説明

透過型電子顕微鏡用の試料の作製方法、観察方法及び構造

【課題】優れたTEM試料の作製方法、TEM観察方法及びTEM試料構造を提供することを課題とする。
【解決手段】透過型電子顕微鏡用の試料の作製方法において、半導体デバイスの特定箇所の観察断面に非晶質構造の保護膜を形成する工程と;前記保護膜が形成された観察断面の周囲を除去する工程と;少なくとも前記保護膜を含む領域を薄膜化する工程とを含むことを特徴とする。また、半導体デバイスの断面を観察する観察方法において、前記半導体デバイスの特定箇所の断面を走査型顕微鏡で観察する工程と;前記断面に非晶質構造の保護膜を形成し、当該保護膜を透して透過型電子顕微鏡によって前記断面を更に観察する工程とを含むことを特徴とする。更に、半導体デバイスの特定箇所の断面を走査型顕微鏡で観察した後、同一観察断面を透過型電子顕微鏡で観察すべく作製される観察試料において、前記観察断面上に非晶質構造の保護膜を有することを特徴とする。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、透過型電子顕微鏡(以下、「TEM」と称す)で観察するための試料作製方法及び試料構造に関する。特に、LSIデバイスの特定箇所の断面を走査型電子顕微鏡(以下、「SEM」と称す)あるいは、走査型イオン顕微鏡(以下、「SIM」と称す)で観察した後、更にTEMで観察するための試料作製方法及び試料構造に関する。
【背景技術】
【0002】
TEMは、電子が透過しうる薄さ、例えば0.05〜0.4μm程度の薄片試料に、電子線を照射して透過した電子線を拡大して形成されるTEM像を観察する顕微鏡である。STEMは、上述の薄片試料上を集束した電子線を走査して透過した電子線を検出器に導入してSTEM像を得る顕微鏡である。いずれも薄片試料に電子線を透過させるため、薄片試料の厚さ方向に積算した形状情報が得られるが、高分解能で観察できるため、半導体を始め多くの分野での材料評価に用いられている。
【0003】
半導体装置の製造において、ある製造プロセスで検出された異物、形状不良、断線、短絡などの不良部は、即刻、解析してその発生原因を究明して対策を打たなければ不良素子が大量に生産され、製造会社にとっては収益に多大なる影響を与えてしまう。このため、半導体装置の製造歩留り向上のためには不良部解析が必須である。不良部解析法のうち形状観察についてはTEMやSTEMが大きな役割を果たしており、また、TEMやSTEMに分析機能を装備することで高分解能の元素分析も可能となり、半導体の解析には不可欠なものとなっている。
【0004】
TEMやSTEMによる解析(以下、観察や元素分析、計測を代表させて解析と略記する)では、半導体ウェーハやチップなど試料の表面に対して水平方向の試料と断面方向の試料についての観察が行なわれる。断面試料については、機械的に断面を露出させて研磨とイオンシニングによって断面方向の薄片加工を行なう方法が行なわれてきた。最近では、加速エネルギー30kVのGaイオンビームによる集束イオンビーム(以下、FIBと略記)を用いて、所望の領域を精度よく断面薄片試料に加工する方法が行なわれるようになってきた。
【0005】
FIBによって加工された試料断面は、SIMやSEMを用いて観察される。更に、断面構造を詳細に解析するために、TEMによる観察が行われる。TEM観察用の試料の作製に関しては、例えば、特開2003−194681号公報に示された方法で試料を薄膜化加工し、マイクロマニピュレータで薄膜試料を摘出する。
【特許文献1】特開2003−194681号公報
【0006】
また、TEM観察試料作製における別の方法としては、特許第3547143号に示されているように、FIBで試料を摘出し、メカニカルプローブでTEM試料ホルダーに移し替えた後、FIBを用いて試料を薄膜化加工する方法がある。
【特許文献2】特許第3547143号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
しかしながら、SIMやSEMによって断面解析をした後、FIBでTEM試料に加工すると、Gaイオンビームでエッチングされた材料が観察断面に堆積(以下、堆積した膜を「エッチングデポ膜」と言う)してしまい、TEMで詳細な観察ができない場合があった。そこで、エッチングデポ膜をFIB加工でエッチング除去する方法が考えられるが、デバイス断面(観察断面)もエッチングされてしまい、SIMやSEMで観察したのと異なる断面が形成されてしまうという問題があった。
【0008】
本発明は、上記のような状況に鑑みて成されたものであり、優れたTEM試料の作製方法、TEM観察方法及びTEM試料構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
上記目的を達成するために、本発明の第1の態様は、透過型電子顕微鏡用の試料の作製方法において、半導体デバイスの特定箇所の観察断面に非晶質構造の保護膜を形成する工程と;前記保護膜が形成された観察断面の周囲を除去する工程と;少なくとも前記保護膜を含む領域を薄膜化する工程とを含むことを特徴とする。
【0010】
本発明の第2の態様は、半導体デバイスの断面を観察する観察方法において、前記半導体デバイスの特定箇所の断面を走査型顕微鏡で観察する工程と;前記断面に非晶質構造の保護膜を形成し、当該保護膜を透して透過型電子顕微鏡によって前記断面を更に観察する工程とを含むことを特徴とする。
【0011】
更に、本発明の第3の態様は、半導体デバイスの特定箇所の断面を走査型顕微鏡で観察した後、同一観察断面を透過型電子顕微鏡で観察すべく作製される観察試料において、前記観察断面上に非晶質構造の保護膜を有することを特徴とする。
【0012】
前記保護膜としては、カーボン膜又はシリコン酸化膜を使用することができる。また、保護膜の厚さは、試料の厚さの1/10以下とすることが好ましい。
【0013】
本発明によれば、SIMやSEMによって断面解析をした後、TEM試料に加工する際に形成されるエッチングデポ膜の影響を受けず、SIM,SEMと同一の断面をTEMによって詳細に観察可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0014】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、実施例を用いて詳細に説明する。図1は、本発明の実施例に係る半導体デバイス観察方法の概略工程を示す工程図である。図2〜図5は、実施例に係るTEM観察試料の作製工程を示す斜視図である。本実施例についてTEM試料作製工程に沿って説明する。最初に、図2に示すように、LSIデバイス10の特定箇所をFIBによって加工し、空間14内に観察断面12を露出させる。この後、イオンビーム又はエレクトロンビームを当該断面12に照射して、SIM,SEM観察を行う。
【0015】
次に、図3に示すように、観察断面12の表面にFIB装置のデポジション機能を用いて、収束イオンビームによって非晶質膜を保護膜18として形成(堆積)する。あるいは、電子ビームを用いたデポジションによって非晶質膜を保護膜18として形成(堆積)する。保護膜18としては、軽元素(Si以下の質量)のカーボンやシリコン酸化膜を採用することができる。この時点での保護膜18の堆積厚は、例えば、100nm以上とする。
【0016】
次に、図4に示すように、観察断面12の周辺をFIBによりエッチングし、後方に空間24を形成するとともに、前方の空間14を拡張し、更に、保護膜18の周辺(観察断面12の周辺)を除去して(削って)拡張領域22を形成する。このとき、保護膜18の表面にエッチングデポ膜が堆積してしまう。そこで、FIBによるTEM試料の薄膜化加工において、保護膜18の表面をエッチングすることによりエッチングデポ膜を除去する。同時に、保護膜18自体もエッチングにより削られるが、わずかに残す設定とする。
【0017】
図5に、薄膜化されたTEM観察試料30の全体構造を示す。TEM試料の本体部22aの厚さは、例えば、0.1〜0.15μm程度とし、エッチング後の保護膜18aの厚さは本体部22aの厚さの1/10以下とすることが好ましい。その後、保護膜18aを透して周知の方法でTEM観察を行う。
【0018】
本実施例においては、観察断面12に保護膜18を形成しているため、観察断面12の周辺をFIBによりエッチングした際にエッチングデポ膜は保護膜18に堆積し、観察断面12に直接付着する事はない。そして、保護膜18の表面をエッチングすることによりエッチングデポ膜が容易に除去でき、観察断面12が削られるようなこともない。観察断面12には保護膜18を残しておくが、保護膜18(18a)は非晶質膜であるため、TEMでは当該保護膜18aを透過して観察を行うことができる。
【0019】
以上、本発明について実施例を用いて説明したが、本発明は実施例の範囲に限定されるものではなく、各請求項に記載された技術的思想の範囲内において、適宜設計変更可能であることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【0020】
【図1】図1は、本発明の実施例に係る半導体デバイス観察方法の概略工程を示す工程図である。
【図2】図2は、実施例に係るTEM観察試料の作製途中段階を示す断面斜視図であり、SIM(SEM)観察断面を示す。
【図3】図3は、実施例に係るTEM観察試料の作製途中段階を示す断面斜視図であり、観察断面に保護膜を形成した状態を示す。
【図4】図4は、実施例に係るTEM観察試料の作製途中段階を示す断面斜視図であり、観察断面周辺をエッチング除去した状態を示す。
【図5】図5は、実施例に係るTEM観察試料を示す斜視図である。
【符号の説明】
【0021】
10 LSIデバイス
12 観察断面
14 前方空間
18 保護膜
18a 保護膜(薄膜化後)
22 拡張領域
22a 試料本体(薄膜化後)
24 後方空間
30 TEM試料

【特許請求の範囲】
【請求項1】
透過型電子顕微鏡用の試料の作製方法において、
半導体デバイスの特定箇所の観察断面に非晶質構造の保護膜を形成する工程と;
前記保護膜が形成された観察断面の周囲を除去する工程と;
少なくとも前記保護膜を含む領域を薄膜化する工程と;を含むことを特徴とする試料作製方法。
【請求項2】
前記薄膜化する工程においては、前記保護膜に付着した堆積物を除去するとともに前記保護膜を残すことを特徴とする請求項1に記載の試料作製方法。
【請求項3】
前記保護膜は、カーボン膜又はシリコン酸化膜であることを特徴とする請求項1又は2に記載の試料作製方法。
【請求項4】
前記保護膜は、収束イオンビーム又は電子ビームを用いて前記観察断面に堆積形成されることを特徴とする請求項1,2又は3に記載の試料作製方法。
【請求項5】
前記観察断面の周囲を除去する工程は収束イオンビームを用いて行われることを特徴とする請求項1,2,3又は4に記載の試料作製方法。
【請求項6】
半導体デバイスの断面を観察する観察方法において、
前記半導体デバイスの特定箇所の断面を走査型顕微鏡で観察する工程と;
前記断面に非晶質構造の保護膜を形成し、当該保護膜を透して透過型電子顕微鏡によって前記断面を更に観察する工程と;を含むことを特徴とする試料の観察方法。
【請求項7】
前記保護膜は、カーボン膜又はシリコン酸化膜であることを特徴とする請求項6に記載の観察方法。
【請求項8】
前記保護膜は、収束イオンビーム又は電子ビームを用いて前記観察断面に堆積形成されることを特徴とする請求項6又は7に記載の観察方法。
【請求項9】
半導体デバイスの特定箇所の断面を走査型顕微鏡で観察した後、同一観察断面を透過型電子顕微鏡で観察すべく作製される観察試料において、
前記観察断面上に非晶質構造の保護膜を有することを特徴とする試料構造。
【請求項10】
前記保護膜は、前記走査型顕微鏡で観察した後に前記観察断面上に形成されることを特徴とする請求項9に記載の試料構造。
【請求項11】
前記保護膜は、カーボン膜又はシリコン酸化膜であることを特徴とする請求項9又は10に記載の試料構造。
【請求項12】
前記保護膜の厚さは、試料の厚さの1/10以下であることを特徴とする請求項9,10又は11に記載の試料構造。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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