WO2006011185A1 - 半導体装置の検査方法、その検査装置及びその検査に適した半導体装置 - Google Patents

半導体装置の検査方法、その検査装置及びその検査に適した半導体装置 Download PDF

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WO2006011185A1
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measurement
semiconductor device
sample
semiconductor
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PCT/JP2004/010485
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Toshiya Ishii
Koki Ando
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Fujitsu Limited
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/26—Electron or ion microscopes; Electron or ion diffraction tubes
    • H01J37/295—Electron or ion diffraction tubes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B15/00—Measuring arrangements characterised by the use of electromagnetic waves or particle radiation, e.g. by the use of microwaves, X-rays, gamma rays or electrons
    • G01B15/02—Measuring arrangements characterised by the use of electromagnetic waves or particle radiation, e.g. by the use of microwaves, X-rays, gamma rays or electrons for measuring thickness
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N23/00—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00
    • G01N23/20—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by using diffraction of the radiation by the materials, e.g. for investigating crystal structure; by using scattering of the radiation by the materials, e.g. for investigating non-crystalline materials; by using reflection of the radiation by the materials
    • G01N23/20058—Measuring diffraction of electrons, e.g. low energy electron diffraction [LEED] method or reflection high energy electron diffraction [RHEED] method

Definitions

  • the present invention relates to a method for inspecting a result of performing a manufacturing process in an LSI (large scale integration) device manufacturing process, an inspection apparatus thereof, and a semiconductor device suitable for the inspection,
  • the present invention relates to an inspection method, an inspection apparatus, and a semiconductor device suitable for the inspection, which are used for immediately and accurately inspecting a cross-sectional microstructure of an LSI device, which is obtained as a result of a manufacturing process.
  • measurements related to the planar structure of LSI devices are usually performed immediately, such as measurements related to force-cross-sectional structures, such as the growth of gate oxide films.
  • the length measurement during the process, the length measurement during the growth process of the shallow trench insulating film, the length measurement during the diffusion prevention film growth process that prevents the diffusion of metal from the metal wiring, etc. are performed immediately during the manufacturing process. In addition, this was not done to accurately measure the results of the manufacturing process.
  • an electron beam irradiation part an electron transmitted through a sample, or an electron used to guide an electron scattered by the sample to a detector
  • a TEM device composed of a lens, a diaphragm for adjusting the amount of electron beam, and a transmission electron detection unit for detecting a transmission electron beam is used.
  • the aperture of the diaphragm is fixed when observing the sample.
  • the amount of electrons led to the transmission electron detector by the electron lens was determined.
  • the structure of the semiconductor detector that also functions as a diaphragm for the transmission electron detector is changed to a structure similar to the diaphragm / semiconductor detector shown in FIG.
  • the aperture of the semiconductor detector variable, it was devised to restrict the passage of unintended scattered electrons from the aperture / semiconductor detector, and the electron diffraction image obtained after passing through the sample obtained by the TEM device was improved. ing.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 6-139988
  • the diaphragm / semiconductor detector shown in FIG. 1 includes a semiconductor detector 1, a fixing pin 2, a lever pin 4, a guide hole 3, and a rotation.
  • the transmission electron detector and the semiconductor detector 1 can obtain a dark-field or bright-field electron diffraction image corresponding to the amount of electrons captured by each.
  • the diaphragm shown in FIG. 2 includes a lower diaphragm plate 133 having a plurality of aperture sets each having four sets of sizes of openings, an upper diaphragm plate 130 having a set of the aperture sets, and a lower diaphragm plate.
  • the lower holding mechanism 134 of 133, the holding mechanism 131 of the upper diaphragm plate 130, the lower throttle hole 136 of the lower diaphragm plate 133, and the upper throttle hole 132 of the upper diaphragm plate are also configured. Has been.
  • the electron beam 135 can be further narrowed to an arbitrary amount by slightly shifting the upper diaphragm plate 130 and the lower diaphragm plate 133.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 6-139988
  • Patent Document 2 JP-A-5-217536
  • a method for measuring a result of a manufacturing process for a cross-sectional structure immediately and accurately during a manufacturing process of a semiconductor device a measuring apparatus for the method, and a semiconductor device suitable for the measurement.
  • the first invention is a sample preparation step for preparing a sample by thin-filming a crystal part, and irradiating the sample with an electron beam and transmitting the sample.
  • the electron beam diffracted by the crystal portion included in the transmitted electron beam is narrowed to an arbitrary amount, and electron beam imaging is obtained from the transmitted electron beam, and the crystal partial force is obtained during the electron beam imaging.
  • a measuring method characterized by comprising a step of comparing the width of the checkered stripe with the width of an arbitrary portion.
  • the lattice fringes obtained from the crystal portion in the sample without strictly controlling the thickness of the sample are obtained.
  • any part of the semiconductor device including the semiconductor crystal substrate for example, the result obtained by the manufacturing process of the semiconductor device (the gate oxide film This has the effect of measuring the width of the thickness.
  • the second invention is a FIB irradiation device that irradiates the sample with FIB from one angle, and an electron beam with respect to the sample from the other angle.
  • a measuring apparatus comprising an electron beam aperture whose size is adjustable.
  • a third invention is a semiconductor device including a circuit element constituting a semiconductor circuit, a measurement element used for measurement, and a cutting region for individually cutting.
  • the semiconductor device is formed on a semiconductor substrate, and the circuit element and the measurement element are the same in cross-sectional structure, are within the cutting region, and individually cut the semiconductor device from the semiconductor substrate.
  • the semiconductor device is characterized in that the measurement element is disposed at a position where the measurement element is cut, and the cut surface of the measurement element is used for measurement.
  • the measurement method according to the first invention is performed because the cross section of the measurement element is in an observable state when the semiconductor devices are cut individually. Suitable for Further, since the measuring element is located at the end of the semiconductor device, there is an effect that the length can be easily measured using the measuring device of the second embodiment. Furthermore, since the measuring element and the circuit element have the same structure, the circuit element is not destroyed and the result of the manufacturing process can be obtained immediately and accurately during the manufacturing process. There is an effect that can be measured.
  • FIG. 1 is a diagram showing an electron beam aperture of the TEM apparatus of Conventional Example 1.
  • FIG. 2 is a diagram showing the electron beam aperture of the TEM device of Conventional Example 2.
  • FIG. 3 is a diagram showing how the electron beam 13 transmitted through the sample 10 and the scattered electron beam 14 form an electron diffraction image 12.
  • FIG. 4 is a flowchart of the inspection method according to the first embodiment.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a sample preparation process for thinning a sample in the inspection method according to Example 1.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating an image sharpening process in the inspection method according to Example 1 to remove an excess electron beam and to sharpen an image.
  • FIG. 7 shows a step of comparing the lattice fringe spacing by the crystal lattice with the thickness of the portion added by the manufacturing step in the inspection method according to Example 1.
  • FIG. 8 is a schematic diagram of an apparatus according to a second embodiment.
  • FIG. 9 is a flowchart for measuring the length of the part added by the manufacturing process by the apparatus according to the second embodiment.
  • FIG. 10 is a diagram showing the direction of the electron beam and the direction of the FBI when the shapes of the three types of samples are different.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating a diaphragm used in a diaphragm adjustment process for the purpose of removing an electron beam in the apparatus according to the second embodiment.
  • FIG. 12 is a diagram showing a modification of the diaphragm.
  • FIG. 13 is a diagram showing an arrangement position of an end of a semiconductor chip on a semiconductor substrate and a monitor element.
  • FIG. 14 shows the above-described monitor element 101 of the semiconductor chip 100 in the upper diagram, and in the enlarged view, the element cross section 103 of the monitor element 101 can be irradiated with an electron beam by processing by FIB irradiation. It is a figure which shows the sample 105 carved out in the shape.
  • FIG. 15 is a diagram showing a cross section of a circuit element and a cross section of a monitor element.
  • An example of a measurement that immediately and accurately grasps the results of the LSI device manufacturing process is a measurement that measures the microstructure of LSI devices.
  • length measurement related to the planar structure of LSI devices for example, measurement of photoresist width, etc.
  • length measurement related to a cross-sectional structure for example, during the growth process of a gate oxide film
  • Length measurement, length measurement during shallow trench insulation film growth process, length measurement during diffusion prevention film growth process to prevent metal diffusion from metal wiring has the following problems and is not easy It was.
  • the first problem is that the object to be measured, that is, the cross-sectional structure is very fine (for example, the gate oxide film is about 0.5 mm) even by magnifying observation with a normal electron microscope or the like. Therefore, observation was not easy.
  • TEM Transmission Electron Microscope
  • FIG. 3 is a diagram showing how the electron beam 13 transmitted through the sample 10 and the scattered electron beam 14 form an electron diffraction image 12. That is, the sample 10 has a crystal part 15, and when irradiated with an electron beam, an electron beam 13 that is hardly scattered by the sample and a scattered electron beam 14 are generated. Both the electron beam 13 transmitted without being scattered and the scattered electron beam 14 are converged when passing through the electron lens 11. As a result, both the electron beam 13 that has been transmitted without being scattered and the electron beam 14 that has been scattered pass through the diaphragm 17, and the electron beam is detected by the detector, thereby corresponding to the crystal portion 15 of the sample 10. An electron diffraction image 12 including the image 16 is formed.
  • the second problem is as follows. First, in order to perform length measurement, high accuracy is required to determine the length. However, it is not easy to determine the exact length of the observation object from the observation image unless the viewpoint of observing the cross-sectional structure is also facing frontal force with respect to the object to be measured. For example, if the exact length of the object to be observed is a, the length in the observation image is b, and the object is observed from a direction tilted X degrees from the normal of the object to be observed, a is obtained by dividing b by cosX. This is because it is impossible to accurately determine the direction of the viewpoint from the observation image alone, and hence the exact length a of the observation target cannot be determined.
  • Example 1 for solving the above problem will be described.
  • FIG. 4 showing a flowchart
  • FIG. 5 showing a sample preparation process, irradiating the sample with electrons, and narrowing the electron beam transmitted through the sample to an arbitrary amount
  • FIG. 6 showing an image sharpening process for obtaining a clear electron diffraction image by removing an extra electron beam
  • FIG. 7 showing a length measurement process
  • FIG. 4 shows a flowchart of the measurement method according to the first embodiment.
  • the measurement method according to Example 1 includes a sample preparation step 20 in which a part to be measured, that is, an observation target is taken out and a sample is prepared by thinning the film, and the sample is irradiated with electrons and transmitted through the sample. Equivalent to the crystal part of the sample in the image sharpening step 22 to obtain a clear electron diffraction image by narrowing down the beam to an arbitrary amount, that is, by removing the extra electron beam Compare the width of the checkered part and the width of the part added by the manufacturing process. , Which includes a length measuring step 24 for specifying the actual thickness of the portion added by the manufacturing step.
  • FIG. 5 illustrates a sample preparation step 20 for thinning the observation target.
  • FIG. 5 is composed of a left diagram showing the observation target 31 in the semiconductor chip 30 and a right diagram showing the process of thinning the observation target 31.
  • the observation object 31 in the semiconductor chip 30 is cut out from the semiconductor chip 30 as indicated by an arrow.
  • irradiate FIB32 from the top cut the observation target 31 so that the crystal substrate 34 and the part 35 added in the manufacturing process appear in the same cross section, and make the sample 33 by thinning the film. Step 20.
  • the thin film In the case of a thin film, the example in which the FIB 32 is irradiated from above is shown as a thin film.
  • the thin film may be formed by means such as polishing of the observation object 31.
  • FIG. 6 shows an image sharpening step 22 in which an excess electron beam is removed to sharpen an image.
  • a transmission electron beam 43 that hardly diffracts and a transmission electron beam 44 that is diffracted are generated, and the electron lens 41 causes the electron beam 41 to appear on the detector.
  • An electron diffraction image 42 including an image 46 of the crystal portion can be obtained.
  • the image sharpening step is a step of clarifying lattice fringes due to the crystal lattice in the image 46 of the crystal portion by removing the passage of extra diffracted transmitted electrons 44.
  • FIG. 7 shows a length measurement step 24 including an operation of comparing the interval between lattice fringes due to the crystal lattice and the width of the portion added by the manufacturing step on the electron diffraction image.
  • the crystal lattice fringes are clear in the image 52 of the crystal portion in the electron diffraction line image. Therefore, the lattice fringe spacing indicated by the solid line 53, that is, the width indicated by the white arrow 54 is measured on the electron diffraction image and compared with the width of the portion 50 added in the manufacturing process on the electron diffraction image. And find the ratio.
  • the actual crystal lattice constant and the above ratio force are also calculated in the actual thickness of the part added in the manufacturing process, for example, the actual thickness of the gate oxide film 50 and the interlayer insulating film 51.
  • This is a length measurement process 24 for specifying the thickness of the added portion.
  • the actual thickness of the portion added by the manufacturing process including the operation of comparing the width of the lattice fringes obtained from the substrate crystal with the width of the portion added by the manufacturing process
  • the measurement method includes a length measurement process for identifying the above. Therefore, according to the measurement method of Example 1, the lattice fringes obtained from the substrate crystal became clear by narrowing down the electron beam diffracted at the crystal part without strictly controlling the thickness of the sample.
  • the length of the result obtained by the manufacturing process (for example, the thickness of the gate oxide film) is measured based on the spacing of the lattice fringes of the substrate crystal in the electron diffraction image. There is an effect that can. In addition, since the length is measured based on the interval between the lattice fringes obtained from the substrate crystal, there is an effect that the direction in which the sample is observed does not have to be strictly the front. Since the interval between the lattice stripes is a physical constant and is always a constant value, the correlation between the length in the image and the actual length is calculated by comparing the interval between the lattice stripes and the width of the lattice stripes on the image. It is the power that can be.
  • Measurement of cross-sectional structure of LSI devices for example, measurement during the growth process of gate oxide film, measurement during growth process of shallow trench insulating film, diffusion to prevent metal diffusion from metal wiring
  • length measurement such as length measurement during the growth process of the preventive film
  • FIG. 7 shows an outline of the apparatus according to the second embodiment
  • FIG. 9 shows a flowchart of the measurement performed using the apparatus
  • FIG. 10 is used to explain the aperture used in the sharpening process.
  • the apparatus according to the second embodiment shown in FIG. 8 is a signal processing circuit that processes signals from the controller 60, the ion beam control system 61, and the electron beam detector 64 to form an electron beam diffraction image.
  • 62 a stage drive circuit 63, an aperture for adjusting the amount of the electron beam, an electron beam detector 64 for detecting the electron beam transmitted through the sample 66, and the FIB and the electron beam go straight with respect to the sample 66.
  • a sample chamber 65 that maintains a reduced pressure state
  • a sample stage 67 on which the sample 66 is placed a FIB irradiation device 68 that irradiates the sample 66 with the FIB toward the sample 66
  • an electron beam irradiation device 69 that irradiates the electron beam toward the sample 66.
  • an electron beam control system 70 an electron beam control system 70.
  • the controller 60 includes a calculation and control circuit such as a CPU, and includes an ion beam control system 61 that controls the FIB irradiation device 68, an electron beam irradiation device 69 that controls the electron beam irradiation device 69, and a signal processing circuit 62. And a command is sent to the stage drive circuit 63 that drives the sample stage 67.
  • the apparatus according to the second embodiment operates along the flowchart shown in FIG. 9, and can measure the length of the part added by the manufacturing process.
  • FIG. 9 shows a flowchart for measuring the length of the part added by the manufacturing process by the apparatus according to the second embodiment.
  • the controller 60 sends a command to the stage drive circuit 63 to position the sample 66 on the sample stage 67, and through the ion beam control system 61 from above the sample 66.
  • the FIB is irradiated from the FIB irradiation device 68, and the thin film of the sample 66 is applied to optimize the thickness of the sample 66.
  • the controller 60 sends a command to the electron beam control system 70 and irradiates the sample 66 from the electron beam irradiation device 69. To do.
  • the direction in which the electron beam irradiation device 69 faces is different from the direction in which the FIB irradiation device 68 faces. This is because the force of irradiation from above is suitable for the thin film of sample 66 by FIB irradiation. To observe the cross section of sample 66 by transmission of electron beam, the electron beam irradiation requires both lateral force and electron beam. It is because it is suitable to irradiate. However, FIB The direction of irradiation and the direction of electron beam irradiation need not be orthogonal. This is because the irradiated electron beam can be expected to pass through the sample 66, and irradiation from a direction not colliding with the FIB irradiation apparatus is sufficient.
  • Figure 10 consists of the left figure, the center figure, and the right figure.
  • the electron beam direction and FBI direction are shown for the three types of sample shapes.
  • the figure on the left shows the FIB irradiation direction and the electron beam radiation direction for the sample 115 having a projection and an inclined portion used for cross-sectional observation.
  • the FIB is also irradiated with upward force to make the protrusion part thin, and the electron beam is emitted from the upper right side of the slope in accordance with the inclined part.
  • the shape like the sample 115 is to observe the cross section at the end of the semiconductor chip when the shape of the sample 115 before cutting out the protruding portion is as large as the semiconductor chip. This is because it is difficult to cut the entire semiconductor chip so that the entire semiconductor chip fits below the protruding portion, so that it is difficult to take time, so the inclined portion is provided in the direction in which the electron beam is emitted.
  • the central figure shows that when the sample 118 has only a protrusion and the protrusion is facing upward, FIB irradiation is performed with an upward force, and the electron beam is emitted with a lateral force of the protrusion. Is shown.
  • Sample 118 has an inverted T shape because it is the force of scraping off both ends of sample 118, where the original shape of sample 118 becomes so large, by FIB irradiation.
  • the right figure shows that when sample 121 has only a protruding part and the protruding part is directed to the right, FIB irradiation was performed with the right side force, and electron beam emission was also performed with the upward force. It is a thing. The reason why the sample 121 is tilted sideways is that the upper and lower ends of the sample 121 where the original shape of the sample becomes so large are scraped off by FIB irradiation.
  • the controller 60 sends a command to the signal processing circuit 62 and receives the signal received by the electron beam detector 64 that detects the electron beam transmitted through the sample 66. By processing, an electron beam diffraction image is formed.
  • the controller 60 sends a command to the signal processing circuit 62 to adjust the amount of the electron beam that has passed through the sample, and the electron beam detector 64 has an electric Adjust the size of the aperture of the diaphragm that adjusts the amount of the child wire.
  • the electron beam diffracted by the crystal part of sample 66 is narrowed, and the density of the image of the crystal part becomes clear.
  • the diffraction grating stripes appearing in the crystal portion in the electron beam diffraction image become clear.
  • step 75 for determining the state of thinning of the sample 66 it was determined whether or not the obtained electron beam diffraction image was sufficiently clear as a result of adjusting the size of the aperture of the diaphragm. to decide.
  • the controller 60 is instructed to return to the sample preparation step 71 again by specifying the amount of thinning.
  • the process proceeds to the next step.
  • the length measurement step 76 includes an operation of comparing the width of the lattice stripe formed by the crystal portion of the sample in the electron beam diffraction image with the width of the portion added by the manufacturing step. After the comparison, the manufacturing process adds the lattice constant of the crystal part of the sample and the ratio of the lattice fringe width and the width of the part added by the manufacturing process obtained as a result of the above comparison. Determine the actual thickness of the part.
  • FIG. 11 shows the diaphragm of the electron beam detector 64.
  • 11 is composed of an upper diagram showing the plate 80 constituting the diaphragm 84 and a lower diagram showing the entire diaphragm 84. That is, the diaphragm 84 shown in the lower diagram of FIG. It is composed of two protruding plates 83, a rectangular opening 81 with a constant width, and a plate 80 having an opening 82 that has almost the same shape as the egg cross section. It has an opening 85 in the part where the opening 82 has almost the same shape as the cross section of the above egg.
  • the size of the opening 85 can be adjusted by sliding the other plate force S against one plate. If the size of the opening 85 changes by sliding the plate, it is not necessary that the opening 82 has almost the same shape as the cross section of the egg. It may be a shape (for example, a fan shape) or may be an elliptical shape.
  • FIG. 12 shows a modified example of the diaphragm.
  • FIG. 12 is composed of a right view showing the diaphragm 112 and a left view showing the plate 111 constituting the diaphragm 112.
  • the plate 111 has an opening 110 having a shape substantially the same as the cross section of the egg.
  • the diaphragm 112 is configured by stacking eight plates 111.
  • One of the eight plates is arranged at an angle of 0 °, and then the other plates are sequentially arranged at an angle of 45 °. It is configured by stacking on top. Furthermore, as a result of the overlapping of the openings 110 of the respective plates, an opening 113 is formed as a common part of the openings 110. Then, by simultaneously sliding the respective plates 111 by the same amount, the size of the opening 113 can be made continuously variable, and the opening 113 can be adjusted to an arbitrary size.
  • the purpose of the opening 110 having an egg-shaped cross section is that the opening 113 is substantially circular. Therefore, the egg-shaped cross-section is actually a figure obtained by overlapping a plurality of circles with gradually increasing radii while sliding the center position little by little.
  • the measurement apparatus according to Example 2 described above irradiates the measurement object with an electron beam from one angle and the FIB irradiation apparatus that irradiates the measurement object with FIB from the other angle.
  • an electron beam aperture capable of continuously adjusting the thickness.
  • the electron beam can be narrowed to an arbitrary amount by the above-described electron beam diaphragm, and therefore the measuring method shown in the first embodiment can be performed by the measuring apparatus according to the second embodiment. .
  • the measuring apparatus according to the second embodiment is an optimal measuring apparatus for carrying out the measuring method according to the first embodiment.
  • the FIB irradiation device and the electron beam irradiation device are combined, the observation results with the TEM device can be found immediately after sample preparation, and the time required for trial and error for sample preparation can be shortened.
  • Measurement of cross-sectional structure of LSI devices for example, measurement during the growth process of gate oxide film, measurement during growth process of shallow trench insulating film, diffusion to prevent metal diffusion from metal wiring
  • length measurement such as length measurement during the growth process of the protective film
  • a test for measuring the cross-sectional structure Despite the need to create a material and to expose the cross-sectional structure on the element portion of the semiconductor device, there was a problem that it took time and effort to identify the element to be processed.
  • FIG. 13 showing an outline of the semiconductor device according to the third embodiment and FIG. 14 showing a measurement sample created using the semiconductor device will be used.
  • FIG. 13 includes a left view showing the semiconductor substrate 90 and a right view in which the end of the semiconductor chip 92 on the semiconductor substrate is enlarged.
  • semiconductor chips 92 on which circuit elements are formed are produced in a row and column state.
  • a scribe region for separating the semiconductor chip 92 from the semiconductor substrate 90 is disposed at the end of the semiconductor chip 92 shown in the right diagram of FIG.
  • the scribe region is provided with a scribe line 91 for guiding the blade of the device for cutting the semiconductor chip 92 so as not to swing left and right in order to prevent the semiconductor chip from being damaged. Furthermore, if the semiconductor chip 92 is cut along the scribe line 91 in the scribe region, a monitor element 93 is arranged at a position where the semiconductor chip 92 is cut at the same time.
  • the monitor element 93 has the same structure as the circuit element on the semiconductor chip 92 in a cross-sectional structure. Accordingly, when the semiconductor chip 92 is individually cut, the FIB is irradiated in the apparatus according to the second embodiment, and after the monitor element 93 is carved into the shape as shown in FIG. By irradiating with an electron beam, an electron beam diffraction image reflecting the cross-sectional structure of the monitor element 93 can be obtained.
  • the sample 105 shown in the enlarged view of FIG. 14 is obtained by processing the upper monitor element 101 of the semiconductor chip 100 shown in the upper diagram of FIG. 103 is a sample 105 carved into a shape that can be irradiated with an electron beam.
  • the sample 105 includes a protrusion 102 that irradiates a rectangular parallelepiped electron beam having a thickness of about 50 nm to 200 nm at a distance of about 100 ⁇ m to 200 ⁇ m from the edge of the semiconductor chip 100, and subsequently the angle. And an inclined portion 104 of 45 degrees or less.
  • the inclined portion 104 is provided so that the electron beam can be irradiated from the side where the inclined portion 104 exists toward the portion 102 where the electron beam is irradiated.
  • the monitor element 101 can have the same cross section as the circuit element on the semiconductor chip 100, or a partial cross section of the circuit element.
  • the shape of an insulating element that insulates circuit elements can be provided.
  • FIG. 15 is a diagram showing a cross section of the circuit element and a cross section of the monitor element.
  • the cross section includes a cross sectional view 125, a cross sectional view 126, a cross sectional view 127, and a cross sectional view 128.
  • a cross-sectional view 125 shows a part of a cross section of a MOS transistor as a circuit element and an insulating element that electrically isolates the MOS transistor.
  • the cross-section 126 shows a monitor element having the same cross-sectional structure as the MOS transistor which is a circuit element.
  • the cross section 127 shows a monitor element having a cross sectional structure in which only the gate oxide film portion of the MOS transistor as a circuit element is taken out.
  • the cross-sectional view 128 shows a monitor element having a cross-sectional structure in which an insulating element for separating a MOS transistor is taken out.
  • the semiconductor device is a semiconductor device including a circuit element constituting a semiconductor circuit, a measurement element used for measurement, and a cutting region for individual separation.
  • a semiconductor device is fabricated on a semiconductor substrate, and the circuit element and the measurement element are identical in cross-sectional structure, and are individually cut from the semiconductor substrate within the cutting region.
  • the measurement element is arranged at a position where the measurement element is cut, and the cut surface of the measurement element is used for measurement.
  • the cross section of the measurement element is in an observable state. Therefore, the measurement method of Example 1 can be easily performed for the measurement element. Can be implemented.
  • the measurement element and the actual circuit element in the semiconductor device have the same structure in whole or in part, the structure of the circuit element is the same without destroying the actual circuit element. This has the effect of measuring the structure of the measuring element. Further, since the measuring element is located at the end of the semiconductor device, there is an effect that the length can be easily measured by the measuring method of Example 1 using the measuring device of Example 2.
  • Electron beam irradiation device
  • Image sharpening process for obtaining a clear electron diffraction image Process for determining the state of thinning

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Description

明 細 書
半導体装置の検査方法、その検査装置及びその検査に適した半導体装 置
技術分野
[0001] 本発明は、 LSI(large scale integration)デバイスの製造工程にお!/、て、製造工程を行 つた結果を検査する方法、その検査装置及びその検査に適した半導体装置であつ て、特に、製造工程を行った結果、出来上がった、 LSIデバイスの断面微細構造の検 查を、即時に、正確に行うために使用する検査方法、その検査装置、その検査に適 した半導体装置に関する。
背景技術
[0002] LSKlarge scale integration)デバイスの微細化が進行すると、製造工程を行った結果 物の正確な測定が必要である。なぜなら、製造工程において、微細化の程度に応じ た、正確な結果が求められ、その判断には、正確な測定が必要だ力もである。また、 前記の正確な測定の結果は、製造工程の正確性へのフィードバック、製造工程の管 理、又は、製造工程を行って得られた、 LSIデバイスの性能の管理等に使用されるか らである。従って、製造工程中において、製造工程を行った結果を測定することは必 須であり、その測定には正確性が求められている。しかし、 LSIデバイスの平面的な構 造に関する測定 (例えば、フォトレジスト幅の測長等）は、通常、即時に行われている 力 断面的な構造に関する測定、例えば、ゲート酸ィ匕膜の成長工程中の測長、シャ ロートレンチ絶縁膜の成長工程中の測長、金属配線からの金属の拡散を防止する拡 散防止膜成長工程中の測長等は、製造工程中において、即時に、かつ、正確に製 造工程の結果を測定するためには行われていな力つた。
[0003] ところで、通常、断面的な微細構造の観察手段としては、電子線の照射部、試料を透 過した電子、あるいは、試料により散乱された電子を検出器に導くのに用いられる電 子レンズ、電子線の量を調整する絞り、及び、透過電子線を検出する透過電子検出 部から構成される TEM装置が使用される。
そして、上記の TEM装置においては、試料の観察する上で、絞りの開口を固定として 、電子レンズにより透過電子検出器へ導く電子の量を決定して 、た。
しかし、従来例 1に係る TEM装置では、透過電子検出器に対する絞りも兼ねた半導 体検出器の構造を、図 1に示す絞り兼半導体検出器のような構造とすることにより、絞 り兼半導体検出器の開口を可変とすることで、意図しない散乱電子の絞り兼半導体 検出器からの通過を制限する工夫がされ、 TEM装置により得られる試料通過後の電 子回折像の改善がみられている。（特許文献 1：特開平 6— 139988号公報） ここで、図 1に示す絞り兼半導体検出器は、半導体検出器 1と、固定ピン 2と、てこピ ン 4と、ガイド穴 3と、回転リング 5と、台 6と、軸 7とから構成されている。そして、軸 7に より回転リングを回転させると、半導体検出器 1がガイド穴 3にそって動き、固定ピン 2 を中心に回転する。その結果、複数の半導体検出器 1により形成される中央の穴径 が変化する。そうすると、半導体検出器 1の後に設置された透過電子検出器への電 子量が調整される。そして、透過電子検出器及び半導体検出器 1は、それぞれが捕 捉した電子量に応じた暗視野または明視野の電子回折像が得られる。
[0004] 一方、従来例 2に係る TEM装置では、透過検出器に対する絞りが複数の大きさの開 口を有するため、絞りを通過する電子量を調節することができる。その結果、 TEM装 置により得られる試料通過後の電子回折像の改善がみられて！/、る。 (特許文献 2：特 開平 5— 217536号公報）
ここで、従来例 2に係る TEM装置の絞りを図 2に示す。そして、図 2の絞りは、 4段階の 大きさの開口を一組とした開口セットを複数有する下の絞り板 133と、前記開口セット を一組有する上の絞り板 130と、下の絞り板 133の下の保持機構 134と、上の絞り板 130の上の保持機構 131と、下の絞り板 133が有する下の絞り穴 136と、上の絞り板が 有する上の絞り穴 132と力も構成されている。そして、電子線 135の電子量を上の絞り 板 130で調整した後、さらに、下の絞り板 133で調整することができる。また、上の絞り 板 130と、下の絞り板 133とを微妙にずらすことにより、さらに、任意量に、電子線 135を 絞り込むことができる。
[0005] しかし、製造工程中において、製造工程を行った結果を、即時に、かつ、正確に測定 する手段としては用いられて 、なかった。
特許文献 1：特開平 6— 139988号公報 特許文献 2 :特開平 5-217536号公報
発明の開示
[0006] 発明が解決しょうとする課題
半導体装置の製造工程中において、即時、かつ、正確に、断面的な構造について、 製造工程の結果を測定する方法、その測定装置、及び、その測定に適した半導体装 置を提供する。
[0007] 課題を解決する手段
上記の問題を解決するため、第 1の発明は、結晶部分を含むものを薄膜ィ匕して試料 を作成する試料作成工程と、前記試料に対して電子線を照射し、前記試料を透過し た透過電子線に含まれる前記結晶部分で回折した電子線を任意の量に絞り、前記 透過電子線から電子線結像を得る工程と、前記電子線結像中において、前記結晶 部分力 得られた格子縞の幅と、任意の部分の幅を比較する工程を有することを特 徴とする測定方法を提供する。
第 1の発明に係る測定方法によれば、試料に電子線を照射して得られた電子結像 において、試料の厚さ等を厳格にコントロールすることなぐ試料中の結晶部分から 得られる格子縞が鮮明となるため、前記の格子縞の間隔をもとにして、半導体結晶基 板を含む、半導体装置の任意の部分、例えば、半導体装置の製造工程により得られ た結果等 (ゲート酸ィ匕膜の厚さ等)の幅を測長することができる効果がある。
[0008] 上記の問題を解決するため、第 2の発明は、一方の角度から、試料に対して FIBを照 射する FIB照射装置と、他方の角度から、前記試料に対して、電子線を照射する電子 線照射装置と、前記試料を透過した、前記電子線を検出する電子線検出装置と、前 記電子線検出装置と前記試料との間に配設され、電子線が通過する開口の大きさが 調整可能な電子線絞りとを備えることを特徴とする測定装置を提供する。
第 2の発明に係る測定装置によれば、上記の電子線絞りが配設されているため、第 1 の発明に係る測定方法を実施するのに最適である効果がある。また、 FIB照射装置と 電子線照射装置が一つの装置としてまとめられているため、 FIB照射による試料作成 の後、すぐに TEM装置による観察結果がわかり、試料作成に力かる試行錯誤の期間 を短縮できる効果がある。 [0009] 上記の問題を解決するため、第 3の発明は、半導体回路を構成する回路素子と、測 定に用いられる測定素子と、個々に切りわけるための切断領域とを備える半導体装 置であって、
前記半導体装置は半導体基板上に作成され、前記回路素子と前記測定素子とは、 断面的な構造において同一であり、前記切断領域内であって、前記半導体基板から 前記半導体装置を個々に切りわけるときに、前記測定素子を切断する位置に、前記 測定素子が配置されており、前記測定素子の切断面を測定に用いることを特徴とす る半導体装置を提供する。
第 3の発明にかかる半導体装置によれば、半導体装置を個々に切りわけた時には 、上記の測定素子の断面が観察可能な状態となっているため第 1の発明に係る測定 方法を実施するのに適している。また、上記の測定素子が半導体装置の端に位置す るため、実施例 2の測定装置を使用して容易に測長が可能である効果がある。さらに 、上記の測定素子と、上記の回路素子とは同一な構造をしているため、上記の回路 素子は破壊せずに、製造工程中において、製造工程の結果を、即時に、かつ、正確 に測定を行える効果がある。
図面の簡単な説明
[0010] [図 1]は、従来例 1の TEM装置の電子線の絞りを示した図である。
[図 2]は、従来例 2の TEM装置の電子線の絞りを示した図である。
[図 3]は、試料 10を透過した電子線 13及び散乱された電子線 14が電子回折像 12を形 成する様子を示した図である。
[図 4]は、実施例 1に係る検査方法のフローチャートを示した図である。
[図 5]は、実施例 1に係る検査方法における、試料を薄膜ィ匕する試料作成工程を図示 した図である。
[図 6]は、実施例 1に係る検査方法における、余分な電子線を除去して画像の鮮明化 を図る画像鮮明化工程を示す図である。
[図 7]は、実施例 1に係る検査方法における、結晶格子による格子縞の間隔と、製造 工程により追加された部分の厚さを比較する工程を示す。
[図 8]は、実施例 2に係る装置の概略を示す図である。 [図 9]は、実施例 2に係る装置が、製造工程により追加された部分の測長を行うため のフローチャートを示す図である。
[図 10]は、 3種類の試料の形状が異なる場合について、電子線の方向と FBIの方向を 示す図である。
[図 11]は、実施例 2に係る装置において、電子線の除去を目的とした絞りの調整工程 で使用される絞りを示す図である。
[図 12]は、絞りの変形例を示す図である。
[図 13]は、半導体基板上の半導体チップの端とモニター素子の配置位置を示した図 である。
[図 14]は、上段の図において半導体チップ 100の上記のモニター素子 101を示し、拡 大図において FIBの照射により加工して、モニター素子 101の素子断面 103に電子線 の照射ができるような形状に彫り出した試料 105を示す図である。
[図 15]は、回路素子の断面と、モニター素子の断面を示す図である。
発明を実施するための最良の形態
[0011] 発明を実施するための形態 1
(検査方法）
LSIデバイスの製造工程を行った結果を、即時に、かつ、正確に把握する測定の例と して、 LSIデバイスの微細構造を測長する測定がある。
しかし、 LSIデバイスの平面的な構造に関する測長（例えば、フォトレジスト幅の測長 等）は通常、行われているが、断面的な構造に関する測長、例えば、ゲート酸化膜の 成長工程中の測長、シヤロートレンチ絶縁膜の成長工程中の測長、金属配線からの 金属の拡散を防止する拡散防止膜成長工程中の測長等の測長は次の問題点があり 、容易ではなかった。
[0012] まず、第 1の問題点は通常の電子顕微鏡等による拡大観察によっても、測長対象、す なわち、断面構造は、非常に微細（例えば、ゲート酸ィ匕膜は、 0.5應程度である）であ るため、観察が容易ではなかった。一方、 TEM(Transmission Electron microscope)装 置による場合は、解像度という面では、問題はないが、意図しない散乱電子まで結像 に寄与する等の問題があるため、最適なコントラストを得るには、意図しない散乱電 子を除去するための試料の作成作業 (例えば、装置の状態に合わせて、電子の散乱 を左右する試料の厚さや試料の大きさ等を調整する作業)や、試料の観察までの装 置の調整等の準備に時間が力かり容易ではなかった。
ここで、図 3は試料 10を透過した電子線 13及び散乱された電子線 14が電子回折像 12 を形成する様子を示した図である。すなわち、試料 10は、結晶部分 15を有し、電子線 が照射されると、試料により殆ど散乱されずに透過した電子線 13と、散乱された電子 線 14が生じる。散乱されずに透過した電子線 13及び散乱された電子線 14ともに、電 子レンズ 11を通過すると、集束する。その結果、散乱されずに透過した電子線 13及 び散乱された電子線 14ともに、絞り 17を通過し、検出器で、電子線を検出することに より、試料 10の結晶部分 15に対応する像 16を含む、電子回折像 12が形成される。
[0013] 第 2の問題点は以下である。まず、測長を行うには、長さの決定に、高い精度が必要 である。しかし、断面的な構造を観測する視点が、測長対象に対して正面力も向き合 つていない限り、観察映像から、観察対象の正確な長さを割り出すことは容易ではな かった。例えば、観察対象の正確な長さを aとし、観察映像中の長さを bとし、観察対 象の法線から X度傾いた方向から観察したとすると、 aは bを cosXで除したものとなる 力 観察映像のみからは、視点の方向を正確に割り出すことができないため、観察対 象の正確な長さ aを割り出すことができな 、からである。
[0014] そこで、上記の問題を解決するための実施例 1に係る測定方法を説明する。そして、 実施例 1の測定方法を説明するため、フローチャートを示す図 4、試料作成工程を示 す図 5、試料に電子を照射し、試料を透過した電子線を任意の量に絞ることにより、 すなわち、余分な電子線を除去することにより、鮮明な電子回折像を得る画像鮮明 化工程を示す図 6と、測長工程を示す図 7とを用いる。
[0015] まず、図 4は、実施例 1に係る測定方法のフローチャートを示す。そして、実施例 1に 係る測定方法は、測定を行ないたい部分、すなわち観察対象を取り出し、薄膜化を 行って試料を作成する試料作成工程 20と、試料に電子を照射し、試料を透過した電 子線を任意の量に絞ることにより、すなわち、余分な電子線を除去することにより、鮮 明な電子回折像を得る画像鮮明化工程 22と、電子回折像中において、試料の結晶 部分に相当する部分の格子縞の幅と、製造工程により追加された部分の幅を比較し 、前記の製造工程により追加された部分の現実の厚さを特定する測長工程 24を含む ことを示す。
[0016] 次に、図 5は、観察対象を薄膜ィ匕する試料作成工程 20を図示したものである。そし て、図 5は半導体チップ 30中の観察対象 31を示す左図と、観察対象 31の薄膜化の過 程を示す右図とから構成されている。
まず、前記試料作成工程 20では、半導体チップ 30中の観察対象 31を、矢印で示すよ うに、半導体チップ 30から切り出す。次に、 FIB32を上部より照射して、結晶基板 34及 び製造工程において追加された部分 35が同一断面に現れるように、観察対象 31を 削り、薄膜化を行って試料 33を作成する試料作成工程 20である。
なお、薄膜ィ匕といった場合、上記では、 FIB32を上部より照射して薄膜ィ匕する例を示 したが、観察対象 31の研磨等の手段で、薄膜ィ匕を行ってもよい。
[0017] 次に、図 6は、余分な電子線を除去して画像の鮮明化を図る画像鮮明化工程 22を 示す。まず、図 6に示すように、結晶部分 45を含む試料 40に電子線をあてると、殆ど 回折しない透過電子線 43と、回折した透過電子線 44が発生し、電子レンズ 41により 検出器上に結晶部分の像 46を含む電子回折像 42を得ることができる。次に、絞り 47 を矢印のように左右に動かすことにより、通過する電子線の量を調整すること、すなわ ち、回折した透過電子線 44を通過させる力否かを選択することができる。言い換えれ ば、余分な回折した透過電子 44の通過を除去することにより、結晶部分の像 46にお いて、結晶格子による格子縞を鮮明化する工程が、画像鮮明化工程である。
[0018] 次に、図 7は、電子回折像上において、結晶格子による格子縞の間隔と、製造工程 により追加された部分の幅を比較する作業を含む測長工程 24を示す。ここで、図 5に 示す画像鮮明化工程により、結晶格子により回折した透過電子線 44を除去した結果 、電子回折線像中で結晶部分の像 52において、結晶格子縞が鮮明となっている。そ こで、実線 53で示した格子縞の間隔、すなわち、白矢 54で示した幅を電子回折像上 で測長し、電子回折像上の製造工程で追加された部分 50の幅とを比較し、比率を求 める。そして、現実の結晶格子定数と、上記の比率力も製造工程で追加された部分 の現実の厚さ、例えば、ゲート酸化膜 50や、層間絶縁膜 51の現実の厚さを割り出す 工程力 製造工程により追加された部分の厚さを特定する測長工程 24である。 [0019] 以上を簡単にまとめると、実施例 1の測定方法は、半導体チップから、基板結晶と 製造工程により付加された部分を含むように観察対象を薄膜ィ匕して試料を作成する 試料作成工程と、前記試料に対して電子線を照射し、前記試料を透過した電子線に 含まれる、結晶部分で回折した電子線を任意の量に絞り、検出器により電子線回折 像を得る工程と、前記電子回折像中において、基板結晶から得られた格子縞の幅と 前記製造工程により付加された部分の幅を比較する作業を含み、前記製造工程によ り付加された部分の現実の厚さを特定する測長工程を、当該測定方法が含むもので ある。したがって、実施例 1の測定方法によれば、試料の厚さ等を厳格にコントロール しなくても、結晶部分で回折した電子線を絞って、基板結晶から得られた格子縞が鮮 明となった電子線回折像を取得できるため、電子線回折像中の基板結晶の格子縞 の間隔をもとにして、製造工程により得られた結果 (例えば、ゲート酸ィ匕膜の厚さ)を 測長することができる効果がある。また、基板結晶から得られた格子縞の間隔を基準 に測長を行うため、試料を観察する方向が、厳密に正面である必要がない効果があ る。格子縞の間隔は物理定数であり、常に一定値であるので、格子縞の間隔と格子 縞の映像上の幅とを比較することにより、映像中の長さと実際の長さの相関関係を割 り出すことができる力 である。
[0020] 発明を実施するための形態 2
(検査方法を行うのに適した検査装置）
LSIデバイスの断面的な構造に関する測長、例えば、ゲート酸ィ匕膜の成長工程中の 測長、シヤロートレンチ絶縁膜の成長工程中の測長、金属配線からの金属の拡散を 防止する拡散防止膜成長工程中の測長等の測長を行う場合に、即時に、 TEM装置 により行うのには、次の問題があった。
まず、断面的な構造を観測するための試料作成が必要であり、 FIB(focused ion beam)装置等による、断面構造の露出加工が必要となる状況にある。また、試料を TEM装置により観測しても、その試料により良好な結果を得られるとは限られないと いう状況である。なぜなら、電子散乱の状況は試料の大きさや厚さが影響し、調整が 容易ではないからである。そこで、良い観測結果が得られるまで、試料作成について 試行錯誤を繰り返すことになり、 FIB装置と、 TEM装置の間を行き来して行う試行錯誤 には時間が力かる問題があった。
[0021] そこで、上記の問題を解決するための実施例 2に係る測定装置を説明する。そして、 実施例 2に係る測定装置を説明するため、実施例 2に係る装置の概略を示す図 7、 当該装置を用いて行う測定のフローチャートを示す図 9、余分な電子線を除去する画 像鮮明化工程に用いる絞りを説明する図 10を用いる。
[0022] まず、図 8に示す実施例 2の係る装置は、コントローラ 60と、イオンビーム制御系 61と、 電子線検出器 64からの信号を処理し、電子線回折像を形成する信号処理回路 62と 、ステージ駆動回路 63と、電子線の量を調整する絞りを有し、試料 66を透過した電子 線を検出する電子線検出器 64と、 FIB及び電子線を試料 66に対して直進させるため 、減圧状態を維持する試料室 65と、試料 66を乗せる試料ステージ 67と、 FIBを試料 66 に向け照射する FIB照射装置 68と、電子線を試料 66に向け照射する電子線照射装 置 69と、電子線制御系 70とから構成されている。
そして、コントローラ 60は、 CPU等の演算及び制御回路を含み、 FIB照射装置 68を制 御するイオンビーム制御系 61と、電子線照射装置 69を制御する電子線照射装置 69と 、信号処理回路 62と、及び、試料ステージ 67を駆動するステージ駆動回路 63に指令 を送る。その結果、実施例 2に係る装置は、図 9に示すフローチャートに沿って動作し 、製造工程により追加された部分の測長を行うことができる。
[0023] 次に、図 9は、実施例 2に係る装置が、製造工程により追加された部分の測長を行う ためのフローチャートを示す。まず、試料作成工程 71において、コントローラ 60は、ス テージ駆動回路 63に指令を送り、試料ステージ 67上の試料 66の位置決めを行うとと もに、試料 66の上方より、イオンビーム制御系 61を通じて FIB照射装置 68より FIBを照 射し、試料 66の薄膜ィ匕を行って試料 66の厚さの最適化を図る。次に、鮮明な電子回 折像を得る画像鮮明化工程 72において、まず、コントローラ 60は、電子線制御系 70 に指令を送り、電子線照射装置 69から、試料 66に対して電子線を照射する。
なお、電子線照射装置 69が向いている方向と、 FIB照射装置 68が向いている方向と は、異なる方向である。なぜなら、 FIBの照射による試料 66の薄膜ィ匕には、上方から の照射が適している力 電子線の透過により、試料 66の断面を観察するには、電子 線の照射は側面方向力も電子線を照射するのが適しているからである。ただし、 FIB 照射の方向と、電子線照射の方向は、直交している必要なない。なぜなら、照射した 電子線が試料 66を透過することが期待でき、かつ、 FIB照射装置と、衝突しない方向 からの照射であれば充分だからである。
[0024] 上記のことを、図 10を用いて説明する。図 10は、左図、中央図、右図からなり、異なる
3種類の試料の形状について、電子線の方向と FBIの方向を図示したものである。 まず、左図は、断面観察に使用する突起部分と傾斜部分を有する試料 115に対する FIBの照射方向と、電子線の放射方向を示したものである。すなわち、突起部分を薄 膜ィ匕するため、 FIBは上方力も照射され、電子線は傾斜部分にあわせて、斜め右上 から放射される。
なお、試料 115のような形状となっているのは、突起部分を切り出す前の試料 115の形 状が半導体チップのように大きいものである場合に、半導体チップの端に、断面を観 察するための突起部分を形成するが、半導体チップ全体を突起部分の下部にあわ せるように削り込むことは時間が力かり困難であるから、電子線を放射される方向に 傾斜部を設けたためである。
次に、中央図は、試料 118が突起部分のみを有し、突起部分が上方を向いている場 合に、 FIBの照射を上方力も行ない、電子線の放射は、突起部分の側面力も行うこと を示したものである。試料 118が逆 T型の形状なのは、試料 118の元の形状がそれほ ど大きくなぐ試料 118の両方の端を FIBの照射により削り落とした力もである。
さらに、右図は、試料 121が突起部分のみを有し、突起部分が右方向に向いている場 合に、 FIBの照射を右側力も行ない、電子線の放射は、上方力も行ったことを示したも のである。試料 121が T型を横に倒したようになっているのは、試料の元の形状がそれ ほど大きくなぐ試料 121の上下の端を FIBの照射により削り落とした力もである。
[0025] 次に、図 9に戻り、鮮明な電子回折像を得る画像鮮明化工程 73の説明を続ける。鮮 明な電子回折像を得る画像鮮明化電子線工程 73において、コントローラ 60は、信号 処理回路 62に指令を送り、試料 66を透過した電子線を検出する電子線検出器 64で 受けた信号を処理することにより、電子線回折像を形成する。
次に、回折した電子線の除去を目的として、試料を透過した電子線の量を調整する ため、コントローラ 60が信号処理回路 62に指令を送り、電子線検出器 64が有する、電 子線の量を調整する絞りの開口の大きさを調整する。その結果、試料 66の結晶部分 で回折した電子線は絞られ、結晶部分の画像の濃淡がはっきりする。また、電子線回 折像中の結晶部分に現れる回折格子縞は鮮明となる。
次に、試料 66の薄膜化の状態を判断する工程 75では、絞りの開口の大きさの調整を 行った結果、得られた電子線回折像について、充分に、鮮明なものが得られたかを 判断する。そして、電子線回折像が充分に鮮明でないと判断するときは、コントローラ 60に対して、薄膜化の量を指定して、もう一度、試料作成工程 71に戻るよう指令する 。一方、電子線回折像が充分に鮮明であると判断するときは、次の工程へ進む。
[0026] 次に、測長工程 76は、電子線回折像中の試料の結晶部分により形成された格子縞 の幅と、製造工程により追加された部分の幅を比較する作業を含む。その比較作業 の後に、試料の結晶部分が有する、格子定数と、上記の比較作業の結果得られた、 格子縞の幅と製造工程により追加された部分の幅との比率から、製造工程により追 加された部分の現実の厚さを割り出す。
[0027] ここで、上記の電子線検出器 64が有する絞りを、図 11に示す。そして、図 11は、絞り 84を構成する板 80を示す上段図と、絞り 84の全体を示す下段図とで構成されて ヽる すなわち、図 11の下段図に示す絞り 84は、図 11の上段図に示した、突起部分 83と、 幅が一定な長方形状の開口 81と、卵の断面とほぼ同一な形状をした開口 82を有する 板 80を、 2枚、向かい合わせに重ねて構成されており、上記の卵の断面とほぼ同一な 形状をした開口 82力 重なった部分に開口 85を有する。そして、一方の板に対して、 他方の板力 Sスライドすることにより、前記の開口 85の大きさを調整することができる。な お、板をスライドすることにより、開口 85の大きさが変化するのであれば、かならずしも 卵の断面とほぼ同一な形状をした開口 82である必要はなぐ開口がー点を起点とし て末広がりの形状 (例えば、扇型)であってもよぐさらに、楕円型の形状であってもよ い。
なお、卵の断面とほぼ同一な形状をした開口 82の形状を卵型の断面状としたのは、 開口 85がほぼ円形となることが目的である。従って、卵の断面とほぼ同一な形状とは 、半径を徐々に大きくした複数の円を重ねて得られた図形である。 [0028] さらに、絞りの変形例を図 12に示す。そして、図 12は、絞り 112示す右図と、絞り 112を 構成する板 111を示す左図とから構成されている。そして、板 111は卵の断面とほぼ同 一な形状をした開口 110を有する。また、絞り 112は、板 111を 8枚重ねて構成されてお り、 8枚の板の内、一枚を 0度の角度で配置し、その後、他の板を順次、 45度の角度 をつけで重ねて配置して構成される。さらに、それぞれの板の開口 110が重なり合つ た結果、開口 110の共通部分として、開口 113が構成される。そうすると、それぞれの 板 111を、同時に同量、スライドさせることにより、開口 113の大きさは連続可変とでき、 開口 113は、任意の大きさに調整される。なお、開口 110の形状を卵型の断面状とし たのは、開口 113がほぼ円形となることが目的である。従って、卵型の断面状とは、実 際は、半径を徐々に大きくした複数の円を、少しずつ中心位置をスライドさせながら、 重ねて得られた図形である。
[0029] 上記の実施例 2に係る測定装置は、一方の角度から、測定対象に対して FIBを照射 する FIB照射装置と、他方の角度から、前記測定対象に対して、電子線を照射する電 子線照射装置と、前記測定対象を透過した、前記電子線を検出する電子線検知装 置と、電子線検知装置と測定対象との間に配設され、電子線が通過する開口の大き さを連続的に調整可能な電子線絞りとを有する。実施例 2に係る測定装置によれば、 上記の電子線絞りにより任意の量に電子線を絞ることができるため、実施例 1に示す 測定方法を実施例 2に係る測定装置により行うことができる。すなわち、実施例 2に係 る測定装置は、実施例 1に係る測定方法を実施するのに最適な測定装置である。ま た、 FIB照射装置と電子線照射装置がまとめられているため、試料作成の後、すぐに TEM装置による観察結果がわかり、試料作成にカゝかる試行錯誤の期間を短縮できる 効果がある。
[0030] 発明を実施するための形態 3
(検査方法を行うのに適した半導体装置）
LSIデバイスの断面的な構造に関する測長、例えば、ゲート酸ィ匕膜の成長工程中の 測長、シヤロートレンチ絶縁膜の成長工程中の測長、金属配線からの金属の拡散を 防止する拡散防止膜成長工程中の測長等の測長を行う場合に、即時に半導体装置 を用いて行うには、次の問題があった。すなわち、断面的な構造を測定するための試 料作成が必要であり、断面構造を露出する加工は、半導体装置の素子部分につい て行う必要があるにも係わらず、加工対象である素子を特定する手間が力かる問題 かあつた。
[0031] そこで、上記の問題を解決するための実施例 3に係る半導体装置を説明する。そし て、実施例 3に係る半導体装置を説明するため、実施例 3に係る半導体装置の概略 を示す図 13、当該半導体装置を用いて作成した測定用試料を示す図 14を用いる。 まず、図 13は、半導体基板 90を示す左図と、半導体基板上の半導体チップ 92の端 を拡大した右図とから構成されている。そして、図 13の左図に示した半導体基板 90上 には、回路素子が形成されている半導体チップ 92が、行、列状態に制作されている。 また、図 13の右図に示す半導体チップ 92の端には、半導体チップ 92を半導体基板 90から切り離すためのスクライブ領域が配置されている。また、そのスクライブ領域に は、半導体チップに傷がつくのを防止するため、半導体チップ 92を切断する装置の 刃が左右に振れないようにガイドするスクライブライン 91が設けられている。さらに、ス クライブ領域には、スクライブライン 91に沿って、半導体チップ 92が切断されたとした なら、同時に切断される位置にモニター素子 93が配置されている。
ここで、上記のモニター素子 93は、半導体チップ 92上の回路素子と断面的な構造に おいて同一の構造である。従って、半導体チップ 92が個々に切断された場合に、実 施例 2に係る装置において、 FIBを照射して、図 14に示すような形状に上記のモニタ 一素子 93をカ卩ェした後、電子線の照射を行って、上記のモニター素子 93の断面的な 構造を反映した電子線回折像を得ることができる。
[0032] 図 14の拡大図に示した試料 105は、図 14の上段の図に示した半導体チップ 100の上 記のモニター素子 101を、 FIBの照射により加工して、モニター素子 101の素子断面 103に電子線の照射ができるような形状に彫り出した試料 105である。そして、上記の 試料 105は、半導体チップ 100の端から 100 μ m— 200 μ m程度の距離に、厚さ 50nm— 200nm程度の直方体状の電子線を照射する突起部分 102と、それに引き続き、角度 45度以下の傾斜部 104とを有する。傾斜部 104を設けるのは、傾斜部 104のある側から 電子線を照射する部分 102に向けて、電子線を照射することができるようにするため である。 なお、モニター素子 101には、半導体チップ 100上の回路素子と同一の断面をもた せることもできるし、回路素子の一部の断面をもたせることもできる。また、回路素子 間を絶縁する絶縁素子の形状をもたせることができる。
[0033] このことを、図 15を用いて説明する。そして、図 15は、回路素子の断面と、モニター素 子の断面を示す図であり、断面図 125と、断面図 126と、断面図 127と、断面図 128から 構成されている。また、断面図 125は回路素子である MOSトランジスタと、 MOSトランジ スタを電気的に分離する絶縁素子の断面の一部を示すものである。さらに、断面 126 は回路素子である MOSトランジスタと同一な断面構造をもつモニター素子を示すもの である。次に、断面 127は、回路素子である MOSトランジスタのゲート酸ィ匕膜部分のみ を取り出した断面構造をもつモニター素子を示すものである。さらに、断面図 128は、 MOSトランジスタを分離する絶縁素子を取り出した断面構造をもつモニター素子を示 したものである。
[0034] 以上を簡単にまとめると、実施例 3に係る半導体装置は、半導体回路を構成する回 路素子と、測定に用いられる測定素子と、個々に切りわけるための切断領域とを備え る半導体装置であって、半導体装置は半導体基板上に作成され、回路素子と測定 素子とは、断面的な構造において同一であり、切断領域内であって、半導体基板か ら半導体装置を個々に切りわけるときに、測定素子を切断する位置に、測定素子が 配置されており、その測定素子の切断面を測定に用いることを特徴とする。
[0035] 実施例 3に係る半導体装置においては、その半導体装置を切り離すと、上記の測定 素子の断面が観察可能な状態となっているため、その測定素子について、実施例 1 の測定方法を容易に実施することができる。また、測定素子と半導体装置内の実際 の回路素子とは、全体又はその一部において同一の構造をしているため、実際の回 路素子を破壊せずに、その回路素子の構造と同様な測定素子の構造を測長できる 効果がある。また、その測定素子は、半導体装置の端にあるため、実施例 2の測定装 置を使用して容易に、実施例 1の測定方法により測長ができる効果がある。
符号の説明
[0036] 1 半導体検出器
2 固定ピン ガイド穴
てこピン
回転リング
台
軸
試料
電子レンズ
電子回折像
散乱されずに透過した電子線
散乱された電子線
結晶部分
試料の結晶部分に対応する像
絞り
試料作成工程
鮮明な電子回折像を得る画像鮮明化工程 測長工程
半導体チップ
観察対象
FIB
試料
結晶基板
製造工程において追加された部分 試料
電子レンズ
電子回折像
殆ど回折しない透過電子線
回折した透過電子線
結晶部分 結晶部分の像
絞り
製造工程で追加された部分
層間絶縁膜
結晶部分の像
実線
白矢
コントローラ
イオンビーム制御系
信号処理回路
ステージ駆動回路
電子線検出器
試料室
試料
試料ステージ
FIB照射装置
電子線照射装置
電子線制御系
試料作成工程
鮮明な電子回折像を得る画像鮮明化工程 薄膜化の状態を判断する工程
測長工程
板
長方形状の開口
卵の断面とほぼ同一な形状をした開口 絞り
開口
半導体基板 91 スクライブライン
92 半導体チップ
93 モニター素子
100 半導体チップ
101 モニター素子
102 電子線を照射する部分
103 素子断面
104 傾斜部
105 試料
110 開口
111 板
112 絞り
113 開口
115、 . 118、 121 試料
116、 , 119、 123 FIB
117, . 120、 122 電子線
125、 , 126、 127、 128 断面図
130 上の絞り板
131 上の保持機構
132 上の絞り穴
133 下の絞り板
134 下の保持機構
135 電子線
136 下の絞り穴

Claims

請求の範囲
[1] 結晶部分を含むものを薄膜化して試料を作成する試料作成工程と、
前記試料に対して電子線を照射し、前記試料を透過した透過電子線に含まれる前 記結晶部分で回折した電子線を任意の量に絞り、前記透過電子線から電子線結像 を得る工程と、
前記電子線結像中において、前記結晶部分から得られた格子縞の幅と、任意の部 分の幅を比較する工程を有することを特徴とする測定方法
[2] 請求項 1に記載した測定方法であって、
前記試料作成工程にお!ヽて、
前記結晶部分を含むものの薄膜化を、 FIBの照射により行うことを特徴とする測定方 法。
[3] 請求項 1に記載した測定方法であって、
前記電子線結像を得る工程にぉ ヽて、
電子線を検出する装置を用いて行われ、
前記試料と電子線を検出する装置との間に配置された絞りを連続可変にすることに より、
前記結晶部分で回折した電子線を任意の量に絞ることを特徴とする測定方法。
[4] 請求項 1に記載した測定方法であって、
前記電子線結像中において、前記結晶部分から得られた格子縞の幅と、任意の部 分の幅を比較する工程にぉ 、て
さらに、
前記電子結像中の前記格子縞の幅と、任意の部分の幅の比率を求め、 現実の前記格子縞に対応する格子定数と、前記比率とから、現実の前記任意の部 分の幅を求めることを特徴とする測定方法。
[5] 一方の角度から、測定対象に対して FIBを照射する FIB照射装置と、
他方の角度から、前記測定対象に対して、電子線を照射する電子線照射装置と、 前記測定対象を透過した、前記電子線を検出する電子線検出装置と、 電子線検知装置と測定対象との間に配設され、電子線が通過する開口を調整可能 な電子線絞りとを備えることを特徴とする測定装置。
[6] 請求項 5に記載した測定装置であって、
前記一方の角度は、垂直方向であり、
前記他方の角度は、水平方向であることを特徴とする測定装置。
[7] 請求項 5に記載した測定装置であって、
前記一方の角度は、水平方向であり、
前記他方の角度は、垂直方方向であることを特徴とする測定装置。
[8] 請求項 5に記載した測定装置であって、
前記絞りは、
第 1の開口を、中央部分に有する 2枚の板を、
一方の板が有する第 1の開口と、他方の板が有する第 1の開口とが向かい会うように 、重ねることで構成され、
一方の板の第 1の開口と他方の板の第 1の開口が重なって得られる第 2の開口の大き さを、一方の板を他方の板に対してスライドすることにより、調整することを特徴とする 測定装置。
[9] 請求項 5に記載した測定装置であって、
前記絞りは、
第 1の開口を、中央部分に有する 8枚の長方形の板を、
前記 8枚の長方形の板の内、一の前記長方形の板を 0度の角度として配置し、 前記第 1の開口の一部が重なるように、順次、他の一の前記長方形の板を 45度の角 度をつけて重ねて配置して構成され、
前記 8枚の長方形の板の前記第 1の開口の共通部分により得られた第 2の開口につ いて、 8枚の長方形の板をそれぞれの配置角度にそって、同程度スライドすることに より、前記第 2の開口の大きさを調整することを特徴とする測定装置。
[10] 半導体回路を構成する回路素子と、測定に用いられる測定素子と、個々に切りわけ るための切断領域とを備える半導体装置であって、
前記半導体装置は半導体基板上に作成され、
前記回路素子と前記測定素子とは、断面的な構造において同一であり、 前記切断領域内であって、前記半導体基板から前記半導体装置を個々に切りわけ るときに、前記測定素子を切断する位置に、前記測定素子が配置されており、 前記測定素子の切断面を測定に用いることを特徴とする半導体装置。
[11] 請求項 10に記載した半導体装置であって、
上記回路素子及び前記測定素子は、 MOSトランジスタであることを特徴とする半導体 装置。
[12] 半導体回路を構成する回路素子と、測定に用いられる測定素子と、個々に切りわけ るための切断領域とを備える半導体装置であって、
前記半導体装置は半導体基板上に作成され、
前記回路素子と前記測定素子とは、断面的な構造の一部分において同一であり、 前記切断領域内であって、前記半導体基板から前記半導体装置を個々に切りわけ るときに、前記測定素子を切断する位置に、前記測定素子が配置されており、 前記測定素子の切断面を測定に用いることを特徴とする半導体装置。
[13] 請求項 12に記載した半導体装置であって、
前記回路素子は MOSトランジスタであり、前記測定素子は前記 MOSトランジスタのゲ ート電極部分であることを特徴とする半導体装置。
[14] 半導体回路を構成する回路素子を電気的に分離する絶縁素子と、測定に用いられ る測定素子と、個々に切りわけるための切断領域とを備える半導体装置であって、 前記半導体装置は半導体基板上に作成され、
前記測定素子は、前記絶縁素子と、断面的な構造において同一であり、 前記切断領域内であって、前記半導体基板から前記半導体装置を個々に切りわけ るときに、前記測定素子を切断する位置に、前記測定素子が配置されており、 前記測定素子の切断面を測定に用いることを特徴とする半導体装置。
[15] 請求項 14に記載した半導体装置であって、
前記絶縁素子及び前記測定素子は、 MOSトランジスタを電気的に絶縁する素子であ ることを特徴とする半導体装置。
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