JP5085475B2

JP5085475B2 - 試料作製方法および試料作製装置

Info

Publication number: JP5085475B2
Application number: JP2008235050A
Authority: JP
Inventors: 和貴高橋
Original assignee: セイコーアイ・テクノリサーチ株式会社
Priority date: 2008-09-12
Filing date: 2008-09-12
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2028-09-12
Also published as: JP2010066219A

Description

本発明は、半導体製造プロセスの評価や故障解析を行うための試料作製方法および試料作製装置に関するものである。

従来から、半導体装置の観察評価および回路修正を行う際に、集束イオンビーム（ＦＩＢ：ＦｏｃｕｓｅｄＩｏｎＢｅａｍ）装置を用いて試料を作製する方法が知られている。具体的には、半導体装置における観察箇所（試料）に対してイオンビームを照射して溝を形成し、溝の側面にイオンビームを走査させながら照射する。この照射により発生する二次荷電粒子を二次荷電粒子検出器にて検出し、その二次荷電粒子像を画像にて観察している。しかし、イオンビームによるスパッタリング（エッチング）加工による試料の溝側面は比較的平坦であり、二次荷電粒子像による断面（溝側面）観察を行った場合、二次荷電粒子発生効率が似た材質や、非常に層が薄いとき、層の境界がはっきりと観察できないという問題があった。

この問題を解消するために、イオンビームによる溝側面の観察前に、イオンビームにより活性化されて、試料断面の特定材質の膜に対して選択的にエッチング作用の及ぼすエッチングガスを観察断面（溝側面）に吹き付けながらイオンビームを照射する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特許第２８８７４０７号公報

ここで、特許文献１の試料観察方法では、塩素ガスをエッチングガスとして用い、基板上の配線を多くエッチングして、その上下に形成された層間絶縁膜および保護膜との層の境界を視認できるようにしている。しかし、配線は金属である金属無機膜であり、その上下の層間絶縁膜および保護膜は有機絶縁膜である。つまり、金属無機膜と有機絶縁膜との境界は視認できるようになる。ところが、金属以外の無機絶縁膜と有機絶縁膜との境界、さらに有機絶縁膜と他の有機絶縁膜との境界は、両者が絶縁膜であり両者の断面について効率的なエッチングを行うことが困難であるため、明確に視認することができないという問題があった。

そこで、本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、有機絶縁膜を含む層の境界を明確に判別可能とすることができる試料作製方法および試料作製装置を提供するものである。

上記の課題を解決するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明に係る試料作製方法は、有機絶縁膜と他の絶縁膜とが積層されてなる試料に対して集束イオンビームを照射して前記試料の断面を露出させる断面露出工程と、前記断面に対して水または水蒸気を供給しつつ、前記集束イオンビームを照射して前記断面の各膜が判別可能となるように処理する断面処理工程と、を有していることを特徴としている。

このように構成することで、試料の断面に対して水または水蒸気を供給しながら集束イオンビームを照射すると、各膜と水との化学反応の違いに対応して、各膜が異なる外観を呈するようになる。したがって、有機絶縁膜を含む層の境界を明確に判別可能とすることができる。

また、前記断面露出工程における前記集束イオンビームの強度よりも前記断面処理工程における前記集束イオンビームの強度が弱められていることを特徴としている。
このように構成することで、各膜と水との化学反応による化学的エッチングが支配的となり、各膜と水との化学反応の違いに対応して、各膜が異なる外観を呈するようになる。したがって、有機絶縁膜を含む層の境界を明確に判別可能とすることができる。

また、前記他の絶縁膜は、有機絶縁膜であることを特徴としている。
このように構成することで、材質ごとにエッチング速度が異なるため凹凸が形成され、各膜の境界には段差が形成される。したがって、従来視認することができなかった有機絶縁膜間の境界を明確に視認することが可能となる。

また、前記他の絶縁膜は、無機絶縁膜であることを特徴としている。
このように構成することで、有機絶縁膜はエッチングされ、無機絶縁膜は例えば酸化されるため、有機絶縁膜と無機絶縁膜との境界を明確に視認することが可能となる。

そして、本発明に係る試料作製装置は、有機絶縁膜と他の絶縁膜とが積層されてなる試料に対して集束イオンビームを照射するイオンビーム照射部と、前記試料に対して水または水蒸気を供給する水供給部と、を備え、前記試料に対して前記集束イオンビームを照射して前記試料の断面を露出可能に構成されるとともに、前記水または水蒸気を供給しつつ、前記断面に前記集束イオンビームを照射して前記断面の各膜が判別し得るように構成されていることを特徴としている。

この発明によれば、試料作製装置内で、試料の断面を露出させることができるとともに、試料の断面に凹凸などを形成して断面観察をすることができる。また、試料の断面に対して水または水蒸気を供給しながら集束イオンビームを照射すると、試料の各膜でエッチング速度が異なり、有機絶縁膜を含む層の境界を明確に視認することができる。

本発明に係る試料作製方法によれば、試料の断面に対して水または水蒸気を供給しながら集束イオンビームを照射すると、各膜と水との化学反応の違いに対応して、各膜が異なる外観を呈するようになる。したがって、有機絶縁膜を含む層の境界を明確に判別可能とすることができる。

次に、本発明に係る試料作製装置（荷電粒子ビーム装置）および試料作製方法の実施形態を図１〜図７に基づいて説明する。

（試料作製装置）
図１、図２に示すように、荷電粒子ビーム装置１００は、真空室１０と、イオンビーム照射部２０と、電子ビーム照射部３０と、試料ステージ６０と、二次荷電粒子検出器７０と、ガス銃８０とを備えている。真空室１０は、内部を所定の真空度まで減圧可能になっており、上記の各構成品はそれらの一部又は全部が真空室１０内に配置されている。

イオンビーム照射部２０は、イオンを発生させるイオン源２１と、イオン源２１から流出したイオンを集束イオンビームに成形するとともに走査させるイオン光学部２２とを備えている。イオンビーム鏡筒２３を備えたイオンビーム照射部２０から、真空室１０内に配置された試料ステージ６０上の試料Ｗａに対して荷電粒子ビームであるイオンビーム２０Ａが照射される。このとき、試料Ｗａからは二次イオンや二次電子などの二次荷電粒子が発生する。この二次荷電粒子を、二次荷電粒子検出器７０で検出して試料Ｗａの像が取得される。また、イオンビーム照射部２０は、照射範囲の試料Ｗａをエッチング加工することも可能である。なお、イオンビーム２０Ａの強度は調節できるようになっている。

イオン光学部２２は、例えば、イオンビーム２０Ａを集束するコンデンサレンズと、イオンビーム２０Ａを絞り込む可動絞りと、イオンビーム２０Ａの光軸を調整するアライナと、イオンビーム２０Ａを試料に対して集束する対物レンズと、試料上でイオンビーム２０Ａを走査する偏向器とを備えている。

電子ビーム照射部３０は、電子を放出する電子源３１と、電子源３１から放出された電子をビーム状に成形するとともに走査する電子光学部３２とを備えている。電子ビーム照射部３０から射出される電子ビーム３０Ａを試料Ｗａに照射することによって、試料Ｗａからは二次電子が発生するが、この発生した二次電子を、二次荷電粒子検出器７０で検出して試料Ｗａの像を取得する。ここで、電子ビーム鏡筒３３から射出される電子ビーム３０Ａは、イオンビーム２０Ａと同一位置の試料Ｗａ上に照射する。なお、電子ビーム照射部３０を備えていない荷電粒子ビーム装置を用いてもかまわない。

試料ステージ６０は、試料台６１を移動可能に支持している。試料台６１上には試料Ｗａ（例えば半導体ウエハ等）を固定するための試料ホルダ（不図示）が設けられている。そして、試料ステージ６０は、試料台６１を５軸で変位させることができる。すなわち、試料台６１を水平面に平行で且つ互いに直交するＸ軸及びＹ軸と、これらＸ軸及びＹ軸に対して直交するＺ軸とに沿ってそれぞれ移動させるＸＹＺ移動機構６０ｂと、試料台６１をＺ軸回りに回転させるローテーション機構６０ｃと、試料台６１をＸ軸（又はＹ軸）回りに回転させるチルト機構６０ａとを備えて構成されている。試料ステージ６０は、試料台６１を５軸に変位させることで、試料Ｗａの特定位置をイオンビーム２０Ａによって照射される位置に移動するようになっている。

真空室１０は、内部を所定の真空度まで減圧可能になっており、真空室１０内には試料台６１と、二次荷電粒子検出器７０と、ガス銃８０とが設けられている。

二次荷電粒子検出器７０は、イオンビーム照射部２０又は電子ビーム照射部３０から試料Ｗａへイオンビーム２０Ａ又は電子ビーム３０Ａが照射された際に、試料Ｗａから発せられる二次電子や二次イオンを検出する。

ガス銃８０は、試料Ｗａへエッチングガス等の所定のガスを放出する。そして、ガス銃８０からエッチングガスを供給しながら試料Ｗａにイオンビーム２０Ａを照射することで、イオンビーム２０Ａによる試料のエッチング速度を高めることができる。なお、本実施形態では、ガス銃８０から水蒸気（Ｈ_２Ｏ）を供給するように構成されている。

また、荷電粒子ビーム装置１００は、当該装置を構成する各部を制御する制御部９０を備えている。制御部９０は、イオンビーム照射部２０、電子ビーム照射部３０、二次荷電粒子検出器７０、及び試料ステージ６０とそれぞれ接続されている。また、二次荷電粒子検出器７０から検出される信号に基づき取得される試料映像を表示する表示装置９１を備えている。

制御部９０は、荷電粒子ビーム装置１００を総合的に制御するとともに、二次荷電粒子検出器７０で検出された二次荷電粒子を輝度信号に変換して画像データを生成し、この画像データを基に画像を形成して表示装置９１に出力している。これにより表示装置９１は、上述したように試料の観察画像や参考画像を表示できるようになっている。

また制御部９０は、ソフトウェアの指令やオペレータの入力に基づいて試料ステージ６０を駆動し、試料Ｗａの位置や姿勢を調整する。これにより、試料表面におけるイオンビーム２０Ａの照射位置や照射角度を調整できるようになっている。例えば、イオンビーム照射部２０と電子ビーム照射部３０との切替操作に連動して試料ステージ６０を駆動し、試料Ｗａを移動させたり、傾けることができるようになっている。

（試料）
次に、本実施形態で使用する試料Ｗａについて説明する。
図３に示すように、試料Ｗａは、例えばＣＭＯＳイメージセンサーを使用する。具体的には、シリコン基板４０上に配線膜４２が形成され、さらに、内部レンズ膜４３、カラーフィルタ膜４４およびマイクロレンズ膜４５が順次積層されている。ここで、内部レンズ膜４３、カラーフィルタ膜４４およびマイクロレンズ膜４５は樹脂などの有機絶縁膜でそれぞれ形成されている。また、配線膜４２は金属材料からなる金属無機膜で形成されている。

（試料作製方法）
次に、荷電粒子ビーム装置１００を用いて観察用の試料Ｗａの作製方法について説明する。
図４に示すように、試料Ｗａを試料台６１上に配置し、試料Ｗａの所定の加工領域（断面形成領域）に対してイオンビーム２０Ａを照射する。イオンビーム２０Ａを照射する際には、ガス銃８０より水蒸気を放出している。これにより、試料Ｗａの所定領域の表面はスパッタリングによりエッチング除去され溝５１が形成される。つまり、試料Ｗａの断面５２が露出する（断面露出工程）。なお、ガス銃８０から放出する水蒸気は、真空室１０内の圧力が１×１０^−３Ｐａになるように流量を調節し、イオンビーム２０Ａの強度は５０００ｐＡ〜１２０００ｐＡの範囲内で調節している。

次に、図５に示すように、試料ステージ６０を駆動して試料Ｗａを傾け、断面５２にイオンビーム２０Ａが照射され得る状態に調節する。試料Ｗａが所望の位置に保持された状態で、再度イオンビーム２０Ａを照射する。イオンビーム２０Ａを照射する際には、ガス銃８０より水蒸気をアシストガスとして放出している。また、断面５２に対してイオンビーム２０Ａを照射する際の強度は、５０ｐＡ〜２００ｐＡの範囲内で調節している。つまり、試料Ｗａに溝５１を形成する際よりもイオンビーム２０Ａの強度を落としている。

このようにすることで、断面５２に露出している各膜を適宜エッチングされるなどして各膜ごとに凹凸が形成される（断面処理工程）。なお、ガス銃８０から放出する水蒸気は、上述と同様、真空室１０内の圧力が１×１０^−３Ｐａになるように流量を調節している。ここで、イオンビーム２０Ａの強度を落とすことにより、断面５２の視認性を向上することができる。つまり、溝５１を形成するのと同じ強度で断面５２にイオンビーム２０Ａを照射すると、必要以上にエッチングされ、断面５２の観察がしづらくなるため、それを回避している。

そして、この状態で電子ビーム照射部３０より電子ビーム３０Ａを照射し、試料Ｗａから発生した二次電子を二次荷電粒子検出器７０で検出して試料Ｗａの像を取得する。二次荷電粒子検出器７０で検出された二次荷電粒子を輝度信号に変換して画像データを生成し、この画像データを基に画像を形成して表示装置９１に出力する。表示装置９１により表示された試料Ｗａの観察画像を図６に示す。図６に示すように、有機絶縁膜が積層された内部レンズ膜４３、カラーフィルタ膜４４およびマイクロレンズ膜４５の境界が明確になり、各膜の状態を視認することができる。

なお、荷電粒子ビーム装置１００で観察すると、有機絶縁膜および無機絶縁膜は黒っぽく表示され、金属などの導電材料（金属無機膜）は白っぽく表示される。なお、ポリマー（有機膜）の場合は、誘電率が高いため白っぽく表示され、さらに水蒸気（Ｈ_２Ｏ）が供給されると、膜ごとにエッチング速度が異なるため、膜間の境界に段差が形成され、膜間の境界が視認できるようになる。したがって、有機絶縁膜が膜ごとに特徴的にエッチングされるため、有機絶縁膜−無機絶縁膜間の境界、および、有機絶縁膜−有機絶縁膜間の境界を明確に視認することができる。

図７は、上述のアシストガスとして水蒸気ではなくフッ化キセノン（ＸｅＦ_２）を用いて試料Ｗａを作成し、観察した画像である。図７では、有機絶縁膜が積層された内部レンズ膜４３、カラーフィルタ膜４４およびマイクロレンズ膜４５の境界が不明確であり、各膜の状態を視認することができない。これは、フッ化キセノンは有機絶縁膜に一般的に含有されているカーボンに対してはエッチング効果がないためである。

本実施形態によれば、試料Ｗａの断面５２に対してガス銃８０より水蒸気を供給しながらイオンビーム２０Ａを照射すると、試料Ｗａの各膜と水との化学反応の違いに対応して、各膜が異なる外観を呈するようになる。したがって、各膜の境界を明確に判別することができる。

また、断面露出工程におけるイオンビーム２０Ａの強度よりも断面処理工程におけるイオンビーム２０Ａの強度を弱くしたため、断面５２に露出している各膜が余分にエッチングされるのを抑制することができる。したがって、断面処理工程後に試料Ｗａの断面５２を観察する際の視認性を向上することができる。

さらに、ガス銃８０から水蒸気を供給しながら断面５２にイオンビーム２０Ａを照射することにより、有機絶縁膜−無機絶縁膜の境界だけでなく、有機絶縁膜−有機絶縁膜の境界も明確に視認することができる。

そして、本実施形態によれば、荷電粒子ビーム装置１００にて、試料Ｗａの断面５２を露出させることができるとともに、試料Ｗａの断面５２に凹凸を形成して断面観察をすることができる。

尚、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、実施形態で挙げた具体的な形状や構成等は一例にすぎず、適宜変更が可能である。
例えば、本実施形態では、試料としてＣＭＯＳイメージセンサーを用いたが、試料はこれに限られない。
また、本実施形態では、ガス銃より水蒸気を供給するように構成したが、水を供給してもよい。

本発明の実施形態における荷電粒子ビーム装置の概略斜視図である。本発明の実施形態における荷電粒子ビーム装置の概略断面図である。本発明の実施形態における試料の概略断面図である。本発明の実施形態における試料の作製方法を示す概略断面図（１）である。本発明の実施形態における試料の作製方法を示す概略断面図（２）である。本発明の実施形態における試料の観察画像である。従来の方法を用いた際の試料の観察画像である。

符号の説明

２０…イオンビーム照射部２０Ａ…イオンビーム（集束イオンビーム）５２…断面８０…ガス銃（水供給部）Ｗａ…試料

Claims

有機絶縁膜と他の絶縁膜とが積層されてなる試料に対して集束イオンビームを照射して前記試料の断面を露出させる断面露出工程と、
前記断面に対して水または水蒸気を供給しつつ、前記集束イオンビームを照射して前記断面の各膜が判別可能となるように処理する断面処理工程と、を有していることを特徴とする試料作製方法。
前記断面露出工程における前記集束イオンビームの強度よりも前記断面処理工程における前記集束イオンビームの強度が弱められていることを特徴とする請求項１に記載の試料作製方法。
前記他の絶縁膜は、有機絶縁膜であることを特徴とする請求項１または２に記載の試料作製方法。
前記他の絶縁膜は、無機絶縁膜であることを特徴とする請求項１または２に記載の試料作製方法。
有機絶縁膜と他の絶縁膜とが積層されてなる試料に対して集束イオンビームを照射するイオンビーム照射部と、
前記試料に対して水または水蒸気を供給する水供給部と、を備え、
前記試料に対して前記集束イオンビームを照射して前記試料の断面を露出可能に構成されるとともに、
前記水または水蒸気を供給しつつ、前記断面に前記集束イオンビームを照射して前記断面の各膜が判別し得るように構成されていることを特徴とする試料作製装置。