KR102595576B1 - 단면 가공 관찰 방법, 하전 입자 빔 장치 - Google Patents

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Abstract

[과제]시료의 내부를 관찰하기 위한 관찰용 단면을 용이하게, 또한 정확하게 형성하는 것이 가능한 단면 가공 관찰 방법, 및 단면 가공을 행하기 위한 단면 가공 관찰 장치를 제공한다.
[해결 수단]3차원 입체 구조물을 구비한 시료의 상기 3차원 입체 구조물의 설계 데이터를 취득하는 설계 데이터 취득 공정과, 상기 설계 데이터의 좌표 정보에 의거하여 상기 시료를 이동시키는 이동 공정과, 상기 시료의 표면의 관찰상을 취득하는 표면 관찰 공정과, 상기 시료의 상기 표면에 이온 빔을 조사하여, 상기 3차원 입체 구조물의 단면을 형성하는 단면 형성 공정과, 상기 단면의 관찰상을 취득하는 단면 관찰 공정과, 상기 설계 데이터 중 상기 표면 및 상기 단면에 상당하는 위치의 표면 및 단면의 화상 데이터를 표시하는 표시 공정을 구비하는 것을 특징으로 한다.

Description

단면 가공 관찰 방법, 하전 입자 빔 장치{CROSS SECTION PROCESSING OBSERVATION METHOD, CHARGED PARTICLE BEAM DEVICE}
본 발명은, 반도체 디바이스 등 3차원 입체 구조물을 갖는 시료의 내부를 관찰할 때에, 시료의 관찰용 단면을 가공하는 단면 가공 관찰 방법, 및 단면 가공을 행하기 위한 하전 입자 빔 장치에 관한 것이다.
예를 들면, 반도체 디바이스 등 3차원 입체 구조물을 갖는 시료의 내부를 관찰하는 경우, 집속 이온 빔(Focused Ion Beam:FIB)에 의해 시료를 파단하여 3차원 입체 구조물의 임의의 관찰용 단면을 형성하고, 이 단면을 전자현미경에 의해 관찰하는 것이 행해지고 있다. 이러한 관찰용 단면은, 예를 들면, 시료의 결함 부분을 관찰하고 싶은 경우에는, 그 위치를 결함 검사 장치 등에 의해 특정하고, 얻어진 위치 정보에 의거하여 단면 가공이 행해진다.
이러한 시료의 CAD 데이터 등과 시료 표면의 관찰상으로부터 가공 위치를 결정하는 기술이 개시되어 있다(예를 들면, 특허 문헌 1을 참조). 시료의 CAD 데이터 등과 이차 하전 입자상을 관련지음으로써, 하전 입자 빔 장치에 의한 가공 위치 결정을 행하는 것이 가능해진다.
또, FIB-SEM 장치에 있어서, 단면 가공과 관찰을 반복하고, 단면상으로부터 가공 종점을 검출하는 기술이 개시되어 있다(예를 들면, 특허 문헌 2를 참조). FIB 가공 후의 SEM 관찰상 중의 특이 구조의 단부간의 거리를 측정함으로써, FIB 가공 종점을 검출할 수 있다.
일본국 특허공개 2006-155984호 공보 일본국 특허공개 평11-273613호 공보
상술한 특허 문헌 1에서는, CAD 데이터 등과 시료 표면의 위치 관계는 관련지을 수 있지만, 시료 내부의 관찰 목표는 직접 관찰할 수 없기 때문에, 시료의 깊이 방향에 대해 관련지을 수 없었다. 그 때문에, 관찰 대상을 가공해 버리거나, 관찰 대상을 포함하지 않는 시료편을 잘라 내 버리거나 할 우려가 있었다.
또, 특허 문헌 2에서는, 관찰 대상이 슬라이스 폭보다 작으면, 관찰 대상을 SEM 관찰할 수 없는 경우가 있기 때문에, 정확하게 종점을 검출할 수 없었다. 그 때문에, 관찰 대상을 가공해 버릴 우려가 있었다.
본 발명은, 상기와 같은 과제를 감안하여 이루어진 것이며, 시료의 내부를 관찰하기 위한 관찰용 단면을 용이하게, 또한 정확하게 형성하는 것이 가능한 단면 가공 관찰 방법, 및 단면 가공을 행하기 위한 하전 입자 빔 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 몇 개의 형태는, 다음과 같은 단면 가공 관찰 방법, 및 하전 입자 빔 장치를 제공했다.
즉, 본 발명의 단면 가공 관찰 방법은, 3차원 입체 구조물을 구비한 시료의 상기 3차원 입체 구조물의 설계 데이터를 취득하는 설계 데이터 취득 공정과, 상기 설계 데이터의 좌표 정보에 의거하여 상기 시료를 이동시키는 이동 공정과, 상기 시료의 표면의 관찰상을 취득하는 표면 관찰 공정과, 상기 시료의 상기 표면에 이온 빔을 조사하여, 상기 3차원 입체 구조물의 단면을 형성하는 단면 형성 공정과, 상기 단면의 관찰상을 취득하는 단면 관찰 공정과, 상기 설계 데이터 중 상기 표면 및 상기 단면에 상당하는 위치의 표면 및 단면의 화상 데이터를 표시하는 표시 공정을 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 파단 위치를 이동시켜 시료를 가공해 갈 때에, 단면의 관찰상과, 단면의 화상 데이터를 표시함으로써, 미리 가공 마크 등을 설치하지 않고, 간이한 공정으로, 또한 정확하게, 시료의 관찰 목표 단면까지 자동적으로 제거하고, 관찰 목표 단면이 노출된 시료를 용이하게 가공하는 것이 가능해진다.
또, 본 발명은, 미리 설정한 슬라이스 폭으로 상기 단면을 슬라이스 가공에 의해 새로운 단면을 형성하는 새로운 단면 형성 공정과, 상기 설계 데이터 중 상기 새로운 단면에 상당하는 위치의 단면의 화상 데이터를 갱신하는 갱신 공정을 구비하는 것이 바람직하다.
또, 본 발명은, 상기 설계 데이터에 의거하여 상기 시료의 샘플링의 위치 결정을 행하는 위치 결정 공정과, 상기 단면 형성 공정에 있어서, 상기 시료의 상기 단면의 관찰상과, 상기 설계 데이터 중, 상기 단면의 관찰상에 상당하는 위치의 단면의 상기 화상 데이터를 비교하는 비교 공정을 구비하는 것이 바람직하다.
본 발명의 하전 입자 빔 장치는, 3차원 입체 구조물을 구비한 시료에 하전 입자 빔을 조사하는 하전 입자 빔 경통과, 상기 3차원 입체 구조물의 설계 데이터를 기억하는 기억부와,
상기 하전 입자 빔의 조사에 의해 상기 시료의 표면 및 단면으로부터 발생하는 이차 입자를 검출하는 이차 입자 검출기와, 상기 이차 입자 검출기의 검출 신호에 의거하여 상기 시료의 표면 및 단면의 관찰상을 형성하는 상 형성부와, 상기 설계 데이터 중 상기 표면 및 상기 단면에 상당하는 위치의 표면 및 단면의 화상 데이터를 표시시키는 표시 제어부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명은, 상기 하전 입자 빔의 조사에 의한 상기 시료의 슬라이스 가공에 연동하여, 상기 설계 데이터 중 슬라이스 가공으로 새롭게 노출된 단면에 상당하는 위치의 단면의 화상 데이터를 갱신하는 갱신부를 구비하는 것이 바람직하다.
또, 본 발명은, 상기 시료의 관찰상과, 상기 설계 데이터 중, 상기 단면에 상당하는 위치의 상기 화상 데이터를 비교하는 비교부를 더 구비하는 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면, 시료의 내부를 관찰하기 위한 관찰용 단면을 용이하게, 또한 정확하게 형성하는 것이 가능한 단면 가공 관찰 방법 및 하전 입자 빔 장치를 제공할 수 있다.
도 1은, 본 발명의 실시 형태에 관련된 하전 입자 빔 장치의 개략 구성을 나타내는 모식도이다.
도 2는, 본 발명의 단면 가공 관찰 방법의 전공정을 단계적으로 나타낸 플로차트이다.
도 3은, 본 발명의 단면 가공 관찰 방법의 전공정을 단계적으로 나타낸 플로차트이다.
도 4는, 단면상의 배율 조정을 나타내는 설명도이다.
도 5는, 시료로부터 시료편을 잘라 내는 모습을 나타내는 사시도이다.
도 6은, 3차원 입체 구조물의 일례를 나타내는 삼면도이다.
도 7은, 본 발명의 단면 가공 관찰 방법에 있어서의 표시 장치의 표시예를 나타내는 설명도이다.
이하, 도면을 참조하여, 본 발명의 단면 가공 관찰 방법, 하전 입자 빔 장치에 대해 설명한다. 또한, 이하에 나타내는 각 실시 형태는, 발명의 취지를 보다 잘 이해시키기 위해서 구체적으로 설명하는 것이며, 특별히 지정이 없는 한, 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또, 이하의 설명에서 이용하는 도면은, 본 발명의 특징을 알기 쉽게 하기 위해서, 편의상, 요부가 되는 부분을 확대하여 나타내고 있는 경우가 있고, 각 구성요소의 치수 비율 등이 실제와 같다고는 한정되지 않는다.
(단면 가공 장치)
도 1은, 본 발명의 실시 형태에 관련된 하전 입자 빔 장치를 구비한 단면 가공 장치를 나타내는 구성도이다.
본 발명의 실시 형태에 관련된 단면 가공 장치(10)는, 하전 입자 빔 장치(10a)를 구비하고 있다. 하전 입자 빔 장치(10a)는, 내부를 진공 상태로 유지 가능한 시료실(11)과, 시료실(11)의 내부에 있어서 시료(S)를 고정 가능한 스테이지(12)와, 스테이지(12)를 구동하는 스테이지 구동 기구(13)를 구비하고 있다.
하전 입자 빔 장치(10a)는, 시료실(11)의 내부에 있어서의 소정의 조사 영역(즉 주사 범위) 내의 조사 대상에 집속 이온 빔(FIB)을 조사하는 집속 이온 빔 광학계(집속 이온 빔 경통)(14)를 구비하고 있다. 또, 하전 입자 빔 장치(10a)는, 시료실(11)의 내부에 있어서의 소정의 조사 영역 내의 조사 대상에 전자빔(EB)을 조사하는 전자빔 광학계(하전 입자 빔 경통)(15)를 구비하고 있다.
하전 입자 빔 장치(10a)는, 집속 이온 빔 또는 전자빔의 조사에 의해 조사 대상으로부터 발생하는 이차 하전 입자(이차 전자, 이차 이온)(R)를 검출하는 검출기(이차 입자 검출기)(16)를 구비하고 있다. 검출기(이차 입자 검출기)(16)의 출력측에는, 검출기(16) 검출 신호에 의거하여 시료의 표면 및 단면의 관찰상을 형성하는 상 형성부(25)가 설치되어 있다. 하전 입자 빔 장치(10a)는, 조사 대상의 표면에 가스(G)를 공급하는 가스 공급부(17)를 구비하고 있다. 가스 공급부(17)는 구체적으로는 가스 분사 노즐(17a) 등이다.
하전 입자 빔 장치(10a)는, 스테이지(12)에 고정된 시료(S)로부터 미소한 시료편(Q)(예를 들면 TEM 관찰용 시료편)을 취출하고, 시료편(Q)을 유지하여 시료편 홀더(P)로 이설하는 니들(18)과, 니들(18)을 구동하여 시료편(Q)을 반송하는 니들 구동 기구(19)를 구비하고 있다. 이 니들(18)과 니들 구동 기구(19)를 합해 시료편 이설 수단이라고 부르기도 한다.
하전 입자 빔 장치(10a)는, 검출기(16)에 의해 검출된 이차 하전 입자(R)에 의거하는 화상 데이터 등을 표시하는 표시 장치(20)와, 컴퓨터(21)와, 입력 디바이스(22)를 구비하고 있다.
이 실시 형태에 관련된 하전 입자 빔 장치(10a)는, 조사 대상의 표면에 집속 이온 빔을 주사하면서 조사함으로써, 피조사부의 화상화나 스퍼터링에 의한 각종 가공(굴착, 트리밍 가공 등)과, 디포지션막의 형성 등이 실행 가능하다. 하전 입자 빔 장치(10a)는, 시료(S)로부터 투과형 전자현미경에 의한 투과 관찰용 시료편(Q)(예를 들면, 박편 시료, 침상 시료 등)이나 전자빔 이용의 분석 시료편을 형성하는 가공을 실행 가능하다.
하전 입자 빔 장치(10a)는, 시료편 홀더(P)로 이설된 시료편(Q)을, 투과형 전자현미경에 의한 투과 관찰에 적절한 원하는 두께(예를 들면, 5~100㎚ 등)의 박막으로 하는 가공을 실행 가능하다. 하전 입자 빔 장치(10a)는, 시료편(Q) 및 니들(18) 등의 조사 대상의 표면에 집속 이온 빔 또는 전자빔을 주사하면서 조사함으로써, 조사 대상의 표면의 관찰을 실행 가능하다.
시료실(11)은, 배기 장치(도시 생략)에 의해 내부를 원하는 진공 상태가 될 때까지 배기 가능함과 더불어, 원하는 진공 상태를 유지 가능하게 구성되어 있다.
스테이지(12)는, 시료(S)를 유지한다. 스테이지(12)는, 시료편 홀더(P)를 유지하는 홀더 고정대(12a)를 구비하고 있다. 이 홀더 고정대(12a)는 복수의 시료편 홀더(P)를 탑재할 수 있는 구조여도 된다.
스테이지 구동 기구(13)는, 스테이지(12)에 접속된 상태로 시료실(11)의 내부에 수용되어 있고, 컴퓨터(21)로부터 출력되는 제어 신호에 따라 스테이지(12)를 소정 축에 대해 변위시킨다. 스테이지 구동 기구(13)는, 적어도 수평면에 평행하고 서로 직교하는 X축 및 Y축과, X축 및 Y축에 직교하는 연직 방향의 Z축을 따라서 평행하게 스테이지(12)를 이동시키는 이동 기구(13a)를 구비하고 있다. 스테이지 구동 기구(13)는, 스테이지(12)를 X축 또는 Y축 둘레로 경사시키는 틸트 기구(13b)와, 스테이지(12)를 Z축 둘레로 회전시키는 회전 기구(13c)를 구비하고 있다.
집속 이온 빔 광학계(집속 이온 빔 경통)(14)는, 시료실(11)의 내부에 있어서 빔 출사부(도시 생략)를, 조사 영역 내의 스테이지(12)의 연직 방향 상방의 위치에서 스테이지(12)에 면하게 함과 더불어, 광축을 연직 방향으로 평행하게 하여, 시료실(11)에 고정되어 있다. 이로 인해, 스테이지(12)에 고정된 시료(S), 시료편(Q), 및 조사 영역 내에 존재하는 니들(18) 등의 조사 대상에 연직 방향 상방으로부터 하방을 향해 집속 이온 빔을 조사 가능하다.
집속 이온 빔 광학계(14)는, 이온을 발생시키는 이온원(14a)과, 이온원(14a)으로부터 인출된 이온을 집속 및 편향시키는 이온 광학계(14b)를 구비하고 있다. 이온원(14a) 및 이온 광학계(14b)는, 컴퓨터(21)로부터 출력되는 제어 신호에 따라 제어되고, 집속 이온 빔의 조사 위치 및 조사 조건 등이 컴퓨터(21)에 의해 제어된다.
이온원(14a)은, 예를 들면, 액체 갈륨 등을 이용한 액체 금속 이온원, 플라즈마형 이온원, 가스 전계 전리형 이온원 등이다. 이온 광학계(14b)는, 예를 들면, 콘덴서 렌즈 등의 제1 정전 렌즈와, 정전 편향기와, 대물렌즈 등의 제2 정전 렌즈 등을 구비하고 있다.
전자빔 광학계(하전 입자 빔 경통)(15)는, 시료실(11)의 내부에 있어서 빔 출사부(도시 생략)를, 조사 영역 내의 스테이지(12)의 연직 방향에 대해서 소정 각도(예를 들면 60°) 경사진 경사 방향으로 스테이지(12)에 면하게 함과 더불어, 광축을 경사 방향으로 평행하게 하여, 시료실(11)에 고정되어 있다. 이로 인해, 스테이지(12)에 고정된 시료(S), 시료편(Q), 및 조사 영역 내에 존재하는 니들(18) 등의 조사 대상에 경사 방향의 상방으로부터 하방을 향해 전자빔을 조사 가능하다.
전자빔 광학계(15)는, 전자를 발생시키는 전자 소스(15a)와, 전자 소스(15a)로부터 사출된 전자를 집속 및 편향시키는 전자 광학계(15b)를 구비하고 있다. 전자 소스(15a) 및 전자 광학계(15b)는, 컴퓨터(21)로부터 출력되는 제어 신호에 따라 제어되고, 전자빔의 조사 위치 및 조사 조건 등이 컴퓨터(21)에 의해 제어된다. 전자 광학계(15b)는, 예를 들면, 전자 렌즈와 편향기 등을 구비하고 있다.
또한, 전자빔 광학계(15)와 집속 이온 빔 광학계(14)의 배치를 바꿔 넣고, 전자빔 광학계(15)를 연직 방향으로, 집속 이온 빔 광학계(14)를 연직 방향으로 소정 각도 경사진 경사 방향으로 배치해도 된다.
검출기(16)는, 시료(S) 및 니들(18) 등의 조사 대상에 집속 이온 빔이나 전자빔이 조사되었을 때에 조사 대상으로부터 방사되는 이차 하전 입자(이차 전자 및 이차 이온)(R)의 강도(즉, 이차 하전 입자의 양)를 검출하고, 이차 하전 입자(R)의 검출량의 정보를 출력한다. 검출기(16)는, 시료실(11)의 내부에 있어서 이차 하전 입자(R)의 양을 검출 가능한 위치, 예를 들면 조사 영역 내의 시료(S) 등의 조사 대상에 대해서 비스듬한 상방의 위치 등에 배치되고, 시료실(11)에 고정되어 있다.
가스 공급부(17)는 시료실(11)에 고정되어 있고, 시료실(11)의 내부에 있어서 가스 분사부(노즐이라고도 한다)를 가지며, 스테이지(12)에 면하게 하여 배치되어 있다. 가스 공급부(17)는, 집속 이온 빔에 의한 시료(S)의 에칭을 시료(S)의 재질에 따라 선택적으로 촉진하기 위한 에칭용 가스와, 시료(S)의 표면에 금속 또는 절연체 등의 퇴적물에 의한 디포지션막을 형성하기 위한 디포지션용 가스 등을 시료(S)에 공급 가능하다. 예를 들면, Si계의 시료(S)에 대한 불화 크세논과, 유기계의 시료(S)에 대한 물 등의 에칭용 가스를, 집속 이온 빔의 조사와 함께 시료(S)에 공급함으로써, 에칭을 선택적으로 촉진시킨다. 또, 예를 들면, 플래티넘, 카본, 또는 텅스텐 등을 함유한 디포지션용 가스를, 집속 이온 빔의 조사와 함께 시료(S)에 공급함으로써, 디포지션용 가스로부터 분해된 고체 성분을 시료(S)의 표면에 퇴적(디포지션)할 수 있다. 디포지션용 가스의 구체예로서, 카본을 포함하는 가스로서 페난트렌이나 나프탈렌 등, 플래티넘을 포함하는 가스로서 트리메틸에틸시클로펜타디에닐플래티넘 등, 또, 텅스텐을 포함하는 가스로서 텅스텐헥사카르보닐 등이 있다. 또, 공급 가스에 따라서는, 전자빔을 조사하는 것으로도, 에칭이나 디포지션을 행할 수 있다.
니들 구동 기구(19)는, 니들(18)이 접속된 상태로 시료실(11)의 내부에 수용되고 있고, 컴퓨터(21)로부터 출력되는 제어 신호에 따라 니들(18)을 변위시킨다. 니들 구동 기구(19)는, 스테이지(12)와 일체로 설치되어 있고, 예를 들면 스테이지(12)가 틸트 기구(13b)에 의해 틸트축(즉, X축 또는 Y축) 둘레로 회전하면, 스테이지(12)와 일체로 이동한다. 니들 구동 기구(19)는, 3차원 좌표축의 각각에 따라 평행하게 니들(18)을 이동시키는 이동 기구(도시 생략)와, 니들(18)의 중심축 둘레로 니들(18)을 회전시키는 회전 기구(도시 생략)를 구비하고 있다. 또한, 이 3차원 좌표축은, 시료 스테이지의 직교 3축 좌표계와는 독립되어 있고, 스테이지(12)의 표면에 평행한 2차원 좌표축으로 하는 직교 3축 좌표계로, 스테이지(12)의 표면이 경사 상태, 회전 상태에 있는 경우, 이 좌표계는 경사하여, 회전한다.
컴퓨터(21)는, 시료실(11)의 외부에 배치되고, 표시 장치(20)와, 이 표시 장치(20)를 제어하는 표시 제어부(23)와, 기억부(21a), 비교부(21b), 갱신부(21c)를 구비하고 있다. 또, 조작자의 입력 조작에 따른 신호를 출력하는 마우스 및 키보드 등의 입력 디바이스(22)가 접속되어 있다. 이러한 컴퓨터(21)는, 입력 디바이스(22)로부터 출력되는 신호 또는 미리 설정된 자동 운전 제어 처리에 의해 생성되는 신호 등에 의해, 하전 입자 빔 장치(10a)의 동작을 통합적으로 제어한다.
표시 제어부(23)는, IC칩 등으로 구성되고, 후술하는 단면 가공 관찰 방법에 있어서, 시료(S)의 내부에 형성된 3차원 입체 구조물의 설계 데이터 중, 표면 및 단면에 상당하는 위치의 화상 데이터를, 표시 장치(20)에 표시시키는 기능을 갖는다.
기억부(21a)는, 예를 들면, 기억 메모리나 하드 디스크 등으로 구성되고, 후술하는 단면 가공 관찰 방법에 있어서, 3차원 입체 구조물의 설계 데이터를 기억한다.
또, 비교부(21b)는, 예를 들면, CPU, 캐시 기억 장치 등으로 구성되고, 후술하는 단면 가공 관찰 방법에 있어서, 시료의 관찰상과, 3차원 입체 구조물의 설계 데이터 중, 가공 단면에 상당하는 위치의 화상 데이터를 비교한다.
또, 갱신부(21c)는, 예를 들면, CPU나 기억 메모리 등으로 구성되고, 후술하는 단면 가공 관찰 방법에 있어서 예를 들면 전자빔(EB)의 조사에 의한 시료의 슬라이스 가공에 연동하여, 시료(S)의 내부에 형성된 3차원 입체 구조물의 설계 데이터 중 슬라이스 가공으로 새롭게 노출된 단면에 상당하는 위치의 단면의 화상 데이터를 갱신한다.
이러한 시료의 관찰상과 화상 데이터의 비교, 및 일치, 불일치의 판단은, 컴퓨터(21)로 실행되는 화상 해석 소프트웨어로 행해진다.
또, 컴퓨터(21)는, 하전 입자 빔의 조사 위치를 주사하면서 검출기(16)에 의해 검출되는 이차 하전 입자(R)의 검출량을, 조사 위치에 대응시킨 휘도 신호로 변환하여, 이차 하전 입자(R)의 검출량의 2차원 위치 분포에 의해 조사 대상의 형상을 나타내는 화상 데이터를 생성한다.
표시 장치(20)는, 3차원 입체 구조물의 설계 데이터의 임의의 단면에서의 설계상의 단면상이나, 조사 대상으로부터 발생하는 이차 하전 입자(R)에 의거하는 시료(S)의 실제의 단면상을 표시한다. 또, 이러한 단면상의 확대, 축소, 이동, 및 회전등의 조작을 실행하기 위한 화면을 표시한다. 컴퓨터(21)는, 시퀀스 제어에 있어서의 모드 선택 및 가공 설정 등의 각종 설정을 행하기 위한 화면을, 표시 장치(20)에 표시시킨다.
또한, 본 발명의 하전 입자 빔 장치(10a)는, 상술한 각 구성 중, 적어도 전자빔 광학계(하전 입자 빔 경통)(15)와, 기억부(21a)와, 검출기(이차 입자 검출기)(16)와, 상 형성부(25)와, 표시 제어부(23)를 구비하고 있으면 된다.
(단면 가공 관찰 방법:전공정(샘플링 방법))
다음에, 상술한 단면 가공 장치를 이용한, 본 발명의 단면 가공 관찰 방법을 설명한다.
이하의 실시 형태에서는, 반도체 회로 등, 내부에 3차원 입체 구조물을 구비한 벌크의 시료(S)로부터, 목적의 관찰 대상 단면을 포함하는 시료편(Q)을 마이크로 샘플링에 의해 잘라낸다(전공정). 또한, 이 시료편을 가공 방향에 따라서 제거하여 관찰 대상의 단면을 가공한다(후공정).
도 2는, 본 발명의 단면 가공 관찰 방법의 전공정을 단계적으로 나타낸 플로차트이다.
우선, 최초로, 컴퓨터(21)의 입력 디바이스(22)를 통해, 시료(S)에 형성된 3차원 입체 구조물의 설계 데이터를 취득하도록 지시하고, 이 3차원 입체 구조물의 설계 데이터를 컴퓨터(21)의 기억부(21a)에 기억시킨다(S1:설계 데이터 취득 공정). 이 설계 데이터는, 예를 들어 반도체 회로라면, 좌표값을 포함하는 회로의 3차원 구조를 나타내는 회로설계 데이터이면 된다.
다음에, 예를 들면, 직사각형의 시료(S)의 3면(이하, 상면(X-Y면), 정면(X-Z면), 측면(Y-Z면)을 3면으로 한다) 중, 적어도 2면, 바람직하게는 3면에 대해서, 스테이지(12)를 이동시킨다(S2:이동 공정). 이동시의 스테이지(12)의 좌표는, 시료(S)에 형성된 3차원 입체 구조물의 설계 데이터, 미리 행한 결함 검사 장치에 의한 시료(S)에 포함되는 결함 위치 정보 등을 들 수 있다. 또한, 이외의 각종 위치 정보에 의거하여, 스테이지(12)를 이동시킬 수도 있다.
다음에, 이동 후의 스테이지(12)의 위치에 있어서, 시료(S)에 대해서 전자빔 광학계(15)로부터 전자빔(EB)을 조사한다. 그리고, 시료(S)로부터 발생한 이차 하전 입자(R)를 검출기(16)로 검출하고, 컴퓨터(21)로 시료(S)의 SEM 화상을 취득한다(S3:표면 관찰 공정). 시료(S)의 SEM 화상의 취득은, 시료(S)의 상술한 3면 중 적어도 2면, 예를 들면, 시료(S)의 표면과 단면을 이용한다. 또, 시료(S)의 3면 전체의 SEM 화상을 취득하는 것도 바람직하다.
다음에, 시료(S)의 3차원 입체 구조물의 설계 데이터에 의거하여, 관찰 목표 단면을 포함하는 소영역을 결정한다(S4:위치 결정 공정). 그리고, 이 관찰 목표 단면의 좌표(윤곽의 좌표)를, 예를 들면 3차원 입체 구조물의 설계 데이터로부터 선택하여 컴퓨터(21)에 입력한다.
컴퓨터(21)는, 전자빔 광학계(15)를 가동시키고, 스테이지(12) 상의 시료(S)를 향해, 입력된 좌표 데이터에 의거하여 집속 이온 빔(FIB)을 조사하여, 시료(S)에 형성된 3차원 입체 구조물의 관찰 목표 단면을 형성한다(S5:단면 형성 공정).
그리고, 단면 형성 공정 S5에 의해 형성한 3차원 입체 구조물의 관찰 목표 단면에 대해서 전자빔 광학계(15)로부터 전자빔(EB)을 조사한다. 그리고, 3차원 입체 구조물의 관찰 목표 단면으로부터 발생한 이차 하전 입자(R)를 검출기(16)로 검출하고, 컴퓨터(21)로 3차원 입체 구조물의 관찰 목표 단면의 SEM 화상을 취득한다(S6:단면 관찰 공정).
다음에, 표시 장치(20)에, 단면 관찰 공정 S6에서 얻어진 시료(S)의 2면 내지 3면 각각의 단면의 SEM 화상과, SEM 화상에 각각 대응하는 부분의 3차원 입체 구조물의 설계 데이터의 화상을 표시한다(S7:표시 공정).
이러한 표시 공정 S7의 일례로서, 도 4(a)에 나타내는 바와 같이, 표시 장치(20)에 시료(S)의 상면 SEM상(Sxy01), 정면 SEM상(Sxz01), 측면 SEM상(Syz01)을 각각 표시한다. 또, 표시 장치(20)에 설계 데이터의 대응하는 상면상(Dxy01), 정면상(Dxz01), 측면상(Dyz01)을 각각 표시한다.
그리고, 도 4(b)에 나타내는 바와 같이, 이들 시료(S)의 3면 각각의 SEM 화상과 SEM 화상에 각각 대응하는 부분의 설계 데이터의 3면의 화상을 포갠다. 그리고, 도 4(c)에 나타내는 바와 같이, 이들 2종류의 화상의 크기, 즉 표시 배율을 합치시키고, 배율 조정 후의 상면상(Exy01), 정면상(Exz01), 측면상(Eyz01)을 각각 표시한다(S5). 또한, 이 배율 조정은, 시료(S)의 SEM 화상의 사이즈에 설계 데이터의 3면의 화상의 사이즈를 일치시켜도, 또, 반대로 설계 데이터의 3면의 화상의 사이즈에 시료(S)의 SEM 화상의 사이즈를 일치시켜도 된다. 이로 인해, 후공정에서 행하는 시료(S)로부터 잘라 내진 시료편(Q)의 가공면의 SEM 화상(단면)과, 설계 데이터의 대응하는 부분의 화상(단면)이, 표시 장치(20)의 화면 상에서 동일 축척이 되고, 서로의 화상의 일치, 불일치를 정확하게 판정할 수 있다.
본 발명의 단면 가공 관찰 방법의 전공정(샘플링 방법)에 의하면, 시료(S)의 표면을 집속 이온 빔(FIB)으로, 또, 집속 이온 빔(FIB)으로 단면을 제작하고, 이 관찰 목표 단면의 SEM 화상을 취득함으로써, 스테이지(12)를 움직이지 않고, 위치 어긋남을 일으키지 않고, 관찰 목표 단면의 관찰상을 취득하는 것이 가능해진다.
(단면 가공 관찰 방법:후공정(단면 가공 방법))
도 3은, 본 발명의 단면 가공 관찰 방법의 후공정을 단계적으로 나타낸 플로차트이다.
컴퓨터(21)는, 전자빔 광학계(15)를 가동시키고, 스테이지(12) 상의 시료(S)를 향해, 입력된 좌표 데이터에 의거하여 집속 이온 빔(FIB)을 조사하여 시료(S)의 소영역인 시료편을 형성한다(S11:시료편 형성 공정). 보다 구체적으로는, 입력된 좌표 데이터에 의거하여, 컴퓨터(21)는, 집속 이온 빔 광학계(14)를 가동시키고, 집속 이온 빔(FIB)을 시료(S)를 향해 조사시킨다. 이로 인해, 도 5에 나타내는 바와 같이, 시료(S)에 있어서, 관찰 목표 단면의 주위를 에칭하고, 관찰 목표 단면을 포함하는 시료편(Q)이 형성되게 된다. 형성한 시료편(Q)은, 니들 구동 기구(19)를 구동하고, 니들(18)을 시료편(Q)에 접착시켜 취출한다. 그리고, 시료편(Q)을 시료편 홀더(P)에 고정한다.
다음에, 형성한 시료편(시료)(Q)을 단면 가공하여, 관찰 목표 단면을 노출시킨다. 이 후공정을 설명함에 있어서, 3차원 입체 구조물의 일례로서, 도 6의 삼면 도에 나타내는 바와 같은, X 방향, Y 방향, 및 Z 방향으로 각각 연장되는 직선 형상의 배선을 조합한 간이한 모델을 상정한다. 이 3차원 입체 구조물은, X 방향으로 연장되는 복수의 배선 Cx와, Y 방향으로 연장되는 복수의 배선 Cy와, 이 X배선과 Y배선을 접속하는 Z배선(컨택트) Cz를 구비하여 이루어진다. 그리고, 이 3차원 입체 구조물의 일면으로부터 가공 방향인 Y 방향을 따라서 소정의 간격으로 시료편(시료)(Q)를 없애가고, 단면(Ft)을 관찰 목표 단면으로서 노출시키는 가공예를 들어 설명한다.
또한, 여기에서는 3차원 입체 구조물의 3면에 대해서 관찰, 가공을 행하는 예를 나타내고 있지만, 3차원 입체 구조물의 임의의 2면에 대해서 관찰, 가공을 행할 수도 있다.
도 7은, 표시 장치에 표시하는 화상예를 나타내는 모식도이다.
우선, 시료편(시료)(Q)의 X-Z면에서 Z 방향을 따라 집속 이온 빔(FIB)을 조사하여, Y 방향(단면 가공 방향)을 향해 시료편(Q)을 제거한다(S11:시료편 형성 공정). 그리고, 노출된 F1 위치에서의 가공 단면을 향해 전자빔 광학계(15)로부터 전자빔(EB)을 조사하여(슬라이스 가공에 의해 새로운 단면을 형성하는 새로운 단면 형성 공정), 시료편(Q)의 F1 위치에 있어서의 가공 단면상을 얻는다(S12:가공 단면상 취득 공정).
그리고, 표시 장치(20)에, 3차원 입체 구조물의 설계 데이터에 의거하는, F1 위치에서의 3차원 입체 구조물의 설계 데이터 삼면상과, 미리 설정한 관찰 목표의 설계 데이터에 의거하는 관찰 목표 단면상과, F1 위치에 있어서의 실제의 가공 단면상을 병렬로 표시한다(도 7(a) 참조). 그리고, 컴퓨터(21)의 비교부(21b)는, F1 위치에 있어서의 실제의 가공 단면상과, 설계 데이터에 의거하는 관찰 목표 단면상을 비교한다(S13:비교 공정).
그리고, 실제의 가공 단면상과, 설계 데이터에 의거하는 관찰 목표 단면상이 다른 경우에는, 다시 시료편(시료)(Q)의 X-Z면에서 Z 방향을 따라 집속 이온 빔(FIB)을 조사하여, 시료편(Q)을 소정량 제거한다(S11:시료편 형성 공정).
이 도 7(a) 상태에서는, Y 방향이 F1의 위치에서는 실제의 가공 단면상과, 설계 데이터에 의거하는 관찰 목표 단면상이 다르므로, 시료편(Q)의 단면 가공이 관찰 목표 단면에 이르러 있지 않다고 판단되고, 다시 집속 이온 빔(FIB)을 조사하여, 시료편(Q)을 소정량 제거한다(S11)
다음에, 시료편(시료)(Q)의 X-Z면에서 Z 방향을 따라 집속 이온 빔(FIB)을 조사하여, Y 방향(단면 가공 방향)을 향해 시료편(Q)을 제거한다(S11:시료편 형성 공정). 그리고, 노출된 F2 위치에서의 가공 단면을 향해서 전자빔 광학계(15)로부터 전자빔(EB)을 조사하여, 시료편(Q)의 F2 위치에 있어서의 가공 단면상을 얻는다(S12:가공 단면상 취득 공정).
그리고, 컴퓨터(21)의 비교부(21b)는, 도 7(b)에 나타내는 바와 같이, F2 위치에 있어서의 실제의 가공 단면상과, 설계 데이터에 의거하는 관찰 목표 단면상을 비교한다(비교 공정 S13). 또, 3차원 입체 구조물의 설계 데이터 삼면상을 가공의 진행에 맞추어 갱신한다.
이러한 공정을 행함으로써, 집속 이온 빔(FIB)에 의해 가공된 부분에 대응하는 표시부터 순서대로 데이터가 삭제된다. 화상 데이터의 갱신은, 미리 설정한 슬라이스 폭씩 가공된 것으로서 표시로부터 삭제되어 간다. 이로 인해, 가공 예정 상황을 설계 데이터상에 있어서, 실제의 가공 상황을 SEM 화상에 의한 관찰상으로 확인할 수 있기 때문에, 잘못하여 너무 가공하는(너무 깎는) 일없이, 정확하게 가공 종점을 검출하는 것이 가능해진다.
예를 들면, 도 7(b)에서는, Y 방향이 F2의 위치에서는 실제의 가공 단면상과, 설계 데이터에 의거하는 관찰 목표 단면상이 다르므로, 시료편(Q)의 단면 가공이 관찰 목표 단면에 이르러 있지 않다고 판단된다. 그리고, 다시 집속 이온 빔(FIB)을 조사하여, 시료편(Q)을 소정량 제거한다(S11:시료편 형성 공정).
다음에, 시료편(시료)(Q)의 X-Z면에서 Z 방향을 따라 집속 이온 빔(FIB)을 조사하여, Y 방향(단면 가공 방향)을 향해 시료편(Q)을 제거한다(S11:시료편 형성 공정). 그리고, 노출된 F3 위치에서의 가공 단면을 향해 전자빔 광학계(15)로부터 전자빔(EB)을 조사하여, 시료편(Q)의 F3 위치에 있어서의 가공 단면상을 얻는다(S12:가공 단면상 취득 공정).
그리고, 컴퓨터(21)의 비교부(21b)는, 도 7(c)에 나타내는 바와 같이, F3 위치에 있어서의 실제의 가공 단면상과, 설계 데이터에 의거하는 관찰 목표 단면상을 비교한다(S13:비교 공정). 또, 3차원 입체 구조물의 설계 데이터 삼면상을 가공의 진행에 맞추어 갱신한다.
도 7(c)와 같이, Y 방향이 F3의 위치에서는 실제의 가공 단면상과, 설계 데이터에 의거하는 관찰 목표 단면상이 다르므로, 시료편(Q)의 단면 가공이 관찰 목표 단면에 이르러 있지 않다고 판단되고, 다시 집속 이온 빔(FIB)을 조사하여, 시료편(Q)을 소정량 제거한다(S11:시료편 형성 공정).
다음에, 시료편(시료)(Q)의 X-Z면에서 Z 방향을 따라 집속 이온 빔(FIB)을 조사하여, Y 방향(단면 가공 방향)을 향해 시료편(Q)을 제거한다(S11:시료편 형성 공정). 그리고, 노출된 F4 위치에서의 가공 단면을 향해 전자빔 광학계(15)로부터 전자빔(EB)을 조사하여, 시료편(Q)의 F4 위치에 있어서의 가공 단면상을 얻는다(S12:가공 단면상 취득 공정).
그리고, 컴퓨터(21)의 비교부(21b)는, 도 7(d)에 나타내는 바와 같이, F4 위치에 있어서의 실제의 가공 단면상과, 설계 데이터에 의거하는 관찰 목표 단면상을 비교한다(S13:비교 공정). 또, 3차원 입체 구조물의 설계 데이터 삼면상을 가공의 진행에 맞추어 갱신한다.
도 7(d)의 상태에서는, Y 방향이 F4의 위치에 있어서의 실제의 가공 단면상과, 설계 데이터에 의거하는 관찰 목표 단면상이 합치되어 있다. 따라서 컴퓨터(21)는, 비교부(21b)의 비교 결과에 의거하여, Y 방향이 F4의 위치에 있어서의 실제의 가공 단면상이 관찰 목표 단면(단면)(Ft)이라고 판단하고, 이 위치를 가공 종점으로 한다(S14:가공 종점 처리 공정).
이와 같이, 집속 이온 빔(FIB)을 조사하여 시료편(Q)을 소정량 제거하고, 그때마다, 실제의 가공 단면상과, 설계 데이터에 의거하는 관찰 목표 단면상을 비교하는 것을 반복함으로써, 미리 가공 마크 등을 설치하지 않고, 간이한 공정으로, 또한 정확하게, 시료편(시료)(Q)의 관찰 목표 단면까지 자동적으로 제거하고, 관찰 목표 단면이 노출된 시료편(Q)을 용이하게 가공하는 것이 가능해진다.
또한, 상술한 비교 공정 S13에 있어서, 실제의 가공 단면상과, 설계 데이터에 의거하는 관찰 목표 단면상을 비교하는 것에 더하여, 추가로 좌표치를 비교할 수도 있다. 예를 들면, 비교 공정 S13에 있어서, 설계 데이터에 의거하는 현재의 가공 단면에 대응하는 설계 데이터상에서의 좌표와, 가공 단면상의 시료편(시료)(Q) 상에서 실제의 좌표를 비교하고, 실제의 좌표치가, 관찰 목표 단면에 대응하는 설계 데이터 상에서의 좌표에 이르러 있는지를 판단한다.
또한, 전공정에 있어서, 시료(S)의 SEM 화상의 사이즈에 설계 데이터의 3면의 화상의 사이즈를 일치시키고 있으면, 동일 축척에 의해, 정확하게 일치, 불일치를 판단할 수 있다.
이로 인해, 단면상의 비교만 하는 경우보다 한층 더, 가공 정밀도를 높일 수 있다. 예를 들면, 실제의 좌표값이, 관찰 목표 단면에 대응하는 설계 데이터 상에서의 좌표에 가까워졌으면, 집속 이온 빔(FIB)에 의한 시료편(Q)의 제거량이 작아지도록 제어하면, 시료편(시료)(Q)을 관찰 목표 단면보다 깊게 깎아 버리는 일 없이, 한층 더 정확하게 관찰 목표 단면을 노출시킨 관찰용 단면을 얻을 수 있다.
상술한 실시 형태에서는, 시료(시료편)로서 TEM 관찰용 시료편을 형성하는 예를 나타내고 있지만, 이외에도, 예를 들면, 침상 시료인 3차원 아톰 프로브(3Dimensional Atom Probe)의 형성시에 이용할 수도 있다.
즉, 3차원 아톰 프로브를 형성할 때에는, 상술한 본 발명의 전공정(샘플링 방법)에 있어서, 3차원 입체 구조물의 관찰 목표를 포함하는 시료편을 잘라낸다. 그리고, 후공정(단면 가공 방법)에 있어서, 시료편이 3차원 입체 구조물의 관찰 목표를 포함하는 침상 시료(아톰 프로브 시료)가 되도록, 집속 이온 빔(FIB)을 이용하여 가공한다.
이러한 3차원 아톰 프로브는, 예를 들면, 선단 지름이 100㎚ 정도인 첨예한 침상 시료에 10kV 정도의 정전압을 인가함으로써 프로브의 선단이 고전계가 되고, 전계 증발 현상에 의해 전계 증발한 이온이 2차원 검출기에 의해 원자 배열을 특정할 수 있다. 또, 검출기에 도달할 때까지의 비행 시간으로부터 이온종도 동정(同定)할 수 있다. 이와 같이 하여 개개로 검출된 이온을 깊이 방향으로 연속적으로 검출하고, 검출된 순서대로 이온을 늘어놓음으로써, 시료의 원소 정보와 3차원 구조를 원자 레벨로 해석할 수 있다.
또, 비교 공정 S13에서는, 화상 비교 소프트웨어 등에 의하지 않고, 조작자가 육안으로 실제의 가공 단면상과, 설계 데이터에 의거하는 관찰 목표 단면상을 비교할 수도 있다.
또, 상술한 실시 형태에서는, 전공정으로서 시료(S)로부터 시료편(Q)을 마이크로 샘플링하고, 샘플링된 시료편(Q)을 단면 화상 비교에 의해 가공하는 예를 나타내고 있지만, 특히 전공정, 후공정으로 나누지 않고, 벌크의 시료(S)에 대해서 집속 이온 빔(FIB)에 의한 제거와 단면 화상 비교를 반복함으로써, 관찰 목표 단면을 노출시키는 구성이어도 된다.
이상, 본 발명의 실시 형태를 설명했지만, 이러한 실시 형태는 예로서 제시한 것이며, 발명의 범위를 한정하는 것은 의도하고 있지 않다. 이들 실시 형태는, 그 외의 여러가지 형태로 실시되는 것이 가능하고, 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서, 여러 가지의 생략, 치환, 변경을 행할 수 있다. 이들 실시 형태나 그 변형은, 발명의 범위나 요지에 포함되면 마찬가지로, 특허 청구의 범위에 기재된 발명과 그 균등의 범위에 포함되는 것이다.
10:단면 가공 장치 10a:하전 입자 빔 장치
11:시료실 12:스테이지(시료 스테이지)
13:스테이지 구동 기구 14:집속 이온 빔 광학계
15:전자빔 광학계(하전 입자 빔 경통) 16:검출기
17:가스 공급부 18:니들
19:니들 구동 기구 20:표시 장치
21:컴퓨터 22:입력 디바이스
P:시료편 홀더 Q:시료편(시료)
R:이차 하전 입자 S:시료

Claims (6)

  1. 3차원 입체 구조물을 구비한 시료의 상기 3차원 입체 구조물의 설계 데이터를 취득하는 설계 데이터 취득 공정과,
    상기 설계 데이터의 좌표 정보에 의거하여 상기 시료를 이동시키는 이동 공정과,
    상기 시료의 표면의 관찰상을 취득하는 표면 관찰 공정과,
    상기 시료의 상기 표면에 이온 빔을 조사하여, 상기 3차원 입체 구조물의 단면을 형성하는 단면 형성 공정과,
    상기 단면의 관찰상을 취득하는 단면 관찰 공정과,
    상기 설계 데이터 중 상기 표면 및 상기 단면에 상당하는 위치의 표면 및 단면의 화상 데이터와 병렬로, 상기 표면 관찰 공정에서 취득한 상기 표면의 관찰상 및 상기 단면 관찰 공정에 의해 취득된 상기 단면의 관찰상을 표시하는 표시 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 단면 가공 관찰 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    미리 설정한 슬라이스 폭으로 상기 단면을 슬라이스 가공에 의해 새로운 단면을 형성하는 새로운 단면 형성 공정과,
    상기 설계 데이터 중 상기 새로운 단면에 상당하는 위치의 단면의 화상 데이터를 갱신하는 갱신 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 단면 가공 관찰 방법.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 설계 데이터에 의거하여 상기 시료의 샘플링의 위치 결정을 행하는 위치 결정 공정과,
    상기 단면 형성 공정에 있어서, 상기 시료의 상기 단면의 관찰상과, 상기 설계 데이터 중, 상기 단면의 관찰상에 상당하는 위치의 단면의 상기 화상 데이터를 비교하는 비교 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 단면 가공 관찰 방법.
  4. 3차원 입체 구조물을 구비한 시료에 하전 입자 빔을 조사하는 하전 입자 빔 경통과,
    상기 3차원 입체 구조물의 설계 데이터를 기억하는 기억부와,
    상기 하전 입자 빔의 조사에 의해 상기 시료의 표면 및 단면으로부터 발생하는 이차 입자를 검출하는 이차 입자 검출기와,
    상기 이차 입자 검출기의 검출 신호에 의거하여 상기 시료의 표면 및 단면의 관찰상을 형성하는 상 형성부와,
    상기 설계 데이터 중 상기 표면 및 상기 단면에 상당하는 위치의 표면 및 단면의 화상 데이터와 병렬로, 상기 상 형성부에 의해 형성된 상기 시료의 표면 및 상기 단면의 관찰상을 표시시키는 표시 제어부를 구비하는 것을 특징으로 하는 하전 입자 빔 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 하전 입자 빔의 조사에 의한 상기 시료의 슬라이스 가공에 연동하여, 상기 설계 데이터 중 슬라이스 가공으로 새롭게 노출된 단면에 상당하는 위치의 단면의 화상 데이터를 갱신하는 갱신부를 구비하는 것을 특징으로 하는 하전 입자 빔 장치.
  6. 청구항 4 또는 청구항 5에 있어서,
    상기 시료의 관찰상과, 상기 설계 데이터 중, 상기 단면에 상당하는 위치의 상기 화상 데이터를 비교하는 비교부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 하전 입자 빔 장치.
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