JP4871788B2 - 微細試料の加工方法，観察方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、集束イオンビームを利用した微細試料の加工観察技術に関する。

半導体の微細化に伴い、微細構造の観察や解析に対するニーズが急増している。集束イオンビーム（Focused Ion Beam：以下ＦＩＢと略す）装置は、微細試料の加工が可能なことから、特に微細試料の観察が可能な走査形電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope：以下ＳＥＭと略す），走査形透過電子顕微鏡（Scanning Transmission Electron Misroscopr：以下ＳＴＥＭと略す），透過形電子顕微鏡（Transmission Electron Microscope：以下ＴＥＭと略す）の試料前処理加工装置として活用されている。ＦＩＢは試料から発生する二次粒子（例えば二次電子）を画像化し、その画像を基に加工領域を設定することができるため、試料の所望個所に断面が形成でき、不良原因の特定に威力を発揮する。また、近年、更に半導体構造の微細化が進んだため、試料の観察に分解能の高いＳＴＥＭやＴＥＭを活用する頻度が増している。ＳＴＥＭやＴＥＭの観察には、試料を基板から摘出して電子線が透過する程度に薄く加工する必要があり、この用途にもＦＩＢが多用されている。（マイクロサンプリング法：特開平５−５２７２１号）

特開平５−５２７２１号公報

試料の微細化に伴い、ＦＩＢ加工の加工終点をどのように判断し、観察部位が薄膜の中心に残るよう制御するかが技術的な課題となっている。これを実現する案として、ＦＩＢとＳＥＭを同一試料室に実装し、ＦＩＢの加工断面をＳＥＭで観察して、加工終点を判断する事が行われるようになった。しかし、高い電気特性を有する微細構造を実現するためには、Ｌｏｗ−Ｋ材料と呼ばれる電子線照射に非常に弱い材料が多用されるようになってきたため、ＳＥＭ観察で試料を壊すもしくは変形させてしまう事例が頻発するようになった。この対策として、（１）試料を冷却してダメージを軽減する。（２）電子線の加速電圧を極端に低くし、照射エネルギーを下げる等の手法が検討され、試用されている。（１）の手法は試料冷却と試料交換に時間がかかり、加工のスループットが極端に下がってしまう欠点がある、また、電子線照射により発生するダメージは局所的であり、冷却パスが十分に確保されないと、試料台を冷却しても観察部位の変形は起こってしまう。（２）の手法では、電子線の加速電圧を下げる事でＳＥＭの像分解能が低下し、微細構造の確認が困難となる欠点がある。

本発明の目的は、電子線照射に弱い材料で構成された試料に対して、破壊や変形を抑制し高い位置精度で薄膜加工を実施し、微細構造観察を可能とすることにある。

本発明は、ＦＩＢ加工途中の断面構造のモニタを、電子線では無く、断面を削っているＦＩＢにより試料から発生する二次粒子像でモニタできるようにすることに関する。

好ましくは、試料断面の傾き部分に短冊状の加工領域を設定し、その加工モニタを短辺方向に拡大表示することで、断面構造の表示を可能とする。断面の構造が電子線の併用無しに確認できる。加工断面の確認を電子線を用いずに実施できるため、加工断面に電子線による損傷や変形が発生しない。また、薄膜化後に高加速電子線により観察することで、試料損傷を抑えた観察が可能で、電子線による試料像を観察しながら更に薄い薄膜にＦＩＢで加工することが可能となる。

本発明によれば、試料断面の損傷や変形を抑えてＦＩＢ断面加工や薄膜加工が可能となる。また、高加速ＳＥＭ，ＳＴＥＭ，ＴＥＭと組み合わせることで、損傷や変形を極小とした試料の高分解能観察が可能となる。

ＦＩＢ加工途中の断面構造のモニタを、電子線では無く、断面を削っているＦＩＢにより試料から発生する二次粒子像でモニタできるようにする。

断面を削る最終段階は、加工領域の形状は細長い短冊状となり、通常、モニタ画像も細長い形状となる。これを用いた加工終点の判定は、従来、モニタ全体の平均輝度で行われた。従って、断面加工が表面から試料基板側へ進行していく過程は概略把握できるものの、断面の構造把握は困難であった。このため、ＳＥＭの併用が検討された。

実施例では、上記モニタを短冊形状の短辺方向に拡大表示するようにし、ＦＩＢのみで加工進行時における断面構造が把握できるようにした。

一般的にＦＩＢ加工で形成される加工断面は、試料に入射するイオンビームの局所的な角度とスパッタリング効率の関係から、イオンビームの入射角度に対し、数度の傾きを持った断面が形成される（J.Vac.Sci.Technol.B9(5),Sep/Oct 1991,pp2636）。実施例ではこの物理現象を利用し、傾き部分に短冊状の加工領域を設定し、その加工モニタを短辺方向に拡大表示することで、断面構造の表示を可能とした。ビームは断面に平行に近い斜め方向から照射されるため、ビーム径よりも像分解能は劣化するが、配線構造の有無等断面構造を概略把握するには十分な画像が表示可能である。この機能を利用して断面構造を確認し、所望の断面にまだ到達していな場合、加工領域を断面方向にシフトして加工と断面構造の判定を繰り返し行う事で、所望の断面に到達することができる。このように、ＳＥＭの併用無しに、所望の断面を形成する事が可能となるため、電子線照射に弱い試料に好適である。

薄膜試料の作製は、上記断面形成の手法を薄膜の少なくとも片側に適用することで、高い位置精度の薄膜試料作製が可能となる。薄膜の膜厚が０.３μｍ 以下程度まで薄くなると、１５ｋＶ以上の加速電圧を有する電子線は試料を透過しやすくなり、試料内でのエネルギー損失が少ない条件となるため、試料ダメージが起こりにくい。従って、ＦＩＢのみで薄膜化し、高加速条件でのＳＥＭ，ＳＴＥＭ，ＴＥＭで、試料の破損や変形を抑えた観察が可能である。

また、更に追加工が必要な場合、高加速条件でのＳＥＭ，ＳＴＥＭ、ＴＥＭの少なくとも１つの像をモニタしてＦＩＢで追加工する事で、更に極薄の薄膜が形成できる。この際、加速電圧の高い電子ビームでモニタできるため、高い分解能の画像でＦＩＢ加工の終点を判断することができる。

実施例では、ＦＩＢ加工途中の断面構造のモニタを、断面を削っているＦＩＢにより試料から発生する二次粒子像でモニタできるようにする。試料断面の傾き部分に短冊状の加工領域を設定し、その加工モニタを短辺方向に拡大表示することで、断面構造の表示を可能とした（セクションビュー）。この機能を利用して断面構造を確認し、所望の断面にまだ到達していな場合、加工領域を断面方向にシフトして加工と断面構造の判定を繰り返し行う事で、所望の断面に到達することができる。ＳＥＭの併用無しに所望の断面を形成する事が可能となるため、電子線照射に弱い試料の加工に好適である。

薄膜試料の作製は、上記断面形成の手法を薄膜の少なくとも片側に適用することで、高い位置制度の薄膜試料作製が可能となる。薄膜化後に１５ｋＶ以上の高加速電子で試料を観察することで、試料の破損や変形を抑えた観察が可能となる。また、この条件での観察像を併用して更に薄膜加工を行うことで、更に薄く、位置精度の高い試料作製ができ、高分解能観察が可能となる。

以下、実施例について、図を用いて説明する。

図５は第一の実施例で使用したＦＩＢ装置の構成図である。ＦＩＢカラム１００で発生したＦＩＢ３は試料１上に集束し、走査される。試料から発生した二次電子２は検出器１０１で検出され、信号処理手段１１２を介してディジタル値に変換され、画像表示手段１１３内のイメージメモリーに格納される。イメージメモリーへの格納は、偏向信号発生手段１１０からの偏向アドレスにより制御される。本装置には、ＸＹ独立ズーム率アドレス変換手段１１１が装備されており、ＸＹ軸それぞれ独立に表示倍率を変更することができる。

図６は画像表示手段のイメージメモリー周辺回路である。ズーム率とアドレスの変換は、ディジタル加算とバレルシフト回路により実現した。また、イメージメモリーはデータの書き込みと読み出しが非同期で行えるデュアルポートメモリーを採用した。

図９は第一の実施例の手順をフローチャートにしたものである。まず、不良個所近傍に矩形加工を行い、開始断面を形成した。次に図２に示すように、イメージモニタウインドウ２００上に走査イオン顕微鏡（Scanning Ion Microscope：以下ＳＩＭと略す）像２０１を表示し、試料の断面部（微小傾斜あり）に短冊状の加工領域２０３を設定し加工を開始した。加工が開始されると図１（ａ）に示すように加工モニタ２０４が表示される。イメージモニタウインドウ２００上のセクションビュー表示ボタン２０２を押すと、図１（ｂ）に示すように、加工モニタのＹ軸が拡大表示され、イメージモニタ内の断面構造が認知できるようになった（セクションビュー２０５）。

最初の加工では所望の断面が露出しなかったため、図３に示す加工シフトウインドウで加工領域のシフト量とシフト方向を設定し、断面方向に加工位置をシフトした。シフト量２ドット（加工スキャナの最小単位の２倍）をシフト距離設定アローボタン２１２ａで設定し、加工位置シフトアローボタン２１１ａでシフトを実施した。本実施例ではこの観察と加工位置シフトを３回実施し、所望の断面構造が確認できた時点で加工終了した。加工終了後、試料を傾斜し、断面をＳＩＭ像観察した。

このように、本実施例によると、ＦＩＢの断面加工中に断面構造が確認できるため、断面出し毎に試料を傾斜して確認することが不要となり、ＦＩＢ断面出しの効率とスループットが向上するメリットがある。また、断面観察前のＦＩＢ断面加工においては、ＦＩＢ加工中に電子線での断面観察が不要であり、電子線照射に弱い材料の加工に好適な加工方法と言える。本実施例では、加工領域を短冊状に設定したが、断面近傍を加工する目的を達成できれば台形他、短冊形状以外の加工領域形状であってもかまわない。

図４は第二の実施例で用いたイメージモニタウインドウである。第二の実施例では、セクションビュー機能をＹ軸方向の拡大機能だけでなく、Ｘ軸方向の拡大機能も搭載した。また、それぞれの拡大倍率も設定可能とした。これにより、試料に合わせたより細かい表示設定が可能となり、加工断面の判定がより容易となった。

図４（ａ）はＸＹそれぞれのズーム率を１として、標準の加工モニタの動作状態を示している。図４（ｂ）はＹ軸のズーム率を８として、実施例１と同じセクションビュー表示とした状態を示している。

第三の実施例は、薄膜試料の作製と観察を行った事例である。使用した装置は図７に示すＦＩＢカラム１００とＳＥＭカラム１５０とを同一試料室に実装した複合装置であり、試料室にはビーム誘起デポジションを行うＧＡＳ源１７０，微細試料をハンドリングするマニピュレータ１４０が装着されている。また、試料室内には、試料１を保持し、移動する大型試料ステージ１６０が実装されている。試料ステージには、試料１の他、サンプリングした微細試料を搭載する薄膜キャリア１０も搭載されている。

図８は第三の実施例で実施した観察部位の摘出（マイクロサンプリング）方法の説明図である。まず、大型試料ステージ１６０上に固定した試料１の注目部位上に第１の堆積膜１をＦＩＢ誘起デポジションにより形成した。これは、ＧＡＳ源１７０からタングステンヘキサカルボニルガスを試料表面に供給し、ＦＩＢを局所照射することにより行った。次に穴加工を行った。穴加工は、第１の堆積膜１周囲の溝加工と試料を傾斜して底部にスリット（ＦＩＢ加工で形成）を入れる加工により実施した。次に、試料傾斜をもとに戻し、マニピュレータ１４０先端に装着したプローブ（針）先端を第１の堆積膜１の端に接触させ、第１の堆積膜１とプローブ先端をＦＩＢ誘起デポジションによる第２の堆積膜２形成により接着した。次に、基板と微細試料との接続個所をＦＩＢ照射で切断してからプローブを上昇させ、注目部位を内包する微細試料を摘出した。次に、大型試料ステージ１６０を移動し、ＦＩＢ光軸に薄膜キャリア１０が来るようにした。薄膜キャリア１０に微細試料を接触させ、第３の堆積膜３によりキャリアに微細試料を固定した。その後、第２の堆積膜２をＦＩＢ照射により除去し、微細試料とプローブとを分離した。

以上の工程により、試料１から注目部位を内包する微細試料をキャリア上に移設した。

キャリア上に移設した微細試料を図１０に示す工程で薄膜化した。その工程を図１１のフローチャートを併用して説明する。

まず、微細試料に対してセクションビューを用いて断面出しを行った。注目部位は半導体試料のキャパシタであり、隣りのキャパシタ列が消滅した断面をセクションビューで判定して加工終了した。裏面側の面はキャパシタを内包する厚みの０.３μｍ を目安に加工領域を設定して加工し、試料を薄膜化した。この裏面もセクションビューを活用して形成することも可能である。次に、注目キャパシタの中心断面を形成する目的で、ＦＩＢ断面加工を薄膜の膜厚を徐々に薄くする方向に実施した。この際、ＳＥＭを加速電圧３０ｋＶの条件で用い、断面情報を確認しながら加工の終点を判定した。試料にはＬｏｗ−Ｋ材料と呼ばれる電子線照射に弱い材料が用いられているが、３０ｋＶの電子線は薄膜試料を透過するため、試料内部でのエネルギー損失が少なく、試料の損傷や変形を極小に抑える事ができた。

試料を１８０度回転し、裏面も上記と同様の手法で加工し、最終的にキャパシタ中心を切り出した膜厚６０ｎｍの薄膜を作製した。

このように、セクションビューを利用した薄膜加工後に、高加速電子線を用いた断面確認を行いつつ最終的な薄膜仕上げ加工を実施することで、電子線照射により損傷や変形を受けやすい材料に対しても、損傷や変形が極小で且つ、高い加工位置精度を有する薄膜加工が可能となった。加工した薄膜はキャリアごと高加速ＳＴＥＭやＴＥＭのホルダーに移設し、高分解能での像観察を実施した。

第４の実施例は、薄膜仕上げ加工時の断面モニタをＳＴＥＭ像を併用して実施した事例である。図１２に装置の構成を示す。ＦＩＢ，ＳＥＭ，ＧＡＳ源、マニピュレータを備える点では図７と類似しているが、サイドエントリーステージ１８０とＳＴＥＭ検出器１０２が新たに装着されている。サイドエントリーステージ１８０には、ニードル形キャリア８を搭載し、それを回転する機構を有したホルダーが装着されている。

試料１から分離した微細試料５は、サイドエントリーステージ１８０に装着されたホルダー上のニードル形キャリア８の先端にＦＩＢ誘起デポジション膜を利用して固定した。固定した微細試料は図１３に示す手順で薄膜化を実施した。図１０と類似の手順であるが、仕上げ加工時の電子ビームによる断面構造観察にＳＴＥＭを用いる点が異なる。ＳＴＥＭ像は薄膜を透過した電子線をＳＴＥＭ検出器１０２で検出して画像化する。また、図１３（３）から（４）に工程を進める際、試料の回転が必要となるが、本実施例ではニードル形キャリア８をホルダー内の回転機構１９０を用いて回転した。

薄膜化した微細試料はサイドエントリーホルダーに装着されており、このホルダーを抜き、ホルダーごとＴＥＭやＳＴＥＭ専用機に移動することで更に高い分解能の画像観察をすることが可能となる。本実施例では微細試料実装状態でのキャリアの着脱が不要なため、作業中に試料を破損したり、紛失したりするリスクが低く、複数の試料が確保しにくい不良解析に好適である。

本発明の第一の実施例で用いたイメージモニタウインドウ。 本発明の第一の実施例で用いたイメージモニタウインドウ。 本発明の第一の実施例で用いた加工シフトウインドウ。 本発明の第二の実施例で用いたイメージモニタウインドウ。 本発明の第一の実施例で用いたＦＩＢ装置のシステム構成図。 本発明の第一の実施例で用いた画像表示回路のブロックズ図。 本発明の第三の実施例で用いたＦＩＢ−ＳＥＭ装置の構成図。 本発明の第三の実施例で用いたマイクロサンプリング手順説明図。 本発明の第一の実施例で用いた加工フローチャート。 本発明の第三の実施例で用いた薄膜加工手順説明図。 本発明の第三の実施例で用いた加工フローチャート。 本発明の第四の実施例で用いたＦＩＢ−ＳＥＭ装置の構成図。 本発明の第四の実施例で用いた薄膜加工手順説明図。

符号の説明

１ 試料
２ 二次電子
３ ＦＩＢ
５ 微細試料
８ ニードル形キャリア
１０ 薄膜キャリア
１００ ＦＩＢカラム
１０１ 検出器
１０２ ＳＴＥＭ検出器
１１０ 偏向信号発生手段
１１１ ＸＹ独立ズーム率アドレス変換手段
１１２ 信号処理手段
１１３ 画像表示手段
１３０ 制御装置
１４０ マニピュレータ
１５０ ＳＥＭカラム
１６０ 大型試料ステージ
１７０ ＧＡＳ源
１８０ サイドエントリーステージ
１９０ 回転機構
２００ イメージモニタウインドウ
２０１ ＳＩＭ像
２０２ セクションビュー表示ボタン
２０３ 加工領域
２０４ 加工モニタ
２０５ セクションビュー
２０６ スライダ
２１０ 加工シフトウインドウ
２１１ 加工位置シフトアローボタン
２１２ シフト距離設定アローボタン

Claims (13)

1. 集束イオンビームを利用した加工観察方法であって、
   試料に集束イオンビームを照射して試料に断面を形成し、
   当該試料の前記修飾イオンビームの照射方向に対する向きを維持したまま、前記集束イオンの前記断面への照射により当該断面から放出された二次荷電粒子を検出して試料像を取得し、
   当該試料像を前記断面の傾斜方向に拡大した試料像を表示すること
   を特徴とする加工観察方法。
2. 集束イオンビームを利用した加工観察方法であって、
   試料の所定部位が含まれる領域に短冊形状の加工領域を設定し、
   当該試料に集束イオンビームを照射して前記所定部位が表面に現れる断面を形成し、
   当該試料の前記修飾イオンビームの照射方向に対する向きを維持したまま、前記集束イオンの前記断面への照射により当該断面から放出された二次荷電粒子を検出して試料像を取得し、
   当該試料像を前記短冊形状の短辺方向に拡大して前記断面の構造を表示すること
   を特徴とする加工観察方法。
3. 請求項１又は２のいずれかに記載の加工観察方法であって、
   拡大された試料像に表示された断面の構造に基づいて、集束イオンビームの照射を終了することを特徴とする加工観察方法。
4. 請求項１又は２のいずれかに記載の加工観察方法であって、
   拡大された試料像に表示された断面の構造に基づいて、前記試料の断面方向に集束イオンビームをずらして照射することを特徴とする加工観察方法。
5. 請求項１又は２の加工観察方法において、
   前記試料に断面を形成して薄膜を形成することを特徴とする加工観察方法。
6. 請求項５の加工観察方法において、
   前記薄膜を１５ｋＶ以上の加速電圧を有する電子線を用いた走査電子顕微鏡、透過電子顕微鏡、走査透過電子顕微鏡の少なくとも１つで観察することを特徴とする加工観察方法。
7. 請求項５の加工観察方法において、
   前記薄膜を１５ｋＶ以上の加速電圧を有する電子線を用いた走査電子顕微鏡、透過電子顕微鏡、走査透過電子顕微鏡の少なくとも１つで観察し、さらに集束イオンビームで当該薄膜を追加工することを特徴とする加工観察方法。
8. 集束イオンビームを用いた加工観察装置であって、
   集束イオンビームを発生及び偏向するカラムと、
   試料を搭載する試料台と、
   前記試料の集束イオンビーム照射位置から放出される二次荷電粒子を検出する検出器と、
   当該検出器からの信号を処理する信号処理手段と、
   当該信号処理手段の信号に基づいて形成された試料像を表示する表示手段と、
   を備え、
   前記試料台に搭載された試料に断面を形成するように集束イオンビームを照射し、
   当該試料の前記修飾イオンビームの照射方向に対する向きを維持したまま、前記集束イオンの前記断面への照射により当該断面から放出された二次荷電粒子を前記検出器で検出し、当該二次荷電粒子の信号に基づいて試料像を取得し、
   当該試料像を前記断面の傾斜方向に拡大した試料像を前記表示手段に表示すること
   を特徴とする加工観察装置。
9. 集束イオンビームを用いた加工観察装置であって、
   集束イオンビームを発生及び偏向するカラムと、
   試料を搭載する試料台と、
   前記試料の集束イオンビーム照射位置から放出される二次荷電粒子を検出する検出器と、
   当該検出器からの信号を処理する信号処理手段と、
   当該信号処理手段の信号に基づいて形成された試料像を表示する表示手段と、
   を備え、
   試料の所定部位が含まれる短冊形状の加工領域に集束イオンビームを照射して前記所定部位が表面に現れる断面を形成し、
   当該試料の前記修飾イオンビームの照射方向に対する向きを維持したまま、前記集束イオンの前記断面への照射により当該断面から放出された二次荷電粒子を前記検出器で検出し、当該二次荷電粒子の信号に基づいて試料像を取得し、
   当該試料像を前記短冊形状の短辺方向に拡大して前記断面の構造を前記表示手段に表示すること
   を特徴とする加工観察装置。
10. 請求項８記載の加工観察装置において、
    前記断面の傾斜方向とは異なる方向に、前記傾斜方向の拡大と独立して当該試料像を拡大可能であることを特徴とする加工観察方法。
11. 請求項９記載の加工観察装置において、
    前記短辺方向とは異なる方向に、当該短辺方向の拡大と独立して当該試料像を拡大可能であることを特徴とする加工観察方法。
12. 請求項８又は９の加工観察装置において、
    当該加工観察装置は、電子線カラムを複合実装していることを特徴とする加工観察装置。
13. 請求項８又は９の加工観察装置において、
    前記試料はキャリアを介して試料台に搭載され、
    当該キャリアは、透過電子顕微鏡及び走査透過電子顕微鏡のホルダーに移設可能であることを特徴とする加工観察装置。

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