JP4365438B2 - 加工観察装置および加工観察方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体のウェハ（試料）の描画加工や加工した個所の欠陥を観察できる半導体の加工観察装置に関する。

従来の技術では、欠陥部を断面観察するためにＦＩＢ（Ｇａイオンビーム加工装置）で試料に描画加工を施し、その加工断面をフラットミーリングで表面仕上げをし、ＳＥＭ（走査形電子顕微鏡装置）またはＳＩＭ（走査形イオンビーム顕微鏡）で観察していた。

また、特開平４−１１６８４３号公報（特許文献１）に記載のように試料に集束Ｇａイオンビームを照射して試料に描画を形成し、形成した断面の表面をエッチングガスを用いたイオンアシストエッチングまたはイオンビームを用いたエッチング処理することによってクリーニングを行い、ＳＥＭで観察する方法がある。

また特開昭５８−１６４１３５号公報（特許文献２）に示される半導体加工装置は、試料に加工を施す加工用イオンビーム発生手段と、加工したところを観察する電子ビーム発生手段と、加工したところの欠陥を修復するレーザビーム発生手段を有し、これらの三つのビーム発生手段を一つの真空なる加工室に収めた構成を備えている。

特開平４−１１６８４３号公報 特開昭５８−１６４１３５号公報

上記従来技術では３つの装置（ＦＩＢ、フラットミーリング装置、ＳＥＭ）を使用し、ＦＩＢで加工後、試料をフラットミーリング装置に入れ替え、表面仕上げ後さらにＳＥＭに入れ替えるなど多数の工程が発生し、装置毎に入れ替える手間と真空にしたり、大気圧に戻すのに時間をかけていた。

また、特許文献１（特開平４−１１６８４３号公報）の記載では、試料をＦＩＢで加工後、試料をＡｒイオンビーム銃のチャンバ中に移動し、加工粉除去を行う。さらに試料をＳＥＭのチャンバ中に移動して加工断面の観察を行わなければならない。

上記作業は、加工断面を逐次観察しながら加工断面の位置を少しずつ掘込む繰り返し工程の作業になるので、多くの時間が費やす。また移動によるずれが発生しやすく、加工や観測の精度が劣る課題があった。

また半導体ウエハ等は、高加速電圧（５〜３０ｋｅＶ）でＳＥＭ観察すると試料がチャージアップ（帯電）して画像が移動し、画像の観察ができ難い問題がある。しかし、試料のチャージアップを防止するために、低加速電圧（０．６〜３ｋｅＶ）で行うと、付着する加工粉の影響で加工断面の鮮明なＳＥＭ像が得られない問題がある。

また特許文献２（特開昭５８−１６４１３５号公報）は、電子ビームやレーザビームの照射による発熱で欠陥部が伸びる現象を利用して観察を行ったり、レーザビームで加工断面の修復を行うもので、加工断面の鮮明な画像を得ようとするものではない。

本発明は、上記の課題に鑑み、ＦＩＢで加工した加工断面の観測点（個所）に付着する
加工粉の除粉に際し再付着することなく清掃することにより、観測個所を鮮明なＳＥＭ画
像で観測でき、逐次観察しながら加工位置を少しずつ掘込む作業に費やす時間が短縮でき
、試料の加工や観測の精度が高い半導体の加工観察装置を提供することを目的とする。

本発明は、真空容器と、真空容器内にあって、試料を載置する回転可能な試料載置テーブルと、前記試料を走査するようにガリウム集束イオンビームを照射するガリウム集束イオンビーム装置と、前記試料を走査するようにアルゴン集束イオンビームを照射するアルゴン集束イオンビーム装置と、前記試料を走査するように電子ビームを照射する走査形電子顕微鏡装置と、前記照射により前記試料から発生する二次電子を検出する検出器と、前記検出器からの検出信号を画像処理して得られる前記ガリウム集束イオンビームによるＳＩＭ画像、前記アルゴン集束イオンビームによるＳＩＭ画像、及び前記電子ビームにより得られるＳＥＭ画像を表示する画像表示モニターと、を備え、前記ガリウム集束イオンビーム、前記アルゴン集束イオンビーム、及び前記電子ビームが前記試料に集合するように前記ガリウム集束イオンビーム装置、前記アルゴン集束イオンビーム装置、及び前記走査形電子顕微鏡装置が配置されていることを特徴とする。

また本発明は、加工装置の描画加工用イオンビームで試料に描画加工を施した後に除粉装置の除粉用イオンビームで試料に付着している加工粉を除去してから走査形電子顕微鏡装置で描画加工したところの観察を行うことを特徴とする。

本発明によれば、ＦＩＢで加工した加工断面の観測個所を鮮明なＳＥＭ画像で観測でき
、逐次観察しながら加工位置を少しずつ掘込む作業に費やす時間が短縮でき、試料の加工
や観測の精度が高い半導体の加工観察装置を提供できる。

本発明の実施例を図面に沿って説明する。

まず、本発明に係わる半導体の加工観察装置の概要を示す図１に沿って述べる。

この半導体の加工観察装置は、半導体のウェハに描画加工を施すＦＩＢ１１（Ｇａイオンビームを照射する加工装置）と、ＦＩＢが加工した加工断面の観察を行うＳＥＭ１（電子ビームを照射する走査形電子顕微鏡装置）と、加工断面に付着する加工粉を除去するＦＩＢ２１（Ａｒイオンビームを照射する除粉装置）を有する。

加工観察装置の真空容器５０には、ＦＩＢ１１、ＳＥＭ１、ＦＩＢ２１がまとまって収まる。この一つの真空容器５０は、上側容器部と下側容器部を有し、上側容器部にＦＩＢ１１と、ＳＥＭ１、ＦＩＢ２１が取り付けられている。真空容器５０は、１０^−７トール程度の真空度に保たれている。

真空容器５０の下側容器部内には、試料載置テーブル３１が備わる。この試料載置テーブル３１の上に試料３２が載置される。試料３２は半導体のウェハである。この試料３２に前述したＦＩＢ１１、ＳＥＭ１、ＦＩＢ２１の照射する各ビームが集合するようにＦＩＢ１１、ＳＥＭ１、ＦＩＢ２１は配置されている。

試料載置テーブル３１は、回転はもちろん、縦（Ｙ方向）、横（Ｘ方向）に往復移動自在である。

ＦＩＢ２１は、Ａｒイオンビーム２３（除粉用イオンビーム）を照射するイオンビーム
照射源２２を有する。照射される除粉用イオンビームは、Ａｒ用電磁レンズ２４とＡｒ用
対物レンズ２６により絞られ、Ａｒ用偏向レンズ２５で偏向されて試料３２の上面を走査
する。

この描画加工用イオンビームの照射で試料３２の上面に描画（描画加工）が形成される。また描画加工用イオンビームの照射で試料３２から二次電子が発生する。真空容器５０の上側容器部側に備えた検知器３４は、その二次電子を検出する。検知器３４が検知する検知信号は画像処理装置３５で画像処理され、その処理信号によって画像表示モニター３６に表示が行われる。

ＦＩＢ２１は、Ｇａイオンビーム２３（除粉用イオンビーム）を照射するイオンビーム照射源２２を有する。照射される除粉用イオンビームは、Ａｒ用電磁レンズ２４とＡｒ用対物レンズ２６により絞られ、Ａｒ用偏向レンズ２５で偏向されて試料３２の上面を走査する。

この除粉用イオンビームの照射では描画加工は行われないが、ＦＩＢ１１による描画加工で出た加工個所に付着する描画加工の粉をはじき飛ばす掃除が行なわれる。またこの除粉用イオンビームの照射で試料３２から二次電子が発生する。この二次電子は検知器３４で検知され、その検知信号は画像処理装置３５で画像処理され、その処理信号によって画像表示モニター３６に表示が行われる。

ＳＥＭ１は、電子ビーム３を照射する電子ビーム照射源を有する。照射される電子ビームは、ＳＥＭ電磁レンズ４とＳＥＭ対物レンズ６により絞られ、ＳＥＭ偏向レンズ５で偏向されて試料３２の上面を走査する。

この電子ビーム３の走査で、試料３２から発生した二次電子３３は検知器３４で検知され、その検知信号は画像処理装置３５で画像処理され、その処理信号によって画像表示モニター３６に表示が行われ、観察ができる。
このＳＥＭ１による試料３２（半導体ウエハ）の加工個所の観察では、ＳＥＭの加速電圧が０．６〜３ｋｅＶの低加速電圧に保たれたもとで行なわれる。低加速電圧であるので、半導体ウエハ（鉄等の金属と違い導電性が低い）にはチャージアップ（帯電）が行われにくい。このため、画像の移動（ふらつき等）が生じず、安定した画像を観察できる。またＦＩＢ２１による除粉用イオンビームの照射で、加工個所に付着する描画加工の粉がはじき飛ばされて清掃されているので、加速電圧が低圧であるにもかかわらず、鮮明なＳＥＭ像が得られ、ＦＩＢ１１による描画加工の加工断面をより良く観察でき、観察の精度が向上する。

図２に沿って描画加工および観察について述べる。

図２の（ａ）はＦＩＢ１１によるイオンビームを照射してウェハ４１の欠陥部に加工を施したところである。イオンビームの照射の走査はＡ方向の巾で行なわれる。図２の（ｂ）は、ＦＩＢ１１をＳＩＭ（イオンビームのスキャン用いる顕微鏡）とし用いたときの状態を示す。この観察では、ＦＩＢの加速電圧を低く調整してＳＩＭ画像の観察を行なうが、イオンビーム照射の走査（Ｘ２方向）が繰り返されることで、欠陥部が削り取られてしまう不具合が生じる。

これに対し、ＳＥＭ１による観察は電子ビームの照射であるので、欠陥部が切削されてしまう恐れなく、描画加工された加工断面について欠陥の有無を含め詳しく念入りに調べることが出来る。その観察結果を受けて、より正確なＦＩＢによる描画加工を施すことができる。

図３、および図４に沿って除粉について述べる。

図３に示すようにＧａイオンビーム１３（描画加工用イオンビーム）でウエハ４１に加工穴４２を開けられる。この加工穴４２は断面が図４に示されるように、ウエハ４１の表面側層は、タングステン（ｗ）やカーボン（ｃ）などの多層膜を積層した構成になっている。この断面の積層断面をＳＥＭ１で観察し解析するが、積層断面４３にはＦＩＢ加工による加工粉４５が図４（ａ）に示すように付着している。この状態のままでは付着する加工粉４５が支障になってＳＥＭによる鮮明な観察像を得ることができない。

そこで、図４（ｂ）に示すように観察したい多層膜断面にＡｒイオンビーム２３（除粉用イオンビーム）を照射し、付着する加工粉４５を図４（ｃ）に示すように除去してＳＥＭによる鮮明な観察像が得られるようにする。この除粉用イオンビームによる除紛は、ＳＥＭ観察をするところ絞って清掃することが望ましい。

すなわち、除粉用イオンビームの照射で付着する描画加工の粉がはじき飛ばされるような清掃が行われるので、広い範囲でＡｒイオンビームを照射すると他の断面や加工穴４２の底面から加工粉が飛び散り、観察個所に加工粉が再付着する問題が起きる。図４の（ｄ）に示すようにＡｒイオンビーム２３を観察面４６のみに走査して表面処理を行うことで、きれいに表面処理（清掃）された観察面が得られ、ＳＥＭによる鮮明な観察像を得ることができる。

前述したようにＧａイオンビームを照射する加工装置（ＦＩＢ１１）、電子ビームを照射する走査形電子顕微鏡装置（ＳＥＭ１）、およびＡｒイオンビームを照射する除粉装置（ＦＩＢ２１）はまとめて真空容器５０に収められ、かつこれらの三つの装置が照射する各ビームを試料３２に集合するように配置されているので、費やす時間が短縮でき、加工精度の高い描画加工ができる。

すなわち、ＦＩＢ１１、ＳＥＭ１、およびＦＩＢ２１は、一つの真空容器５０に収められ、かつ各ビームが試料３２に集合するように配置される構成にしたので、描画加工の工程、除粉の工程、および観察の工程に移行する度に行っていた試料３２の出し入れ移動が不要なり、これら一連の工程に費やされる作業時間が短縮される。これらの工程は、描画加工位置を少しずつ掘込む作業を通じて逐次繰り返されるので、大幅な時間短縮になるのである。

試料載置テーブル３１は、回転はもちろん、縦（Ｙ方向）、横（Ｘ方向）に往復移動自在になっている。この回転、および往復の移動は、一つウエハの範囲内の僅かな移動あり、かつ試料載置テーブルを安定的に支持する定置盤上で行われるので、移動にともなう位置ずれが殆どなく、加工精度、観察精度が向上するとともに観察個所の正確な掃除を行うことができる。描画加工精度の高い半導体の加工観察装置である。

本発明の実施例に係わるもので、半導体の加工観察装置の概略構成図。 従来の装置で半導体ウエハをＦＩＢで加工と観察を行ったときの状態を示す図。 本発明の実施例に係わるもので、ＦＩＢで加工した半導体ウエハを示す図。 本発明の実施例に係わるもので、ＦＩＢで加工部分の断面図。

符号の説明

１…ＳＥＭ、２…電子銃、３…電子ビーム、４…ＳＥＭ電磁レンズ、５…ＳＥＭ偏向レ
ンズ、６…ＳＥＭ対物レンズ、１１…ＦＩＢ（Ｇａイオン）、１２…Ｇａイオン銃、１３
…Ｇａイオンビーム、１４…ＦＩＢ電磁レンズ、１５…ＦＩＢ偏向レンズ、１６…ＦＩＢ
対物レンズ、２１…ＦＩＢ（Ａｒイオン）、２２…Ａｒイオン銃、２３…Ａｒイオンビー
ム、２４…Ａｒ用電磁レンズ、２５…Ａｒ用偏向レンズ、２６…Ａｒ用対物レンズ、３１
…試料載置テーブル、３２…試料、３３…二次電子、３４…二次電子検出器、３５…画像
処理装置、３６…画像表示モニター、４１…ウエハ、４２…加工穴、４３…積層面、４４
…割断面、４５…加工粉、４６…観察面。

Claims (6)

1. 真空容器と、
   真空容器内にあって、試料を載置する回転可能な試料載置テーブルと、
   前記試料を走査するようにガリウム集束イオンビームを照射するガリウム集束イオンビーム装置と、
   前記試料を走査するようにアルゴン集束イオンビームを照射するアルゴン集束イオンビーム装置と、
   前記試料を走査するように電子ビームを照射する走査形電子顕微鏡装置と、
   前記照射により前記試料から発生する二次電子を検出する検出器と、
   前記検出器からの検出信号を画像処理して得られる前記ガリウム集束イオンビームによるＳＩＭ画像、前記アルゴン集束イオンビームによるＳＩＭ画像、及び前記電子ビームにより得られるＳＥＭ画像を表示する画像表示モニターと、を備え、
   前記ガリウム集束イオンビーム、前記アルゴン集束イオンビーム、及び前記電子ビームが前記試料に集合するように前記ガリウム集束イオンビーム装置、前記アルゴン集束イオンビーム装置、及び前記走査形電子顕微鏡装置が配置されていることを特徴とする加工観察装置。
2. 請求項１記載の加工観察装置において、
   前記試料載置テーブルは、縦横に往復移動自在であることを特徴とする加工観察装置。
3. 請求項１記載の加工観察装置において、
   アルゴン集束イオンビーム装置は、前記アルゴンイオンビームを絞り、集束する電磁レンズと対物レンズを備えることを特徴とする加工観察装置。
4. 請求項１記載の加工観察装置において、
   前記ガリウム集束イオンビームの照射で出た加工粉の掃除をする前記アルゴン集束イオンビームの走査は、前記電子ビームを走査して観察するところに絞ることを特徴とする加工観察装置。
5. 請求項１記載の加工観察装置において、
   前記検出器の検出信号を画像処理する画像処理装置を有し、前記画像処理装置で処理した処理信号によって前記画像表示モニターに画像を表示することを特徴とする加工観察装置。
6. 請求項１記載の加工観察装置において、
   前記走査形電子顕微鏡装置の加速電圧を０．６ｋｅＶ〜３ｋｅＶ程度としたことを特徴とする加工観察装置。

Images