JP5603105B2

JP5603105B2 - 集束イオンビーム装置及び断面加工観察方法

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Publication number: JP5603105B2
Application number: JP2010048400A
Authority: JP
Inventors: 啓一田中; 洋山本; 欣満; 純一田代; 利昭藤井
Original assignee: Hitachi High Tech Science Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Science Corp
Priority date: 2010-03-04
Filing date: 2010-03-04
Publication date: 2014-10-08
Anticipated expiration: 2030-03-04
Also published as: JP2011187185A

Description

本発明は、集束イオンビームを用いた試料の断面加工観察に関するものである。

従来半導体などの試料の断面を加工観察する手法として、ＦＩＢ（集束イオンビーム）−ＳＥＭ装置を用いることが広く知られている。ＦＩＢ−ＳＥＭ装置によれば、集束イオンビームで加工した断面を、試料を移動させることなく、その場でＳＥＭにより観察することができる。

そして、ＳＥＭ観察した断面をさらに集束イオンビームで加工し新たな断面を形成、観察するという工程を連続して繰り返し行うことも知られている。断面観察像を確認しながら断面加工を進めることで、所望の断面に到達したときに断面加工を終了することができる。上記の技術を用いて試料内部の欠陥を加工観察する方法が開示されている（特許文献１参照）。

特開平１１−２７３６１３号公報

しかしながら、従来の装置では、集束イオンビームで形成した全ての断面をＳＥＭ観察するため、断面加工観察プロセスに多くの時間がかかっていた。特に近年、半導体デバイスの縮小化に伴い、観察対象も微細化したため、断面と断面の間隔を小さくしなければならない。これによりＳＥＭ観察する回数が多くなり、プロセスに多くの時間がかかっていた。

この発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、効率の良い断面加工観察プロセスを実現する集束イオンビーム装置を提供することである。

上記の目的を達成するために、この発明は以下の手段を提供している。
本発明に係る断面加工観察方法は、試料の表面と略垂直な方向から集束イオンビームを試料の断面付近に走査照射し、試料から発生する二次粒子またはＸ線を検出する検出工程と、二次粒子またはＸ線の検出信号の変化を検出する信号変化検出工程と、検出信号の変化により荷電粒子ビームを断面に走査照射して断面像を取得する工程と、集束イオンビームを照射して断面を除去して次の断面を形成する断面形成工程と、集束イオンビームを照射して形成した断面に、荷電粒子ビームを照射して観察像を取得する観察像取得工程と、断面形成工程と観察像取得工程を繰り返し実行する。これにより、二次荷電粒子の検出信号から断面観察開始点を検出することができる。従って、断面観察開始点までは断面観察を行わないので効率よく断面加工観察を行うことができる。

本発明に係る断面加工観察方法は、荷電粒子ビームが、電子ビームまたは、電界電離型イオン源から放出されたガスイオンビームである。これにより、断面の高分解能観察が可能である。

本発明に係る断面加工観察方法は、集束イオンビームと荷電粒子ビームが略垂直に交差する。これにより、集束イオンビームで作成した断面に対して、観察用のビームを断面に対して略垂直に照射することができるため、分解能の高い観察像を試料傾斜する操作なく取得することができる。これにより効率よく断面加工観察を行うことができる。

本発明に係る断面加工観察方法は、複数の前記観察像と、前記断面間の距離情報より三次元像を構築する。これにより、断面の二次元観察像から複数の断面を取得した領域の三次元像を構築することができる。

本発明に係る集束イオンビーム装置は、試料に集束イオンビームを照射する集束イオンビーム照射系と、試料上の集束イオンビーム照射領域に荷電粒子ビームを照射する荷電粒子ビーム照射系と、試料から発生する二次粒子またはＸ線を検出する検出器と、検出器で検出した検出信号の変化を検出し、荷電粒子ビームの照射を開始する信号を荷電粒子ビーム照射系に送信する処理を行う処理機構と、を有する。これにより、二次粒子またはＸ線の検出信号から荷電粒子ビームの照射開始点を決定し、照射を開始することができる。

本発明に係る集束イオンビーム装置は、試料に集束イオンビームを照射する集束イオンビーム照射系と、試料上の前記集束イオンビーム照射領域に荷電粒子ビームを照射する荷電粒子ビーム照射系と、集束イオンビームのビーム電流を測定する電流測定器と、電流測定器で検出した電流信号の変化を検出し、荷電粒子ビームの照射を開始する信号を荷電粒子ビーム照射系に送信する処理を行う処理機構と、を有する。これにより、集束イオンビームのビーム電流変化から荷電粒子ビームの照射開始点を決定し、照射を開始することができる。

本発明に係る集束イオンビーム装置は、処理機構が、検出器で検出した検出信号を記憶する記憶機構と、検出器で新たに検出した検出信号と記憶機構に記憶した検出信号を比較する比較機構と、比較機構で比較した値が基準に達した場合、荷電粒子ビームの照射を開始する信号を荷電粒子ビーム照射系に送信する信号送信機構とを有する。これにより記憶した信号と新たな信号を比較して、その変化量が基準値に達した場合に荷電粒子ビームを照射開始することができる。

本発明に係る集束イオンビーム装置は、処理機構が、電流測定器で検出した検出信号を記憶する記憶機構と、電流測定器で新たに検出した検出信号と記憶機構に記憶した検出信号を比較する比較機構と、比較機構で比較した値が基準に達した場合、荷電粒子ビームの照射を開始する信号を荷電粒子ビーム照射系に送信する信号送信機構とを有する。

本発明に係る集束イオンビーム装置は、荷電粒子ビーム照射系が、電子ビーム照射系または、電界電離型イオン源を有するガスイオンビーム照射系である。

本発明に係る集束イオンビーム装置は、集束イオンビーム照射系のビーム軸と荷電粒子ビーム照射系のビーム軸とが略垂直に交差する。これにより、試料ステージを動作させることなく、集束イオンビームで形成した断面に対して略垂直に荷電粒子ビームを照射することができる。

本発明に係る集束イオンビーム装置は、集束イオンビームを照射し形成した断面の観察像を記憶する記憶機構と、観察像と断面間の距離から三次元像を構築する三次元像構築機構と、を有する。これにより複数の観察像を記憶し、記憶した観察像を断面間の距離に並べて三次元像を構築することができる。

本発明に係る集束イオンビーム装置によれば、観察不要箇所を観察することなくプロセスを実行することができるので、効率の良い断面加工観察を行うことができる。

本発明に係る集束イオンビーム装置の構成図である。本発明に係る集束イオンビーム装置の構成図である。本発明に係る処理機構の構成図である。本発明に係る断面加工観察の説明図である。（ａ）試料上面図、（ｂ）試料断面図本発明に係る断面加工観察の説明図である。（ａ）試料断面図、（ｂ）輝度信号とビーム照射位置の関係図本発明に係る断面加工観察の説明図である。（ａ）試料断面図、（ｂ）観察像重ね合わせの説明図、（ｃ）３次元像の説明図本発明に係る断面加工観察の説明図である。（ａ）試料断面図、（ｂ）ビーム電流信号とビーム照射位置の関係図

以下、本発明に係る集束イオンビーム装置の実施形態について説明する。

（１）集束イオンビーム装置
本実施形態の集束イオンビーム装置は、図１に示すように、集束イオンビーム照射系１と、電子ビーム照射系２と、試料ステージ６を備えている。集束イオンビーム照射系１から照射した集束イオンビーム３と、電子ビーム照射系２から照射した電子ビーム４は試料ステージ６に載置した試料５上の同一領域に照射可能である。また、電子ビーム照射系２の代わりに電界電離型イオン源を搭載したイオンビーム照射系を用いても良い。その場合、イオン種として、アルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ）、クリプトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｅ）、水素（Ｈ_２）、酸素（Ｏ_２）、窒素（Ｎ_２）等のガスなどを用いる。

そして、試料５から発生する二次電子や二次イオンなどの荷電粒子を検出する二次荷電粒子検出器７ａを備えている。二次荷電粒子検出器７ａで検出した検出信号は、像形成部９に送信する。また、反射電子検出器７ｂを備えて電子ビーム４から反射される反射電子を検出することができる。反射電子検出器７ｂは電子ビーム照射系２の内部に配置することも可能である。また、Ｘ線検出器７ｃを備えて試料５から発生するＸ線を検出することができる。また、図示していないが、試料５から発生する試料５の材質の粒子を検出する検出器を備え、マススペクトルを取得することも可能である。

像形成部９において、二次荷電粒子検出器７ａまたは反射電子検出器７ｂが送信した検出信号と、集束イオンビーム照射系１または電子ビーム照射系２で集束イオンビーム３または電子ビーム４を走査照射した照射信号により二次電子像、二次イオン像、または反射電子像を形成する。形成した像を表示部１０に表示する。

また、試料５にガス銃１２から原料ガスを吹き付け、集束イオンビーム３または電子ビーム４を照射することで、ビーム照射領域にデポジション膜を形成することができる。原料ガスはガス源１３に収容し、バルブ１３ａでガス供給を制御する。原料ガスとしては、例えば、フェナントレン、ナフタレンなどのカーボン系ガス、プラチナやタングステンなどの金属を含有する金属化合物ガスなどを用いることができる。また、原料ガスとして、エッチングガスを用いた場合、ビーム照射領域をガス・アシステッド・エッチングすることができる。エッチングガスとしては、例えば、フッ化キセノン、塩素、ヨウ素、三フッ化塩素、一酸化フッ素、水などを用いることが可能である。

（２）垂直配置照射系
また、本実施形態の集束イオンビーム装置は、図２に示すように、集束イオンビーム照射系１と電子ビーム照射系３が試料ステージ６に設置されている試料５の位置で略垂直に交差する構成を備えている。ところで、電子ビームやイオンビームの照射系の対物レンズは試料面に近いほうが、試料にビーム径の小さいビームを照射することができる。そのため、高分解能観察や微細加工を行うためには、照射系を試料に近い位置に配置することが望ましい。しかし、照射系の試料側の先端部は、一般に円錐上になっているため、集束イオンビーム照射系１と電子ビーム照射系２がなす角が小さく、かつ、試料５に近い位置で配置すると照射系同士がぶつかってしまう。そこで、図２のように集束イオンビーム照射系１と電子ビーム照射系２を略垂直に配置することにより、照射系を試料５に近い位置に配置しても照射系同士がぶつかることはない配置を実現している。

また、集束イオンビーム３で形成した試料５の断面に対して、電子ビーム４を断面に対して略垂直に走査照射することができる。略垂直に電子ビーム４を照射することで、高分解能の観察像を取得することができる。また、集束イオンビーム３による断面形成後、試料ステージ６を動作させずに電子ビーム４で断面観察することができるので、断面形成、断面観察を複数回繰り返す断面加工観察プロセスにかかる時間を大幅に短縮することができる。

また、電子ビーム４の照射方向に透過電子検出器１６を備えている。これにより、試料５を透過可能な加速電圧で加速させた電子ビーム４を試料５に照射し、透過電子を透過電子検出器１６で検出することで試料５の透過電子像を取得することができる。

（３）断面加工観察
次に、本実施形態の断面加工観察方法について説明する。図４は断面加工観察方法を説明する試料５の図であり、図４（ａ）は試料５の上面図、図４（ｂ）は断面図である。まず、試料５の表面５ａに集束イオンビーム３を走査照射して加工領域付近の観察像を取得する。加工領域付近の観察像で断面加工観察を行う領域に加工枠４１を設定する。加工領域は試料５の断面５ｂを含む領域である。断面５ｂはあらかじめ集束イオンビーム３で形成しても、他の装置で形成してもよい。加工枠４１は集束イオンビーム３の照射により取得した観察像上に設定する。集束イオンビーム３の走査は、主走査方向を断面５ｂと略平行の方向とし、副走査方向を断面５ｂと略垂直な方向とする。集束イオンビーム３は、主走査方向にライン走査し、次に副走査方向に隣のラインを走査する。

図４（ｂ）に示すように試料５の表面５ａと略垂直な方向から集束イオンビーム３eを主走査方向に走査照射する。これにより断面５ｂの次の断面５ｃが形成される。断面５ｃに電子ビーム４ｂを走査照射して断面５ｃの観察像を取得する。次に集束イオンビーム３ｆを走査照射し、次の断面５ｄを形成する。ここで断面５ｄに電子ビーム４ｃを走査照射して断面５ｄの観察像を取得する。同様に、集束イオンビーム３ｇを走査照射し、次の断面５ｅを形成し、断面５ｅに電子ビーム４ｄを走査照射して断面５ｅの観察像を取得する。これを繰り返し実行し、複数の断面の観察像を取得する。

断面と断面の間隔は集束イオンビーム３の副走査方向への送り幅、つまり照射間隔と、電子ビーム４による観察像取得間隔により設定することができる。試料５について微細な観察を行いたい場合、断面と断面の間隔を小さくすることが好ましい。ただし、その場合、観察像取得数が大きくなるため断面加工観察プロセスにかかる時間が大きく、また、観察像を記憶するための記憶装置の容量も大きいものが必要となる。ここで、ビーム送り幅１ｎｍの場合について説明する。

集束イオンビーム３を試料５の表面５ａに照射して取得した二次電子像を用いて加工枠４１を設定する。この二次電子像の像分解能は１０ｎｍ程度であり、ビーム送り幅よりも大きい。加工枠４１の加工開始側の辺は断面５ｂ上に設定することが好ましいが、実際は図４（ａ）のように断面５ｂよりも左側に設定する。ビーム送り幅よりも大きい分解能の観察像で加工枠４１を設定するため、正確に加工開始側の辺を断面５ｂ上に設定できないためである。しかし、断面５ｂよりも左側に加工枠４１を設定しても断面５ｂに達するまで集束イオンビーム３は試料５の表面５ａを加工しないので、新たな断面は形成されない。すなわち、集束イオンビーム３を空打ちすることになる。空打ちする場合でも、副走査方向に対して、ビーム送り幅１ｎｍ進む毎に、電子ビーム４を断面５ａに走査照射し、観察像を取得する。断面５ａの加工が始まるまでの間のプロセスは無駄であり、特にビーム送り幅を小さくするほど、この無駄は大きくなる。そこで、本発明では、断面観察開始点を検出することで、集束イオンビーム３の空打ち期間中は電子ビーム４照射による観察像取得を行わないことで、プロセスの無駄な時間を削減する。

加工枠４１を設定し、集束イオンビーム３の照射を開始する。図５（ａ）に示すように、集束イオンビーム３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄの順に照射していく。ここで、集束イオンビーム３は、断面５ｂと略垂直に走査照射してもよし、断面５ｂと略平行に走査し、３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄの順に走査ラインを順次移動させてもよい。さらに、集束イオンビーム３ｄ、３ｃ、３ｂ、３ａの順にしてもよく、また、ランダムに照射してもよい。この間、電子ビーム４照射による観察像取得は行わない。図５（ｂ）は輝度信号とビーム照射位置の関係図である。横軸は図５（ａ）に対応する集束イオンビーム３照射位置で、縦軸は照射位置における輝度５１の信号強度である。集束イオンビーム３ａ、３ｂの照射では輝度は変化していない。集束イオンビーム３ｃの照射で輝度は大きくなっている。これは集束イオンビーム３ｃが、試料５の表面５ａと断面５ｂのなす角に照射されたため、二次電子が多く発生したことによるものである。この集束イオンビーム３の照射による二次電子検出信号の変化を用いて、断面５ｂの位置を検出する。この方法によればビーム送り幅が集束イオンビーム３の照射による二次電子像の分解能よりも小さくても正確に断面５ｂの位置を識別することができる。ここで、二次電子の検出信号を用いた場合について説明したが、二次電子の代わりに、試料５から発生する二次イオンやＸ線、または試料５の材質の粒子の検出信号を用いてもよい。

断面５ｂの位置検出は処理機構１１で処理する。図３は処理機構１１の構成図である。集束イオンビーム３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ照射で発生した二次電子検出信号とビーム照射位置情報を像形成部９から比較機構２２に順次送られる。記憶機構２１に集束イオンビーム３ａ照射の輝度情報を記憶し、比較機構２２で集束イオンビーム３ｂ照射の輝度情報と記憶装置２１に記憶している集束イオンビーム３ａ照射の輝度情報を比較する。変化量が基準値以下であれば、集束イオンビーム３ｂ照射の輝度情報を記憶装置２１に記憶する。次に、集束イオンビーム３ｃ照射の輝度情報と集束イオンビーム３ｂ照射の輝度情報を比較し、変化量が基準値以上であれば、信号送信機構２３からビーム制御部８に観察開始信号を送信する。これにより、断面５ｂに電子ビーム４ａを走査照射し、観察像を取得する。次に集束イオンビーム３ｅを照射して断面５ｃを形成し、電子ビーム４ｂを照射して観察像を取得する。これを繰り返し実行し、複数の断面の観察像を取得する。

（４）三次元像構築
図６（ａ）に示すように、上記で説明した方法により複数の断面を形成し、その観察像を取得する。取得した観察像とビーム送り幅情報を像記憶部１４に記憶する。三次元像形成部１５で、記憶した観察像とビーム送り幅情報から複数の観察像を組み合わせで三次元像を構築し、表示部１０に表示する。三次元像の構築は、図６（ｂ）に示すように断面５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅの観察像６０ｂ、６０ｃ、６０ｄ、６０ｅを、観察像と観察像の間隔が画像のスケールとして、ビーム送り幅程度になるように配置し、観察像を半透明な画像になるように画像処理する。これにより、図６（ｃ）に示すように三次元像６１を構築することができる。三次元像６１によれば、断面加工観察処理をした領域に含まれる構造物６１ａを立体的に認識することができる。

（５）集束イオンビーム電流検出
二次電子の検出信号から断面観察開始点を検出する代わりに、集束イオンビーム３のビーム電流信号から断面観察開始点を検出することについて説明する。図７（ａ）に示すように、試料５を挟んで、集束イオンビーム照射系１に対峙する位置に電流測定器１７に接続したファラデーカップ１７ａを配置する。集束イオンビーム３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄの順に照射していく。図７（ｂ）はビーム電流量とビーム照射位置の関係図である。横軸は図７（ａ）に対応する集束イオンビーム３照射位置で、縦軸は照射位置におけるビーム電流量７１の信号強度である。集束イオンビーム３ａ、３ｂの照射ではビーム電流量は変化していない。集束イオンビーム３ｃの照射でビーム電流量は小さくなっている。これは集束イオンビーム３ｃが、試料５の表面５ａと断面５ｂのなす角に照射されたため、ファラデーカップ１７ａに到達したビーム電流が減少したためである。この集束イオンビーム３の照射によるビーム電流検出信号の変化を用いて、断面５ｂの位置を検出する。この方法によればビーム送り幅が集束イオンビーム３の照射による二次電子像の分解能よりも小さくても正確に断面５ｂの位置を識別することができる。

１…集束イオンビーム照射系
２…電子ビーム照射系
３…集束イオンビーム
４…電子ビーム
５…試料
６…試料ステージ
７ａ…二次電子検出器
７ｂ…反射電子検出器
７ｃ…X線検出器
８…ビーム制御部
９…像形成部
１０…表示部
１１…処理機構
１２…ガス銃
１３…ガス源
１３ａ…バルブ
１４…像記憶部
１５…三次元像形成部
１６…透過電子検出器
１７…電流測定器
２１…記憶機構
２２…比較機構
２３…信号送信機構
４１…加工枠
５１…輝度
６０ｂ，ｃ，ｄ，ｅ…観察像
６１…三次元像

Claims

集束イオンビームを照射し試料の断面を除去し次の断面を形成する断面形成工程と、該次の断面に荷電粒子ビームを照射し観察像を取得する観察像取得工程と、を繰り返し実行する断面加工観察方法において、
前記試料の表面と略垂直な方向から前記集束イオンビームを前記断面付近に走査照射し、前記試料から発生する二次粒子またはＸ線を検出する検出工程と、
前記断面に起因する前記二次粒子またはＸ線の検出信号の変化を検出する信号変化検出工程と、
前記検出信号の変化を検出した場合に、前記荷電粒子ビームを前記断面に走査照射して断面像を取得し、その後、前記断面形成工程と前記観察像取得工程の繰り返しを実行する断面加工観察方法。
前記荷電粒子ビームは、電子ビームである請求項１に記載の断面加工観察方法。
前記荷電粒子ビームは、電界電離型イオン源から放出されたガスイオンビームである請求項１に記載の断面加工観察方法。
前記集束イオンビームと前記荷電粒子ビームは略垂直に交差する請求項１から３のいずれか一つに記載の断面加工観察方法。
複数の前記観察像と、前記断面間の距離情報より三次元像を構築する請求項１から４のいずれか一つに記載の断面加工観察方法。
試料に集束イオンビームを照射する集束イオンビーム照射系と、
前記試料上の前記集束イオンビーム照射領域に荷電粒子ビームを照射する荷電粒子ビーム照射系と、
前記試料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粒子を検出する検出器と、
前記検出器で検出した検出信号が前記試料の断面に起因して変化した場合、前記断面の断面像を取得するための前記荷電粒子ビームの照射を開始する信号を前記荷電粒子ビーム照射系に送信する処理を行う処理機構と、を有する集束イオンビーム装置。
試料に集束イオンビームを照射する集束イオンビーム照射系と、
前記試料上の前記集束イオンビーム照射領域に荷電粒子ビームを照射する荷電粒子ビーム照射系と、
前記集束イオンビームのビーム電流を測定する電流測定器と、
前記電流測定器で前記試料の断面に起因する電流信号の変化を検出した場合、前記断面の断面像を取得するための前記荷電粒子ビームの照射を開始する信号を前記荷電粒子ビーム照射系に送信する処理を行う処理機構と、を有する集束イオンビーム装置。
前記処理機構は、
前記検出器で検出した検出信号を記憶する記憶機構と、
前記検出器で新たに検出した検出信号と前記記憶機構に記憶した検出信号を比較する比較機構と、
前記比較機構で比較した値が基準に達した場合、前記荷電粒子ビームの照射を開始する信号を前記荷電粒子ビーム照射系に送信する信号送信機構とを有する請求項６に記載の集束イオンビーム装置。
前記処理機構は、
前記電流測定器で検出した検出信号を記憶する記憶機構と、
前記電流測定器で新たに検出した検出信号と前記記憶機構に記憶した検出信号を比較する比較機構と、
前記比較機構で比較した値が基準に達した場合、前記荷電粒子ビームの照射を開始する信号を前記荷電粒子ビーム照射系に送信する信号送信機構とを有する請求項７に記載の集束イオンビーム装置。
前記荷電粒子ビーム照射系は、電子ビーム照射系である請求項６から９のいずれか一つに記載の集束イオンビーム装置。
前記荷電粒子ビーム照射系は、電界電離型イオン源を有するガスイオンビーム照射系である請求項６から９のいずれか一つに記載の集束イオンビーム装置。
前記集束イオンビーム照射系のビーム軸と前記荷電粒子ビーム照射系のビーム軸とは略垂直に交差する請求項６から１１のいずれか一つに記載の集束イオンビーム装置。
前記集束イオンビームを照射し形成した断面の観察像を記憶する記憶機構と、
前記観察像と断面間の距離から三次元像を構築する三次元像構築機構と、を有する請求項６から１２のいずれか一つに記載の集束イオンビーム装置。