JPH05231998A - 電子顕微鏡観察用試料の作製方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 電子顕微鏡観察用試料の作製方法において、
位置合わせ精度が非常に高く再度の作製を要しないよう
にする。 【構成】 まず、観察場所１を含む半導体チップ３に対
してその観察場所１の周囲に刻印２１、２２を施し、観
察場所を他の領域と区別する。次いで、高速回転外周刃
４を用いて半導体チップ３を電子顕微鏡に装着するのに
都合がよい大きさに切断して試料１１を得る。このと
き、刻印２１、２２を施した観察場所１を試料１１が含
み、かつ、一部の刻印２１に接して刃４が通過するよう
に、高性能の顕微鏡で観察しながら位置合わせをして切
断する。次に、試料１１の切断断面１１′の刻印側とは
反対側を切削し、観察場所１を含むごく表層の一部を残
すＬ字型加工を施す。次に、Ｌ字型加工の施された切断
断面１１′の突出部分の観察場所１とは反対側を、収束
荷電粒子ビーム６で薄肉化する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＬＳＩ等の半導体装置
の不良原因を調査する際に使用される電子顕微鏡観察用
試料の作製方法に関し、特に、非常に小さな特定平面の
領域を観察するに適した電子顕微鏡観察用試料（以下、
単に試料という。）の作製方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】上述したＬＳＩ等の半導体装置の不良原
因は、電子顕微鏡を用いて検査されている。その検査用
の試料としては、次に述べるような方法で作製されてい
る。まず、電気不良の半導体装置を破断させて内部の半
導体チップを露出させた後、半導体テスタを用いて半導
体チップを電気的に検査し、この検査結果をプリントア
ウトする。プリントアウトされたものを見れば、半導体
チップの不良箇所が判るので、別に用意したレイアウト
設計時の設計図面を参照して、半導体チップ上の不良箇
所（以下、不良アドレスとする）を見つけ出す。

【０００３】その後、図２（ａ）に示すように半導体装
置のパッケージから取り出して半導体チップ１０′をダ
イシングマシン等を用いて切り出し、中央部に不良アド
レス２３を有する試料チップ片２０を得る。そして試料
チップ片２０の裏面を図２（ｂ）に示すように平面研磨
装置を用いて研磨し、試料チップ片２０を５０μｍ程度
まで薄くする。なお、図２（ｂ）では平面研磨装置でも
研磨台２６のみが示されている。これ以上、試料チップ
片２０を薄くすると壊れてしまうおそれがあるので、最
終的には別の用意された荷電粒子ビーム加工装置を使用
する。

【０００４】この過程を図２（ｃ）（ｄ）を参照して説
明すると、研磨された試料チップ片２０を所謂メッシュ
である試料支持台２７に取り付けた後、これを荷電粒子
ビーム加工装置にセットして動作させる。すると、試料
支持台２７と共に試料チップ片２０が回転し、と同時
に、荷電粒子ビームが試料支持台２７の中央部に形成さ
れた丸穴２７１を介して試料チップ片２０の裏面に対し
て１５°程度の浅い角度で照射され、試料チップ片２０
の裏面中央部が山形に薄肉化される。これにより、試料
チップ片２０の中央部を５０オングストローム程度にま
で薄くした試料が作製される。その後、透過型電子顕微
鏡を用いて試料チップ片２０の不良アドレスにおける結
晶欠陥等を観察することにより、半導体装置の不良原因
を調査している。

【０００５】なお、上述の試料作製方法の他に、半導体
チップの不良アドレスを自動的に求めることができ、そ
の後の工程において、半導体チップの不良アドレスを誤
らないように、半導体チップに刻印を形成して試料を作
製する方法を、本願出願人は提案している（特願平１−
３４４０２７号）。この方法は、半導体検査装置に半導
体チップをセットし、この装置に備わった半導体テスタ
と半導体チップとを電気接続して半導体テスタにより半
導体チップの電気的測定を行い、半導体チップの中から
不良のアドレスを求める。この不良のアドレスのデータ
は、前記半導体検査装置に備わった不良箇所算出部に導
入され、ここで予め格納されたレイアウトパターンのテ
ーブルデータに基づいて当該不良アドレスに対応する配
置位置のデータが求められる。このデータに基づいて半
導体チップの不良のアドレスから所定間隔を離れた位置
に向けて、半導体チップの表面に刻印加工するに見合っ
たエネルギーを有する荷電粒子ビームを照射させる。

【０００６】すると、図３に示すように半導体チップの
表面には不良のアドレス２３の位置を示すための刻印２
４ａ〜２４ｄが施される。その後、刻印２４ａ〜２４ｄ
を目印として不良のアドレス２３を、前述の方法と同様
にして半導体チップから切り出すと共に、図４（ａ）、
（ｂ）、（ｃ）に示すように薄肉化して試料を作製して
いる。つまり、提案した方法は、不良アドレス２３の周
囲に刻印２４ａ〜２４ｄを形成する点を除いて、他は従
来方法と同一にして試料を作製している。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】したがって、上述した
２つの技術では、半導体チップの検査対象である表面側
とは反対側の裏面側を研磨して薄肉化しているため、不
良アドレス部分と薄肉化された部分との位置がずれ易
く、試料の位置合わせ精度が±１００μｍ程度であり、
場合によっては試料を再度作製しなおす必要があり、煩
わしいという問題があった。

【０００８】本発明は、このような課題を解決すべくな
されたものであり、位置合わせ精度が非常に高く再度の
作製を要しない電子顕微鏡観察用試料の作製方法を提供
することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１に係る
電子顕微鏡観察用試料の作製方法は、電子顕微鏡を用い
て観察が行われる材料平面上の観察場所の周囲に複数の
刻印を形成する工程と、高倍率の光学顕微鏡を装備した
高速回転外周刃加工装置を用いて前記刻印を観察しつつ
前記材料を切断し、電子顕微鏡に装着可能な大きさにす
ると共に切断断面に前記刻印の２つを残す工程と、前記
切断断面の刻印側とは反対側を前記高速回転外周刃加工
装置により切削して断面Ｌ字状に加工する工程と、前記
Ｌ字状の突出部分の観察場所とは反対側に収束荷電粒子
ビームによるエッチングを行って、２つ残っている刻印
間を薄肉化する工程とを含んでいる。本発明の請求項２
に係る電子顕微鏡観察用試料の作製方法は、前記材料が
半導体チップであって、レーザー光または収束荷電粒子
ビームにより当該半導体チップの基板に到達する深さに
前記刻印を施すようにしている。

【００１０】

【作用】まず、特定の観察場所を含む材料に対してその
観察場所の周囲に刻印を施し、観察場所を他の領域と区
別する。次いで、高速回転外周刃加工装置を用いて材料
を電子顕微鏡に装着するのに都合がよい大きさに切断し
て試料を得る。このとき、刻印を施した特定の観察場所
を試料が含み、かつ、一部の刻印に接して刃が通過する
ように、高性能の顕微鏡で観察しながら位置合わせをし
て切断する。

【００１１】次に、試料の切断断面の刻印側とは反対側
を切削し、観察場所を含むごく表層の一部を残すＬ字型
加工を施す。このとき、例えば高倍率の光学顕微鏡を装
備し、位置合わせ精度が０．１μｍの高速回転外周刃加
工装置を用いて、刻印を観察しながら切削を行うとよ
い。次に、Ｌ字型加工の施された切断断面の突出部分の
観察場所とは反対側を、収束荷電粒子ビームで薄肉化す
る。なお、材料が半導体チップの場合には、表層の構造
物を残すことがあるので、その構造物の下に存在する基
板に達するようにレーザー光又は収束荷電粒子ビームに
より刻印を施すのが好ましい。

【００１２】

【実施例】以下図面を参照して本発明の実施例を説明す
る。図１は本発明の１実施例を示す図面である。

【００１３】まず、例えば前述の特願平１−３４４０２
７号に提案した半導体検査装置を用い、この装置に半導
体チップをセットしてこの装置に備わった半導体テスタ
と半導体チップとを電気接続し、半導体テスタにより半
導体チップの電気的測定を行い、半導体チップの中から
不良のアドレスを求める。この不良のアドレスのデータ
は、前記半導体検査装置に備わった不良箇所算出部に導
入され、ここで予め格納されたレイアウトパターンのテ
ーブルデータに基づいて当該不良アドレスに対応する配
置位置のデータが求められる。このデータに基づいて半
導体チップの不良のアドレスから所定間隔を離れた位置
に向けて、半導体チップの表面に刻印加工するに見合っ
たエネルギーを有する収束荷電粒子ビームを照射させ
る。

【００１４】これにより、図１（Ａ）の如く観察を必要
とする観察場所（不良アドレス）１の周辺に刻印２１、
２２を刻印する。この実施例では刻印２１と２２を観察
場所１を挟む両側にそれぞれ２つずつ配設している。刻
印２２は単なる印でよく、一方の刻印２１は後述理由に
より長細い矩形或いは長細い楕円としている。なお、こ
の例では半導体チップの基板には、半導体Ｓｉウェハー
を使用している。

【００１５】次に、高性能光学顕微鏡を搭載した高速回
転外周刃加工装置を用いて半導体チップ３を電子顕微鏡
に装着可能な大きさに切断して試料１１とする。この試
料１１の大きさは実施例では１．５ｍｍ×０．７ｍｍ×
試料厚さとしたが、電子顕微鏡セットできる許容範囲で
あればよい。切断跡は４１、４１′で示した。特に切断
跡４１′は特に重要な加工を行っており、図１（Ｂ）に
示すように切断断面１１′に刻印２１の断面が観察され
るようにするための切断である。尚、切断断面１１′か
ら観察場所１までの距離は、観察を容易かつ確実に行う
上で、できるだけ小さくする必要がある。

【００１６】上記切断に使用する高速回転外周刃加工装
置は、例えば切断を行うべき位置に高速回転外周刃４を
セットでき、位置合わせ精度０．１μｍの装置を用いた
（特願平３−１１９４４１号）。この装置は、特定位置
が観察できるように高倍率、例えは１０００倍以上の光
学顕微鏡を装着しており、これに備わったヘアーライン
を特定位置に位置合わせすれば、ヘアーラインと相対的
に位置が合わされた高速回転外周刃４で特定位置に切り
込むことができる。その際、切断跡４１′の位置合わせ
の精度が高く、観察場所に切断跡４１′が近ければ近い
程、後述する収束荷電粒子ビーム加工装置による薄肉化
の加工時間が短縮できる。尚、上記刻印２１は、高速回
転外周刃加工装置による切断後も図１（Ｂ）に示すよう
に刻印の断面が見えるように、予め切断断面１１′と直
行する方向に長細形成するのが好ましい。

【００１７】次に、図１（Ｃ）で示すように、観察場所
１を含んでいる試料１１を立てた状態で両側から固定の
ためにサポート５で支持し、図１（Ｄ）のように観察場
所１は反対側の切断断面１１′部分に高速回転外周刃４
を切り込んで、観察場所１を含む表層部が厚みａ、切り
込み深さｂの突出部を有するように切削加工する。実施
例では厚みａを１０μｍ、切り込み深さｂを１５μｍと
した。尚、厚みａは、後述する収束荷電粒子ビームで最
終の薄肉化する際に、作業時間が短時間で済むように出
来るだけ狭い幅になるようにし、切り込み深さｂは観察
場所１と切断断面１１′との距離よりも深く加工するの
が好ましい。

【００１８】上記サポート５は、実施例では加熱溶解性
のワックスで接着した。ワックスで接着することで、観
察場所１はサポート５にしっかり固定され、厚みａの残
し膜厚でも高速回転外周刃４による加工で飛んで破壊し
てしまうことなく安定した加工ができる。切断作業後は
再度加熱し、ワックス洗浄用溶剤で洗浄すれば容易に清
浄な試料が得られるためである。

【００１９】図１（Ｅ）は高速回転外周刃４により切断
加工後、ワックス洗浄をした状態の試料を示した。図１
（Ｆ）は、収束荷電粒子ビーム加工装置で最終の薄片化
を行っている状態を概念的に示してものである。収束荷
電粒子ビーム６を方向６１に沿って走査させ、試料１に
エッチングを施す。加工領域は図１（Ｆ）中に示すよう
に、切断断面１１′に残った２つの刻印２１、２１の間
の部分１２である。この実施例では特定箇所１を含む加
工残し幅ｅを約０．１μｍ以下とした。

【００２０】このようにして最終的に作製された試料
を、図１（Ｇ）に示すように、観察場所１を下にして電
子顕微鏡のメッシュと呼ばれる試料支持台に載置し、こ
の試料支持台を電子顕微鏡の試料ステージに乗せ、試料
を観察する。上記加工残し幅ｅは、電子顕微鏡の過疎電
圧により変化するが、良好な電子顕微鏡像が得られるよ
うに薄く仕上げる方がよい。したがって、本発明により
作製された試料は、観察場所を正確に薄肉化することが
でき、観察場所１の位置合わせ精度は±０．１μｍを下
回ることができ、従来技術の±１００μｍ程度であった
位置合わせ精度を飛躍的に向上できる。この精度は荷電
粒子ビームの収束具合により制約を受けたものであり、
荷電粒子ビームの収束性がさらに向上すれば位置合わせ
精度はより向上できる。

【００２１】また、高速回転外周刃加工装置を試料作製
に使用したことで、最終の収束荷電粒子ビーム装置によ
る薄片化の際の所要時間を短縮できることは勿論、観察
場所１の周辺部を粗くエッチング除去する工程の所要時
間を短縮することができ、これにより全体的な試料作製
時間を大幅に短縮することができる。前記収束荷電粒子
ビーム加工装置は数千倍から１万倍の高倍率の顕微鏡を
備えており、よって観察場所１を高倍率で観察をしなが
ら加工ができるため位置合わせ精度が良くなる。また、
加工中の状態も観察しながら加工することができるた
め、加工仕上げ精度が良くなる。

【００２２】なお、上記実施例では明言していないが、
観察場所１は１０００倍以上の高倍率の顕微鏡でも観察
できにくい場合があるので、実施例では観察場所１を区
別するために、観察場所１から数μｍ外して、収束荷電
粒子ビーム加工装置で数μｍ×０．数μｍの刻印２１と
０．数μｍの刻印２２とを、数箇所設けている。この刻
印の加工はレーザー加工装置でも同様に可能である。レ
ーザー加工装置は、光学顕微鏡にレーザー発振器を装着
した構成であり、その光学顕微鏡の分解能は基本的には
高速回転外周刃加工装置に装着している光学顕微鏡と同
等であるので、対象物が小さい場合には観察が困難とな
ることがある。その際は刻印をより精度良く行うため
に、収束荷電粒子ビーム加工装置の顕微鏡機能を用いる
と良い。

【００２３】収束荷電粒子ビーム加工装置は上述したよ
うに光学顕微鏡に比べてさらに高倍率の観察が可能であ
り、かつ荷電粒子ビームを１箇所に固定することで刻印
をすることも可能である。よって、刻印加工を収束荷電
粒子ビーム加工装置で行うと、数千倍から１万倍程度の
高倍率で、光学顕微鏡でも観察可能な大きさの刻印を設
けることができる。

【００２４】また、小さな寸法で、深い刻印形状を得る
ためには、収束荷電粒子ビーム装置の方がレーザー加工
装置よりも精巧な加工が可能である。刻印を設けたらそ
の刻印を目標にして、高速回転外周刃加工装置に装着し
た光学顕微鏡で特定位置を確認しながら、観察箇所１を
含んだ表層部を厚みａ、切り込み深さｂでの加工を行う
ことができる。

【００２５】なお、上記刻印２１，２２は、基板上に回
路等の構造物が形成されているか否かにかかわる拘ら
ず、基板に達するように形成するのが好ましい。つま
り、構造物に欠陥があっても、切削や薄肉化を行う箇所
が基板側であり、基板に達するように形成しておれば、
切削や薄肉化を行うときに、目印として機能し易いから
である。

【００２６】

【発明の効果】本発明によれば、観察場所を正確に薄片
化するとができ、従来技術で±１００μｍ程度であった
位置合わせ精度を±０．１μｍ以下に飛躍的に向上させ
ることが可能である。この精度は収束荷電粒子ビームの
収束具合により制約を受けるもので、収束荷電粒子ビー
ムの収束性が向上すれば、前記精度をさらに上げること
もできる。これにより、やり直し等をほとんど無くすこ
とができ、作業性の向上を図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る図面であって、（Ａ）、（Ｂ）、
（Ｃ）、（Ｄ）、（Ｅ）は高速回転外周刃加工装置で加
工する際の加工状態図、（Ｆ）は収束荷電粒子ビーム加
工装置で加工中の状態図、（Ｇ）は電子顕微鏡で観察中
の状態を示している。

【図２】従来当初の試料を作製する工程を示す図であ
る。

【図３】刻印を試料に形成した従来例を示す平面図であ
る。

【図４】図３の試料に加工を施す工程を示す図である。

【符号の説明】

１ 観察場所 １１ 試料 １１′ 切断断面 ２１、２２ 刻印 ４１、４１′ 切断跡 ３ 半導体チップ ４ 高速回転外周刃 ５ サポート ６ 収束荷電粒子ビーム ６１ 収束荷電粒子ビームを走査させる方向 ７ 電子線

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電子顕微鏡を用いて観察が行われる材料
   平面上の観察場所の周囲に複数の刻印を形成する工程
   と、 高倍率の光学顕微鏡を装備した高速回転外周刃加工装置
   を用いて前記刻印を観察しつつ前記材料を切断し、電子
   顕微鏡に装着可能な大きさにすると共に切断断面に前記
   刻印の２つを残す工程と、 前記切断断面の刻印側とは反対側を前記高速回転外周刃
   加工装置により切削して断面Ｌ字状に加工する工程と、 前記Ｌ字状の突出部分の観察場所とは反対側に収束荷電
   粒子ビームによるエッチングを行って、２つ残っている
   刻印間を薄肉化する工程とを含むことを特徴とする電子
   顕微鏡観察用試料の作製方法。
2. 【請求項２】 前記材料が半導体チップであって、レー
   ザー光または収束荷電粒子ビームにより当該半導体チッ
   プの基板に到達する深さに前記刻印が加工を施されてい
   る請求項１記載の電子顕微鏡観察用試料の作製方法。