JP5175008B2 - ミクロ断面加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば半導体デバイスの断面観察等に用いられ、集束イオンビームで試料を断面加工するミクロ断面加工方法に関する。

半導体デバイスや半導体レーザデバイスなどの微細パターンを有する試料はますます微細化が進んでいる。そのため、これらの試料をSEMにより断面観察する際、断面加工をFIB（集束イオンビーム）で行うのが一般的になり、最近では100nm以下のパターンの断面加工が必要になってきている。
そこで、断面観察用の試料を傾斜させて集束イオンビームを照射し、試料の断面を露出させた後、集束イオンビーム装置の走査イオン顕微鏡機能を用いて断面を観察（計測、分析）する技術が知られている（特許文献１）。

特許2973211号公報

しかしながら、FIBによる断面加工は、ビームに起因して試料にダメージを与えるため、ダメージに弱い材質や構造などの観察が困難であるという問題があった。特に、半導体のｐｎ接合部分は、FIB加工や、アルゴンイオンによる仕上げ加工によるダメージで鮮明に見えなくなるという問題があった。
一方、試料にダメージを与えない方法として、従来から機械的な劈開で断面出しを行って、鮮明な断面SEM像を得る方法が知られている。しかし、微小な特定箇所を劈開することは非常に難しい。
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、微小な特定箇所を劈開して断面を得ることができるミクロ断面加工方法の提供を目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明のミクロ断面加工方法は、集束イオンビーム装置を用いて集束イオンビームを試料に照射し、試料の断面加工を行う方法であって、前記試料表面上に、観察対象が含まれる線状の断面予想位置を決定する加工予想位置決定工程と、前記断面予想位置に対して、前記集束イオンビームをその入射方向が前記試料表面に対して垂直または傾斜角を持って照射させ、前記断面予想位置の前方の位置で断面を形成する断面加工工程と、前記断面の両端部に前記集束イオンビームを照射させ、各両端部に前記断面予想位置より後方の位置まで延びる側面切込みを形成する側面切込み加工工程と、前記断面表面でかつ前記観察対象より深い位置に前記集束イオンビームを照射させ、前記断面予想位置より後方の位置まで延びると共に前記側面切込みに接続する底部切込みを形成する底部切込み加工工程と、前記側面切込みから前記断面予想位置に沿って前記集束イオンビームを照射させ、前記断面の両端部からそれぞれ内側に延び前記底部切込みに接続する楔を形成する楔加工工程と、前記試料の前記断面予想位置より前方の部位に衝撃を加え、前記楔で挟まれた前記断面予想位置の近傍を劈開させ、劈開面を形成する観察断面加工工程とを有する。

このような構成とすると、試料の劈開を行う部位の周囲（側面及び底部）が側面切込み及び底部切込みによってすべて除去されると共に、楔を形成することにより断面予想位置に沿って劈開面が生じ易くなり、微小な領域であっても特定位置（断面予想位置近傍）を劈開することが可能となる。

前記観察対象が前記試料表面に位置する場合に、前記集束イオンビームを照射する前に、前記観察対象を覆う保護膜を前記試料表面に形成する保護膜形成工程をさらに有してもよい。
このような構成とすると、集束イオンビームによる観察対象のダメージが抑制される。

前記楔加工工程において、前記楔の先端を前記観察対象から0.5μｍ以上離間させてもよい。
このような構成とすると、集束イオンビームによる観察対象のダメージが抑制される。

前記観察対象が前記試料内部に位置する場合に、前記加工予想位置決定工程の前に、前記観察対象の位置を前記試料表面に表示させる観察対象位置表示工程をさらに有してもよい。
このような構成とすると、集束イオンビーム装置でミクロ断面加工を行う際、断面予想位置を容易に観察して作業が容易となる。

本発明によれば、微小な特定箇所を劈開して断面を得ることができる。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は本発明の実施形態に係るミクロ断面加工方法に用いることができる、集束イオンビーム装置１００の全体構成を示すブロック図である。図１において、集束イオンビーム装置１００は、真空室１０と、イオンビーム照射系２０と、電子ビーム照射系３０と、アルゴンイオンビーム照射系４０と、ナノピンセット５０と、試料ステージ６０と、二次荷電粒子検出器７０と、マイクロプローブ８０と、制御部９０とを備えている。真空室１０の内部は所定の真空度まで減圧され、集束イオンビーム装置１００の各構成部分の一部又は全部が真空室１０内に配置されている。

又、試料ステージ６０は、試料台６１を移動可能に支持し、試料台６１上には試料２が載置されている。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移動機構を有している。この移動機構は、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、Ｘ軸及びＹ軸に直交する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２をイオンビーム（集束イオンビーム）２０Ａの照射位置に移動させ、試料２に所定の角度でイオンビーム２０Ａを照射させる。

制御部９０は、中央演算処理装置としてのＣＰＵと、データやプログラムなどを格納する記憶部（ＲＡＭおよびＲＯＭ）と、外部機器との間で信号の入出力を行う入力ポートおよび出力ポートとを備えるコンピュータで構成することができる。制御部９０は、記憶部９３に格納されたプログラムに基づいてＣＰＵが各種演算処理を実行し、集束イオンビーム装置１００の各構成部分を制御する。
又、制御部９０は、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試料表面を表す画像データを生成し、この画像データを基に試料画像を生成する。試料画像は、制御部９０に接続された表示装置９１に出力され、さらに表示装置９１上で、オペレータがミクロ断面加工を行うことが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２の位置や姿勢を調整して試料２表面へのイオンビーム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。また制御部９０は、マイクロプロ−ブステージ８１を駆動し、微小針等からなるマイクロプロ−ブ８０の位置や姿勢を調整するようになっている。同様に、制御部９０は、ピンセットステージ５１及び挟持機構５３を駆動し、ナノピンセット５０の位置や姿勢を調整してナノピンセット５０により試料２の把持を行えるようになっている。
なお、制御部９０には、オペレータの入力指示を取得するキーボード等の入力手段９２が接続されている。

イオンビーム照射系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系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系２０から、真空室１０内の試料ステージ６０上の試料２に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２からは二次イオンや二次電子等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２の像が取得される。また、イオンビーム照射系２０は、イオンビーム２０Ａの強度を増すことで、照射範囲の試料２をエッチング加工することも可能である。
イオン光学系２２は、例えば、イオンビーム２０Ａを集束するコンデンサーレンズと、イオンビーム２０Ａを絞り込む絞りと、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構成される。

電子ビーム照射系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系３２とを備えている。電子ビーム照射系３０から射出される電子ビーム３０Ａを試料２に照射することによって、試料２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２の像を取得することができる。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２上に照射する。
なお、試料表面を表す試料画像を取得するため、イオンビーム２０Ａの照射による二次荷電粒子（二次イオンや二次電子）を用いてもよく、電子ビーム３０Ａの照射による二次荷電粒子（二次電子）を用いてもよい。但し、本発明においては、イオンビーム２０Ａの照射による試料のダメージを抑制するため、試料の観察は電子ビーム照射系３０による二次電子を用いることが好ましい。

アルゴンイオンビーム照射系４０は、アルゴンイオン源４１と、アルゴンイオン光学系４２と、アルゴンイオンビーム鏡筒４３とを備え、さらに、アルゴンイオンビームの照射位置を制御するビーム位置制御手段４４を備えている。アルゴンイオンビーム照射系４０からは、試料２をクリーニングするためのアルゴンイオンビームが照射される。
二次荷電粒子検出器７０は、試料２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２から反射される二次荷電粒子（二次電子や二次イオン）を検出する。

次に、本発明の実施形態に係るミクロ断面加工方法について説明する。
図２は、試料表面２ａ上に、観察対象３が含まれる線状の断面予想位置３Ｌを決定する加工予想位置決定工程を示す。断面予想位置３Ｌは、後述する劈開面となり得る断面の位置を示し、オペレータが表示装置９１上で断面予想位置３Ｌの位置を指定する。制御部９０は、表示装置９１上における断面予想位置３Ｌの座標を取得して記憶すると共に、加工中に表示装置９１に断面予想位置３Ｌを表示する。
試料２としては、例えば半導体デバイス等が挙げられる。又、観察対象３としては、例えば半導体デバイス内部の不良部分が挙げられる。
本発明によって加工される試料２の加工部（劈開面）の大きさは特に限定されないが、例えば、幅と深さとが数μm以下（例えば、1.5〜2μm以下）程度の領域を劈開することができる。

又、観察対象３が試料表面２ａに位置する場合には、イオンビーム２０Ａを照射する前に、観察対象３を覆う保護膜６を試料表面２ａに形成してもよい（保護膜形成工程）。保護膜６は、例えば集束イオンビーム装置１００の集束イオンビーム２０Ａの照射または電子ビーム３０Ａの照射と、ガス供給システム（図示せず）からのガス供給とによる局所ポジション機能を用い、カーボン、タングステン保護膜等を形成することができる。
一方、観察対象３が試料２内部に位置する場合には、加工予想位置決定工程の前に、観察対象３の位置を試料表面２ａに表示させてもよい（観察対象位置表示工程）。観察対象３の位置は、例えば試料表面２ａの２箇所にレーザマーカ４を刻印し、各レーザマーカ４を結ぶ線分を断面予想位置３Ｌとして制御部９０に記憶させることができ、又、表示装置９１で各レーザマーカ４を結ぶ線分をオペレータが認識することができる。又、ＣＡＤリンケージを用いて、観察対象３の位置を試料表面２ａに表示させてもよい。
観察対象位置表示工程により、後述する各種工程において、オペレータは表示装置９１を見ながら、イオンビーム２０ａによるエッチング加工が断面予想位置３Ｌを越えないように調整することができる。

次に、図３に示すように、断面予想位置３Ｌに対して、イオンビーム２０Ａをその入射方向が試料表面２ａに対して垂直または傾斜角を持って照射させ、断面予想位置３Ｌの前方（イオンビーム２０Ａの入射側）の位置で断面１０を形成する（断面加工工程）。
断面１０は試料表面２ａに対して直角にすることができ、試料表面２ａから上記傾斜角を持って試料内部に向かって斜面が形成され、断面１０に至っている。断面１０の深さ１０ｂは、試料表面２から観察対象３までの深さより深く、又、断面１０は幅１０ａをなしている。
又、断面予想位置３Ｌが劈開面となるよう、断面予想位置３Ｌの前方（例えば、断面予想位置３Ｌより0.5μm〜数μm手前）までを断面加工して断面１０を形成する。又、断面１０の幅１０ａを、例えば劈開面とする幅より左右に数μmずつ大きくなるように断面加工を行うとよい。断面１０の深さ１０ｂは、例えば劈開面より数μm深くするとよい。

次に、図４に示すように、断面１０の両端部にイオンビーム２０Ａを照射させ、断面１０の幅１０ａ方向の各両端部に、断面予想位置３Ｌより後方の位置まで延びる側面切込み１２、１２をそれぞれ形成する（側面切込み加工工程）。
側面切込み１２、１２は、例えば断面予想位置３Ｌより0.5〜数μm後方（断面１０より後ろ側）まで入れればよい。側面切込み１２、１２の深さは、観察対象３より例えば数μm程度深くすればよい。側面切込み１２、１２は断面１０の底部に接続してもよく、断面１０の底部より浅くてもよい。各側面切込み１２の幅は、例えば０．５μm〜数μmとすることができる。
側面切込み１２、１２を入れることにより、後述する劈開を行う部位２ｘを試料２の本体から切り離して、劈開をし易くする。

次に、図５に示すように、断面１０の表面でかつ観察対象３より深い位置にイオンビーム２０Ａを照射させ、断面予想位置３Ｌより後方の位置まで延びると共に、各側面切込み１２、１２に接続する底部切込み１４を形成する（底部切込み加工工程）。
これにより、後述する劈開を行う部位２ｘを試料２の底部から切り離し、この部位２ｘが試料２の後面のみで保持されることで、劈開をし易くする。
なお、底部切込み加工工程におけるイオンビーム２０Ａの照射角度は特に限定されないが、断面加工工程における照射角度とほぼ同一とすると加工がし易い。

次に、図６に示すように、側面切込み１２，１２から断面予想位置３Ｌに沿ってイオンビーム２０Ａを照射させ、断面１０の両端部からそれぞれ断面予想位置３Ｌに沿って内側に延び、かつ底部切込み１４に接続する楔１６、１６をそれぞれ形成する（楔加工工程）。楔１６は断面１０の両端部から内側へ向かって尖るように形成する。
但し、楔１６を形成する際にイオンビーム２０Ａが観察対象３にダメージを与えないよう、楔１６の先端と観察対象３との距離１６Ｓを0.5〜1μm程度離間させることが好ましい。
以上のように、劈開を行う部位２ｘの周囲（側面及び底部）がすべて除去されると共に、楔１６を形成することにより断面予想位置３Ｌに沿って劈開面が生じ易くなり、微小な領域であっても特定位置（断面予想位置３Ｌ近傍）を劈開することが可能となる。

図７は、図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿う、楔加工工程が終了後の試料２の断面図を示す。図７に示すように、試料２の断面予想位置３Ｌより前方の部位２ｘの表面をマイクロプローブ８０で叩いて衝撃を加えると、各楔１６、１６で挟まれ周囲（側面及び底部）がすべて除去されて浮いている部位２ｘが劈開して脱落する。
これにより、図８に示すように、断面予想位置３Ｌ近傍に劈開面Ｓが露出する（観察断面加工工程）。
なお、部位２ｘに衝撃を加える方法として、該部位２ｘをナノピンセット５０で把持して上下左右にナノピンセット５０を動かしてもよい。
以上にようにして、微小な（例えば、縦横数μm以下）特定箇所を劈開して断面を得ることができる。なお、劈開後の断面にイオンビーム２０Ａが照射されないよう、観察断面加工工程での試料２の観察を電子ビーム照射系３０によって行うことが好ましい。

本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の思想と範囲に含まれる様々な変形及び均等物に及ぶことはいうまでもない。
例えば、観察対象３が試料２の深部に存在し、劈開を行う部位が試料表面２ａより深い部分に位置する場合、予め試料表面２ａをイオンビーム２０Ａで削っておくとよい。

本発明に好適に用いられる集束イオンビーム装置の全体構成を示すブロック図である。 加工予想位置決定工程を示す上面図である。 断面加工工程を示す図である。 側面切込み加工工程を示す図である。 底部切込み加工工程を示す図である。 楔加工工程を示す図である。 図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿う断面図である。 観察断面加工工程を示す図である。

２ 試料
２ａ 試料表面
２ｘ 試料の断面予想位置より前方の部位
３ 観察対象
１０ 断面
１２ 側面切込み
１４ 底部切込み
１６ 楔
２０Ａ 集束イオンビーム
１００ 集束イオンビーム装置

Claims (4)

1. 集束イオンビーム装置を用いて集束イオンビームを試料に照射し、試料の断面加工を行う方法であって、
   前記試料表面上に、観察対象が含まれる線状の断面予想位置を決定する加工予想位置決定工程と、
   前記断面予想位置に対して、前記集束イオンビームをその入射方向が前記試料表面に対して垂直または傾斜角を持って照射させ、前記断面予想位置の前方の位置で断面を形成する断面加工工程と、
   前記断面の両端部に前記集束イオンビームを照射させ、各両端部に前記断面予想位置より後方の位置まで延びる側面切込みを形成する側面切込み加工工程と、
   前記断面表面でかつ前記観察対象より深い位置に前記集束イオンビームを照射させ、前記断面予想位置より後方の位置まで延びると共に前記側面切込みに接続する底部切込みを形成する底部切込み加工工程と、
   前記側面切込みから前記断面予想位置に沿って前記集束イオンビームを照射させ、前記断面の両端部からそれぞれ内側に延び前記底部切込みに接続する楔を形成する楔加工工程と、
   前記試料の前記断面予想位置より前方の部位に衝撃を加え、前記楔で挟まれた前記断面予想位置の近傍を劈開させ、劈開面を形成する観察断面加工工程と
   を有するミクロ断面加工方法。
2. 前記観察対象が前記試料表面に位置する場合に、前記集束イオンビームを照射する前に、前記観察対象を覆う保護膜を前記試料表面に形成する保護膜形成工程をさらに有する請求項１記載のミクロ断面加工方法。
3. 前記楔加工工程において、前記楔の先端を前記観察対象から0.5μｍ以上離間させる請求項１または２記載のミクロ断面加工方法。
4. 前記観察対象が前記試料内部に位置する場合に、前記加工予想位置決定工程の前に、前記観察対象の位置を前記試料表面に表示させる観察対象位置表示工程をさらに有する請求項１〜３のいずれかに記載のミクロ断面加工方法。

Images