JP3119959B2 - 集束イオンビーム装置および加工観察装置 - Google Patents
集束イオンビーム装置および加工観察装置Info
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Description
より試料から発生する二次粒子を検出して試料表面を観
察し、試料表面の所定領域をイオンビームエッチングお
よびイオンビームCVD加工する集束イオンビーム装置
に電子ビーム照射系と複数の二次粒子検出器を具備する
ことにより、試料の薄膜加工および試料の厚さ推定、特
にTEM試料作製を簡単でより最適な厚さ・形状に加工
する集束荷電ビーム装置および試料加工観察方法に関す
る。
-168652 号公報に示されている様に、液体金属イオン源
から引き出し電極によりイオンビームを引き出し、その
イオンビームをアパーチャおよび静電レンズにより集束
イオンビームにし、その集束イオンビームを偏向電極に
より試料表面の所定領域を照射するように偏向走査させ
る装置である。
4表面への繰り返し照射により、試料4の所定領域は、
イオンビームによりスパッタされて除去され、またデポ
用ガスをガス銃14のノズルより吹き付けることによ
り、試料4の集束イオンビーム照射領域に、イオンビー
ムCVDによる金属膜を成膜することができる。これら
の機能は、試作IC回路修正やプロセス評価などに利用
され、IC開発のデバック時間を大幅に短縮した(月刊
Senmi-conductor World,1987.9「FIBを用いたVLS
Iの新しい評価・解析技術」、日本学術振興会第132
委員会第101回研究会資料,1987.11「EBテスタによ
る高速バイポーラLSIの故障解析」、「集束イオンビ
ームのよるICの動作解析及び配線変更」、「集束イオ
ンビームを用いた電子ビームテスティング技術」)。
束イオンビーム装置で行い、試料の特定の場所の断面T
EM観察結果が報告されている(第37回応用物理学
会、1990.3「集束イオンビームを用いた断面TEM試料
作成法」)。この方法は、従来のイオンミリングによる
方法に比べると、短時間に試料の特定の場所の断面TE
M(透過型電子顕微鏡:Transmission electron micros
cope)用の試料作成ができるものである。
ム装置を、第3図に示す。イオン銃1に液体金属イオン
源を用い、イオン銃1から引き出されたイオンビーム2
は、イオン光学系3により集束・走査され試料4表面を
照射する。なお、イオン光学系3は、イオンビーム2の
光軸部分のみを通すアパーチャ30と、イオンビーム2
を集束させる静電レンズ31と、集束されたイオンビー
ム2を試料4の表面上を所定領域照射するために集束イ
オンビーム2の光軸を偏向させる走査電極32と、集束
イオンビーム2の試料4表面上への照射をオン・オフ制
御するブランカ33等より構成される。
チング加工すると同時に、イオンビーム励起の二次粒子
を放出する。この二次粒子の中の二次電子を二次電子検
出器で検出し、SIM像を図示しない観察用CRTに表
示する。また、イオンビーム2照射と同時にCVDガス
をガス銃14ノズルより供給し、試料4表面に局所成膜
をする。このイオンビーム加工装置は、IC配線の切断
・接続や断面加工・観察等を行うことに従来使用されて
いた。
な装置を用いて断面TEM用試料の作製を行う場合、ま
ず機械研磨で数10μmに削り込んだ試料の観察場所の
前後を、イオンビームエッチング加工で除去し、0.5
μm以下の壁を残す。次に加工形状や断面の確認を、イ
オンビーム照射によるダメージを避けるために、走査電
子顕微鏡(Scanning Electron Microscope;以下SEM
と略す)像観察で行い、必要に応じて再加工をする。そ
して、加工後の試料をTEMで観察し、加工が不十分で
観察できないときは、再びイオンビームエッチング加工
行う必要がある。この方法では、複数の真空装置間で試
料を出し入れするため、真空排気・試料の位置出しなど
に時間がかかることと、最適な断面TEM試料の作製が
困難であると言う課題があった。
に本発明は、集束イオンビーム装置に横方向から電子ビ
ームを試料に照射できる照射系と電子ビーム励起の二次
信号(二次電子、反射電子、透過電子、オージェ電子お
よびX線)を検出する検出器を装着していることを特徴
とする。
励起の二次電子を検出してSIM像観察を行い試料の加
工観察位置出しをした後で、被加工試料表面をイオンビ
ームエッチング加工できるため、被加工試料の特定箇所
の薄膜加工、特に断面TEM試料を作製することができ
る。そして必要に応じて、イオンビームを前記電子ビー
ムに切り換えSEM像による加工状態観察や反射電子、
透過電子、透過散乱電子励起のX線などをモニターする
ことにより薄膜試料の厚さの推定ができる。
ェ電子を検出することにより、試料の断面微小部の元素
分析を非破壊で行うことができる。さらに、イオンビー
ムエッチング前に、被加工試料の加工観察表面に前記イ
オンビームCVDで局所成膜し試料表面を平坦化するこ
とで、試料観察表面をイオンビーム照射によるダメージ
から保護し被加工試料表面の凹凸による加工面(TEM
観察面)の荒れを軽減することができ、イオンビームエ
ッチング加工時に被加工試料を数度傾斜することで、前
記集束イオンビームの広がりによる加工断面の傾きを表
面に対して垂直にしTEM観察面の薄壁の厚さを均一に
することができる。従って、本発明は被加工試料、特に
TEM用試料を最適な形状に加工し、薄膜加工された試
料の厚さの推定ができる。
て説明する。図1は発明の断面加工観察用荷電ビーム装
置を示した概略断面図である。以下、図面に従って説明
する。
オン銃1より引き出されたイオンビーム2は、イオン光
学系3で加速・集束・走査され、集束イオンビーム2と
なる。そして、集束イオンビーム2は5軸試料ステージ
4a上の試料4に照射される。試料4から放出されるイ
オンビーム励起の二次電子は、二次電子検出器5で検出
され、CRT13(図2参照)にSIM(Scanning ion
microscope)像が表示される。これによって、試料4表
面を観察し加工位置出しを行い、集束イオンビーム2照
射によるスパッタエッチング加工で試料の薄膜加工、特
にTEM観察用の試料の作成ができる。
ム2の照射系に対して、90度に成るよう配置されてい
る。次に集束イオンビーム2の試料4への照射を止め、
試料4への照射を電子ビーム7に切り換える。電子銃6
より引き出された電子ビーム7は、電子光学系8で加速
・集束・走査され、上記試料4に照射される。試料4か
ら放出される電子ビーム励起の二次電子とX線は、それ
ぞれ二次電子検出器5とX線検出器10で検出され、ま
た反射電子と透過電子は、それぞれ反射電子検出器9と
透過電子検出器11で検出され、試料への電子ビーム照
射強度とこれら検出信号の強度比が検出される。これら
の検出信号は、薄膜加工された試料の厚さによってその
強度が変化するため、試料厚さと信号強度の関係を予め
実測や計算で求めることによって、薄膜加工中の試料厚
さをおおよそ測定することができる。このように本発明
は、薄膜加工と薄膜試料の厚さを推定できるため、TE
M試料の特定箇所を最適な厚さに加工できる。
図である。イオン光学系の走査電極32および電子光学
系の走査コイル8bにより走査された集束イオンビーム
2および電子ビーム7を、試料4に交互に照射し、イオ
ンおよび電子励起の二次電子5a、5bを二次電子検出
器5で検出する。検出された二次電子5a、5bの信号
は、増幅器5cで増幅され制御用コンピュータ(CP
U)12に取り込まれ、表示用CRT13にSIM像お
よびSEM像として表示される。これによって、試料の
加工位置・加工形状・断面の確認ができる。
ッチング加工で作成されたTEM試料4観察面に、電子
ビーム7を照射し試料表面で反射した反射電子9aを、
反射電子検出器9で検出する。検出された反射電子信号
は、増幅器9bで増幅されCPU12に取り込まれ、C
RT13に反射電子像として表示される。
れて試料表面から放出したX線10aと試料の薄膜加工
された部分を透過散乱した電子が観察試料面以外を励起
して放出したX線10bを、X線検出器10で検出す
る。検出されたX線信号は、増幅器10cで増幅されC
PU12に取り込まれ、CRT13にX線像として表示
される。さらに、照射した電子ビーム7で試料4をほと
んど散乱せずに透過した電子ビーム11aを、透過電子
検出器11で検出する。検出された透過電子信号は、増
幅器11bで増幅されCPU12に取り込まれ、CRT
13に透過電子像として表示される。その他、照射した
電子ビーム7が電流として試料4に流れる吸収電流は、
増幅器4bで増幅されCPU12に取り込まれ、CRT
13に吸収電流像として表示される。
り、加工時の試料4厚さを推測することができるため、
TEM試料の厚さを最適にすることが可能である。その
上、電子ビーム励起の反射電子、透過電子および電子励
起X線は、イオンビーム励起の二次電子とは性質が異な
るため、集束イオンビーム2が照射されている時でも電
子ビーム7を照射し、電子ビーム励起の反射電子像、透
過電子像およびX線像を観察することができる。つま
り、イオンビーム照射によるスパッタエッチング加工で
TEM試料作成をしている間電子ビームも同時に照射
し、電子ビーム励起の反射電子、透過電子および電子励
起X線をモニターすることで、試料の厚さの確認が可能
である。
するための図である。断面TEM観察用試料4である半
導体集積回路(IC)試料の観察予定範囲を含む表面層
(デバイス形成領域)を、機械研磨で図6(a)のよう
な形状に削り込む。試料4は、半導体集積回路を0.5
〜1mmの幅でスライスし、更に表面4aに形成されてい
るデバイス部を50〜100μmの深さで100μm以
下を残し除去する。
照射系により集束イオンビーム2を走査しながら照射
し、その照射による二次電子を二次電子検出器5により
検出してSIM像を観察し、その観察画像は、例えば図
6(b)のようになる。次に、SIM観察画像から、断
面観察位置22を設定する。本実施例の場合の断面観察
位置22は、コンタクトホール19の断面である。そし
て、観察位置22であるであるコンタクトホール部19
を含む広範囲にCVD金属膜23の局所成膜エリア20
を指定し、図示しないガス銃からのCVDガス(金属有
機化合物蒸気)吹き付けと、局所成膜エリア20内の集
束イオンビーム2の繰り返し照射により金属膜23の膜
付け加工を行う。この金属膜23は集束イオンビーム2
の照射による試料表面4aのダメージを軽減する効果が
ある。
束イオンビーム2を照射してエッチングによる穴あけ加
工で目印21を付け、観察位置を簡単に見つけ正確に加
工できるようにする。そして図6(c)のように、コン
タクトホール部22aの中心部を幅0.05〜0.2μ
m残し、左右のエッチングエリア24を深さ10μm位
集束イオンビーム2でスパッタエッチング加工で除去す
る。
(2〜5°)傾けることにより、集束イオンビーム2の
形状によるエッチング断面の傾きを補正し、垂直な薄壁
を作製することができる。そして電子ビーム照射系から
電子ビーム7を試料4のデバイス断面4bの観察位置に
照射し、透過電子検出器11により透過電子11aを検
出し、透過電子強度が十分であることを確認する。透過
電子強度が小さい場合、再び図6(c)のエッチングエ
リア24を断面観察位置22に近づけて、集束イオンビ
ーム2の照射を行う。電子ビームは、図1に示す様に、
集束イオンビームの光軸と直角になっており、試料4の
断面に垂直に照射する。図6(e)、(f)はそれぞれ
加工後の上面および断面の試料4の形状である。
方法を説明するための図である。図4(a)は、試料厚
さと反射電子強度の関係を簡単に表した図である。試料
に照射した電子ビームの飛程とその時の反射電子信号強
度をそれぞれ1.0とした場合、試料厚さが電子ビーム
の飛程より薄くなると反射電子の強度は減少する。試料
厚さと反射電子信号強度の関係は、試料元素や結晶性な
どの材質により異なるが、予め照射電子ビーム強度と反
射電子強度の強度比を測定や計算などで求めることによ
り、薄膜試料の厚さの推定ができる。この方法は、イオ
ンビームによる薄膜加工途中の試料厚さの確認に利用で
きるため、薄膜加工が必要であるTEM試料作成に最適
である。
関係を簡単に表した図である。試料に照射した電子ビー
ムの飛程と照射電子強度をそれぞれ1.0とした場合、
試料厚さが電子ビームの飛程より薄くなると透過電子の
強度は増加する。試料厚さがまだ十分薄くないときは、
透過電子の大部分が透過散乱電子であるため、透過電子
検出器で検出できるのはかなり少ないが、試料厚さが十
分薄くなると、透過電子の大部分が透過電子検出器で検
出されるようになるためこのような図になる。これに対
して透過散乱電子は、まだ試料厚さが十分薄くないとき
にその強度が最大になり、試料厚さがそれ以上薄くなる
とその強度は減少するため、透過散乱電子励起X線強度
は図4(c)のようになる。このように透過電子や透過
散乱電子励起X線も、予め照射電子ビーム強度と透過電
子強度あるいは透過散乱電子励起X線の強度比と試料厚
さの関係を測定や計算などで求めておくことにより、薄
膜試料の厚さの推定ができるため、反射電子同様に薄膜
加工途中の試料厚さの確認ができTEM試料作成に最適
である。
の信号で観察した像を簡単に説明するための図である。
図のように元素や結晶性が異なる構造の試料の場合、電
子ビームの反射率や透過率も異なるため、その見え方も
かなり異なる。反射電子強度は原子番号の大きな元素ほ
ど大きいため、アルミ(Al)配線15やポリシコン
(p−Si)配線17などよりタングステン(W)配線
16の方が明るなり、図5(a)のような反射電子像に
なる。逆に透過電子強度は原子番号の小さな元素ほど大
きいため、Al配線15やpーSi配線17が十分透過
できる厚さでもW配線16は透過できないため図5
(b)のような透過電子像になる。
電子のほとんどは散乱電子であるため、その透過散乱電
子が試料裏側の透過電子検出器の入口などを叩きX線を
放出するため、その入口の元素のX線をマッピングする
と図5(c)のような透過散乱電子励起X線像になる。
さらに薄膜試料のX線発生領域は非常に小さいため、特
定場所の微小部元素分析も容易に行うことができる。そ
してその時の二次電子像が図5(d)である。これらの
検出信号像を単独あるいは複数のCRT上に表示し、イ
オンビームによる薄膜加工と同時に図4のような信号強
度の変化もモニター表示することにより、試料を必要な
厚さに薄膜加工することが容易に行うことができる。
厚さの推定をその場で行うことができるため、特に特定
箇所の観察と分析を行いたいTEM試料の薄膜加工には
最適である。
料の特定箇所をイオンビームよるエッチングで薄膜加工
を行い、加工作業中、必要に応じてイオンビームを電子
ビームに切り換えSEM像観察やX線分析を行うことに
より、加工位置・加工形状・断面の確認や微小部分析が
容易にでき、また反射電子・透過電子・透過散乱電子を
をモニターすることにより、薄膜加工された試料厚さの
推測ができるため、特定箇所の薄膜加工と厚さの確認を
必要とするTEM試料作製に有効である。
信号との関係を示すグラフである。
ある。
Claims (4)
- 【請求項1】 被加工試料表面を走査する集束イオンビ
ーム光学系と電子ビーム光学系と、試料を移動する試料
ステージと、前記イオンビームおよび電子ビーム照射に
よる前記試料からの二次信号を捕らえる検出器を備えた
集束電荷ビーム装置において、前記イオンビームおよび
電子ビームが、前記試料表面に対してそれぞれ垂直及び
水平方向から試料に照射されるように、イオンビームお
よび電子ビーム照射系と前記試料ステージが配置され、
薄膜加工された試料断面に対して電子ビームを直角に照
射した際の電子ビーム照射強度と試料を透過した電子ビ
ームの強度比を検出する検出手段を備えたことを特徴と
する集束電荷ビーム装置。 - 【請求項2】 集束イオンビーム照射によるスパッタエ
ッチング加工を用いて試料の薄膜加工を行い、加工作業
中に必要に応じて前記集束イオンビーム照射を、前記薄
膜試料の薄膜面を照射する電子ビーム照射に切替、前記
電子ビーム照射強度と前記薄膜試料を透過した電子ビー
ムの強度比をモニタすることにより、前記薄膜試料の厚
さがTEM試料として適応するかを調べることを特徴と
する加工観察方法。 - 【請求項3】 集束イオンビーム照射によるスパッタエ
ッチング加工を用いて試料の薄膜加工を行い、加工作業
中に必要に応じて前記集束イオンビーム照射を、前記薄
膜試料の薄膜面を照射する電子ビーム照射に切替、前記
電子ビーム照射強度と前記薄膜試料から発生したX線強
度比をモニタすることにより、前記薄膜試料の厚さがT
EM試料として適応するかを調べることを特徴とする加
工観察方法。 - 【請求項4】 前記電子ビームの照射は、前記集束イオ
ンビーム照射に対して直交している請求項2記載の加工
観察方法。
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