JP4667650B2 - 断面観察方法及び集束イオンビーム装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、画像内パターンの形状測定を自動的に実行する機能を備えた走査型顕微鏡における輝度調整技術に関し、特に断面加工して断面に形成されたパターンの形状測定を自動的に実行する機能を備えた集束イオンビーム装置に適した輝度調整技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスの内部構造等の試料内部構造を観察する際に図４に示すような集束イオンビーム装置を用い、断面加工を行って断面を露出させて後、該断面を走査顕微鏡画像として観察することが行われている。すなわち、集束イオンビーム装置は素材の加工と顕微鏡観察ができることから、近年これを用いた試料断面加工・観察が頻繁に行われるようになっている。断面サイズは大体数μｍ〜数十μｍ程度である。イオン源１からのイオンはイオン光学系３によってビーム状に絞られ、該イオンビーム２はデフレクタ４の作用を受けて試料９の面上所定箇所に照射される。この集束イオンビーム装置は走査イオン顕微鏡機能と、スパッターエッチング機能と、マスクレスデポジション機能とを備えている。デフレクタ４により走査されたイオンビームの照射により試料から弾き出された二次イオンまたは二次電子といった荷電粒子を二次荷電粒子検出器６によって検出し、その検出値を照射位置と対応させて画像化することで走査イオン顕微鏡として機能し、デフレクタ４により位置決めされたイオンビームの照射によりその部分の試料素材をスパッタリングして飛散させることによってスパッターエッチング機能をなし、ガス銃５から原料ガスを噴射させながら集束イオンビーム２を照射して該照射位置に該材料の層を形成させるデポジション機能を果たすものである。
このような集束イオンビーム装置を用いた断面加工の基本形な手順としては図３Ａに示すようにまず試料中の断面観察を実行したい個所を特定することになるが、断面を観察するためには露出した断面部の前方（破線で囲まれた部分）を広く空けておく必要がある。それは断面の顕微鏡像を得るには断面に対して深い角度からのビーム走査が必要となるためである。加工領域が特定されると図３のＢに示すように試料面に対し垂直方向からのイオンビームにより粗加工を施す。この加工は観察断面Ｖを露出させるというよりは観察に必要な穴あけ加工であるから、大電流ビームを用いた荒いスパッタエッチングとなりＢに図示されているように観察断面Ｖはダメージを受けている。このスパッタエッチングの作業はガス銃５からアシストガスを噴射させ、スパッタされた素材を該アシストガスの作用により揮発させることでエッチング効率を高めることができる。穴あけ加工が終了した段階でビーム電流を低く押さえたエッチングにより観察断面の研磨加工を実行し、図３のＣに示すようなきれいな断面を露出させる。この前処理の後試料台をチルトさせ、断面に対し深い角度からイオンビームが照射されるようにしてビーム走査を実行し、観察所望断面の走査イオン顕微鏡像を得る。
【０００３】
ところで、この種の集束イオンビーム装置には顕微鏡像を表示するディスプレイ11が組み込まれており、該顕微鏡像を見易い表示形態にするため、観察視野でイメージ全体の輝度情報が指定した平均輝度となるように自動調整する機能がコンピュータ10に備えられている。この機能によって、ディスプレイ上のイメージ全体としては見易い表示形態がとられるのであるが、この断面観察が断面部分に形成されたパターンの形状把握と評価であるような場合に、着目パターンの存在する断面部分の輝度が暗かったり、明る過ぎたりして着目パターンの輪郭が観察出来ないということが起こる。この現象は観察視野内において断面が占める割合が低い場合に顕著となる。ところが、この断面観察の場合には前述したように、まず試料面上方からイオンビーム２を照射して断面前方部分の穴空けを行う前処理作業が必要であり、該断面加工が終了したところで試料ステージ７をチルト（傾斜）させて断面に深い角度からイオンビーム２を走査させ断面画像を得ることになる。この試料ステージ７の移動は顕微鏡を高倍率の状態にしたときには視野逃げを起こす原因となる。そこで、チルト駆動時の顕微鏡像は比較的低倍率で取得することになるが、その場合観察対象となる断面部の観察視野内において占める割合が低くなり、輝度調整が観察対象に適してなされず着目パターンが観察出来ないという現象が起こるのである。パターンが観察できないと位置確認をしながら着目パターンを顕微鏡画像の中心に捉えて高倍率での形状測定を実行することができない。
また、従来装置を用いた試料の断面加工と該断面部パターンの形状測定においては、定型の作業であっても観察前の断面加工から着目パターンの確認と位置調整そして着目パターンの形状測定までの一連の作業一つ一つをオペレーターが集束イオンビーム装置に張りついてその都度同様の操作を実行しなければならないという作業効率上の問題があった。とくに繰返しパターン構造の試料における作業では全く同様の作業を繰返すことが多く、オペレータのストレスにもなっていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、ディスプレイ上での顕微鏡画像の輝度調整が視野内の周辺イメージの輝度に影響されず観察領域が適正輝度となるように調整して、着目パターンの輪郭抽出を確実に行えるようにすることより、パターンマッチングやその形状測定を自動で行うことができる集束イオンビーム装置を提供することにある。また、定型の形状測定を実行する場合に一連の作業をオペレーターがシステムに張りついて操作をその都度繰返す必要のない、該作業を支援するシステムを構築することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の走査型顕微鏡における輝度調整は、顕微鏡像の所望領域を指定する手段と、該指定領域内の画像の平均輝度を指定する手段と、該指定された輝度調整量に基いて顕微鏡像全体を輝度調整する手段を備えることにより、視野内周辺画像に影響されず指定領域内の画像を適正輝度で表示できるようにした。
また、少なくとも二次元移動と傾斜変更を可能とする試料ステージ駆動機構と、断面部加工から試料ステージのチルトと断面部の顕微鏡像の取得までの一連の断面加工・着目パターンアクセスプログラムを実行する手段と、着目パターンの形状測定をプログラムに従って実行する手段とを備えることにより、試料の断面部に形成されたパターンの形状を自動的に測定できるようにした。
【０００６】
【発明の実施の形態】
試料の加工とその加工状態を顕微鏡像で確認ができる集束イオンビーム装置を用いて、試料内部の構造を観察したいという場合、まず、試料の断面を露出させる加工が実行される。図３のＣに示したように観察断面部Ｖの前方に穴Ｈが穿設され、観察断面部Ｖはきれいに仕上げ加工された状態となる。このときの試料を上方からの走査顕微鏡画像は図１のＡに示したようになる。集束イオンビーム装置には自動輝度調整機能が働き観察視野内の試料の形態が全体として見易い状態に調整される。ところがこの図で示されるようにこの場合の観察対象である断面部Ｖの表示画像は暗く着目パターンＰの存在を観察することが出来ない。この穴空け加工された断面部の顕微鏡像を得るためには深い角度からイオンビームの走査を実行する必要があり、試料ステージを駆動して試料面をチルトしなければならない。そのチルトさせた状態で得た顕微鏡像を図１のＢに示している。試料の移動は必然的に顕微鏡視野内の移動を伴うことになり、その際の視野逃げを避けるため顕微鏡倍率はこの時低く設定されている。ということは観察の対象となる領域が顕微鏡視野内で占める割合は低いということであり、自動輝度調整機能はこの観察対象に対応したものとして機能してない。例えばＢに示すように断面部の表示画像は暗く着目パターンの存在を観察することが出来ないことになる。そこで本発明ではこの状態で自動輝度調整機能を停止させ、観察対象である断面部Ｖが観察できるように輝度の調整を実行する。輝度調整をし直した表示画像が図１のＣに示したものであり、これにより断面部Ｖの観察が可能な状態となる。反面、観察視野の大部分を占めている周辺の試料表面のイメージは不鮮明となる。場合によってはハレーション状態となってしまうこともある。しかし、観察対象が鮮明となるので周辺の画像の不鮮明化は不都合な問題とはならない。図１のＤに示すように試料ステージを二次元駆動し観察領域である断面部を観察視野の中央に位置調整し、図１のＥに示すように顕微鏡像の倍率を上げる。断面部内のパターンが観察できる状態となったところで標準パターンであるテンプレートイメージとの対比作業が可能となり、テンプレートイメージとのマッチングをしたりして、位置調整をして形成された着目パターンＰへのアクセスとその高倍率の画像を得ることができる。該高倍率の画像によって着目パターンＰの形状測定・評価等がなされるこの際の微小位置調整が試料ステージの駆動機構７で対応出来ないときは顕微鏡のデフレクタ４の偏向バイアス機能で対応する。パターンの形状測定はこの高倍率画像で実行するものであり、この状態での顕微鏡画像の輝度調整が適正で鮮明画像となっていることが重要である。もし、Ｃに示した段階で行った輝度調整がＦの段階での最適輝度調整ではなかったときは最終的にここで調整をし直し、その輝度調整量をこの試料に対する形状測定における最適輝度調整量として記憶し、次回以降の測定に適用する。
【０００７】
本発明は、半導体デバイス等一つの試料内に繰返しパターンが形成されたものの断面加工と該断面部パターンの形状測定において、観察前の断面加工から着目パターンの確認と位置調整そして着目パターンの形状測定までの一連の同種の作業一つ一つをオペレーターが集束イオンビーム装置をその都度操作して実行しなければならない不便を改善することを目論むものでもある。断面の自動加工については従来から断面部前方の穴の長さと深さのデータをインプットしてやれば粗掘り加工から断面部仕上げ加工までをオペレータの操作を必要とせず実行できる機能を備えていたが、本発明では更に複数の断面加工部の位置を指定してやれば繰返しパターンの断面部加工と形状測定をオペレーターが付きっきりで操作することなく順次実行する機能を備えるようにした。
【０００８】
イオンビーム電流値切り替え手段を備えた集束イオンビーム鏡筒から発生するイオンビーム２は試料ステージ７に蔵置された試料９に照射される。この照射により二次荷電粒子が発生し二次荷電粒子検出器５により捕捉されコンピュータ10にその強度が取り込まれ、ディスプレイ11に装置情報とともに試料像が表示される。ガス銃６をコンピュータ10が制御して原料ガスを試料に吹き付けた状態でイオンビーム２を照射することで試料９の上にはイオンビームアシストによる保護膜を形成することができる。コンピュータ10は以下の動作をプログラムする機能とそのプログラムを実行する機能を有する。
ステップ▲１▼ 試料の目的位置へ試料ステージ移動する。このときは比較的低倍率の試料表面の顕微鏡像から観察領域を特定するため、ディスプレイの輝度
調整は通常の自動輝度調整機能を有効にして行う。
ステップ▲２▼ 次にガス銃６を使ってデポジション原料ガスを吹き付けながら集束イオンビーム２を照射する事によって試料表面に保護膜を形成する。これは断面加工時のイオンビームによって観察断面の表面部がエッチングされてしまうのを防止するためである。なお、この際のイオンビーム電流値が大きくなると保護膜が形成されないで試料がエッチングされてしまうようになる
ので、ビーム電流値の設定は重要である。
ステップ▲３▼ 次にイオンビーム電流を大に切り替えて集束イオンビームを部分照射することによって試料がエッチングされて試料表面と垂直方向に断面を形成する。この粗掘り作業が終了したらビーム電流を低くしてダメージを受
けている断面部の仕上げ加工をする。
ステップ▲４▼ 次に形成された断面の観察を可能にするため試料ステージ７を傾斜させるとともに、イオンビーム電流を切り替える手段を使ってイオンビー
ム電流値を絞った状態にして顕微鏡像を取得する。
ステップ▲５▼ 最初の測定の場合（一般には事前のテスト時）には装置の自動輝度調整機構が機能して図１のＢに示したように観察領域である断面部Ｖの画像は適正輝度にはなっていないので、自動調整機能を解除してマニュアルで観察領域が適正輝度となるように調整し、図１のＣのように断面部Ｖの画像が適正輝度となるようにする。２回目以降（一般には実際の試験時）の測定においてはこの段階で最初の測定時に設定した輝度調整量に変更されるよう
にするのですぐにこの状態の顕微鏡像が得られる。
ステップ▲６▼ 断面部のパターン画像とテンプレートイメージとをパターンマッチングさせその位置情報に基き試料の位置調整を行いつつ顕微鏡の倍率を上
げ、着目パターンＰが表示画面の中央に高倍率で表示されるようにする。
ステップ▲７▼ テンプレートイメージに基いて特定された着目パターンＰと形成されたパターンとのパターン対比や画面から抽出したパターン輪郭情報に対
する寸法測定等断面部分に形成されたパターンの形状測定を実行する。
以上のようなステップを複数プログラムし記憶しておくことで、走査型イオン顕微鏡を操作する人は現在試料ステージに載置してある試料の処理目的にあわせて既に作成されているプログラムの一つを実行することができる。一旦プログラムの実行が開始されると上記した例でいえば人間の操作なしにステップ▲１▼からステップ▲６▼を実行することができる。
試料９が繰り返しパターンを有する試料の場合には複数箇所でステップ▲１▼からステップ▲７▼まで繰り返しプログラムを実行させる機能も持ち合わせている。そのため人間が走査型イオン顕微鏡に張りついていなくても試料の複数箇所の断面のパターン形状測定を実行することができるようになる。
以上、集束イオンビーム装置を前提とした本発明の説明を行ってきたが、本発明の技術的思想はデポジションによる保護膜形成に関する点を除き、走査型電子顕微鏡にもそもまま適用できるものである。
【０００９】
【実施例１】
本発明の実施例であるシステムを用いてＤＲＡＭを試料として断面部Ｖのパターン測定を実行する例を示す。最初に今実行したい断面部Ｖの位置、その断面部Ｖに対してはどんな形状測定をするのか、プログラムの設定をする。本実施例のシステムには断面部Ｖのパターン測定を実行する基本ソフトが備えられており、そのソフトに従って、パラメータや条件を設定することになる。最初に形状測定する画像を取得するために、断面観察の場合には断面形成した後その断面部分を所望の観察倍率で顕微鏡像として表示する。表示された画像から断面観察したい箇所を特定し、その位置情報をコンピュータにインプットするのであるが、これはマウス等画面上の位置特定手段を使用して始点・終点を特定し、断面部位置を指定する基準線を顕微鏡画面座標上で設定する。なお、形状測定が表面画像から特定できる試料であれば断面形成する必要はなく、表面画像から以降の作業を実行するものであるが、ここでは断面形状測定に絞って説明を行う。
断面部位置情報が入力されたら作業内容を設定する。この場合の基本プログラムは本発明のシステムに準備しておくようにし、個々の測定実行時には観察対象となる試料に対応させてそのパラメータや具体的データを設定する形態となっている。因みにこの例における断面加工については断面部前方の穴Ｈの寸法について幅と深さをインプットするようになっているので、その値を入力し設定する。
引き続きその断面中の着目パターンＰを特定し、該着目パターンＰに対して実行する形状測定の内容を設定する。着目パターンＰの特定はテンプレートイメージの部分領域を指定することによって行い、形状測定の内容は着目パターンの輪郭抽出や特定した二点間距離、二点の中点位置、特定した二本の線間の距離、二本の線のなす角度、二本の線の交点位置、ある点からある線に下ろした垂線の長さなどである。これらの測定項目の内必要なものを順次設定し登録する。以上が事前のプログラム設定作業である。
【００１０】
事前のプログラム設定作業が終了したならば、集束イオンビーム装置を稼動させ、断面加工と該断面部の形状計測の作業に移る。まずステップ▲１▼で、先に設定された形状測定部と同じ構造を有する箇所にイオンビームが照射できるように顕微鏡に対する試料の位置が調整される。次にステップ▲２▼で、断面部の表面がスパッタエッチングによるダメージを受けないように、ガス銃６を使ってデポジション原料ガスであるフェナントレンを吹き付けながら集束イオンビーム２を照射して試料表面にカーボン保護膜を形成する。ステップ▲３▼では、イオンビーム電流を大に切り替えて集束イオンビームを部分照射することによって試料がエッチングされて試料表面に対し垂直方向に断面を形成するが、このときの穴の寸法は先に設定した値に基く。この粗掘り作業が終了したらビーム電流を低くしてダメージを受けている断面部の仕上げ加工を実行する。この際のそれぞれのビーム電流値は予め基本プログラムで設定されているが、必要に応じてこの値も変更設定可能である。断面加工が終了したらステップ▲４▼で、形成された断面の観察を可能にするため試料ステージ７を傾斜させるとともに、イオンビーム電流を切り替える手段を使ってイオンビーム電流値を絞った状態にして顕微鏡像を取得する。ステップ▲５▼で、ディスプレイの輝度調整機能を切替える。すなわち、観察対象が試料表面から断面部に移行するこの段階で自動輝度調整機能は停止させ、断面部画像について適正輝度となる固定調整量に切替える。断面加工が終了し対象が断面部に移るまでは顕微鏡像は低倍率で観察対象は試料の比較的広い範囲の表面であるから、ディスプレイの輝度調整は全画面の画像情報に基いた自動輝度調整機能が働き、画面全体として適正に機能するが、断面部の画像については適正輝度とはならない。切替えられるこの固定調整量は当該試料と同種のものについて事前に実施したテストにおいて実験的に得た最適輝度調整量をプログラム上で設定しておくものである。この輝度調整の切替えが本発明の最大の特徴点であり、これにより次のステップの作業がスムーズに実行できるのである。また、この最適輝度調整量を相対的輝度変化量として学習させ自動調整される機能として組み込むこともできる。ステップ▲６▼では、断面部のパターン画像とテンプレートイメージとをパターンマッチングさせその位置情報に基き試料の位置調整を行いつつ顕微鏡の倍率を上げ、着目パターンが表示画面の中央に高倍率で表示されるようにする。このテンプレートイメージは先の事前プログラム設定作業で取得した断面形状測定部の顕微鏡像である。着目パターンはこのテンプレートイメージの部分領域を指定することで特定できる。ステップ▲７▼では、特定された着目パターンについてその輪郭を抽出したり、先に設定した形状測定項目について順次測定を実行し、そのデータを記憶部に蓄積する。形状測定の具体的手法については本発明の要旨ではないので詳細説明は省略する。以上のステップを踏んで１ヶ所の断面部の加工ならびに形状測定を終了する。
【００１１】
図２に本実施例の試料となったＤＲＡＭの顕微鏡像を示す。左側のＡ，Ｃは断面加工を終了した時点の断面を左斜め上方から撮った顕微鏡像であり、右側のＢ，Ｄは着目パターンを高倍率で正面斜め上方から撮った高倍率顕微鏡像である。そして上段のＡ，Ｂは自動輝度調整機能が働いている時の画像であって、下段Ｃ，Ｄは断面部画像が適正輝度となる調整量で撮ったものである。この比較画像から明らかなように上段の画像では試料表面のイメージをよく観察できるが断面部のパターンを観察することができないが、下段の画像では試料表面のイメージはよく観察できないが断面部のパターンを鮮明に観察することができる。
本実施例においては試料が繰返しパターンからなるＤＲＡＭであり、各断面部の形状測定も同様のものを実行するので、加工並びに形状測定に使用されるプログラムは一つで足りる。先に設定された基準線位置に対応し同様の作業が繰返し実行される。本実施例の場合には測定対象となる断面箇所を最初に基準線位置として登録しておけば、各断面における形状測定内容も同一であるから、必要に応じて途中の顕微鏡像を取る場合の中断がありうるが、ほとんど全自動的に一連の作業が実行できる。なお、一つに試料において複数の断面観察がなされるものであっても、各断面が異なるパターンである場合には、異なるパターン毎に設定された異なるプログラムに従って、各断面の作業が順次進められることになり、オペレータが常時張りついて操作をする必要はない。本発明のシステムでは設定されたプログラムは記憶媒体に記憶しておくことができ、その後実行される同種の測定にそのまま使用することもできるし、部分的に設定を変更できる編集機能も備えている。また、上記の実施例では輝度調整機能切替え後の固定の輝度調整量は事前のテストで得た実験値を使うようにしたが、自動調整機能を持続したまま検出画像情報を画面全体では無く断面部エリアの画像情報を基に行うように切替えることで断面部画像を適正輝度に調整するように構成することもできる。
【００１２】
【発明の効果】
本発明の走査型顕微鏡における輝度調整方法は、低倍率の画像上で特定した試料の観察領域を高倍率で表示させる際に、ディスプレイに表示される顕微鏡像の輝度調整を該観察領域の画像情報に基いて行うことを特徴とするものであり、それをシステムに組み込んだ本発明の走査型顕微鏡は、ディスプレイ上に表示する顕微鏡像の輝度を画像情報全体から自動調整する手段と、特定領域の平均輝度を指定する輝度調整手段と、前記自動輝度調整手段の機能を停止させて該指定された輝度調整量に基いて顕微鏡像全体を輝度調整する手段を備えることにより、低倍率の画像上で特定した試料の観察領域を高倍率で表示させる際に視野内周辺画像に影響されず該観察領域内の画像を適正輝度で表示できるようにしたものであるから、観察領域が断面部領域に移行する際に断面部画像が適正輝度で得られているのでテンプレートイメージとの対応ができ、パターンマッチングが可能となる。
また、本発明の走査型顕微鏡は、少なくとも二次元移動を可能とする試料ステージ駆動機構と、取得した顕微鏡像と登録されたテンプレートイメージとのパターンマッチング機構を備えることにより、オペレータの操作を必要とせずパターンマッチングによる着目パターンの自動アクセス機能が備えられる。
本発明の集束イオンビーム装置は、請求項３に記載の走査型顕微鏡であって、少なくとも二次元移動と傾斜変更を可能とする試料ステージ駆動機構と、断面部加工から試料ステージのチルトと断面部の着目パターンへのアクセスと着目パターンの形状測定までの一連の作業プログラムを記憶する手段とを備えていることにより、試料の断面部の加工から該断面部に形成されたパターンの形状をオペレータが付きっきりで操作する必要なしに自動的に測定できる。しかも、そのプログラムは基本ソフトにパラメータやデータをインプットするだけで準備できるので、異なる作業であってもそれぞれのプログラムに従って実行できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】集束イオンビーム装置を用いた断面部のパターン形状測定に本発明を適用したときの顕微鏡画像を時系列的に示した図である。
【図２】本発明の輝度調整機能の切替えによる顕微鏡画像の差をＤＲＡＭを試料として示した比較画像である。
【図３】集束イオンビーム装置を用いた断面加工を説明する図である。
【図４】集束イオンビーム装置の基本構造を示す図である。
【符号の説明】
２ イオンビーム Ｖ 観察断面部
４ デフレクタ Ｈ 加工穴
５ 二次荷電粒子検出器 Ｐ 着目パターン
６ ガス銃
７ 試料ステージ
10 コンピュータ
11 ディスプレイ

Claims (5)

1. 試料ステージに載置された試料の表面にイオンビームを照射し、前記表面の観察像を取得するステップと、
   前記表面の一部に前記イオンビームを照射し、前記表面に対して垂直方向に断面を形成するステップと、
   前記試料ステージを傾斜させるステップと、
   前記断面を観察するために輝度調整量を前記断面の適正輝度になるように変更するステップと、
   前記断面に前記イオンビームを照射し、前記断面の断面像を取得するステップと、からなる断面観察方法。
2. 前記断面像のパターンの画像とテンプレートイメージとをパターンマッチングさせ、前記パターンを表示画面の中央に表示させる請求項１に記載の断面観察方法。
3. 試料の断面を露出させる加工と加工状態の確認を行う集束イオンビーム装置において、
   前記試料にイオンビームを照射するイオンビーム鏡筒と、
   前記試料を載置する試料ステージと、
   前記試料ステージの二次元移動と傾斜変更を行う試料ステージ駆動機構と、
   前記試料から発生する二次荷電粒子を検出する二次荷電粒子検出器と、
   前記二次荷電粒子検出器の検出信号から形成された前記試料の顕微鏡像を表示するディスプレイと、
   前記ディスプレイに表示する前記顕微鏡像の輝度を自動調整する自動輝度調整手段と、
   前記試料ステージ傾斜時に前記ディスプレイに表示する顕微鏡像の輝度の調整量を前記断面の適正輝度になるように変更する輝度調整量変更手段と、を有する集束イオンビーム装置。
4. 前記顕微鏡像とテンプレートイメージとをパターンマッチングする手段と、を備えた請求項３に記載の集束イオンビーム装置。
5. 前記輝度調整量変更手段は、前記試料ステージを傾斜することにより自動的に前記顕微鏡像の輝度の調整量を変更する請求項３または４に記載の集束イオンビーム装置。

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