JP2014192090A - 集束イオンビーム装置、それを用いた試料の断面観察方法、及び集束イオンビームを用いた試料の断面観察用コンピュータプログラム - Google Patents
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Abstract
【課題】試料内部の特定の組成を表す領域を短時間で得ることができる集束イオンビーム装置を提供する。
【解決手段】試料２に第一の断面２ｓ及び複数の第二の断面２ｃ１〜２ｃ４を形成する集束イオンビーム照射機構２０と、第一の断面及び第二の断面の反射電子像又は二次電子像を第一の画像Ｇｓ、Ｇ１〜Ｇ４として生成する第一の画像生成手段９０Ａと、第一の断面及び第二の断面のＥＤＳ像又は二次イオン像を第二の画像Ｈｓ、Ｈ４として生成する第二の画像生成手段９０Ｂと、第一の断面の第一の画像及び第二の画像を取得し、かつ第二の断面の第一の画像を取得した場合において、さらに第二の断面の第一の画像が、第一の断面の第一の画像内の特定の組成を表す領域Ｎと異なる領域を含む場合に、第二の画像生成手段に第二の断面の前記第二の画像を生成させる制御部９０と、を有する集束イオンビーム装置１００である。
【選択図】図３
【解決手段】試料２に第一の断面２ｓ及び複数の第二の断面２ｃ１〜２ｃ４を形成する集束イオンビーム照射機構２０と、第一の断面及び第二の断面の反射電子像又は二次電子像を第一の画像Ｇｓ、Ｇ１〜Ｇ４として生成する第一の画像生成手段９０Ａと、第一の断面及び第二の断面のＥＤＳ像又は二次イオン像を第二の画像Ｈｓ、Ｈ４として生成する第二の画像生成手段９０Ｂと、第一の断面の第一の画像及び第二の画像を取得し、かつ第二の断面の第一の画像を取得した場合において、さらに第二の断面の第一の画像が、第一の断面の第一の画像内の特定の組成を表す領域Ｎと異なる領域を含む場合に、第二の画像生成手段に第二の断面の前記第二の画像を生成させる制御部９０と、を有する集束イオンビーム装置１００である。
【選択図】図３
Description
本発明は、集束イオンビームで試料を断面加工して観察する集束イオンビーム装置、それを用いた試料の断面観察方法、及び集束イオンビームを用いた試料の断面観察用コンピュータプログラムに関する。
例えば半導体デバイス内部の不良や不純物等を観察するため、集束イオンビーム（ＦＩＢ）装置により試料をエッチング加工して観察用の断面を得ることが行われている。この手法として、断面加工と観察を繰り返し行う「カット・アンド・シー」と呼ばれる技術が知られている（例えば、特許文献１、２参照）。カット・アンド・シーは、ＦＩＢ装置にＳＥＭ（走査電子顕微鏡）カラムを搭載したＦＩＢ−ＳＥＭ装置を用い、ＦＩＢによる断面加工と、断面のＳＥＭ像の取得とを繰り返して実行される。さらに、取得した複数の断面ＳＥＭ像を組み合わせることにより、試料内部の三次元像を構築することもできる。
ここで、断面ＳＥＭ像は、ＳＥＭカラムから試料断面に荷電粒子ビームを照射して生じる二次電子を検出して生成する。
ここで、断面ＳＥＭ像は、ＳＥＭカラムから試料断面に荷電粒子ビームを照射して生じる二次電子を検出して生成する。
ところで、ＳＥＭカラムから試料断面に電子ビームを照射すると、上述の二次電子の他に特性Ｘ線が発生するが、このＸ線を検出することで断面の元素分析画像を生成することができる。これをＥＤＳ(Energy dispersive X-ray spectrometry：エネルギー分散型X線分析)又はＥＤＸという。従って、上記カット・アンド・シーの手法をＥＤＳに適用することにより、試料内部の三次元元素分布を構築することができる。
しかしながら、ＥＤＳは検出に時間がかかるため、すべての断面毎にＥＤＳ像を取得すると、検出時間が膨大になるという問題がある。
しかしながら、ＥＤＳは検出に時間がかかるため、すべての断面毎にＥＤＳ像を取得すると、検出時間が膨大になるという問題がある。
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、試料内部の特定の組成を表す領域を短時間で得ることができる集束イオンビーム装置、それを用いた試料の断面観察方法、及び集束イオンビーム加工用コンピュータプログラムの提供を目的とする。
上記の目的を達成するために、本発明の集束イオンビーム装置は、試料に集束イオンビームを照射し、第一の断面、及び前記試料を除去加工して得られ前記第一の断面と所定の間隔で略平行な複数の第二の断面を形成する集束イオンビーム照射機構と、荷電粒子ビームを前記第一の断面及び前記第二の断面に照射する荷電粒子ビーム鏡筒と、前記荷電粒子ビームを前記第一の断面及び前記第二の断面に照射して生じる反射粒子又は二次電子を検出する第一の検出器と、前記第１検出器の検出したデータに基づき、前記第一の断面及び前記第二の断面の反射粒子像又は二次電子像を第一の画像として生成する第一の画像生成手段と、前記第一の断面及び前記第二の断面に前記荷電粒子ビームを照射して生じるＸ線又は二次イオンを検出する第二の検出器と、前記第二の検出器で検出したデータに基づき、前記第一の断面及び前記第二の断面のＥＤＳ像又は二次イオン像を第二の画像として生成する第二の画像生成手段と、前記第一の断面の前記第一の画像及び前記第二の画像を取得し、かつ前記第二の断面の前記第一の画像を取得した場合において、さらに前記第二の断面の前記第一の画像が、前記第一の断面の前記第一の画像内の特定の組成を表す領域と異なる領域を含む場合に、前記第二の画像生成手段に前記第二の断面の前記第二の画像を生成させる制御部と、を有する。
この集束イオンビーム装置によれば、特定の組成の検出時間を要する第二の検出器を動作させる代わりに、該特定の組成を表す領域を第一の画像で代用して試料断面（内部）の該領域を測定するので、試料内部の特定の組成を表す領域を短時間で得ることができる。
この集束イオンビーム装置によれば、特定の組成の検出時間を要する第二の検出器を動作させる代わりに、該特定の組成を表す領域を第一の画像で代用して試料断面（内部）の該領域を測定するので、試料内部の特定の組成を表す領域を短時間で得ることができる。
前記制御部は、前記第一の断面の前記第二の画像と、前記第二の断面の前記第一の画像のうち前記特定の組成を表す領域と異なる領域を含まない画像とに基づき、前記特定の組成の三次元分布像を生成してもよい。
この集束イオンビーム装置によれば、試料内部の上記特定の組成の三次元分布像を短時間で得ることができる。
この集束イオンビーム装置によれば、試料内部の上記特定の組成の三次元分布像を短時間で得ることができる。
本発明の集束イオンビーム装置を用いた試料の断面観察方法は、試料に集束イオンビームを照射し、第一の断面、及び前記試料を除去加工して得られ前記第一の断面と所定の間隔で略平行な複数の第二の断面を形成する集束イオンビーム照射過程と、荷電粒子ビームを前記第一の断面及び前記第二の断面に照射する荷電粒子ビーム照射過程と、前記荷電粒子ビームを前記第一の断面及び前記第二の断面に照射して生じる反射粒子又は二次電子を検出する第一の検出過程と、前記第１検出過程で検出したデータに基づき、前記第一の断面及び前記第二の断面の反射粒子像又は二次電子像を第一の画像として生成する第一の画像生成過程と、前記第一の断面及び前記第二の断面に前記荷電粒子ビームを照射して生じるＸ線又は二次イオンを検出する第二の検出過程と、前記第二の検出過程で検出したデータに基づき、前記第一の断面及び前記第二の断面のＥＤＳ像又は二次イオン像を第二の画像として生成する第二の画像生成過程と、を有する集束イオンビームを用いた試料の断面観察方法であって、前記第二の画像生成過程においては、前記第一の断面の前記第一の画像及び前記第二の画像を取得し、かつ前記第二の断面の前記第一の画像を取得した場合において、さらに前記第二の断面の前記第一の画像が、前記第一の断面の前記第一の画像内の特定の組成を表す領域と異なる領域を含む場合に、前記第二の断面の前記第二の画像を生成する。
本発明の集束イオンビームを用いた試料の断面観察用コンピュータプログラムは、試料に集束イオンビームを照射し、第一の断面、及び前記試料を除去加工して得られ前記第一の断面と所定の間隔で略平行な複数の第二の断面を形成する集束イオンビーム照射過程と、荷電粒子ビームを前記第一の断面及び前記第二の断面に照射する荷電粒子ビーム照射過程と、前記荷電粒子ビームを前記第一の断面及び前記第二の断面に照射して生じる反射粒子又は二次電子を検出する第一の検出過程と、前記第１検出過程で検出したデータに基づき、前記第一の断面及び前記第二の断面の反射粒子像又は二次電子像を第一の画像として生成する第一の画像生成過程と、前記第一の断面及び前記第二の断面に前記荷電粒子ビームを照射して生じるＸ線又は二次イオンを検出する第二の検出過程と、前記第二の検出過程で検出したデータに基づき、前記第一の断面及び前記第二の断面のＥＤＳ像又は二次イオン像を第二の画像として生成する第二の画像生成過程と、をコンピュータに実行させる集束イオンビームを用いた試料の断面観察用コンピュータプログラムであって、前記第二の画像生成過程においては、前記第一の断面の前記第一の画像及び前記第二の画像を取得し、かつ前記第二の断面の前記第一の画像を取得した場合において、さらに前記第二の断面の前記第一の画像が、前記第一の断面の前記第一の画像内の特定の組成を表す領域と異なる領域を含む場合に、前記第二の断面の前記第二の画像を生成する。
本発明によれば、集束イオンビーム装置を用い、試料内部の特定の組成を表す領域を短時間で得ることができる。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は本発明の実施形態に係る集束イオンビーム装置１００の全体構成を示すブロック図である。図１において、集束イオンビーム装置１００は、真空室１０と、イオンビーム照射系（特許請求の範囲の「集束イオンビーム照射機構」）２０と、荷電粒子ビーム照射系（特許請求の範囲の「荷電粒子ビーム鏡筒」）３０と、試料ステージ６０と、二次荷電粒子検出器７０と、反射粒子検出器（特許請求の範囲の「第一の検出器」）７２と、ＥＤＳ（Energy dispersive X-ray spectrometry：エネルギー分散型X線分析）検出器（特許請求の範囲の「第二の検出器」）７４と、ガス銃８０と、制御部９０とを備えている。真空室１０の内部は所定の真空度まで減圧され、集束イオンビーム装置１００の各構成部分の一部又は全部が真空室１０内に配置されている。
なお、以下の例では、荷電粒子ビーム鏡筒として電子ビーム鏡筒３０を用い、荷電粒子ビームとして電子ビーム３０Ａを用いた場合について説明する。
図１は本発明の実施形態に係る集束イオンビーム装置１００の全体構成を示すブロック図である。図１において、集束イオンビーム装置１００は、真空室１０と、イオンビーム照射系（特許請求の範囲の「集束イオンビーム照射機構」）２０と、荷電粒子ビーム照射系（特許請求の範囲の「荷電粒子ビーム鏡筒」）３０と、試料ステージ６０と、二次荷電粒子検出器７０と、反射粒子検出器（特許請求の範囲の「第一の検出器」）７２と、ＥＤＳ（Energy dispersive X-ray spectrometry：エネルギー分散型X線分析）検出器（特許請求の範囲の「第二の検出器」）７４と、ガス銃８０と、制御部９０とを備えている。真空室１０の内部は所定の真空度まで減圧され、集束イオンビーム装置１００の各構成部分の一部又は全部が真空室１０内に配置されている。
なお、以下の例では、荷電粒子ビーム鏡筒として電子ビーム鏡筒３０を用い、荷電粒子ビームとして電子ビーム３０Ａを用いた場合について説明する。
又、試料ステージ６０は、試料台６１を移動可能に支持し、試料台６１上には試料２が載置されている。そして、試料ステージ６０は、試料台６１を５軸で変位させることができる移動機構を有している。この移動機構は、試料台６１を水平面に平行で且つ互いに直交するＸ軸及びＹ軸と、Ｘ軸及びＹ軸に直交するＺ軸とに沿ってそれぞれ移動させるＸＹＺ移動機構６０ｂと、試料台６１をＺ軸回りに回転させるローテーション機構６０ｃと、試料台６１をＸ軸（又はＹ軸）回りに回転させるチルト機構６０ａとを備えている。試料ステージ６０は、試料台６１を５軸に変位させることで、試料２をイオンビーム２０Ａの照射位置に移動させる。
制御部９０は、中央演算処理装置としてのＣＰＵと、データやプログラムなどを格納する記憶部（ＲＡＭおよびＲＯＭ）９３と、外部機器との間で信号の入出力を行う入力ポートおよび出力ポートとを備えるコンピュータで構成することができる。制御部９０は、記憶部９３に格納されたプログラムに基づいてＣＰＵが各種演算処理を実行し、集束イオンビーム装置１００の各構成部分を制御する。そして、制御部９０は、イオンビーム（以下、適宜、集束イオンビームを「イオンビーム」と略記する）照射系２０、荷電粒子ビーム照射系３０、二次荷電粒子検出器７０、反射粒子検出器７２、ＥＤＳ検出器７４及び試料ステージ６０の制御配線等と電気的に接続されている。
制御部９０は、第一の画像生成手段９０Ａ、第二の画像生成手段９０Ｂを有する。
また制御部９０は、ソフトウェアの指令やオペレータの入力に基づいて試料ステージ６０を駆動し、試料２の位置や姿勢を調整して試料２表面へのイオンビーム２０Ａの照射位置や照射角度を調整できるようになっている。
なお、制御部９０には、オペレータの入力指示を取得するキーボード等の入力手段９２が接続されている。
制御部９０は、第一の画像生成手段９０Ａ、第二の画像生成手段９０Ｂを有する。
また制御部９０は、ソフトウェアの指令やオペレータの入力に基づいて試料ステージ６０を駆動し、試料２の位置や姿勢を調整して試料２表面へのイオンビーム２０Ａの照射位置や照射角度を調整できるようになっている。
なお、制御部９０には、オペレータの入力指示を取得するキーボード等の入力手段９２が接続されている。
制御部９０は、試料ステージ６０、イオン源２１及びイオンビーム照射系光学系１２を制御してイオンビーム２０Ａの照射を制御する。具体的には、制御部９０は、イオン源１１から出射されるイオンビーム２０Ａの出力を制御すると共に、偏向器２２ｂを制御して、イオンビーム２０Ａの照射条件を制御する。又、制御部９０は、試料ステージ６０を動かしながらイオンビーム２０Ａを照射して試料２の所定部分を除去加工する。
この除去加工は、例えば図２のように行う。まず、試料２の表面２ａに対して垂直にイオンビーム２０Ａを照射して深さ方向にトレンチ状（溝状）に試料２を除去し、表面から傾斜する斜面２ｂを形成する。斜面２ｂから表面２ａに向かって垂直に立ち上がる面が試料の第一の断面２ｓとなる。又、この第一の断面２ｓに対し、表面２ａと斜めの方向から電子ビーム３０Ａを照射し、その反射電子を反射粒子検出器７２で検出すると共に、照射によって生じるＸ線をＥＤＳ検出器７４で検出する。
次に、イオンビーム２０Ａを方向Ｌに（図２の左から右へ）移動させ、第一の断面２ｓを含む試料を除去し、第一の断面２ｓの右側に第一の断面２ｓと所定の間隔で略平行な第二の断面２ｃ１が表れる。以下、方向Ｌにイオンビーム２０Ａを移動する毎に試料が除去され、第二の断面２ｃ１と平行な第二の断面２ｃ２〜２ｃ４が順次形成される。
この除去加工は、例えば図２のように行う。まず、試料２の表面２ａに対して垂直にイオンビーム２０Ａを照射して深さ方向にトレンチ状（溝状）に試料２を除去し、表面から傾斜する斜面２ｂを形成する。斜面２ｂから表面２ａに向かって垂直に立ち上がる面が試料の第一の断面２ｓとなる。又、この第一の断面２ｓに対し、表面２ａと斜めの方向から電子ビーム３０Ａを照射し、その反射電子を反射粒子検出器７２で検出すると共に、照射によって生じるＸ線をＥＤＳ検出器７４で検出する。
次に、イオンビーム２０Ａを方向Ｌに（図２の左から右へ）移動させ、第一の断面２ｓを含む試料を除去し、第一の断面２ｓの右側に第一の断面２ｓと所定の間隔で略平行な第二の断面２ｃ１が表れる。以下、方向Ｌにイオンビーム２０Ａを移動する毎に試料が除去され、第二の断面２ｃ１と平行な第二の断面２ｃ２〜２ｃ４が順次形成される。
反射粒子検出器７２は、荷電粒子ビーム鏡筒３０から試料２の第一の断面２ｓ及び各第二の断面２ｃ１〜２ｃ４（図２参照）に電子ビーム３０Ａを照射して生じる、反射電子３０Ｒを検出する。
第一の画像生成手段９０Ａは、反射粒子検出器７２の検出したデータに基づき、第一の断面２ｓ及び第二の断面２ｃ１〜２ｃ４の反射電子像（特許請求の範囲の「第一の画像」）を生成する。
なお、荷電粒子ビーム鏡筒３０から第一の断面２ｓ及び各第二の断面２ｃ１〜２ｃ４に電子ビーム３０Ａを照射して生じる二次電子を、二次荷電粒子検出器７０で検出して二次電子像を形成し、この二次電子像を第一の画像として用いることもできる。
第一の画像生成手段９０Ａは、反射粒子検出器７２の検出したデータに基づき、第一の断面２ｓ及び第二の断面２ｃ１〜２ｃ４の反射電子像（特許請求の範囲の「第一の画像」）を生成する。
なお、荷電粒子ビーム鏡筒３０から第一の断面２ｓ及び各第二の断面２ｃ１〜２ｃ４に電子ビーム３０Ａを照射して生じる二次電子を、二次荷電粒子検出器７０で検出して二次電子像を形成し、この二次電子像を第一の画像として用いることもできる。
制御部９０は、反射電子像に表れる特定の組成を表す領域に対応するコントラストを初期値として設定する。ここで、反射電子像においては、原子番号が大きいほど、反射電子が多く放出されたことになり、（原子番号×密度）積が大きいほど（重い元素ほど）コントラストが明るくなる（後述の図６参照）。従って、反射電子像のコントラストは、原子番号又は密度を反映した特性（元素の種類、結晶方位等）を表す。反射電子像のコントラストは、像の明るさを段階的に分けて数値化したものである。反射電子像は白黒画像であるから、例えば、白色のグレイスケール値を２５６、黒色のグレイスケール値を１とするグレイスケール値で規定することができ、各画素が所定のグレイスケール値に対応する。又、誤差等を考慮し、初期値としてのコントラストは、グレイスケール値の１点でなく、ある程度の数値の幅を持つようにするとよい。例えば、初期値を１００に設定したとき、初期値は９０〜１１０の幅を持つことができる。
又、コントラストの設定は、第一の断面２ｓの反射電子像上で、操作者が入力手段９２を操作して任意の領域を指定して設定することができる。任意の領域が複数の画素を含む場合、その領域のコントラストの決め方は特に限定されず、例えばそれら画素のグレイスケール値の平均値としてもよく、各画素のグレイスケール値のうち最大値を採用してもよい。又、操作者が領域内の一点（一画素）を選択すると、その周囲の所定領域の複数画素を自動的に取得し、コントラストを設定してもよい。
又、コントラストの設定は、第一の断面２ｓの反射電子像上で、操作者が入力手段９２を操作して任意の領域を指定して設定することができる。任意の領域が複数の画素を含む場合、その領域のコントラストの決め方は特に限定されず、例えばそれら画素のグレイスケール値の平均値としてもよく、各画素のグレイスケール値のうち最大値を採用してもよい。又、操作者が領域内の一点（一画素）を選択すると、その周囲の所定領域の複数画素を自動的に取得し、コントラストを設定してもよい。
第一の断面２ｓの反射電子像上で初期値を設定することができる。この場合は、例えば第一の断面２ｓの上記特性を表す第二の画像上（後述）で、その特性を示す領域を操作者が確認した後、第一の断面２ｓの反射電子像上で第二の画像と対応する位置の領域近辺のコントラストを設定する（図３（ａ）参照）。具体的には、例えば第二の画像上で、半導体デバイス試料の断面に不純物（例えば、マグネシウム）を発見し、反射電子像上でその位置に対応するコントラストを設定する場合が挙げられる。
一方、第一の断面２ｓの反射電子像を観察せずに、コントラストを初期値として設定してもよい。例えば操作者が入力手段９２を操作してグレイスケール値を入力して設定することができる。この場合は、例えば半導体デバイス試料の目的とする不純物（例えば、上述のマグネシウム）が予めわかっていて、その不純物の反射電子像上のコントラストも既知である場合が相当する。かかる場合は、操作者がグレイスケール値を入力する代わりに、所定の画面上で不純物の種類を指定すると、その不純物に対応したグレイスケール値が自動的に指定されるようにすることもできる。
一方、第一の断面２ｓの反射電子像を観察せずに、コントラストを初期値として設定してもよい。例えば操作者が入力手段９２を操作してグレイスケール値を入力して設定することができる。この場合は、例えば半導体デバイス試料の目的とする不純物（例えば、上述のマグネシウム）が予めわかっていて、その不純物の反射電子像上のコントラストも既知である場合が相当する。かかる場合は、操作者がグレイスケール値を入力する代わりに、所定の画面上で不純物の種類を指定すると、その不純物に対応したグレイスケール値が自動的に指定されるようにすることもできる。
ＥＤＳ検出器７４は、荷電粒子ビーム鏡筒３０から試料２の第一の断面２ｓ及び所定の第二の断面２ｃ４（図２参照）に電子ビーム３０Ａを照射して生じる、特性Ｘ線３０ｘを検出する。
第二の画像生成手段９０Ｂは、ＥＤＳ検出器７４の検出したデータに基づき、第一の断面２ｓ及び第二の断面２ｃ４のＥＤＳ像（特許請求の範囲の「第二の画像」）を生成する。ＥＤＳ（又はＥＤＸ）像においては、元素の種類によって特性Ｘ線のエネルギー（波長）が異なることを利用し、試料中の元素の分布を知ることができる。そして、第一の断面２ｓのＥＤＳ像を観察することで、上述のようにＥＤＳ像上の元素（不純物等）を、反射電子像上のコントラストに対応させることができる。
なお、反射電子像及びＥＤＳ像は、制御部９０に接続された表示装置（ディスプレイ、）９１に出力されると共に、画像データ（ビットマップデータ）として記憶部９３に記憶される。
第二の画像生成手段９０Ｂは、ＥＤＳ検出器７４の検出したデータに基づき、第一の断面２ｓ及び第二の断面２ｃ４のＥＤＳ像（特許請求の範囲の「第二の画像」）を生成する。ＥＤＳ（又はＥＤＸ）像においては、元素の種類によって特性Ｘ線のエネルギー（波長）が異なることを利用し、試料中の元素の分布を知ることができる。そして、第一の断面２ｓのＥＤＳ像を観察することで、上述のようにＥＤＳ像上の元素（不純物等）を、反射電子像上のコントラストに対応させることができる。
なお、反射電子像及びＥＤＳ像は、制御部９０に接続された表示装置（ディスプレイ、）９１に出力されると共に、画像データ（ビットマップデータ）として記憶部９３に記憶される。
制御部９０は、ＥＤＳ検出器７４の動作を制御する。ＥＤＳ検出器７４の感度が低いために１つのＥＤＳ像を得るのに時間がかかるため、すべての第二の断面２ｃ１〜２ｃ４についてＥＤＳ像を取得すると検出時間が膨大になってしまう。そのため、必要なＥＤＳ像のみを取得するよう、制御部９０がＥＤＳ検出器７４の動作制御を行う。
イオンビーム照射系２０は、イオンを発生させるイオン源２１と、イオン源２１から流出したイオンを集束イオンビームに成形するとともに走査させるイオン光学系２２とを備えている。イオンビーム鏡筒２３を備えたイオンビーム照射系２０から、真空室１０内の試料ステージ６０上の試料２に荷電粒子ビームであるイオンビーム２０Ａが照射される。このとき、試料２からは二次イオンや二次電子等の二次荷電粒子が発生する。この二次荷電粒子を、二次荷電粒子検出器７０で検出して試料２の像が取得される。また、イオンビーム照射系２０は、イオンビーム２０Ａの照射量を増すことで、照射範囲の試料２をエッチング加工（除去加工）する。
イオン光学系２２は、例えば、イオンビーム２０Ａを集束するコンデンサーレンズと、イオンビーム２０Ａを絞り込む絞りと、イオンビーム２０Ａの光軸を調整するアライナと、イオンビーム２０Ａを試料に対して集束する対物レンズと、試料上でイオンビーム２０Ａを走査する偏向器２２ｂとを備えて構成される。
イオン光学系２２は、例えば、イオンビーム２０Ａを集束するコンデンサーレンズと、イオンビーム２０Ａを絞り込む絞りと、イオンビーム２０Ａの光軸を調整するアライナと、イオンビーム２０Ａを試料に対して集束する対物レンズと、試料上でイオンビーム２０Ａを走査する偏向器２２ｂとを備えて構成される。
荷電粒子ビーム照射系３０は、電子を放出する電子源３１と、電子源３１から放出された電子をビーム状に成形するとともに走査する電子光学系３２とを備えている。荷電粒子ビーム照射系３０から射出される電子ビーム３０Ａを試料２に照射することによって、試料２から発生した反射電子及びＸ線を、それぞれ反射粒子検出器７２及びＥＤＳ検出器７４で検出し、上述のように試料２の反射電子像やＥＤＳ像を取得することができる。
二次荷電粒子検出器７０は、試料２へイオンビーム２０Ａ又は電子ビーム３０Ａが照射された際に、試料２から発生する二次荷電粒子（二次電子や二次イオン）を検出する。
ガス銃８０は、試料２へエッチングガス等の所定のガスを放出する。ガス銃８０からエッチングガスを供給しながら試料２にイオンビーム２０Ａを照射することで、イオンビーム２０Ａによる試料のエッチング速度を高めることができる。又、ガス銃８０から化合物ガスを供給しながら試料２にイオンビーム２０Ａを照射することで、イオンビーム２０Ａの照射領域近傍に局所的なガス成分の析出（デポジション）を行うことができる。
次に、図３〜図９を参照し、本発明の実施形態に係る集束イオンビーム装置１００による、反射電子像及びＥＤＳ像の生成について説明する。まず、図２に示すようにして試料（半導体デバイス）の第一の断面２ｓを形成しておく。
図３は、第一の断面２ｓ及び各第二の断面２ｃ１〜２ｃ４にて反射電子像及びＥＤＳ像を生成する手順を示す。まず、第一の断面２ｓにて反射電子像Ｇｓ及びＥＤＳ像Ｈｓを生成する（図３（ａ））。そして、上述のように操作者は、ＥＤＳ像Ｈｓ上で、観察対象とする不純物（例えば、マグネシウム）の領域ＮＨを確認する。次に、操作者は、反射電子像Ｇｓ上で、ＥＤＳ像Ｈｓと対応する位置の領域（特許請求の範囲の「特定の組成を表す領域」）Ｎのコントラストを初期値に設定する。
次に、第二の断面２ｃ１にて反射電子像Ｇ１を生成する（図３（ｂ））。反射電子像Ｇ１上では、図３（ａ）で設定した初期値のコントラストを有する領域Ｎが存在するので、ＥＤＳ像は生成しない。以下、第二の断面２ｃ２、２ｃ３にて同様に反射電子像Ｇ２、Ｇ３を生成する（図３（ｃ）、（ｄ））。各反射電子像Ｇ２、Ｇ３上においても、図３（ａ）で設定した初期値のコントラストを有する領域Ｎが存在するので、ＥＤＳ像は生成しない。
次に、第二の断面２ｃ４にて反射電子像Ｇ４を生成する（図３（ｅ））。反射電子像Ｇ４上では、図３（ａ）で設定した初期値のコントラストを有する領域Ｎが消失する。これは、初期値と異なるコントラスト（特定の組成を表す領域と異なる領域）を有する反射電子像（異種反射電子像）を意味するので、ＥＤＳ像Ｈ４を生成する。ＥＤＳ像Ｈ４上では、不純物（マグネシウム）が存在しないことを確認できる。
図３は、第一の断面２ｓ及び各第二の断面２ｃ１〜２ｃ４にて反射電子像及びＥＤＳ像を生成する手順を示す。まず、第一の断面２ｓにて反射電子像Ｇｓ及びＥＤＳ像Ｈｓを生成する（図３（ａ））。そして、上述のように操作者は、ＥＤＳ像Ｈｓ上で、観察対象とする不純物（例えば、マグネシウム）の領域ＮＨを確認する。次に、操作者は、反射電子像Ｇｓ上で、ＥＤＳ像Ｈｓと対応する位置の領域（特許請求の範囲の「特定の組成を表す領域」）Ｎのコントラストを初期値に設定する。
次に、第二の断面２ｃ１にて反射電子像Ｇ１を生成する（図３（ｂ））。反射電子像Ｇ１上では、図３（ａ）で設定した初期値のコントラストを有する領域Ｎが存在するので、ＥＤＳ像は生成しない。以下、第二の断面２ｃ２、２ｃ３にて同様に反射電子像Ｇ２、Ｇ３を生成する（図３（ｃ）、（ｄ））。各反射電子像Ｇ２、Ｇ３上においても、図３（ａ）で設定した初期値のコントラストを有する領域Ｎが存在するので、ＥＤＳ像は生成しない。
次に、第二の断面２ｃ４にて反射電子像Ｇ４を生成する（図３（ｅ））。反射電子像Ｇ４上では、図３（ａ）で設定した初期値のコントラストを有する領域Ｎが消失する。これは、初期値と異なるコントラスト（特定の組成を表す領域と異なる領域）を有する反射電子像（異種反射電子像）を意味するので、ＥＤＳ像Ｈ４を生成する。ＥＤＳ像Ｈ４上では、不純物（マグネシウム）が存在しないことを確認できる。
次に、図４に示すように、反射電子像Ｇ１〜Ｇ４及びＥＤＳ像Ｈｓに基づき、不純物（マグネシウム）の三次元分布像Ｄを生成する。具体的には、反射電子像Ｇ１〜Ｇ４における領域Ｎを、ＥＤＳ像上の領域ＮＨとみなし、反射電子像Ｇ１〜Ｇ４及びＥＤＳ像Ｈｓを時系列順に並べ、領域ＮＨの三次元分布像Ｄを生成する。
このように、試料断面の不純物（マグネシウム）の存在の有無を測定したり、その三次元分布像を生成する際に、必要なＥＤＳ像Ｈｓのみを取得すればよいので、すべての第二の断面２ｃ１〜２ｃ４についてＥＤＳ像を取得する場合に比べ、検出時間が大幅に減少する。
なお、図４に示す三次元分布像を生成せず、図３（ｅ）で処理を終了した場合でも、どの断面位置（第二の断面２ｃ３）まで不純物（マグネシウム）が存在するかを迅速に知ることができ、すべての第二の断面２ｃ１〜２ｃ４についてＥＤＳ像を取得する場合に比べ、検出時間が大幅に減少する。
このように、試料断面の不純物（マグネシウム）の存在の有無を測定したり、その三次元分布像を生成する際に、必要なＥＤＳ像Ｈｓのみを取得すればよいので、すべての第二の断面２ｃ１〜２ｃ４についてＥＤＳ像を取得する場合に比べ、検出時間が大幅に減少する。
なお、図４に示す三次元分布像を生成せず、図３（ｅ）で処理を終了した場合でも、どの断面位置（第二の断面２ｃ３）まで不純物（マグネシウム）が存在するかを迅速に知ることができ、すべての第二の断面２ｃ１〜２ｃ４についてＥＤＳ像を取得する場合に比べ、検出時間が大幅に減少する。
図５は、図３（ｅ）の別の画像を示す。図５においては、反射電子像Ｇ４上で、図３（ａ）で設定したコントラストを有する領域Ｎの他に、領域Ｎと異なるコントラストを有する領域Ｐが現れた場合を想定している。領域Ｐは、領域Ｎとは異なる元素を表しているため、第二の断面２ｃ４にてＥＤＳ像Ｈ４を生成し、領域Ｐに対応する領域ＰＨの元素の組成を確認する。
この場合、領域Ｐのコントラストを初期値として更新し、第二の断面２ｃ４からさらに試料２を除去加工して得られる次に第二の断面以降で、初期値（領域Ｐのコントラスト）と異なるコントラストを有する反射電子像（異種反射電子像）を見出すまではＥＤＳ像を生成しない。
これにより、上記と同様、どの断面位置（第二の断面）まで領域Ｐの元素が存在するかを迅速に知ることができるし、領域Ｐの元素の三次元分布像を迅速に生成することができる。
なお、図５において、反射電子像Ｇ４上で、領域Ｎが消失し、代わりに領域Ｐが現れた場合も、上記と同様とすることができる。
この場合、領域Ｐのコントラストを初期値として更新し、第二の断面２ｃ４からさらに試料２を除去加工して得られる次に第二の断面以降で、初期値（領域Ｐのコントラスト）と異なるコントラストを有する反射電子像（異種反射電子像）を見出すまではＥＤＳ像を生成しない。
これにより、上記と同様、どの断面位置（第二の断面）まで領域Ｐの元素が存在するかを迅速に知ることができるし、領域Ｐの元素の三次元分布像を迅速に生成することができる。
なお、図５において、反射電子像Ｇ４上で、領域Ｎが消失し、代わりに領域Ｐが現れた場合も、上記と同様とすることができる。
図６は、実際の半導体デバイス試料の第一の断面２ｓにおける、反射電子像Ｇｓを示す。反射電子像Ｇｓ上の領域Ｎが不純物（マグネシウム）を示す。
図７は、図６の反射電子像、及びこの反射像に対応して取得したＥＤＳ像（図示せず）を用いた実際の不純物（マグネシウム）の三次元分布像Ｄを示す。
図７は、図６の反射電子像、及びこの反射像に対応して取得したＥＤＳ像（図示せず）を用いた実際の不純物（マグネシウム）の三次元分布像Ｄを示す。
次に、図８を参照し、図３の処理のフローについて説明する。まず、制御部９０は、第一の断面２ｓにてＥＤＳ検出器７４を動作させ、第二の画像生成手段９０Ｂは、ＥＤＳ検出器７４の検出したデータに基づき、ＥＤＳ像Ｈｓを生成する（ステップＳ２）。ステップＳ２の動作は、例えば表示装置９１上の作業設定画面で、操作者が本装置の処理を行うソフトウェアを起動させることで行うことができる。
次に、ＥＤＳ像Ｈｓの不純物（マグネシウム）の領域ＮＨを参照しながら、第一の断面２ｓの反射電子像Ｇｓ上で、操作者が入力手段９２を操作して領域Ｎを指定すると、制御部９０は特定の組成を表す領域Ｎのコントラストを初期値として取得（設定）し、記憶部９３に登録する（ステップＳ４）。
ステップＳ４に続き、制御部９０は図２に示すようにして第二の断面２ｃ１を形成する。そして、第一の画像生成手段９０Ａは、反射粒子検出器７２の検出したデータに基づき、第二の断面２ｃ１の反射電子像Ｇ１を生成する（ステップＳ６）。
次に、ＥＤＳ像Ｈｓの不純物（マグネシウム）の領域ＮＨを参照しながら、第一の断面２ｓの反射電子像Ｇｓ上で、操作者が入力手段９２を操作して領域Ｎを指定すると、制御部９０は特定の組成を表す領域Ｎのコントラストを初期値として取得（設定）し、記憶部９３に登録する（ステップＳ４）。
ステップＳ４に続き、制御部９０は図２に示すようにして第二の断面２ｃ１を形成する。そして、第一の画像生成手段９０Ａは、反射粒子検出器７２の検出したデータに基づき、第二の断面２ｃ１の反射電子像Ｇ１を生成する（ステップＳ６）。
次に、制御部９０は、反射電子像Ｇ１上に初期値と異なるコントラストが存在するか否か（つまり、特許請求の範囲の「特定の組成を表す領域と異なる領域を含む」か否か）を判定する（ステップＳ８）。ステップＳ８で「Ｎｏ」であればステップＳ６へ戻り、次の第二の断面２ｃ２（〜２ｃ３）の形成、及びその第二の断面の反射電子像Ｇ２（〜Ｇ３）の生成を行う。ステップＳ８で「Ｙｅｓ」であればステップＳ１０に移行する。以下では、第二の断面２ｃ４の反射電子像Ｇ２について、ステップＳ８で「Ｙｅｓ」になった場合を例とする。
ステップＳ１０で制御部９０は、第二の断面２ｃ４にてＥＤＳ検出器７４を動作させ、第二の画像生成手段９０Ｂは、ＥＤＳ検出器７４の検出したデータに基づき、ＥＤＳ像Ｈ４を生成する。
ステップＳ１０で制御部９０は、第二の断面２ｃ４にてＥＤＳ検出器７４を動作させ、第二の画像生成手段９０Ｂは、ＥＤＳ検出器７４の検出したデータに基づき、ＥＤＳ像Ｈ４を生成する。
次に、図９を参照し、図４の処理のフローについて説明する。制御部９０は、記憶部９３から反射電子像Ｇ１〜Ｇ３及び第一の断面のＥＤＳ像Ｈｓの画像データを取得する（ステップＳ１０２）。
次いで、制御部９０は、ＥＤＳ像Ｈｓを生成しなかった第二の断面２ｃ１〜２ｃ３の反射電子像Ｇ１〜Ｇ３における特定の組成を表す領域Ｎを、ＥＤＳ画像の領域ＮＨに変換する（ステップＳ１０４）。ステップＳ１０４の変換は、例えば領域Ｎのコントラストを、領域ＮＨが表すコントラストに変換することで行う。
そして、制御部９０は、ＥＤＳ像Ｈｓ、及びステップＳ１０４で変換後の反射電子像Ｇ１〜Ｇ３を時系列順（図２参照）に並べ、ＥＤＳ像上の領域ＮＨの三次元分布像Ｄを生成する（ステップＳ１０６）。
次いで、制御部９０は、ＥＤＳ像Ｈｓを生成しなかった第二の断面２ｃ１〜２ｃ３の反射電子像Ｇ１〜Ｇ３における特定の組成を表す領域Ｎを、ＥＤＳ画像の領域ＮＨに変換する（ステップＳ１０４）。ステップＳ１０４の変換は、例えば領域Ｎのコントラストを、領域ＮＨが表すコントラストに変換することで行う。
そして、制御部９０は、ＥＤＳ像Ｈｓ、及びステップＳ１０４で変換後の反射電子像Ｇ１〜Ｇ３を時系列順（図２参照）に並べ、ＥＤＳ像上の領域ＮＨの三次元分布像Ｄを生成する（ステップＳ１０６）。
本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の思想と範囲に含まれる様々な変形及び均等物に及ぶことはいうまでもない。
例えば、初期値として設定されるコントラストは、反射電子像の所定の特性に対応するものであれば上記に限定されず、特性としては、特定の元素又は方位が例示される。
又、第二の検出器は上記に限定されず、反射電子像の所定の特性を分析できるものであればよい。
例えば、初期値として設定されるコントラストは、反射電子像の所定の特性に対応するものであれば上記に限定されず、特性としては、特定の元素又は方位が例示される。
又、第二の検出器は上記に限定されず、反射電子像の所定の特性を分析できるものであればよい。
上記特性として元素種を採用する場合、上記したＥＤＳ検出器７４の代わりに、二次荷電粒子検出器７０を用い、試料２へイオンビーム２０Ａが照射された際に、試料２から発生する二次イオンを検出することもできる。また、反射粒子検出器７２を用い、試料２から反射する反射イオンを検出することもできる。但し、この場合、第一の断面及び第二の断面の組成像を生成する際には、図２に示すように、集束イオンビーム照射機構２０が相対的に試料２の直上の位置から破線の位置２０ｓになるよう、試料ステージ６０を傾ける必要がある。
また、荷電粒子ビーム照射系３０の代わりにガス電界電離イオン源を備えた集束イオンビーム照射機構を用いることもできる。ガス電界電離イオン源を用いることでヘリウムや水素など質量の小さいイオン種のイオンビームを小さいビーム径で第一の断面及び第二の断面に照射することができる。従って第一の断面及び第二の断面へのダメージを軽減しつつ高分解能の反射イオン像又は二次電子像（第一の画像）を取得することができる。なお、上記した「ガス電界電離イオン源を備えた集束イオンビーム照射機構」が特許請求の範囲の「荷電粒子ビーム鏡筒」に相当する。又、ガス電界電離イオン源から出射されるイオンビームが特許請求の範囲の「荷電粒子ビーム」に相当する。
また、荷電粒子ビーム照射系３０の代わりにガス電界電離イオン源を備えた集束イオンビーム照射機構を用いることもできる。ガス電界電離イオン源を用いることでヘリウムや水素など質量の小さいイオン種のイオンビームを小さいビーム径で第一の断面及び第二の断面に照射することができる。従って第一の断面及び第二の断面へのダメージを軽減しつつ高分解能の反射イオン像又は二次電子像（第一の画像）を取得することができる。なお、上記した「ガス電界電離イオン源を備えた集束イオンビーム照射機構」が特許請求の範囲の「荷電粒子ビーム鏡筒」に相当する。又、ガス電界電離イオン源から出射されるイオンビームが特許請求の範囲の「荷電粒子ビーム」に相当する。
２ 試料
２ｓ 第一の断面
２ｃ１〜２ｃ４ 第二の断面
２０ 集束イオンビーム照射機構
２０Ａ 集束イオンビーム
３０ 荷電粒子ビーム鏡筒
３０Ａ 荷電粒子ビーム
７２ 第一の検出器
７４ 第二の検出器（ＥＤＳ検出器）
９０ 制御部
９０Ａ 第一の画像生成手段
９０Ｂ 第二の画像生成手段
１００ 集束イオンビーム装置
Ｄ 三次元分布像
Ｇｓ、Ｇ１〜Ｇ４ 第一の画像（反射電子像）
Ｇ４ 異種反射電子像
Ｈｓ、Ｈ４ 第二の画像（ＥＤＳ像）
Ｎ 特定の組成を表す領域
２ｓ 第一の断面
２ｃ１〜２ｃ４ 第二の断面
２０ 集束イオンビーム照射機構
２０Ａ 集束イオンビーム
３０ 荷電粒子ビーム鏡筒
３０Ａ 荷電粒子ビーム
７２ 第一の検出器
７４ 第二の検出器（ＥＤＳ検出器）
９０ 制御部
９０Ａ 第一の画像生成手段
９０Ｂ 第二の画像生成手段
１００ 集束イオンビーム装置
Ｄ 三次元分布像
Ｇｓ、Ｇ１〜Ｇ４ 第一の画像（反射電子像）
Ｇ４ 異種反射電子像
Ｈｓ、Ｈ４ 第二の画像（ＥＤＳ像）
Ｎ 特定の組成を表す領域
Claims (4)
- 試料に集束イオンビームを照射し、第一の断面、及び前記試料を除去加工して得られ前記第一の断面と所定の間隔で略平行な複数の第二の断面を形成する集束イオンビーム照射機構と、
荷電粒子ビームを前記第一の断面及び前記第二の断面に照射する荷電粒子ビーム鏡筒と、
前記荷電粒子ビームを前記第一の断面及び前記第二の断面に照射して生じる反射粒子又は二次電子を検出する第一の検出器と、
前記第１検出器の検出したデータに基づき、前記第一の断面及び前記第二の断面の反射粒子像又は二次電子像を第一の画像として生成する第一の画像生成手段と、
前記第一の断面及び前記第二の断面に前記荷電粒子ビームを照射して生じるＸ線又は二次イオンを検出する第二の検出器と、
前記第二の検出器で検出したデータに基づき、前記第一の断面及び前記第二の断面のＥＤＳ像又は二次イオン像を第二の画像として生成する第二の画像生成手段と、
前記第一の断面の前記第一の画像及び前記第二の画像を取得し、かつ前記第二の断面の前記第一の画像を取得した場合において、さらに前記第二の断面の前記第一の画像が、前記第一の断面の前記第一の画像内の特定の組成を表す領域と異なる領域を含む場合に、前記第二の画像生成手段に前記第二の断面の前記第二の画像を生成させる制御部と、
を有する集束イオンビーム装置。 - 前記制御部は、前記第一の断面の前記第二の画像と、前記第二の断面の前記第一の画像のうち前記特定の組成を表す領域と異なる領域を含まない画像とに基づき、前記特定の組成の三次元分布像を生成する請求項１記載の集束イオンビーム装置。
- 試料に集束イオンビームを照射し、第一の断面、及び前記試料を除去加工して得られ前記第一の断面と所定の間隔で略平行な複数の第二の断面を形成する集束イオンビーム照射過程と、
荷電粒子ビームを前記第一の断面及び前記第二の断面に照射する荷電粒子ビーム照射過程と、
前記荷電粒子ビームを前記第一の断面及び前記第二の断面に照射して生じる反射粒子又は二次電子を検出する第一の検出過程と、
前記第１検出過程で検出したデータに基づき、前記第一の断面及び前記第二の断面の反射粒子像又は二次電子像を第一の画像として生成する第一の画像生成過程と、
前記第一の断面及び前記第二の断面に前記荷電粒子ビームを照射して生じるＸ線又は二次イオンを検出する第二の検出過程と、
前記第二の検出過程で検出したデータに基づき、前記第一の断面及び前記第二の断面のＥＤＳ像又は二次イオン像を第二の画像として生成する第二の画像生成過程と、
を有する集束イオンビームを用いた試料の断面観察方法であって、
前記第二の画像生成過程においては、前記第一の断面の前記第一の画像及び前記第二の画像を取得し、かつ前記第二の断面の前記第一の画像を取得した場合において、さらに前記第二の断面の前記第一の画像が、前記第一の断面の前記第一の画像内の特定の組成を表す領域と異なる領域を含む場合に、前記第二の断面の前記第二の画像を生成する、集束イオンビームを用いた試料の断面観察方法。 - 試料に集束イオンビームを照射し、第一の断面、及び前記試料を除去加工して得られ前記第一の断面と所定の間隔で略平行な複数の第二の断面を形成する集束イオンビーム照射過程と、
荷電粒子ビームを前記第一の断面及び前記第二の断面に照射する荷電粒子ビーム照射過程と、
前記荷電粒子ビームを前記第一の断面及び前記第二の断面に照射して生じる反射粒子又は二次電子を検出する第一の検出過程と、
前記第１検出過程で検出したデータに基づき、前記第一の断面及び前記第二の断面の反射粒子像又は二次電子像を第一の画像として生成する第一の画像生成過程と、
前記第一の断面及び前記第二の断面に前記荷電粒子ビームを照射して生じるＸ線又は二次イオンを検出する第二の検出過程と、
前記第二の検出過程で検出したデータに基づき、前記第一の断面及び前記第二の断面のＥＤＳ像又は二次イオン像を第二の画像として生成する第二の画像生成過程と、
をコンピュータに実行させる集束イオンビームを用いた試料の断面観察用コンピュータプログラムであって、
前記第二の画像生成過程においては、前記第一の断面の前記第一の画像及び前記第二の画像を取得し、かつ前記第二の断面の前記第一の画像を取得した場合において、さらに前記第二の断面の前記第一の画像が、前記第一の断面の前記第一の画像内の特定の組成を表す領域と異なる領域を含む場合に、前記第二の断面の前記第二の画像を生成する、集束イオンビームを用いた試料の断面観察用コンピュータプログラム。
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