JP4947965B2 - 透過型電子顕微鏡用の試料の作製方法、観察方法及び構造 - Google Patents
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Description
本発明は、透過型電子顕微鏡（以下、「ＴＥＭ」と称す）で観察するための試料作製方法及び試料構造に関する。特に、ＬＳＩデバイスの特定箇所の断面を走査型電子顕微鏡（以下、「ＳＥＭ」と称す）あるいは、走査型イオン顕微鏡（以下、「ＳＩＭ」と称す）で観察した後、更にＴＥＭで観察するための試料作製方法及び試料構造に関する。
TEMは、電子が透過しうる薄さ、例えば０．０５〜０．４μｍ程度の薄片試料に、電子線を照射して透過した電子線を拡大して形成されるTEM像を観察する顕微鏡である。STEMは、上述の薄片試料上を集束した電子線を走査して透過した電子線を検出器に導入してSTEM像を得る顕微鏡である。いずれも薄片試料に電子線を透過させるため、薄片試料の厚さ方向に積算した形状情報が得られるが、高分解能で観察できるため、半導体を始め多くの分野での材料評価に用いられている。
半導体装置の製造において、ある製造プロセスで検出された異物、形状不良、断線、短絡などの不良部は、即刻、解析してその発生原因を究明して対策を打たなければ不良素子が大量に生産され、製造会社にとっては収益に多大なる影響を与えてしまう。このため、半導体装置の製造歩留り向上のためには不良部解析が必須である。不良部解析法のうち形状観察についてはTEMやSTEMが大きな役割を果たしており、また、TEMやSTEMに分析機能を装備することで高分解能の元素分析も可能となり、半導体の解析には不可欠なものとなっている。
TEMやSTEMによる解析（以下、観察や元素分析、計測を代表させて解析と略記する）では、半導体ウェーハやチップなど試料の表面に対して水平方向の試料と断面方向の試料についての観察が行なわれる。断面試料については、機械的に断面を露出させて研磨とイオンシニングによって断面方向の薄片加工を行なう方法が行なわれてきた。最近では、加速エネルギー３０ｋＶのＧａイオンビームによる集束イオンビーム（以下、FIBと略記）を用いて、所望の領域を精度よく断面薄片試料に加工する方法が行なわれるようになってきた。
ＦＩＢによって加工された試料断面は、ＳＩＭやＳＥＭを用いて観察される。更に、断面構造を詳細に解析するために、ＴＥＭによる観察が行われる。ＴＥＭ観察用の試料の作製に関しては、例えば、特開２００３−１９４６８１号公報に示された方法で試料を薄膜化加工し、マイクロマニピュレータで薄膜試料を摘出する。
特開２００３−１９４６８１号公報
また、ＴＥＭ観察試料作製における別の方法としては、特許第３５４７１４３号に示されているように、ＦＩＢで試料を摘出し、メカニカルプローブでＴＥＭ試料ホルダーに移し替えた後、ＦＩＢを用いて試料を薄膜化加工する方法がある。
特許第３５４７１４３号公報
しかしながら、ＳＩＭやＳＥＭによって断面解析をした後、ＦＩＢでＴＥＭ試料に加工すると、Ｇａイオンビームでエッチングされた材料が観察断面に堆積（以下、堆積した膜を「エッチングデポ膜」と言う）してしまい、ＴＥＭで詳細な観察ができない場合があった。そこで、エッチングデポ膜をＦＩＢ加工でエッチング除去する方法が考えられるが、デバイス断面（観察断面）もエッチングされてしまい、ＳＩＭやＳＥＭで観察したのと異なる断面が形成されてしまうという問題があった。
本発明は、上記のような状況に鑑みて成されたものであり、優れたＴＥＭ試料の作製方法、ＴＥＭ観察方法及びＴＥＭ試料構造を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の第１の態様は、透過型電子顕微鏡用の試料の作製方法において、半導体デバイスの特定箇所の観察断面に非晶質構造の保護膜を形成する工程と；前記保護膜が形成された観察断面の周囲を除去する工程と；少なくとも前記保護膜を含む領域を薄膜化する工程とを含むことを特徴とする。
本発明の第２の態様は、半導体デバイスの断面を観察する観察方法において、前記半導体デバイスの特定箇所の断面を走査型顕微鏡で観察する工程と；前記断面に非晶質構造の保護膜を形成し、当該保護膜を透して透過型電子顕微鏡によって前記断面を更に観察する工程とを含むことを特徴とする。
更に、本発明の第３の態様は、半導体デバイスの特定箇所の断面を走査型顕微鏡で観察した後、同一観察断面を透過型電子顕微鏡で観察すべく作製される観察試料において、前記観察断面上に非晶質構造の保護膜を有することを特徴とする。
前記保護膜としては、カーボン膜又はシリコン酸化膜を使用することができる。また、保護膜の厚さは、試料の厚さの１／１０以下とすることが好ましい。
本発明によれば、ＳＩＭやＳＥＭによって断面解析をした後、ＴＥＭ試料に加工する際に形成されるエッチングデポ膜の影響を受けず、ＳＩＭ，ＳＥＭと同一の断面をＴＥＭによって詳細に観察可能となる。
以下、本発明を実施するための最良の形態について、実施例を用いて詳細に説明する。図１は、本発明の実施例に係る半導体デバイス観察方法の概略工程を示す工程図である。図２〜図５は、実施例に係るＴＥＭ観察試料の作製工程を示す斜視図である。本実施例についてＴＥＭ試料作製工程に沿って説明する。最初に、図２に示すように、ＬＳＩデバイス１０の特定箇所をＦＩＢによって加工し、空間１４内に観察断面１２を露出させる。この後、イオンビーム又はエレクトロンビームを当該断面１２に照射して、ＳＩＭ，ＳＥＭ観察を行う。
次に、図３に示すように、観察断面１２の表面にＦＩＢ装置のデポジション機能を用いて、収束イオンビームによって非晶質膜を保護膜１８として形成（堆積）する。あるいは、電子ビームを用いたデポジションによって非晶質膜を保護膜１８として形成（堆積）する。保護膜１８としては、軽元素（Ｓｉ以下の質量）のカーボンやシリコン酸化膜を採用することができる。この時点での保護膜１８の堆積厚は、例えば、１００ｎｍ以上とする。
次に、図４に示すように、観察断面１２の周辺をＦＩＢによりエッチングし、後方に空間２４を形成するとともに、前方の空間１４を拡張し、更に、保護膜１８の周辺（観察断面１２の周辺）を除去して（削って）拡張領域２２を形成する。このとき、保護膜１８の表面にエッチングデポ膜が堆積してしまう。そこで、ＦＩＢによるＴＥＭ試料の薄膜化加工において、保護膜１８の表面をエッチングすることによりエッチングデポ膜を除去する。同時に、保護膜１８自体もエッチングにより削られるが、わずかに残す設定とする。
図５に、薄膜化されたＴＥＭ観察試料３０の全体構造を示す。ＴＥＭ試料の本体部２２ａの厚さは、例えば、０．１〜０．１５μｍ程度とし、エッチング後の保護膜１８ａの厚さは本体部２２ａの厚さの１／１０以下とすることが好ましい。その後、保護膜１８ａを透して周知の方法でＴＥＭ観察を行う。
本実施例においては、観察断面１２に保護膜１８を形成しているため、観察断面１２の周辺をＦＩＢによりエッチングした際にエッチングデポ膜は保護膜１８に堆積し、観察断面１２に直接付着する事はない。そして、保護膜１８の表面をエッチングすることによりエッチングデポ膜が容易に除去でき、観察断面１２が削られるようなこともない。観察断面１２には保護膜１８を残しておくが、保護膜１８（１８ａ）は非晶質膜であるため、ＴＥＭでは当該保護膜１８ａを透過して観察を行うことができる。
以上、本発明について実施例を用いて説明したが、本発明は実施例の範囲に限定されるものではなく、各請求項に記載された技術的思想の範囲内において、適宜設計変更可能であることは言うまでもない。
１０ ＬＳＩデバイス
１２ 観察断面
１４ 前方空間
１８ 保護膜
１８ａ 保護膜（薄膜化後）
２２ 拡張領域
２２ａ 試料本体（薄膜化後）
２４ 後方空間
３０ ＴＥＭ試料
１２ 観察断面
１４ 前方空間
１８ 保護膜
１８ａ 保護膜（薄膜化後）
２２ 拡張領域
２２ａ 試料本体（薄膜化後）
２４ 後方空間
３０ ＴＥＭ試料
Claims (6)
- 半導体デバイスの特定箇所の観察断面を走査型顕微鏡で観察した後、当該断面を透過型電子顕微鏡で観察するための試料の作製方法において、
前記走査型顕微鏡による観察が行われた前記断面に非晶質構造の保護膜を形成する工程と；
前記保護膜が形成された観察断面の周囲を収束イオンビームを用いて除去する工程と；
前記保護膜に付着した堆積物を除去するとともに前記保護膜を薄膜化する工程とを含むことを特徴とする試料作製方法。 - 前記保護膜は、カーボン膜又はシリコン酸化膜であることを特徴とする請求項１に記載の試料作製方法。
- 前記保護膜は、収束イオンビーム又は電子ビームを用いて前記観察断面に堆積形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の試料作製方法。
- 半導体デバイスの断面を観察する観察方法において、
前記半導体デバイスの特定箇所の断面を走査型顕微鏡で観察する工程と；
前記走査型顕微鏡による観察が行われた前記断面に非晶質構造の保護膜を形成する工程と；
前記保護膜が形成された観察断面の周囲を収束イオンビームを用いて除去する工程と；
収束イオンビームを用いて前記保護膜に付着した堆積物を除去するとともに前記保護膜を薄膜化する工程と；
前記保護膜を透して透過型電子顕微鏡によって前記断面を更に観察する工程と；を含むことを特徴とする試料の観察方法。 - 前記保護膜は、カーボン膜又はシリコン酸化膜であることを特徴とする請求項４に記載の観察方法。
- 前記保護膜は、収束イオンビーム又は電子ビームを用いて前記観察断面に堆積形成されることを特徴とする請求項４又は５に記載の観察方法。
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