JP5695818B2 - 断面加工方法及び断面観察試料の製造方法 - Google Patents
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Description
ところで、表面に凹凸がある試料の断面加工を行うと、凹凸の影響によってFIBによるエッチング速度が変化し、切断面に縦筋が生じるという問題がある。そこで、断面加工を行う前に、FIBで誘起したCVD(化学的蒸着)により試料表面に膜を付ける技術が知られている(特許文献1)。
一方、近年、例えば半導体プロセスにおいて、レジストパターンが精度よく形成されているかを確認するため、表面にレジストパターンが形成されている試料の断面加工やTEM用試料の作製をFIBで行いたいという要望がある。
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、表面に有機物が形成されている試料の断面を精度よく得ることができる断面加工方法及び断面観察試料の製造方法の提供を目的とする。
このような構成とすると、保護膜を形成する際、試料表面の有機物へのイオンビームによるダメージを少なくし、有機物の損傷を防止して精度の高い試料の断面を得ることができる。
このような構成とすると、試料表面の有機物に最初に保護膜を形成する際のイオンビームによるダメージを少なくし、有機物の損傷を防止して精度の高い試料の断面を得ることができる。又、最初に保護膜を形成した後は高い加速電圧で効率よく保護膜を形成することができる。
このような構成とすると、断面加工位置の位置合わせのために試料表面の有機物に電子ビーム又はイオンビームを照射する必要がなく、これら有機物の損傷を防止することができる。
このような構成とすると、イオンビームの照射位置が変化するので、試料の表面の複雑な有機物の形状(例えば、凹部や側壁等)にもイオンビームが照射されて保護膜を十分に成膜することができる。
このような構成とすると、1つの集束イオンビーム鏡筒を両工程に用いて加速電圧を途中で変える必要がなく、安定したイオンビームがすぐに得られるという利点がある。
又、各集束イオンビーム鏡筒の取り付け角度を変えることで、保護膜形成工程ではイオンビームを試料表面と角度を持って照射する一方、断面加工工程でイオンビームを試料表面に垂直に照射することができる。この場合に、1つの集束イオンビーム鏡筒を両工程に用いた場合には、試料ステージのチルト機構を用いて試料を傾ける必要があるが、このようなチルト機構を用いなくてよく、オペレータの作業が容易になる。
さらに、保護膜形成工程と断面加工工程とでイオンビームに用いるイオンを変えることができ、保護膜形成工程では断面加工工程で用いるイオンビームに比べて試料表面の有機物へのダメージの少ないイオン種を選び、有機物の損傷をより有効に防止することができる。
このようにすると、TEM(透過電子顕微鏡)用試料を作製できる。
このようにすると、TEM(透過電子顕微鏡)用試料を作製できる。
前記有機物の層又は構造はフォトレジストパターンであり、前記保護膜形成工程における前記集束イオンビームはアルゴンイオンビームであり、前記断面加工工程における前記集束イオンビームはガリウムイオンビームであってもよい。
本発明の集束イオンビーム装置は、第1集束イオンビーム鏡筒と、第2集束イオンビーム鏡筒と、ガス銃と、試料ステージと、制御部と、を備え、前記制御部は、有機物の層又は構造を表面に有する試料に、保護膜となる原料ガスの存在下、断面加工位置を含む前記試料の表面に前記第1集束イオンビーム鏡筒から、少なくとも最初の加速電圧を1kV以下とした集束イオンビームを照射し、前記有機物の層又は構造の表面に前記保護膜を形成すると共に、前記保護膜が形成された前記断面加工位置に、前記保護膜形成工程における加速電圧より高い電圧で前記第2集束イオンビーム鏡筒から集束イオンビームを照射し、断面加工を行う。
前記第1集束イオンビーム鏡筒はアルゴンイオンビーム鏡筒であり、前記第2集束イオンビーム鏡筒はガリウムイオンビーム鏡筒であり、前記有機物の層又は構造はフォトレジストパターンであり、前記第1集束イオンビーム鏡筒から照射される前記集束イオンビームはアルゴンイオンビームであり、前記第2集束イオンビーム鏡筒から照射される前記集束イオンビームはガリウムイオンビームであってもよい。
図1は本発明の実施形態に係る断面加工方法の加工対象となる試料2の構成例を示す断面図である。
試料2は、半導体デバイス4の表面に反射防止層(BARC:Bottom Anti Reflective Coating)6を形成し、反射防止層6の表面に畝状にフォトレジストパターン8を形成した構成を有する。反射防止層6は有機被膜であり、フォトレジストの露光・現像時のパターン精度を向上させる。フォトレジストパターン8は、複数の線状の凸部が互いに離間しつつ平行に並んで構成されている。
又、フォトレジストパターン8より外側における半導体デバイス4の表面には、反射防止層6を貫き半導体デバイス4に一部到達する孔からなるアライメントマーク(位置合わせ部)9が形成されている。
なお、反射防止層6が特許請求の範囲の「有機物の層」に相当し、フォトレジストパターン8が特許請求の範囲の「有機物の構造」に相当する。有機物の層又は構造の他の例としては、Low-k膜等の各種有機被膜や構造が挙げられる。
なお、制御部90には、オペレータの入力指示を取得するキーボード等の入力手段92が接続されている。
そして、オペレータが試料画像上の所定の位置(上記したアライメントマーク9)を指定すると、制御部90は指定された座標を取得すると共に、試料2の断面加工位置とアライメントマーク9との位置関係に基づき、断面加工位置を算出する。そして、制御部90は、算出結果に基づいて試料ステージ60を移動させ、試料2の断面加工位置がイオンビームの照射領域内に配置されるようにする。断面加工位置とアライメントマーク9との位置関係は既知の情報として、予め記憶部93に格納されている。このようにして、試料2に電子ビームやイオンビームを照射せずに断面加工位置をイオンビームの照射領域内に移動させることができる。
イオン光学系22は、例えば、イオンビーム20Aを集束するコンデンサーレンズと、イオンビーム20Aを絞り込む絞りと、イオンビーム20Aの光軸を調整するアライナと、イオンビーム20Aを試料に対して集束する対物レンズと、試料上でイオンビーム20Aを走査する偏向器とを備えて構成される。
なお、本発明においては、電子ビーム照射系30を備えていない荷電粒子ビーム装置を用いてもかまわない。
アルゴンイオンビーム照射系40からは、アルゴンイオンビーム40Aが照射されるが、ガス銃80から化合物ガスを供給することで、試料2表面に保護膜を形成することができる。
そして、各照射系20、30、40から照射される3つのビームが同一領域(試料の同一の位置)で交わるように配置されている。
図3は、試料2表面上で、試料2をFIBで断面加工する断面加工位置Lを決定するための非照射移動工程を示す。断面加工位置Lは試料2表面に線状に延び、試料2の不良等を判別する際には加工後の断面を観察するようになっている。
まず、試料2表面上で、断面加工位置Lを含まず位置合わせ部を含む領域Sに電子ビーム又はイオンビームを照射すると、試料2の表面画像が得られる。オペレータが表示装置91上でアライメントマーク9(の中心O)を指定すると、制御部90は指定された座標を取得すると共に、記憶部93から断面加工位置Lとアライメントマーク9との既知の位置関係を読み出す。そして、制御部90は、この位置関係に基づき、断面加工位置Lの座標を算出して記憶部93に書き込む。そして、制御部90は、引き続く工程でイオンビーム(又は電子ビーム)照射する際、断面加工位置Lがイオンビーム(又は電子ビーム)の照射領域内に配置されるように算出結果に基づいて試料ステージ60を移動させる。
このようにして、試料2に電子ビームやイオンビームを照射せずに断面加工位置Lをイオンビームの照射領域内に移動させることができるので、断面加工位置Lの位置合わせのために試料2表面の有機物に電子ビーム又はイオンビームを照射する必要がなく、これら有機物の損傷を防止することができる。
本発明において保護膜を形成する方法としては、a)1つのビーム照射条件(加速電圧)で一度に保護膜を形成する方法、b)複数のビーム照射条件(加速電圧)で保護膜を複数層にわたって積層形成する方法がある。又、c)断面加工工程で用いる集束イオンビーム鏡筒を兼用して保護膜を形成する方法、d)断面加工工程で用いる集束イオンビーム鏡筒と異なる集束イオンビーム鏡筒を用いて保護膜を形成する方法がある。従って、a)〜d)を組み合わせて4つの方法がある。そして、いずれの方法においても、断面加工工程における加速電圧より低い電圧で集束イオンビームを照射し、保護膜を形成する。
これらのうち、最も好ましい方法としてb)とd)を組み合わせた方法を本発明の実施形態として説明する。
工程i)(以下、適宜「第1保護膜形成工程」という)について、図4を参照して説明する。まず、図3のようにしてイオンビーム(又は電子ビーム)を照射せずに断面加工位置Lをイオンビームの照射領域に配置した後、ガス銃80から保護膜となる化合物ガスを供給しつつ、断面加工位置Lを含む試料2表面に、第1集束イオンビーム鏡筒40からイオンビーム40Aを照射する(図4(a))。このとき、イオンビーム40Aを照射するための第1の加速電圧V1を1kV以下程度、より好ましくは500V以下程度とすることで、試料2表面の有機物へのイオンビームによるダメージを少なくし、有機物の損傷を防止しつつ保護膜(第1保護膜)を形成することができる。
保護膜としては、Pt,W,Cを例示することができるが、実際には、保護膜となる化合物ガスはPt等を含む有機化合物であるので、保護膜はPt,W,C等を含む有機被膜となる。
又、この実施形態では、断面加工位置Lを含む所定の領域に、少なくとも2以上の異なる方向からイオンビーム40Aを照射する(図4(b)〜(f))。このようにすると、イオンビーム40Aの照射方向が変化するので、試料2の表面の複雑な有機物の形状(例えば、図1に示す凹凸状のフォトレジストパターン8)の凹部や側壁にもイオンビーム40Aが照射されて保護膜を十分に成膜することができる。
まず、フォトレジストパターン8の凸部の延びる方向A−Bに沿って、イオンビーム40Aを照射する(図4(a))。ここで、「方向A−Bに沿ってイオンビーム40Aを照射する」とは、図5(a)に示すように、イオンビーム40Aの照射方向(照射軸)と、線分ABとのなす角が、試料2の表面とイオンビーム40Aの照射方向との角度θに等しくなることをいう。
さらに試料ステージ60を平面上で180°回転させ、図4(a)と同一の方向から再度イオンビーム40Aを照射する(図4(c))。同様に、図4(c)から試料ステージ60を平面上で180°回転させ、図4(b)と同一の方向から再度イオンビーム40Aを照射する(図4(d))。
続いて、図4(e)から試料ステージ60を平面上で180°回転させてイオンビーム40Aを照射する(図4(f))。図4(f)の場合、イオンビーム40は、線分ABを通る面に対して図4(e)の照射方向と対称な方向から照射される。
第2の加速電圧V2としては、例えば5〜40kV程度、より好ましくは15〜30kV程度とすることができる。又、第2保護膜としては、第1保護膜と同様な組成とすることができるが、第1保護膜と同一組成とすると生産効率の点で好ましい。
なお、第2集束イオンビーム鏡筒20は後工程である断面加工工程でも用いるため、イオンビーム20Aが試料2の表面と垂直に照射される。
第3保護膜形成工程は必須ではないが、電子ビームは、イオンビームによる保護膜形成に比べて保護膜への不純物の混入が少なく、試料へのビーム種の注入がないため試料にダメージを与えない。又、第3保護膜形成工程で保護膜を形成することで第2保護膜形成工程で生じうるビーム種の試料への注入を抑えることができる。
なお、加速電圧V3は、第2保護膜形成工程における加速電圧V2以上であればよく、V2と同一でもよい。V2=V3とすれば、加速電圧を変更する必要がない。
このようにすると、第1保護膜形成工程でのイオンビーム40Aの加速電圧V1が断面加工工程でのイオンビーム20Aの加速電圧V3より低くなっている場合に、1つの集束イオンビーム鏡筒を両工程に用いて加速電圧を途中で変える必要がなく、安定したイオンビームがすぐに得られるという利点がある。
又、第1保護膜形成工程ではイオンビーム40Aを試料2表面と角度θを持って照射する一方、断面加工工程でイオンビーム20Aを試料2表面に垂直に照射するが、1つの集束イオンビーム鏡筒を両工程に用いた場合には、試料ステージ60のチルト機構を用いて試料2を傾ける必要がある。これに対し、両工程でそれぞれ試料2に対する取り付け角度のそれぞれ異なる第1集束イオンビーム鏡筒40及び第2集束イオンビーム鏡筒20を用いるので、試料ステージ60のチルト機構を用いなくてよく、オペレータの作業が容易になる。
第1保護膜形成工程で用いるイオンビームのイオン種としては、アルゴンの他、ヘリウム、ネオン、クリプトンを挙げることができ、これらは有機物へのイオンビームによるダメージが他のイオン(Ga等)に比べて少ない。
又、本発明において、「保護膜形成工程においてイオンビームを照射する際と、断面加工工程でイオンビームを照射する際とで、それぞれ異なる集束イオンビーム鏡筒を用いる」という場合、保護膜形成工程が複数あれば、そのうち1つの工程(第1保護膜形成工程)に用いる集束イオンビーム鏡筒が断面加工工程に用いる集束イオンビーム鏡筒と異なっていればよい。
このようにして、薄片200が試料2の領域R,R2から立ち上がったTEM用試料を作製することができる。そして、この薄片200をナノピンセット50を用いて取出し、所定の試料台に保持し、TEM観察を行うことができる。
断面観察試料2Aは、半導体デバイス4の表面に反射防止層6を形成し、反射防止層6の表面にフォトレジストパターン8を形成してなっている。そして、フォトレジストパターン8の表面に第1保護膜7a、第3保護膜7b、第2保護膜7cがこの順に形成されている。又、第2保護膜7cは、第1保護膜7a及び第3保護膜7bに比べて厚い。
図9において、保護膜形成工程におけるイオンビームの加速電圧が高いため、有機膜である反射防止層6がフォトレジストパターン8の凹部の間で削られて変形部8xを形成しており、正確な断面が得られていないことがわかる。
2A 断面観察試料
2x 試料の断面予想位置より前方の部位
7a 保護膜(第1保護膜)
7c 保護膜(第2保護膜)
8 有機物の層又は構造
9 位置合わせ部
20、40 集束イオンビーム鏡筒
20A、40A 集束イオンビーム
30A 電子ビーム
100 集束イオンビーム装置
L 断面加工位置
Claims (11)
- 有機物の層又は構造を表面に有する試料に、集束イオンビーム装置を用いて集束イオンビームを照射し、前記試料の断面加工位置に断面加工を行う方法であって、
保護膜となる原料ガスの存在下、前記断面加工位置を含む前記試料の表面に前記集束イオンビームを照射し、前記有機物の層又は構造の表面に前記保護膜を形成する保護膜形成工程と、
前記保護膜が形成された前記断面加工位置に、前記保護膜形成工程における加速電圧より高い電圧で前記集束イオンビームを照射し、断面加工を行う断面加工工程と
を有し、
前記保護膜形成工程の少なくとも最初の集束イオンビームの加速電圧を1kV以下とする試料の断面加工方法。 - 有機物の層又は構造を表面に有する試料に、集束イオンビーム装置を用いて集束イオンビームを照射し、該試料の断面加工位置に断面加工を行う方法であって、
保護膜となる原料ガスの存在下、前記断面加工位置を含む前記試料の表面に第1の加速電圧で前記集束イオンビームを照射した後、前記第1の加速電圧より高い第2の加速電圧で前記試料の表面に前記集束イオンビームを照射する保護膜形成工程と、
前記保護膜が形成された前記断面加工位置に、前記第1の加速電圧より高い第3の加速電圧で前記集束イオンビームを照射し、断面加工を行う断面加工工程と
を有し、
前記保護膜形成工程の少なくとも最初の集束イオンビームの加速電圧を1kV以下とする断面加工方法。 - 前記試料は前記断面加工位置との位置関係が既知の位置合わせ部を備え、
前記保護膜形成工程を行う前に、前記断面加工位置を含まず前記位置合わせ部を含む領域に電子ビーム又は前記集束イオンビームを照射して前記試料の位置を取得した後、前記既知の位置関係に基づき、前記電子ビーム又は前記集束イオンビームを照射せずに前記断面加工位置を前記集束イオンビームの照射領域に相対移動させる非照射移動工程をさらに有する請求項1又は2記載の断面加工方法。 - 前記保護膜形成工程において前記集束イオンビームを照射する際、少なくとも2以上の異なる方向から前記集束イオンビームを前記試料に照射する請求項1〜3のいずれか一項に記載の断面加工方法。
- 前記保護膜形成工程において前記集束イオンビームを照射する際と、前記断面加工工程で前記集束イオンビームを照射する際とで、それぞれ異なる集束イオンビーム鏡筒を用いる請求項1〜4のいずれか一項に記載の断面加工方法。
- さらに、前記断面加工位置から所定厚みの対向位置を断面加工し、該前記断面加工位置を表面として含む薄片を作製する薄片作製工程を有する請求項1〜4のいずれか一項に記載の断面加工方法。
- 有機物の層又は構造を表面に有する試料に、集束イオンビーム装置を用いて集束イオンビームを照射し、該試料の断面加工位置に断面加工を行って断面観察試料を製造する方法であって、
保護膜となる原料ガスの存在下、前記断面加工位置を含む前記試料の表面に前記集束イオンビームを照射し、前記有機物の層又は構造の表面に前記保護膜を形成する保護膜形成工程と、
前記保護膜が形成された前記断面加工位置に、前記保護膜形成工程における加速電圧より高い電圧で前記集束イオンビームを照射し、断面加工を行う断面加工工程と
を有し、
前記保護膜形成工程の少なくとも最初の集束イオンビームの加速電圧を1kV以下とする断面観察試料の製造方法。 - さらに、前記断面加工位置から所定厚みの対向位置を断面加工し、該前記断面加工位置を表面として含む薄片を作製する薄片作製工程を有する請求項7に記載の断面観察試料の製造方法。
- 前記有機物の層又は構造はフォトレジストパターンであり、前記保護膜形成工程における前記集束イオンビームはアルゴンイオンビームであり、前記断面加工工程における前記集束イオンビームはガリウムイオンビームである請求項1〜6のいずれか一項に記載の断面加工方法。
- 第1集束イオンビーム鏡筒と、
第2集束イオンビーム鏡筒と、
ガス銃と、
試料ステージと、
制御部と、を備えた集束イオンビーム装置であって、
前記制御部は、有機物の層又は構造を表面に有する試料に、保護膜となる原料ガスの存在下、断面加工位置を含む前記試料の表面に前記第1集束イオンビーム鏡筒から、少なくとも最初の加速電圧を1kV以下とした集束イオンビームを照射し、前記有機物の層又は構造の表面に前記保護膜を形成すると共に、
前記保護膜が形成された前記断面加工位置に、前記保護膜形成工程における加速電圧より高い電圧で前記第2集束イオンビーム鏡筒から集束イオンビームを照射し、断面加工を行う集束イオンビーム装置。 - 前記第1集束イオンビーム鏡筒はアルゴンイオンビーム鏡筒であり、
前記第2集束イオンビーム鏡筒はガリウムイオンビーム鏡筒であり、
前記有機物の層又は構造はフォトレジストパターンであり、
前記第1集束イオンビーム鏡筒から照射される前記集束イオンビームはアルゴンイオンビームであり、
前記第2集束イオンビーム鏡筒から照射される前記集束イオンビームはガリウムイオンビームである請求項10に記載の集束イオンビーム装置。
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