JP5981744B2

JP5981744B2 - 試料観察方法、試料作製方法及び荷電粒子ビーム装置

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Publication number: JP5981744B2
Application number: JP2012064263A
Authority: JP
Inventors: 欣満; 敦上本
Original assignee: Hitachi High Tech Science Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Science Corp
Priority date: 2012-03-21
Filing date: 2012-03-21
Publication date: 2016-08-31
Anticipated expiration: 2032-03-21
Also published as: DE102013102669A1; DE102013102669B4; JP2013196972A; US20130248707A1; US9287087B2

Description

本発明は、荷電粒子ビームを照射し試料を観察する試料観察方法に関するものである。

半導体デバイスなどの微細な試料を加工及び観察する装置として集束イオンビーム（ＦＩＢ）装置が知られている。また、集束イオンビームで加工中の試料を走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）でリアルタイム観察する装置としてＦＩＢ−ＳＥＭ複合装置が知られている。

ＦＩＢ−ＳＥＭ複合装置は、一般に、ＦＩＢ鏡筒の照射軸とＳＥＭ鏡筒の照射軸とのなす角度が５０度から６０度程度になるようにそれぞれの鏡筒が配置されている。これにより、ＦＩＢとＳＥＭで試料の同一領域を観察することができる。

ところで、近年のデバイス寸法の縮小に伴い、ＦＩＢで加工された断面を高分解能でＳＥＭ観察することが求められている。そこで、ＦＩＢによる微細加工とＳＥＭによる高分解能観察を実現する装置として、ＦＩＢ鏡筒とＳＥＭ鏡筒を直角に構成した複合荷電粒子ビーム装置が提案されている（特許文献１参照）。

この装置は、ＦＩＢで加工した断面に対し、垂直方向からＳＥＭ観察することができる。ＳＥＭは、一般に、試料の観察面に対し垂直方向から観察すると、高い分解能で観察することができる。従って、特許文献１に記載の装置によれば、ＦＩＢで加工した断面を、その場で、断面に対し垂直方向から電子ビームを照射するので、高分解能でＳＥＭ観察をすることができる。

ところで、高分解能ＳＥＭ観察する場合の観察準備として、電子ビームの照射軸に対し、試料の観察面が垂直になるように試料の位置を調整しなければならない。この調整方法として、例えば、観察面内の複数個所の試料高さを測定し、その測定結果から観察面の傾きを算出し、観察面の傾きを補正するように試料を傾斜させる方法があった。ここで、試料高さの測定は、観察面内の各測定箇所で試料を傾斜させユーセントリック高さを求めることにより測定していた。

特開平６−２３１７２０号公報

しかしながら、このような方法によると、試料を何度も移動と傾斜させなければならないため、観察準備に時間がかかっていた。また、試料が配置されているイオンビームと電子ビームの交差点付近は、ビーム鏡筒の先端や検出器等が密集して配置されているため、試料の傾斜角度を大きくすることができず、ユーセントリック高さの調整を精度良く行うことができず、試料高さの測定を高精度で求めることが困難な場合があった。

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、荷電粒子ビームの照射方向に対し垂直に観察面を効率よく正確に配置し、試料を観察する試料観察方法及び荷電粒子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。
本発明に係る試料観察方法は、荷電粒子ビームに対する第一の傾斜角度に試料台を設置し、観察面に荷電粒子ビームを照射し、観察面の第一の荷電粒子像を取得する工程と、第一の試料台軸を中心に第一の傾斜角度と異なる第二の傾斜角度に試料台を傾斜させ、観察面に荷電粒子ビームを照射し、観察面の第二の荷電粒子像を取得する工程と、第一の荷電粒子像と第二の荷電粒子像のうち、観察面の面積が大きい方の荷電粒子像を取得した傾斜角度に試料台を傾斜させる工程と、観察面に荷電粒子ビームを照射し、観察面を観察する工程と、を有する。
これにより、荷電粒子ビームに対し垂直になるように観察面を設置し、観察面を観察することができる。

本発明に係る試料観察方法によれば、荷電粒子ビームの照射方向に対し垂直に観察面を効率よく正確に配置させることができるので、観察面を高分解能で観察することができる。

本発明に係る実施形態の荷電粒子ビーム装置の構成図である。本発明に係る実施形態の試料観察方法の説明図である。本発明に係る実施形態の試料観察方法の説明図である。本発明に係る実施形態の試料加工方法の説明図である。本発明に係る実施形態の試料観察方法のフローチャートである。

以下、本発明に係る試料観察方法の実施形態について説明する。
まず、試料観察方法を実施する荷電粒子ビーム装置について説明する。荷電粒子ビーム装置は、図１に示すように、ＥＢ鏡筒１と、ＦＩＢ鏡筒２と、試料室３を備えている。試料室３内に収容された試料７にＥＢ鏡筒１から電子ビーム８を、ＦＩＢ鏡筒２からイオンビーム９を照射する。ＥＢ鏡筒１とＦＩＢ鏡筒２とは、それぞれの照射軸が試料７上で互いに直交するように配置されている。なお、ＥＢ鏡筒１の代わりにガス電界電離イオン源を備えたＦＩＢ鏡筒を用いても良い。

さらに、荷電粒子ビーム装置は荷電粒子検出器として二次電子検出器４と透過電子検出器５を備えている。二次電子検出器４は、電子ビーム８又はイオンビーム９の照射により試料７から発生した二次電子を検出することができる。透過電子検出器５はＥＢ鏡筒１に対向する位置に備えられている。透過電子検出器５は、電子ビーム８を試料７に照射した結果、試料７により透過された透過電子と試料７に入射されなかった電子ビーム８を検出することができる。

さらに、荷電粒子ビーム装置は試料７を保持する試料台６を備える。試料台６を傾斜または回転させることにより試料７への電子ビーム８の入射角度を変更することができる。試料台６は試料台駆動部１５により駆動し、試料台６の移動は試料台制御部１６により制御される。

試料台駆動部１５は、試料台６をＸ、Ｙ、Ｚ方向の三軸方向に移動させる。また、試料台駆動部１５は、ＦＩＢ鏡筒２の照射軸と平行な第一の試料台軸方向２３を中心として第一の傾斜方向２４に試料台６を傾斜させる。さらに、試料台駆動部１５は、ＥＢ鏡筒１の照射軸とＦＩＢ鏡筒２の照射軸とに対し直交する第二の試料台軸方向２６を中心として第二の傾斜方向２７に試料台６を傾斜させる。

荷電粒子ビーム装置は、さらに、ＥＢ制御部１２と、ＦＩＢ制御部１３と、像形成部１４と、表示部１７を備える。ＥＢ制御部１２はＥＢ鏡筒１に照射信号を送信し、ＥＢ鏡筒１から電子ビーム８を照射させる。ＦＩＢ制御部１３はＦＩＢ鏡筒２に照射信号を送信し、ＦＩＢ鏡筒２からイオンビーム９を照射させる。

像形成部１４は、ＥＢ制御部１２の電子ビーム８を走査させる信号と、透過電子検出器５で検出した透過電子の信号とから透過電子像を形成する。表示部１７は透過電子像を表示することができる。また、像形成部１４は、ＥＢ制御部１２の電子ビーム８を走査させる信号と、二次電子検出器４で検出した二次電子の信号とからＳＥＭ像のデータを形成する。表示部１７はＳＥＭ像を表示することができる。また、像形成部１４は、ＦＩＢ制御部１３のイオンビーム９を走査させる信号と、二次電子検出器４で検出した二次電子の信号とからＳＩＭ像のデータを形成する。表示部１７はＳＩＭ像を表示することができる。

荷電粒子ビーム装置は、さらに、入力部１０と、制御部１１を備える。オペレータは装置制御に関する条件を入力部１０に入力する。入力部１０は、入力された情報を制御部１１に送信する。制御部１１は、ＥＢ制御部１２、ＦＩＢ制御部１３、像形成部１４、試料台制御部１６または表示部１７に制御信号を送信し、荷電粒子ビーム装置の動作を制御する。

また、荷電粒子ビーム装置は、傾斜角度算出部１８と画像処理部１９を備える。傾斜角度算出部１８は、後述する試料台６の最適傾斜角度を算出する。また、画像処理部１９は、最適傾斜角度の算出の際に、ＳＥＭ像中の観察面の面積を画像処理によって求める。

次に本実施形態の試料観察方法を説明する。まず、図２（ａ）に示すように試料７を含む領域に照射領域２１を設定する。そして、図５のフローチャートの荷電粒子像取得Ｓ１を実施する。すなわち、電子ビーム８を照射領域２１に照射し、照射領域２１から発生した二次電子を二次電子検出器４で検出し、検出信号と電子ビーム８の走査信号からＳＥＭ像を取得する。図２（ｂ）は、取得したＳＥＭ像２２である。観察面７ａが電子ビーム８に対し垂直であれば、試料７の側面７ｂはＳＥＭ像２２中に現れない。しかし、試料７が電子ビーム８の照射方向に対して傾斜しているため、ＳＥＭ像２２には試料７の観察面７ａと試料７の側面７ｂが含まれている。

そこで、試料台傾斜Ｓ２を行う。すなわち、観察面７ａが電子ビーム８に対し垂直になるように第一の試料台軸方向２３を中心に第一の傾斜方向２４に試料台６を傾斜させる。図２（ｃ）は傾斜後の試料台６の状態である。

次に、荷電粒子像取得Ｓ３を実施する。図２（ｄ）は取得したＳＥＭ像２５である。
そして、傾斜角度算出Ｓ４を実施する。電子ビーム８に対し、観察面７ａが垂直であれば、その他の方向に傾斜している場合に比べてＳＥＭ像中の観察面７ａの面積は大きくなる。そこで、ＳＥＭ像２２の観察面７ａとＳＥＭ像２５の観察面７ａの面積を比較する。比較した結果、面積が大きいＳＥＭ像を取得した際の試料台６の傾斜角度を最適傾斜角度として算出する。ここでは、ＳＥＭ像２５の観察面７ａの面積が大きいので、ＳＥＭ像２５取得時の試料台６の傾斜角度を最適傾斜角度として算出する。

次に、試料観察Ｓ５を実施する。すなわち、試料台６を最適傾斜角度に傾斜させ、観察面７ａを電子ビーム８の照射方向に対し垂直になるように設置する。そして、電子ビーム８を照射し、観察面７ａを観察する。このとき、観察面７ａに対し垂直方向から観察しているので、高分解能観察をすることができる。

なお、より正確に試料台６の傾斜角度を調整するために、より最適な傾斜角度を算出することも可能である。つまり、上記の最適傾斜角度の算出に加え、第一の試料台軸方向２３に直交する第二の試料台軸方向２７を中心に試料台６を傾斜させ、より最適な傾斜角度を算出する。

図３（ａ）に示すように照射領域２１に電子ビーム８を照射しＳＥＭ像を取得する。図３（ｂ）はＳＥＭ像２６であり、観察面７ａが電子ビーム８の照射方向に対し垂直になっていないため、試料７の側面７ｃがＳＥＭ像２６中に現れている。そこで、第二の試料台軸方向２７を中心に試料台６を傾斜させる。
図３（ｃ）は傾斜させた状態であり、図３（ｄ）はこの状態で取得したＳＥＭ像２９である。

そして、ＳＥＭ像２６の観察面７ａとＳＥＭ像２９の観察面７ａの面積を比較する。比較した結果、面積が大きいＳＥＭ像を取得した際の試料台６の傾斜角度を最適傾斜角度として算出する。ここでは、ＳＥＭ像２９の観察面７ａの面積が大きいので、ＳＥＭ像２９取得時の試料台６の傾斜角度を最適傾斜角度として算出する。

試料台６を当該最適傾斜角度に傾斜させ、観察面７ａを電子ビーム８の照射方向に対し垂直になるように設置する。そして、電子ビーム８を照射し、観察面７ａを観察する。２つの軸で試料台６の傾斜角度を調整し、電子ビーム８に対し垂直になるように観察面７ａを設置して観察するので、より高分解能な観察を実施することができる。

また、最適傾斜角度に設定した観察面７ａは、電子ビーム８の照射方向に対し垂直になっているので、電子ビーム８と直交するように照射されるイオンビーム９を用いることで、観察面７ａに平行な観察面をさらに形成することができる。

図４に示すように、イオンビーム９を試料７に照射し、観察面７ａを剥すようにエッチング加工する。このとき、電子ビーム８の照射方向に対し垂直な方向からイオンビーム９を照射することになるので、観察面７ａに平行な観察面７ｄを形成することができる。

そして、観察面７ｄの形成後、試料台６を移動させることなくそのままの状態で、観察面７ｄに対し垂直方向から電子ビーム８が照射することができるので、観察面７ａと同様に、観察面７ｄの高分解能観察を行うことができる。

さらに、イオンビーム９による断面形成と電子ビーム８による観察を繰り返し実施することにより、観察面７ｅ、７ｆなどの高分解能観察を行うことができる。これにより、観察面７ａ、７ｄ、７ｅ、７ｆの高分解能ＳＥＭ像を取得し、三次元再構築することにより試料７の高精度な三次元像を取得することができる。

１…ＥＢ鏡筒
２…ＦＩＢ鏡筒
３…試料室
４…二次電子検出器
５…透過電子検出器
６…試料台
７…試料
７ａ、７ｄ、７ｅ、７ｆ…観察面
７ｂ、７ｃ…側面
８…電子ビーム
９…イオンビーム
１０…入力部
１１…制御部
１２…ＥＢ制御部
１３…ＦＩＢ制御部
１４…像形成部
１５…試料台駆動部
１６…試料台制御部
１７…表示部
１８…傾斜角度算出部
１９…画像処理部
２１…照射領域
２２、２５、２６、２９…ＳＥＭ像
２３…第一の試料台軸方向
２４…第一の傾斜方向
２７…第二の試料台軸方向
２８…第二の傾斜方向

Claims

荷電粒子ビームを照射し、試料の観察面を観察する試料観察方法において、
前記荷電粒子ビームに対する第一の傾斜角度に試料台を設置し、前記観察面に前記荷電粒子ビームを照射し、前記観察面の第一の荷電粒子像を取得する工程と、
第一の試料台軸を中心に前記第一の傾斜角度と異なる第二の傾斜角度に前記試料台を傾斜させ、前記観察面に前記荷電粒子ビームを照射し、前記観察面の第二の荷電粒子像を取得する工程と、
前記第一の荷電粒子像と前記第二の荷電粒子像のうち、前記観察面の面積が大きい方の荷電粒子像を取得した傾斜角度に前記試料台を傾斜させる工程と、
前記観察面に前記荷電粒子ビームを照射し、前記観察面を観察する工程と、を有する試料観察方法。
前記第一の試料台軸に対し直交する第二の試料台軸を中心に前記試料台を傾斜させ、前記観察面に前記荷電粒子ビームを照射し、前記観察面の第三の荷電粒子像を取得する工程と、
前記第一の荷電粒子像と前記第二の荷電粒子像と第三の荷電粒子像のうち、前記観察面の面積が最も大きい荷電粒子像を取得した傾斜角度に前記観察面を傾斜させる工程と、
前記観察面に前記荷電粒子ビームを照射し、前記観察面を観察する工程と、を有する請求項１に記載の試料観察方法。
請求項１または２に記載の試料観察方法で前記観察面を観察しながら、前記荷電粒子ビームに対し垂直方向からイオンビームを照射し、前記観察面を加工し、新たな観察面を作製する試料作製方法。
試料の観察面に荷電粒子ビームを照射する荷電粒子ビーム鏡筒と、
前記試料を保持する試料台と、
前記試料台を傾斜させる試料台駆動部と、
前記荷電粒子ビームの照射により前記観察面から発生する荷電粒子を検出する荷電粒子検出器と、
前記荷電粒子検出器の検出信号から前記観察面の荷電粒子像を形成する像形成部と、
前記試料台の第一の傾斜軸を中心に前記試料台を傾斜させ、複数の傾斜角度において、前記試料の観察像を取得し、前記観察像の観察面の面積が最大になる前記傾斜角度を算出する傾斜角度算出部と、を有する荷電粒子ビーム装置。
前記観察面の面積を画像処理により求めるための画像処理部を備えた請求項４に記載の荷電粒子ビーム装置。
前記荷電粒子ビームに直交する方向から前記観察面を剥ぐように集束イオンビームを照射する集束イオンビーム鏡筒を備えた請求項４または５に記載の荷電粒子ビーム装置。