JP2013170941A

JP2013170941A - 試料作製方法及び装置

Info

Publication number: JP2013170941A
Application number: JP2012035391A
Authority: JP
Inventors: Hidekazu Suzuki; 秀和鈴木
Original assignee: Hitachi High Tech Science Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Science Corp
Priority date: 2012-02-21
Filing date: 2012-02-21
Publication date: 2013-09-02
Anticipated expiration: 2032-02-21
Also published as: US8916839B2; CN103257067A; JP5872922B2; US20130214458A1; CN103257067B; DE102013101665A1

Abstract

【課題】デバイスパターンの配列方向に沿った断面を形成し、微細な内部構造や欠陥を解析するための試料を作製する試料作製方法を提供する。
【解決手段】試料７の断面７ｂのＳＥＭ像を表示画面に表示しつつ、断面を集束イオンビームの走査照射でエッチング加工し、断面７ｂを露出させる工程と、新たな断面のＳＥＭ像を表示画面に表示しつつ、集束イオンビームを走査照射しながら、集束イオンビームの走査方向３１ａを変更させ、断面７ｂをエッチング加工し、断面７ｆを露出させる工程と、からなる試料作製方法を提供する。
【選択図】図３

Description

本発明は、集束イオンビームによるエッチング加工で試料を作製する試料作製方法及び装置に関するものである。

半導体デバイスなどの内部構造や欠陥の解析手法として、集束イオンビームにより試料の断面加工を行い、所望の構造や欠陥を含む断面を露出させ、その断面を走査電子顕微鏡で観察する断面加工観察方法が知られている。この手法によれば、試料内部にある所望の観察対象をピンポイントで露出させることができるので、迅速に構造や欠陥を観察することができる。

所望の観察対象を露出させる方法として、断面加工と断面観察とを繰り返し実施し、断面観察像に観察対象が出現したタイミングで断面加工を終了させる方法が開示されている（特許文献１参照）。この方法によれば、所望の観察対象を含む断面を正確に露出させることができる。

また、別の解析手法として、集束イオンビームで試料から所望の観察対象を含む試料片を作製し、当該試料片を透過電子顕微鏡で観察する手法も知られている。この手法によれば、透過電子顕微鏡により観察対象を高分解能で観察することができる。

特開２００９−２０４４８０号公報

集束イオンビームで半導体デバイスの断面を露出させる場合や試料片を作製する場合において、半導体ウエハ中のデバイスパターンの配列方向に沿った断面を加工することが重要となる。

断面加工観察方法では、デバイスパターンを含む断面の観察像から構造や欠陥を観察するため、デバイスパターンの配列方向に沿った断面を露出させなければならない。また、試料片の作製では、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）による観察で試料片内部の構造を解析するため、試料片内部に所望の構造を有し、かつ、デバイスパターンの配列方向に沿った試料片を作製しなければならない。

しかしながら、近年の半導体デバイスの高密度化や寸法の縮小によりデバイスパターンが微細になったため、従来の手法では観察によりデバイスパターンの配列方向を確認し、デバイスパターンの配列方向に沿った断面を形成することは困難であった。

この発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、微細なデバイスパターンの配列方向に沿った試料を作製する試料作製方法及び装置を提供することである。

上記の目的を達成するために、この発明は以下の手段を提供している。
（１）本発明に係る試料作製方法は、走査電子顕微鏡観察中の試料の断面の観察像を表示画面に表示しつつ、断面を集束イオンビームの走査照射でエッチング加工し、新たな断面を露出させる工程と、走査電子顕微鏡観察中の新たな断面の観察像を表示画面に表示しつつ、集束イオンビームを走査照射しながら、集束イオンビームの走査方向を変更させ、新たな断面をエッチング加工し、所望の断面を露出させる工程と、を有する。
これにより、試料内部のデバイスパターンの配列方向に沿った断面を露出させることができる。集束イオンビームの走査方向の調整を走査電子顕微鏡でリアルタイムに観察しながら実施することができるので、デバイス同士の間隔が数十ｎｍオーダーで配列するデバイスパターンであっても、断面の形成方向とデバイスパターンの配列方向を正確に揃えることができる。

（２）本発明に係る試料作製装置は、試料を載置する試料台と、試料の断面を露出させるために集束イオンビームを走査照射する集束イオンビーム鏡筒と、断面に電子ビームを走査照射する電子ビーム鏡筒と、電子ビームの照射により断面から放出される荷電粒子を検出する荷電粒子検出器と、荷電粒子検出器の検出信号から形成される断面の観察像を表示する表示部と、集束イオンビームの走査方向の回転角度を入力する入力部と、入力部で入力した回転角度に基づき断面の加工及び観察中に集束イオンビームの走査方向を変更させる走査方向制御部と、を有する。
これにより、表示部に表示される加工中の断面の観察像を見ながら、集束イオンビームの走査方向を調整することができる。

本発明に係る試料作製装置及び方法によれば、微細なデバイスパターンを有する試料であっても、デバイスパターンの配列方向に沿った断面を形成することができ、微細な内部構造や欠陥を解析するための試料を作製することができる。

本発明に係る実施形態の試料作製装置の構成図である。（ａ）本発明に係る実施形態の試料表面の説明図である。（ｂ）試料断面の説明図である。本発明に係る実施形態の加工方法の説明図である。本発明に係る実施形態の表示画面の構成図である。本発明に係る実施形態のＴＥＭ観察用試料作製の説明図である。本発明に係る実施形態のＴＥＭ観察用試料の説明図である。

以下、本発明に係る試料作製装置及び方法の実施形態について説明する。
本実施形態の試料作製装置は、図１に示すように、ＥＢ鏡筒１と、ＦＩＢ鏡筒２と、試料室３を備えている。試料室３内に収容された試料７にＥＢ鏡筒１から電子ビーム８を、ＦＩＢ鏡筒２からイオンビーム９を照射する。

さらに、試料作製装置は荷電粒子検出器として二次電子検出器４と反射電子検出器５を備えている。二次電子検出器４は、電子ビーム８又はイオンビーム９の照射により試料７から発生した二次電子を検出することができる。反射電子検出器５はＥＢ鏡筒１内部に備えられている。反射電子検出器５は、電子ビーム８を試料７に照射した結果、試料７により反射された反射電子を検出することができる。

さらに、試料作製装置は試料７を載置する試料台６を備える。試料台６を傾斜させることにより試料７へのイオンビーム９の入射角度を変更することができる。試料台６の傾斜は試料台制御部１６により制御される。

試料作製装置は、さらに、ＥＢ制御部１２と、ＦＩＢ制御部１３と、像形成部１４と、表示部１７を備える。ＥＢ制御部１２はＥＢ鏡筒１に照射信号を送信し、ＥＢ鏡筒１から電子ビーム８を照射させる。ＦＩＢ制御部１３はＦＩＢ鏡筒２に照射信号を送信し、ＦＩＢ鏡筒２からイオンビーム９を照射させる。像形成部１４は、ＥＢ制御部１２の電子ビーム８を走査させる信号と、反射電子検出器５で検出した反射電子の信号とから反射電子像を形成する。表示部１７は反射電子像を表示することができる。また、像形成部１４は、ＥＢ制御部１２の電子ビーム８を走査させる信号と、二次電子検出器４で検出した二次電子の信号とからＳＥＭ像のデータを形成する。表示部１７はＳＥＭ像を表示することができる。また、像形成部１４は、ＦＩＢ制御部１３のイオンビーム９を走査させる信号と、二次電子検出器４で検出した二次電子の信号とからＳＩＭ像のデータを形成する。表示部１７はＳＩＭ像を表示することができる。

試料作製装置は、さらに、入力部１０と、制御部１１を備える。オペレータは装置制御に関する条件、例えばビーム照射条件、を入力部１０に入力する。入力部１０は、入力された情報を制御部１１に送信する。制御部１１は、ＥＢ制御部１２、ＦＩＢ制御部１３、像形成部１４、試料台制御部１６または表示部１７に制御信号を送信し、試料作製装置の動作を制御する。

装置の制御について、例えば、オペレータは表示部１７に表示された反射電子像、ＳＥＭ像やＳＩＭ像などの観察像に基づいて、イオンビーム９の照射領域を設定する。オペレータは表示部１７に表示された観察像上に照射領域を設定する加工枠を入力部１０により入力する。ここで、加工枠とは、イオンビーム９を照射する領域と照射しない領域との境界を示す枠である。さらに、オペレータは加工開始の指示を入力部１０に入力すると、制御部１１からＦＩＢ制御部１３に照射領域と加工開始の信号が送信され、ＦＩＢ制御部１３からイオンビーム９が試料７の指定された照射領域に照射される。これによりオペレータが入力した照射領域にイオンビーム９を照射することができる。

走査方向制御部１５は、入力部１０に入力されたイオンビーム９の走査方向に基づいてイオンビーム９の走査方向を変更する信号を発生し、ＦＩＢ制御部１３に送信する。ＦＩＢ制御部１３はＦＩＢ鏡筒２に制御信号を送信し、ＦＩＢ鏡筒２から照射するイオンビーム９の走査方向を変更させる。なお、走査方向制御部１５はＥＢ鏡筒１とＦＩＢ鏡筒２から電子ビーム８とイオンビーム９をそれぞれ走査照射している状態であっても、イオンビーム９の走査方向を変更させることができる。

＜実施例１＞
デバイスパターンを有する試料の内部にある構造を解析する断面加工観察に関する本実施形態の試料作製方法について図２から図４を用いて説明する。
図２（ａ）は試料７を表面７ａ側から見た図である。まず、試料７の表面７ａ側からイオンビーム９を走査照射し、表面７ａの一部に加工溝２１を形成する。図２（ｂ）は図２（ａ）の断面ｂ−ｂの図である。加工溝２１の作製により露出した断面７ｂを観察するため、電子ビーム８ａを断面７ｂに走査照射する。これにより表示部１７に断面７ｂのＳＥＭ像が表示される。

試料７内部にある欠陥を露出させるために、イオンビーム９による断面加工を実施する。この際に欠陥を確認するために断面加工中の断面を走査電子顕微鏡で連続して観察する。つまり、イオンビーム９ａ、９ｂ、９ｃにより断面７ｃ、７ｄ、７ｅをそれぞれ露出させていく加工中に電子ビーム８ｂ、８ｃ、８ｄを照射し、断面７ｃ、７ｄ、７ｅのそれぞれのＳＥＭ像をリアルタイムで表示する。また、断面を露出させる途中の過程のＳＥＭ像もリアルタイムで表示する。

ここで、断面７ｂとイオンビーム９ａにより形成された断面７ｃとの間隔ｔ１は、断面７ｃとイオンビーム９ｂにより形成された断面７ｄとの間隔および断面７ｄとイオンビーム９ｃにより形成された断面７ｅとの間隔と同じ大きさである。本実施例において間隔ｔ１を１ｎｍとし、イオンビーム９を走査方向に一回走査した後、イオンビーム９の走査方向に対し垂直方向である副走査方向にイオンビーム９を１ｎｍ移動させ、再び走査方向に一回走査する。このようにイオンビーム９の走査方向の走査と、副走査方向の移動とを繰り返し実行する。

上記のように加工中の断面をリアルタイムに観察することで、観察対象である欠陥がＳＥＭ像に出現した際に断面加工を終了し、欠陥を含む断面を観察し欠陥を解析することができる。
ただし、デバイスパターンを有する試料において、その構造を解析する場合には、デバイスパターンの配列方向に沿った断面を露出させなければならない。デバイスパターン本来の形状を現した断面の観察像でなければ、デバイスの構造を解析することができないからである。

図３（ｂ）は試料７の表面から見た図である。デバイスパターン３２の配列方向３３が断面７ｂを露出させるために照射するイオンビーム９の走査方向３１ａに対し平行になっていない場合、図３（ａ）の断面７ｂのＳＥＭ像に示すように、デバイス構造３２ａ、３２ｂ、３２ｃは異なる幅を有する構造として断面７ｂに露出される。この断面７ｂのＳＥＭ像からデバイス構造を解析すると、デバイス構造３２ａ、３２ｂ、３２ｃは異なる幅を有するデバイス構造であると誤った判断をしてしまうことになる。

そこで、イオンビーム９の走査方向３１ａをデバイスパターン３２の配列方向３３に対し平行になるように走査方向を試料７の表面７ａの面内において回転させる。図３（ｄ）に示すようにイオンビーム９の走査方向３１ｂをデバイスパターン３２の配列方向３３に対し平行になるように回転させ、イオンビーム９で加工し断面７ｆを露出させる。図３（ｃ）は断面７ｆのＳＥＭ像である。このＳＥＭ像ではデバイスパターン３２の本来のデバイス構造が反映され、同じ幅を有するデバイス構造３２ａ、３２ｂ、３２ｃが表示されている。これにより断面のＳＥＭ像から正確な構造解析を行うことができる。

ここで、イオンビーム９の走査方向の変更方法について説明する。
図４は表示部１７の表示画面の構成図である。本実施形態の試料作製装置は電子ビーム８とイオンビーム９を独立に走査照射することができ、入力部１０を介した電子ビームの照射ボタン４３とイオンビームの照射ボタン４４の操作により、それぞれのビームの照射開始と停止を制御することができる。電子ビーム８とイオンビーム９の両方を照射している場合、ＳＥＭ像４１とＳＩＭ像４２はそれぞれの観察像をリアルタイムに表示画面に表示することができる。

入力部１０を介してイオンビーム９の回転角度を入力すると表示画面の回転角度表示部４５に回転角度が表示され、当該回転角度に基づいて、走査方向制御部１５はイオンビーム９の走査方向を回転させる。ここで、回転角度とは基準となる走査方向に対する試料７の表面７ａの面内の回転角度である。本実施例では０．０１度単位で回転角度を入力し走査方向を変更させる。

走査方向制御部１５はイオンビーム９を走査照射中に走査方向を回転させることができる。これにより、走査方向の回転調整のために、イオンビーム９による加工を中断する必要がないため、断面加工を効率よく実施することができるという作用効果を奏する。

また、走査方向制御部１５により、走査電子顕微鏡観察中にイオンビーム９の走査方向を回転させることができる。これにより、加工中の断面を観察しながらイオンビーム９の走査方向を調整することができるので、微小な回転角度の調整であっても、正確に実行することができる。さらに、イオンビーム９の走査照射を停止することなく、また、走査電子顕微鏡観察を停止することなく走査方向を回転させることができるため、断面加工にかかる時間を大幅に短縮することができる。

また、デバイスパターン本来の形状を反映させた断面を露出させることができるので、デバイスパターンの構造を解析する場合においても本実施形態は顕著な作用効果を奏する。
また、上記の実施例ではＳＥＭ像を用いて説明したが、ＳＥＭ像の代わりに反射電子像を用いることも可能である。

＜実施例２＞
ＴＥＭ観察用試料に関する本実施形態の試料作製方法について図５と図６を用いて説明する。
図５（ａ）は半導体ウエハの試料７の図である。ＴＥＭ観察用試料を作製するためにイオンビーム９により試料７から試料７の一部である薄片試料５１を切り出す加工を行う。図５（ｂ）は薄片試料５１周辺の拡大図である。イオンビーム９により薄片試料５１の両側に加工溝５２を形成する。そして、図５（ｃ）に示すように、薄片試料５１が所望の膜厚になるようにさらなる薄片化加工を行い、ＴＥＭ観察用の薄片試料５１を作製する。

図６はＴＥＭ観察用の薄片試料５１の説明図である。薄片試料５１はデバイス５４ａ、５４ｂが周期的に配列する構造になっている。デバイス５４ａ、５４ｂはデバイス同士を分離するために設けられた素子分離（ＳＴＩ）領域５３ａ、５３ｂ、５３ｃによって区分けされ、当該素子分離（ＳＴＩ）領域に挟まれた領域に設置されている。

薄片化加工においては、薄片試料５１内部に所望のデバイス構造が残るように加工する。例えば、一つのデバイスのみを有する薄片試料を作製する場合は、素子分離（ＳＴＩ）領域５３ｂと素子分離（ＳＴＩ）領域５３ｃとこれらに挟まれたデバイス５４ｂのみを残すようにイオンビーム９で薄膜試料５１をエッチング加工する。デバイス同士の間隔は数十ｎｍオーダーであるので、一つのデバイスのみを有する薄膜試料５１の最終膜厚は極めて小さい。このような薄片試料を作製する薄片化加工方法はデバイスパターンの配列方向に沿ってイオンビーム９を走査照射することが重要となる。

薄片化加工方法として、実施例１に示す方法により、イオンビーム１の走査方向をデバイスパターンの配列方向５５に対し平行になるように回転させる。すなわち、電子ビーム８を断面５１ａに走査照射し走査電子顕微鏡観察を行いながら、イオンビーム９で薄片試料５１の膜厚が小さくなるようにエッチング加工する。エッチング加工中の走査電子顕微鏡観察で断面５１ａのＳＥＭ像を見ながら、断面５１ａに露出した複数の素子分離（ＳＴＩ）領域５３ａの幅が均一になるようにイオンビーム９の走査方向を回転させる。さらに、薄片試料５１の断面５１ａの反対側の断面にも同様のエッチング加工を施す。そして、断面に露出されたデバイスパターンと薄片試料５１の膜厚から薄片試料５１の内部のデバイス構造を推定し、薄片試料５１に素子分離（ＳＴＩ）領域５３ｂと素子分離（ＳＴＩ）領域５３ｃとこれらに挟まれたデバイス５４ｂのみを残したところでイオンビーム９による加工を終了する。これにより所望の薄片試料５１を作製することができる。

上記の薄片化加工方法によれば、極めて微細なデバイスパターンのＴＥＭ観察用試料であっても、走査電子顕微鏡観察によりリアルタイムに観察しながらイオンビーム９の走査方向を回転させることができるので、正確に所望の薄片試料を作製することができる。また、イオンビーム９の走査照射を中断することなく走査方向を回転させることができるので、短時間に所望の薄片試料を作製することができる。

１…ＥＢ鏡筒
２…ＦＩＢ鏡筒
３…試料室
４…二次電子検出器
５…反射電子検出器
６…試料台
７…試料
７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ、７ｅ、７ｆ…断面
８、８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ…電子ビーム
９、９ａ、９ｂ、９ｃ…イオンビーム
１０…入力部
１１…制御部
１２…ＥＢ制御部
１３…ＦＩＢ制御部
１４…像形成部
１５…走査方向制御部
１６…試料台制御部
１７…表示部
２１…加工溝
３１ａ、３１ｂ…走査方向
３２…デバイスパターン
３２ａ、３２ｂ、３２ｃ…デバイス構造
３３…配列方向
４１…ＳＥＭ像
４２…ＳＩＭ像
４３…電子ビームの照射ボタン
４４… イオンビームの照射ボタン
４５…回転角度表示部
５１…薄片試料
５１ａ…断面
５２…加工溝
５３ａ、５３ｂ、５３ｃ…素子分離（ＳＴＩ）領域
５４ａ、５４ｂ…デバイス
５５…配列方向

Claims

走査電子顕微鏡観察中の試料の断面の観察像を表示画面に表示しつつ、前記断面を集束イオンビームの走査照射でエッチング加工し、新たな断面を露出させる工程と、
走査電子顕微鏡観察中の前記新たな断面の観察像を前記表示画面に表示しつつ、前記集束イオンビームを走査照射しながら、前記集束イオンビームの走査方向を変更させ、前記新たな断面をエッチング加工し、所望の断面を露出させる工程と、からなる試料作製方法。
前記集束イオンビームの走査方向の変更は、前記走査方向を前記試料のデバイスパターンの配列方向に対し平行にする変更である請求項１に記載の試料作製方法。
請求項１または２に記載の試料作製方法により形成された前記所望の断面を有する薄片試料を作製する試料作製方法。
試料を載置する試料台と、
前記試料の断面を露出させるために集束イオンビームを走査照射する集束イオンビーム鏡筒と、
前記断面に電子ビームを走査照射する電子ビーム鏡筒と、
前記電子ビームの照射により前記断面から放出される荷電粒子を検出する荷電粒子検出器と、
前記荷電粒子検出器の検出信号から形成される前記断面の観察像を表示する表示部と、
前記集束イオンビームの走査方向の回転角度を入力する入力部と、
前記入力部で入力した回転角度に基づき前記断面の加工及び観察中に前記集束イオンビームの走査方向を変更させる走査方向制御部と、からなる試料作製装置。
前記表示部は、前記断面のＳＥＭ像または反射電子顕微鏡像と、
前記試料のＳＩＭ像と、
前記集束イオンビームの照射開始と停止を指示する表示部と、
前記電子ビームの照射開始と停止を指示する表示部と、
前記前記回転角度を入力する回転角度表示部と、を有する表示画面を表示する請求項４に記載の試料作製装置。
前記荷電粒子検出器は反射電子検出器または二次電子検出器である請求項４または５に記載の試料作製装置。