試料評価装置および試料評価方法
【課題】 従来の電子顕微鏡用試料作製技術では、試料の断面薄膜化試料を作製するのみで、薄膜の状態のデバイス試料に電圧を印加し、デバイスを動作させることができなかった。
【解決手段】 収束イオンビーム装置内に複数のプローブを設け、プローブ間には自由に電圧を印加できる構成とする。また、プローブ間の電流を測定し、電流の有無を判定できる検知器を設ける。プローブは半導体デバイスのコンタクトプラグに接触させ、デポジションガスを装置内に導入し、プローブの接触位置に収束イオンビームを照射することで、プローブをコンタクトプラグに接着し、電流導入端子とする。電子顕微鏡の試料ホルダには、この電流導入端子に接触し、電子顕微鏡外部から電圧を印加できる電流導入機構を設ける。
【解決手段】 収束イオンビーム装置内に複数のプローブを設け、プローブ間には自由に電圧を印加できる構成とする。また、プローブ間の電流を測定し、電流の有無を判定できる検知器を設ける。プローブは半導体デバイスのコンタクトプラグに接触させ、デポジションガスを装置内に導入し、プローブの接触位置に収束イオンビームを照射することで、プローブをコンタクトプラグに接着し、電流導入端子とする。電子顕微鏡の試料ホルダには、この電流導入端子に接触し、電子顕微鏡外部から電圧を印加できる電流導入機構を設ける。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体デバイスを初め、各種電子デバイスに電圧を印加しながら観察するための試料作製装置および作製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の電子顕微鏡用試料作製装置を図２と図３を用いて説明する。電子顕微鏡用試料作製法は、電解研磨を用いる方法、研磨粉と研磨板を用いる機械的研磨法、イオンビーム加工法など、試料種類や目的に応じて幾つかの技術がある。近年の半導体デバイス解析等においては、ガリウムなどのイオンを加速し、電磁レンズで数10nm径に収束させ、スパッタ効果により加工する方法が広く取られるようになっている。装置としては、収束イオンビーム（ＦＩＢ：Focused Ion Beam）装置として、広く市販されている。本出願においても、このＦＩＢ技術をベースに説明する。
【０００３】
図２は、従来のＦＩＢ装置の構成（特許文献１）を示す。半導体ウェハ１０１が試料台１０２上に固定され、試料位置制御装置１０３によりウェハ面内方向に移動される。一方、イオン源から放射されたイオンビーム１０４はイオンビーム光学系１０５により収束され、半導体ウェハ１０１上に収束される。イオンビーム光学系１０５は走査コイルを有しており、イオンビーム光学系制御装置１０７によりウェハ面内方向に２次元的に走査することができる。すなわち、イオンビーム１０４の走査と試料位置制御装置１０３を併用することにより、ウェハ１０１上の目的の領域に数10nm径のイオンビームを２次元的に照射できる。イオンビーム１０４は試料にて二次電子を励起する。従って、真空容器１１１に二次電子検出器１０６を設け、二次電子検出器制御装置１０８を介し、イオンビーム１０４の走査位置と同期を取って二次電子強度を中央処理装置１１１上にモニタすることにより、二次電子像として試料構造やイオンビーム１０４の照射位置を確認することができる。また、加工した電子顕微鏡用試料を取り出すために、マイクロサンプリング法が活用されている。ここでは、タングステンを微細にエッチングしたプローブ１００１が導入される。プローブ１００１の先端は半導体ウェハ１０１に接触でき、ウェハ面内の位置をプローブ駆動機構１００１’およびプローブ駆動機構制御装置１００１’ ’で制御される。プローブ１００１と加工された試料の接着には、デポジションガスが広く用いられている。真空容器１１１には、デポジションガス源１０９が設けられており、真空容器１１１内に、例えば有機タングステンガスなどのデポジションガスが導入される。デポジションガスには、イオンビームを照射することで反応を起こし、固化するものが選ばれている。ガス流量などをデポジションガス源制御装置１１０で制御できる。
【０００４】
次に図３を用い、試料加工とハンドリングのプロセスについて詳細を説明する。図３において、（ａ、ｂ）始めに所望断面の周りの３辺方向にＦＩＢ１１０１で３つの矩形穴１１０２、１１０３、１１０４加工を行う。（ｃ）次に試料台を傾斜させ、溝１１０５加工を行うことにより、支持部１１０６のみで元試料に支持された試料片１１０７を作製することができる。（ｄ）次に試料台傾斜を元に戻し、プローブ駆動機構１００１’とプローブ制御装置１００１’ ’によりプローブ１００１先端を試料片１１０７に接触させる。次にデポジションガス源１０９からデポジションガス１１０８を供給しながらプローブ先端を含む領域にＦＩＢ１１０１照射を行うことにより、（ｅ）デポジション膜１１０９（本実施例の場合はＷ膜）を形成することができ、試料片１１０７とプローブ１００１を固定することができる。この後に支持部１１０６をＦＩＢ加工で除去することにより元試料から試料片を分離することができる。（ｆ、ｇ）こうして分離された試料片１１０７をプローブ駆動によりサンプルキャリア１１１０に接触させる。（ｈ）そこで、接触部に上記と同様の方法でデポジション膜１１１１を形成することで試料片とサンプルキャリアを固定する。（ｉ）その後にプローブ先端をＦＩＢ加工しプローブを分離することで、（ｊ）試料片１１０７を独立にすることが可能となる。
【０００５】
プローブを用いた試料ハンドリングにおいて、試料に接着したプローブを一定の長さ試料側に切り残す技術が、特許文献２において開示されている。特許文献２においては、試料（該文献ではサンプル）が数10ミクロンと微視的大きさであるのに対し、試料を固定するメッシュ（該文献ではグリッド）の大きさが３ｍｍと大きいため、小さい試料を高い位置精度で固定することが難しい。このため、試料をハンドリングするプローブ（該文献ではサンプル・キャリア）を試料側に大きくきり残すことで、プローブとメッシュの大きさのレベルを揃え、プローブをメッシュに固定する位置精度が数10倍程度低くても済むように工夫している。しかしながら、この出願の目的は試料ハンドリングを容易にすることであり、このため、プローブは１本で良く、プラグなどのデバイスを電気的に動作させる位置にプローブを接触させることはなく、また、試料とプローブが電気的に接触したかどうかは問題としていない。
【０００６】
【特許文献１】特許第２７７４８８４号公報
【０００７】
【特許文献２】特開２００５−３６８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来手法では、例えば図３(j)のように、電子顕微鏡用試料は薄膜化された孤立した試料であり、この試料片を電子顕微鏡に導入して観察した場合、デバイスは停止したままの状態である。一方、半導体デバイスはプラグ、ゲートなどに電圧を印加して動作させており、その特性評価はより正確には動作状態で行う必要がある。例えばドーパントプロファイルと称されるイオン注入領域の形状は、イオンを注入した直後の静的な状態と、電圧を印加した状態では形状に差があるとされる。また、ゲート絶縁膜の耐性を評価する際も、基板とゲート間に動作電圧を印加した状態で評価する必要がある。透過電子顕微鏡は、空間分解能が0.1nm程度と極めて高く、様々な分析機能も有していることから、広く半導体デバイス解析に活用されているが、試料を薄膜化する制約から上記の課題を有している。本出願では、透過電子顕微鏡内にて薄膜化したデバイス試料に電圧を印加して動作状態にして評価することを目的としており、このための試料前処理に関する課題に対応することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
試料の前処理には、ＦＩＢ装置を用いる。試料の各部署にコンタクトするためのプローブ機能を導入する、ＦＩＢにて所望とする加工領域において、コンタクトプラグやゲート、基板等の所望の箇所にプローブを複数箇所接触させ、プローブを切り離す。この際、プローブを所定の長さ切り残す。FIBにより加工された試料片を試料ホルダに載せ、当該試料片に付けられ、切り残されたプローブに接触させて電流を導入できる機能を備えた構造とする。
また好ましくは、プローブが電気的に正しくコンタクトされているかどうかを判定するために、プローブからの電流を検知し、抵抗値を算出する機能をＦＩＢ装置に設置してもよい。
さらに好ましくは、前述の試料ホルダは電子顕微鏡と共用できるホルダであって、前述の試料片に切り残されたプローブに接触させて電流を導入できる機能は、当該ホルダもしくは電子顕微鏡に、試料片に切り残されたプローブに対して電流を導入できる機構を備えた構造であってもよい。
【発明の効果】
【００１０】
半導体デバイスを初めとする各種電子デバイスに電圧を印加し、動作状態のまま電子顕微鏡で構造、組成、電子状態を測定可能となる。
【実施例１】
【００１１】
図１にて、本出願の実施例を説明する。図２で示したＦＩＢ装置をベースに改良する例を示す。半導体ウェハ１０１が試料台１０２上に固定され、試料位置制御装置１０３によりウェハ面内方向に移動される。一方、イオン源から放射されたイオンビーム１０４はイオンビーム光学系１０５により収束され、半導体ウェハ１０１上に収束される。イオンビーム光学系１０５は走査コイルを有しており、イオンビーム光学系制御装置１０７によりウェハ面内方向に２次元的に走査することができる。すなわち、イオンビーム１０４の走査と試料位置制御装置１０３を併用することにより、ウェハ１０１上の目的の領域に数10nm径のイオンビームを２次元的に照射できる。イオンビーム１０４は試料にて二次電子を励起する。従って、真空容器１１１に二次電子検出器１０６を設け、二次電子検出器制御装置１０８を介し、イオンビーム１０４の走査位置と同期を取って二次電子強度を中央処理装置１１１上にモニタすることにより、二次電子像として試料構造やイオンビーム１０４の照射位置を確認することができる。また、加工した電子顕微鏡用試料を取り出すために、マイクロサンプリング法が活用されている。ここでは、タングステンを微細にエッチングしたプローブ１００１が導入される。プローブ１００１の先端は半導体ウェハ１０１に接触でき、ウェハ面内の位置をプローブ駆動機構１０１０およびプローブ駆動機構制御装置１０１１で制御される。プローブ１００１と加工された試料の接着には、デポジションガスが広く用いられている。真空容器１１１には、デポジションガス源１０９が設けられており、真空容器１１１内に、例えば有機タングステンガスなどのデポジションガスが導入される。デポジションガスには、イオンビームを照射することで反応を起こし、固化するものが選ばれている。ガス流量などをデポジションガス源制御装置１１０で制御できる。
【００１２】
さらに本出願では、プローブＢ１００２、プローブＢ駆動機構１００２’、プローブＢ制御装置１００２’’、プローブＣ１００３、プローブＣ駆動機構１００３’、プローブＣ制御装置１００３’’、プローブ電流読み出し線１００４、基板電流読み出し線１００５ 、電流制御機構１００６を設ける。すなわち、図１においては同等の３系統のプローブ機能を有し、ウェハ面上の目的の箇所にアプローチ可能とする。ここでプローブ機構は、試料を持ち運ぶマニピュレータとしての機能だけでなく、電流導入機構の役割を持たせる。すなわち、各プローブ先端には、電流制御機構１００６からプローブ電流読み出し線１００４を介して電圧を印加し、電流を導入できる構造とする。また、基板には基板電流読み出し線１００５を介して電圧を印加し、電流を導入できる構造とする。すなわち、図１においては、合計４系統の独立した電流導入機構を設けてある。特にプローブの３系統は同等のものであり、デバイスの種類によりより多くの系統が必要な場合、これらを並列的に増設することとする。
【００１３】
次に図４を用いて、本出願における試料加工とハンドリングのプロセスについて詳細を説明する。プロセス前半は図３の従来例と同様であり、図４(a)は図３(d)と同一である。すなわち、図４において、（ａ）プローブ駆動機構１００１’によりプローブ１００１先端を試料片１１０７に接触させる。次にデポジションガス源１０９からデポジションガス１１０８を供給しながらプローブ先端を含む領域にＦＩＢ１１０１照射を行う。次に、（ｂ）プローブＢ駆動機構１００２’とプローブＢ制御装置１００２’ ’により、プローブＢ１００２を試料片１１０７の次の所定の箇所に接触させ、同様にデポジションガス１１０８を供給しながらプローブ先端を含む領域にＦＩＢ１１０１照射を行う。これにより、プローブ１００１とプローブＢ１００２は試料片１１０７に固定される。そこで、（ｃ）プローブＢ１００２の中ほどにＦＩＢ１１０１を照射し、（ｄ）所定の長さを残して切り離す。同様に、（ｅ）プローブＣについても同様の処理を行うことで、３本のプローブが試料片１００７に固定される。次に（ｆ）支持部１１０６をＦＩＢ加工で除去することにより元試料から試料片を分離することができる。これにより、試料片１１０７はフリーな状態となり、（ｇ）プローブ１００１により持ち上げることが可能となる。そこで、（ｈ）こうして分離された試料片１１０７をプローブ駆動によりサンプルキャリア１１１０に接触させる。そこで、接触部に上記と同様の方法でデポジション膜１１１１を形成することで試料片とサンプルキャリアを固定する。
【００１４】
試料の形状と各プローブの接触のさせ方について、図５を用いて説明する。図５は、図４（ｈ）工程で得られた電子顕微鏡用試料の断面図である。すなわち、サンプルキャリア１１１０上にデポジション膜１１１１で半導体デバイス試料が固定されている。ここでは、ゲート１２０２とソース側のコンタクトプラグＡ１２００、ドレイン側のコンタクトプラグＢ１２０１を含む試料を摘出している。コンタクトプラグＡ１２００には、デポジション膜１００９によりプローブＣ１００３、コンタクトプラグＢ１２０１には、デポジション膜１００９によりプローブ１００１、ゲート１２０２にはデポジション膜１００９によりプローブ１００１が固定されている。また、サンプルキャリア１１１０は電気的に基板電流読み出し線１００５に導通している。すなわち、図５の断面試料は電流制御機構１００６によりソース、ドレイン、ゲート、基板の４箇所独立に電圧が印加される。
【００１５】
尚、本実施例では、試料としてウェハ形状の試料、すなわち半導体ウェハ１０１として説明したが、ＦＩＢ装置にはウェハ対応の装置のほか、数センチメートル角に切断したチップ対応の装置がある。両者は試料の大きさが異なるだけであり、上記実施例はチップ試料においても成り立つことは言うまでもない。また、試料構造を観察するため、イオンビームのほかに電子ビームを照射できる複合装置が市販されているが、ベースの鏡体にはこれを用いても良い。また、試料片に対するプローブの切り残しのタイミングは試料から試料片を作製する前でも良いし、作製途中であっても良いし、試料から分離された後でも良い。
【００１６】
ここで、プローブ材質とデポジションガス材質について説明する。広く、ＦＩＢ装置においては、タングステンのプローブに、有機系のモリブデンや有機系のタングステン、有機系の銅のガス等が用いられている。本出願においては、試料の目的の構造物に電気的にプローブ接触させることを主眼においていることから、構造物とプローブ、デポジションガスの材質の組み合わせを工夫すればより好ましい電気的導通を図れる。例えば、半導体デバイスにおいて、プラグがタングステンである場合は、タングステンプローブに有機タングステンのデポジションガスを用いることとする。また、目的の構造物が銅配線である場合は、銅プローブ、デポジションガスには有機系の銅ガスを用いる。できるだけ構造物とプローブ、デポジションガスの材質をそろえることとする。これにより、プローブと試料との接触抵抗を下げることが可能となる。このように、材質をあわせることができない場合は、従来のモリブデンやタングステンで行うこともできるが、試料に微小な電流・電圧を印加させるために、プローブなど、電気的な途中経路の抵抗は十分に下げておきたい。このため、材料選択としては、金、銀、白金、銅など抵抗率が低く、酸化しづらい材料を選ぶこととする。
【実施例２】
【００１７】
図８に、電流制御機構１００６の詳細を示す。プローブ１００１、プローブＢ１００２、プローブＣ１００３はプローブ電流読み出し線１００４によって各々プローブ電流計２００１とプローブ電源２０１１、プローブＢ電流計２００２とプローブＢ電源２０１２、プローブＣ電流計２００３とプローブＣ電源２０１３に電気的に接続されている。また、サンプルキャリア１１１０は基板電流読み出し線１００５によって基板電流計２００４と基板電源２０１４に電気的に接続されている。この構造により、各プローブや基板には独立に電圧を印加できる。また、プローブ間の電位差で発生した電流を各電流計で読み取ることが出来る。これら電流計と電源は電流電圧処理装置２０２０により制御されており、それぞれの電流、電圧値をモニタされる。例えば、プローブが電気的に正しくコンタクトやゲートに接続しているかどうかをこれら電流、電圧値から算出された抵抗値から判定できる。例えば、金属と半導体間にはしばしばショットキー接合が形成される。電流と電圧が比例な、すなわちオーミックなコンタクトが望まれるが、これを電流電圧処理装置２０２０にて検知し、合格のサインを中央処理装置１１１に出すことで、加工プロセスの自動化を計ることが可能となる。また、電子顕微鏡内で電流、電圧値を変えた一連の条件で評価を行う場合も、電流、電圧条件を電流電圧処理装置２０２０にて自動で記録することが可能となり、電子顕微鏡の評価結果との対応付けに極めて有用である。
【実施例３】
【００１８】
本出願では、試料を電子顕微鏡で評価する。図６にて加工した試料を電子顕微鏡に導入する試料ホルダ、図７にて電子顕微鏡本体の実施例を説明する。図６(a)は試料ホルダ１５０５を電子顕微鏡の光軸方向から見た図、図６(b)は試料ホルダ１５０５を電子顕微鏡の光軸垂直方向から見た図である。
【００１９】
図６において、図５で説明した電子顕微鏡用試料が試料ホルダ１５０５に固定される。試料ホルダ１５０５上には、試料台１５００が回転ピポット１５０６に挟まれて設置される。また、試料ホルダ１５０５の先端には傾斜ピポット１５０７が設置される。すなわち、試料台１５００は２つのピポットを回転中心として２軸に回転(傾斜)される。サンプルキャリア１１１０は試料台１５００上に機械的に固定される。試料からは３本のプローブ、すなわちプローブ１００１、プローブＢ１００２、プローブＣ１００３が外に伸びている。試料台１５００には電気的に浮かせてプローブ接触部材１５０１が固定されており、サンプルキャリア１１１０を試料台１５００上に固定することで３本のプローブもプローブ接触部材１５０１に接触する構造となっている。プローブ接触部材１５０１は、電流導入端子１５０２、電流導入線１５０３を介して試料ホルダ端子１５０４に電気的に接続されている。本実施例では、プローブ接触部材１５０１、電流導入端子１５０２、電流導入線１５０３は４式あり、うち１式は試料台１５００を介してサンプルキャリア１１１０に電気的に接続されており、基板電流を読み出すことが出来る構造である。実施例１で述べた通り、デバイスの種類によっては４種類以上の電流導入が必要であり、この場合、目的に応じて系統数を増やしていく対応が可能である。
【００２０】
図７には、図６で示した試料ホルダ１５０５を用い、走査透過電子顕微鏡で観察する実施例を示す。電子銃制御回路１１’で制御された電子銃１１から放射された1次電子線２６は照射レンズ１２、照射レンズ制御回路１２’、コンデンサ絞り１３、コンデンサ絞り制御回路１３’、軸ずれ補正用偏向器１４、軸ずれ補正用偏向器制御回路１４’、収差補正器１５、収差補正器制御回路１５’、イメージシフト用偏向器１６、イメージシフト用偏向器制御回路１６’と対物レンズ１８、対物レンズ制御回路１８’を用いて試料ホルダ１５０５上の薄膜化した試料２４に収束、照射される。1次電子線２６は走査用偏向器１７にて試料面上で２次元的に走査されることから、透過電子線２７の強度を電子検出器２１で検出し、電子検出器制御回路２１’を介し、走査位置と同期をとって画像表示することにより、試料構造や組成、電子状態に対応したコントラストを有する透過電子線像を電子顕微鏡制御用計算機２３に示すことが可能である。試料ホルダ端子１５０４は電流導入端子付き試料ホルダ駆動機構１５１０に接続される。電流導入端子付き試料ホルダ駆動機構１５１０は試料ホルダ１５０５をx,y,zの３方向に移動すると共に、回転ピポット１５０６と傾斜ピポット１５０７を回転中心として２軸に回転(傾斜)する。さらに、試料ホルダ端子１５０４を介して試料に電子顕微鏡外(真空外)から電流・電圧を供給できる。電流導入端子付き試料ホルダ駆動機構１５１０は、電流導入端子付き試料ホルダ駆動機構制御回路１５１０’を介して電子顕微鏡制御用計算機２３にて制御されると共に、試料位置や試料への印加電圧・電流値などを記録される。
【００２１】
本実施例では電子顕微鏡単体での構成例について述べてきたが、イオンビーム光学系と電子ビーム光学系を有する複合装置によっても本発明が達成されることは明らかである。
【実施例４】
【００２２】
実施例１において、図１で説明した装置および方法では、装置に３組のプローブを装備していたが、図４に示した方法は従来の１組のプローブ、プローブ駆動機構、プローブ制御装置を有する装置でも実現可能である。以下、図９、図１０を用いて実施例を説明する。
【００２３】
半導体ウェハ１０１が試料台１０２上に固定され、試料位置制御装置１０３によりウェハ面内方向に移動される。一方、イオン源から放射されたイオンビーム１０４はイオンビーム光学系１０５により収束され、半導体ウェハ１０１上に収束される。イオンビーム光学系１０５は走査コイルを有しており、イオンビーム光学系制御装置１０７によりウェハ面内方向に２次元的に走査することができる。すなわち、イオンビーム１０４の走査と試料位置制御装置１０３を併用することにより、ウェハ１０１上の目的の領域に数10nm径のイオンビームを２次元的に照射できる。イオンビーム１０４は試料にて二次電子を励起する。従って、真空容器１１１に二次電子検出器１０６を設け、二次電子検出器制御装置１０８を介し、イオンビーム１０４の走査位置と同期を取って二次電子強度を中央処理装置１１１上にモニタすることにより、二次電子像として試料構造やイオンビーム１０４の照射位置を確認することができる。また、加工した電子顕微鏡用試料を取り出すために、マイクロサンプリング法が活用されている。ここでは、タングステンを微細にエッチングしたプローブ１００１が導入される。プローブ１００１の先端は半導体ウェハ１０１に接触でき、ウェハ面内の位置をプローブ駆動機構１００１’およびプローブ制御装置１００１’ ’で制御される。プローブ１００１と加工された試料の接着には、デポジションガスが広く用いられている。真空容器１１１には、デポジションガス源１０９が設けられており、真空容器１１１内に、例えば有機タングステンガスなどのデポジションガスが導入される。デポジションガスには、イオンビームを照射することで反応を起こし、固化するものが選ばれている。ガス流量などをデポジションガス源制御装置１１０で制御できる。本出願では、プローブ電流読み出し線１００４、基板電流読み出し線１００５ 、電流制御機構１００６を設ける。ここでプローブ機構は、試料を持ち運ぶマニピュレータとしての機能だけでなく、電流導入機構の役割を持たせる。すなわち、各プローブ先端には、電流制御機構１００６からプローブ電流読み出し線１００４を介して電圧を印加し、電流を導入できる構造とする。また、基板には基板電流読み出し線１００５を介して電圧を印加し、電流を導入できる構造とする。
【００２４】
次に図10を用いて、本出願における試料加工とハンドリングのプロセスについて詳細を説明する。すなわち、図10において、（ａ）プローブ駆動機構１００１’によりプローブ１００１先端を試料片１１０７に接触させる。次にデポジションガス源１０９からデポジションガス１１０８を供給しながらプローブ先端を含む領域にＦＩＢ１１０１照射を行う。これにより、プローブ１００１は試料片１１０７に固定される。そこで、（ｂ）プローブ１００１の中ほどにＦＩＢ１１０１を照射し、（ｃ）所定の長さを残して切り離す。これにより、プローブ１００２が形成される。次に、プローブ１００１を次の接触位置に移動し、(ａ)と同様に固定処理をする。そして、（ｄ）プローブ１００１の中ほどに再度ＦＩＢ１１０１を照射することで、こちらも所定の長さを残して切り離す。これにより、プローブ１００３が形成される。次に，（ｅ）プローブ１００１を次の接触位置に移動し、試料片１１０７に固定する。ここで、支持部１１０６をＦＩＢ加工で除去することにより、元試料から試料片を分離することができる。これにより、試料片１１０７はフリーな状態となり、（ｆ）プローブ１００１により持ち上げることが可能となる。そこで、（ｈ）半導体ウェハの代わりにサンプルキャリア１１１０を導入し、こうして分離された試料片１１０７をプローブ駆動によりサンプルキャリア１１１０に接触させる。そこで、接触部に上記と同様の方法でデポジション膜１１１１を形成することで試料片とサンプルキャリアを固定する。最後に、プローブ１００１にＦＩＢ１１０１照射を行うことで、図５に示される構造の観察用試料が形成される。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
半導体デバイスの評価計測などの半導体産業、電子顕微鏡、イオンビーム装置などの計測装置産業に利用可能。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本出願の収束イオンビーム装置の一実施例を示す図。
【図２】従来の電子顕微鏡用試料を加工する収束イオンビーム装置の構成を示す図。
【図３】従来の電子顕微鏡用試料を加工する方法を示す図。
【図４】本出願の電子顕微鏡用試料を加工する方法の一実施例を示す図。
【図５】試料構造の一実施例を示す図。
【図６】電子顕微鏡用試料ホルダの一実施例を示す図。
【図７】評価のための電子顕微鏡の一実施例を示す図。
【図８】電流制御機構構造の詳細を示す図。
【図９】本出願の収束イオンビーム装置の一実施例を示す図（１探針装置の場合）。
【図１０】本出願の電子顕微鏡用試料を加工する方法の一実施例を示す図（１探針装置の場合）。
【符号の説明】
【００２７】
１０１…半導体ウェハ、１０２…試料台、１０３…試料位置制御装置、
１０４…イオンビーム、１０５…イオンビーム光学系、
１０６…二次電子検出器、１０７…イオンビーム光学系制御装置、
１０８…二次電子検出器制御装置、１０９…デポジションガス源、
１１０…デポジションガス源制御装置、１１１…中央処理装置、
１１２…真空容器、１００１…プローブ、１００１’…プローブ駆動機構、
１００１’’…プローブ制御装置、１００２…プローブＢ、
１００２’…プローブＢ駆動機構、１００２’’…プローブＢ制御装置、
１００３…プローブＣ、１００３’…プローブＣ駆動機構、
１００３’’…プローブＣ制御装置、１００４…プローブ電流読み出し線、
１００５ …基板電流読み出し線、１００６…電流制御機構
１０１０…プローブ駆動機構、１０１１…プローブ制御装置
１１０１…ＦＩＢ、１１０２…矩形穴、１１０３…矩形穴、１１０４…矩形穴、
１１０５…溝、１１０６…支持部、１１０７…試料片、１１０８…デポジションガス、
１１０９…デポジション膜、１１１０…サンプルキャリア、１１１１…デポジション膜
１２００…コンタクトプラグＡ、１２０１…コンタクトプラグＢ、１２０２…ゲート
１５００…試料台、１５０１…プローブ接触部材、１５０２…電流導入端子、１５０３…電流導入線、１５０４…試料ホルダ端子、１５０５…試料ホルダ、
１５０６…回転ピポット、１５０７…傾斜ピポット
１５１０…電流導入端子付き試料ホルダ駆動機構、
１５１０’…電流導入端子付き試料ホルダ駆動機構制御回路、
１１…電子銃、１１’ …電子銃制御回路、１２…照射レンズ、
１２’ …照射レンズ制御回路、１３…コンデンサ絞り、
１３’ …コンデンサ絞り制御回路、１４…軸ずれ補正用偏向器、
１４’ …軸ずれ補正用偏向器制御回路、１５…収差補正器、
１５’ …収差補正器制御回路、１６…イメージシフト用偏向器、
１６’ …イメージシフト用偏向器制御回路、１７…走査用偏向器、
１７’ …走査用偏向器制御回路、１８…対物レンズ、
１８’ …対物レンズ制御回路、２１…電子検出器、
２１’ …電子検出器制御回路、２３…電子顕微鏡制御用計算機、
２４…薄膜化した試料、２６…1次電子線、２７…透過電子線
２００１…プローブ電流計、２００２…プローブＢ電流計、
２００３…プローブＣ電流計、２００４…基板電流計、
２０１１…プローブ電源、２０１２…プローブＢ電源、
２０１３…プローブＣ電源、２０１４…基板電源、
２０２０…電流電圧処理装置。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体デバイスを初め、各種電子デバイスに電圧を印加しながら観察するための試料作製装置および作製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の電子顕微鏡用試料作製装置を図２と図３を用いて説明する。電子顕微鏡用試料作製法は、電解研磨を用いる方法、研磨粉と研磨板を用いる機械的研磨法、イオンビーム加工法など、試料種類や目的に応じて幾つかの技術がある。近年の半導体デバイス解析等においては、ガリウムなどのイオンを加速し、電磁レンズで数10nm径に収束させ、スパッタ効果により加工する方法が広く取られるようになっている。装置としては、収束イオンビーム（ＦＩＢ：Focused Ion Beam）装置として、広く市販されている。本出願においても、このＦＩＢ技術をベースに説明する。
【０００３】
図２は、従来のＦＩＢ装置の構成（特許文献１）を示す。半導体ウェハ１０１が試料台１０２上に固定され、試料位置制御装置１０３によりウェハ面内方向に移動される。一方、イオン源から放射されたイオンビーム１０４はイオンビーム光学系１０５により収束され、半導体ウェハ１０１上に収束される。イオンビーム光学系１０５は走査コイルを有しており、イオンビーム光学系制御装置１０７によりウェハ面内方向に２次元的に走査することができる。すなわち、イオンビーム１０４の走査と試料位置制御装置１０３を併用することにより、ウェハ１０１上の目的の領域に数10nm径のイオンビームを２次元的に照射できる。イオンビーム１０４は試料にて二次電子を励起する。従って、真空容器１１１に二次電子検出器１０６を設け、二次電子検出器制御装置１０８を介し、イオンビーム１０４の走査位置と同期を取って二次電子強度を中央処理装置１１１上にモニタすることにより、二次電子像として試料構造やイオンビーム１０４の照射位置を確認することができる。また、加工した電子顕微鏡用試料を取り出すために、マイクロサンプリング法が活用されている。ここでは、タングステンを微細にエッチングしたプローブ１００１が導入される。プローブ１００１の先端は半導体ウェハ１０１に接触でき、ウェハ面内の位置をプローブ駆動機構１００１’およびプローブ駆動機構制御装置１００１’ ’で制御される。プローブ１００１と加工された試料の接着には、デポジションガスが広く用いられている。真空容器１１１には、デポジションガス源１０９が設けられており、真空容器１１１内に、例えば有機タングステンガスなどのデポジションガスが導入される。デポジションガスには、イオンビームを照射することで反応を起こし、固化するものが選ばれている。ガス流量などをデポジションガス源制御装置１１０で制御できる。
【０００４】
次に図３を用い、試料加工とハンドリングのプロセスについて詳細を説明する。図３において、（ａ、ｂ）始めに所望断面の周りの３辺方向にＦＩＢ１１０１で３つの矩形穴１１０２、１１０３、１１０４加工を行う。（ｃ）次に試料台を傾斜させ、溝１１０５加工を行うことにより、支持部１１０６のみで元試料に支持された試料片１１０７を作製することができる。（ｄ）次に試料台傾斜を元に戻し、プローブ駆動機構１００１’とプローブ制御装置１００１’ ’によりプローブ１００１先端を試料片１１０７に接触させる。次にデポジションガス源１０９からデポジションガス１１０８を供給しながらプローブ先端を含む領域にＦＩＢ１１０１照射を行うことにより、（ｅ）デポジション膜１１０９（本実施例の場合はＷ膜）を形成することができ、試料片１１０７とプローブ１００１を固定することができる。この後に支持部１１０６をＦＩＢ加工で除去することにより元試料から試料片を分離することができる。（ｆ、ｇ）こうして分離された試料片１１０７をプローブ駆動によりサンプルキャリア１１１０に接触させる。（ｈ）そこで、接触部に上記と同様の方法でデポジション膜１１１１を形成することで試料片とサンプルキャリアを固定する。（ｉ）その後にプローブ先端をＦＩＢ加工しプローブを分離することで、（ｊ）試料片１１０７を独立にすることが可能となる。
【０００５】
プローブを用いた試料ハンドリングにおいて、試料に接着したプローブを一定の長さ試料側に切り残す技術が、特許文献２において開示されている。特許文献２においては、試料（該文献ではサンプル）が数10ミクロンと微視的大きさであるのに対し、試料を固定するメッシュ（該文献ではグリッド）の大きさが３ｍｍと大きいため、小さい試料を高い位置精度で固定することが難しい。このため、試料をハンドリングするプローブ（該文献ではサンプル・キャリア）を試料側に大きくきり残すことで、プローブとメッシュの大きさのレベルを揃え、プローブをメッシュに固定する位置精度が数10倍程度低くても済むように工夫している。しかしながら、この出願の目的は試料ハンドリングを容易にすることであり、このため、プローブは１本で良く、プラグなどのデバイスを電気的に動作させる位置にプローブを接触させることはなく、また、試料とプローブが電気的に接触したかどうかは問題としていない。
【０００６】
【特許文献１】特許第２７７４８８４号公報
【０００７】
【特許文献２】特開２００５−３６８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来手法では、例えば図３(j)のように、電子顕微鏡用試料は薄膜化された孤立した試料であり、この試料片を電子顕微鏡に導入して観察した場合、デバイスは停止したままの状態である。一方、半導体デバイスはプラグ、ゲートなどに電圧を印加して動作させており、その特性評価はより正確には動作状態で行う必要がある。例えばドーパントプロファイルと称されるイオン注入領域の形状は、イオンを注入した直後の静的な状態と、電圧を印加した状態では形状に差があるとされる。また、ゲート絶縁膜の耐性を評価する際も、基板とゲート間に動作電圧を印加した状態で評価する必要がある。透過電子顕微鏡は、空間分解能が0.1nm程度と極めて高く、様々な分析機能も有していることから、広く半導体デバイス解析に活用されているが、試料を薄膜化する制約から上記の課題を有している。本出願では、透過電子顕微鏡内にて薄膜化したデバイス試料に電圧を印加して動作状態にして評価することを目的としており、このための試料前処理に関する課題に対応することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
試料の前処理には、ＦＩＢ装置を用いる。試料の各部署にコンタクトするためのプローブ機能を導入する、ＦＩＢにて所望とする加工領域において、コンタクトプラグやゲート、基板等の所望の箇所にプローブを複数箇所接触させ、プローブを切り離す。この際、プローブを所定の長さ切り残す。FIBにより加工された試料片を試料ホルダに載せ、当該試料片に付けられ、切り残されたプローブに接触させて電流を導入できる機能を備えた構造とする。
また好ましくは、プローブが電気的に正しくコンタクトされているかどうかを判定するために、プローブからの電流を検知し、抵抗値を算出する機能をＦＩＢ装置に設置してもよい。
さらに好ましくは、前述の試料ホルダは電子顕微鏡と共用できるホルダであって、前述の試料片に切り残されたプローブに接触させて電流を導入できる機能は、当該ホルダもしくは電子顕微鏡に、試料片に切り残されたプローブに対して電流を導入できる機構を備えた構造であってもよい。
【発明の効果】
【００１０】
半導体デバイスを初めとする各種電子デバイスに電圧を印加し、動作状態のまま電子顕微鏡で構造、組成、電子状態を測定可能となる。
【実施例１】
【００１１】
図１にて、本出願の実施例を説明する。図２で示したＦＩＢ装置をベースに改良する例を示す。半導体ウェハ１０１が試料台１０２上に固定され、試料位置制御装置１０３によりウェハ面内方向に移動される。一方、イオン源から放射されたイオンビーム１０４はイオンビーム光学系１０５により収束され、半導体ウェハ１０１上に収束される。イオンビーム光学系１０５は走査コイルを有しており、イオンビーム光学系制御装置１０７によりウェハ面内方向に２次元的に走査することができる。すなわち、イオンビーム１０４の走査と試料位置制御装置１０３を併用することにより、ウェハ１０１上の目的の領域に数10nm径のイオンビームを２次元的に照射できる。イオンビーム１０４は試料にて二次電子を励起する。従って、真空容器１１１に二次電子検出器１０６を設け、二次電子検出器制御装置１０８を介し、イオンビーム１０４の走査位置と同期を取って二次電子強度を中央処理装置１１１上にモニタすることにより、二次電子像として試料構造やイオンビーム１０４の照射位置を確認することができる。また、加工した電子顕微鏡用試料を取り出すために、マイクロサンプリング法が活用されている。ここでは、タングステンを微細にエッチングしたプローブ１００１が導入される。プローブ１００１の先端は半導体ウェハ１０１に接触でき、ウェハ面内の位置をプローブ駆動機構１０１０およびプローブ駆動機構制御装置１０１１で制御される。プローブ１００１と加工された試料の接着には、デポジションガスが広く用いられている。真空容器１１１には、デポジションガス源１０９が設けられており、真空容器１１１内に、例えば有機タングステンガスなどのデポジションガスが導入される。デポジションガスには、イオンビームを照射することで反応を起こし、固化するものが選ばれている。ガス流量などをデポジションガス源制御装置１１０で制御できる。
【００１２】
さらに本出願では、プローブＢ１００２、プローブＢ駆動機構１００２’、プローブＢ制御装置１００２’’、プローブＣ１００３、プローブＣ駆動機構１００３’、プローブＣ制御装置１００３’’、プローブ電流読み出し線１００４、基板電流読み出し線１００５ 、電流制御機構１００６を設ける。すなわち、図１においては同等の３系統のプローブ機能を有し、ウェハ面上の目的の箇所にアプローチ可能とする。ここでプローブ機構は、試料を持ち運ぶマニピュレータとしての機能だけでなく、電流導入機構の役割を持たせる。すなわち、各プローブ先端には、電流制御機構１００６からプローブ電流読み出し線１００４を介して電圧を印加し、電流を導入できる構造とする。また、基板には基板電流読み出し線１００５を介して電圧を印加し、電流を導入できる構造とする。すなわち、図１においては、合計４系統の独立した電流導入機構を設けてある。特にプローブの３系統は同等のものであり、デバイスの種類によりより多くの系統が必要な場合、これらを並列的に増設することとする。
【００１３】
次に図４を用いて、本出願における試料加工とハンドリングのプロセスについて詳細を説明する。プロセス前半は図３の従来例と同様であり、図４(a)は図３(d)と同一である。すなわち、図４において、（ａ）プローブ駆動機構１００１’によりプローブ１００１先端を試料片１１０７に接触させる。次にデポジションガス源１０９からデポジションガス１１０８を供給しながらプローブ先端を含む領域にＦＩＢ１１０１照射を行う。次に、（ｂ）プローブＢ駆動機構１００２’とプローブＢ制御装置１００２’ ’により、プローブＢ１００２を試料片１１０７の次の所定の箇所に接触させ、同様にデポジションガス１１０８を供給しながらプローブ先端を含む領域にＦＩＢ１１０１照射を行う。これにより、プローブ１００１とプローブＢ１００２は試料片１１０７に固定される。そこで、（ｃ）プローブＢ１００２の中ほどにＦＩＢ１１０１を照射し、（ｄ）所定の長さを残して切り離す。同様に、（ｅ）プローブＣについても同様の処理を行うことで、３本のプローブが試料片１００７に固定される。次に（ｆ）支持部１１０６をＦＩＢ加工で除去することにより元試料から試料片を分離することができる。これにより、試料片１１０７はフリーな状態となり、（ｇ）プローブ１００１により持ち上げることが可能となる。そこで、（ｈ）こうして分離された試料片１１０７をプローブ駆動によりサンプルキャリア１１１０に接触させる。そこで、接触部に上記と同様の方法でデポジション膜１１１１を形成することで試料片とサンプルキャリアを固定する。
【００１４】
試料の形状と各プローブの接触のさせ方について、図５を用いて説明する。図５は、図４（ｈ）工程で得られた電子顕微鏡用試料の断面図である。すなわち、サンプルキャリア１１１０上にデポジション膜１１１１で半導体デバイス試料が固定されている。ここでは、ゲート１２０２とソース側のコンタクトプラグＡ１２００、ドレイン側のコンタクトプラグＢ１２０１を含む試料を摘出している。コンタクトプラグＡ１２００には、デポジション膜１００９によりプローブＣ１００３、コンタクトプラグＢ１２０１には、デポジション膜１００９によりプローブ１００１、ゲート１２０２にはデポジション膜１００９によりプローブ１００１が固定されている。また、サンプルキャリア１１１０は電気的に基板電流読み出し線１００５に導通している。すなわち、図５の断面試料は電流制御機構１００６によりソース、ドレイン、ゲート、基板の４箇所独立に電圧が印加される。
【００１５】
尚、本実施例では、試料としてウェハ形状の試料、すなわち半導体ウェハ１０１として説明したが、ＦＩＢ装置にはウェハ対応の装置のほか、数センチメートル角に切断したチップ対応の装置がある。両者は試料の大きさが異なるだけであり、上記実施例はチップ試料においても成り立つことは言うまでもない。また、試料構造を観察するため、イオンビームのほかに電子ビームを照射できる複合装置が市販されているが、ベースの鏡体にはこれを用いても良い。また、試料片に対するプローブの切り残しのタイミングは試料から試料片を作製する前でも良いし、作製途中であっても良いし、試料から分離された後でも良い。
【００１６】
ここで、プローブ材質とデポジションガス材質について説明する。広く、ＦＩＢ装置においては、タングステンのプローブに、有機系のモリブデンや有機系のタングステン、有機系の銅のガス等が用いられている。本出願においては、試料の目的の構造物に電気的にプローブ接触させることを主眼においていることから、構造物とプローブ、デポジションガスの材質の組み合わせを工夫すればより好ましい電気的導通を図れる。例えば、半導体デバイスにおいて、プラグがタングステンである場合は、タングステンプローブに有機タングステンのデポジションガスを用いることとする。また、目的の構造物が銅配線である場合は、銅プローブ、デポジションガスには有機系の銅ガスを用いる。できるだけ構造物とプローブ、デポジションガスの材質をそろえることとする。これにより、プローブと試料との接触抵抗を下げることが可能となる。このように、材質をあわせることができない場合は、従来のモリブデンやタングステンで行うこともできるが、試料に微小な電流・電圧を印加させるために、プローブなど、電気的な途中経路の抵抗は十分に下げておきたい。このため、材料選択としては、金、銀、白金、銅など抵抗率が低く、酸化しづらい材料を選ぶこととする。
【実施例２】
【００１７】
図８に、電流制御機構１００６の詳細を示す。プローブ１００１、プローブＢ１００２、プローブＣ１００３はプローブ電流読み出し線１００４によって各々プローブ電流計２００１とプローブ電源２０１１、プローブＢ電流計２００２とプローブＢ電源２０１２、プローブＣ電流計２００３とプローブＣ電源２０１３に電気的に接続されている。また、サンプルキャリア１１１０は基板電流読み出し線１００５によって基板電流計２００４と基板電源２０１４に電気的に接続されている。この構造により、各プローブや基板には独立に電圧を印加できる。また、プローブ間の電位差で発生した電流を各電流計で読み取ることが出来る。これら電流計と電源は電流電圧処理装置２０２０により制御されており、それぞれの電流、電圧値をモニタされる。例えば、プローブが電気的に正しくコンタクトやゲートに接続しているかどうかをこれら電流、電圧値から算出された抵抗値から判定できる。例えば、金属と半導体間にはしばしばショットキー接合が形成される。電流と電圧が比例な、すなわちオーミックなコンタクトが望まれるが、これを電流電圧処理装置２０２０にて検知し、合格のサインを中央処理装置１１１に出すことで、加工プロセスの自動化を計ることが可能となる。また、電子顕微鏡内で電流、電圧値を変えた一連の条件で評価を行う場合も、電流、電圧条件を電流電圧処理装置２０２０にて自動で記録することが可能となり、電子顕微鏡の評価結果との対応付けに極めて有用である。
【実施例３】
【００１８】
本出願では、試料を電子顕微鏡で評価する。図６にて加工した試料を電子顕微鏡に導入する試料ホルダ、図７にて電子顕微鏡本体の実施例を説明する。図６(a)は試料ホルダ１５０５を電子顕微鏡の光軸方向から見た図、図６(b)は試料ホルダ１５０５を電子顕微鏡の光軸垂直方向から見た図である。
【００１９】
図６において、図５で説明した電子顕微鏡用試料が試料ホルダ１５０５に固定される。試料ホルダ１５０５上には、試料台１５００が回転ピポット１５０６に挟まれて設置される。また、試料ホルダ１５０５の先端には傾斜ピポット１５０７が設置される。すなわち、試料台１５００は２つのピポットを回転中心として２軸に回転(傾斜)される。サンプルキャリア１１１０は試料台１５００上に機械的に固定される。試料からは３本のプローブ、すなわちプローブ１００１、プローブＢ１００２、プローブＣ１００３が外に伸びている。試料台１５００には電気的に浮かせてプローブ接触部材１５０１が固定されており、サンプルキャリア１１１０を試料台１５００上に固定することで３本のプローブもプローブ接触部材１５０１に接触する構造となっている。プローブ接触部材１５０１は、電流導入端子１５０２、電流導入線１５０３を介して試料ホルダ端子１５０４に電気的に接続されている。本実施例では、プローブ接触部材１５０１、電流導入端子１５０２、電流導入線１５０３は４式あり、うち１式は試料台１５００を介してサンプルキャリア１１１０に電気的に接続されており、基板電流を読み出すことが出来る構造である。実施例１で述べた通り、デバイスの種類によっては４種類以上の電流導入が必要であり、この場合、目的に応じて系統数を増やしていく対応が可能である。
【００２０】
図７には、図６で示した試料ホルダ１５０５を用い、走査透過電子顕微鏡で観察する実施例を示す。電子銃制御回路１１’で制御された電子銃１１から放射された1次電子線２６は照射レンズ１２、照射レンズ制御回路１２’、コンデンサ絞り１３、コンデンサ絞り制御回路１３’、軸ずれ補正用偏向器１４、軸ずれ補正用偏向器制御回路１４’、収差補正器１５、収差補正器制御回路１５’、イメージシフト用偏向器１６、イメージシフト用偏向器制御回路１６’と対物レンズ１８、対物レンズ制御回路１８’を用いて試料ホルダ１５０５上の薄膜化した試料２４に収束、照射される。1次電子線２６は走査用偏向器１７にて試料面上で２次元的に走査されることから、透過電子線２７の強度を電子検出器２１で検出し、電子検出器制御回路２１’を介し、走査位置と同期をとって画像表示することにより、試料構造や組成、電子状態に対応したコントラストを有する透過電子線像を電子顕微鏡制御用計算機２３に示すことが可能である。試料ホルダ端子１５０４は電流導入端子付き試料ホルダ駆動機構１５１０に接続される。電流導入端子付き試料ホルダ駆動機構１５１０は試料ホルダ１５０５をx,y,zの３方向に移動すると共に、回転ピポット１５０６と傾斜ピポット１５０７を回転中心として２軸に回転(傾斜)する。さらに、試料ホルダ端子１５０４を介して試料に電子顕微鏡外(真空外)から電流・電圧を供給できる。電流導入端子付き試料ホルダ駆動機構１５１０は、電流導入端子付き試料ホルダ駆動機構制御回路１５１０’を介して電子顕微鏡制御用計算機２３にて制御されると共に、試料位置や試料への印加電圧・電流値などを記録される。
【００２１】
本実施例では電子顕微鏡単体での構成例について述べてきたが、イオンビーム光学系と電子ビーム光学系を有する複合装置によっても本発明が達成されることは明らかである。
【実施例４】
【００２２】
実施例１において、図１で説明した装置および方法では、装置に３組のプローブを装備していたが、図４に示した方法は従来の１組のプローブ、プローブ駆動機構、プローブ制御装置を有する装置でも実現可能である。以下、図９、図１０を用いて実施例を説明する。
【００２３】
半導体ウェハ１０１が試料台１０２上に固定され、試料位置制御装置１０３によりウェハ面内方向に移動される。一方、イオン源から放射されたイオンビーム１０４はイオンビーム光学系１０５により収束され、半導体ウェハ１０１上に収束される。イオンビーム光学系１０５は走査コイルを有しており、イオンビーム光学系制御装置１０７によりウェハ面内方向に２次元的に走査することができる。すなわち、イオンビーム１０４の走査と試料位置制御装置１０３を併用することにより、ウェハ１０１上の目的の領域に数10nm径のイオンビームを２次元的に照射できる。イオンビーム１０４は試料にて二次電子を励起する。従って、真空容器１１１に二次電子検出器１０６を設け、二次電子検出器制御装置１０８を介し、イオンビーム１０４の走査位置と同期を取って二次電子強度を中央処理装置１１１上にモニタすることにより、二次電子像として試料構造やイオンビーム１０４の照射位置を確認することができる。また、加工した電子顕微鏡用試料を取り出すために、マイクロサンプリング法が活用されている。ここでは、タングステンを微細にエッチングしたプローブ１００１が導入される。プローブ１００１の先端は半導体ウェハ１０１に接触でき、ウェハ面内の位置をプローブ駆動機構１００１’およびプローブ制御装置１００１’ ’で制御される。プローブ１００１と加工された試料の接着には、デポジションガスが広く用いられている。真空容器１１１には、デポジションガス源１０９が設けられており、真空容器１１１内に、例えば有機タングステンガスなどのデポジションガスが導入される。デポジションガスには、イオンビームを照射することで反応を起こし、固化するものが選ばれている。ガス流量などをデポジションガス源制御装置１１０で制御できる。本出願では、プローブ電流読み出し線１００４、基板電流読み出し線１００５ 、電流制御機構１００６を設ける。ここでプローブ機構は、試料を持ち運ぶマニピュレータとしての機能だけでなく、電流導入機構の役割を持たせる。すなわち、各プローブ先端には、電流制御機構１００６からプローブ電流読み出し線１００４を介して電圧を印加し、電流を導入できる構造とする。また、基板には基板電流読み出し線１００５を介して電圧を印加し、電流を導入できる構造とする。
【００２４】
次に図10を用いて、本出願における試料加工とハンドリングのプロセスについて詳細を説明する。すなわち、図10において、（ａ）プローブ駆動機構１００１’によりプローブ１００１先端を試料片１１０７に接触させる。次にデポジションガス源１０９からデポジションガス１１０８を供給しながらプローブ先端を含む領域にＦＩＢ１１０１照射を行う。これにより、プローブ１００１は試料片１１０７に固定される。そこで、（ｂ）プローブ１００１の中ほどにＦＩＢ１１０１を照射し、（ｃ）所定の長さを残して切り離す。これにより、プローブ１００２が形成される。次に、プローブ１００１を次の接触位置に移動し、(ａ)と同様に固定処理をする。そして、（ｄ）プローブ１００１の中ほどに再度ＦＩＢ１１０１を照射することで、こちらも所定の長さを残して切り離す。これにより、プローブ１００３が形成される。次に，（ｅ）プローブ１００１を次の接触位置に移動し、試料片１１０７に固定する。ここで、支持部１１０６をＦＩＢ加工で除去することにより、元試料から試料片を分離することができる。これにより、試料片１１０７はフリーな状態となり、（ｆ）プローブ１００１により持ち上げることが可能となる。そこで、（ｈ）半導体ウェハの代わりにサンプルキャリア１１１０を導入し、こうして分離された試料片１１０７をプローブ駆動によりサンプルキャリア１１１０に接触させる。そこで、接触部に上記と同様の方法でデポジション膜１１１１を形成することで試料片とサンプルキャリアを固定する。最後に、プローブ１００１にＦＩＢ１１０１照射を行うことで、図５に示される構造の観察用試料が形成される。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
半導体デバイスの評価計測などの半導体産業、電子顕微鏡、イオンビーム装置などの計測装置産業に利用可能。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本出願の収束イオンビーム装置の一実施例を示す図。
【図２】従来の電子顕微鏡用試料を加工する収束イオンビーム装置の構成を示す図。
【図３】従来の電子顕微鏡用試料を加工する方法を示す図。
【図４】本出願の電子顕微鏡用試料を加工する方法の一実施例を示す図。
【図５】試料構造の一実施例を示す図。
【図６】電子顕微鏡用試料ホルダの一実施例を示す図。
【図７】評価のための電子顕微鏡の一実施例を示す図。
【図８】電流制御機構構造の詳細を示す図。
【図９】本出願の収束イオンビーム装置の一実施例を示す図（１探針装置の場合）。
【図１０】本出願の電子顕微鏡用試料を加工する方法の一実施例を示す図（１探針装置の場合）。
【符号の説明】
【００２７】
１０１…半導体ウェハ、１０２…試料台、１０３…試料位置制御装置、
１０４…イオンビーム、１０５…イオンビーム光学系、
１０６…二次電子検出器、１０７…イオンビーム光学系制御装置、
１０８…二次電子検出器制御装置、１０９…デポジションガス源、
１１０…デポジションガス源制御装置、１１１…中央処理装置、
１１２…真空容器、１００１…プローブ、１００１’…プローブ駆動機構、
１００１’’…プローブ制御装置、１００２…プローブＢ、
１００２’…プローブＢ駆動機構、１００２’’…プローブＢ制御装置、
１００３…プローブＣ、１００３’…プローブＣ駆動機構、
１００３’’…プローブＣ制御装置、１００４…プローブ電流読み出し線、
１００５ …基板電流読み出し線、１００６…電流制御機構
１０１０…プローブ駆動機構、１０１１…プローブ制御装置
１１０１…ＦＩＢ、１１０２…矩形穴、１１０３…矩形穴、１１０４…矩形穴、
１１０５…溝、１１０６…支持部、１１０７…試料片、１１０８…デポジションガス、
１１０９…デポジション膜、１１１０…サンプルキャリア、１１１１…デポジション膜
１２００…コンタクトプラグＡ、１２０１…コンタクトプラグＢ、１２０２…ゲート
１５００…試料台、１５０１…プローブ接触部材、１５０２…電流導入端子、１５０３…電流導入線、１５０４…試料ホルダ端子、１５０５…試料ホルダ、
１５０６…回転ピポット、１５０７…傾斜ピポット
１５１０…電流導入端子付き試料ホルダ駆動機構、
１５１０’…電流導入端子付き試料ホルダ駆動機構制御回路、
１１…電子銃、１１’ …電子銃制御回路、１２…照射レンズ、
１２’ …照射レンズ制御回路、１３…コンデンサ絞り、
１３’ …コンデンサ絞り制御回路、１４…軸ずれ補正用偏向器、
１４’ …軸ずれ補正用偏向器制御回路、１５…収差補正器、
１５’ …収差補正器制御回路、１６…イメージシフト用偏向器、
１６’ …イメージシフト用偏向器制御回路、１７…走査用偏向器、
１７’ …走査用偏向器制御回路、１８…対物レンズ、
１８’ …対物レンズ制御回路、２１…電子検出器、
２１’ …電子検出器制御回路、２３…電子顕微鏡制御用計算機、
２４…薄膜化した試料、２６…1次電子線、２７…透過電子線
２００１…プローブ電流計、２００２…プローブＢ電流計、
２００３…プローブＣ電流計、２００４…基板電流計、
２０１１…プローブ電源、２０１２…プローブＢ電源、
２０１３…プローブＣ電源、２０１４…基板電源、
２０２０…電流電圧処理装置。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料にイオンビームを照射する光学系と、
前記試料に前記イオンビームを照射して分離した試料片を摘出できるプローブと、
前記試料片を載せるステージと、
前記プローブと前記試料片を付ける手段と、
前記試料片の複数箇所に前記プローブを固定し、前記イオンビームの照射により前記プローブ先端部を所望の長さだけ前記試料片に切り残し、
前記ステージは当該切り残された複数のプローブに電流を導入する手段を備え、
前記ステージは電子顕微鏡に導入可能であることを特徴とする試料作製装置。
【請求項２】
試料にイオンビームを照射する手段と、照射されたイオンビームに起因して発生する２次的な荷電粒子線を検出して前記試料の画像を取得する手段と、前記画像を表示する表示手段とを備えた試料評価装置において、少なくとも２つ以上のプローブと、該プローブを駆動する駆動手段と、複数のプローブに独立に電流もしくは電圧を印加する手段を有することを特徴とする試料評価装置。
【請求項３】
試料にイオンビームを照射し、前記イオンビームの照射に起因して発生する２次的な荷電粒子線を検出して前記試料の画像を取得し、前記試料の所望箇所に対して複数のプローブにより電流もしくは電圧を印加することを特徴とする試料評価方法。
【請求項１】
試料にイオンビームを照射する光学系と、
前記試料に前記イオンビームを照射して分離した試料片を摘出できるプローブと、
前記試料片を載せるステージと、
前記プローブと前記試料片を付ける手段と、
前記試料片の複数箇所に前記プローブを固定し、前記イオンビームの照射により前記プローブ先端部を所望の長さだけ前記試料片に切り残し、
前記ステージは当該切り残された複数のプローブに電流を導入する手段を備え、
前記ステージは電子顕微鏡に導入可能であることを特徴とする試料作製装置。
【請求項２】
試料にイオンビームを照射する手段と、照射されたイオンビームに起因して発生する２次的な荷電粒子線を検出して前記試料の画像を取得する手段と、前記画像を表示する表示手段とを備えた試料評価装置において、少なくとも２つ以上のプローブと、該プローブを駆動する駆動手段と、複数のプローブに独立に電流もしくは電圧を印加する手段を有することを特徴とする試料評価装置。
【請求項３】
試料にイオンビームを照射し、前記イオンビームの照射に起因して発生する２次的な荷電粒子線を検出して前記試料の画像を取得し、前記試料の所望箇所に対して複数のプローブにより電流もしくは電圧を印加することを特徴とする試料評価方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００７−２１２２０２（Ｐ２００７−２１２２０２Ａ）
【公開日】平成１９年８月２３日（２００７．８．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３０４１９（Ｐ２００６−３０４１９）
【出願日】平成１８年２月８日（２００６．２．８）
【出願人】（５０１３８７８３９）株式会社日立ハイテクノロジーズ (4,325)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年８月２３日（２００７．８．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年２月８日（２００６．２．８）
【出願人】（５０１３８７８３９）株式会社日立ハイテクノロジーズ (4,325)
【Ｆターム（参考）】
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