JP5101845B2 - 集束イオンビーム装置ならびにそれを用いた試料断面作製方法および薄片試料作製方法 - Google Patents

Description

本発明は、集束イオンビーム装置を用いた試料断面加工、ＴＥＭ試料加工に関する。

以下に図９を用いて従来のＦＩＢ−ＳＥＭ装置を用いた欠陥部分の加工観察方法について説明する。まず、試料２２にイオンビームＩＢを照射して加工し、矩形状の開口２１を作製する。開口作製後、電子ビームＥＢを断面部分Ｄに走査照射する。そのときに発生した二次電子を検出して、断面部分Ｄの二次電子像を観察する。不良解析において、不良の中心部分の断面を取得するために、取得した二次電子像中の特異構造の端部の２点を指定する。その後特異構造部分をイオンビームＩＢによって徐々に加工し、その加工中該特異構造の端部間の距離を測定する。距離の変化分がほぼゼロとなったときにイオンビームＩＢによる加工を停止することで、不良の中心部分の断面を取得することができる。
特開平１１−２７３６１３号公報

以上に述べた従来のＦＩＢ−ＳＥＭ装置を用いた欠陥部分の加工観察方法では、欠陥やコンタクトホールの中心位置を検出するために、電子ビームを試料断面に照射しなければならなかった。そのため、ＳＥＭカラムを備えたＦＩＢ−ＳＥＭ装置が必要であった。また、ＦＩＢで加工し、照射ビームをＳＥＭに切替えて、加工終点の確認を行うため切替え時間がかかっていた。本発明は、ＳＥＭ観察機能を備えないＦＩＢ装置でも、欠陥部分やコンタクトホールの中心位置を検出することが効率よく、実行できる試料断面作製方法を提供するものである。また、欠陥部分やコンタクトホールの中心がＴＥＭなどの観察用薄片試料の中心になるように効率よく薄片試料作製する方法も提供することを目的とするものである。

そして、本発明は上記目的を達成するために、集束イオンビーム装置を用いて、試料表面に平行な方向において少なくとも２種類の異なる材質を含む試料断面を作製する方法において、試料表面に垂直な方向の断面を形成しつつ試料の所望の領域に集束イオンビームを走査照射してエッチング加工しながら、前記集束イオンビームを照射することにより発生する二次荷電粒子を検出する工程と、検出した前記二次荷電粒子の信号で信号量の変化を検知して、その変化量に基づいてエッチング加工を終了する工程と、を含むことを特徴とする集束イオンビーム装置を用いた試料断面作製方法を用いるものである。いいかえると、集束イオンビーム装置を用いて、試料の所望の領域に、試料表面上に該集束イオンビーム装置の鏡筒軸に平行な方向に集束イオンビームを走査照射して試料断面を形成し、該試料断面を削りながら断面を形成する時に異なる材質を含む試料断面が現れる時に、この試料の所望の領域に集束イオンビームを走査照射してエッチング加工しながら、前記集束イオンビームを照射することにより発生する二次荷電粒子を検出する工程と、検出した前記二次荷電粒子の信号で信号量の変化を検知して、その変化量に基づいてエッチング加工を終了する工程と、を含むことを特徴とする集束イオンビーム装置を用いた試料断面作製方法を用いるものである。あるいは、試料表面上に、集束イオンビーム装置の鏡筒軸に平行な方向に集束イオンビームを走査照射し断面を形成し、該断面をエッチングしながら、試料の所望領域内に試料断面を作製する方法において、前記集束イオンビームを照射することにより発生する二次荷電粒子を検出する工程と、検出した前記二次荷電粒子の信号で信号量の変化を検知して信号量の変化があった時に、その変化量に基づいてエッチング加工を終了する工程と、を含むことを特徴とする集束イオンビーム装置を用いた試料断面作製方法とも言える。

また、第２の課題解決手段は、前記所望の領域は、試料表面上において所望の断面の一辺と略平行な一辺を有するように設定し、前記平行な一辺を含む断面を形成するようにエッチング加工を行った後、前記加工領域を前記所望の断面に向かって拡大する方向に断面形成しながら前記集束イオンビームを走査照射してエッチングを行ない、この時に発生する二次荷電粒子の信号で各断面位置での信号量の変化を検知して、その変化量に基づいてエッチング加工を終了することを特徴とする集束イオンビーム装置を用いた試料断面作製方法を用いるものである。

また、第３の課題解決手段は、前記二次荷電粒子の信号で信号量の変化を検知してエッチング加工を終了する工程は、前記所望の断面の一辺と略平行方向を主走査方向とし、前記主走査方向と垂直な方向を副走査方向としたときに、各副走査位置での主走査方向でのエッチング加工中に検出した二次荷電粒子信号を前記副走査方向について積算し、積算した信号量の変化を検知して、その変化量に基づいてエッチング加工を終了することを特徴とする集束イオンビーム装置を用いた試料断面作製方法を用いるものである。

また、第４の課題解決手段は、集束イオンビーム装置を用いて、試料表面に平行な方向において少なくとも２種類の異なる材質を含む薄片試料を作製する方法において、第１から第３の課題解決手段のいずれか１つに記載の集束イオンビーム装置を用いた試料断面作製方法を用いて、試料断面を作製する工程と、作製した前記試料断面と所望の薄片試料領域を挟んで反対にも同様に断面を作製し、薄片試料領域を作製することを特徴とする集束イオンビーム装置を用いた薄片試料作製方法を用いるものである。

また、第５の課題解決手段は、イオンを発生するためのイオン発生源と、前記イオンを細く絞って集束イオンビームにし該集束イオンビームを走査させながら試料表面に照射するための集束イオン光学系と、試料を支持するための試料台と、前記試料台を移動するための試料台制御機構と、前記集束イオンビーム照射により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、それらを制御する制御機構と、前記集束イオンビームを走査照射し試料平面と垂直方向の断面を形成し該断面のエッチングをすすめた時に、前記二次荷電粒子検出器で検出した二次荷電粒子の信号量の変化量から加工終点を検出する加工終点検出機構とを備えた集束イオンビーム装置を用いるものである。

上記第１の課題解決手段による作用は次の通りである。検出した二次荷電粒子の信号量の変化を検知してエッチング加工を終了することで、異なる材質を含んだ所望の断面が露出した状態で加工を終了することができる。

上記第２の課題解決手段による作用は次の通りである。所望の試料断面に略平行な面を一辺として加工領域を設定しエッチング加工を行い、エッチング加工終了の信号を検知するまで、加工領域を所望の試料断面に向かって拡大することにより、加工不足や加工過剰なく所望の断面を作製することができる。

上記第３の課題解決手段による作用は次の通りである。二次荷電粒子信号量が少ない場合や、信号量の変化が検知しにくい場合でも、二次荷電粒子の信号を積算し、積算した信号量の変化を検知することで、所望の断面が露出した状態で加工を終了することができる。

上記第４の課題解決手段による作用は次の通りである。作製した試料断面と所望の薄片試料領域を挟んで反対にも同様に断面を作製することで、所望の薄片試料領域の薄片試料を作製することができる。

上記第５の課題解決手段による作用は次の通りである。検出した二次荷電粒子の信号から加工終点を検知する加工終点検出機構を備えた集束イオンビーム装置を用いることで、異なる材質を含んだ所望の断面が露出した状態で加工を終了することができる。

上述したように本発明の集束イオンビーム装置および集束イオンビーム装置を用いた試料断面作製方法によると、エッチング加工しながら、発生する二次荷電粒子の信号量の変化を検知してエッチング加工を終了することで、ＳＥＭ観察機能を備えないＦＩＢ装置でも、欠陥部分やコンタクトホールの中心位置を検出することができ、効率よく試料断面を作製することができる。また、本発明の集束イオンビーム装置および集束イオンビーム装置を用いた薄片試料作製方法によると、ＳＥＭ観察機能を備えないＦＩＢ装置でも、欠陥部分やコンタクトホールの中心がＴＥＭなどの観察用薄片試料の中心にある薄片試料も効率よく作製することができる。

以下、本発明の実施の形態を図１から図７に基づいて説明する。

図１は本発明の実施形態を示すＦＩＢ装置の概略図である。イオン源１１で発生したイオンはイオン光学系１２で集束させ集束イオンビーム１にして、試料１０に走査照射される。試料１０は試料ステージ１３上に載置され、ステージ駆動機構１４によって移動することができる。集束イオンビーム１を試料１０に照射することで発生した二次荷電粒子である二次電子２は二次荷電粒子検出器である二次電子検出器３で検出される。検出された二次電子の信号から試料１０の二次電子像を表示装置１７に表示することができる。また、加工中に検出された二次電子信号量からその変化量に基づいて加工終点検出機構１６で加工終点を検出することができる。

コンタクトホールの中心の断面観察を行う場合について、図２、図３、図６を用いて説明する。

図２は本発明の実施形態を示す試料表面図である。表面保護膜４に覆われた試料１０の中に絶縁体の層間膜６と、試料表面と垂直方向に金属のコンタクトホール７が含まれており、試料表面からはコンタクトホール７の位置は観察できない。コンタクトホール７を試料表面と平行な面で切断すると、その切断面方向には絶縁体と金属という異なる材質で形成された部分が存在する。

図３は位置と積算した二次電子信号量の関係で、横軸が、断面の一辺と略平行方向を主走査方向、主走査方向と略垂直方向を副走査方向としたときの主走査方向の位置で、縦軸が副走査方向に積算した二次電子信号量を表す。ここで、二次電子信号量の積算とは、主走査方向に対して、副走査方向の各位置で検出した二次電子信号量を積算することである。試料の材質や集束イオンビーム照射条件によって、二次電子量の変化が検知することが困難な場合があるが、二次電子信号量を積算することで、変化を明瞭に確認することができる。

図６の本発明の実施形態を示すフローチャートを用いて本発明の試料断面作製方法について説明する。設計レイアウト図や欠陥検査装置の座標情報を用いてコンタクトホール７の位置に試料ステージ１３を移動させて試料表面の二次電子像を取得する。ただし、コンタクトホール７は表面保護膜４に覆われているので、取得した二次電子像内でのコンタクトホール７の正確な位置はわからない。取得した二次電子像を用いて、コンタクトホール７を断面加工できる位置を推定して試料表面に加工領域を設定する。

図２（ａ）の加工領域８ａは、コンタクトホール７を断面加工できる位置になっていない場合について図示している。

次に集束イオンビーム１を設定した加工領域８ａ内に断面の一辺と略平行方向を主走査方向、主走査方向と略垂直方向を副走査方向として走査照射してエッチング加工を行いながら、エッチング加工で発生する二次電子２を検出する。このときの積算した二次電子信号量は図３（ａ）で、積算した二次電子信号量は主走査方向について一定である。

次に図２（ｂ）で、新たにコンタクトホール７の断面が加工できるように加工領域８ｂを設定し、加工領域内をエッチング加工する。エッチング加工中に検出し、積算した二次電子信号量は図３（ｂ）で、積算した二次電子量がある位置で変化が起こる。この積算した二次電子信号量の変化は図２（ｂ）の加工領域８ｂを加工することで、コンタクトホール７の一部に集束イオンビーム１が照射されることに起因している。集束イオンビーム１を照射して発生する二次電子の量は材質によって異なるため、集束イオンビーム１がコンタクトホール７に照射されると、図３（ｂ）のように集束イオンビーム１の主走査方向でコンタクトホール７がある位置で二次電子信号量が変化する。

さらに図２（ｃ）のように新しい加工領域８ｃを設定し、加工領域内をエッチング加工する。エッチング加工中に検出し、積算した二次電子信号量は図３（ｃ）で、二次電子信号量のピークの先端が平坦になっている。この平坦な部分は、コンタクトホール７をエッチング加工していることを示している。

さらに図２（ｄ）で加工領域８ｄを設定し、加工領域内をエッチング加工する。このときの積算した二次電子信号量は、図３（ｄ）のように、ピーク幅が図３（ｃ）のものよりも大きくなっている。このピーク幅が最も大きくなったとき、エッチング加工で作製したコンタクトホールの断面は、コンタクトホールの直径にあると考えられ、コンタクトホールの中心付近までエッチング加工が達していると判断できる。ここで、ピーク幅が最も大きくなったときとは、加工してピークの大きさを観察していき、ピークの増大量が最も小さくなったときであると判断する。そのとき、エッチング加工を終了する。上記の方法を用いることで、コンタクトホール７の中心の断面を作製することができる。最後に、集束イオンビーム１を作製した断面に照射できるように試料ステージ１３を傾斜させ、集束イオンビーム１を断面に走査照射することで、コンタクトホール７の中心を含む断面を観察することができる。

次に、コンタクトホールの中心を含む薄片試料作製する場合について、図４、図５、図７を用いて説明する。図４は、コンタクトホールを含む試料１０の試料表面図である。図５は図４のＡ−Ａ断面図である。試料１０は表面保護膜４の下に層間膜６と配線５と、配線５をつなぐコンタクトホール７からなっている。

図７の本発明の実施形態を示すフローチャートを用いて説明する。設計レイアウト図や欠陥検査装置の座標情報を用いて、試料表面に加工領域を設定する。設定した加工領域に集束イオンビーム１を走査照射してコンタクトホールから遠い位置から断面を形成しながらコンタクトホール７に向かってエッチング加工を行い、図４（ａ）、図５（ａ）のように加工溝９aを作製する。この時、コンタクトホールの中心の断面観察を行う場合と同様にして、二次電子信号量を確認しながらエッチング加工を行う。加工溝９ａをエッチング加工して、各断面加工時に断面方向位置で二次電子信号量の変化する部分が見られない場合、図４（ｂ）、図５（ｂ）のように加工領域を拡大するように加工領域を設定し、エッチング加工によって加工溝９ｂを作製する。二次電子信号量を確認して、上記二次電子信号量の変化する部分が見られたらエッチング加工がコンタクトホール７に達したとして加工溝９ｂの加工を終了する。

次に図４（ｃ）、図５（ｃ）のようにコンタクトホール７を挟んで加工溝９ｂと対向する位置に新たな加工領域を設定する。設定した加工領域を上記の方法と同様にしてエッチング加工し、加工溝９ｃを作製する。加工溝９ｂの加工と同様に、二次電子信号量の変化する部分を確認できたら、加工溝９ｃがコンタクトホール７に達したとしてエッチング加工を終了する。これによりコンタクトホール７の中心を含む薄片試料を作製することができる。次に作製した薄片試料をＴＥＭ観察するために、試料１０から分離し、ＴＥＭ観察用試料ホルダに固定し、ＴＥＭ装置に搬送する。ＴＥＭ装置で薄片試料に垂直に電子ビームを照射することで、コンタクトホール７の中心を含んだ薄片試料のＴＥＭ像を観察することができる。

また、コンタクトホールが一定の間隔で並んでいる試料の断面観察を行う場合について説明する。図８（ａ）は、コンタクトホール７が一定の間隔で並んでいる試料の試料表面図である。コンタクトホール７の断面を観察するために加工領域を設定し、断面の一辺と略平行方向を主走査方向、主走査方向と略垂直方向を副走査方向として集束イオンビーム１を走査照射して加工溝９を形成する。図８（ｂ）は、このときの位置と積算した二次電子信号量の関係で、コンタクトホール７の間隔に一致する積算した二次電子信号量のピークが検出される。これより、コンタクトホール７の間隔が既知である場合、図８（ｂ）の積算した二次電子信号量のピーク間隔を調べることでコンタクトホール７の位置を確認することができるので、加工終点を決めることができる。ここで、断面観察について説明したが、上記の方法を用いることでコンタクトホール７の中心を含む薄片試料を作製することもできる。

ここで、観察対象としてコンタクトホールを用いて説明したが、本発明の対象はこれに限るものではない。例えば試料内の欠陥の断面観察や欠陥部分のＴＥＭ試料作製にも本発明は効果を発揮するものである。また、二次荷電粒子として、二次電子を検出する例について説明したが、二次イオンを用いることも可能である。

本発明の実施形態を示すＦＩＢ装置の概略図。 本発明の実施形態を示す、（ａ）試料表面図 （ｂ）試料表面図 （ｃ）試料表面図 （ｄ）試料表面図。 本発明の実施形態を示す、（ａ）位置と積算した二次電子信号量の関係 （ｂ）位置と積算した二次電子信号量の関係 （ｃ）位置と積算した二次電子信号量の関係 （ｄ）位置と積算した二次電子信号量の関係。 本発明の実施形態を示す、（ａ）試料表面図 （ｂ）試料表面図 （ｃ）試料表面図。 図４の、（ａ）Ａ−Ａ試料断面図 （ｂ）Ａ−Ａ試料断面図 （ｃ）Ａ−Ａ試料断面図。 本発明の実施形態を示すフローチャート。 本発明の実施形態を示すフローチャート。 本発明の実施形態を示す、（ａ）試料表面図（ｂ）位置と積算した二次電子信号量の関係。 従来の実施形態を示すＦＩＢ−ＳＥＭ装置。

符号の説明

１ 集束イオンビーム
２ 二次電子
３ 二次電子検出器
４ 表面保護膜
５ 配線
６ 層間膜
７ コンタクトホール
８ａ 加工領域
８ｂ 加工領域
８ｃ 加工領域
８ｄ 加工領域
９ 加工溝
９ａ 加工溝
９ｂ 加工溝
９ｃ 加工溝
１０ 試料
１１ イオン源
１２ イオン光学系
１３ 試料ステージ
１４ ステージ駆動機構
１５ 制御機構
１６ 加工終点検出機構
１７ 表示装置
２１ 開口
２２ 試料
ＩＢ イオンビーム
ＥＢ 電子ビーム
Ｄ 断面部分

Claims (5)

1. 集束イオンビーム装置を用いて、一定の間隔で配列された複数のコンタクトホールを有する試料の断面を作製する試料断面作製方法において、
   前記コンタクトホールの一つの配列方向に平行な方向を集束イオンビームの主走査方向とし、前記主走査方向と垂直な方向を副走査方向とする加工領域を前記試料の表面に設定する工程と、
   前記加工領域に前記集束イオンビームを走査照射し、エッチング加工すると共に、前記集束イオンビームを照射することにより発生する二次荷電粒子を検出する工程と、
   前記集束イオンビームを前記主走査方向に走査照射し、発生した前記二次荷電粒子の信号量のピーク間隔が前記一つの配列方向の前記コンタクトホールの間隔と一致した場合、前記集束イオンビームによるエッチング加工を終了する工程と、からなる集束イオンビーム装置を用いた試料断面作製方法。
2. 前記エッチング加工を終了するまで、前記加工領域を前記副走査方向に拡大し、エッチング加工を施す請求項１に記載の集束イオンビーム装置を用いた試料断面作製方法。
3. 前記信号量は、前記集束イオンビームを走査照射し、発生した前記二次荷電粒子の信号量を前記副走査方向について積算した信号量である請求項１または２に記載の集束イオンビーム装置を用いた試料断面作製方法。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の集束イオンビーム装置を用いた試料断面作製方法を用いて、前記断面を作製する工程と、
   所望の薄片試料領域を挟んで前記断面の反対側に新たな断面を作製し、薄片試料を作製する集束イオンビーム装置を用いた薄片試料作製方法。
5. イオンを発生するためのイオン発生源と、
   前記イオンを絞り集束イオンビームを形成し、当該集束イオンビームを試料に走査照射し、エッチング加工するためのイオン光学系と、
   一定の間隔で配列された複数のコンタクトホールを有する試料を支持するための試料台と、
   前記試料台を移動するための試料台制御機構と、
   前記集束イオンビームの照射により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、
   前記集束イオンビームを前記コンタクトホールの一つの配列方向に対し平行な方向に走査照射し、発生した前記二次荷電粒子の信号量のピーク間隔が前記一つの配列方向の前記コンタクトホールの間隔と一致した場合を加工終点とし、前記加工終点を検出する加工終点検出機構と、を有する集束イオンビーム装置。

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