JP4851804B2

JP4851804B2 - 集束イオンビーム加工観察装置、集束イオンビーム加工観察システム及び加工観察方法

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Publication number: JP4851804B2
Application number: JP2006035507A
Authority: JP
Inventors: 裕也鈴木; 武夫上野; 紀恵矢口; 充今野; 毅大西
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2006-02-13
Filing date: 2006-02-13
Publication date: 2012-01-11
Anticipated expiration: 2026-02-13
Also published as: US20070187597A1; US7612337B2; JP2007214088A

Description

本発明は、集束イオンビームに関する。例えば、試料の表面構造情報、内部構造情報および内部組成情報を同時に取得できる機能を有する集束イオンビーム加工観察装置に関し、また、それら試料構造および組成情報の取得と集束イオンビーム加工とを複数の装置を用いて行う試料加工方法および試料観察方法に関するものである。

近年の半導体デバイスの微細化に伴い、構造解析には電子顕微鏡が不可欠となっている。また、電子顕微鏡像観察用試料を作製するために、集束イオンビーム加工もまた不可欠となっている。集束イオンビーム加工を行うには、走査イオン顕微鏡像を撮像して加工位置を指定することが一般的である。一方で、近年、多層化・複雑化の進む半導体デバイスにおいて、走査イオン顕微鏡像を用いるのみでは、試料表面の情報しか把握できないため、加工位置設定が困難になっている。そこで、特許文献１や特許文献２に記載されているように、別手法から得た画像を走査イオン顕微鏡像に重ね合わせる方法が用いられるようになってきた。ここで、別手法とは、光学顕微鏡像やＣＡＤを用いる手法である。

特開２０００−２２３０６１号公報特開平７−２９５３５号公報

しかしながら、昨今では9〜10層の多層配線を持つ半導体材料もあり、上記した別手法で得た画像を材料上部より重ねる方法によっても、加工位置の特定が困難である場合がある。特に、70nmノードの半導体製造ラインが立ち上がりつつある現在では、光学顕微鏡の分解能では加工位置の特定が困難になっている。また、ＣＡＤの情報は、設計通りに製造されている半導体材料には適用できるが、予め形態を予測しておくことが困難な異常箇所や故障箇所には適用できない。

本発明は、試料の同一視野から表面構造情報、内部構造情報および内部組成情報を同時に取得できる機能を有する集束イオンビーム加工観察装置を提供し、また、この集束イオンビーム加工観察装置を用いて試料の多方向から取得される試料の構造および組成に関する情報を基づき試料加工位置を正確に設定して、試料加工および試料観察を行う方法を提供しようとするものである。

本発明では、集束イオンビーム加工観察装置に試料表面構造情報を得る手段として走査電子あるいは走査イオン励起の二次電子像検出器を、試料内部構造情報を得る手段として透過電子検出器を、試料組成情報を得る手段としてエネルギー分散型Ｘ線分光器あるいは電子線エネルギー損失分光器を備えつける。また、試料を多方向から観察するため、試料回転機能および試料傾斜機能を備えた試料台を用いる。走査電子と走査イオンにおける倍率補正は、試料表面構造情報を有する走査電子励起の二次電子像と、走査イオン励起の二次電子像とを比較することで行う。画像の重ね合わせにおいては、すべての観察モードおよびすべての観察方位から認識可能なマーキング加工を行うことで重ね合わせを容易にする。

本発明によれば、解析箇所から摘出した試料の多方向から取得した表面構造情報、内部構造情報および内部組成情報にあわせて適切な集束イオンビーム加工位置を設定し、これに基づいて試料加工および試料観察を行うことができる。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の集束イオンビーム加工観察装置および試料加工方法、試料観察方法を実施するための最良の形態を詳細に説明する。図１〜図５は、本発明の実施の形態を例示する図であり、これらの図において、同一の符号を付した部分は同一物を表わし、基本的な構成及び動作は同様であるものとする。

以下に示す各実施形態における集束イオンビーム加工観察装置は、試料の同一視野から表面構造情報、内部構造情報および内部組成情報を同時に取得でき、試料台は回転機能および傾斜機能を備え試料を多方向から観察可能であり、また、試料は透過電子が検出できる厚さであるものとする。また、試料構造および組成情報の取得と集束イオンビーム加工とを複数の装置で行う場合には、それぞれの装置が回転機能および傾斜機能を備えた共通の試料台を使用するものとし、さらに、それぞれの装置から得られた画像は自動的に転送され重ね合わされるようになっているものとする。

図１は、本発明の一実施形態に係る集束イオンビーム加工観察装置の構成を概略的に示す図である。図１において、集束イオンビーム加工観察装置１は、集束イオンビーム加工機能としてイオン銃２、コンデンサーレンズ３、走査電極４を含み、試料６の表面構造情報、内部構造情報および内部組成情報を同時に取得できる機能として、電子銃５、コンデンサーレンズ３、走査電極４を含む。走査電極４の下方には試料６が配置される。走査電極４と試料６の間には、走査電子あるいは走査イオン励起の二次電子検出器７が組み込まれている。二次電子検出器７は信号増幅器８および画像処理部９を介して走査像表示部１０に接続されている。また、走査電極４と試料６の間にはＥＤＸ検出器１１も組み込まれている。ＥＤＸ検出器１１は画像処理部９を介して走査像表示部１０に接続されている。走査電極４には走査電源１２が接続されており、走査電源１２には走査像表示部１０が接続されている。

試料６の下方には、暗視野走査透過電子顕微鏡像観察のため円環状の散乱電子検出器１３が配置されている。散乱電子検出器１３は、信号増幅器８および画像処理部９を介して走査像表示部１０に接続されている。散乱電子検出器１３の下方には、電子線１４の光軸に出し入れ可能とした明視野走査透過電子顕微鏡像観察のための透過電子検出器１６が配置されている。透過電子検出器１６は、信号増幅器８と検出器出し入れ制御部１７に接続され、さらに画像処理部９を介して走査像表示部１０に接続されている。また、透過電子検出器１６の下方には磁界プリズム１８およびＥＥＬＳ検出器１９が配置されている。ＥＥＬＳ検出器１９は、信号増幅器８および画像処理部９を介して走査像表示部１０に接続されている。走査像表示部１０は、異なる観察モードの像を同時に別々のウィンドウに表示することができ、また、同一のウィンドウに重ねて表示することも可能である。

試料６は、回転および傾斜機能を有する試料台２０に固定される。移動は接続されている試料台制御部２１で行われる。試料台制御部２１はＣＰＵ処理装置２２に接続されている。ＣＰＵ処理装置２２は装置のレンズ系および画像処理部９に接続されている。

上記のように構成された集束イオンビーム加工観察装置において、イオン銃２から出たイオンビーム１５はコンデンサーレンズ３により集束される。集束されたイオンビーム１５は走査電極４により試料６面上を走査する。イオンビーム１５が試料６に照射されると試料６はスパッタされ、同時に二次電子が放出される。これを二次電子検出器７によって検出し、その検出信号にもとづく像（ＳＩＭ像）を用いて試料６の表面構造観察および加工位置の設定を行う。

一方、電子銃５から出た電子線１４はコンデンサーレンズ３により集束される。集束された電子線１４は走査電極４により試料６面上を走査する。電子線１４が試料６に照射されると試料６から二次電子が放出される。これを二次電子検出器７によって検出し、その検出信号にもとづく像（ＳＥＭ像）を用いて試料６の表面構造観察を行う。また、同様に試料６から放出される特性Ｘ線は、ＥＤＸ検出器１１によって検出し、その検出信号にもとづく元素分布像（ＥＤＸマップ像）を用いて試料６の内部組成情報観察を行う。さらに、試料６によって散乱された電子は、散乱電子検出器１３によって検出し、その検出信号にもとづく像（暗視野ＳＴＥＭ像）を用いて試料６の内部構造および組成情報観察を行う。試料６を透過した電子は、透過電子検出器１６あるいは磁界プリズム１８で分光したのちＥＥＬＳ検出器１９によって検出され、それぞれ透過電子検出器１６からの検出信号にもとづく像（明視野ＳＴＥＭ像）あるいはＥＥＬＳ検出器１９からの検出信号にもとづく元素分布像（ＥＥＬＳマップ像）を用いて、試料６の内部構造および組成情報観察を行う。

図２は、図１に示す集束イオンビーム加工観察装置を用いて試料を加工・観察する手順を概略的に示す図である。図２において、まず、イオンビーム加工法等を用いて、試料６から解析箇所２３の摘出を行う。その後、解析箇所２３を含む試料６を回転機能および傾斜機能を備えた試料台２０に固定し、多方向から電子線１４あるいはイオンビーム１５を用いて、表面構造情報、内部構造情報および内部組成情報を取得する。

図３は、図１に示す集束イオンビーム加工観察装置を用いて試料を加工・観察する手順を詳細に示す図である。以下、その手順を図３に沿って説明する。

（１）試料６の加工方向をイオンビーム方向に合わせ、ＳＩＭ像を撮像する。
（２）（１）において撮像したＳＩＭ像に任意形状の加工領域設定を行う。その後、設定した加工領域２４を加工し、試料６に穴を開けるマーキング２５を行う。ＦＩＢ（集束イオンビーム）加工の穴を用いることで、すべての観察モードで認識可能なマーキング２５とすることができる。
（３）試料６をイオンビーム方向から電子線方向へ傾斜し、試料６の表面構造情報と内部構造情報あるいは内部組成情報とを同時に取得する。このときの表面構造情報はＳＥＭ像から得る。内部構造情報あるいは内部組成情報は暗視野ＳＴＥＭ像、明視野ＳＴＥＭ像、ＥＤＸマップ像、ＥＥＬＳマップ像の中から選択して、マーキング２５が入る同一視野から同時に取得する。
（４）（３）で取得した複数の像は同一視野を同時に取得しているため、重ね合わせは容易に行うことができる。試料６を再びイオンビーム方向に傾斜し、重ね合わせた複数の像のマーキング２５を用いて、ＳＩＭ像の倍率および位置を重ね合わせた像に合わせる。このとき、重ね合わせる画像は画像処理部９にて半透明や色分けを行ってもよい。
（５）（４）にて重ね合わせた像に解析箇所２３を残すように加工領域設定を行い、その後設定した加工領域２４を加工する。
（６）試料６を電子線方向へ傾斜、９０°回転し解析箇所２３の観察および分析を行う。
加工が不十分なときには、（１）〜（５）を繰り返し行ってもよい。

図４は、本発明の他の実施形態に係る集束イオンビーム加工観察システムの構成を概略的に示す図である。図４に示すように、このシステムは、集束イオンビーム加工機能を有する装置２６と、試料表面構造、内部構造および組成情報の同時取得機能を有する装置２７とを含んで構成されている。すなわち、試料構造および組成情報の取得と集束イオンビーム加工とを別々の装置において行うものである。

集束イオンビーム加工機能を有する装置２６は、イオン銃２、コンデンサーレンズ３、走査電極４を含む。走査電極４の下方には試料６が配置される。走査電極４と試料６の間には走査イオン励起の二次電子検出器７が組み込まれている。二次電子検出器７は信号増幅器８および画像処理部９を介して走査像表示部１０に接続されている。走査像表示部１０は、取得した画像および試料表面構造、内部構造および組成情報の同時取得機能を有する装置２７で取得した画像を転送するため、サーバ２８を用いて試料表面構造、内部構造および組成情報の同時取得機能を有する装置２７の走査像表示部１０と接続されている。走査像表示部１０は、取得した画像と転送された画像を同時に別々のウィンドウに表示することができ、また、同一のウィンドウに重ねて表示することも可能である。

試料６は、回転および傾斜機能を有する試料台２０に固定される。移動は接続されている試料台制御部２１で行われる。また、試料台制御部２１はＣＰＵ処理装置２２に接続されている。さらに、ＣＰＵ処理装置２２は装置のレンズ系および画像処理部９に接続されている。

この装置２６において、イオン銃２から出たイオンビーム１５はコンデンサーレンズ３により集束される。集束されたイオンビーム１５は走査電極４により試料６面上を走査する。イオンビーム１５が試料６に照射されると試料６はスパッタされ、同時に二次電子が放出される。これを二次電子検出器７によって検出し、その検出信号にもとづく像（ＳＩＭ像）を用いて試料６の表面構造観察および加工位置の設定を行う。

試料表面構造、内部構造および組成情報の同時取得機能を有する装置２７は、電子銃５、コンデンサーレンズ３、走査電極４を含む。走査電極４の下方には試料６が配置される。走査電極４と試料６の間には、走査電子励起の二次電子検出器７が組み込まれている。二次電子検出器７は、信号増幅器８および画像処理部９を介して走査像表示部１０に接続されている。また、走査電極４と試料６の間には、ＥＤＸ検出器１１も組み込まれている。ＥＤＸ検出器１１は、画像処理部９を介して走査像表示部１０に接続されている。走査電極４には走査電源１２が接続されており、走査電源１２には走査像表示部１０が接続されている。試料６の下方には、暗視野走査透過電子顕微鏡像観察のため円環状の散乱電子検出器１３が配置されている。散乱電子検出器１３は、信号増幅器８および画像処理部９を介して走査像表示部１０に接続されている。散乱電子検出器１３の下方には、電子線１４の光軸に出し入れ可能とした明視野走査透過電子顕微鏡像観察のための透過電子検出器１６が配置されている。透過電子検出器１６は、信号増幅器８と検出器出し入れ制御部１７に接続され、さらに画像処理部９を介して走査像表示部１０に接続されている。また、透過電子検出器１６の下方には、磁界プリズム１８およびＥＥＬＳ検出器１９が配置されている。ＥＥＬＳ検出器１９は、信号増幅器８および画像処理部９を介して走査像表示部１０に接続されている。走査像表示部１０は、集束イオンビーム加工機能を有する装置２６と同様に取得した画像および集束イオンビーム加工機能を有する装置２６で取得した画像を転送するため、サーバ２８を用いて集束イオンビーム加工機能を有する装置２６の走査像表示部１０と接続されている。走査像表示部１０は、異なる観察モードの像を同時に別々のウィンドウに表示することができ、また、同一のウィンドウに重ねて表示することも可能である。さらに、走査像表示部１０は、取得した画像と転送された画像を同時に別々のウィンドウに表示することができ、また、同一のウィンドウに重ねて表示することも可能である。

この装置２７において、電子銃５から出た電子線１４はコンデンサーレンズ３により集束される。集束された電子線１４は走査電極４により試料６面上を走査する。電子線１４が試料６に照射されると、試料６から二次電子が放出される。これを二次電子検出器７によって検出し、その検出信号にもとづく像（ＳＥＭ像）を用いて試料６の表面構造観察を行う。また、同様に試料６から放出される特性Ｘ線は、ＥＤＸ検出器１１によって検出し、その検出信号にもとづく元素分布像（ＥＤＸマップ像）を用いて試料６の内部組成情報観察を行う。さらに、試料６によって散乱された電子は、散乱電子検出器１３によって検出し、その検出信号にもとづく像（暗視野ＳＴＥＭ像）を用いて試料６の内部構造および組成情報観察を行う。それから、試料６を透過した電子は透過電子検出器１６あるいは磁界プリズム１８で分光した後ＥＥＬＳ検出器１９で検出し、それぞれ透過電子検出器１６からの検出信号にもとづく像（明視野ＳＴＥＭ像）あるいはＥＥＬＳ検出器１９からの検出信号にもとづく元素分布像（ＥＥＬＳマップ像）を用いて、試料６の内部構造および組成情報観察を行う。

図５は、図４に示す集束イオンビーム加工観察システムを用いて試料を加工・観察する手順を詳細に示す図である。以下、その手順を図５に沿って説明する。

（１）集束イオンビーム加工機能を有する装置２６にて、イオンビーム方向に試料６の加工方向を合わせ、ＳＩＭ像を撮像する。
（２）（１）において撮像したＳＩＭ像に任意形状の加工領域設定を行う。その後、設定した加工領域２４を加工し、試料６に穴を開けるマーキング２５を行う。ＦＩＢ加工の穴を用いることで、すべての観察モードで認識可能なマーキングとすることができる。
（３）試料６を試料台２０ごと表面構造と内部構造あるいは組成情報の同時取得機能を有する装置２７に移動し、試料６の表面構造情報と内部構造情報あるいは内部組成情報の同時取得を行う。このときの表面構造情報はＳＥＭ像から得る。内部構造情報あるいは内部組成情報は暗視野ＳＴＥＭ像、明視野ＳＴＥＭ像、ＥＤＸマップ像、ＥＥＬＳマップ像の中から選択して、マーキングが入る同一視野から同時に取得する。
（４）（３）で取得した複数の像は同一視野を同時に取得しているため、重ね合わせは容易に行うことができる。試料６を再び集束イオンビーム加工機能を有する装置２６に移動し、表面構造と内部構造あるいは組成情報の同時取得機能を有する装置２７から転送した、重ね合わせた複数の像のマーキングを用いて、ＳＩＭ像の倍率および位置を重ね合わせた像に合わせる。このとき、重ね合わせる画像は画像処理部９にて半透明や色分けを行ってもよい。
（５）（４）にて重ね合わせた像に解析箇所２３を残すように加工領域設定を行い、その後設定した加工領域２４を加工する。
（６）試料６を表面構造と内部構造あるいは組成情報の同時取得機能を有する装置２７に移動し、試料台２０を９０°回転させ解析箇所の観察および分析を行う。
加工が不十分なときには、（１）〜（５）を繰り返し行ってもよい。

以上、本発明の集束イオンビーム加工観察装置および試料加工方法、試料観察方法について、具体的な実施の形態を示して説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。当業者であれば、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、上記各実施形態又は他の実施形態にかかる発明の構成及び機能に様々な変更・改良を加えることが可能である。

本発明の一実施例に係る集束イオンビーム加工観察装置の構成を概略的に示す図である。図１に示す集束イオンビーム加工観察装置を用いて試料を加工・観察する手順を概略的に示す図である。図１に示す集束イオンビーム加工観察装置を用いて試料を加工・観察する手順を詳細に示す図である。本発明の他の実施形態に係る集束イオンビーム加工観察システムの構成を概略的に示す図である。図４に示す集束イオンビーム加工観察システムを用いて試料を加工・観察する手順を詳細に示す図である。

符号の説明

１：集束イオンビーム加工観察装置、２：イオン銃、３：コンデンサーレンズ、４：走査電極、５：電子銃、６：試料、７：二次電子検出器、８：信号増幅器、９：画像処理部、１０：走査像表示部、１１：ＥＤＸ検出器、１２：走査電源、１３：散乱電子検出器、１４：電子線、１５：イオンビーム、１６：透過電子検出器、１７：検出器出し入れ制御部、１８：磁界プリズム、１９：ＥＥＬＳ検出器、２０：試料台、２１：試料台制御部、２２：ＣＰＵ処理装置、２３：解析箇所、２４：加工領域、２５：マーキング、２６：集束イオンビーム加工機能を有する装置、２７：試料表面構造、内部構造および組成情報の同時取得機能を有する装置、２８：サーバ

Claims

イオンビームを生成するイオンビーム源と、
電子ビームを生成する電子源と、
試料がイオンビーム方向に向けられているとき、試料に対する走査イオン励起の二次電子像に基づいて試料上にマークの加工領域を設定すると共に、設定位置にマークを加工する手段と、
試料が電子ビーム方向に向けられているとき、試料に対して電子ビームを走査した結果に基づいて、試料の表面構造情報と試料の内部組成情報とを取得する手段と、
試料が電子ビーム方向に向けられているとき、前記マークを含むように電子ビームを走査することにより取得した試料の表面構造情報と試料の内部組成情報を重ね合わせた像を生成する手段と、
試料がイオンビーム方向に向けられているとき、前記マークを含むように取得した走査イオン励起の二次電子像と、前記試料の表面構造情報と前記試料の内部組成情報を重ね合わせた像に基づいて試料の加工位置を設定し、集束イオンビームを用いて試料の加工を行う手段と、
を備え、
前記試料の表面構造情報を取得する手段として、走査電子励起及び走査イオン励起の二次電子像の検出器を備え、
前記試料の内部組成情報を取得する手段として、エネルギー分散型Ｘ線分光器、電子線エネルギー損失分光器、透過電子検出器のうち少なくとも１つを備えていることを特徴とする集束イオンビーム加工観察装置。
試料が電子ビーム方向に向けられているとき、試料の表面構造情報は、試料に対する走査電子励起の二次電子像に基づいて取得し、
試料の内部組成情報は、試料に対する走査電子励起の特性Ｘ線から得られる元素分布像、散乱電子の像、透過電子の像、透過電子から得られる元素分布像のうち少なくとも１つに基づいて取得することを特徴とする請求項１に記載の集束イオンビーム加工観察装置。
試料を固定する試料台であって、
イオン源及び電子源それぞれに試料の一表面を対向させることができ、固定面を回転させることができる試料台を備えていることを特徴とする請求項１に記載の集束イオンビーム加工観察装置。
試料に対する走査イオン励起の二次電子像に基づいて試料上にマークの加工領域を設定する手段と、集束イオンビームを用いて試料の設定位置にマークを加工する手段と、試料を固定した試料台を駆動する手段とを備えた第１の装置と、
前記マークを含むように試料に対して電子ビームを走査した結果に基づいて、試料の表面構造情報と、試料の内部組成情報とを取得する手段と、試料を固定した試料台を駆動する手段とを備えた第２の装置と、
を備えた集束イオンビーム加工観察システムであって、
前記第１の装置は、前記マークを含むように取得した走査イオン励起の二次電子像と、前記第２の装置において取得した試料の表面構造情報と試料の内部組成情報とを重ね合わせた像に基づいて試料の加工位置を設定し、加工を行うことを特徴とする集束イオンビーム加工観察システム。
前記第２の装置において、
試料の表面構造情報は、試料に対する走査電子励起の二次電子像に基づいて取得し、
試料の内部組成情報は、試料に対する走査電子励起の特性Ｘ線から得られる元素分布像、散乱電子の像、透過電子の像、透過電子から得られる元素分布像のうち少なくとも１つに基づいて取得することを特徴とする請求項４に記載の集束イオンビーム加工観察システム。
前記第２の装置は、
試料の表面構造情報を取得する手段として、走査電子励起の二次電子像の検出器を備え、
試料の内部組成情報を取得する手段として、エネルギー分散型Ｘ線分光器、電子線エネルギー損失分光器、透過電子検出器のうち少なくとも１つを備えていることを特徴とする請求項４又は５に記載の集束イオンビーム加工観察システム。
集束イオンビームを用いて加工観察を行う方法であって、
試料に対する走査イオン励起の二次電子像に基づいて試料にマークの加工領域を設定すると共に、設定位置にマークを加工し、
前記マークを含むように試料に対して電子ビームを走査した結果に基づいて取得された試料の表面構造情報と試料の内部組成情報を重ね合わせた像を生成し、
前記マークを含むように取得した走査イオン励起の二次電子像と、前記試料の表面構造情報と前記試料の内部組成情報を重ね合わせた像に基づいて試料の加工位置を設定し、集束イオンビームを用いて試料の加工を行う加工観察方法。
試料の内部組成情報と共に取得する試料の表面構造情報は、試料に対する走査電子励起の二次電子像に基づいて取得し、
試料の内部組成情報は、試料に対する走査電子励起の特性Ｘ線から得られる元素分布像、散乱電子の像、透過電子の像、透過電子から得られる元素分布像のうち少なくとも１つに基づいて取得することを特徴とする請求項７に記載の加工観察方法。
集束イオンビームを用いて、試料の表面構造情報及び内部組成情報のいずれにおいても認識可能なマークを試料に加工し、
当該マークを基準として、前記取得された試料の表面構造情報と試料の内部組成情報とを重ね合わせた像を生成することを特徴とする請求項７に記載の加工観察方法。