらにこれを投射レンズ131で観察面132上に拡大像133として結像させている。図2(b)では、後方焦点面126の回折像を図2(a)と異なった励磁電流条件の中間レンズ128で中間回折像130に拡大結像し、さらにこれを投射レンズ131で観察面132上に電子回折像134として結像させている。
照射角はレンズ径の収差等の影響を含めても0.4mrad以下と小さくできる。
FE電子銃1から放射された電子線は照射レンズ2にて平行な微小プローブに成形され試料6上に照射される。このとき、微小プローブ部を試料上での異なった位置に照射する際には、STEMスキャンコイル3でビームを振るか、試料ステージ21で試料を振るかの何れかの方式が考えられる。試料を透過した電子線は第1投射レンズ4にて像の倍率を変化させ、第2投射レンズ5にて検出器上にフォーカスさせる。尚、第1投射レンズ4と第2投射レンズ5の役割を逆にすることも可能である。回折電子7は位置検出器8で電子線の入射位置を計測するか、画素検出器10で入射位置と強度を計測する。一方で画像情報を有する電子線は画素検出器10で入射位置と強度を計測するか、明視野型検出器15もしくは暗視野型検出器18で強度を計測する。ここで、暗視野型検出器18や画素検出器10は電子線経路上にあって他の検出器の邪魔になることがあることから、電子線経路外に退避させるために各々、光軸出入機構20、光軸出入機構17を設けることにする。また、試料6のセットされる方向により、回折像が電子線方向の垂直面内で回転するため、回折像と位置検出器8の相対角度関係を調整するため、ローテーション機能9を設け、位置検出器8を電子線方向の垂直面内で回転させることにする。
位置検出器8は2個で1セットとし、例えば回折像における220点と-220点の位置に設置するものとする。ここで4個を1セットとし、さらに002点と00-2点位置に設置し、2方向の歪み、応力を同時に測定する事も有効である。位置検出器8の出力信号は信号電圧が電子線の入射位置を示しており、回折点間隔を求めるためには、信号処理回路11にて、2個の位置検出器8の信号電圧差を求める。このとき、位置検出器8の信号電圧差をアナログ差分回路で求めても良いし、一度信号をデジタル変換し、メモリ上で両信号電圧差を計算しても良い。また、差分電圧をデジタル数値で出力しても良いし、アナログ変換して再度アナログ信号として出力しても良い。何れの方法でも、回折点間距離に相当した電圧値が表示装置13に伝送され、ここでSTEMスキャンコイル3の信号電圧値と同期を取って2次元表示することで、歪みや応力量に対応した2次元マッピングを得ることが出きる。一方、対応する試料6の拡大像は暗視野検出器回路19、明視野検出器回路16、信号処理回路12を経て表示装置13に表示される。画素検出器10で回折像を検出する場合は、信号処理回路12で回折点プロファイルの測定、プロファイルのガウス分布フィッティングと回折点間処理の画像処理による算出を行い、回折点間距離に相当する電圧信号もしくは電圧値を出力し、表示装置13に伝送するものとする。本装置では、厚い試料を観察した場合に回折像のバックグラウンドとして発生する非弾性散乱電子コントラストを除去するため、各種検出器の上方にエネルギーフィルタ14を設置するものとした。
図10で示される回折像を位置検出器103、拡大像を明視野型検出器15で検出する方法では、試料を試料ステージに載置する工程と、電子線を結晶試料の所定の領域を走査させながら照射する工程と、照射された電子線を用い所定の領域の拡大像を取得する工程と、前記電子線を結晶試料の所定の領域に照射し試料から放射される回折像を一対の第1の検出器で検出する工程と、を具備することを特徴としている。ここで第1の検出器とは、位置検出器であり、電子線や光線が入射した位置を2次元で電圧表示する機能を有する。
本実施例では、実施例1で記載した装置を用い、半導体デバイスにおける歪み、応力の測定方法と表示方法について説明する。透過電子顕微鏡、走査透過電子顕微鏡では、電子線が試料を透過する際の相互作用を情報として利用しているため、試料の対象個所を薄膜化する必要があり、薄膜化方法はイオンビームを用いる方法等多くが実用化されている。こうした方法を用いて、切りだし薄膜化した半導体のトランジスタ構造断面図を図11に示す。典型的なトランジスタでは、素子分離層41で挟まれた領域のシリコン基板44上に、プラグ40、ゲート42が形成されており、図中の応力発生場43の結晶が大きく歪んでいる場合が多い。このような場合、基板深部は元々のシリコン結晶状態である事が多く、ここを格子間隔の基準点とし、図中に示したように複数の点に電子線を照射して回折像もしくは格子間隔に対応した電圧の信号を取得する。次に図中に示した測定点でも同様の測定を行う事で、基準点に対して、格子間隔の変化量を算出する。同時に測定箇所を含む試料構造を表す拡大像を取得しておく。
操作画面の実施例を図17に示す。操作画面は大きく操作部と結果表示部に分かれている。操作部には、データ収集開始・停止ボタン300が設けられている。観察方式選択プルダウンメニュー301により、図8から図10の4方式の何れかを選ぶことにする。また、電子線照射位置を替える際に、ビームを振るかステージで試料を振るかの選択を走査方式選択プルダウンメニュー302で選択する。また、取得画像の解像度は、電子線スキャン幅やカメラの画素選択、ビニング等で可変であり、これを解像度選択プルダウンメニュー303で選択する。同様にスキャン速度を走査速度選択プルダウンメニュー304で選択する。ここで、解像度を増やすほど画像取得に時間がかかる。また、走査速度を遅くするほど像のS/Nは向上するが画像取得に時間がかかるようになり、目的に応じた最適値に設定する必要がある。さらに回折像の焦点合せや回折像の大きさを、照射レンズ1制御・表示バー305や照射レンズ2制御・表示バー306で調整する。位置検出器の設置角度を図1記載のローテーション機能9で調整することを実施例1で延べたが、これはPSD角度遠隔操作制御バー307で調整できる。
汎用200-300kV電子顕微鏡では、電子線が透過できる厚さ、すなわち1μm以下に試料を薄膜化する必要があり、歪みや応力は元の状態から変化し緩和してしまう。緩和を極力抑えるには、なるべく厚い試料を作製することで可能となる。
近年、FIB(Focused Ion Beam)、即ち収束イオンビームで目的箇所を切出す技術が進んでおり、図18に示した形状の電子顕微鏡試料400が容易に作製できる。
電子顕微鏡試料400の大きさは約10×10×2μmであり、特に観察領域は0.1-0.3μm程度の厚さである。電子顕微鏡試料400はピンセット等で容易にハンドリングできるようにメッシュ401上にタングステンデポ接着剤402で固定してある。試料薄片部403は試料支持部404に挟まれ保持されている。このとき、先ず、試料薄片部403の試料支持部404に挟まれる幅はなるべく狭くする。この幅が広すぎる場合、試料薄片部403の変形等による新たな応力発生の可能性があるためであり、例えば図11に示した構造のトランジスタ1ビット分を測定するだけの場合、この幅は1μm程度にできるし、複数ビットのトランジスタを同一条件で測りたい場合は薄片部幅を5μm程度にする事を心がける。試料薄片部403は一定の厚さになるように加工し、仕上げ加工時の照射イオンエネルギーを下げる事でダメージ層厚さをできるため薄くする等の処理を行う。
電子線検出器の構造について図19、図20で説明する。図19は画素検出器について示す。電子線を直接CCDやラインセンサのような半導体の画素検出器500で検出する事ができない。これは電子線入射によるダメージで検出器が劣化してしまうためである。従って、図19(a)のように、電子線をダメージに強いシンチレータ502で回折電子線503を光に変換し、オプティカルファイバ501で画素型検出器500の受光面に結像させる。ここで回折電子線503はシンチレータ内で散乱により広がるため、通常100μm以下に研磨して薄膜化する。従って、画素検出器500上に直接張る事が難しく、オプティカルファイバ501で結像させる。オプティカルファイバ501と画素検出器500を接触できない場合は、図19(b)のように、シンチレータ502からの光像を光学レンズ505で画素検出器500受光面上に結像する。このとき、光学レンズの焦点深度が深い場合はシンチレータ502を薄膜化しなければ像がボケてしまう。このため、薄膜化したシンチレータ502には支持基板となるガラス基板504が必要となる。光学レンズの焦点深度がシンチレータ502内での電子線の進入深さより十分浅い場合はシンチレータ502の薄膜化は不要である。
図21にて、STEM方式での最適な電子線照射条件について説明する。電子線の収束径と照射角は対物レンズ前磁場123 のレンズ条件で決まる。即ちレンズ電流を変化させると、レンズ電流(a)で試料124に平行照射となり、照射角は収差限界で残存する最低限まで小さくできる。この状態からレンズ電流を大きくしていくと、照射角は大きくなるもののビーム径が小さくなり、レンズ電流(b)で同じく収差限界で残存する有限最小径のプローブが得られる。このことは、スポット径が最小になる最適な回折像条件と、最も高分解能な条件のSTEM拡大像条件が異なることを意味している。ナノディフラクション結像させた場合、レンズ電流(a)ではd=10nm以下にできることから、このプローブをスキャンさせてSTEM像を形成しても、10nm程度の分解能、すなわち半導体デバイス試料の構造が分かる程度の分解能は得られる。従って、図16の処理223で示される、構造像の事前観察時はレンズ電流(b)条件とし、その後の回折像観察ではレンズ電流(a)に切り替えるアルゴリズムを追加すると、高感度歪み応力測定と高分解能STEM拡大像の両立が可能となる。
電子顕微鏡を用いた歪み、応力評価には、試料加工時の緩和の問題がある。即ち、加工により試料内部に閉じ込められていた歪み、応力が開放されてしまう。
このため、既に述べた通りなるべく試料を厚い形状のまま観察することが有効である。半導体デバイス開発において、応力低減プロセスを確立するためには、様々は条件で作成した試料を統一形状に加工し、歪み、応力分布を測る方法が有効である。即ち試料形状が同一である場合は、歪み、応力の緩和量も概ね揃っており、両者を比較した場合、結果の違いはプロセス条件の違いによるものである確度が極めて高い。例えば図14の左右の応力分布像は、異なったプロセス条件で作成した試料を同一形状に加工して観察した結果であり、明確な違いが認められる。
5:第2投射レンズ、6:試料、7:回折電子、8:位置検出器、
9:ローテーション機構、10:画素検出器、11:信号処理回路、12:信号処理回路、
13:表示装置、14:エネルギーフィルタ、15:明視野型検出器、
16:明視野検出器回路、17:光軸出入機構、18:暗視野型検出器、
19:暗視野検出器回路、20:光軸出入機構、21:試料ステージ、
31:歪み量強度表示矢印、32:構造像写真32、33:スケールバー、
34:基準点表示、40:プラグ、41:素子分離層、42:ゲート、
43:応力発生場、44:シリコン基板、
50:コンデンサレンズ、51:検出器、52:従来光路、53:ナノ回折光路、
60:電子線、61:試料、62:電子レンズ、63:回折像、64:結晶面(a)、
65:結晶面(b)、66:歪み結晶面、
70:回折像、71:回折点、72:横方向格子間隔、73:縦方向格子間隔、80:基板部プロファイル、81:被応力部プロファイル、82:000 点ピーク、
83:002点ピーク、84:00-2点ピーク、85:等応力線、86:応力値表示、
90:応力カラーマップ、91:カラースケールバー、
100:結像レンズ、101:TEM光路、102:ナノ回折光路、103:位置検出器、
104:画素検出器、
120:コンデンサしぼり、121:第1コンデンサレンズ、
122:第2コンデンサレンズ、123:対物レンズ前磁場、124:試料、
125:対物レンズ後磁場、126:後方焦点面、127:第1中間像、
128:中間レンズ、129:第2中間像、130:中間回折像、131:投射レンズ、
132:観察面、133:拡大像、134:電子回折像、135:電子源、
201−213:処理、221−234:処理、
300:データ収集開始・停止ボタン、301:観察方式選択プルダウンメニュー、
302:走査方式選択プルダウンメニュー、303:解像度選択プルダウンメニュー、
304:照射レンズ1制御・表示バー、305:照射レンズ2制御・表示バー、307:PSD角度遠隔操作制御バー、308:結果画面表示切替ボタン、
309:応力表示方向選択プルダウンメニュー、
310:材料・面方位選択プルダウンメニュー、311:表示画像輝度調整バー、
312:コメント入力欄、313:結果表示部、314:結果表示部、
315:スポット測定カーソル、316:スポット測定位置・測定値表示、
317:スポット測定開始ボタン、318:結果表示部スケールバー、
319:スキャンエリア指定ポイント、
400:電子顕微鏡試料、401:メッシュ、402:タングステンデポ接着材、
403:試料薄片部、404:試料支持部、
500:画素検出器、501:オプティカルファイバ、502:シンチレータ、503:回折電子線、504:ガラス基板、505:光学レンズ、
506:位置検出器、507:蛍光、508:ファラデーカップ。
Claims (8)
- 試料を試料ステージに載置する工程と、電子線を結晶試料の所定の領域を走査させながら照射する工程と、照射された電子線を用い所定の領域の拡大像を取得する工程と、前記電子線を結晶試料の所定の領域に照射し試料から放射される回折像を一対の第1の検出器で検出する工程と、を具備することを特徴とする電子線を用いた観察方法。
- 試料を試料ステージに載置する工程と、電子線を収束する工程と、結晶試料の第1の領域に照射する工程と、照射された電子線を用い結晶試料から放射される第1の回折像を第2の検出器で検出する工程と、結晶試料と電子線の相対位置を変化させる工程と、電子線を結晶試料の第2の領域に照射する工程と、照射された電子線を用い結晶試料から放射される第2の回折像を前記第2の検出器で検出する工程と、拡大像を得るための電子線の試料への照射条件を変える工程と、前記第1と第2の領域を含む如く拡大像を取得する工程と、前記第1と第2の領域の回折像から結晶試料の特性を得る工程と、前記拡大像上に前記特性値を合成し表示する工程と、を具備することを特徴とする電子線を用いた観察方法。
- 前記第2の検出器は画素検出器であることを特徴とする請求項2記載の電子線を用いた観察方法。
- 試料を試料ステージに載置する工程と、電子線を結晶試料の所定の領域を走査させながら照射する工程と、照射された電子線を用い結晶試料から放射される第1の回折像を画素検出器で検出する工程と、結晶試料と電子線の相対位置を変化させる工程と、電子線を結晶試料の第2の領域に照射する工程と、照射された電子線を用い結晶試料から放射される第2の回折像を前記画素検出器で検出する工程と、前記第1と第2の領域を含む如く拡大像を第3の検出器で検出する工程と、前記第1と第2の領域の回折像から結晶試料の特性を得る工程と、を具備することを特徴とする電子線を用いた観察方法。
- 前記第3の検出器は明視野型検出器又は暗視野型検出器のいずれか一方又は両方であることを特徴とする請求項4記載の電子線を用いた観察方法。
- 試料を試料ステージに載置する工程と、電子線を収束する工程と、結晶試料の第1の領域に照射する工程と、照射された電子線を用い結晶試料から放射される第1の回折像を第1の検出器で検出する工程と結晶試料と電子線の相対位置を変化させる工程と、電子線を結晶試料の第2の領域に照射する工程と、照射された電子線を用い結晶試料から放射される第2の回折像を前記第1の検出器で検出する工程と、拡大像を得るための電子線の試料への照射条件を変える工程と、前記第1と第2の領域を含む如く拡大像を取得する工程と、前記第1と第2の領域の回折像から結晶試料の特性を得る工程と、前記拡大像上に前記特性値を合成し表示する工程と、を具備することを特徴とする電子線を用いた観察方法。
- 前記第1の検出器は位置検出器であることを特徴とする請求項1又は6のいずれか記載の電子線を用いた観察方法。
- 電子銃と、該電子銃から放射される電子線を加速する加速管と、該電子銃からの電子線の放射角度を制限するコンデンサしぼりと、該電子線を試料に照射するための照射レンズと、電子線を試料上で走査するための偏向コイルと、試料と相互作用した電子線の拡大像・回折像を形成する対物レンズと、該拡大像、該回折像をさらに拡大し、観察面に結像させる照射レンズと、一次電子線方向に対して対称位置の回折点を測定できる位置に配置される一対の電子線検出器と、を具備したことを特徴とする電子線を用いた観察装置。
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