JPH04116843A - 試料断面観察方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は半導体ＬＳＩや各種薄膜製品の不良解析、プロ
セス解析のために、集束イオンビーム加工による断面観
察を行う方法及び装置に関する。

〔従来の技術〕

半導体ＬＳＩなどのプロセス解析や不良解析を行うため
に、従来、集束イオンビーム加工により断面を作成し、
その断面をＳＥＭ像またはＳＩＭ像によりｍ察する方法
が特開平１−１８１５２９　ｒ集束イオンビーム加工方
法とその装置」や、特開平２−１２３７４９　ｒ断面加
工観察装置」に述べられている。

これは集束イオンビームにより試料に穴を堀り。

その加工穴の側壁をＳＥＭ像観察するものである。

または、加工したイオンビーム装置の中で試料の加工穴
側壁にイオンビームが当るように試料を回転して、走査
イオンビーム顕微鏡（ＳＩＭ）により観察するものであ
る。

〔発明が解決しようとする課題〕

この方法では、イオンビームによりスパッタされた粒子
が加工穴側壁、すなわち断面観察を行いたい面に付着す
る再付着現象が鮮明な観察像を得る上で問題となる。特
開平１−１８１５２９の図１８と図１９に、再付着を防
ぐイオンビーム操作方法が述べられているが、この方法
によってもどうしても若干の再付着層が形成される。こ
のため断面をＳＩＭ又はＳＥＭ像で観察する際、材質に
よるコントラストが出にくくなる欠点があった。

このため試料を軽くウェットエツチングする場合もある
が、集束イオンビーム装置、ウェットエツチング装置、
ＳＥＭ等のＭ察装置と装置間の試料移動が多く作業能率
が上がらない欠点があった。

またウェットエツチングの場合薬液の温度、濃度等によ
り著しく加工速度が変わり断面観察に適したエツチング
を行うことが困難であるという欠点があった。また集束
イオンビーム加工した場所をＳＥＭＩＲ察時に見つける
ことが大変困難であった。

本発明の目的は、集束イオンビーム加工による断面ｉｌ
！察において、材質の相違によるＳＥＭ像あるいはＳＩ
Ｍ像のコントラストをはっきり得る方法および装置を提
供することにある。さらに本発明の目的は、集束イオン
ビーム加工による断面観察において、材質の相違による
コントラストのはっきりしたＳＥＭ像あるいはＳＩＭ像
を容易に得る方法および装置を提供することにある。ま
た本発明の今一つの目的は集束イオンビーム加工を行っ
た場所を容易に見つける方法を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、集束イオンビーム加工を行
った後に、スパッタエツチングまたはイオンアシストエ
ツチングを行う。あるいは集束イオンビーム加工を行っ
た後に、ＳＩＭ像またはＳＥＭ像を見ながらスパッタエ
ツチングまたはイオンアシストエツチングを行う。

このためＳＥＭ装置の中に、スパッタエツチングまたは
イオンアシストエツチングを行う機能を付加する。

〔作用〕

集束イオンビームによる加工穴の側壁をスパッタエツチ
ングすることにより再付着層が除去され、観察したい物
質が表面にでてくる。

また観察したい物質が露出した後もエツチングを行うこ
とで、材質によるスパッタ率の違いにより加工量が異な
り断面に加工物質の違いによる段差が若干つき、観察し
やすくなる。イオンアシストエツチングによりエツチン
グガスを用いて加工した場合には、材質の違いによるエ
ツチング速度の差が更に大きくとれ、単なるスパッタエ
ツチングよりも観察しやすくなる場合がある。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を第１〜第１０図を用いて説明す
る。

第１図（ａ）から（ｄ）は、イオンビーム加工・観察方
法の実施例である。第１図は半導体ＬＳＩの断面で下層
配線１、コンタクトホール２、上層配線３、層間絶縁膜
４、保護膜５から成っている。

例えば図示のＡＡ断面によりコンタクトホールの状態を
断面ＳＥＭで見る場合は、第１図（ｂ）に示すように下
層配線の下まで集束イオンビーム６により加工する０通
常太いビームで粗加工をした後、細いビームで仕上げ加
工を行い、加工穴側壁への再付着を出来るだけ少なくす
る方法がとられる。しかしこの方法によっても、若干の
再付着層７が形成される。そこで第１図（ｃ）に示すよ
うに、アルゴンイオンビームにより側壁をスパッタエッ
チする。この時、アルゴンビームが加工穴の底面にあた
ると底面をスパッタエッチし、そのスパッタ物が側壁に
付着してしまう、そこでアルゴンイオンビームの向きは
、底面に当らないように設定する。再付着層が十分とれ
るまでスパッタエッチした後、第１図（ｄ）に示すよう
に、電子ビームにより走査し、２次電子顕微鏡（ＳＥＭ
）像を得る。この様にすれば、眉間絶縁膜と配線材料と
の２次電子放出率の違いによりコントラストのはっきり
したＳＥＭ像を得ることが出来る。

また第１図（ｃ）において、エツチングガスを供給しな
がら、アルゴンイオンを照射すると、材質の違いにより
エツチング速度が異なるため、側壁において大きな段差
をつけることが出来、断面ＳＥＭ観察をよりうまく行え
る。例えば配線材料がアルミ合金である場合、塩素系の
ガスをアルゴンイオンと共に供給すれば、アルミ合金の
みが選択的にエツチングされ、側壁において配線部がへ
こみ絶縁腰部が残るような凹凸が形成される。逆に絶縁
膜がＳ　ｉ　Ｏ，で出来ている場合、フッ素系のガスを
アルゴンイオンと共に供給する二とで、絶縁膜部が選択
的にエツチングされ、側壁において絶縁膜部がへこみ配
線部が残るような凹凸が形成される。

第２図から第５図に上記の方法を行うための装置を説明
する。第２図は集束イオンビーム加工装置である。イオ
ンビームコラム１１の中にはイオン源１２及び集束レン
ズ、ブランカ、偏向系など通常の集束イオンビーム装置
が備えている光学系がある。この下には、２次粒子を検
出する検出機１３がある。真空チャンバ１４の中にはＸ
Ｙステージ１５がある。このＸＹステージ１５の位置は
レーザインタフェロメータ１６で正確に測定される。ま
た試料１９が絶縁物の場合、チャージアップを防ぐため
の電子シャワー１７が設けられている。試料導入用のロ
ードロック室１８が設けられている。

第３図は走査電子顕微鏡装置である。真空チャンバ２４
の上に電子ビームコラム３５があり、この中には電子線
源２２及び集束レンズ、ブランカ、偏向系など通常の電
子ビーム装置が備えている光学系がある。真空チャンバ
２４の中には、２次電子を検出する検出器２３がある。

２４の中にはスパッタエツチング用のアルゴンイオン銃
２５がある。同一のチャンバ２４中にこのアルゴンイオ
ン銃２５を設けることにより、電子ビーム観察をしなが
ら、鮮明な像が得られるまでスパッタエツチングを行う
ことができる。スパッタエツチングを行うときはアルゴ
ンガスにより真空チャンバ内２４の圧力が上昇する。

そこで電子ビームコラム３５内を、排気ポンプ２８で排
気する。電子ビームコラムの下部にはゲートバルブ２９
があり、これを閉じておく。このゲートバルブ２９を省
略し、細いオリフィスで電子ビームコラム３５と真空チ
ャンバ２４を連通して、差動排気を行っても良い。ステ
ージ２６はＸ方向・Ｙ方向の移動とＸ軸回り・Ｚ軸回り
の回転が可能である。プレート２７は、試料１９を載せ
たあと２点鎖線で示す位置まで移動可能であり、これに
より真空チャンバ２４の真空気密を保つ。

次に第２図と第３図に示した装置を用いて試料１９の加
工とＩｊ！察を行う方法を説明する。

試料１９は試料固定片２０に固定され、試料移動用プレ
ート２１に載せて、ロードロック室１８から真空チャン
バに導入される。ここで試料表面が絶縁物でおおわれて
いる場合は、電子シャツを照射しながら、第１図（ｂ）
に示した加工を集束イオンビームにより行う。この時、
試料固定片２０の上にある２個のマークを基準とした加
工位置の座標をレーザインタフェロメータ１６により測
定しておく。

このようにすることでＳＥＭ像を観察する際、観察場所
を容易に見つけることができる。

この後で第３図に示した走査電子顕微鏡に、試料１９を
前記の試料固定片２０に固定したままステージ２６にの
せる。第４図に示すようにまず試料をアルゴンイオン銃
の下に持っていき、第５図に示すように試料１９をＸ軸
回りに回転子、第１図（ｃ）に示すように穴の側壁をス
パッタエッチする。そして第６図に示すように試料１９
を電子ビームの真下に移動し、試料１９を第７図に示す
ようにＸ軸周りに傾けて、第１図（ｅ）に示したように
電子ビームを照射しＳＥＭ像を観察する。このときまず
試料固定片２０上にある２ケの基準マークを見て、ここ
から先はど測定しておいた観察場所のＸＹ座標をもとに
試料１９を傾き角を勘案して容易に観察場所２８を見つ
けることが出来る。

ＳＥＭ＠察した結果、まだ再付着物が十分除去しきれて
いない場合は、再度第４図に示したようにスパッタエッ
チを追加すれば良い。同一チャンバ内でエツチングとＳ
ＥＭ観察とができるので、作業能率は極めて高い。

また第９図には、真空チャンバ２４にゲートバルブ３０
を設けた構成を示した。この装置では、試料１９をアル
ゴンスパッタ位置へ入れる際、ゲートバルブ３０を閉め
ておくので、電子ビームのある室の真空を破らずにおけ
る。スパッタエッチを行ったあとは、ゲートバルブ３０
を開は試料を電子ビームの下へ導入し観察を行う。

第２図から第９図までは、集束イオンビーム装置とＳＥ
Ｍ装置が別々であったが、第１０図は集束イオンビーム
鏡筒１１と電子ビーム鏡筒３５とアルゴンイオン銃２５
とが、真空チャンバ１４．２４にゲートバルブ３０ａ、
３０ｂを介して区分されて、同一装置に取付けられてい
る例である。このようにすれば、加工とＳＥＭ＠察が真
空を破らずに同一チャンバ１４．２４中でできるので、
断面を見つつその断面の位置を少しづつ堀込んでいくこ
とができ、更に作業の能率が向上する。

また第４図において、アルゴンイオン銃２５と共に、先
に述べたようにエツチングガスの供給装置３４（第６図
に示す。）を設ければ、イオン衝撃を受けたところのみ
エツチング（イオン・アシスト・エツチング）を行うこ
とが出来る。

〔発明の効果〕

本発明によれば、ＳＥＭａｌを行う時、同一装置内でア
ルゴンスパッタにより被Ｈ察面をスパンタエッチ又はイ
オンアシストエッチできるので、集束イオンビーム加工
により作った断面をコントラストよく観察することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の方法を表す説明図、第２図は本名発明
に係る集束イオンビーム加工装置の概略図、第３図、第
４図及び第６図はアルゴンイオン鏡付のＳＥＭ装置の概
略図、第５図及び第７図は第４図及び第６図に対応する
試料部分の右側図面、第８図は試料固定片の平面図、第
９図はアルゴンイオン銃とゲートバルブのついたＳＥＭ
装置の概略図、第１０図はアルゴンイオン銃とＳＥＭ装
置をＦＩＢ装置をもった装置の概略図である。 １・・・下層配線、２・・・コンタクトホール、３・・
・上層配線、４・・・層間絶縁膜、５・・・保護膜、６
・・・集束イオンビーム、７・・・再付着層、１１・・
・イオンビームコラム、１２・・・イオン源、１３・・
・検出器、１５・・・ＸＹステージ、１６・・・レーザ
インタフェロメータ、１７・・・電子ジャワ、２０・・
・試料固定片、２１・・・試料移動用プレート。 ２２・・・電子線源、２３・・・検出器、２５・・・ア
ルゴンイオン銃、２６・・・ステージ、２７・・・プレ
ート、３４・・・エツチングガス供給装置、３５・・・
電子ビームコラム。 躬　１　国

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、試料を集束イオンビーム加工して断面を作成し、そ
   の断面をスパッタエッチ又はイオンアシストエッチで処
   理し、その後ＳＥＭ観察することを特徴とする試料断面
   観察方法。 ２、試料を基準マークのついた試料固定片にとりつけた
   ままで、そのマークを加工・観察位置の位置出し基準と
   して集束イオンビーム加工、ＳＥＭ観察を行うことを特
   徴した特許請求の範囲第１項の試料断面観察方法。 ３、ＳＥＭ装置において、アルゴンイオン銃を電子ビー
   ム鏡筒と同一の真空チャンバに設けたことを特徴とする
   試料断面観察装置。 ４、ＳＥＭ装置において、ゲートバルブを介して連通し
   た２つの真空チャンバのそれぞれに電子ビーム鏡筒とア
   ルゴンイオン銃を設けたことを特徴とする試料断面観察
   装置。