JP5374655B1

JP5374655B1 - 電子顕微鏡で観察する観察試料およびその作成方法、並びに観察方法

Info

Publication number: JP5374655B1
Application number: JP2013055339A
Authority: JP
Inventors: 壽治吉田
Original assignee: 株式会社真空デバイス
Priority date: 2013-03-18
Filing date: 2013-03-18
Publication date: 2013-12-25
Anticipated expiration: 2033-03-18
Also published as: JP2014181952A

Abstract

【課題】課題デバイス素子の微細化に伴って要求される、試料を被覆層で覆った時に、被覆層に用いた材料による試料への影響を極めて小さいものとして、正確なコントラストのよいレジストパターン、有機材料層あるいは半導体材料層の断面形状を得る。
【解決手段】レジストパターン、有機材料層あるいは半導体材料層の周囲に、真空蒸着方法もしくはスパッタ法によってＧｅ単体による被覆層を形成することで試料を形成し、レジストパターン、有機材料層あるいは半導体材料層Ｇｅ単体被覆層被覆状態で断面切断して、レジストパターン、有機材料層あるいは半導体材料層断面をコントラストよく露出させる。
【選択図】図４

Description

本発明は、電子顕微鏡で観察する観察試料およびその作成方法、並びに観察方法に関する。

試料の断面形状を観察するために、観察試料を透過した電子を、電子レンズを用いて結像させる透過型電子顕微鏡、試料表面で反射した電子を結像させる反射型電子顕微鏡、集束電子線を試料表面上に走査して各走査点からの二次電子を用いて結像させる走査型電子顕微鏡、加熱あるいはイオン照射によって試料から放出される電子を結像させる表面放出型の電界イオン顕微鏡などがその目的に応じて利用されている。

これらの電子顕微鏡を使用しての試料の形成方法と観察方法がいろいろ報告されている。

特許文献１には、原子間力顕微鏡により高分子表面を観察する際に、高分子表面に金属、すなわちチタン、バナジウム、クロム、ニッケル、コバルト、鉄、モリブデン、タングステンを含むプラズマによる表面処理を行う表面観察方法が記載されている。

特許文献２には、金属をイオンとして含む金属イオン含有液を試料に噴霧または塗布し、ついで表面水を放散させる観察試料の調整法が記載されている。

特許文献３には、レジストパターンの周囲にシリコンおよびゲルマニウムの少なくともいずれかを含む有機材料層を形成して、この有機材料層をマスクとして主表面にイオンを注入する方法が記載されている。

特開平９−２８１１２４号公報特開２００７−２７９０１０号公報特開２０１０−２１４１６号公報

デバイス素子に開発が２２nmあるいはそれ以下のノードに進むにしたがって、プロセス開発や故障解析の課題が増している。この課題には、高精度な断面加工および高分解能かつ高コントラストの像の生成が要求されると共に、試料が、試料を被覆する層で覆った時に、被覆層に用いた材料により影響を最小のものとすることが要求される。

本発明は、かかる点に鑑みてデバイス素子の微細化に伴って要求される、試料を被覆層で覆った時に、被覆層に用いた材料による試料への影響を極めて小さいものとして、正確なコントラストのよいレジストパターン、有機材料層あるいは半導体材料層の断面形状を得ることのできる試料の形成方法及び試料、並びに試料観察方法を提供することを目的とする。

本発明は、半導体基板の主表面上にレジストパターン、有機材料層あるいは半導体材料層が形成され、レジストパターン、有機材料層が形成された電子顕微鏡によって観察される形成パターン観察試料の形成方法において、
電子顕微鏡によって観察される形成パターン観察試料が、
Ｇｅ単体がスパッタ処理槽内にターゲット材としてセットされ、セットされたＧｅ単体がスパッタされ、
スパッタ法による０°から１００°の低温度範囲の処理によって非結晶質のＧｅ単体被覆膜が形成され、該非結晶質のＧｅ単体被覆膜が、レジストパターン、有機材料層あるいは半導体材料層に直接接触するようにした境界を形成する厚い膜厚の被覆層に形成されることで、形成され、
レジストパターン、有機材料層あるいは半導体材料層がＧｅ単体の厚い膜厚の被覆層と共に断面切断されて、観察に供するレジストパターン、有機材料層あるいは半導体材料層断面が露出されるようにされたこと
を特徴とした電子顕微鏡によって観察される形成パターン観察試料の形成方法を提供する。

また、形成パターン観察試料の形成方法において、非結晶質のＧｅ単体の厚い膜厚の被覆層が、レジストパターン、有機材料層あるいは半導体材料層間に形成されたスペース部間を埋め、電子線が照射されたときの収縮現象に対して、レジストパターン、有機材料層あるいは半導体材料層を保持する厚い膜厚の被覆層を持つ形状を形成することを特徴とする電子顕微鏡によって観察される形成パターン観察試料の形成方法を提供する。

また、半導体基板の主表面上に形成されたレジストパターン、有機材料層あるいは半導体材料層と、レジストパターン、有機材料層あるいは半導体材料層間にスペース部とが形成された電子顕微鏡による観察に供される形成パターン観察試料において、
Ｇｅ単体がスパッタ処理槽内にターゲット材としてセットされ、セットされたＧｅ単体がスパッタされ、
スパッタ法による０°から１００°の低温度範囲の処理によって非結晶質のＧｅ単体被覆膜が形成され、該非結晶質のＧｅ単体被覆膜が、レジストパターン、有機材料層あるいは半導体材料層に直接接触するようにした境界を形成する厚い膜厚の被覆層に形成されることで、電子顕微鏡によって観察される形成パターン観察試料が形成され、
レジストパターン、有機材料層あるいは半導体材料層が、Ｇｅ単体の厚い膜厚の被覆層と共に断面切断され、切断断面が観察面として露出すること
を特徴とする電子顕微鏡による観察に供される形成パターン観察試料を提供する。

また、形成パターン観察試料において、非結晶質のＧｅ単体の厚い膜厚の被覆層が、レジストパターン、有機材料層あるいは半導体材料層間に形成されたスペース部間を埋め、電子線が照射されたときの収縮現象に対して、レジストパターン、有機材料層あるいは半導体材料層を保持する厚い膜厚の被覆層を持つ形状に形成されることを特徴とする電子顕微鏡による観察に供される形成パターン観察試料を提供する。

また、半導体基板の主表面上にレジストパターン、有機材料層あるいは半導体材料層が形成され、レジストパターン、有機材料層あるいは半導体材料層間にスペース部が形成されたレジストパターン、有機材料層あるいは半導体材料層を観察する電子顕微鏡観察方法において、
Ｇｅ単体がスパッタ処理槽内にターゲット材としてセットされ、セットされたＧｅ単体がスパッタされ、
スパッタ法による０°から１００°の低温度範囲の処理によって非結晶質のＧｅ単体被覆膜が形成され、該非結晶質のＧｅ単体被覆膜が、レジストパターン、有機材料層あるいは半導体材料層に直接接触するようにした境界を形成する厚い膜厚の被覆層に形成されることで、電子顕微鏡によって観察される形成パターン観察試料が形成され、
形成パターン観察試料を断面切断して、露出した切断断面を電子顕微鏡観察し、観察データを取得することを特徴とするレジストパターン、有機材料層あるいは半導体材料層を観察する電子顕微鏡観察方法を提供する。

また、レジストパターン、有機材料層あるいは半導体材料層の観察方法において、非結晶質のＧｅ単体の厚い膜厚の被覆層が、レジストパターン、有機材料層あるいは半導体材料層間に形成されたスペース部間を埋め、電子線が照射されたときの収縮現象に対して、レジストパターン、有機材料層あるいは半導体材料層を保持する厚い膜厚の被覆層を持つ形状を形成することを特徴とするレジストパターン、有機材料層あるいは半導体材料層を観察する電子顕微鏡観察方法を提供する。

本発明によれば、デバイス素子の微細化に伴って要求される、試料であるレジストパターン、有機材料層あるいは半導体材料層で覆った時に、非結晶性のＧｅ単体被覆層を形成しているので、被覆材料による影響を極めて小さいものとすることが出来、正確なコントラストのよいレジストパターン、有機材料層あるいは半導体材料層の断面形状を形成することができ、もって電子顕微鏡による正確な切断断面の観察データを取得することのできる試料の形成方法及び試料、並びに試料観察方法が提供される。

試料装置の一例を示す図。本発明実施例でのレジストパターンを形成するステップを示す図。本発明実施例のＧｅ単体による被覆層を形成するステップを示す図。本発明実施例の試料を切断するステップを示す図。本発明実施例の切断断面を形成するステップを示す図。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

電子顕微鏡による形成パターン観察試料が、半導体基板の主表面上にレジストパターン、有機材料層あるいは半導体材料層を形成し、レジストパターン、有機材料層あるいは半導体材料層の周囲に、スパッタ法によってＧｅ（ゲルマニウム）単体による被覆膜を形成することで形成される。以下、レジストパターンを形成した例について説明するが、有機材料層あるいは半導体材料層を形成する場合にも同様工程となる。レジストパターンあるいは有機材層の形成は、公知の方法が採用されてよい。

半導体材料層は、Si含有系材料で構成される層で、具体的には単結晶Si（Si基板）、PolySi（多結晶Si）、非結晶Ｓｉ（アモルファスＳｉ）、酸化膜、窒化膜、ＬｏｗＫ膜（カーボン、Ｓｉのポーラス系膜）で構成される。

図１は、本発明の実施例であるＧｅ単体による被覆層を備えた形成パターン観察試料を形成するために用いられる試料処理装置１００を示す。Ｇｅ単体による被覆層を形成するのに当該処理装置に限定されない。観察には、ＳＥＭ，ＴＥＭのいずれの電子顕微鏡を用いることができる。

図１において、１Ｐａ以下の圧力雰囲気を保持できるスパッタ処理槽となる真空層１内に、ターゲット、ターゲット電極３、正電極５、試料台６、磁石９、絶縁物１１が配設される。ターゲット電極３を絶縁物４で絶縁する。ターゲット電極３は、電源８に接続される。ターゲット電極３の先端部にターゲット、すなわちＧｅ単体が設置される。

試料台２６の上に試料Ｓが載置され、ターゲットに対向配置される。

電源２８によってターゲット電極２３に負電圧が印加され、ターゲット電極は、負電位となる。正電極２５は、ターゲット電極２３に対して正電位にされる。

真空槽２１内は、排気ポンプ２７によって排気され、雰囲気ガス注入系３０より希薄ガスを注入される。雰囲気ガス注入系３０には、ガス流量調節バルブ３２が設けられる。

真空槽２１内を排気ポンプ２７によって排気し、希薄ガスを注入し、真空槽２１内を３ないし１００Ｐａ程度の圧力雰囲気に保つ。ターゲット２２にＧｅ単体がセットされ、試料台２６に主表面の上にレジストパターンが形成された材料がセットされる。

ターゲット電極２３を負、正電極２５を正の直流電圧を印加し、レジストパターンの上にＧe単体からなる被覆層を形成する。以下、詳述する。

図２は、主表面1上にレジストパターン２を形成した状態を示す。レジストパターン２は、スパッタ方法によって形成される。レジストパターンの形成法については周知であり、ここではこれ以上の説明をしない。

デバイス素子の開発に伴って、このレジストパターンは、極めて小さいものとなり、例えば２２nmあるいはそれ以下とされてきている。

図３において、レジストパターン２の周囲にＧｅ単体による被覆層３が形成される。レジストパターン間スペース部５は、Ｇｅ単体による被覆層３で埋められる。

本実施例では、レジストパターンの切断断面観察のために、レジストパターンをＧe単体による被覆層を形成したことを特徴とする。すなわち、金属によるあるいはＧｅと他の金属からなる被覆層ではなくＧｅ単体によるＧｅ単体被覆層を形成した。従来、被覆層の形成に当たっては、典型的な例として白金が用いられた。白金等の金属を金属スパッタで被覆することが行われるが、金属は金属結合であることと多結晶であるために応力が強く、成膜した時にレジストパターンの形状を変形させてしまう。逆に成膜が薄い場合には、レジストパターンの形状を保持することが出来ない。これに対して、Ｇｅは、非結晶構造のため応力は弱く、レジストパターンにおおきな応力をかけず、ひずみを小さくしてレジストパターンの形状を変形させない。成膜の薄い場合にあっても形状を保持することが出来る。このように、Ｇｅ単体による被覆膜は、レジストパターンに対する影響が少ない。Ｇｅと他の金属との混合物によって成膜すると他の金属の影響が発生して望ましい特性が得られない。このように、Ｇｅ単体によるＧｅ単体被覆層が形成されることになる。

本実施例では、スペース部をもＧｅ単体による被覆層で埋めることを行っている。例えば、寸法で示せば、レジストパターンの幅、高さがそれぞれ５０nmのときに、スペース部の幅は２００nmとされる。スペース部の幅は、すくなくともレジストパターンの幅もしくは高さの２倍以上とするのがよい。レジストの材料により望ましい厚さは異なるのでレジストが電子線でシュリンク（収縮現象）を保持できる膜厚を成膜するとする。

金属元素をイオンとして含む金属イオン含有液を用いた液体系材料を使用して被覆膜を形成した場合には、レジストと同じカーボン系材料を含むことになって電子顕微鏡で切断断面を観察した時にコントラストが低く、境界が曖昧になって正確な観測が出来ない。被覆膜の中にＧｅ元素以外の元素が含まれる場合にもこのような問題が派生する。Ｇｅを単独で用いることで、カーボン系材料が使用されないのでコントラストが十分に確保される。Ｇｅは、原子番号がカーボンと遠く、コントラスト保持の観点から優位をとなる。また、単元素であることからカーボン（C）を含まず、金属の様に酸化の影響が少ないため組成分析にも優位性がある。

原子番号が差がTEM、SEMでのコントラスト（色）になるでC（６）、Si（14）、Ge（32）で比較すると世間一般的に被覆膜と使用される蒸着膜のＣ（６）はＳｉ（１４）に原子番号差は少なくいためＳｉにＣの被覆膜を形成しても境界がはっきりと見えない場合があるが、Ge（32）はC（６）、Si（14）は原子番号差が大きいため材料の境界がTEM、SEMの画像としてはっきりと見えることになる。
本実施例で、Ｇe単体による被覆層といった場合に、Ｇｅ単体が独立の被覆材として使用され、単独にレジストパターン周囲に被覆されていることを示す。有機材料層にＧｅを含んだ態様は被覆層形成とはならない。また、本実施例は、レジストパターン、有機材料層あるいは半導体材料層にＧｅが含まれることで形成されるものでもない。

温度に関して、レジストは、耐熱性が低く、通常１００Ｃ°程度で形状変質するので、処理温度は１００Ｃ°以下にすることになる。レジストに温度耐性がある場合には、１００Ｃ°以上で処理することが出来るが、Ｇｅは、９３８Ｃ°程度で溶融する傾向があるので、スパッタ温度は９３８Ｃ°以下とされる。実際の処理ではスパッタでの高温でＧｅ単体被覆膜が割れることをさけるために低い温度でのスパッタが重要となる。このように処理温度は、形成したレジストパターン、有機材料層あるいは半導体材料層との関連についても考慮され、選定される。室温に近い冷却機構は有効である。マイナス温度にすると室温に戻る際にＧｅ単体で形成された保護膜としての被覆膜との熱膨張率の差で形状が変質する恐れがあるので、マイナス温度にすることは避ける。Ｇｅは、非結晶質で熱膨張率が低く、温度の影響が少ない特徴を有している。被覆層としてＧｅ単体を採用するのもこのＧｅの持つ低い熱膨張率のファクターが、レジストパターン、有機材料層あるいは半導体材料層に与える影響が少なく重要な意味を持つことによる。このように、Ｇｅ単体の被覆に当たっては、通常１００Ｃ°から０Ｃ°の範囲、望ましくは１００Ｃ°から室温程度が好んで用いられることになる。

以上のようにして、電子顕微鏡による形成パターン観察試料１０が、半導体基板の主表面上にレジストパターン、有機材料層あるいは半導体材料層を形成し、レジストパターン、有機材料層あるいは半導体材料層の周囲に、Ｇｅ単体によるＧｅ単体被覆層を形成することで形成される。

図４において、このようにして形成された形成パターン観察試料１０は、Ｘ−Ｘに沿って切断される。Ｘ−Ｘ線は、レジストパターンを横切る任意の線が選定される。

観察断面の表面状態がレジストパターンの構造解析に影響を与えることになる。切断断面は、断面のどの部分が高精度で測長することができるか確認する上でも重要である。

上述したように、Ｇｅ単体被覆層は、レジストパターン形状に与える影響が少ない。

図５において、レジストパターンをＧｅ単体被覆層被覆状態で断面切断して、レジストパターン断面を露出させる。すなわち、レジストパターンと共にＧｅ単体被覆層が共に切断される。

これによって、半導体基板の主表面上に形成されたレジストパターン、有機材料層あるいは半導体材料層と、レジストパターン、有機材料層あるいは半導体材料層の周囲にスパッタ法によって形成されたＧｅ単体によるＧｅ単体被覆層と、から形成され、レジストパターン、有機材料層あるいは半導体材料層が、Ｇｅ単体被覆層の被覆状態で断面切断され、切断断面を露出する、電子顕微鏡による観察に供される形成パターン観察試料が得られる。

このようにして得られてレジストパターンの切断断面からは、通常の電子顕微鏡による観察手法により、プロセスエンジニアは詳細で正確な観察情報を得ことが出来る。このようにして画像取得を行うことで、微細なレジストパターン、有機材料層あるいは半導体材料層の構造解析を大幅に改善することが出来る。

１…主表面、２…レジストパターン、３…Ｇｅ単体被覆層、５…スペース部、１０…形成されたパターン観察試料。

Claims

半導体基板の主表面上にレジストパターン、有機材料層あるいは半導体材料層が形成され、レジストパターン、有機材料層が形成された電子顕微鏡によって観察される形成パターン観察試料の形成方法において、
電子顕微鏡によって観察される形成パターン観察試料が、
Ｇｅ単体がスパッタ処理槽内にターゲット材としてセットされ、セットされたＧｅ単体がスパッタされ、
スパッタ法による０°から１００°の低温度範囲の処理によって非結晶質のＧｅ単体被覆膜が形成され、該非結晶質のＧｅ単体被覆膜が、レジストパターン、有機材料層あるいは半導体材料層に直接接触するようにした境界を形成する厚い膜厚の被覆層に形成されることで、形成され、
レジストパターン、有機材料層あるいは半導体材料層がＧｅ単体の厚い膜厚の被覆層と共に断面切断されて、観察に供するレジストパターン、有機材料層あるいは半導体材料層断面が露出されるようにされたこと
を特徴とした電子顕微鏡によって観察される形成パターン観察試料の形成方法。
請求項１に記載された電子顕微鏡によって観察される形成パターン観察試料の形成方法において、非結晶質のＧｅ単体の厚い膜厚の被覆層が、レジストパターン、有機材料層あるいは半導体材料層間に形成されたスペース部間を埋め、電子線が照射されたときの収縮現象に対して、レジストパターン、有機材料層あるいは半導体材料層を保持する厚い膜厚の被覆層を持つ形状を形成することを特徴とする電子顕微鏡によって観察される形成パターン観察試料の形成方法。
半導体基板の主表面上に形成されたレジストパターン、有機材料層あるいは半導体材料層と、レジストパターン、有機材料層あるいは半導体材料層間にスペース部とが形成された電子顕微鏡による観察に供される形成パターン観察試料において、
Ｇｅ単体がスパッタ処理槽内にターゲット材としてセットされ、セットされたＧｅ単体がスパッタされ、
スパッタ法による０°から１００°の低温度範囲の処理によって非結晶質のＧｅ単体被覆膜が形成され、該非結晶質のＧｅ単体被覆膜が、レジストパターン、有機材料層あるいは半導体材料層に直接接触するようにした境界を形成する厚い膜厚の被覆層に形成されることで、電子顕微鏡によって観察される形成パターン観察試料が形成され、
レジストパターン、有機材料層あるいは半導体材料層が、Ｇｅ単体の厚い膜厚の被覆層と共に断面切断され、切断断面が観察面として露出すること
を特徴とする電子顕微鏡による観察に供される形成パターン観察試料。
請求項３に記載された電子顕微鏡による観察に供される形成パターン観察試料において、非結晶質のＧｅ単体の厚い膜厚の被覆層が、レジストパターン、有機材料層あるいは半導体材料層間に形成されたスペース部間を埋め、電子線が照射されたときの収縮現象に対して、レジストパターン、有機材料層あるいは半導体材料層を保持する厚い膜厚の被覆層を持つ形状に形成されることを特徴とする電子顕微鏡による観察に供される形成パターン観察試料。
半導体基板の主表面上にレジストパターン、有機材料層あるいは半導体材料層が形成され、レジストパターン、有機材料層あるいは半導体材料層間にスペース部が形成されたレジストパターン、有機材料層あるいは半導体材料層を観察する電子顕微鏡観察方法において、
Ｇｅ単体がスパッタ処理槽内にターゲット材としてセットされ、セットされたＧｅ単体がスパッタされ、
スパッタ法による０°から１００°の低温度範囲の処理によって非結晶質のＧｅ単体被覆膜が形成され、該非結晶質のＧｅ単体被覆膜が、レジストパターン、有機材料層あるいは半導体材料層に直接接触するようにした境界を形成する厚い膜厚の被覆層に形成されることで、電子顕微鏡によって観察される形成パターン観察試料が形成され、
形成パターン観察試料を断面切断して、露出した切断断面を電子顕微鏡観察し、観察データを取得することを特徴とするレジストパターン、有機材料層あるいは半導体材料層を観察する電子顕微鏡観察方法。
請求項５に記載されたレジストパターン、有機材料層あるいは半導体材料層の観察方法において、非結晶質のＧｅ単体の厚い膜厚の被覆層が、レジストパターン、有機材料層あるいは半導体材料層間に形成されたスペース部間を埋め、電子線が照射されたときの収縮現象に対して、レジストパターン、有機材料層あるいは半導体材料層を保持する厚い膜厚の被覆層を持つ形状を形成することを特徴とするレジストパターン、有機材料層あるいは半導体材料層を観察する電子顕微鏡観察方法。