JP2006184202A - 立体観察装置及び立体観察方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 微細な立体構造をその場観察的に観察できる立体観察装置を提供することを目的とする。
【解決手段】 透過型電子顕微鏡と、その顕微鏡を制御し、前記透過型電子顕微鏡により撮影した画像を処理する制御処理装置と、前記透過型電子顕微鏡により撮影した画像を表示する２次元画像表示装置と、前記制御処理装置から出力された画像データに基づいて立体的な画像を表示する３次元画像表示装置と、を備え、前記制御処理装置は、前記透過型電子顕微鏡にセットされたサンプルを基準の角度から第１の方向に第１の角度だけ傾斜させた状態で観察者に観察領域を決定させるステップと、前記観察者が前記観察領域を決定したら、その観察領域の第１の画像を取得し、さらに前記サンプルを前記基準の角度から前記第１の方向とは反対の第２の方向に前記第１の角度だけ傾斜させて第２の画像を取得するステップと、を実施可能としたことを特徴とする立体観察装置を提供する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、立体観察装置及び立体観察方法に関し、特に、透過型電子顕微鏡（transmission electron microscopy：ＴＥＭ）を用いることにより、半導体集積回路装置の配線などの立体的な構造をその場観察できる立体観察装置及び立体観察方法に関する。

デバイス開発や材料開発の過程において、微細な立体構造を把握することは重要な位置を占める。例えば、半導体集積回路の多層配線構造を形成する際に、微細なビアホール（via hole：接続穴）に金属材料を埋め込む必要がある。この時、ビアホールに金属材料が隙間無く充填されているか否かを立体観察により確認できると便利である。
立体構造を観察する方法としては、いわゆる「３次元トモグラフィー」が知られている。これは、サンプルを様々な方向から観察して多くの２次元画像を取得し、これら２次元画像をコンピュータを用いて合成することにより、コンピュータ上で立体構造を構築する手法である（例えば、特許文献１及び２）。
特開平８−２９２１６４号公報 特開平１０−１１１２２３号公報

しかし、３次元トモグラフィーによる場合、サンプルを様々な方向から観察して多数の２次元画像を取得しなければならず、撮影の手間が煩雑であるとともに時間がかかる。これら多数の画像をデータ処理して立体画像を構築するための処理時間まで含めると、ひとつの立体画像を得るまでに数時間から半日程度を要する場合が多い。また、これら多数の２次元画像をデータ処理するコンピュータも、データ処理能力の高い大型のものが必要であり、システムが大かがりで複雑なものとなる。

これに対して、デバイス開発や材料開発などの現場においては、微細な立体構造をできるだけ迅速に観察したいという要望がある。例えば、前述した半導体集積回路の多層配線構造の開発において、ウェーハからサンプルを作製し、そのサンプルの複数の観察点において立体観察を迅速に実施したいという要望がある。このためには、いわゆる「その場観察」が理想である。しかしながら、従来の３次元トモグラフィーは、このような要求に応えることができず、観察した部分の立体構造をコンピュータ上に構築するためには、多大の時間と手間とが必要であった。

本発明は、かかる課題の認識に基づいてなされたものであり、その目的は、微細な立体構造をその場観察的に観察できる立体観察装置及び立体観察方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の立体観察装置は
透過型電子顕微鏡と、
前記透過型電子顕微鏡を制御し、前記透過型電子顕微鏡により撮影した画像を処理する制御処理装置と、
前記透過型電子顕微鏡により撮影した画像を表示する２次元画像表示装置と、
前記制御処理装置から出力された画像データに基づいて立体的な画像を表示する３次元画像表示装置と、
を備え、
前記制御処理装置は、
前記透過型電子顕微鏡にセットされたサンプルを基準の角度から第１の方向に第１の角度だけ傾斜させた状態で観察者に観察領域を決定させるステップと、
前記観察者が前記観察領域を決定したら、その観察領域の第１の画像を取得し、さらに前記サンプルを前記基準の角度から前記第１の方向とは反対の第２の方向に前記第１の角度だけ傾斜させて第２の画像を取得するステップと、
を実施可能としたことを特徴とする。

ここで、前記制御処理装置は、前記第１の画像と前記第２の画像を前記２次元画像表示装置に表示させ、観察者にそれぞれの画像の基準位置を指定させるステップをさらに実施可能とすることができる。
また、前記制御処理装置は、前記第１の画像と前記第２の画像のそれぞれについて、前記観察者に複数の前記基準位置を指定可能とさせることができる。

また、前記制御処理装置は、前記第１の画像と前記第２の画像をそれぞれ縦方向に延在する複数の短冊状の領域に分割し、前記分割した短冊状の領域を交互に並べたデータを作成して前記３次元画像表示装置に出力することができる。

一方、本発明の立体観察方法は、
透過型電子顕微鏡にセットしたサンプルを基準の角度から第１の方向に第１の角度だけ傾斜させた状態で観察領域を決定する第１のステップと、
前記観察領域において前記サンプルの基準位置を決定する第２のステップと、
前記観察領域の第１の画像を取得し、さらに前記サンプルを前記基準の角度から前記第１の方向とは反対の第２の方向に前記第１の角度だけ傾斜させて第２の画像を取得する第３のステップと、
前記第１の画像と前記第２の画像のそれぞれにおいて前記基準位置を指定する第４のステップと、
前記指定された前記基準位置に基づいて前記第１の画像と前記第２の画像とを合成して立体的に表示させる第５のステップと、
を備えたことを特徴とする。

ここで、前記サンプルは、不均一な金属膜を有し、前記第２のステップにおいて、前記金属膜の一部を前記基準位置として決定することができる。
また、前記第２のステップにおいて、前記サンプルの前記基準位置に電子ビームを照射して不純物を堆積させることができる。
また、前記第３のステップにおいて、前記傾斜させるための回転軸を前記サンプルと一致させることができる。

また、前記第４のステップにおいて、前記第１の画像と前記第２の画像のそれぞれについて、複数の前記基準位置を指定することができる。
また、前記第５のステップは、前記第１の画像と前記第２の画像をそれぞれ縦方向に延在する複数の短冊状の領域に分割し、前記分割した短冊状の領域を交互に並べたデータを作成するステップを含むものとすることができる。

なお、本願明細書において「非晶質体」とは、いわゆる完全に無秩序な非晶質状態の物質を意味し、さらにその他に、例えば、微結晶あるいはマイクロクリスタルやナノクリスタルなどの微細な結晶粒や短範囲規則構造（short range order）などを含む物質も含むものとする。

なお、本願明細書において「結晶質体」とは、多結晶状態の物質と単結晶状態の物質の両方を包含するものとする。

本発明によれば、微細な立体構造をその場観察的に観察できる透過型電子顕微鏡及び透過型電子顕微鏡による立体観察方法を提供でき、産業上のメリットは多大である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。

図１は、本発明の実施の形態にかかる立体観察装置の全体構成を例示する模式図である。

すなわち、本実施形態の立体観察装置は、透過型電子顕微鏡（transmission electron microscopy：ＴＥＭ）１００と、制御処理装置２００と、通常の２次元画像を表示する２次元画像表示装置３００と、画像を立体的に表示可能な３次元画像表示装置４００と、を有する。なお、制御処理装置２００は、図示の如く、別体の要素として形成してもよいが、ＴＥＭ１００、２次元画像表示装置３００、３次元画像表示装置４００のいずれかに内蔵されていてもよい。また、２次元画像と３次元画像のいずれも表示できる画像表示装置を用いる場合には、２次元画像表示装置３００と３次元画像表示装置４００とを一体化することもできる。

図２及び図３は、本実施形態の立体観察装置において実施される立体観察の原理を表す模式図である。例えば、サンプルＳＰに欠陥ＤＦが含まれている時、これら欠陥ＤＦを２つの異なる視点（例えば、右目と左目）からステレオ観察して合成すると、その３次元的な形状や分布を把握することができる。

図４は、本発明の実施形態に基づきＴＥＭ１００によってステレオ観察する方法を例示した模式図である。
ＴＥＭ１００を用いる場合には、サンプルＳＰを傾斜させることにより、それぞれ異なる角度からのＴＥＭ像を得ることにより、ステレオ観察することができる。
すなわち、図４（ａ）に表したように、サンプルＳＰを基準角度から矢印Ａの方向にマイナスＲ度だけ傾斜させて電子波ＴＷにより第１のＴＥＭ像を得る。
そして、図４（ｂ）に表したように、サンプルＳＰを矢印Ａとは反対側の矢印Ｂの方向に基準位置からプラスＲ度だけ傾斜させて電子波ＴＷによりＴＥＭ像を得る。
次に、このようにしてステレオ観察したＴＥＭ像が得られたら、これらを適宜合成することにより、３次元的な情報を得ることができる。

図５は、一対のステレオ像を合成する原理を表す模式図である。図４に例示したような方法により一対のステレオＴＥＭ像ＩＭ−Ａ、ＩＭ−Ｂを得たら、これらを遮蔽体ＳＨにより遮断して、それぞれ右目、左目により別々に観察すると、３次元的な画像が合成される。このようにして、非晶質中に含まれる欠陥ＤＦの３次元的な形状や分布状態を把握することができる。

そして、本発明においては、このように遮蔽体ＳＨを用いる代わりに、図１に例示した如く、立体表示が可能な３次元画像表示装置４００を用いることができる。画像表示装置４００による立体画像の表示方式としては、種々の方法を挙げることができ、その具体例については、後に詳述する。

なお、このように一対のステレオＴＥＭ像を合成すると、バックグラウンドノイズを平均化して弱めることができるという効果も得られる。すなわち、ＴＥＭ１００による観察像には、位相コントラストやモアレ縞など各種のコントラストが表れる。これに対して、一対のステレオＴＥＭ像を合成すると、それぞれに表れているバックグラウンドのコントラストがキャンセルされて相対的に弱くなる。そして、これに対して、共通的に写っている立体部のコントラストは強調され、さらに明瞭に観察できるという効果が得られる。

そして、本実施形態によれば、ＴＥＭ１００内でサンプルを予め傾斜させた状態で観察領域の位置決めをし、しかる後に、制御処理装置２００の制御によって、自動的にステレオペアのＴＥＭ像を撮影することができる。撮影されたステレオペアのＴＥＭ像は、制御処理装置２００の制御によって、２次元画像表示装置３００に表示される。ここで観察者が基準位置（マーカ）を指定すると、制御処理装置２００において立体画像データが生成され、３次元画像表示装置４００において立体画像が直ちに表示される。すなわち、サンプルの中の指定した部分の立体画像を「その場観察」的に得ることができる。

以下、本実施形態の立体観察装置による立体観察のステップについて、具体例を参照しつつ説明する。
図６は、本実施形態の立体観察装置による立体観察の方法を例示するフローチャートである。
本実施形態においては、まず、ＴＥＭ１００にサンプルをセットする（ステップＳ１００）。すなわち、電子線が透過する厚みに加工したサンプルをその観察方向を考慮しつつＴＥＭ１００のサンプルホルダーにセットする。

図７は、本実施形態の立体観察装置により立体観察が可能なサンプルＳＰの作製工程の一例を表す模式図である。
すなわち、サンプルＳＰとしては、例えば、多層配線構造が形成された半導体集積回路装置を挙げることができる。この半導体集積回路装置は、例えば、直径が６インチ、８インチ、あるいは３００ミリのシリコンウェーハの上に形成される。このウェーハから、図７（ａ）に表したように、このシリコンウェーハから劈開により、一辺が数センチメータ程度の部分を切り出す。これは、収束イオンビーム加工観察装置（Focused Ion beam microscope：ＦＩＢ）の試料ステージに載せることができるサイズである。ここで、劈開により切り出すことによって、後にＴＥＭ１００の中で傾斜させる時の傾斜方向を適性に維持できる。例えば、（１００）シリコンウェーハを用いた場合、これら劈開面は、［１１０］面となる。そして、このようにして切り出された部分からＦＩＢにより劈開面と平行な薄片状のサンプルＳＰを形成する。サンプルＳＰの厚みｄは、およそ５０〜２００ナノメータ程度であり、へき開面に対して平行な薄片状に加工される。

図８（ａ）は、このようにして得られたサンプルＳＰをその加工面から眺めた模式図である。すなわち、図８（ａ）は、図７（ｂ）の矢印Ａの方向から眺めた模式図である。
本具体例においては、シリコン基板１０２の上に絶縁膜１０４が形成され、その中に配線１０６が形成されている。絶縁膜１０４としては、例えば、配線１０６の寄生容量を低減するために、空孔１０８を含有させた低誘電率材料（low-k）としてもよい。

ＦＩＢにより加工されたサンプルＳＰの幅Ｗは例えば１０マイクロメータ程度であり、高さＨは例えば７〜１０マイクロメータ程度である。また、ＦＩＢによる加工に先だって、試料の表面にカーボン（または有機材料）膜２０２と金属膜２０４を形成するとよい。これらの膜は、ＦＩＢ加工の際にチャージアップを防ぐとともに、「マーカ」としても利用できる。
図８（ｂ）は、試料の表面に形成されるこれら薄膜を表す拡大図である。
カーボン膜２０２は、例えば、５０〜２００ナノメータ程度の厚みに形成される。カーボン膜２０２の上に金属膜２０４を形成すると、金属ははじかれて均一の厚みにならず、アイランド状あるいは粒状に形成されたり凹凸状に形成される。このようにして形成された金属のアイランド（粒）あるいは凹凸は間隔が数ナノメータ〜数１０ナノメータ程度であり、後に説明するステレオペアの画像の位置決めのための「微マーカ」として用いることができる。

なお、金属膜２０４の材料としては、白金（Ｐｔ）、白金パラジウム（ＰｔＰｄ）、金（Ａｕ）、タングステン（Ｗ）、ルテニウム（Ｒｕ）をはじめとする各種の金属を用いることができる。

また、ＦＩＢ加工を実施する前に、ＦＩＢ装置の中で加工用のイオンビーム（Ｇａイオンなど）を走査しながら原料ガスを流して、厚みが０．５マイクロメータ程度のＦＩＢデポ膜２０６を形成するとよい。ＦＩＢデポ膜２０６は、原料ガスの種類に応じて、カーボン、タングステン（Ｗ）、有機材料などからなるものとすることができる。このＦＩＢデポ膜２０６は、「マーカ」となる白金膜２０４をＦＩＢ加工の際に保護する役割を有する。つまり、ＦＩＢ加工の際に、白金膜２０４がスパッタされることを防止できる。

また、ＦＩＢ加工により薄片状のサンプルＳＰを加工後、観察用の出力の弱いイオンビームを用いてＦＩＢデポ膜２０６の表面に切り込み２０８を形成するとよい。これら切り込み２０８は、ＴＥＭ観察やステレオペアの画像の位置決めの際の「粗マーカ」として利用することができる。このためには、切り込み２０８を、１〜数マイクロメータ程度の間隔で形成するとよい。
図９は、本発明者が試作したサンプルＳＰに形成したマーカを例示する写真である。

すなわち、同図（ａ）はＦＩＢデポ膜２０６の表面に形成した切り込み２０８を表す。このように、切り込みを数マイクロメータの間隔で形成することより、「粗マーカ」として利用できる。

一方、図９（ｂ）は、金属膜２０４の断面を表す。金属膜２０４は、均一な薄膜ではなく、粒状あるいは凹凸状に形成されている。このような金属膜２０４は、「微マーカ」として利用できる。

このようにして、劈開面に対して平行にスライスされマーカが形成された厚みが５０〜２００ナノメータ程度の薄片状のサンプルＳＰが形成される。このサンプルＳＰをＴＥＭ用の支持膜の上に載せる。

図１０は、ＴＥＭ用の支持膜を表す模式図である。
すなわち、同図（ａ）に表したように、支持膜２１０は、例えば直径が３ミリメータ程度の銅（Ｃｕ）やモリブデン（Ｍｏ）などからなる網目状のメッシュ２１２に、有機膜２１４を貼ったものである。メッシュ２１２としては、例えば、１００番乃至２００番程度の網目サイズのものを用いることができる。有機膜２１４としては、例えば、コロジオンやカーボンなどを用いることができる。

図１０（ｂ）は、メッシュ２１２の中央を拡大した模式図である。
サンプルＳＰは、この中央の開口の中心に載せることが望ましい。このようにすると、ＴＥＭ１００による観察の際にサンプルＳＰの傾斜角度を変化させてもサンプルＳＰが移動せず、観察領域がずれることを防ぐことができる。また、この際に、サンプルＳＰの各辺がメッシュ２１２の中央の開口の各辺に対して平行になるように載せると望ましい。このようにすると、メッシュ２１２をＴＥＭ１００のホルダーに固定するときに、サンプルＳＰの方向が分かりやすくなる。その結果として、傾斜方向が最も良好なコントラストの立体画像が得られる方向となるように、固定することができる。

図１１は、サンプルＳＰの傾斜方向と得られるＴＥＭ像との関係を説明するための模式図である。
図１１（ａ）は、シリコン基板１０２と絶縁膜１０４との界面に対して垂直方向に傾斜軸ＴＡを設定した場合を表す模式図である。また、図１１（ｂ）は、サンプルＳＰを例えば、傾斜軸ＴＡの回りにマイナス５度、プラス５度ずつ傾斜させた場合のサンプルＳＰの側面図である。これらの図面から分かるように、サンプルＳＰを傾斜させても、シリコン基板１０２と絶縁膜１０４との界面は傾斜せず、ＴＥＭ透過像において、界面の両側の部分が重なり合うことを防ぐことができる。

図１１（ｃ）は、シリコン基板１０２と絶縁膜１０４との界面に対して平行な方向に傾斜軸ＴＡを設定した場合を表す模式図である。また、図１１（ｄ）は、サンプルＳＰを例えば、傾斜軸ＴＡの回りにマイナス５度、プラス５度ずつ傾斜させた場合のサンプルＳＰの側面図である。これらの図面から分かるように、サンプルＳＰを傾斜させると、シリコン基板１０２と絶縁膜１０４との界面は傾斜し、ＴＥＭ透過像において、界面の両側の部分が重なり合う。

一般に、シリコン基板１０２などの結晶性の部分は、傾斜させることによりＴＥＭ像でのコントラストが変化するので、なるべく他の領域と重ならないことが望ましい。この観点からは、図１１（ａ）に表したように傾斜軸ＴＡを設定することが望ましい。また、結晶性の部分でなくても、立体画像において明瞭に表示させたい界面がある場合には、サンプルの傾斜軸ＴＡをこの界面に対して垂直な方向にするとよい。

なお、シリコン基板の上に形成したサンプルを観察する場合には、劈開面である［１１０］面に対してプラスマイナス５度程度傾斜させてステレオ観察するので、シリコン結晶の回折条件から外れ、結晶コントラストを低減できる。

図１２は、ＴＥＭ１００で観察する際の、サンプルＳＰの最適高さを説明するための模式図である。
すなわち、同図（ａ）に表したように、サンプルホルダーの回転軸（傾斜軸）ＴＡとサンプルＳＰとが一致している時には、ホルダーを回転させてサンプルＳＰを傾斜させても、サンプルは移動せず、ＴＥＭ像は視野の中で動かない。つまり、この状態は、サンプルＳＰが「最適高さ」にある状態といえる。

これに対して、図１２（ｂ）に表したように、サンプルホルダーの回転軸ＴＡとサンプルＳＰとが一致していないと、ホルダーを回転させてサンプルＳＰを傾斜させた時に、サンプルが移動し、ＴＥＭ像は視野の中で動いてしまう。つまり、この状態は、サンプルＳＰが「最適高さ」にある状態といえない。

以上説明したように、サンプルＳＰを最適高さに配置すれば、ＴＥＭ１００の中で傾斜させても像が動くことがなく、迅速にステレオペアの撮影を実施できる。

ここで、再び図６に戻って説明を続けると、以上説明したようにサンプルＳＰを作製し、ＴＥＭ１００に所定の方向、高さを維持できるようにセットした後、ＴＥＭ１００で観察しながら、立体画像を撮影すべき観察領域を決定する（ステップＳ２００）。この際に、制御処理装置２００の制御によって、ＴＥＭ１００の中でサンプルＳＰを予め所定の角度だけ傾斜させた状態で観察する。
図１３は、サンプルＳＰをプラスマイナス５度傾斜させてステレオペアを撮影する手順を比較する模式図である。
すなわち、同図（ａ）は、まずサンプルＳＰの主面を水平に維持した状態（傾斜０度）で観察を開始し、観察領域を決定した後に、マイナス５度傾斜させて第１のＴＥＭ像を撮影し、しかる後に、プラス５度まで反転させて第２のＴＥＭ像を撮影する手順を表す。このようにした場合、ＴＥＭ像のステレオペアを取得するために、２ステップのサンプル傾斜が必要である。このため、時間がかかるとともに、サンプルの傾斜に伴う像のドリフトも生じやすくなる。

これに対して、図１３（ｂ）に表したように、最初からマイナス５度傾斜させておき、この状態で観察領域を決定したら、すぐに第１のＴＥＭ像を撮影し、しかる後にプラス５度まで反転させて第２のＴＥＭ像を撮影すれば、サンプル傾斜は１ステップとなり、迅速にＴＥＭ像のステレオペアを取得でき、サンプルの傾斜にともなうドリフトも抑制できる。

再び図６に戻って説明を続けると、サンプルＳＰをＴＥＭ１００にセットし、所定の傾斜角度だけ傾斜させた状態で観察して、立体観察すべき観察領域を決定したら、まず、必要に応じてマーカを形成（あるいは決定）する（ステップＳ３００）。
すなわち、ステレオペアのＴＥＭ像は、後に立体画像を形成するために合成される。この際に、２つのＴＥＭ像の位置を合わせる必要がある。撮影する対象物が明瞭且つ特徴的なコントラストを有する場合には、この部分を目印にして、２つのＴＥＭ像を合成できる。図８及び図９に関して前述した「粗マーカ」及び「微マーカ」は、このための目印となりうるものである。つまり、これらマーカを目印にできる場合には、その目印となるべきマーカを決定する。

一方、目印にできる明瞭なマーカが観察されない場合もある。このような場合は、新たにマーカを形成することが望ましい。このためには、ＴＥＭ１００内で電子ビームを照射することによりマーカを形成する方法がある。

図１４は、電子ビームによるマーカの作成を説明するための模式図である。すなわち、同図（ａ）はサンプルＳＰの正面図、同図（ｂ）は側面図をそれぞれ表す。

サンプルＳＰの観察領域を決定し、その中に目印となるマーカやコントラストがない場合には、図１４（ａ）に表したように、その観察領域の例えば右上の隅に電子ビームを絞って照射させることにより、そのビーム程度のサイズのマーカ２２０を付着させることができる。このマーカ２２０は、カーボンを主成分とした不純物からなり、サンプルＳＰの表面側と裏面側にそれぞれ形成される場合が多い。電子ビームのサイズを数ナノメータ程度に絞ることにより、直径数ナノメータ程度のサイズのマーカ２２０を堆積させることができ、これをマーカとして利用できる。

図１５は、本発明者が試作した電子ビームによるマーカ２２０を例示する写真である。 すなわち、サンプル上で電子ビームを数ナノメータ程度に絞ったところ、直径およそ１０ナノメータ程度のカーボンを主成分としたマーカ２２０が堆積した。このようなマーカ２２０により基準位置を決定できる。

再び図６に戻って説明を続けると、しかる後に、ステレオペアの撮影を実行する（ステップＳ４００）。この時、本実施形態においては、図１３に関して前述したように、最初からマイナス５度傾斜させておき、この状態で観察領域を決定したら、すぐに第１のＴＥＭ像を撮影し、しかる後にプラス５度まで反転させて第２のＴＥＭ像を撮影することにより、迅速にＴＥＭ像のステレオペアを取得でき、サンプルの傾斜にともなうドリフトも抑制できる。

また、本実施形態においては、制御処理装置２００の制御によって、ＴＥＭ１００が自動制御され、ステレオペアを自動的に撮影できるようにしてもよい。すなわち、観察者が観察領域を決定し（ステップＳ２００）、マーカを形成（決定）したら（ステップＳ３００）、自動撮影を開始する。すると、制御処理装置２００の制御によって、ＴＥＭ１００は、その状態で直ちに第１のＴＥＭ像を撮影し、しかる後にプラス５度まで自動的に反転させて第２のＴＥＭ像を自動的に撮影することにより、迅速にＴＥＭ像のステレオペアを取得できる。

なお、ＴＥＭ像の撮影は、ＣＣＤなどの撮像デバイスにより画像をデジタルデータとして取り込むと、後のデータ処理を迅速に実行できる点で有利である。

このようにして迅速にステレオペアの撮影を終了したら、次に、撮影したステレオペアのＴＥＭ像を２次元画像表示装置３００に表示する（ステップＳ５００）。
この状態において、観察者は、マーカを指定する（ステップＳ６００）。

図１６は、２次元画像表示装置３００にステレオペアのＴＥＭ像が表示された状態を例示する模式図である。
これらステレオペアのＴＥＭ像を合成して立体表示するためには、２つのＴＥＭ像の位置を合わせる必要がある。このために、図８あるいは図１４に関して前述したマーカを利用するとよい。すなわち、観察者は、図１６に例示したように、２次元画像表示装置３００に表示された２つのＴＥＭ像のそれぞれにおいて、対応するマーカＭを指定する。

２つのＴＥＭ像の相対的な並進関係のみを指定するだけであれば、図１６に例示した如く、それぞれのＴＥＭ像において、対応するひとつのマーカＭを指定すればよい。

これに対して、ＴＥＭ１００内でのドリフトや、サンプルの傾斜角度の非対称性などの問題により、２つのＴＥＭ像が互いに回転していたり、サイズが異なる場合もあり得る。

このような場合には、図１７に例示した如く、それぞれのＴＥＭ像において、対応する２つのマーカＭ１、Ｍ２を指定するとよい。この時、合成時の誤差を抑制するためには、例えば、左上隅と右下隅の如く、観察領域の対角方向の両端にあるマーカを指定するとよい。このようにそれぞれのＴＥＭ像において、２つのマーカを指定することにより、２つのＴＥＭ像のサイズが異なる場合や互いに回転している場合にも、これらを補正して合成画像を形成することができる。

このようにして観察者が２次元画像表示装置３００においてマーカを指定すると、制御処理装置２００は、その情報に基づいて、２つのＴＥＭ像の回転角度やサイズなどを適宜補正する。そして、３次元画像表示装置の画像表示方式に合わせたデータ形式で、画像データを３次元画像表示装置４００に出力する。３次元画像表示装置４００はこのデータに基づき、立体画像を表示する（ステップＳ７００）。

３次元画像表示装置４００の立体画像の表示方式としては、さまざまな形式のものを採用できる。すなわち、ホログラムを利用したものや、観察者が特殊なメガネをかけて観察するものなどでもよい。

以下、本発明において用いることができる３次元画像表示装置４００の一例として、三洋電機株式会社により提供されるイメージスプリッタ方式の表示装置を用いた場合について説明する。
図１８は、イメージスプリッタ方式の３次元画像表示装置の要部構成を例示する模式組立図である。すなわち、この３次元画像表示装置４００は、横方向に分割された液晶表示パネル４０２と、その前面に設けられた可動イメージスプリッタ４０４と、を有する。同図に表した具体例の場合、これら要素はそれぞれ横方向に１６分割されている。
図１９は、この３次元画像表示装置の画像表示原理を説明するための模式図である。
すなわち、この画像表示装置４００は、観察者の右目と左目に、イメージスプリッタ４０４により、右目用の画像と左目用の画像をそれぞれ供給することができる。観察者は、これら画像を脳内で合成し、立体画像を体験できる。

図２０及び図２１は、本具体例の３次元画像表示装置に用いる画像データの作成プロセスを説明するための模式図である。
すなわち、まず、図２０に表したように、ステレオペアのＴＥＭ像の横方向を半分に圧縮する。この時、図１６及び図１７に関して前述したように、マーカを指定することで、２つのＴＥＭ像の対応関係を特定し、対応する部分のみを適宜トリミングすることができる。

しかる後に、図２１に表したように、それぞれの画像を縦方向の短冊状に分割する。そしてさらに、これら分割した画像を交互に配置する。つまり、左画像の短冊と右画像の短冊とを交互に並べる。

この合成画像を３次元画像表示装置４００に出力し、イメージスプリッタ方式により表示すると、観察者は、立体画像を観察することができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、観察者は、サンプルをＴＥＭにセットし、傾斜させた状態で観察領域を指定したら、自動的にステレオペアのＴＥＭ像が取得される。しかる後に、２次元画像表示装置３００に表示された画像上でマーカ（あるいは目印となる部分）を指定すると、自動的に画像処理が開始され、３次元画像表示装置に立体画像が表示される。

本発明者の検討によれば、サンプルの傾斜角度をプラスマイナス５度とする場合、ステレオペアの自動撮影に要する時間は、数秒乃至１０秒程度であり、マーカを指定した後に立体画像が表示されるまでの時間も、数秒乃至数１０秒程度であった。

つまり、サンプルの観察領域を決定してから数１０秒間程度で立体画像が得られた。これは、立体画像の取得に数時間から半日程度も要する３次元トモグラフィーと比べると、観察時間の飛躍的な短縮であり、「その場観察」に近い高速観察を可能とするものである。

また、本発明の立体観察方法は、３次元トモグラフィーの予備観察として活用することもできる。すなわち、本発明の立体観察方法により「その場観察」に近い観察を実施し、詳細に観察すべき領域を見出したら、３次元トモグラフィーを実行することにより、その領域の詳細な立体構造を得ることもできる。

図２２は、本発明の立体観察装置により観察できる半導体集積回路装置の断面構造を例示する模式図である。すなわち、この半導体装置は、ロジック系デバイスであり、多層配線構造を有する。

この半導体装置の場合、シリコン基板１１の表面にＮウエル１２とＰウエル１３がそれぞれ形成され、その表層にＭＯＳトランジスタがそれぞれ形成されている。トランジスタの上は、第１層間絶縁膜２０により覆われている。また、トランジスタのソース・ドレイン及びゲート１４には、それぞれ電極コンタクトとしてシリサイド１５が設けられ、第１層間絶縁膜２０に開口されたコンタクトホールを介してタングステン（Ｗ）の埋め込みプラグを介して、その上に設けられた第１金属配線層２２に接続されている。

そして、第１金属配線層２２の上には、多層の積層配線構造が形成されている。すなわち、第１金属配線層２２の上には、第２層間絶縁膜２４が設けられ、その上に、第２金属配線層２６、第３層間絶縁膜２８、第３金属配線層３０、第４層間絶縁膜３２、第４金属配線層３４、第５層間絶縁膜３６、及び第５金属配線層３８が、この順に積層され、その上に、パッシベーション膜４０が設けられている。

これら層間絶縁膜にはビア・ホールが適宜開口され、金属埋め込みプラグによって各配線間が垂直に接続されている。

この多層配線構造を有する半導体装置においては、配線のＣＲ遅延を抑制するため、金属配線の材料として、これまで広く用いられてきたアルミニウム（Ａｌ）に代わって、より抵抗が低く、また信頼性が高い銅（Ｃｕ）が用いられている。
また一方、配線間の寄生容量を低減するためには、層間絶縁膜を構成するＳｉＯｘの誘電率を下げる（low-κ）必要があり、空孔が導入されて多孔質化されている。

層間絶縁膜の部分については、第１ハローリング以上の高次の回折波を対物絞りにより除去し、さらに、シェルツァーフォーカスよりもアンダー側にずらしたフォーカス条件において、立体観察できる。その結果、アモルファスＳｉＯｘの微細構造に由来する位相コントラストが押さえられ、空孔の輪郭と空孔による密度差が強調されて、空孔の３次元的な形状と分布状態を迅速且つ明瞭に観察することができる。

また、金属配線層の部分とビア・ホールの金属埋め込みプラグの部分も観察できる。
すなわち、対物絞りを開いて高次の回折波まで含めて結像し、シェルツァーフォーカス条件あるいはその近傍のフォーカス条件において、立体観察できる。その結果、金属配線層の部分およびビア・ホールに埋め込まれた金属の埋め込み部の形状を３次元的に観察することができ、それぞれの立体的な形状を迅速且つ的確に把握できる。またさらに、埋め込み部分の多結晶体の銅（Ｃｕ）のほぼ中心部に、ボイドや欠陥密度の高い領域などがある場合にも、迅速且つ的確に観察できる。

以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。
例えば、本発明の観察方法の対象となるデバイスまたは材料は、上述した具体例には限定されず、その他各種のデバイスや材料について、同様に観察を実施することができる。

本発明の観察方法の対象となるデバイスとしては、上記実施例として説明した多層配線構造に限定されず、その他にも例えば、微細なトランジスタやダイオードあるいは分離トレンチやキャパシタなどの各種のものを挙げることができる。さらに具体的には、例えば、結晶体である半導体層の上に非晶質体であるゲート絶縁膜が形成され、その上に結晶体である多結晶シリコンからなるゲート電極が設けられたゲート絶縁型の微細なトランジスタを３次元的に観察することができる。

その他、本発明の実施の形態として上述した透過型電子顕微鏡を用いた立体観察装置及び立体観察方法を基にして、当業者が適宜設計変更して実施しうるすべての立体観察装置及び立体観察方法も同様に本発明の範囲に属する。

本発明の実施の形態にかかる立体観察装置の全体構成を例示する模式図である。 本実施形態の立体観察装置において実施される立体観察の原理を表す模式図である。 本実施形態の立体観察装置において実施される立体観察の原理を表す模式図である。 本発明の実施形態に基づきＴＥＭ１００によってステレオ観察する方法を例示した模式図である。 一対のステレオ像を合成する原理を表す模式図である。 本発明の実施形態の立体観察装置による立体観察の方法を例示するフローチャートである。 本発明の実施形態の立体観察装置により立体観察が可能なサンプルＳＰの作製工程一例を表す模式図である。 サンプルＳＰをその加工面から眺めた模式図である。 本発明者が試作したサンプルＳＰに形成したマーカを例示する写真である。 ＴＥＭ用の支持膜を表す模式図である。 サンプルＳＰの傾斜方向と得られるＴＥＭ像との関係を説明するための模式図である。 ＴＥＭ１００で観察する際の、サンプルＳＰの最適高さを説明するための模式図である。 サンプルＳＰをプラスマイナス５度傾斜させてステレオペアを撮影する手順を比較する模式図である。 電子ビームによるマーカの作成を説明するための模式図である。 本発明者が試作した電子ビームによるマーカ２２０を例示する写真である。 ２次元画像表示装置３００にステレオペアのＴＥＭ像が表示された状態を例示する模式図である。 それぞれのＴＥＭ像において、対応する２つのマーカＭ１、Ｍ２を指定する様子を例示した模式図である。 イメージスプリッタ方式の３次元画像表示装置の要部構成を例示する模式図である。 ３次元画像表示装置の画像表示原理を説明するための模式図である。 具体例の３次元画像表示装置に用いる画像データの作成プロセスを説明するための模式図である。 具体例の３次元画像表示装置に用いる画像データの作成プロセスを説明するための模式図である。 本発明の立体観察装置により観察できる半導体集積回路装置の断面構造を例示する模式図である。

符号の説明

１１ シリコン基板
１２ Ｎウエル
１３ Ｐウエル
１４ ゲート
１５ シリサイド
２０ 第１層間絶縁膜
２２ 第１金属配線層
２４ 第２層間絶縁膜
２６ 第２金属配線層
２８ 第３層間絶縁膜
３０ 第３金属配線層
３２ 第４層間絶縁膜
３４ 第４金属配線層
３６ 第５層間絶縁膜
３８ 第５金属配線層

Claims (10)

1. 透過型電子顕微鏡と、
   前記透過型電子顕微鏡を制御し、前記透過型電子顕微鏡により撮影した画像を処理する制御処理装置と、
   前記透過型電子顕微鏡により撮影した画像を表示する２次元画像表示装置と、
   前記制御処理装置から出力された画像データに基づいて立体的な画像を表示する３次元画像表示装置と、
   を備え、
   前記制御処理装置は、
   前記透過型電子顕微鏡にセットされたサンプルを基準の角度から第１の方向に第１の角度だけ傾斜させた状態で観察者に観察領域を決定させるステップと、
   前記観察者が前記観察領域を決定したら、その観察領域の第１の画像を取得し、さらに前記サンプルを前記基準の角度から前記第１の方向とは反対の第２の方向に前記第１の角度だけ傾斜させて第２の画像を取得するステップと、
   を実施可能としたことを特徴とする立体観察装置。
2. 前記制御処理装置は、前記第１の画像と前記第２の画像を前記２次元画像表示装置に表示させ、観察者にそれぞれの画像の基準位置を指定させるステップをさらに実施可能としたことを特徴とする請求項１記載の立体観察装置。
3. 前記制御処理装置は、前記第１の画像と前記第２の画像のそれぞれについて、前記観察者に複数の前記基準位置を指定可能とさせたことを特徴とする請求項２記載の立体観察装置。
4. 前記制御処理装置は、前記第１の画像と前記第２の画像をそれぞれ縦方向に延在する複数の短冊状の領域に分割し、前記分割した短冊状の領域を交互に並べたデータを作成して前記３次元画像表示装置に出力することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の立体観察装置。
5. 透過型電子顕微鏡にセットしたサンプルを基準の角度から第１の方向に第１の角度だけ傾斜させた状態で観察領域を決定する第１のステップと、
   前記観察領域において前記サンプルの基準位置を決定する第２のステップと、
   前記観察領域の第１の画像を取得し、さらに前記サンプルを前記基準の角度から前記第１の方向とは反対の第２の方向に前記第１の角度だけ傾斜させて第２の画像を取得する第３のステップと、
   前記第１の画像と前記第２の画像のそれぞれにおいて前記基準位置を指定する第４のステップと、
   前記指定された前記基準位置に基づいて前記第１の画像と前記第２の画像とを合成して立体的に表示させる第５のステップと、
   を備えたことを特徴とする立体観察方法。
6. 前記サンプルは、不均一な金属膜を有し、
   前記第２のステップにおいて、前記金属膜の一部を前記基準位置として決定することを特徴とする請求項５記載の立体観察方法。
7. 前記第２のステップにおいて、前記サンプルの前記基準位置に電子ビームを照射して不純物を堆積させることを特徴とする請求項５記載の立体観察方法。
8. 前記第３のステップにおいて、前記傾斜させるための回転軸を前記サンプルと一致させることを特徴とする請求項５〜７のいずれか１つに記載の立体観察方法。
9. 前記第４のステップにおいて、前記第１の画像と前記第２の画像のそれぞれについて、複数の前記基準位置を指定することを特徴とする請求項５〜８のいずれか１つに記載の立体観察方法。
10. 前記第５のステップは、前記第１の画像と前記第２の画像をそれぞれ縦方向に延在する複数の短冊状の領域に分割し、前記分割した短冊状の領域を交互に並べたデータを作成するステップを含むことを特徴とする請求項５〜９のいずれか１つに記載の立体観察装置。