JP2011038887A - 試料、試料作製方法及び試料作製装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】より明瞭な観察又は分析を可能にする試料、試料作製方法及び試料作製装置を提供すること。
【解決手段】試料作製方法は、第1面10aが上方を向き、コンタクトを有する試料20を、第1面10aが側方ないし下方を向くように試料20の向きを変える回転工程と、試料20に対して、コンタクトの短手方向から集束イオンビームを照射する照射工程とを含む。照射工程において、回転工程により上面を向いた第2面10bに対して集束イオンビームを照射し、コンタクトの延在方向に沿うように試料20に薄膜領域20aを形成する。
【選択図】図1
【解決手段】試料作製方法は、第1面10aが上方を向き、コンタクトを有する試料20を、第1面10aが側方ないし下方を向くように試料20の向きを変える回転工程と、試料20に対して、コンタクトの短手方向から集束イオンビームを照射する照射工程とを含む。照射工程において、回転工程により上面を向いた第2面10bに対して集束イオンビームを照射し、コンタクトの延在方向に沿うように試料20に薄膜領域20aを形成する。
【選択図】図1
Description
本発明は、各種装置で観察又は分析するための試料、該試料を作製する方法及び該試料を作製する装置に関する。特に、本発明は、例えば透過型電子顕微鏡やエネルギー分散型X線分光装置で半導体素子の一部を観察又は分析するための試料、試料作製方法及び試料作製装置に関する。
半導体素子における不良箇所や欠陥は、例えば透過型電子顕微鏡(TEM;Transmission Electron Microscope)を用いて観察される。そこで、TEMで観察するための半導体素子の試料は、集束イオンビーム(FIB;Focused Ion Beam)を用いて作製することができる。
図7に、半導体素子のTEM観察用試料を作製する背景技術に係る試料作製方法を説明するための概略工程図を示す。図8に、図7(a)又は図7(b)の状態における半導体素子又は試料の概略部分断面図を示す。観察対象となる半導体素子50は、半導体基板54と、半導体基板54上に形成された絶縁層55と、半導体基板54上に形成されたコンタクト56を有する。コンタクト56は、上面である第1面50a方向に向かって延在している。
背景技術に係る試料作製方法を説明する。まず、半導体素子50を切削線52で切断し(図7(a))、ターゲット領域51を含むように試料60を切り出す(図7(b))。図7において、ターゲット領域51は、半導体素子50及び試料60の面上にチェック柄で図示してある。次に、試料60を点線62で切削し、ターゲット領域51を薄化する(図7(c)。次に、試料60をCリング等の保持機構(キャリア)72に、半導体素子50の第1面50aを上にして貼り付ける(図7(d))。次に、ターゲット領域51をTEM観察できるように、ターゲット領域51をFIBによって0.1μm〜0.2μm程度に薄膜化又は薄片化する(図7(e))。背景技術においては、このように作製した試料60を用いてターゲット領域51の断面構造をTEMによって観察する。
特許文献1には、TEM観察用の試料作製方法が開示されている。特許文献1に記載の試料作製方法は、半導体基板の厚さ方向の一方側の部分のうち、平面から見て観察対象部分を含む所定領域を除く領域を厚さ方向に所定寸法削り取ることによって観察対象部分を含む凸状部を半導体基板の厚さ方向の一方側に形成する第1工程と、半導体基板をその厚さ方向にエッチングすることによって観察対象部分を含む凸状部の部分を透過型電子顕微鏡で観察可能な程度に薄膜化する第2工程と、を含む。
以下の分析は、本発明の観点から与えられる。
図7に示す工程においては、特許文献1に記載の試料作製方法と同様にして、試料60は、半導体素子50の上面50a側からFIBによってエッチングされている。すなわち、FIBによるエッチングは、コンタクト56側からコンタクト56の延在方向(矢印方向)に沿って行われることになる。図9に、背景技術に係る試料作製方法によって作製した試料のTEM写真を示す。図9に示す矢印は、FIB処理方向を示している。コンタクト56がタングステン(W)のように絶縁層55より硬い金属である場合、コンタクト56が存在する箇所は、エッチングレートが遅くなるので、その下の半導体基板54にはカーテニング57が発生してしまう。ここで、カーテニング(加工筋ともいう)とは、コンタクト57下方の部分が十分にエッチングされずに厚く残ってしまうことをいう。図9において、半導体基板54に存在する筋状の黒い領域がカーテニング57であり、他の領域より厚い領域であることを示している。すなわち、図9は、ターゲット領域51における半導体基板54の厚さにばらつきが生じていることを示している。カーテニング57が発生すると、TEM像においては黒くなってしまうので、ターゲット領域51を観察しにくくなる弊害が生じる。また、エネルギー分散型X線分光分析(EDS;Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy)においては、濃度はターゲット領域51の厚さに依存することになるので、濃度プロファイルを測定すると、カーテニング57によって厚くなった領域は、実際よりもその濃度が濃くみえてしまう。
また、半導体素子がMIM(Metal-Insulator-Metal)構造を有する場合に、金属から絶縁膜方向にFIBエッチングしても絶縁膜の観察像がぼやけてしまう。図10に、MIM構造の概略部分断面図を示す。図11に、背景技術に係る試料作製方法によって作製した試料において、金属から絶縁膜方向にFIBエッチングしたMIM構造のTEM写真を示す。図10に示すMIM構造は、例えばタングステンからなる下部電極としてのコンタクト56と、コンタクト56上に形成された容量絶縁膜59と、容量絶縁膜59上に形成された上部電極としての金属膜58と、を有する。このとき、FIBエッチングが金属膜58から容量絶縁膜59方向(矢印方向)に行われると、金属膜58のエッチングレートが遅いため、図11に示すように、容量絶縁膜59をTEM観察することができなくなってしまう。
さらに、FIBエッチングによって薄膜化されたターゲット領域においては、ビーム上流側から下流側に向けてターゲット領域の厚さが厚くなってしまう。すなわち、図7及び図8に示す形態においては、ターゲット領域51は、半導体素子50の上面50aから半導体基板54に向けて厚くなるようにテーパ化してしまう。このため、EDSによって、絶縁層55から半導体基板54方向(コンタクト56延在方向)に異なる数点における濃度プロファイルを比較しようとしても、厚さが異なるので、正確な比較を実施することができない。
本発明の第1視点によれば、コンタクトを有する試料に対して、コンタクトの短手方向から集束イオンビームを照射する照射工程を含む試料作製方法が提供される。
本発明の第2視点によれば、被観察体又は試料を切削する切削機構と、切削機構によって被観察体から切り出した試料を所定の方向に所定量回転させる回転機構と、回転機構によって回転させた試料を保持する保持機構と、を備える試料作製装置が提供される。
本発明の第2視点によれば、半導体素子を切削し、試料を切り出す第1切削工程と、第1面が上方を向いている試料を、第1面が側方ないし下方を向くように試料の向きを変える回転工程と、試料にダミー基板を接合する接合工程と、試料の少なくとも一部を薄化するように試料を切削すると共に、試料をダミー基板から切り離す第2切削工程と、試料を保持機構に取り付ける取付工程と、を含む工程を自動的に実施する試料作製装置が提供される。
本発明の第3視点によれば、絶縁層と、絶縁層を貫通するコンタクトと、少なくとも一部が薄膜化され、絶縁層及びコンタクトを含む薄膜領域と、を備える試料が提供される。コンタクトは、薄膜領域に沿うと共に、薄膜領域を上側にしたときに側方を向くように延在している。
本発明は、以下の効果のうち少なくとも1つを有する。
本発明によれば、コンタクトの短手方向(例えば延在方向とは垂直方向)からエッチングすることにより、エッチングレートを一定にすることができる。これにより、カーテニングの発生を抑制することができる。また、金属下又は金属間の構造をより明瞭に観察又は分析可能な試料を得ることができる。さらに、コンタクトの延在方向における濃度プロファイルをより正確に比較できるようになる。
上記各視点の好ましい形態を以下に記載する。
上記第1視点の好ましい形態によれば、試料作製方法は、照射工程の前に、第1面が上方を向いている試料を、第1面が側方ないし下方を向くように試料の向きを変える回転工程をさらに含む。照射工程において、回転工程により上面を向いた第2面に対して集束イオンビームを照射し、コンタクトの延在方向に沿うように試料に薄膜領域を形成する。
上記第1視点の好ましい形態によれば、試料作製方法は、回転工程の前に、絶縁層と、絶縁層を貫通し、第1面方向に延在するコンタクトと、を有する半導体素子を切削し、試料を切り出す第1切削工程をさらに含む。試料作製方法は、回転工程の後、かつ照射工程の前に、試料にダミー基板を接合する接合工程と、少なくとも薄膜領域を形成する部分を薄化するように試料を切削すると共に、試料をダミー基板から切り離す第2切削工程と、試料を保持機構に取り付ける取付工程と、をさらに含む。
上記第1視点の好ましい形態によれば、半導体素子は、絶縁層に対して第1面とは反対側に形成された基板をさらに有する。
上記第1視点の好ましい形態によれば、半導体素子は、コンタクトに対して第1面側に形成された絶縁膜と、絶縁膜に対して第1面側に形成された金属膜と、をさらに有する。
上記第2視点の好ましい形態によれば、試料作製装置は、回転機構によって回転させた試料に、ダミー基板を試料に接合する接合機構と、さらに備える。切削機構は、ダミー基板に接合された試料の少なくとも一部を薄化するように試料を切削する。
上記第2視点の好ましい形態によれば、回転機構は、試料の上面が側方ないし下方を向くように試料を回転させる。
上記第2視点の好ましい形態によれば、試料作製装置は、被観察体の切削から、試料を保持機構に保持させるまでを所定の条件に基づいて自動的に実施する。
上記第3視点の好ましい形態によれば、薄膜領域は、絶縁層に隣接して、コンタクトの延在方向の一方の側に形成された基板をさらに含む。
上記第3視点の好ましい形態によれば、薄膜領域は、コンタクトに接して形成された絶縁膜と、絶縁膜に対してコンタクトとは反対側に、絶縁膜に接して形成された金属膜と、をさらに含む。コンタクト、絶縁膜及び金属膜は、側方に向かって配列している。
上記第3視点の好ましい形態によれば、薄膜領域は、集束イオンビームをコンタクトの短手方向から照射することによって形成される。
本発明の試料作製方法の一形態について説明する。図1に、本発明の試料作製方法の一実施形態を説明するための概略工程図を示す。図1に示す形態においては、被観察体10は半導体素子である。図2に、図1(a)又は図1(b)の状態における半導体素子又は試料の概略部分断面図を示す。半導体素子10は、半導体基板14と、半導体基板14上に形成された絶縁層15と、半導体基板14上に形成され、絶縁層15を貫通するコンタクト16と、を有する。コンタクト16は、半導体基板14から、上面である第1面10aに向かって延在している。
まず、半導体素子10を切削線12で切削機構(例えばダイサー)で切断し(図1(a))、ターゲット領域11を含むように試料20を切り出す(図1(b);第1切削工程)。図1において、ターゲット領域11は、半導体素子10及び試料20の面にチェック柄で図示してある。このとき、試料20における第1面10aは上向き(上面)となっている。また、試料20におけるターゲット領域11の位置は、後のFIB処理により観察箇所をTEM観察できるように、試料20の側面方向に面する切断面のうちの1つの面である第2面10b寄りとなるようにする。
次に、少なくとも第1面10aが上面とならないように、好ましくは、少なくとも第2面10bが上面となるように、試料20を回転させる(図1(c);回転工程)。これにより、ターゲット領域11は、試料20の上側に配置される。また、第1面10aは横向き(側面)となる。図1(b)から図1(c)において試料20は90°回転させているが、例えば、試料20は、第1面10aが上方を向いた図1(b)の状態から、例えば90°〜270°回転させるような向きにしてもよい。この場合、後の照射工程において、コンタクトによってエッチングレートは影響を受けず、カーテニングの発生を抑制することができる。
次に、試料20を切削するため、試料20をダミー基板31の側面に接合する(図1(d);接合工程)。図1(d)に示す形態においては、ダミー基板31は、第1面10aとは反対側の面、すなわち半導体基板14側の面に貼り付けている。ダミー基板31としては、例えば、半導体基板14と同じ材料(例えばSi)等を使用することができる。
次に、FIB処理によりターゲット領域11をTEM観察用薄膜処理できるように、例えば点線で示す切削線22に沿って、切削機構(例えばダイサー)で試料20を薄化する。例えば、ターゲット領域11を含む部分がTEMの電子透過方向に対して例えば20μm〜30μm厚となるように試料20を切削機構で切削する。次に、試料20をダミー基板31から切り取る(図1(e);第2切削工程)。次に、試料20をCリング等の保持機構(キャリア)32に貼り付ける(図1(f);取付工程)。このとき、第2面10bは、上向きにすると共に、TEMの電子透過方向と第1面10aの延在方向とが同方向(平行)となるようにする。コンタクト16は、キャリア32に対して側方に向かって延在している。また、ターゲット領域11をFIB処理できる位置に試料20を配置する。
図3に、図1(f)の状態における試料20の概略部分断面図を示す。次に、ターゲット領域11をTEM観察できるように、第2面10bから(図3に示す矢印方向から)FIB処理して、ターゲット領域11に例えば0.1μm〜0.2μm厚の薄膜領域20aを形成する(図1(g);照射工程)。このとき、FIB処理は、図1(a)に示す半導体素子10の側面方向から施すことになる。すなわち、コンタクト16の短手方向からFIBを照射することになる。なお、本発明において、寸法は、Å単位であれば、例えばTEMや走査型電子顕微鏡(SEM;Scanning Electron Microscope)によって測定することができ、nmやμm単位であれば、例えばエリプソメータを用いて測定することができる。
これにより、試料20の薄膜領域20aは、薄膜化された半導体基板14、絶縁層15及びコンタクト16を有すると共に、コンタクト16に沿うように形成される。コンタクト16は、薄膜領域20aを上側にしたときに側方を向くように延在している。
本発明の試料作製方法においては、半導体素子10の側面方向からFIB処理を施すことになる。これにより、絶縁層15及びコンタクト16におけるエッチングレートを一定にすることができる。また、薄膜領域20aにおける半導体基板14にカーテニングが発生することを防止することができる。
また、本発明の試料作製方法によれば、コンタクト16の延在方向に沿った薄膜領域20aの厚さを一定にすることができる。これにより、例えば、薄膜領域20aにおけるコンタクト16の延在方向に沿った異なる数点の濃度プロファイル比較をより正確に実施できるようになる。
半導体素子10は、MIM構造を有するものであってもよい。図4に、図1(a)又は図1(b)の状態における半導体素子10又は試料20におけるMIM構造の概略部分断面図を示す。例えば、図1(a)に示す向きにおいて、半導体素子10は、図3に示すように、下部電極としてのコンタクト16と、コンタクト16上方に上部電極としての金属膜18と、コンタクト16と金属膜18との間に配された絶縁膜19と、を有してもよい。図5に、図1(f)又は図1(g)の状態におけるFIB処理する際のMIM構造の概略断面図を示す。この場合、図1(f)又は図1(g)に示す状態においては、MIM構造は、図5に示すように、コンタクト16、絶縁膜19及び金属膜18は、側方(第1面10a)に向かって順に配列することになる。したがって、FIB処理は、図5に示す矢印方向から施すことになるので、絶縁膜19は、金属膜18のエッチングレートに影響されること無く、エッチングされることになる。これにより、絶縁膜19をより明瞭に観察又は分析することができるようになる。
次に、本発明の試料作製装置の一実施形態について説明する。試料作製装置は、図1(a)及び図1(d)に示す工程において、被観察体である半導体素子10や試料20を切削する切削機構(例えばダイサー)と、図1(b)に示す工程において、試料20を所定の方向に所定量(例えば90°〜270°)回転させる回転機構と、図1(d)に示す工程において、試料20にダミー基板31を接合する接合機構と、図1(f)及び図1(g)において試料20を保持する保持機構(キャリア)32と、を備える。試料作製装置は、図1(a)〜図1(f)に示す工程を所定の条件に基づいて自動的に実施することができると好ましい。
回転機構としては、例えば、試料20を挟持して、試料20を所定方向に所定角度回転させる機構を適用することができる。
上記各機構により、試料作製装置は、第1切削工程と、回転工程と、接合工程と、第2切削工程と、取付工程と、を含む工程を自動的に実施する。
本発明の試料作製方法によって得られた試料は、半導体基板にカーテニングを有していない。MIM構造における絶縁膜は、金属のエッチングレートの遅さによる影響を受けずにエッチングされている。これにより、本発明の試料によれば、より明瞭な観察又は分析を実施することができるようになる。
なお、本発明において、コンタクトとは、絶縁層を貫通する金属配線であればよく、例えばビア、スルーホールと呼ばれるものも含むものとする。また、本発明におけるコンタクトの材料は、特に限定されるものではないが、本発明は、コンタクトが絶縁層よりも硬い材料のときに有用であり、例えばタングステンのようにより硬い金属を用いる場合に特に有用である。
図6に、本発明の試料作製方法によって作成した試料のTEM写真を示す。試料20は、上述の実施形態と同様に、半導体基板14と、絶縁層15と、コンタクト16と、を有する。図6に示す矢印は、FIB処理の方向を示している。背景技術係る試料作製方法によれば、図9に示すように、半導体基板54にはカーテニングが発生することになるが、本発明の試料作製方法によれば、図6に示すように、半導体基板14にはカーテニングは確認されていない。これにより、本発明によれば、試料をより明確に観察又は分析することが可能となる。
本発明の試料、試料作製方法及び試料作製装置は、上記実施形態に基づいて説明されているが、上記実施形態に限定されることなく、本発明の範囲内において、かつ本発明の基本的技術思想に基づいて、上記実施形態に対し種々の変形、変更及び改良を含むことができることはいうまでもない。また、本発明の請求の範囲の枠内において、種々の開示要素の多様な組み合わせ・置換ないし選択が可能である。
本発明のさらなる課題、目的及び展開形態は、請求の範囲を含む本発明の全開示事項からも明らかにされる。
10 被観察体(半導体素子)
10a 第1面
10b 第2面
11 ターゲット領域
12 切削線
14 半導体基板
15 絶縁層
16 コンタクト
18 金属膜
19 絶縁膜
20 試料
20a 薄膜領域
22 切削線
31 ダミー基板
32 保持機構
50 被観察体(半導体素子)
50a 第1面
50b 第2面
51 ターゲット領域
52 切削線
54 半導体基板
55 絶縁層
56 コンタクト
57 カーテニング
58 金属膜
59 容量絶縁膜
60 試料
62 切削線
72 保持機構
10a 第1面
10b 第2面
11 ターゲット領域
12 切削線
14 半導体基板
15 絶縁層
16 コンタクト
18 金属膜
19 絶縁膜
20 試料
20a 薄膜領域
22 切削線
31 ダミー基板
32 保持機構
50 被観察体(半導体素子)
50a 第1面
50b 第2面
51 ターゲット領域
52 切削線
54 半導体基板
55 絶縁層
56 コンタクト
57 カーテニング
58 金属膜
59 容量絶縁膜
60 試料
62 切削線
72 保持機構
Claims (14)
- コンタクトを有する試料に対して、前記コンタクトの短手方向から集束イオンビームを照射する照射工程を含むことを特徴とする試料作製方法。
- 前記照射工程の前に、
第1面が上方を向いている前記試料を、前記第1面が側方ないし下方を向くように前記試料の向きを変える回転工程をさらに含み、
前記照射工程において、前記回転工程により上面を向いた第2面に対して前記集束イオンビームを照射し、前記コンタクトの延在方向に沿うように前記試料に薄膜領域を形成することを特徴とする請求項1に記載の試料作製方法。 - 前記回転工程の前に、
絶縁層と、前記絶縁層を貫通し、前記第1面方向に延在する前記コンタクトと、を有する半導体素子を切削し、前記試料を切り出す第1切削工程をさらに含み、
前記回転工程の後、かつ前記照射工程の前に、
前記試料にダミー基板を接合する接合工程と、
少なくとも前記薄膜領域を形成する部分を薄化するように前記試料を切削すると共に、前記試料を前記ダミー基板から切り離す第2切削工程と、
前記試料を保持機構に取り付ける取付工程と、をさらに含むことを特徴とする請求項2に記載の試料作製方法。 - 前記半導体素子は、前記絶縁層に対して前記第1面とは反対側に形成された基板をさらに有することを特徴とする請求項3に記載の試料作製方法。
- 前記半導体素子は、前記コンタクトに対して前記第1面側に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜に対して前記第1面側に形成された金属膜と、をさらに有することを特徴とする請求項3又は4に記載の試料作製方法。
- 被観察体又は試料を切削する切削機構と、
前記切削機構によって前記被観察体から切り出した試料を所定の方向に所定量回転させる回転機構と、
前記回転機構によって回転させた前記試料を保持する保持機構と、を備えることを特徴とする試料作製装置。 - 前記回転機構によって回転させた前記試料に、ダミー基板を前記試料に接合する接合機構と、さらに備え、
前記切削機構は、前記ダミー基板に接合された前記試料の少なくとも一部を薄化するように前記試料を切削することを特徴とする請求項6に記載の試料作製装置。 - 前記回転機構は、前記試料の上面が側方ないし下方を向くように前記試料を回転させることを特徴とする請求項6又は7に記載の試料作製装置。
- 前記被観察体の切削から、前記試料を前記保持機構に保持させるまでを所定の条件に基づいて自動的に実施することを特徴とする請求項6〜8のいずれか一項に記載の試料作製装置。
- 半導体素子を切削し、試料を切り出す第1切削工程と、
第1面が上方を向いている前記試料を、前記第1面が側方ないし下方を向くように前記試料の向きを変える回転工程と、
前記試料にダミー基板を接合する接合工程と、
前記試料の少なくとも一部を薄化するように前記試料を切削すると共に、前記試料を前記ダミー基板から切り離す第2切削工程と、
前記試料を保持機構に取り付ける取付工程と、
を含む工程を自動的に実施することを特徴とする試料作製装置。 - 絶縁層と、
前記絶縁層を貫通するコンタクトと、
少なくとも一部が薄膜化され、前記絶縁層及び前記コンタクトを含む薄膜領域と、を備え、
前記コンタクトは、前記薄膜領域に沿うと共に、前記薄膜領域を上側にしたときに側方を向くように延在していることを特徴とする試料。 - 前記薄膜領域は、前記絶縁層に隣接して、前記コンタクトの延在方向の一方の側に形成された基板をさらに含むことを特徴とする請求項11に記載の試料。
- 前記薄膜領域は、前記コンタクトに接して形成された絶縁膜と、前記絶縁膜に対して前記コンタクトとは反対側に、前記絶縁膜に接して形成された金属膜と、をさらに含み、
前記コンタクト、前記絶縁膜及び前記金属膜は、側方に向かって配列していることを特徴とする請求項11又は12に記載の試料。 - 前記薄膜領域は、集束イオンビームを前記コンタクトの短手方向から照射することによって形成されたことを特徴とする請求項11〜13のいずれか一項に記載の試料。
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JP2015533255A (ja) * | 2012-10-05 | 2015-11-19 | エフ・イ−・アイ・カンパニー | 荷電粒子ビーム試料作製におけるカーテニングを低減させる方法およびシステム |
CN106018022A (zh) * | 2016-05-17 | 2016-10-12 | 上海华力微电子有限公司 | 一种平面tem样品的制备方法 |
JP2018194469A (ja) * | 2017-05-18 | 2018-12-06 | 住友ゴム工業株式会社 | 試料の観察方法 |
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2009
- 2009-08-10 JP JP2009186015A patent/JP2011038887A/ja not_active Withdrawn
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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