JP2001229869A

JP2001229869A - 観測方法及び観測システム

Info

Publication number: JP2001229869A
Application number: JP2000037589A
Authority: JP
Inventors: Kazufumi Maeda; 一史前田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2000-02-16
Filing date: 2000-02-16
Publication date: 2001-08-24

Abstract

(57)【要約】【課題】１つのサンプルで異なる方向からの観察対象
構造物の構造を観測可能な観測方法及び観測システムを
得る。【解決手段】電子顕微鏡用サンプル３１を、回転軸Ｑ
の回りに回転可能なサンプル台６上に立設配置する。電
子顕微鏡用サンプル３１のサンプル基体１Ａは、観察対
象微細構造物７を包括する０．１μｍ四方をＦＩＢ加工
によって、半導体基板の表面から裏面にかけて切り出す
ことによって行われ、その先端に観察対象微細構造物７
が観測可能な四角柱状の３次元観察用サンプル領域２が
形成される。電子顕微鏡用サンプル３１のサンプル台６
上の立設方向に平行な側面に対し、電子ビーム５が垂直
に照射されるように対物レンズ３が配置される。電子ビ
ーム５を観察用サンプル領域２の側面に照射した場合
に、３次元観察用サンプル領域２から放出される二次電
子５２を検出可能な位置に検出器４が配置される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、荷電粒子を用い
た半導体装置等の観測方法及び観測システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体デバイスの故障解析にはＳＥＭ
（Scanning Electron Microscope；走査型電子顕微
鏡），ＴＥＭ（Transmisson Electron Microscope；透
過型電子顕微鏡）等の電子顕微鏡による断面観察が行わ
れるのが一般的である。

【０００３】半導体デバイスの不良個所を観察する場
合、ＦＩＢ（Focused Ion Beam；集束イオンビーム）を
用いた加工等によって当該不良個所の一断面を切り出し
て電子顕微鏡用サンプルを得、電子顕微鏡用サンプルを
断面観察用のサンプルホルダに装着し電子顕微鏡によっ
てその断面を観察していた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、半導体
デバイスの不良原因となる形状異常は多岐に渡ってお
り、不良個所の一断面を観察することにより得られた情
報では不十分であり、形状異常の発見が困難であるとい
う問題点があった。

【０００５】上記危険性を可能な限り回避すべく、不良
個所における複数の断面の切り出しを行い、複数の電子
顕微鏡用サンプルを観察することが考えられるが、手間
がかかり過ぎ実用的ではなかった。

【０００６】また、電子顕微鏡用サンプルはその平面領
域を観察すべく薄膜状に形成される。電子顕微鏡自体も
サンプルの放線方向からでなく斜め方向からの観察は可
能であるが、その回転角度はせいぜい６０度程度に過ぎ
なかった。よってサンプルの平面的な形状について情報
が得られるに過ぎなかった。

【０００７】この発明は上記問題点を解決するためにな
されたもので、１つのサンプルで異なる方向からの観察
対象構造物の構造を観測可能な観測方法及び観測システ
ム得ることを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明に係る請求項１
記載の観察方法は、(a)観察対象構造物を包含し、所定
方向に延在するサンプルが、前記所定方向と非平行の平
面内で互いに異なる複数の方向から第１の荷電粒子の照
射を受けるステップと、(b)前記照射によって前記サン
プルから得られる第２の荷電粒子を観測して、前記複数
の方向から見た前記観察対象構造物の形状を認識するス
テップと、を備えている。

【０００９】また、請求項２の発明は、請求項１記載の
観測方法であって、前記ステップ(a)は、前記所定方向
を回転軸として前記サンプルを回転させながら前記複数
の方向から前記第１の荷電粒子を受けるステップを含
む。

【００１０】また、請求項３の発明は、請求項２記載の
観測方法であって、前記観察対象構造物は半導体基板内
に形成される半導体装置の構成物を含み、(c)前記ステ
ップ(a)前に実行され、集束イオンビーム加工によっ
て、前記観察対象構造物を包括する所定の平面形状の領
域を所定方向に切り出して、表裏面形状が前記所定の平
面形状で前記所定方向に伸びた柱体構造のサンプル領域
を有する前記サンプルを抽出するステップ、をさらに備
える。

【００１１】また、請求項４の発明は、請求項３記載の
観測方法であって、前記所定方向は前記半導体基板の表
面から裏面への方向を含み、前記ステップ(a)は、集束
イオンビーム加工によって、前記観察対象構造物を包括
する前記所定の平面形状の領域を前記半導体基板の表面
から裏面にかけて切り出して、柱体構造の前記サンプル
領域を有する前記サンプルを抽出するステップを含む。

【００１２】また、請求項５の発明は、請求項３記載の
観測方法であって、前記所定方向は前記半導体基板の表
面から裏面への方向を含み、前記ステップ(a)は、(a-1)
ダイシング加工によって、前記観察対象構造物を包括す
る比較的大きな多角形状の領域を前記半導体基板の表面
から裏面にかけて切り出して、角柱構造の前記サンプル
基体を抽出するステップと、(a-2)集束イオンビーム加
工によって、前記サンプル基体の表面から、前記観察対
象構造物を包括し前記多角形状より小さな前記所定の平
面形状の領域を前記所定方向に所定の深さ切り出して、
柱体構造の前記サンプル領域を前記サンプル基体の上層
部に得るステップとを含み、前記サンプルは前記サンプ
ル基体及び前記サンプル領域を含む。

【００１３】また、請求項６の発明は、請求項３記載の
観測方法であって、前記所定方向は前記半導体基板の表
面から裏面への方向を含み、前記ステップ(a)は、(a-1)
ダイシング加工によって、前記観察対象構造物を包括す
る比較的大きな第１の多角形状の領域を前記半導体基板
の表面から裏面にかけて切り出して、角柱状の前記サン
プル基体を抽出するステップと、(a-2)ダイシング加工
によって、前記サンプル基体の表面から、前記観察対象
構造物を包括し前記第１の多角形より小さな第２の多角
形状の領域を前記所定方向に第１の深さ切り出して、角
柱状のサンプル補助部を得るステップと、(a-3)集束イ
オンビーム加工によって、前記サンプル補助部の表面か
ら、前記観察対象構造物を包括し前記第２の多角形状よ
り小さな前記所定の平面形状の領域を前記所定方向に前
記第１の深さより浅い第２の深さで切り出して、角柱状
の前記サンプル領域とを前記サンプル補助部の上層部に
得るステップとを含み、前記サンプルは前記サンプル基
体、前記サンプル補助部及び前記サンプル領域を含む。

【００１４】また、請求項７の発明は、請求項３記載の
観測方法であって、前記所定方向は前記半導体基板の表
面から裏面への方向を含み、前記ステップ(a)は、(a-1)
ダイシング加工によって、前記半導体基板の表面から、
前記観察対象構造物を包括する比較的大きな第１の多角
形状の溝を前記所定方向に第１の深さで掘るステップ
と、(a-2)ダイシング加工によって、前記第１の多角形
の溝の外周部に一致する第２の多角形状の領域を前記半
導体基板の表面から裏面にかけて切り出して、底面が前
記第１の多角形である角柱状のサンプル補助部と、底面
が前記第２の多角形となる角柱状のサンプル基体とを得
るステップと、(a-3)集束イオンビーム加工によって、
前記サンプル補助部の表面から、前記観察対象構造物を
包括し前記第１の多角形状より小さな前記所定の平面形
状の領域を前記所定方向に前記第１の深さより浅い第２
の深さで切り出して、角柱状の前記サンプル領域を前記
サンプル補助部の上層部に得るステップとを含み、前記
サンプルは前記サンプル基体、前記サンプル補助部及び
前記サンプル領域を含む。

【００１５】また、請求項８の発明は、請求項３ないし
請求項７のうちいずれか１項に記載の観測方法であっ
て、前記所定の形状は所定の多角形を含み、前記サンプ
ル領域は底面が前記所定の多角形で前記所定方向に伸び
た角柱構造の領域を含む。

【００１６】また、請求項９の発明は、請求項３ないし
請求項７のうちいずれか１項に記載の観測方法であっ
て、前記所定の形状は所定の円形を含み、前記サンプル
領域は底面が前記所定の円形で前記所定方向に伸びた円
柱構造の領域を含む。

【００１７】また、請求項１０の発明は、請求項１ない
し請求項９のうちいずれか１項に記載の観測方法であっ
て、前記観察対象構造物は層間絶縁膜内に形成される半
導体素子を含み、(d)前記ステップ(b)の前に実行され、
前記サンプル領域中における前記層間絶縁膜を除去する
ステップをさらに備える。

【００１８】また、請求項１１の発明は、請求項１０記
載の観測方法であって、前記ステップ(d)は、前記層間
絶縁膜を完全に除去するステップを含む。

【００１９】また、請求項１２の発明は、請求項９記載
の観測方法であって、前記複数の観察点からの前記電子
顕微鏡の観察によって、前記円柱構造の前記サンプル領
域の側面全体を観察可能であり、前記ステップ(b-2)
は、前記サンプル台を回転させながら前記サンプル領域
の前記複数の観測点を前記電子顕微鏡で順次観察して、
前記サンプル領域の側面全体から観察された観察対象構
造物の所定の物質の分布情報を認識するステップを含
む。

【００２０】この発明に係る請求項１３記載の観測シス
テムは、観察対象構造物を包含し所定方向に延在するサ
ンプル用の観測システムであって、前記サンプルを前記
所定方向に立設配置させた状態で回転可能なサンプル台
と、前記サンプル台上に立設配置された前記サンプルに
対し、前記所定方向と非平行な角度から第１の荷電粒子
を照射する荷電粒子照射手段と、前記荷電粒子照射手段
による前記照射によって前記サンプルから得られる第２
の荷電粒子を観測する荷電粒子観測手段とを備え、前記
サンプル台の回転によって、前記所定方向に平行な前記
サンプルの側面と前記第１の荷電粒子の照射方向との位
置関係を変更することを可能にしている。

【００２１】また、請求項１４の発明は、請求項１３記
載の観測システムであって、前記サンプル台は外部操作
によって回転可能なサンプル台を含む。

【００２２】

【発明の実施の形態】＜実施の形態１＞図１はこの発明
の実施の形態１である半導体デバイスの観測システムの
概略構成を示す説明図である。

【００２３】同図に示すように、サンプル基体１Ａ及び
３次元観察用サンプル領域２からなり電子顕微鏡用サン
プル３１を、回転軸Ｑの回りに回転可能なサンプル台６
上に立設配置する。この際、四角柱構造のサンプル基体
１Ａの底面をサンプル台６の回転軸Ｑ上に装着する。

【００２４】サンプル基体１Ａは、半導体デバイスにお
ける観察対象微細構造物７が形成された半導体基板か
ら、観察対象微細構造物７を包括する０．１μｍ四方を
ＦＩＢ加工によって、半導体基板の表面から裏面にかけ
て切り出すことによって得られる。したがって、サンプ
ル基体１Ａの先端に観察対象微細構造物７が観測可能な
四角柱状の３次元観察用サンプル領域２が形成されるこ
とになる。

【００２５】一方、３次元観察用サンプル領域２の側面
（観察対象微細構造物７の断面）に照射されるように電
子ビーム５を導く対物レンズ３が配置される。この際、
電子顕微鏡用サンプル３１のサンプル台６上の立設方向
に平行な側面に対し、電子ビーム５が垂直に照射される
ように対物レンズ３が配置される。

【００２６】また、電子ビーム５を観察用サンプル領域
２の側面に照射した場合に、３次元観察用サンプル領域
２から放出される二次電子（反射電子，オージェ電子等
を含む）５２を検出可能な位置に検出器４（オージェ電
子分光装置を含む）が配置される。

【００２７】このような構成において、対物レンズ３を
介して電子ビーム５を３次元観察用サンプル領域２の側
面（観察対象微細構造物７の断面）に照射する。そし
て、３次元観察用サンプル領域２から放出され、検出器
４で検出される二次電子５２に基づきＳＥＭによる観
察、電子ビーム５が３次元観察用サンプル領域２を透過
して得られる透過電子５１に基づきＴＥＭによる観察
を、それぞれ行う。

【００２８】さらに、サンプル台６を９０度毎に順次回
転させた後、ＳＥＭあるいはＴＥＭよって観察すること
により、３次元観察用サンプル領域２の４つの側面から
観察対象微細構造物７の４つの断面形状を認識すること
ができる。

【００２９】このように、実施の形態１による半導体デ
バイスの観察方法によって、一つの電子顕微鏡用サンプ
ル３１（サンプル基体１Ａ，３次元観察用サンプル領域
２）を用いて、半導体デバイスの観察対象微細構造物７
における４つの断面形状の観察に基づく３次元的な評価
を行うことができる。

【００３０】すなわち、観察対象構造物７を包含し、サ
ンプル試料台６上での立設方向に延在する電子顕微鏡用
サンプル３１が、上記立設方向と垂直な（非平行の）平
面内で互いに異なる４方向から電子ビーム５を受けるこ
とにより、４方向からの観察対象構造物７の構造を観測
することができる。

【００３１】この際、観察対象の観察対象微細構造物７
の断面変更をサンプル台６を９０度回転させるという、
比較的簡単な方法で行うことができる。

【００３２】また、実施の形態１による電子顕微鏡用サ
ンプル３１の切り出しはＦＩＢ加工にのみで足りる。

【００３３】＜実施の形態２＞図２はこの発明の実施の
形態２である電子顕微鏡観測システムの概略構成を示す
説明図である。

【００３４】同図に示すように、サンプル基体１Ｂ及び
３次元観察用サンプル領域２からなる電子顕微鏡用サン
プル３２をサンプル台６上に立設配置する。この際、実
施の形態１同様、四角柱構造のサンプル基体１Ｂの底面
をサンプル台６の回転軸Ｑ上に装着する。

【００３５】サンプル基体１Ｂの表面領域上にはサンプ
ル基体１Ｂの表面より底面が一回り小さい四角柱構造の
３次元観察用サンプル領域２が形成される。３次元観察
用サンプル領域２は、観察対象微細構造物７を包括する
四角柱構造の形状を呈している。

【００３６】一方、実施の形態１と同様、３次元観察用
サンプル領域２の側面に電子ビーム５が照射可能な位置
に対物レンズ３を配置し、二次電子５２が検出可能な位
置に検出器４を配置する。

【００３７】このような構成において、対物レンズ３を
介して電子ビーム５を３次元観察用サンプル領域２の側
面（観察対象微細構造物７の断面）に照射することによ
り、実施の形態１と同様、二次電子５２に基づくＳＥＭ
による観察、あるいは透過電子５１に基づくＴＥＭによ
る観察が行える。

【００３８】さらに、実施の形態１同様、サンプル台６
を９０度毎に回転させた後、ＳＥＭあるいはＴＥＭよっ
て観察することにより、３次元観察用サンプル領域２の
４側面から観察対象微細構造物７の４つの断面形状を認
識することができる。

【００３９】このように、実施の形態２による半導体デ
バイスの観察方法によって、実施の形態１と同様、一つ
の電子顕微鏡用サンプル（サンプル基体１Ｂ及び３次元
観察用サンプル領域２）を用いて、観察対象微細構造物
７における４つの断面形状の観察に基づく３次元的な評
価を行うことができる。

【００４０】図３〜図８は電子顕微鏡用サンプル３２の
切り出し方法を示す平面図あるいは断面図である。図
３，図５及び図７は平面図であり、図４，図６及び図８
はそれぞれ図３，図５及び図７のＡ−Ａ，Ｂ−Ｂ及びＣ
−Ｃ断面を示す断面図である。以下、これらの図を参照
して電子顕微鏡用サンプル３２の切り出し方法を説明す
る。

【００４１】図３及び図４に示すように、Ｓｉ基板９の
表面の中心部に半導体デバイスの観察対象微細構造物７
が存在すると仮定する。

【００４２】この場合、図５及び図６に示すように、観
察対象微細構造物７を包括する比較的大きな３０μｍ四
方をダイサーによるダイシング加工によって、Ｓｉ基板
９の表面から裏面にかけて切り出してサンプル基体１Ｂ
を得る。

【００４３】次に、図７及び図８に示すように、ＦＩＢ
加工によって、サンプル基体１Ｂの表面において、観察
対象微細構造物７を含む０．１μｍ四方の平面形状を、
観察対象微細構造物７の形成深さ以上（数μｍ）の深さ
で切り出して３次元観察用サンプル領域２を得る。

【００４４】このように実施の形態２の観察方法では、
ダイサーによってサンプル基体１Ｂを得た後、ＦＩＢ加
工によってサンプル基体１Ｂの上層部に３次元観察用サ
ンプル領域２を得ることにより電子顕微鏡用サンプル３
２を切り出すため、ＦＩＢ加工のみによって電子顕微鏡
用サンプル３１を得た実施の形態１より加工時間の短縮
を図ることができる。

【００４５】また、実施の形態２では、電子顕微鏡用サ
ンプル３２がサンプル基体１Ｂを有し、このサンプル基
体１Ｂは３０μｍ四方の正方形よりなる強度の高い四角
柱構造を呈しているため、実施の形態１の電子顕微鏡用
サンプル３１（電子顕微鏡用サンプル３２と高さは同
じ）に比べて強度が高い構造となる。

【００４６】＜実施の形態３＞図９はこの発明の実施の
形態３である電子顕微鏡観測システムの概略構成を示す
説明図である。

【００４７】同図に示すように、サンプル基体１Ｃ、３
次元観察用サンプル領域２及びサンプル補助部８からな
る電子顕微鏡用サンプル３３を回転可能なサンプル台６
に装着する。この際、実施の形態１同様、四角柱構造の
サンプル基体１Ｃの底面を回転可能なサンプル台６の回
転軸中心部上に装着する。

【００４８】サンプル基体１Ｃの表面領域上にはサンプ
ル基体１Ｃの底面より表面形状が一回り小さい正方形の
角柱構造のサンプル補助部８が形成される。

【００４９】サンプル補助部８の表面中心領域上には、
観察対象微細構造物の四方断面が切り出された四角柱構
造の３次元観察用サンプル領域２が形成されている。こ
の３次元観察用サンプル領域２の底面はサンプル補助部
８の底面よりも小さい正方形状を呈している。

【００５０】一方、実施の形態１と同様、３次元観察用
サンプル領域２の側面に電子ビーム５が照射可能な位置
に対物レンズ３を配置し、二次電子５２が検出可能な位
置に検出器４を配置する。

【００５１】このような構成において、対物レンズ３か
ら電子ビーム５を３次元観察用サンプル領域２の側面に
照射することにより、実施の形態１と同様、二次電子５
２に基づくＳＥＭによる観察、あるいは透過電子５１に
基づくＴＥＭによる観察が行える。

【００５２】さらに、実施の形態１同様、サンプル台６
を９０度毎に回転させた後、ＳＥＭあるいはＴＥＭよっ
て観察することにより、３次元観察用サンプル領域２の
４側面から観察対象微細構造物７の４つの断面形状を認
識することができる。

【００５３】このように、実施の形態３による半導体デ
バイスの観察方法によって、実施の形態１と同様、一つ
の電子顕微鏡用サンプル３３（サンプル基体１Ｃ、サン
プル補助部８及び３次元観察用サンプル領域２）を用い
て、半導体デバイスの観察対象微細構造物７の４つの断
面形状の観察に基づく３次元的な評価を行うことができ
る。

【００５４】図１０〜図１７は電子顕微鏡用サンプル３
３の切り出し方法を示す平面図あるいは断面図である。
図１０，図１２、図１４及び図１６は平面図であり、図
１１，図１３、図１５及び図１７はそれぞれ図１０，図
１２、図１４及び図１６のＤ−Ｄ，Ｅ−Ｅ、Ｆ−Ｆ及び
Ｇ−Ｇ断面を示す断面図である。以下、これらの図を参
照して３次元観察用サンプル領域２の切り出し方法を説
明する。

【００５５】図１０及び図１１に示すように、Ｓｉ基板
９の表面の中心部に半導体デバイスの観察対象微細構造
物７が存在すると仮定する。

【００５６】そして、図１２及び図１３に示すように、
観察対象微細構造物７を包括するかなり大きな四方領域
をダイサーによるダイシング加工で、Ｓｉ基板９の表面
から裏面にかけて切り出してサンプル基体１Ｃを得る。

【００５７】そして、図１４及び図１５に示すように、
サンプル基体１Ｃの表面から、ダイサーによるダイシン
グ加工でサンプル基体１Ｃの外周領域を数μｍ程度の
幅、で数十μｍ程度の深さで切り込む。したがって、サ
ンプル基体１Ｃの上層部の切り込み領域１２が除去され
た領域が、底面がサンプル基体１Ｃより一回り（切り込
み領域１２の厚み分）小さい正方形の角柱構造のサンプ
ル補助部８となる。

【００５８】次に、図１６及び図１７に示すように、サ
ンプル補助部８の上層部に対して、ＦＩＢ加工によっ
て、観察対象微細構造物７を含む０．１μｍ四方の平面
形状を、観察対象微細構造物７の形成深さ以上（数μ
ｍ）の深さかつ切り込み領域１２より浅くで切り出して
３次元観察用サンプル領域２を得る。

【００５９】このように実施の形態３の観察方法では、
ダイサーによるダイシング加工によってサンプル基体１
Ｃ及びサンプル補助部８を得た後、ＦＩＢ加工によって
３次元観察用サンプル領域２を得ることにより電子顕微
鏡用サンプル３３を切り出したため、ＦＩＢ加工のみに
よって電子顕微鏡用サンプル３１を得た実施の形態１よ
り加工時間の短縮を図ることができる。

【００６０】また、実施の形態３では、電子顕微鏡用サ
ンプル３３がサンプル基体１Ｃ及びサンプル補助部８を
有し、サンプル基体１Ｃ及びサンプル補助部８は比較的
強度の高い四角柱構造を呈しているため、実施の形態１
の電子顕微鏡用サンプル３１に比べて強度が高い構造と
なる。

【００６１】さらに、電子顕微鏡用サンプル３３は、３
次元観察用サンプル領域２を中心としサンプル補助部
８、サンプル基体１Ｃの順で平面形状が広くなるピラミ
ッド状の構造を呈している。したがって、電子顕微鏡用
サンプル３３のサンプル台６の立設方向に対して垂直方
向に配置される表面が凸状の対物レンズ３を、電子顕微
鏡用サンプル３３に接触することなく３次元観察用サン
プル領域２の近傍に配置することが比較的容易にできる
ため、精度良く３次元観察用サンプル領域２に電子ビー
ム５を照射することができる。

【００６２】＜実施の形態４＞図１８〜図２５は、この
発明の実施の形態４である電子顕微鏡用サンプル３４の
切り出し方法を示す平面図あるいは断面図である。図１
８，図２０、図２２及び図２４は平面図であり、図１
９，図２１、図２３及び図２５はそれぞれ図１８，図２
０、図２２及び図２４のＤ−Ｄ，Ｅ−Ｅ、Ｆ−Ｆ及びＧ
−Ｇ断面を示す断面図である。以下、これらの図を参照
して３次元観察用サンプル領域２の切り出し方法を説明
する。なお、実施の形態４の電子顕微鏡観測システムの
構成及びサンプル試料３４は、それぞれ図９で示した実
施の形態３の電子顕微鏡観測システム及び電子顕微鏡用
サンプル３３と全く同一である。

【００６３】図１８及び図１９に示すように、Ｓｉ基板
９の表面の中心部に半導体デバイスの観察対象微細構造
物７が存在すると仮定する。

【００６４】そして、図２０及び図２１に示すように、
ダイサーによるダイシング加工によって、Ｓｉ基板９の
観察対象微細構造物７を中心として、Ｓｉ基板９が９領
域に分割されるように十μｍ程度の深さで、数μの幅で
切り込み溝１３を掘る。

【００６５】そして、図２２及び図２３に示すように、
観察対象微細構造物７を包括し、かつ切り込み溝１３の
外周に一致する正方形の領域をダイサーによるダイシン
グ加工で、Ｓｉ基板９の表面から裏面にかけて切り出し
てサンプル基体１Ｃを得る。

【００６６】この際、サンプル基体１Ｃの外周領域に切
り込み溝１３が位置するようにダイシング加工されたた
め、サンプル基体１Ｃの上層部の切り込み溝１３が除去
された領域がサンプル基体１Ｃより一回り小さい正方形
の角柱構造のサンプル補助部８となる。

【００６７】次に、図２４及び図２５に示すように、サ
ンプル補助部８の上層部に対し、ＦＩＢ加工によって、
観察対象微細構造物７を含む０．１μｍ四方の平面形状
を、観察対象微細構造物７の形成深さ以上（数μｍ）、
かつ切り込み溝１３より浅い深さで切り出して３次元観
察用サンプル領域２を得る。

【００６８】このように実施の形態４の観察方法では、
ダイシング加工によってサンプル基体１Ｃ及びサンプル
補助部８を得た後、ＦＩＢ加工によって３次元観察用サ
ンプル領域２を得ることによりサンプル試料３４を切り
出したため、ＦＩＢ加工のみによって電子顕微鏡用サン
プル３１を得た実施の形態１より加工時間の短縮を図る
ことができる。

【００６９】また、実施の形態４では、実施の形態３同
様、サンプル基体１Ｃ及びサンプル補助部８を比較的広
い平面形状で切り出したため、電子顕微鏡用サンプル３
４の強度が実施の形態１の電子顕微鏡用サンプル３１に
比べて高い。

【００７０】さらに、３次元観察用サンプル領域２を中
心としサンプル補助部８、サンプル基体１Ｃの順で平面
形状が広くなるピラミッド状の電子顕微鏡用サンプルの
構造を得ることにより、実施の形態３と同様、精度良く
３次元観察用サンプル領域２に電子ビーム５を照射する
ことができる。

【００７１】なお、実施の形態３及び実施の形態４で
は、３段のピラミッド状に電子顕微鏡用サンプル３３及
び３４を構成した例を示したが、サンプル補助部を２つ
以上形成することによって、４段以上のピラミッド構造
の電子顕微鏡用サンプルを形成することも勿論可能であ
る。

【００７２】＜実施の形態５＞図２６はこの発明の実施
の形態５である電子顕微鏡観測システムの概略構成を示
す説明図である。

【００７３】同図に示すように、サンプル基体１Ｃ、サ
ンプル補助部８及び３次元観察用サンプル領域２Ｃから
なる電子顕微鏡用サンプル３５を回転可能なサンプル台
６に立設配置する。この際、実施の形態１同様、四角柱
構造のサンプル基体１Ｃの底面を回転可能なサンプル台
６の回転軸Ｑ上に装着する。

【００７４】サンプル基体１Ｃの表面領域上にはサンプ
ル基体１Ｃより表面形状が一回り小さい四角柱構造のサ
ンプル補助部８が形成される。

【００７５】サンプル補助部８の表面中心領域上には観
察対象微細構造物の断面が円状に切り出された円柱状の
３次元観察用サンプル領域２Ｃが形成されている。

【００７６】一方、実施の形態１と同様、３次元観察用
サンプル領域２Ｃの側面に電子ビーム５が照射可能な位
置に対物レンズ３を配置し、二次電子５２が検出可能な
位置に検出器４を配置する。

【００７７】上述した実施の形態５の観測システムの構
成は、図９で示した実施の形態３の観測システムと同様
であり、電子顕微鏡用サンプル３５は３次元観察用サン
プル領域２Ｃが円柱状であることを除いて電子顕微鏡用
サンプル３３と同様であるため、実施の形態３と同等の
効果を得ることができる。

【００７８】さらに、３次元観察用サンプル領域２Ｃは
円柱状に形成されているため、サンプル台６を適宜に回
転させながら、ＳＥＭあるいはＴＥＭよって観察するこ
とにより、３次元観察用サンプル領域２Ｃの側面を均一
性良く、より多くの観測点から連続的に観測することが
可能となる。

【００７９】ただし、実施の形態１ないし実施の形態４
における角柱構造の３次元観察用サンプル領域２の方が
円柱構造に比べてＦＩＢ加工によって精度よく加工する
ことができる。

【００８０】＜実施の形態６＞図２７はこの発明の実施
の形態６である電子顕微鏡観測システムの概略構成を示
す説明図である。

【００８１】同図に示すように、図２６で示した観測シ
ステムと同様な構成を呈している。ただし、サンプル基
体１Ｃ、３次元観察用サンプル領域２Ｃ及びサンプル補
助部８からなる電子顕微鏡用サンプルは薬液処理によっ
て層間絶縁膜が一部除去されている。

【００８２】上述した実施の形態６の観測システムの構
成は、電子顕微鏡用サンプル（特に３次元観察用サンプ
ル領域２Ｃ）が薬液処理された点を除いて、図２６で示
した実施の形態５の観測システムと同様であるため、実
施の形態５と同等の効果を得ることができる。

【００８３】半導体デバイスの観察対象微細構造物７の
近傍には通常層間絶縁膜が形成されており、この層間絶
縁膜は電子ビーム５の透過率を下げる等、観察対象微細
構造物７の断面形状の観察精度を劣化させる存在であ
る。

【００８４】したがって、実施の形態６の観測システム
は、実施の形態５の効果に加えて、層間絶縁膜の少なく
とも一部を除去することにより、電子ビーム５の透過率
を上げることができ、ＳＥＭあるいはＴＥＭよって高分
解能な観察を行うことができる。

【００８５】なお、実施の形態６では実施の形態５の電
子顕微鏡用サンプルに対して薬液処理を施した例を示し
たが、実施の形態１〜実施の形態４の電子顕微鏡用サン
プルに対して薬液処理を施しても同様に高分解能な観察
を行うことができる。

【００８６】＜実施の形態７＞図２８はこの発明の実施
の形態７である電子顕微鏡観測システムの概略構成を示
す説明図である。

【００８７】同図に示すように、図２６で示した観測シ
ステムと同様な構成を呈している。ただし、サンプル基
体１Ｃ、３次元観察用サンプル領域２Ｃ及びサンプル補
助部８からなる電子顕微鏡用サンプルは薬液処理によっ
て層間絶縁膜が完全に除去され、観察対象微細構造物７
が露出されている。

【００８８】上述した実施の形態７の観測システムの構
成は、電子顕微鏡用サンプルが薬液処理された点を除い
て、図２６で示した実施の形態５の観測システムと同様
であるため、実施の形態５と同等の効果を得ることがで
きる。

【００８９】さらに加えて、層間絶縁膜が完全に除去さ
れ観察対象微細構造物７が露出されるため、ＳＥＭある
いはＴＥＭよってより高精度な観察を行うことができ
る。

【００９０】この際、３次元観察用サンプル領域２Ｃが
円柱状に形成されていることを利用して、サンプル台６
上で電子顕微鏡用サンプル３７を回転させながら、サン
プル台６の回転に同期して電子ビーム５を照射して、二
次電子、オージェ電子、反射電子等を含む二次電子５２
を検出器４することにより、観察対象微細構造物７の側
壁表面のマッピング情報（特定の物質の分布情報）等の
断面形状の情報を得ることができる。特に、オージェ電
子に基づく観測によって観察対象微細構造物７の側壁表
面のマッピング情報を高精度に得ることができる。

【００９１】なお、実施の形態７では実施の形態５の電
子顕微鏡用サンプルに対して薬液処理を施した例を示し
たが、実施の形態１〜実施の形態４の電子顕微鏡用サン
プルに対して薬液処理を施しても同様に高精度な観察を
行うことができる。

【００９２】＜実施の形態８＞図２９はこの発明の実施
の形態８である電子顕微鏡観測システムのサンプル台の
回転機構部分を示す説明図である。同図に示すように、
サンプル台６上にサンプル基体１Ｃ、サンプル補助部８
及び３次元観察用サンプル領域２かなる電子顕微鏡用サ
ンプル３５が、実施の形態１〜実施の形態７と同様、サ
ンプル台６の回転と共に回転するように配置される。

【００９３】サンプル台６は回転棒２３と中心軸Ｑが一
致するように連結されており、回転棒２３の回転によっ
てサンプル台６が回転する。回転棒２３は軸受２８内に
回転可能に収納され、回転つまみ２７と同軸で直結され
ている。

【００９４】Ｏリング２４はサンプル交換室と軸受２８
との密着性を上げるために、軸受２８の外周に沿って設
けられおり、図２９ではＯリング２４の左側がサンプル
交換室となり右側が外部領域となる。また、Ｏリング２
５は回転棒２３と軸受２８との密着性を上げるために設
けられる。取っ手２６が軸受２８の外部領域側の端部に
設けられ、取っ手２６を引っ張る等により、サンプル台
６をサンプル交換室外部に引き出すことができる。すな
わち、サンプル台６はサイドエントリー型である。

【００９５】このような構成において、回転つまみ２７
を回すことにより、サンプル交換室外部から、電子顕微
鏡用サンプル３８を３６０゜回転させることができる。
すなわち、実施の形態８の観測システムは、サンプル台
６に直結する回転棒２３及び回転つまみ２７を設けるこ
とにより、外部から電子顕微鏡用サンプル３８を任意に
回転させることができる観測システムを構成することが
できる。

【００９６】

【発明の効果】以上説明したように、この発明における
請求項１記載の観測方法は、サンプルの延在する方向に
平行な側面において、異なる方向から第１の荷電粒子が
照射されるので、異なる方向からの前記観察対象構造物
の構造を観測することができる。

【００９７】請求項２記載の観測方法は、サンプルを回
転させることにより、第１の荷電粒子自体の照射方向を
変更することなく、サンプルが複数の方向から第１の荷
電粒子の照射を受けることができる。

【００９８】請求項３記載の観測方法は、サンプルをサ
ンプル台上に所定方向に立設するため、電子顕微鏡をサ
ンプルの側面上から観察可能に固定配置すれば、サンプ
ル台の回転によってサンプルにおけるサンプル領域の任
意の側面上から電子顕微鏡による観察を行うことができ
る。

【００９９】請求項４記載の観測方法は集束イオンビー
ム加工のみによって、半導体基板からサンプルを抽出す
ることができる。

【０１００】請求項５記載の観測方法はサンプル基体の
抽出はダイシング加工によって行うため、集束イオンビ
ーム加工のみの加工に比べ加工時間の短縮を図ることが
できる。

【０１０１】さらに、サンプル基体はサンプル領域の所
定の平面形状より大きな多角形を底面とした角柱状に形
成されるため、サンプル全体の強度向上を図ることがで
きる。

【０１０２】請求項６記載の観測方法はサンプル基体及
びサンプル補助部の抽出はダイシング加工によって行う
ため、集束イオンビーム加工のみの加工に比べ加工時間
の短縮を図ることができる。

【０１０３】さらに、サンプル基体及びサンプル補助部
はそれぞれサンプル領域の所定の平面形状より大きな第
１及び第２の多角形を底面とした角柱状に形成されるた
め、サンプル全体の強度向上を図ることができる。

【０１０４】加えて、サンプルが所定方向に沿って第１
の多角形，第２の多角形及び所定の平面形状の順で小さ
くなるピラミッド上に形成されるため、上記所定方向に
垂直に配置されることが想定される電子顕微鏡の凸上の
対物レンズをサンプル領域の近傍に配置することが容易
になる。

【０１０５】請求項７記載の観測方法はサンプル基体及
びサンプル補助部の抽出はダイシング加工によって行う
ため、集束イオンビーム加工のみの加工に比べ加工時間
の短縮を図ることができる。

【０１０６】さらに、サンプル基体及びサンプル補助部
はそれぞれサンプル領域の所定の平面形状より大きな第
２及び第１の多角形を底面とした角柱状にそれぞれ形成
されるため、サンプル全体の強度向上を図ることができ
る。

【０１０７】加えて、サンプルが所定方向に沿って第２
の多角形，第１の多角形及び所定の平面形状の順で小さ
くなるピラミッド上に形成されるため、所定方向に垂直
に配置されることが想定される電子顕微鏡の凸上の対物
レンズをサンプル領域の近傍に配置することが容易にな
る。

【０１０８】請求項８記載の観測方法において、サンプ
ル領域は角柱状に形成されるため、集束イオンビーム加
工によって精度良く形成することができる。

【０１０９】請求項９記載の観測方法において、サンプ
ル領域は円柱状に形成されるため、その側面から複数の
観測点を多く得ることができ、詳細に渡って観察対象構
造物を観察することができる。

【０１１０】請求項１０記載の観測方法は、サンプル領
域中における層間絶縁膜を除去するステップを含むた
め、電子顕微鏡によって観察対象構造物の断面形状をよ
り高精度に観察することができる。

【０１１１】請求項１１記載の観測方法は、層間絶縁膜
を完全に除去するステップを含むため、電子顕微鏡によ
って観察対象構造物の断面形状をさらに高精度に観察す
ることができる。

【０１１２】請求項１２記載の観測方法は、サンプル領
域が円柱構造で形成されているのを利用して、観察対象
構造物の所定の物質の分布情報という詳細な情報を比較
的容易に認識することができる。

【０１１３】この発明における請求項１３記載の観測シ
ステムは、サンプル台を回転させながら荷電粒子照射手
段により第１の荷電粒子を照射することにより、サンプ
ルの延在する方向に平行な側面において、異なる方向か
ら第１の荷電粒子が照射されるので、荷電粒子観測手段
によって異なる方向からの観察対象構造物の構造を観測
することができる。

【０１１４】請求項１４記載の観測システムのサンプル
台は外部操作によって回転可能なため、外部から容易に
電子顕微鏡によるサンプルの観察点を変更することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態１である電子顕微鏡観
測システムの概略構成を示す説明図である。

【図２】この発明の実施の形態２である電子顕微鏡観
測システムの概略構成を示す説明図である。

【図３】実施の形態２における電子顕微鏡用サンプル
の切り出し方法を示す平面図である。

【図４】図３の断面構造を示す断面図である。

【図５】実施の形態２における電子顕微鏡用サンプル
の切り出し方法を示す平面図である。

【図６】図５の断面構造を示す断面図である。

【図７】実施の形態２における電子顕微鏡用サンプル
の切り出し方法を示す平面図である。

【図８】図７の断面構造を示す断面図である。

【図９】この発明の実施の形態３である電子顕微鏡観
測システムの概略構成を示す説明図である。

【図１０】実施の形態３における電子顕微鏡用サンプ
ルの切り出し方法を示す平面図である。

【図１１】図１０の断面構造を示す断面図である。

【図１２】実施の形態３における電子顕微鏡用サンプ
ルの切り出し方法を示す平面図である。

【図１３】図１２の断面構造を示す断面図である。

【図１４】実施の形態３における電子顕微鏡用サンプ
ルの切り出し方法を示す平面図である。

【図１５】図１４の断面構造を示す断面図である。

【図１６】実施の形態３における電子顕微鏡用サンプ
ルの切り出し方法を示す平面図である。

【図１７】図１６の断面構造を示す断面図である。

【図１８】実施の形態４における電子顕微鏡用サンプ
ルの切り出し方法を示す平面図である。

【図１９】図１８の断面構造を示す断面図である。

【図２０】実施の形態４における電子顕微鏡用サンプ
ルの切り出し方法を示す平面図である。

【図２１】図２０の断面構造を示す断面図である。

【図２２】実施の形態４における電子顕微鏡用サンプ
ルの切り出し方法を示す平面図である。

【図２３】図２２の断面構造を示す断面図である。

【図２４】実施の形態４における電子顕微鏡用サンプ
ルの切り出し方法を示す平面図である。

【図２５】図２４の断面構造を示す断面図である。

【図２６】この発明の実施の形態５である電子顕微鏡
観測システムの概略構成を示す説明図である。

【図２７】この発明の実施の形態６である電子顕微鏡
観測システムの概略構成を示す説明図である。

【図２８】この発明の実施の形態７である電子顕微鏡
観測システムの概略構成を示す説明図である。

【図２９】この発明の実施の形態８である電子顕微鏡
観測システムのサンプル台の回転機構部分を示す説明図
である。

【符号の説明】

１Ａ〜１Ｃサンプル基体、２，２Ｃ３次元観察用サ
ンプル領域、３対物レンズ、４検出器、６サンプ
ル台、７観察対象微細構造物、８サンプル補助部。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】 (a)観察対象構造物を包含し、所定方向
に延在するサンプルが、前記所定方向と非平行の平面内
で互いに異なる複数の方向から第１の荷電粒子の照射を
受けるステップと、 (b)前記照射によって前記サンプルから得られる第２の
荷電粒子を観測して、前記複数の方向から見た前記観察
対象構造物の形状を認識するステップと、を備える観測
方法。
【請求項２】請求項１記載の観測方法であって、前記ステップ(a)は、前記所定方向を回転軸として前記サンプルを回転させな
がら前記複数の方向から前記第１の荷電粒子を受けるス
テップを含む、観測方法。
【請求項３】請求項２記載の観測方法であって、前記観察対象構造物は半導体基板内に形成される半導体
装置の構成物を含み、 (c)前記ステップ(a)前に実行され、集束イオンビーム加
工によって、前記観察対象構造物を包括する所定の平面
形状の領域を所定方向に切り出して、表裏面形状が前記
所定の平面形状で前記所定方向に伸びた柱体構造のサン
プル領域を有する前記サンプルを抽出するステップ、を
さらに備える、観測方法。
【請求項４】請求項３記載の観測方法であって、前記所定方向は前記半導体基板の表面から裏面への方向
を含み、前記ステップ(a)は、集束イオンビーム加工によって、前記観察対象構造物を
包括する前記所定の平面形状の領域を前記半導体基板の
表面から裏面にかけて切り出して、柱体構造の前記サン
プル領域を有する前記サンプルを抽出するステップを含
む、観測方法。
【請求項５】請求項３記載の観測方法であって、前記所定方向は前記半導体基板の表面から裏面への方向
を含み、前記ステップ(a)は、 (a-1)ダイシング加工によって、前記観察対象構造物を
包括する比較的大きな多角形状の領域を前記半導体基板
の表面から裏面にかけて切り出して、角柱構造の前記サ
ンプル基体を抽出するステップと、 (a-2)集束イオンビーム加工によって、前記サンプル基
体の表面から、前記観察対象構造物を包括し前記多角形
状より小さな前記所定の平面形状の領域を前記所定方向
に所定の深さ切り出して、柱体構造の前記サンプル領域
を前記サンプル基体の上層部に得るステップとを含み、
前記サンプルは前記サンプル基体及び前記サンプル領域
を含む、観測方法。
【請求項６】請求項３記載の観測方法であって、前記所定方向は前記半導体基板の表面から裏面への方向
を含み、前記ステップ(a)は、 (a-1)ダイシング加工によって、前記観察対象構造物を
包括する比較的大きな第１の多角形状の領域を前記半導
体基板の表面から裏面にかけて切り出して、角柱状の前
記サンプル基体を抽出するステップと、 (a-2)ダイシング加工によって、前記サンプル基体の表
面から、前記観察対象構造物を包括し前記第１の多角形
より小さな第２の多角形状の領域を前記所定方向に第１
の深さ切り出して、角柱状のサンプル補助部を得るステ
ップと、 (a-3)集束イオンビーム加工によって、前記サンプル補
助部の表面から、前記観察対象構造物を包括し前記第２
の多角形状より小さな前記所定の平面形状の領域を前記
所定方向に前記第１の深さより浅い第２の深さで切り出
して、角柱状の前記サンプル領域とを前記サンプル補助
部の上層部に得るステップとを含み、前記サンプルは前
記サンプル基体、前記サンプル補助部及び前記サンプル
領域を含む、観測方法。
【請求項７】請求項３記載の観測方法であって、前記所定方向は前記半導体基板の表面から裏面への方向
を含み、前記ステップ(a)は、 (a-1)ダイシング加工によって、前記半導体基板の表面
から、前記観察対象構造物を包括する比較的大きな第１
の多角形状の溝を前記所定方向に第１の深さで掘るステ
ップと、 (a-2)ダイシング加工によって、前記第１の多角形の溝
の外周部に一致する第２の多角形状の領域を前記半導体
基板の表面から裏面にかけて切り出して、底面が前記第
１の多角形である角柱状のサンプル補助部と、底面が前
記第２の多角形となる角柱状のサンプル基体とを得るス
テップと、 (a-3)集束イオンビーム加工によって、前記サンプル補
助部の表面から、前記観察対象構造物を包括し前記第１
の多角形状より小さな前記所定の平面形状の領域を前記
所定方向に前記第１の深さより浅い第２の深さで切り出
して、角柱状の前記サンプル領域を前記サンプル補助部
の上層部に得るステップとを含み、前記サンプルは前記
サンプル基体、前記サンプル補助部及び前記サンプル領
域を含む、観測方法。
【請求項８】請求項３ないし請求項７のうちいずれか
１項に記載の観測方法であって、前記所定の形状は所定の多角形を含み、前記サンプル領域は底面が前記所定の多角形で前記所定
方向に伸びた角柱構造の領域を含む、観測方法。
【請求項９】請求項３ないし請求項７のうちいずれか
１項に記載の観測方法であって、前記所定の形状は所定の円形を含み、前記サンプル領域は底面が前記所定の円形で前記所定方
向に伸びた円柱構造の領域を含む、観測方法。
【請求項１０】請求項１ないし請求項９のうちいずれ
か１項に記載の観測方法であって、前記観察対象構造物は層間絶縁膜内に形成される半導体
素子を含み、 (d)前記ステップ(b)の前に実行され、前記サンプル領域
中における前記層間絶縁膜を除去するステップをさらに
備える、観測方法。
【請求項１１】請求項１０記載の観測方法であって、前記ステップ(d)は、前記層間絶縁膜を完全に除去するステップを含む、観測
方法。
【請求項１２】請求項９記載の観測方法であって、前記複数の観察点からの前記電子顕微鏡の観察によっ
て、前記円柱構造の前記サンプル領域の側面全体を観察
可能であり、前記ステップ(b-2)は、前記サンプル台を回転させながら前記サンプル領域の前
記複数の観測点を前記電子顕微鏡で順次観察して、前記
サンプル領域の側面全体から観察された観察対象構造物
の所定の物質の分布情報を認識するステップを含む、観
測方法。
【請求項１３】観察対象構造物を包含し所定方向に延
在するサンプル用の観測システムであって、前記サンプルを前記所定方向に立設配置させた状態で回
転可能なサンプル台と、前記サンプル台上に立設配置された前記サンプルに対
し、前記所定方向と非平行な角度から第１の荷電粒子を
照射する荷電粒子照射手段と、前記荷電粒子照射手段による前記照射によって前記サン
プルから得られる第２の荷電粒子を観測する荷電粒子観
測手段とを備え、前記サンプル台の回転によって、前記所定方向に平行な
前記サンプルの側面と前記第１の荷電粒子の照射方向と
の位置関係を変更することを可能にしたことを特徴とす
る、観測システム。
【請求項１４】請求項１３記載の観測システムであっ
て、前記サンプル台は外部操作によって回転可能なサンプル
台を含む、観測システム。