WO2007141868A1

WO2007141868A1 - Ｘ線顕微鏡およびｘ線顕微方法

Info

Publication number: WO2007141868A1
Application number: PCT/JP2006/311571
Authority: WO
Inventors: Masanari Koguchi; Yoshihiro Anan
Original assignee: Hitachi, Ltd.
Priority date: 2006-06-02
Filing date: 2006-06-02
Publication date: 2007-12-13
Also published as: JPWO2007141868A1; JP4826632B2

Abstract

試料内部構造を非破壊でナノメートルオーダの高空間分解能で透視するX線顕微鏡および顕微方法を実現する。試料表面に形成したX線ターゲットに微小走査電子線を照射し、発生したX線を試料を透過させる。透過したX線を2次元のX線検出器で検知し画像化する。

Description

X線顕微鏡および X線顕微方法技術分野

本発明は、走査透過電子顕微鏡をベースとしたエックス線顕微鏡おょぴ顕微方法に関する。本発明は、半導体明デバイスやバイオ材料などをナノメートルレベルの高空間分解能で非破壊にて透視する新たな計測手法を供するものである。食日背景技術

この明細書で参照される文献は以下の通りである。文献は、その文献番号によって参照されるものとする。

[特許文献 1] 特開 2004— 138461号公報

[特許文献 2] 特開 2002— 202272号公報

電子線より透過能が高く、光より高空間分解能で透過像が得られるエックス線顕微鏡（以下、 X線顕微鏡）については、多くの研究や実用化装置が市販されている。これらは大別して、（1)走査透過型結像法、（2)投射投影型結像法の 2種に大別される。

走查透過型結像法では、電子源から放射された電子線を照射電子レンズによりナノメートルオーダに収束し、これを真空中に設置された X線ターゲットに照射する。これにより、電子線の照射サイズと同程度の大きさの X線が発生する。発生した X,線は、直下の試料を透過して X線検出器に到達する。 X線は試人料中で内部の組成や密度などに対応した吸収を受けるため、試料を透過した X 線を結像することで、試料内部の組成や密度に対応したコントラストの投影像を得ることができる。この方法については、特許文献 1に基本的な構成が開示されている。この方法では、 X線ターゲットで発生した X線をできるだけ小さいまま試料に照射することで X線像の空間分解能を維持したいため、大電流を維持しつつできるだけ小さく電子線を X線ターゲット上に収束すると共に、 X 線ターゲットと試料をできるだけ接近させる工夫が有効となる。現在、技術的には後者で空間分解能が決まっている。このため、特許文献 2には、 X線ターゲットと試料を機械的に接近させるための装置について開示されている。ところが、この走査透過型結像法では通常、機械的に部材同士を接近させるのは、部材の加工精度が限界を決めるため、両者の距離はサブミク口ン程度となる。特に、電子線を収束させるためには収束レンズがィンレンズ方式と呼ばれる上極と下極に挟まれる数 mm空間に試料を挿入することが必要となるため、 X線ターゲットと試料を接近させるメカニズムをこの空間に揷入することが極めて難しいという問題があった。

一方、投射投影型結像法では、電子線は試料に面上に平行に照射される。試料への電子線照射で、試料から X線が 2次元的に発生するため、これを X線レンズ（一般的にはフレネルレンズとよばれる回折格子）を用い、 C C Dカメラなどの受光面に面結像する。この方法では、空間分解能は電子線の照射径にはよらず、主には X線レンズの収差で決定される。し力しながら、投射投影型結像法ではフレネルレンズの X線透過率が低いため、感度が十分でない可能性がある。特に、試料中の軽元素のイメージングにおいては、発生する X線量が小さいため、投射投影型結像法では S ZN (Signal- to_Noise ratio) が十分でない可能性が大きい。発明の開示

本発明では、走査透過型結像法をベースに上記課題である空間分解能と像 S /Nとを向上させた X線顕微鏡および X線顕微方法を提供する。

課題を解決するため、以下の手段を設けた。 1 . 試料面上に X線発生源となる薄膜を形成することとした。

2 .試料と X線ターゲットが接触すること力ら、試料ホルダに温度調整機構を設けることとした。すなわち、十分な X線量を得るためには大電流で電子線を X線ターゲットに照射する必要があり、電子線照射に起因する試料温度上昇が固有の問題となる。このため、液体窒素タンクからの熱伝導で試料を冷却する等の冷却機構と、試料出し入れ時の結露を防ぐための加熱機構を試料ホルダに装備させる。

3 . X線ターゲットは薄膜とし、電子線は十分に停止し、 X線は十分に透過する厚さとする。このため、薄膜厚さは電子線の加速エネルギーにも依存して大小するため、このための規定として、電子線の飛程の 2倍を最適な厚さとすることとした。

4 . X線顕微鏡においては、ターゲットで発生した X線が試料中で吸収されること力ら、組成や密度差に起因した像コントラストカ S得られる。例えば半導体デバイスは、シリコン、酸化シリコン、銅、タングステンなど様々な材料による部材から構成されている。 X線の吸収率は材料ごとに異なるため、様々なェネルギ一の X線を試料に照射できることが望ましレ、。このため、試料上に形成する X線ターゲット膜は複数材料からなる多層膜であるものとする。特に、対象となる材料に近い材料からの特性 X線が吸収率が高いことから、対象試料の原子番号の前後 5以内の原子番号の材料をターゲットとする。

5 . X線ターゲット薄膜は試料表面に蒸着などで形成することを基本とする力半導体デバイス解析において、しばしばウェハ裏面から目的のトランジスタ近辺のみを収束イオンビーム加工（F I B : Focused Ion Beam) 装置により薄くして観察する方法が取られる。このため、ここでも F I B加工した加工溝に X 線ターゲット膜を形成することで、試料の蒸着面積を抑えることで迅速な評価を可能とする。

このように、半導体デパイスやバイオ材料などをナノメートルレベルの高空間分解能で非破壊にて透視する新たな計測手法を供する。さらに本手法によれば、着目した結晶面の存在する部分を明るい像として、それ以外の部分を暗い像として走査透過電子顕微鏡の拡大像を形成できる。図面の簡単な説明

図 1は、インレンズ型走査透過電子顕微鏡 ( S T E M) をベースにした X線顕微鏡の構成例である。

図 2は、アウトレンズ型走査電子顕微鏡 ( S EM) をベースにした X線顕微鏡の構成例である。

図 3は、試料上への X線ターゲット薄膜形成例（表面形成）である。

図 4は、試料上への X線ターゲット薄膜形成例（裏面形成、裏面研磨）である。図 5は、試料上への X線ターゲット薄膜形成例（表面形成、表面 ·裏面研磨）である。

図 6は、試料上への X線ターゲット薄膜形成例（多層膜ターゲット形成）である。

図 7は、試料上への X線ターゲット薄膜形成例（表面形成）である。

図 8は、温度調整可能な試料ステージの構成例である。発明を実施するための最良の形態

【実施例 1】

図 1には、本発明の 1実施例を示す。ここでは、通常、走查透過電子顕微鏡 (. F βΜ： Scanning Transmission Electron microscope) と呼ばれる装置を電子線装置として用いている。すなわち、電子銃 1 1から放射された 1次電子線 2 6は照射レンズ 1 2、コンデンサ絞り 1 3、軸ずれ補正用偏向器 1 4、スティグメータ 1 5、イメージシフト用偏向器 1 6、走査用偏向器 1 7、対物レンズ 1 8で微小に成形されて試料ステージ 2 0上に固定された試料 2 4にフォーカスされて照射される。本発明においては、試料 2 4上に直接 X 線ターゲットとなる薄膜を形成する。例えば図 1においては、試料 24上に蒸着膜 2 5を蒸着により形成しており、 1次電子線 2 6はまず蒸着膜 2 5に入射する。従って、試料 24の直上で電子線に励起された X線 2 7が発生し、これが試料 24を透過し、シンチレータ 3 3を介して、 CCDカメラ 3 4に入射する。ここで CCDカメラ 3 4は光像を検知するものであり、直接 X線を照射しても結像することができるが、 X線は透過能が高く、 CCDの分光感度特性と合わせるためには、シンチレータ 3 3で CCDの受光感度 (変換量子効率）の高い 5 0 0 nm光に X線を変換することとした。ここでは、例えば C eをドープした YAG単結晶などを用いることが有効である。図 1では、 C CDカメラ 34は大気中に設置する構造とした。すなわち、 X線 2 7は X 線窓付き真空フランジ 3 2を透過してシンチレータ 3 3上に結像する。しかしながら、 X線のエネルギーが低い場合、シンチレータ 3 3と CCDカメラ 34は真空中に設置される場合もある。 CCDカメラ 34は、高感度化、すなわち像 SZN向上の観点でペルティエ素子、もしくは水冷されること、信号の読み出し速度を遅くするいわゆるスロースキャンの機能を有するものとする。

さて、 X線は蒸着膜 2 5から C CDカメラ 34まで直進することから、 X 線ターゲット（ここでは蒸着膜 2 5) と試料の距離に比例して X線光源が大きくなり、解像度が劣化する。例えば、 X線ターゲットと試料の間隔をとし、 X線ターゲットから ±4 5° の角度で放射された X線を用いた場合、光源径 dは、 d = 2 Lとなる。このため、従来法のように、両者を機械的に接近させた場合は、 d〜数 l O O nmとなり、いくら照射系で電子線を小さく収束しても、解像度は両者間距離で律せられて限界となる。しかしながら本発明では、試料上に X線ターゲットを形成することから、両者間距離は数 1 0 nmとすることができることから、 1析以上の高分解能化が実現できる。電子銃 1 1、照射レンズ 1 2、コンデンサ絞り 1 3、軸ずれ補正用偏向器 1 4、スティグメータ 1 5、イメージシフト用偏向器 1 6、走査用偏向器 1 7、対物レンズ 1 8はそれぞれ電子銃制御回路 1 1 ' 、照射レンズ制御回路 1 2 '、コンデンサ絞り制御回路 1 3 '、軸ずれ捕正用偏向器制御回路 1 4 '、スティグメータ制御回路 1 5 ' 、イメージシフト用偏向器制御回路 1 6 ' 、走查用偏向器制御回路 1 7 ' 、対物レンズ制御回路 1 8 ' を介してシステム制御 ·表示計算機 2 2から制御される。同様に、試料ステージ 2 0は、試料ステージ制御回路 2 0，を介してシステム制御 ·表示計算機 2 2から制御される。例えば、現在の加速電圧 2 0 0 k Vの走査透過電子顕微鏡では 0 . 1 n m程度のビーム径の電子線を試料 2 4上に照射できるが、例えば、コンデンサ絞り 1 3の孔径を大きくする等によりビーム径を 1 n mすれば、試料面上での電流は数桁大きくすることができる。特に X線顕微鏡の場合、試料内での X,線発生量が小さいため、できるだけ照射電流量を大きくする必要がある。また、スティグメータ 1 5などにより電子光学系の収差補正を行うが、多重極レンズを組み合わせた球面収差レンズを設置することで、さらにビーム径を小さいままで電流密度を向上させることも有効である。

本実施例では、試料 2 4近傍に X線もしくは 2次電子検出器 1 9を設置する。これは、 X線像を取得する前段階で、ビームが蒸着膜 2 5上に正しく収束されていることを確認するために像情報が別途必要だからである。ここで検出器が X線検出器の場合は蒸着膜 2 5もしくは試料 2 4で発生した特性 X線 2 8を検知することから、組成像が得られる。また、 2次電子検出器の場合は主に蒸着膜 2 5の表面凹凸像となる。いずれにしてもこれをモニタしながら照射条件を最適化して微小かつ大電流の 1次電子線 2 6を形成する。同様に、本実施例では、透過電子検出器 2 1、散乱電子検出器 2 3が設置される。これは、主に試料 2 4の透過像を得るためのものである。すなわち、透過電子検出器 2 1からは試料の結晶構造などの情報、散乱電子検出器 2 3からは試料の組成構造の情報を得ることが出来、これを見ながらどの位置の X線像を得るか参考にできる。透過電子検出器 2 1、散乱電子検出器 2 3は電子検出器制御回路 2 1 ' を介してシステム制徒 P ·表示計算機 2 2から制御され、またシステム制御 ·表示計算機 2 2に像が表示される。

【実施例 2】

図 2には、本突明の 1実施例を示す。ここでは、通常、走查電子顕微鏡 ( S EM： Scanning Electron microscope) と呼ばれる装置を電子線装置として用いている。すなわち、電子銃 1 1から放射された 1次電子線 2 6は照射レンズ 1 2、コンデンサ絞り 1 3、軸ずれ補正用偏向器 1 4、スティグメータ 1 5、イメージシフト用偏向器 1 6、走査用偏向器 1 7、対物レンズ 1 8で微小に成形されて試料ステージ 2 0上に固定された試料 2 4にフォーカスされて照射される。本発明においては、実施例 1と同様、試料 2 4上に直接 X線ターゲットとなる薄膜を形成する。 1次電子線 2 6はまず蒸着膜 2 5に入射する。従つて、試料 2 4の直上で電子線に励起された X線 2 7が発生し、これが試料 2 4 過し、シンチレータ 3 3を介して、 C C Dカメラ 3 4に入射する。 C C Dカメラ 3 4は大気中に設置する構造とした。すなわち、 X線 2 7は X線窓付き真空フランジ 3 2過してシンチレータ 3 3結像する。電子銃 1 1射レンズ 1 2、コンデンサ絞り 1 3、軸ずれ補正用偏向器 1 4、スティグメータ 1 5、イメージシフト用偏向器 1 6、走査用偏向器 1 7、対物レンズ 1 8はそれぞれ電子銃制御回路 1 1，、照射レンズ制御回路 1 2 ' 、コンデンサ絞り制御回路 1 3 ' 、軸ずれ補正用偏向器制御回路 1 4 ' 、スティグメータ制御回路 1 5 ' 、ィメ一ジシフト用偏向器制御回路 1 6，、走査用偏向器制御回路 1 7，、対物レンズ制御回路 1 8 ' を介してシステム制御 ·表示計算機 2 2から制御される。同様に、試料ステージ 2 0は、試料ステージ制御回路 2 0，を介してシステム制御 · 表示計算機 2 2から制御される。本実施例では、試料 2 4近傍に X線もしくは 2次電子検出器 1 9、上方に、 E X B偏向器 4 2、 2次電子もしくは反射電子検出器 3 1を設置する。これも実施例 1と同様、ビームを精度良く蒸着膜 2 5 上に収束させるためである。 E X B偏向器 4 2は E X B偏向器制御回路 4 2 '、 2次電子もしくは反射電子検出器 3 1は 2次電子もしくは反射電子検出器制御回路 3 1，により、システム制御 ·表示計算機 2 2から制御される。

【実施例 3】

ここでは、図 3から図 7を用い、 X線顕微方法、特に半導体デバイス評価を例に試料前処理について説明する。図 3 (a)前処理前の典型的な構造を有する半導体デバイスの断面構造図である。すなわち、シリコン基板上にプラグゃゲート構造があり、さらに上方にこれらを電気的に繋ぐ配線構造がある。図中において太実線は試料の表面輪郭を示しており、太点線は、点線を介して隣接した場所にも構造が繋がっている事を示している。半導体デバイス解析においては、表面から下の配線やプラグ構造の断線、ボイド、また、プラグ基板間の変質層の有無や基板中結晶欠陥の有無を迅速に評価することが求められている。従来は、収束イオンビームを用い、半導体ウェハから目的の薄膜試料を摘出し'、これを透過電子顕微鏡などで高分解能観察していた力 S、試料摘出のために時間がかかり、試料へのダメージなども問題であること力ら、層間膜のような変形しゃすい構造体の評価への適用も困難であった。このため、 X線のような透過能の高いプローブによる評価が求められるが、既に述べたように、電子線のように高空間分解能での評価が難しいという問題があった。例えば、上記の評価課題について、配 ,镍では 1 0 0 n m以下（ボイドなどでは 1 0 n m変質層や欠陥の評価では 1 n m分解能が求められる。このために、試料に直接 X線ターゲット膜を設けることで高分解能化を図ることを実施例 1、 2で述べて来た。これに対応し、図 3では最もシンプルな X線ターゲット膜形成法を示した。すなわち、試料 2 4上に直接蒸着膜 2 5を形成する。この時、 X線の入射方向は図中上から下向きである。これにより、蒸着膜 2 5で発生した X線は試料 2 4中を透過する。この際、組成や密度により X線の吸収量が異なることから、試料を透過した X線分布を 2次元的にとらえることで、試料中の組成や密度分布を得ることが出来る。蒸着膜の厚さは電子線が十分に停止し、かつ X線が内部で吸収されない厚さが理想的である。通常、電子線の加速電圧を E (KV) 、ターゲット試料の密度 p ( g / c c ) の場合、電子線が侵入する深さとして、飛程 (m g Z c m²) が以下の式（数 1 ) で与えられる。

(数 1 )

R p =412Eⁿ (lOkeVく Eく 3MeV)、 n=l. 265-0. 09541nE

例えば、ターゲット試料がシリコンの場合、 E = 2 0 0 k Vの電子線の飛程は約 2 0 0ミクロンである。一方、シリコンで発生した特'ト生 X線はシリコン中では数 n m透過することから、ターゲット試料厚さは十分に薄いと言える。試料 2 4電子線照射エネルギーを抑制する観点から裕度を持たせるとして、ここではターゲット試料の厚さは、飛程の 0 . 5倍以上、 2倍以下と成るように形成するものとする。ターゲット膜形成は、ターゲット材料を加熱して真空中で飛ばす真空蒸着法のほ力、ターゲット材料に電子線を照射することで飛ばす電子線蒸着法、真空中の試料近傍に例えば有機タングステンガスなどを流し、成膜箇所を収束イオンビームで走査することにより有機タングステンガスを分解、金属化して固着させるイオンビームアシストデポジション法など、試料との相性や成膜面積に応じた膜形成法をとるものとする。

図 4では、蒸着膜 2 5を試料 2 4表面に形成した後、基板側から評価箇所以外の構造物をゥヱハ裏面から研磨して除去した試料加工の方法を示す。図 4 ( b )では、配線構造の評価に着目し、プラグ ·ゲート以下を研磨で除去した。すなわち、蒸着膜 2 5で発生した X線は配線構造のみで吸収の大小による像コントラストが形成されるものとし、プラグ ·ゲートや基板での吸収によるコントラスト低下を抑制することを目的としている。

図 5では、配線構造を残し、裏面から試料を研磨し、さらに研磨孔部分に裏面からターゲット材料を蒸着する方法を示した。すなわち、基板側に蒸着膜 2 5が形成される。この試料の場合、電子線入射方向は図中下から上向きとなる。この試料前処理法においては、イオンビームアシストデポジション法が有効である。すなわち、初めはアシストガスを流さず収束イオンビームで目的箇所を研磨し、試料加工が終了し次第ガスを流すことで、連続的にターゲット膜を視野近傍に形成することができるからである。

図 6には、ゲート ·プラグ構造を評価する場合の試料前処理法を示す。この場合、上部の配線構造と下部の基板構造を収束イオンビームで研磨、除去する。図 6 ( b ) では、試料上面からターゲット膜を形成した例が示されているが、基板側の孔にターゲット膜を形成することも可能である。それぞれ、ターゲット面がある側から電子線を照射することとする。このように、 X線は試料中の微小構造物での吸収量が小さいため、できるだけ目的の構造物による像コントラストを上げるためには、前後の余分な構造物を除去すると共に、加工孔にターゲット膜を形成することでターゲット膜と観察対象の距離をできるだけ短くすることが空間分解能の向上のために極めて重要である。

図 7には、ターゲット膜を複数多層に形成する実施例を示す。半導体デバイスは複数の材料から形成される。特に酸素、窒素のような軽元素、シリコンや銅のような中重元素、タングステンのような重元素と様々な材料からなる構造物が同一視野内に存在する場合、それぞれの材料の透過能を最大化するェネルギ一の X線を複数準備することは重要である。一般的には、観察対象の元素に近い原子番号のターゲット材から発生させた X線の吸収率が高くなることから、カーボン、アルミニウム、亜鉛、金などをターゲット膜として形成する。ここでは、大電流の電子線を照射することから、融点が高く、電子線による照射ダメ一ジが小さく、照射による脱ガスなどの少ない材料を選択するなどのェ夫が必要である。

【実施例 4】

本発明では、試料上に X線源となるターゲット膜を直接形成することから、試料の温度上昇というこれまでの方法にはない固有の問題が発生する。すなわち、できるだけ多くの X線を発生させることから、電子線はマイクロアンペア以上の電流を照射する必要があり、試料形状にもよるが、温度上昇は数 1 0 0 ° に及ぶ可能性がある。この場合、試料の変形や流動、溶解などの問題が発生する。このため、図 8に示す試料ステージを考案した。図 8において、配線構造を残して研磨された試料 2 4は試料ホルダ 2 0上に固定されている。蒸着膜 2 5側から 1次電子線 2 6を照射し、発生した X線 2 7が試料 2 4中を透過し、試料ホルダ 2 0に設けられた孔を通って下方に非図示の C C Dカメラ 3 4 方向に投影される。試料ホルダ 2 0は冷却棒 3 8を介して液体窒素タンク 3 6 中の液体窒素 3 7に熱的に接触している。試料 2 4を効果的に冷却するために、試料 2 4を取り囲む形で冷却冶具 3 5が配置される。液体窒素 3 7と液体窒素タンク 3 6は大気中に設置する必要があるため、冷却棒 3 8は電子顕微鏡鏡体 4 4に対してオーリングを介して真空シールされる。すなわち、試料 2 4は真空中で液体窒素温度に冷却される。一方、試料を出し入れする際には、結露を起こさないために試料 2 4は常温に戻っている必要がある。このため、試料ホルダ 2 0中にはヒータ制御電源 4 0で制御されたヒータ 3 9が埋め込まれるものとし、出し入れの際は試料温度を液体窒素温度から常温に戻すこととする。以上、本発明の例を説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、種々変形可能であり、上述した各実施例を適宜組み合わせることが可能であることは当業者に理解されよう。産業上の利用可能性

半導体デバイスゃバイォ材料などをナノメ一トルレベルの高空間分解能で非破壊にて透視できる新たな計測手法を供する。

Claims

請求の範囲

1 . 試料を保持する試料台と、

該試料の表面上で電子線を収束、走査するための照射光学系と、

該電子線の走査により試料を透過もしくは反射したエックス線を検出する検出器と、

該電子線の走査により試料を透過もしくは反射した電子線を検出する検出器と、

該検出器で検出された信号から前記試料の透過像を形成する手段と、該透過像を表示する手段とを有し、

前記試料には X線を発生させる薄膜を形成した試料を用いることを特徴とするエックス線顕微鏡。

2 . 請求項 1に記載の試料台には、試料の温度を調整する機構を設けることを特徴とするエックス線顕微鏡。

3 . 請求項 2に記載の試料の温度を調整する機構において、

液体窒素、液体酸素、液体ヘリゥム、ペルティエ素子で試料を冷却する機構と、ヒータで試料を加熱する機構を備えることを特徴とするエックス線顕微鏡。

4 .電子線を被観察試料の表面上に走査することにより該試料にて発生する X 線を検出し画像化する方法において試料の表面に X線源となる薄膜を形成する方法を有することを特徴とするエックス線顕微方法。

5 . 請求項 4記載の X線源となる薄膜を形成する方法において、

半導体ウェハからデバイスの形成される面に薄膜を形成する方法、もしくは、半導体ウェハの裏面からウェハを研磨し、研磨溝部分に薄膜を形成する方法を有することを特徴とするエックス線顕微方法。

6 . 請求項 4記載の X線源となる薄膜を形成する方法において、

形成する薄膜の材料種類として、観察対象材料の原子番号の前後 5番目以内の材料を形成することを特徴とするエックス線顕微方法。

7 . 請求項 4記載の X線源となる薄膜を形成する方法において、

複数の材料を用い、薄膜を多層に形成することを特徴とするエックス線顕微方法。

8 . 請求項 4記載の X線源となる薄膜を形成する方法において、

薄膜の厚さは、入射電子線の飛程の 0 . 5倍以上 2倍以下であることを特徴とするエックス線顕微方法。