JP5822642B2 - 荷電粒子線装置及び試料加工・観察方法 - Google Patents

Description

本発明は、荷電粒子線装置及び試料の加工・観察方法に関し、特に試料に集束イオンビームを用いた特定個所の微細加工を利用して、その加工面を作製し、かつその加工面を走査電子顕微鏡などで観察する荷電粒子線装置及び試料作製・観察方法に関する。

半導体の欠陥検査等を行う手法として、半導体試料に集束イオンビーム（Focused Ion Beam：以下「ＦＩＢ」と略す。）を用いた特定個所の微細加工を利用して、その加工面を作製し、かつその加工面を走査電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope：以下、「ＳＥＭ」と略す。）などで観察する方法が知られている。

特許文献１によると、レーザビームを用いて試料表面の複数点の高さを検出し、その複数点の高さ情報から試料表面の傾きを算出する技術が開示されている。また、非特許文献１によると、ＦＩＢ照射系と電子ビーム照射系の両照射軸は鋭角で交差しており、両ビームの走査画像、つまり走査イオン顕微鏡（Scanning Ion Microscope：以下、「ＳＩＭ」と略す。）像とＳＥＭ像にて同じ領域の像を表示することができる。電子ビーム照射系から見込まれるように断面をＦＩＢで加工作製すれば、加工断面は試料傾斜せずにＳＥＭ観察することができる。このＦＩＢ加工とＳＥＭ観察を繰り返していけば、加工面の奥行き方向に連続的な断面ＳＥＭ画像が積算され、これをコンピュータ上で再構築することによって、試料構造を三次元的に可視化することが可能である。

特許第２８５２０７８号公報

加藤、大塚：東レリサーチセンター，THE TRC NEWS, No.84, July.2003

ＦＩＢ加工とＳＥＭ観察の繰り返しにより、試料の奥行き方向へ連続的な断面ＳＥＭ像を得ようとしたとき、一回の加工で奥行き方向へ加工する量すなわちＦＩＢ加工ピッチは任意に設定することができる。

ここで、ＦＩＢ加工ピッチを細かく加工したい場合、単位面積あたりのスキャン密度を上げる必要があるが、単純にスキャン密度を高密度化していくには機械的に限界が生じてしまう。単位面積あたりのスキャン密度を上げるには倍率を上げる方法が最も簡単であるが、一度に照射できる領域が狭くなってしまう。試料を動かすことで広い領域の加工は可能であるが、高精細な加工ピッチを実現するためには試料ドリフトの影響が大きくなるため適当な手法ではない。

つまり、これまでは加工領域とスキャン密度はトレードオフの関係となっており、広い領域を高密度でスキャンする方法が無かった。そのため、試料の奥行き方向へ連続的な断面ＳＥＭ像を得ようとした場合、広い領域で高精細な加工ピッチを実現することができないでいた。

また、上記手法におけるＳＥＭ観察の際、広い領域から微細な構造物を観察しようとした場合は低倍率で観察してしまうと単位面積あたりの解像度が低下してしまうために目的構造が極微小である場合その形状を把握できない。観察倍率を上げれば解像度は改善するが、倍率を上げてしまうと観察視野領域が縮小してしまう。つまり、観察面積と画像解像度の関係もトレードオフであるため、広い領域全体を高い解像度で観察することが困難であった。

本発明は、上記課題に鑑み、広い領域で高精細な加工ピッチを実現し、広い領域を高精度に観察を行うことができる荷電粒子線装置及び加工・観察方法を提供することを目的とする。

偏向量の緻密な高精細スキャンと偏向量の大きなイメージシフトという２種類以上のＦＩＢ偏向制御を同期させ、従来よりも広い領域を高密度でスキャンする。

また、ＦＩＢのイメージシフトを用いて加工された位置にＳＥＭのイメージシフトを追従させる。

作製した一つの断面に対し複数枚のＳＥＭ像を取得し、それをつなぎ合わせることによって高精細な画像を作成する。

従来よりも広い領域を高精細スキャンで加工し、高精細な三次元構築用データを取得することが可能となる。

本発明実施例１の荷電粒子ビーム装置の概略構成図。 一般的な連続断面ＦＩＢ加工・ＳＥＭ観察の概略図。 一般的な連続断面ＦＩＢ加工・ＳＥＭ観察手順のフローチャート。 本発明の連続断面ＦＩＢ加工・ＳＥＭ観察の概略図。 本発明の連続断面ＦＩＢ加工・ＳＥＭ観察手順のフローチャート。 複数の加工領域の重ね方を示す概略図。 高精細ＳＥＭ像取得の概略図。 ＦＩＢで作製したマークを用いたドリフト補正の概略図。 加工形状からドリフトを補正する概略図。 操作者に表示させる画面の概略図。

図１は、ＳＥＭ像による観察と、同チャンバー内でＦＩＢによる微細加工が可能であり、連続断面ＳＥＭ像を取得するための制御機構を有する加工観察装置の構成を示した模式図である。

ＦＩＢ光学系要素１０は、イオンビーム１１を試料３０上で照射かつ走査するための照射光学系から形成される。イオンビーム１１を取り出すためのイオン源１２とＦＩＢ集束レンズ１３、ＦＩＢ偏向器１４、ＦＩＢ対物レンズ１５を有し、ＦＩＢに必要な構成要件を全て含んだ系を意味する。

ＳＥＭ電子光学系要素２０は、一次電子線２１を試料３０上で照射かつ走査するための照射光学系から形成される。よって、一次電子線２１を発生する電子源２２やビームを走査するためのＳＥＭ偏向器２３、ＳＥＭ集束レンズ２４、ＳＥＭ対物レンズ２５等、ＳＥＭに必要な構成要件を全て含んだ系を意味する。

上記したＦＩＢ光学系要素１０とＳＥＭ電子光学系要素２０は一つのチャンバー３１を共有しており、両者から照射されるイオンビーム１１及び一次電子線２１は、チャンバー３１内に設置された試料３０上の同一箇所を走査可能であることとする。

チャンバー３１は、試料ステージ３２、検出器３３、及びチャンバー３１内の真空を保つための排気ポンプ３４から構成されている。

イオン源１２から取り出されたイオンビーム１１は、集束レンズ１３と対物レンズ１５によって細く集束され、偏向器１４によって試料３０上を走査する。照射によるイオンの試料３０への衝突によって発生するスパッタリング現象で試料加工を行う。試料３０から放出された二次電子３５は検出器３３で検出される。また、一次電子線２１の照射により試料３０より発生した二次電子３５も、検出器３３により検出される。

ＦＩＢ光学系１０とＳＥＭ電子光学系要素２０、検出器３３、試料ステージ３２は制御部３６により制御され、光学系の設定ウインドウや観察像などはＣＲＴ３７に表示される。

ＦＩＢ偏向器１４は制御部３６によってコントロールされ、偏向のシステムは高密度に偏向できる加工スキャンと、広範囲を偏向できるイメージシフトなどの２種類以上のシステムで偏向管理しているとし、また、ＳＥＭの偏向システムも同様の仕組みであるとする。

図２および図３のフローチャートは一般的な連続断面ＦＩＢ加工・ＳＥＭ観察の手順を示したものである。図２は短形穴４０を上（ＦＩＢ光学系要素１０から試料を見る方向）から示したものである。

まず初めに短形穴４０をＦＩＢで作製し、断面を露出させた状態にしておく。この短形穴４０はＳＥＭ観察用電子ビーム通過路として利用される。その露出した断面に対し加工領域４１の最下端にあたるスライス（１）の位置へＦＩＢをＸ方向に走査して加工を実施する。加工完了後、その加工により作製された新たな断面いわゆる観察面４２をＳＥＭにて撮影した後、ＦＩＢをＹ方向へ偏向してからスライス（２）の加工を開始する。これをＹ方向に繰り返すことによって、連続断面ＳＥＭ像を取得することが可能である。

図４および図５のフローチャートは本発明で三次元構築用データを取得するための連続断面ＦＩＢ加工・ＳＥＭ観察の手順を示したものである。事前に短形穴４０を作成する点は同様である。従来法ではステップを繰り返す毎にＹ方向にのみ加工位置がシフトしているが、本手法ではイメージシフトでＸ方向に加工位置を動かすことが特徴である。ここでは二つの加工領域、加工領域Ａ４３と加工領域Ｂ４４に分けてデータ取得する場合を示す。

加工領域Ａ４３は短形穴の左端に位置するように−Ｘ方向にイメージシフトし、加工領域Ａ４３の最下端であるスライス（１）を開始する。加工完了後、露出した断面Ａ４５に対しＳＥＭ像観察を実行する。この際のＳＥＭ像観察はイメージシフトを使用するなどして観察面Ａ４５の中心がＳＥＭ像の中心となるように観察を実施する。次はＸ方向にイメージシフトで加工領域Ｂ４４に偏向してスライス（２）の加工を実施後、同様にＳＥＭもイメージシフトで観察面Ｂ４６のＳＥＭ像を取得する。この作業を（３）→（４）→（５）→（６）・・・と繰り返すことによって、従来法と比較してＸ方向に広域の加工と連続断面観察が可能となる。

加工領域は二つに限定する必要は無く、イメージシフトの偏向量に余裕があれば、２面以上の加工領域に増やすことが可能であるとする。また、イメージシフトによる偏向も、Ｘ方向に限定するものではなく、Ｙ方向への偏向によって、Ｙ軸方向へのデータ取得量を拡大することが可能である。

図６は加工位置をＸ方向にずらす際の加工領域の重ね方を示したものである。加工領域Ａ４３と加工領域Ｂ４４のつなぎ目はＸ方向に重ねる領域４７分だけ重ねることとし、さらに後に加工する領域Ｂ４４はＹ方向へのギャップ４８分だけＹ方向にずらすこととする。もし、Ｘ軸上で隣り合うスライス、例えばスライス（１）とスライス（２）のＹ座標が全く同じであれば、加工と加工のつなぎ目であるスライス（２）の左端にスライス（１）右端の加工痕がアーティファクトとして残ってしまうが、スライス（２）を極微小量Ｙ方向にずらすことによってアーティファクトを含まない断面像を取得することができる。

また、加工位置のシフトは図６に示す（１）→（２）→（３）→（４）→（５）→（６）→（７）→（８）・・・ のような順番で行うこととする。仮に（１）→（２）→（４）→（３）→（５）→（６）→（８）→（７）・・・のようなスネーク状の手順で行うと加工位置（１）と加工位置（４）のギャップが大きく、三次元化の際に誤差となるため、加工順序を遵守することがアーティファクトの無い像情報を取得する上で重要である。

Ｘ軸上で隣り合う断面で得られた複数の観察像、例えばスライス（１）とスライス（２）の画像はそれぞれを取得した後に自動的に一枚の画像としてつなぎ合わされる仕組みとする。これにより、隣り合う複数枚の画像から一枚の広範囲の断面像として画像を得ることができる。

次に、ＳＥＭ像を高精細で取得するための手法について図７を用いて説明する。ＳＥＭ像を高精細で取得するためには倍率を上げる必要が生じるが、倍率を上げることで観察可能な領域が制限されてしまう。ここで、図７に示すように作製した一つの断面５０に対し、高倍率ＳＥＭ観察領域５１をア〜ケのように断面全ての領域に対し隙間なく取得することにより、高精細なＳＥＭ観察画像を取得することができる。

さらに、取得した複数の観察像はコンピュータ上で自動的につなぎ合わされる仕組みとすることによって一つのＦＩＢ断面から一枚の高解像度ＳＥＭ画像として取得することが可能である。

次に、ＦＩＢによる加工や連続断面ＳＥＭ像取得中に発生するドリフトを補正する機構について説明する。

ＦＩＢやＳＥＭのイメージからドリフト補正することで、位置精度の高い三次元データの取得が可能となる。ドリフト補正の仕組みは、加工位置近傍の特徴的な試料構造や、図８に示すようなＦＩＢで作製した参照マーク５２を参照することで、加工中に発生したドリフトを画像情報から補正することが可能であるとする。

また、たとえば図９に示すような１ステップ前の加工の形状を読み取ることで、次のステップの位置を判断するような仕組みとしても良い。図９ａ）はスライス（１）加工直後であり、図９ｂ）はスライス（２）加工直後である。それぞれの加工後に形成される特徴的な表面形状５３をドリフト補正のための参照領域５４として使用することで、表面構造に特徴のない試料であってもドリフトを補正しながらプロセスを進めることが可能となる。

取得するＳＥＭ像に関してもドリフト補正が可能であるとする。例えば、奥行き方向に向かって連続した構造がある場合に、その構造物のコントラストがＳＥＭ像上の常に同じＸ・Ｙ座標となるように、画像取得の際にイメージシフトで微調整することとする。また、そのイメージシフト量に追従してＦＩＢの加工領域、特にＸ座標もシフトすることが可能であるとする。

そうすることで、Ｙ方向の奥行きへ加工が進むにしたがって目的が徐々に位置を変えてしまう構造である場合、目的構造を逃がすことなく三次元構造データを取得することが可能となる。

上記までは連続断面ＳＥＭ像を取得することを前提としているが、観察をすることなく単純に加工のみの実施で、従来法よりも広い領域を加工する手法として用いることができる点も特徴の一つである。広範囲に高密度での加工スキャンが可能となるため、加工に時間を要していたスパッタリングレートの遅い材料に対して加工速度を向上することができる。

さらに、高密度スキャンでのみ可能な高精細なパターンニングや、試料表面への高精細なイオンビーム描画を広い領域で実施することが可能となる。

図１０は操作者に表示させる画面を表示したものである。全体画面６０の中に高精細ＦＩＢ加工の実行を指示するボタン６１と、高精細ＳＥＭ観察の実行を指示するボタン６２を備え、それぞれの機能を開始するためのボタン６３を備えている。

高精細ＦＩＢ加工について操作者が設定する内容は、高精細ＦＩＢ加工設定エリア６４の中に表示され、Ｙ方向へのスライスピッチとＸ方向の加工全体の横幅について設定可能であるとする。スライス加工の倍率や、Ｘ軸上の加工枚数や、隣り合うスライスとスライスのオーバーラップ量は設定可能であるとしても良いが、加工領域やスライスピッチから計算された推奨値が自動的に使用されるとしても良い。

高精細ＳＥＭ観察に関して操作者が設定する内容は、高精細ＳＥＭ観察条件設定エリア６５の中に表示され、観察倍率と一つの断面に対して撮影するＳＥＭ像枚数、縦×横に何枚取得するかなどを設定可能であるとする。

また、ＦＩＢドリフト補正機能の実行を指示するボタン６６やＳＥＭドリフト補正機能の実行を指示するボタン６７を備え、各機能を実行するか否かを設定できることとする。

設定前のＦＩＢ観察倍率が低い状態であっても、実際に加工する際は指定した倍率に自動的に変更されることを特徴とする。例えば、スキャン密度が高い状態ではスパッタリングレートも高いため、加工の設定時には低い倍率で取得したＳＩＭ像を使用することにより、試料表面へのＦＩＢ照射によるダメージを最小限に軽減することが可能となる。

本発明により、ＦＩＢスキャン密度を低下させることなく、高いスキャン密度を維持したままで、広い領域を加工することが可能となる。そのため、連続断面ＳＥＭ像を取得する際、高精細な加工ピッチを維持したままで広い領域の連続断面を作製することが可能である。上記したイメージシフトの伴うＦＩＢ加工と、その加工された断面を自動的に追従するイメージシフト機能を用いたＳＥＭ観察を連続して繰り返すことにより、従来よりも広い範囲の連続断面ＳＥＭ像を取得可能となる。

また、作製した一断面に対し高倍率で複数枚のＳＥＭ像観察し、それをつなぎ合わせることで、より高精細なＳＥＭ像を取得することが可能となり、広範囲の詳細な画像を取得することが可能となる。

また、ＦＩＢイメージシフト位置を調整することにより、ＦＩＢ加工によるアーティファクトなくＳＥＭ像観察することが可能となる。

高密度でのスキャンが可能となるため、加工に時間を要していたスパッタリングレートの遅い材料に対して加工速度を向上することができる。また、高密度スキャンでのみ可能な高精細パターンニングや試料表面へのイオンビーム描画を広い領域で実施することが可能となる。

１０ ＦＩＢ光学系要素
１１ イオンビーム
１２ イオン源
１３ ＦＩＢ集束レンズ
１４ ＦＩＢ偏光器
１５ ＦＩＢ対物レンズ
２０ ＳＥＭ電子光学系要素
２１ 一次電子線
２２ 電子源
２３ ＳＥＭ偏光器
２４ ＳＥＭ集束レンズ
２５ ＳＥＭ対物レンズ
３０ 試料
３１ チャンバー
３２ 試料ステージ
３３ 検出器
３４ 排気ポンプ
３５ 二次電子
３６ 制御部
３７ ＣＲＴ
４０ 短形穴
４１ 加工領域
４２ 観察面
４３ 加工領域Ａ
４４ 加工領域Ｂ
４５ 観察面Ａ
４６ 観察面Ｂ
４７ Ｘ方向に重ねる領域
４８ 加工領域間のアーティファクトを防ぐためのＹ方向へのギャップ
５０ ＦＩＢにより作製した断面
５１ 高倍率ＳＥＭ観察領域
５２ ドリフトを補正するための参照マーク
５３ 加工後に形成される表面形状
５４ ドリフト補正のための参照領域
６０ 操作者に表示させる全体画面
６１ 高精細ＦＩＢ加工の実行を指示するボタン
６２ 高精細ＳＥＭ観察の実行を指示するボタン
６３ 本機能を用いた加工・観察のスタートを指示するボタン
６４ 高精細ＦＩＢ加工条件設定エリア
６５ 高精細ＳＥＭ観察条件設定エリア
６６ ＦＩＢドリフト補正機能の実行を指示するボタン
６７ ＳＥＭドリフト補正機能の実行を指示するボタン

Claims (13)

1. イオン源で発生したイオンビームを集束させるレンズと、前記イオンビームを試料上で走査する偏向器と、電子源で発生した電子ビームを集束させるレンズと、前記電子ビームを前記試料上で走査する偏向器と、前記試料の画像を取得するために前記試料から発生した二次粒子を検出する検出器とを具備し、前記イオンビームと前記電子ビームとが交わる位置が存在し、その交わる位置に前記試料を配置することができるステージあるいはマニピュレータ機構あるいはその両方を具備する荷電ビーム装置において、
   偏向量の異なる２種類以上のスキャンシステムを同期させ、高密度スキャンのイオンビームを隙間無く広範囲に照射することを特徴とする荷電粒子線装置。
2. 請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
   偏向量の大きなイオンビームの偏向に電子ビームの偏向が追従し、イオンビームによって加工された箇所を直ちに観察することを特徴とした荷電粒子線装置。
3. 請求項１または請求項２のいずれかに記載の荷電粒子線装置において、
   連続的にイオンビームで作製された試料の加工断面を、当該加工断面の作製に同期させて電子ビームで連続的に観察することを特徴とした荷電粒子線装置。
4. 請求項１または請求項２のいずれかに記載の荷電粒子線装置において、
   イオンビームの偏向量を制御して複数の加工領域を隙間無く加工しようとした際に、複数以上の加工領域毎のつなぎ目が電子線で観察した画像に含まれないことを特徴とした荷電粒子線装置。
5. 請求項１または請求項２のいずれかに記載の荷電粒子線装置において、
   イオンビームの偏向量を制御して複数の加工領域を隙間無く加工しようとした際に、複数以上の加工領域毎のつなぎ目が電子線で観察した画像に含まれないことを特徴とした荷電粒子線装置。
6. 請求項１または請求項２のいずれかに記載の荷電粒子線装置において、
   得られた隣接する画像をつなぎ合わせることで一枚の画像として表示することを特徴とした荷電粒子線装置。
7. 請求項１または請求項２のいずれかに記載の荷電粒子線装置において、
   イオンビームにより作製した一つの観察領域を複数枚による電子ビーム撮影を行い、高い解像度で観察することを特徴とした荷電粒子線装置。
8. 請求項７において、取得した複数枚の観察画像をつなぎ合わせて一つの高精細な断面画像として表示することを特徴とした荷電粒子線装置。
9. 請求項１または請求項２のいずれかに記載の荷電粒子線装置において、
   連続した断面ＳＥＭ像を取得しようとした際に、画像情報を基にしてＦＩＢ加工の前に加工位置を補正する機能を付与することにより、試料が微動してもそれに追従して正確な連続断面を作製することが可能であることを特徴とする荷電粒子線装置。
10. 請求項９に記載の荷電粒子線装置において、
    特別な参照マークを作製することなく、イオンビームで加工された試料形状を参照しながら加工位置を補正することを特徴とする荷電粒子線装置。
11. 請求項１または請求項２のいずれかに記載の荷電粒子線装置において、
    取得した電子ビームの画像から試料の微動もしくは試料構造の変動を検知し、微動もしくは試料構造の変動によって目的の構造が視野から外れてしまわないように偏向位置を補正することを特徴とする荷電粒子線装置。
12. 請求項１１に記載の荷電粒子線装置において、電子ビームによって検知した微動もしくは試料構造の変動をイオンビームの偏向量に反映させ、加工位置を補正することを特徴とした荷電粒子線装置。
13. 請求項１または請求項２のいずれかに記載の荷電粒子線装置において、
    加工位置を指定する際のイオンビームのスキャン密度と、加工の際のスキャン密度が異なっていることで試料へのダメージを軽減することを特徴とする荷電粒子線装置。