JP4567684B2

JP4567684B2 - 測定方法及び測定装置

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Publication number: JP4567684B2
Application number: JP2006527713A
Authority: JP
Inventors: 俊哉西海; 幸樹安藤
Original assignee: Fujitsu Semiconductor Ltd
Current assignee: Fujitsu Semiconductor Ltd
Priority date: 2004-07-23
Filing date: 2004-07-23
Publication date: 2010-10-20
Anticipated expiration: 2024-07-23
Also published as: US7465923B2; US20070114410A1; WO2006011185A1; JPWO2006011185A1

Description

本発明は、LSI(large scale integration)デバイスの製造工程において、製造工程を行った結果を検査する測定方法及び測定装置であって、特に、製造工程を行った結果、出来上がった、LSIデバイスの断面微細構造の検査を、即時に、正確に行うために使用する測定方法及び測定装置に関する。

LSI(large scale integration)デバイスの微細化が進行すると、製造工程を行った結果物の正確な測定が必要である。なぜなら、製造工程において、微細化の程度に応じた、正確な結果が求められ、その判断には、正確な測定が必要だからである。また、前記の正確な測定の結果は、製造工程の正確性へのフィードバック、製造工程の管理、又は、製造工程を行って得られた、LSIデバイスの性能の管理等に使用されるからである。従って、製造工程中において、製造工程を行った結果を測定することは必須であり、その測定には正確性が求められている。しかし、LSIデバイスの平面的な構造に関する測定（例えば、フォトレジスト幅の測長等）は、通常、即時に行われているが、断面的な構造に関する測定、例えば、ゲート酸化膜の成長工程中の測長、シャロートレンチ絶縁膜の成長工程中の測長、金属配線からの金属の拡散を防止する拡散防止膜成長工程中の測長等は、製造工程中において、即時に、かつ、正確に製造工程の結果を測定するためには行われていなかった。

ところで、通常、断面的な微細構造の観察手段としては、電子線の照射部、試料を透過した電子、あるいは、試料により散乱された電子を検出器に導くのに用いられる電子レンズ、電子線の量を調整する絞り、及び、透過電子線を検出する透過電子検出部から構成されるTEM装置が使用される。
そして、上記のTEM装置においては、試料の観察する上で、絞りの開口を固定として、電子レンズにより透過電子検出器へ導く電子の量を決定していた。
しかし、従来例１に係るTEM装置では、透過電子検出器に対する絞りも兼ねた半導体検出器の構造を、図１に示す絞り兼半導体検出器のような構造とすることにより、絞り兼半導体検出器の開口を可変とすることで、意図しない散乱電子の絞り兼半導体検出器からの通過を制限する工夫がされ、TEM装置により得られる試料通過後の電子回折像の改善がみられている。（特許文献１：特開平６−１３９９８８号公報）
ここで、図１に示す絞り兼半導体検出器は、半導体検出器１と、固定ピン２と、てこピン４と、ガイド穴３と、回転リング５と、台６と、軸７とから構成されている。そして、軸７により回転リングを回転させると、半導体検出器１がガイド穴３にそって動き、固定ピン２を中心に回転する。その結果、複数の半導体検出器１により形成される中央の穴径が変化する。そうすると、半導体検出器1の後に設置された透過電子検出器への電子量が調整される。そして、透過電子検出器及び半導体検出器１は、それぞれが捕捉した電子量に応じた暗視野または明視野の電子回折像が得られる。

一方、従来例２に係るTEM装置では、透過検出器に対する絞りが複数の大きさの開口を有するため、絞りを通過する電子量を調節することができる。その結果、TEM装置により得られる試料通過後の電子回折像の改善がみられている。（特許文献２：特開平５−２１７５３６号公報）
ここで、従来例２に係るTEM装置の絞りを図２に示す。そして、図２の絞りは、４段階の大きさの開口を一組とした開口セットを複数有する下の絞り板133と、前記開口セットを一組有する上の絞り板130と、下の絞り板133の下の保持機構134と、上の絞り板130の上の保持機構131と、下の絞り板133が有する下の絞り穴136と、上の絞り板が有する上の絞り穴132とから構成されている。そして、電子線135の電子量を上の絞り板130で調整した後、さらに、下の絞り板133で調整することができる。また、上の絞り板130と、下の絞り板133とを微妙にずらすことにより、さらに、任意量に、電子線135を絞り込むことができる。

しかし、製造工程中において、製造工程を行った結果を、即時に、かつ、正確に測定する手段としては用いられていなかった。
特開平６−１３９９８８号公報特開平５−２１７５３６号公報

発明が解決しようとする課題
半導体装置の製造工程中において、即時、かつ、正確に、断面的な構造について、製造工程の結果を測定する測定方法及び測定装置を提供する。

課題を解決する手段
上記の問題を解決するため、第１の発明は、結晶部分を含むものを薄膜化して試料を作成する試料作成工程と、前記試料に対して電子線を照射し、前記試料を透過した透過電子線に含まれる前記結晶部分で回折した電子線を任意の量に絞り、前記透過電子線から電子線結像を得る工程と、前記電子線結像中において、前記結晶部分から得られた格子縞の幅と、任意の部分の幅を比較する工程を有し、前記電子線結像中において、前記結晶部分から得られた格子縞の幅と、任意の部分の幅を比較する工程において、さらに、前記電子結像中の前記格子縞の幅と、任意の部分の幅の比率を求め、現実の前記格子縞に対応する格子定数と、前記比率とから、現実の前記任意の部分の幅を求めることを特徴とする測定方法を提供する。
第１の発明に係る測定方法によれば、試料に電子線を照射して得られた電子結像において、試料の厚さ等を厳格にコントロールすることなく、試料中の結晶部分から得られる格子縞が鮮明となるため、前記の格子縞の間隔をもとにして、半導体結晶基板を含む、半導体装置の任意の部分、例えば、半導体装置の製造工程により得られた結果等（ゲート酸化膜の厚さ等）の幅を測長することができる効果がある。

上記の問題を解決するため、第２の発明は、一方の角度から、試料に対してFIBを照射するFIB照射装置と、他方の角度から、前記試料に対して、電子線を照射する電子線照射装置と、前記試料を透過した、前記電子線を検出する電子線検出装置と、前記電子線検出装置と前記試料との間に配設され、電子線が通過する開口の大きさが調整可能な電子線絞りと、前記電子線絞りを通過し、前記電子線検出装置が検出した前記電子線から電子線結像を得て、当該電子線結像中において、前記結晶部分から得られた格子縞の幅と、任意の部分の幅を比較する手段と、を備え、前記手段は、さらに、前記電子結像中の前記格子縞の幅と、任意の部分の幅の比率を求め、現実の前記格子縞に対応する格子定数と、前記比率とから、現実の前記任意の部分の幅を求めることを特徴とする測定装置を提供する。
第２の発明に係る測定装置によれば、上記の電子線絞りが配設されているため、第１の発明に係る測定方法を実施するのに最適である効果がある。また、FIB照射装置と電子線照射装置が一つの装置としてまとめられているため、FIB照射による試料作成の後、すぐにTEM装置による観察結果がわかり、試料作成にかかる試行錯誤の期間を短縮できる効果がある。

は、従来例１のTEM装置の電子線の絞りを示した図である。は、従来例２のTEM装置の電子線の絞りを示した図である。は、試料10を透過した電子線13及び散乱された電子線14が電子回折像12を形成する様子を示した図である。は、実施例1に係る検査方法のフローチャートを示した図である。は、実施例1に係る検査方法における、試料を薄膜化する試料作成工程を図示した図である。は、実施例1に係る検査方法における、余分な電子線を除去して画像の鮮明化を図る画像鮮明化工程を示す図である。は、実施例1に係る検査方法における、結晶格子による格子縞の間隔と、製造工程により追加された部分の厚さを比較する工程を示す。は、実施例２に係る装置の概略を示す図である。は、実施例２に係る装置が、製造工程により追加された部分の測長を行うためのフローチャートを示す図である。は、３種類の試料の形状が異なる場合について、電子線の方向とFBIの方向を示す図である。は、実施例２に係る装置において、電子線の除去を目的とした絞りの調整工程で使用される絞りを示す図である。は、絞りの変形例を示す図である。は、半導体基板上の半導体チップの端とモニター素子の配置位置を示した図である。は、上段の図において半導体チップ100の上記のモニター素子101を示し、拡大図においてFIBの照射により加工して、モニター素子101の素子断面103に電子線の照射ができるような形状に彫り出した試料105を示す図である。は、回路素子の断面と、モニター素子の断面を示す図である。

発明を実施するための形態1
（検査方法）
LSIデバイスの製造工程を行った結果を、即時に、かつ、正確に把握する測定の例として、LSIデバイスの微細構造を測長する測定がある。
しかし、LSIデバイスの平面的な構造に関する測長（例えば、フォトレジスト幅の測長等）は通常、行われているが、断面的な構造に関する測長、例えば、ゲート酸化膜の成長工程中の測長、シャロートレンチ絶縁膜の成長工程中の測長、金属配線からの金属の拡散を防止する拡散防止膜成長工程中の測長等の測長は次の問題点があり、容易ではなかった。

まず、第1の問題点は通常の電子顕微鏡等による拡大観察によっても、測長対象、すなわち、断面構造は、非常に微細（例えば、ゲート酸化膜は、0.5nm程度である）であるため、観察が容易ではなかった。一方、TEM(Transmission Electron microscope)装置による場合は、解像度という面では、問題はないが、意図しない散乱電子まで結像に寄与する等の問題があるため、最適なコントラストを得るには、意図しない散乱電子を除去するための試料の作成作業（例えば、装置の状態に合わせて、電子の散乱を左右する試料の厚さや試料の大きさ等を調整する作業）や、試料の観察までの装置の調整等の準備に時間がかかり容易ではなかった。
ここで、図３は試料10を透過した電子線13及び散乱された電子線14が電子回折像12を形成する様子を示した図である。すなわち、試料10は、結晶部分15を有し、電子線が照射されると、試料により殆ど散乱されずに透過した電子線13と、散乱された電子線14が生じる。散乱されずに透過した電子線13及び散乱された電子線14ともに、電子レンズ11を通過すると、集束する。その結果、散乱されずに透過した電子線13及び散乱された電子線14ともに、絞り17を通過し、検出器で、電子線を検出することにより、試料10の結晶部分15に対応する像16を含む、電子回折像12が形成される。

第２の問題点は以下である。まず、測長を行うには、長さの決定に、高い精度が必要である。しかし、断面的な構造を観測する視点が、測長対象に対して正面から向き合っていない限り、観察映像から、観察対象の正確な長さを割り出すことは容易ではなかった。例えば、観察対象の正確な長さをａとし、観察映像中の長さをｂとし、観察対象の法線からＸ度傾いた方向から観察したとすると、ａはｂをcosXで除したものとなるが、観察映像のみからは、視点の方向を正確に割り出すことができないため、観察対象の正確な長さａを割り出すことができないからである。

そこで、上記の問題を解決するための実施例１に係る測定方法を説明する。そして、実施例１の測定方法を説明するため、フローチャートを示す図４、試料作成工程を示す図５、試料に電子を照射し、試料を透過した電子線を任意の量に絞ることにより、すなわち、余分な電子線を除去することにより、鮮明な電子回折像を得る画像鮮明化工程を示す図６と、測長工程を示す図７とを用いる。

まず、図４は、実施例1に係る測定方法のフローチャートを示す。そして、実施例１に係る測定方法は、測定を行ないたい部分、すなわち観察対象を取り出し、薄膜化を行って試料を作成する試料作成工程20と、試料に電子を照射し、試料を透過した電子線を任意の量に絞ることにより、すなわち、余分な電子線を除去することにより、鮮明な電子回折像を得る画像鮮明化工程22と、電子回折像中において、試料の結晶部分に相当する部分の格子縞の幅と、製造工程により追加された部分の幅を比較し、前記の製造工程により追加された部分の現実の厚さを特定する測長工程24を含むことを示す。

次に、図５は、観察対象を薄膜化する試料作成工程20を図示したものである。そして、図５は半導体チップ30中の観察対象31を示す左図と、観察対象31の薄膜化の過程を示す右図とから構成されている。
まず、前記試料作成工程20では、半導体チップ30中の観察対象31を、矢印で示すように、半導体チップ30から切り出す。次に、FIB32を上部より照射して、結晶基板34及び製造工程において追加された部分35が同一断面に現れるように、観察対象31を削り、薄膜化を行って試料33を作成する試料作成工程20である。
なお、薄膜化といった場合、上記では、FIB32を上部より照射して薄膜化する例を示したが、観察対象31の研磨等の手段で、薄膜化を行ってもよい。

次に、図６は、余分な電子線を除去して画像の鮮明化を図る画像鮮明化工程22を示す。まず、図６に示すように、結晶部分45を含む試料40に電子線をあてると、殆ど回折しない透過電子線43と、回折した透過電子線44が発生し、電子レンズ41により検出器上に結晶部分の像46を含む電子回折像42を得ることができる。次に、絞り47を矢印のように左右に動かすことにより、通過する電子線の量を調整すること、すなわち、回折した透過電子線44を通過させるか否かを選択することができる。言い換えれば、余分な回折した透過電子44の通過を除去することにより、結晶部分の像46において、結晶格子による格子縞を鮮明化する工程が、画像鮮明化工程である。

次に、図７は、電子回折像上において、結晶格子による格子縞の間隔と、製造工程により追加された部分の幅を比較する作業を含む測長工程24を示す。ここで、図５に示す画像鮮明化工程により、結晶格子により回折した透過電子線44を除去した結果、電子回折線像中で結晶部分の像52において、結晶格子縞が鮮明となっている。そこで、実線53で示した格子縞の間隔、すなわち、白矢54で示した幅を電子回折像上で測長し、電子回折像上の製造工程で追加された部分50の幅とを比較し、比率を求める。そして、現実の結晶格子定数と、上記の比率から製造工程で追加された部分の現実の厚さ、例えば、ゲート酸化膜50や、層間絶縁膜51の現実の厚さを割り出す工程が、製造工程により追加された部分の厚さを特定する測長工程24である。

以上を簡単にまとめると、実施例１の測定方法は、半導体チップから、基板結晶と製造工程により付加された部分を含むように観察対象を薄膜化して試料を作成する試料作成工程と、前記試料に対して電子線を照射し、前記試料を透過した電子線に含まれる、結晶部分で回折した電子線を任意の量に絞り、検出器により電子線回折像を得る工程と、前記電子回折像中において、基板結晶から得られた格子縞の幅と前記製造工程により付加された部分の幅を比較する作業を含み、前記製造工程により付加された部分の現実の厚さを特定する測長工程を、当該測定方法が含むものである。したがって、実施例１の測定方法によれば、試料の厚さ等を厳格にコントロールしなくても、結晶部分で回折した電子線を絞って、基板結晶から得られた格子縞が鮮明となった電子線回折像を取得できるため、電子線回折像中の基板結晶の格子縞の間隔をもとにして、製造工程により得られた結果（例えば、ゲート酸化膜の厚さ）を測長することができる効果がある。また、基板結晶から得られた格子縞の間隔を基準に測長を行うため、試料を観察する方向が、厳密に正面である必要がない効果がある。格子縞の間隔は物理定数であり、常に一定値であるので、格子縞の間隔と格子縞の映像上の幅とを比較することにより、映像中の長さと実際の長さの相関関係を割り出すことができるからである。

発明を実施するための形態２
（検査方法を行うのに適した検査装置）
LSIデバイスの断面的な構造に関する測長、例えば、ゲート酸化膜の成長工程中の測長、シャロートレンチ絶縁膜の成長工程中の測長、金属配線からの金属の拡散を防止する拡散防止膜成長工程中の測長等の測長を行う場合に、即時に、TEM装置により行うのには、次の問題があった。
まず、断面的な構造を観測するための試料作成が必要であり、FIB(focused ion beam)装置等による、断面構造の露出加工が必要となる状況にある。また、試料をTEM装置により観測しても、その試料により良好な結果を得られるとは限られないという状況である。なぜなら、電子散乱の状況は試料の大きさや厚さが影響し、調整が容易ではないからである。そこで、良い観測結果が得られるまで、試料作成について試行錯誤を繰り返すことになり、FIB装置と、TEM装置の間を行き来して行う試行錯誤には時間がかかる問題があった。

そこで、上記の問題を解決するための実施例２に係る測定装置を説明する。そして、実施例２に係る測定装置を説明するため、実施例２に係る装置の概略を示す図７、当該装置を用いて行う測定のフローチャートを示す図９、余分な電子線を除去する画像鮮明化工程に用いる絞りを説明する図10を用いる。

まず、図８に示す実施例２の係る装置は、コントローラ60と、イオンビーム制御系61と、電子線検出器64からの信号を処理し、電子線回折像を形成する信号処理回路62と、ステージ駆動回路63と、電子線の量を調整する絞りを有し、試料66を透過した電子線を検出する電子線検出器64と、FIB及び電子線を試料66に対して直進させるため、減圧状態を維持する試料室65と、試料66を乗せる試料ステージ67と、FIBを試料66に向け照射するFIB照射装置68と、電子線を試料66に向け照射する電子線照射装置69と、電子線制御系70とから構成されている。
そして、コントローラ60は、CPU等の演算及び制御回路を含み、FIB照射装置68を制御するイオンビーム制御系61と、電子線照射装置69を制御する電子線照射装置69と、信号処理回路62と、及び、試料ステージ67を駆動するステージ駆動回路63に指令を送る。その結果、実施例２に係る装置は、図９に示すフローチャートに沿って動作し、製造工程により追加された部分の測長を行うことができる。

次に、図９は、実施例２に係る装置が、製造工程により追加された部分の測長を行うためのフローチャートを示す。まず、試料作成工程71において、コントローラ60は、ステージ駆動回路63に指令を送り、試料ステージ67上の試料66の位置決めを行うとともに、試料66の上方より、イオンビーム制御系61を通じてFIB照射装置68よりFIBを照射し、試料66の薄膜化を行って試料66の厚さの最適化を図る。次に、鮮明な電子回折像を得る画像鮮明化工程72において、まず、コントローラ60は、電子線制御系70に指令を送り、電子線照射装置69から、試料66に対して電子線を照射する。
なお、電子線照射装置69が向いている方向と、FIB照射装置68が向いている方向とは、異なる方向である。なぜなら、FIBの照射による試料66の薄膜化には、上方からの照射が適しているが、電子線の透過により、試料66の断面を観察するには、電子線の照射は側面方向から電子線を照射するのが適しているからである。ただし、FIB照射の方向と、電子線照射の方向は、直交している必要なない。なぜなら、照射した電子線が試料66を透過することが期待でき、かつ、FIB照射装置と、衝突しない方向からの照射であれば充分だからである。

上記のことを、図10を用いて説明する。図10は、左図、中央図、右図からなり、異なる３種類の試料の形状について、電子線の方向とFBIの方向を図示したものである。
まず、左図は、断面観察に使用する突起部分と傾斜部分を有する試料115に対するFIBの照射方向と、電子線の放射方向を示したものである。すなわち、突起部分を薄膜化するため、FIBは上方から照射され、電子線は傾斜部分にあわせて、斜め右上から放射される。
なお、試料115のような形状となっているのは、突起部分を切り出す前の試料115の形状が半導体チップのように大きいものである場合に、半導体チップの端に、断面を観察するための突起部分を形成するが、半導体チップ全体を突起部分の下部にあわせるように削り込むことは時間がかかり困難であるから、電子線を放射される方向に傾斜部を設けたためである。
次に、中央図は、試料118が突起部分のみを有し、突起部分が上方を向いている場合に、FIBの照射を上方から行ない、電子線の放射は、突起部分の側面から行うことを示したものである。試料118が逆T型の形状なのは、試料118の元の形状がそれほど大きくなく、試料118の両方の端をFIBの照射により削り落としたからである。
さらに、右図は、試料121が突起部分のみを有し、突起部分が右方向に向いている場合に、FIBの照射を右側から行ない、電子線の放射は、上方から行ったことを示したものである。試料121がT型を横に倒したようになっているのは、試料の元の形状がそれほど大きくなく、試料121の上下の端をFIBの照射により削り落としたからである。

次に、図９に戻り、鮮明な電子回折像を得る画像鮮明化工程73の説明を続ける。鮮明な電子回折像を得る画像鮮明化電子線工程73において、コントローラ60は、信号処理回路62に指令を送り、試料66を透過した電子線を検出する電子線検出器64で受けた信号を処理することにより、電子線回折像を形成する。
次に、回折した電子線の除去を目的として、試料を透過した電子線の量を調整するため、コントローラ60が信号処理回路62に指令を送り、電子線検出器64が有する、電子線の量を調整する絞りの開口の大きさを調整する。その結果、試料66の結晶部分で回折した電子線は絞られ、結晶部分の画像の濃淡がはっきりする。また、電子線回折像中の結晶部分に現れる回折格子縞は鮮明となる。
次に、試料66の薄膜化の状態を判断する工程75では、絞りの開口の大きさの調整を行った結果、得られた電子線回折像について、充分に、鮮明なものが得られたかを判断する。そして、電子線回折像が充分に鮮明でないと判断するときは、コントローラ60に対して、薄膜化の量を指定して、もう一度、試料作成工程71に戻るよう指令する。一方、電子線回折像が充分に鮮明であると判断するときは、次の工程へ進む。

次に、測長工程76は、電子線回折像中の試料の結晶部分により形成された格子縞の幅と、製造工程により追加された部分の幅を比較する作業を含む。その比較作業の後に、試料の結晶部分が有する、格子定数と、上記の比較作業の結果得られた、格子縞の幅と製造工程により追加された部分の幅との比率から、製造工程により追加された部分の現実の厚さを割り出す。

ここで、上記の電子線検出器64が有する絞りを、図11に示す。そして、図11は、絞り84を構成する板80を示す上段図と、絞り84の全体を示す下段図とで構成されている。
すなわち、図11の下段図に示す絞り84は、図11の上段図に示した、突起部分83と、幅が一定な長方形状の開口81と、卵の断面とほぼ同一な形状をした開口82を有する板80を、2枚、向かい合わせに重ねて構成されており、上記の卵の断面とほぼ同一な形状をした開口82が、重なった部分に開口85を有する。そして、一方の板に対して、他方の板がスライドすることにより、前記の開口85の大きさを調整することができる。なお、板をスライドすることにより、開口85の大きさが変化するのであれば、かならずしも卵の断面とほぼ同一な形状をした開口82である必要はなく、開口が一点を起点として末広がりの形状(例えば、扇型)であってもよく、さらに、楕円型の形状であってもよい。
なお、卵の断面とほぼ同一な形状をした開口82の形状を卵型の断面状としたのは、開口85がほぼ円形となることが目的である。従って、卵の断面とほぼ同一な形状とは、半径を徐々に大きくした複数の円を重ねて得られた図形である。

さらに、絞りの変形例を図12に示す。そして、図12は、絞り112示す右図と、絞り112を構成する板111を示す左図とから構成されている。そして、板111は卵の断面とほぼ同一な形状をした開口110を有する。また、絞り112は、板111を8枚重ねて構成されており、8枚の板の内、一枚を０度の角度で配置し、その後、他の板を順次、45度の角度をつけで重ねて配置して構成される。さらに、それぞれの板の開口110が重なり合った結果、開口110の共通部分として、開口113が構成される。そうすると、それぞれの板111を、同時に同量、スライドさせることにより、開口113の大きさは連続可変とでき、開口113は、任意の大きさに調整される。なお、開口110の形状を卵型の断面状としたのは、開口113がほぼ円形となることが目的である。従って、卵型の断面状とは、実際は、半径を徐々に大きくした複数の円を、少しずつ中心位置をスライドさせながら、重ねて得られた図形である。

上記の実施例２に係る測定装置は、一方の角度から、測定対象に対してFIBを照射するFIB照射装置と、他方の角度から、前記測定対象に対して、電子線を照射する電子線照射装置と、前記測定対象を透過した、前記電子線を検出する電子線検知装置と、電子線検知装置と測定対象との間に配設され、電子線が通過する開口の大きさを連続的に調整可能な電子線絞りとを有する。実施例２に係る測定装置によれば、上記の電子線絞りにより任意の量に電子線を絞ることができるため、実施例１に示す測定方法を実施例２に係る測定装置により行うことができる。すなわち、実施例２に係る測定装置は、実施例１に係る測定方法を実施するのに最適な測定装置である。また、FIB照射装置と電子線照射装置がまとめられているため、試料作成の後、すぐにTEM装置による観察結果がわかり、試料作成にかかる試行錯誤の期間を短縮できる効果がある。

発明を実施するための形態３
（検査方法を行うのに適した半導体装置）
LSIデバイスの断面的な構造に関する測長、例えば、ゲート酸化膜の成長工程中の測長、シャロートレンチ絶縁膜の成長工程中の測長、金属配線からの金属の拡散を防止する拡散防止膜成長工程中の測長等の測長を行う場合に、即時に半導体装置を用いて行うには、次の問題があった。すなわち、断面的な構造を測定するための試料作成が必要であり、断面構造を露出する加工は、半導体装置の素子部分について行う必要があるにも係わらず、加工対象である素子を特定する手間がかかる問題があった。

そこで、上記の問題を解決するための実施例３に係る半導体装置を説明する。そして、実施例３に係る半導体装置を説明するため、実施例３に係る半導体装置の概略を示す図13、当該半導体装置を用いて作成した測定用試料を示す図14を用いる。
まず、図13は、半導体基板90を示す左図と、半導体基板上の半導体チップ92の端を拡大した右図とから構成されている。そして、図13の左図に示した半導体基板90上には、回路素子が形成されている半導体チップ92が、行、列状態に制作されている。また、図13の右図に示す半導体チップ92の端には、半導体チップ92を半導体基板90から切り離すためのスクライブ領域が配置されている。また、そのスクライブ領域には、半導体チップに傷がつくのを防止するため、半導体チップ92を切断する装置の刃が左右に振れないようにガイドするスクライブライン91が設けられている。さらに、スクライブ領域には、スクライブライン91に沿って、半導体チップ92が切断されたとしたなら、同時に切断される位置にモニター素子93が配置されている。
ここで、上記のモニター素子93は、半導体チップ92上の回路素子と断面的な構造において同一の構造である。従って、半導体チップ92が個々に切断された場合に、実施例２に係る装置において、FIBを照射して、図14に示すような形状に上記のモニター素子93を加工した後、電子線の照射を行って、上記のモニター素子93の断面的な構造を反映した電子線回折像を得ることができる。

図14の拡大図に示した試料105は、図14の上段の図に示した半導体チップ100の上記のモニター素子101を、FIBの照射により加工して、モニター素子101の素子断面103に電子線の照射ができるような形状に彫り出した試料105である。そして、上記の試料105は、半導体チップ100の端から100μm〜200μm程度の距離に、厚さ50nm〜200nm程度の直方体状の電子線を照射する突起部分102と、それに引き続き、角度45度以下の傾斜部104とを有する。傾斜部104を設けるのは、傾斜部104のある側から電子線を照射する部分102に向けて、電子線を照射することができるようにするためである。
なお、モニター素子101には、半導体チップ100上の回路素子と同一の断面をもたせることもできるし、回路素子の一部の断面をもたせることもできる。また、回路素子間を絶縁する絶縁素子の形状をもたせることができる。

このことを、図15を用いて説明する。そして、図15は、回路素子の断面と、モニター素子の断面を示す図であり、断面図125と、断面図126と、断面図127と、断面図128から構成されている。また、断面図125は回路素子であるMOSトランジスタと、MOSトランジスタを電気的に分離する絶縁素子の断面の一部を示すものである。さらに、断面126は回路素子であるMOSトランジスタと同一な断面構造をもつモニター素子を示すものである。次に、断面127は、回路素子であるMOSトランジスタのゲート酸化膜部分のみを取り出した断面構造をもつモニター素子を示すものである。さらに、断面図128は、MOSトランジスタを分離する絶縁素子を取り出した断面構造をもつモニター素子を示したものである。

以上を簡単にまとめると、実施例３に係る半導体装置は、半導体回路を構成する回路素子と、測定に用いられる測定素子と、個々に切りわけるための切断領域とを備える半導体装置であって、半導体装置は半導体基板上に作成され、回路素子と測定素子とは、断面的な構造において同一であり、切断領域内であって、半導体基板から半導体装置を個々に切りわけるときに、測定素子を切断する位置に、測定素子が配置されており、その測定素子の切断面を測定に用いることを特徴とする。

実施例３に係る半導体装置においては、その半導体装置を切り離すと、上記の測定素子の断面が観察可能な状態となっているため、その測定素子について、実施例１の測定方法を容易に実施することができる。また、測定素子と半導体装置内の実際の回路素子とは、全体又はその一部において同一の構造をしているため、実際の回路素子を破壊せずに、その回路素子の構造と同様な測定素子の構造を測長できる効果がある。また、その測定素子は、半導体装置の端にあるため、実施例２の測定装置を使用して容易に、実施例１の測定方法により測長ができる効果がある。

符号の説明

１半導体検出器
２固定ピン
３ガイド穴
４てこピン
５回転リング
６台
７軸
10 試料
11 電子レンズ
12 電子回折像
13 散乱されずに透過した電子線
14 散乱された電子線
15 結晶部分
16 試料の結晶部分に対応する像
17 絞り
20 試料作成工程
22 鮮明な電子回折像を得る画像鮮明化工程
24 測長工程
30 半導体チップ
31 観察対象
32 FIB
33 試料
34 結晶基板
35 製造工程において追加された部分
40 試料
41 電子レンズ
42 電子回折像
43 殆ど回折しない透過電子線
44 回折した透過電子線
45 結晶部分
46 結晶部分の像
47 絞り
50 製造工程で追加された部分
51 層間絶縁膜
52 結晶部分の像
53 実線
54 白矢
60 コントローラ
61 イオンビーム制御系
62 信号処理回路
63 ステージ駆動回路
64 電子線検出器
65 試料室
66 試料
67 試料ステージ
68 FIB照射装置
69 電子線照射装置
70 電子線制御系
71 試料作成工程
73 鮮明な電子回折像を得る画像鮮明化工程
75 薄膜化の状態を判断する工程
76 測長工程
80 板
81 長方形状の開口
82 卵の断面とほぼ同一な形状をした開口
84 絞り
85 開口
90 半導体基板
91 スクライブライン
92 半導体チップ
93 モニター素子
100 半導体チップ
101 モニター素子
102 電子線を照射する部分
103 素子断面
104 傾斜部
105 試料
110 開口
111 板
112 絞り
113 開口
115、118、121 試料
116、119、123 FIB
117、120、122 電子線
125、126、127、128 断面図
130 上の絞り板
131 上の保持機構
132 上の絞り穴
133 下の絞り板
134 下の保持機構
135 電子線
136 下の絞り穴

Claims

結晶部分を含むものを薄膜化して試料を作成する試料作成工程と、
前記試料に対して電子線を照射し、前記試料を透過した透過電子線に含まれる前記結晶部分で回折した電子線を任意の量に絞り、前記透過電子線から電子線結像を得る工程と、
前記電子線結像中において、前記結晶部分から得られた格子縞の幅と、任意の部分の幅を比較する工程を有し、
前記電子線結像中において、前記結晶部分から得られた格子縞の幅と、任意の部分の幅を比較する工程において、
さらに、
前記電子結像中の前記格子縞の幅と、任意の部分の幅の比率を求め、
現実の前記格子縞に対応する格子定数と、前記比率とから、現実の前記任意の部分の幅を求めることを特徴とする測定方法。
ＬＳＩデバイスのＳｉ結晶部分を含むものを薄膜化して試料を作成する試料作成工程と、
前記試料に対して電子線を照射し、前記試料を透過した透過電子線に含まれる前記結晶部分で回折した電子線を任意の量に絞り、前記透過電子線から電子線結像を得る工程と、
前記電子線結像中において、前記結晶部分から得られた格子縞の幅と、任意の部分の幅を比較する工程を有し、
前記電子線結像中において、前記結晶部分から得られた格子縞の幅と、任意の部分の幅を比較する工程において
さらに、
前記電子結像中の前記格子縞の幅と、任意の部分の幅の比率を求め、
現実の前記格子縞に対応する格子定数と、前記比率とから、現実の前記任意の部分の幅を求めることを特徴とする測定方法。
請求項１に記載した測定方法であって、
前記試料作成工程において、
前記結晶部分を含むものの薄膜化を、FIBの照射により行うことを特徴とする測定方法。
請求項２に記載した測定方法であって、
前記ＬＳＩデバイスの試料作成工程において、
前記結晶部分を含むものの薄膜化を、FIBの照射により行うことを特徴とする測定方法。
請求項１乃至４のいずれか１項に記載した測定方法であって、
前記電子線結像を得る工程において、
電子線を検出する装置を用いて行われ、
前記試料と電子線を検出する装置との間に配置された絞りを連続可変にすることにより、
前記結晶部分で回折した電子線を任意の量に絞ることを特徴とする測定方法。
一方の角度から、測定対象に対してFIBを照射するFIB照射装置と、
他方の角度から、前記測定対象に対して、電子線を照射する電子線照射装置と、
前記測定対象を透過した、前記電子線を検出する電子線検出装置と、
電子線検知装置と測定対象との間に配設され、電子線が通過する開口を調整可能な電子線絞りと、
前記電子線絞りを通過し、前記電子線検出装置が検出した前記電子線から電子線結像を得て、当該電子線結像中において、前記結晶部分から得られた格子縞の幅と、任意の部分の幅を比較する手段と、
を備え、
前記手段は、
さらに、
前記電子結像中の前記格子縞の幅と、任意の部分の幅の比率を求め、
現実の前記格子縞に対応する格子定数と、前記比率とから、現実の前記任意の部分の幅を求めることを特徴とする測定装置。
一方の角度から、測定対象に対してFIBを照射するFIB照射装置と、
他方の角度から、前記測定対象に対して、電子線を照射する電子線照射装置と、
前記測定対象を透過した、前記電子線を検出する電子線検出装置と、
電子線検知装置と測定対象との間に配設され、電子線が通過する開口を調整可能な電子線絞りと、
前記電子線絞りを通過し、前記電子線検出装置が検出した前記電子線から電子線結像を得て、当該電子線結像中において、前記結晶部分から得られた格子縞の幅と、任意の部分の幅を比較する手段と、
を備え、
前記手段は、
さらに、
前記電子結像中の前記格子縞の幅と、任意の部分の幅の比率を求め、
現実の前記格子縞に対応する格子定数と、前記比率とから、現実の前記任意の部分の幅を求め、
前記絞りは、
第１の開口を、中央部分に有する２枚の板を、
一方の板が有する第１の開口と、他方の板が有する第１の開口とが向かい合うように、重ねることで構成され、
一方の板の第1の開口と他方の板の第1の開口が重なって得られる第２の開口の大きさを、一方の板を他方の板に対してスライドすることにより、調整することを特徴とする測定装置。
一方の角度から、測定対象に対してFIBを照射するFIB照射装置と、
他方の角度から、前記測定対象に対して、電子線を照射する電子線照射装置と、
前記測定対象を透過した、前記電子線を検出する電子線検出装置と、
電子線検知装置と測定対象との間に配設され、電子線が通過する開口を調整可能な電子線絞りと、
前記電子線絞りを通過し、前記電子線検出装置が検出した前記電子線から電子線結像を得て、当該電子線結像中において、前記結晶部分から得られた格子縞の幅と、任意の部分の幅を比較する手段と、
を備え、
前記手段は、
さらに、
前記電子結像中の前記格子縞の幅と、任意の部分の幅の比率を求め、
現実の前記格子縞に対応する格子定数と、前記比率とから、現実の前記任意の部分の幅を求め、
前記絞りは、
第１の開口を、中央部分に有する８枚の長方形の板を、
前記８枚の長方形の板の内、一の前記長方形の板を０度の角度として配置し、
前記第１の開口の一部が重なるように、順次、他の一の前記長方形の板を45度の角度をつけて重ねて配置して構成され、
前記８枚の長方形の板の前記第１の開口の共通部分により得られた第２の開口について、８枚の長方形の板をそれぞれの配置角度にそって、同程度スライドすることにより、前記第２の開口の大きさを調整することを特徴とする測定装置。
請求項６乃至８のいずれか１項に記載した測定装置であって、
前記一方の角度は、垂直方向であり、
前記他方の角度は、水平方向であることを特徴とする測定装置。
請求項６乃至８のいずれか１項に記載した測定装置であって、
前記一方の角度は、水平方向であり、
前記他方の角度は、垂直方方向であることを特徴とする測定装置。