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集束イオンビーム加工装置の試料ステージと透過型電子顕微鏡平面観察用半導体薄片試料の作製方法
説明

集束イオンビーム加工装置の試料ステージと透過型電子顕微鏡平面観察用半導体薄片試料の作製方法

【課題】簡易な方法で安価に平面観察用半導体薄片試料を作製することを可能にする集束イオンビーム加工装置の試料ステージおよびこの試料ステージを用いた透過型電子顕微鏡平面観察用半導体薄片試料の作製方法の提供。
【解決手段】試料ステージ面は、該試料ステージ面に対してメッシュ挟持用の傾斜溝を有する。集束イオンビームの照射により試料基板から微小試料片を切り出し、マイクロプローブで分離摘出後、前記試料ステージ面の傾斜溝に挟み込まれたメッシュを、メッシュの側面が前記集束イオンビームに垂直な向きとなるように傾ける。微小試料片の観察平面が集束イオンビームと垂直な向きとなるように前記メッシュの端面に接着した後、傾斜した試料ステージを回転軸の周りに180度回転させる。集束イオンビームを照射して透過型電子顕微鏡平面観察用半導体薄片試料を作製する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、集束イオンビーム加工装置(FIB装置)を用いてマイクロサンプリング法で透過型電子顕微鏡(TEM)の平面観察用半導体薄片試料を作製する方法に係わり、特に、半導体基板や半導体チップの平面観察用半導体薄片試料の作製のためのFIB装置の試料ステージに関する。
【背景技術】
【0002】
TEMで試料を観察するためには、試料を電子線が透過することが可能な厚さ(0.1μm以下)に薄片化する必要があるが、特にシリコン基板(シリコンウエハ)などの半導体基板を用いて製造される半導体素子においては近年FIB装置を用いて薄片化することが一般的になっている。試料ステージ上に平置きされたシリコンウエハやチップなどの形の大きい試料基板にFIB装置に装備されるマイクロプローブを接着後、集束イオンビームによって一辺が数十μmサイズの微小試料片を切り出し、前記マイクロプローブにより前記微小試料片を分離摘出し、同じ試料ステージ面内に設置されるメッシュと呼ばれる薄板状の試料片保持板の端面に接着した後、この微小試料片を、集束イオンビームの照射により薄片化する方法はマイクロサンプリング法と呼ばれている。通常、FIB装置によるTEM観察用半導体薄片試料の作製は半導体素子基板の主平面に垂直な縦断面の観察用半導体薄片試料の作製を主目的とするが、主平面に平行な横断面で観察した方が的確に観察対象を捉えられ、観察目的に適う場合も多く、横断面(以降、平面と略記)観察用半導体薄片試料の作製のニーズも多い。前記マイクロサンプリング法でも平面観察用の半導体薄片試料を作製する方法が公開されている(特許文献1)。この特許文献1に記載のマイクロサンプリング法によれば、平面観察用の半導体薄片試料を作製するためには、工程の途中でメッシュ(試料片保持板)を90度向きを変えてメッシュに接着された微小試料片の切断方向を90度変え、縦断面切断を横断面切断に変える必要がある。先ず、試料ステージ上に平置きされたウエハやチップなどの試料基板の表面の微小試料片の切り出し予定箇所にマイクロプローブに接着させた後、集束イオンビームを照射し平面観察用の半導体薄片試料に加工すべき領域を含む微小試料片を切り出す。この微小試料片を前記試料基板から分離摘出し、薄板状のメッシュ(試料片保持板)端面に移載する。この時、前記切り出されてマイクロプローブに接着された微小試料片の向きはこの段階では変えられないので、そのままの向きで、試料ステージ面に垂直に立設するメッシュの端面に接着させる。その後、集束イオンビームを照射して前記微小試料片を薄片化すると、縦断面の半導体薄片試料が作製されるが、横断面(平面)の半導体薄片試料はそのままでは作製できない。そこで、図10(a)のメッシュ端部の拡大断面図に示すように、一旦、前記薄板状メッシュ2の向きを試料ステージ面と平行に変えてから、前記微小試料片5を前記メッシュ2の端面に接着させる。次に、集束イオンビームの照射方向(矢印)は試料ステージ面に垂直方向に固定されているので、図10(b)に示すようにメッシュ2に接着された前記微小試料片5の向きを90度変えて、破線で示す観察平面8が集束イオンビームの照射方向(矢印)と平行になるようにして、薄片化する必要がある。
【特許文献1】特許第3805547号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
しかしながら、一般的なFIB装置は、前述のように縦断面を観察するための半導体薄片試料の作製を主な目的とし、試料ステージ面上に水平に平置きした試料基板の表面に対し、垂直な方向に集束イオンビームが入射する構成となっている。試料基板に傾斜した集束イオンビームを照射する際には集束イオンビームを傾斜させるのではなく、試料ステージを傾斜させる機構になっている。試料ステージは前記傾斜角制御機構の他に、軸回転機構、位置制御機構(X−Yマニュピュレータ)も備えている。試料ステージにメッシュを固定する方法も縦断面加工を前提としているので、試料ステージ面に設けられる垂直な溝に薄板状メッシュを挟み込み、メッシュを試料ステージ面に対して垂直に保持する構造にされている。この結果、薄板状メッシュの端面に接着された微小試料片の観察平面に対して、集束イオンビームの照射方向は垂直になる。従って、そのまま、集束イオンビーム照射によって微小試料片を薄片化すると、縦断面の薄片試料が作製されるのである。また、試料ステージには、その下部に取り付けられる基部によって基部と一体になって働く傾斜機構が設けられているが、断面を斜め上方から観察、切断することが目的であるため、通常は一方向のみに45〜60度程度までしか傾斜しない機構が多い。従って、このような限定的な傾斜角制御機構の装置では、前述の特許文献1の記載のようには、平面観察用半導体薄片試料の作製に必要な傾斜角度(90度)にメッシュの向きを変えることができない。平面観察用半導体薄片試料の作製のためにメッシュの向きを90度以上の傾斜角度にすることが可能な機構を備えた前記特許文献1に記載されたようなFIB装置は通常、極めて高価である。
【0004】
本発明は上述の問題に鑑みてなされたものであり、簡易な方法で安価に平面観察用半導体薄片試料を作製することを可能にする集束イオンビーム加工装置の試料ステージおよび透過型電子顕微鏡平面観察用半導体薄片試料の作製方法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】
【0005】
特許請求の範囲の請求項1記載の発明によれば、集束イオンビームに対向する状態で半導体基板試料の主面を載置する面と、透過型電子顕微鏡平面観察用半導体薄片試料を作製するために、前記半導体基板試料から前記集束イオンビームで切り出される微小試料片を保持するメッシュを挟持するための傾斜溝とを有することにより、前記本発明の目的は達成される。
【0006】
特許請求の範囲の請求項2記載の発明によれば、前記傾斜溝の傾斜方向と前記半導体基板試料を載置する面との成す角度が20〜70°である特許請求の範囲の請求項1の集束イオンビーム加工装置の試料ステージとする。
特許請求の範囲の請求項3記載の発明によれば、特許請求の範囲の請求項1または2記載の集束イオンビーム加工装置の試料ステージを支持し、該試料ステージの位置制御と傾斜および軸回転の制御機構を有する基部を備える特許請求の範囲の集束イオンビーム装置とする。
【0007】
特許請求の範囲の請求項4記載の発明によれば、特許請求の範囲の請求項1または2記載の集束イオンビーム加工装置の試料ステージに載置され、固定され、前記集束イオンビームの照射方向に対して垂直な観測平面を有する半導体基板試料にマイクロプローブを接着後、集束イオンビームを照射して微小試料片を切り出す工程、メッシュを傾斜溝に挟持させた前記試料ステージを傾斜させて前記メッシュ側面を前記集束イオンビームの照射方向に対して垂直にする工程、前記メッシュの端面に前記集束イオンビームの照射方向に対して垂直な観測平面を有する前記微小試料片を接着して前記マイクロプローブを切り離す工程、前記試料ステージを回転軸を中心に180度回転させ、前記微小試料片の前記観測平面を前記集束イオンビームの照射方向と平行にする工程、前記微小試料片の観測平面に平行に前記集束イオンビームを照射して薄片化する工程を有する透過型電子顕微鏡平面観察用半導体薄片試料の作製方法とすることができる。
【0008】
本発明の試料ステージは、試料ステージ上に平置き固定された試料基板から微小試料片を集束イオンビームで切り出し、マイクロプローブで分離摘出するための試料ステージ面と、該試料ステージ面に対して斜め(たとえば45度)形成された薄板状メッシュ挟持用の傾斜溝を有する。集束イオンビームと垂直な向きの前記試料ステージ面に固定された試料基板から微小試料片を切り出し、分離摘出後、前記試料ステージ面に対して(たとえば45度の)傾斜角を有する傾斜溝に挟み込まれた薄板状メッシュを、メッシュの側面が前記集束イオンビームと垂直な向きとなるように、前記試料ステージ面を(たとえば45度)傾ける。試料基板から分離摘出した微小試料片の観察平面が集束イオンビームと垂直な向きとなるようにメッシュの端面に移載し接着する。微小試料片をメッシュ端面に移載接着後、傾斜した試料ステージを回転軸の周りに180度回転させる。傾斜角度を調節して(メッシュの傾斜角が45度の場合は不要)薄板状メッシュを集束イオンビームと平行な向きにする。この状態では微小試料片の観察平面と集束イオンビームは平行な向きとなるので、集束イオンビームによる観察平面の薄片化が容易となり、平面観察用の半導体薄片試料の作製が容易になる。
【発明の効果】
【0009】
前述の本発明によれば、簡易な方法で安価に平面観察用半導体薄片試料を作製することができる集束イオンビーム加工装置の試料ステージおよび透過型電子顕微鏡平面観察用半導体薄片試料の作製方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0010】
図1は本発明のFIB装置の試料ステージであり、(a)は概略平面図、(b)は(a)のA−A’線断面図である。図3〜図8は本発明の試料ステージを用いたTEM平面観察用半導体薄片試料の作製方法を説明するための図であり、各図の(a)は概略平面図、各図の(b)は(a)のA−A’線断面図である。図9は本発明の試料ステージを用いたTEM平面観察用半導体薄片試料の作製方法にかかり、(a)はメッシュの端部に接着した薄片化前の微小試料片の拡大断面図、(b)は同じく、薄片化後の半導体薄片試料の拡大断面図である。図11は本発明にかかる試料ステージを装着したFIB装置の概略透視斜視図である。
【0011】
以下、本発明の集束イオンビーム加工装置の試料ステージとこの試料ステージを用いた平面観察用半導体薄片試料の作製方法にかかる実施例について、図面を用いて詳細に説明する。本発明はその要旨を超えない限り、以下に説明する実施例の記載に限定されるものではない。
【実施例1】
【0012】
本発明の一実施例にかかる試料ステージを示す平面図を図1(a)に、この図1(a)のA−A’線断面図を図1(b)にそれぞれ示す。従来の試料ステージを示す平面図を図2(a)に、図2(a)のB−B’線断面図を図2(b)に示す。本発明にかかる試料ステージ1は図1に示すように、試料ステージ面1aと薄板状メッシュ2の傾斜溝1b、この傾斜溝1bの幅を調整するための溝幅調整ネジ1cからなる。従来の試料ステージ101は図2に示すように、試料基板の試料ステージ面101aに対して垂直方向に溝101bが形成されているのに対し、本発明にかかる試料ステージ1は図1に示すように、試料ステージ面1aに対しては斜めに傾斜溝1bが形成されていることが異なる。本発明の試料ステージ面1aと傾斜溝1bの成す角度は、この傾斜溝1bに挟持されるメッシュ2の傾きを、使用するFIB装置20(図11)の試料ステージ1が備えるX−Y方向位置制御機能と傾斜機能と軸回転機能を用いて、集束イオンビーム10の照射方向(矢印−図11)に対して垂直な方向および平行な方法となるように制御できる範囲で、種々の傾斜角とすることができる。特に好ましい傾斜角は20〜70度である。傾斜溝1bの幅は薄板状メッシュ2を挟み込み固定するための溝幅調整ネジ1cによって微調整が可能である(図1、図11)。試料ステージ1の材質はアルミ、真鍮等の金属が用いられるが特に限定されない。
【0013】
試料ステージ1の基部4(図3〜図8に示す)はFIB装置20(図11)の一部であり、平面X−Y移動や軸回転角度、傾斜角度の制御機能を、この基部4上に保持固定される試料ステージ1に伝達する。試料ステージ1は前記FIB装置20の基部4の上面にしっかりと固定されているが、この試料ステージ1を基部4から取り外すこともできる。
以下、本発明の試料ステージ1を用いた平面観察用半導体薄片試料の作製方法の例を、図3〜9を参照しながら説明する。図3〜図8の(a)は平面図で集束イオンビーム(図示せず)の照射方向は図面手前から奥の方向である。図3〜図8の(b)は、前記図3〜図8の(a)のそれぞれA−A’線断面図で集束イオンビーム(図示せず)の照射方向は図面の上から下である。図9は微小試料片5の薄片化の様子を示すための図であり、メッシュ2の端面に微小試料片5を接着させた部分の拡大断面図である。この場合、集束イオンビーム(図示せず)の照射方向は図面の上から下である。
(試料の概要)
試料基板3として半導体デバイスのチップを用い、このデバイスの表面に形成されている層間絶縁膜に円形状の貫通する開口を設けて、層間絶縁膜直下の所定の半導体領域を露出させ、金属導体を埋め込み、半導体領域から必要な電気的接続を層間絶縁膜表面に引き出す機能を有するコンタクト構造部の金属導体の埋め込み状態を調べるために、コンタクト構造部を輪切り状に平面観察することを目的とする。
(本発明の試料ステージの概要)
図3に示すように、本発明の試料ステージ1は、真鍮製で40mm×30mm×5mm(横×縦×厚さ)のサイズである。試料ステージ1を上部から見て、試料ステージ1の端部から5mmのところに試料ステージ面1aと45度の角度を成す傾斜溝1bがある。傾斜溝1bの幅は溝幅調整ネジ1cにより0から1mmまで調節できる。
(FIB装置による加工)
先ず、図3のように、試料ステージ面1aに試料基板3を図示しないカーボンテープで固定する。メッシュ2を傾斜溝1bに挟んで溝幅調整ネジ1cを締めることで保持する。試料ステージ1は基部4の表面に固定される。基部4は図示しない軸回転および傾斜制御機構およびステージ位置制御機構を備えるFIB装置20(図11)内の装置である。
【0014】
次に、図4、5のように、試料基板3表面で、埋め込み金属導体を有するコンタクト構造部を含む微小試料片5の表面にタングステン製のマイクロプローブ6を接着した後、試料基板3からガリウムイオンビーム10で切り出し分離する。次に、図6のように試料ステージ1を45度傾斜させ、メッシュ2を集束イオンビーム10の照射方向に垂直にする。この状態で、マイクロプローブ6に接着した微小試料片5をメッシュ2の端面に接着し、マイクロプローブ6と微小試料片5をガリウムイオンビーム10で切り離す(図7)。マイクロプローブ6と微小試料片5、微小試料片5とメッシュ2の接着は図11に示すプラチナのイオンビームアシストデポジション装置9を用いた。タングステンのイオンビームアシストデポジション装置9’を用いて微小試料片5とメッシュ2の接着を行ってもよい。この後、図7に破線で示す試料ステージ1の回転軸に対し基部4を180度回転させることで、図8に示すようにメッシュ2を集束イオンビーム10の照射方向と平行にする(傾斜角が45度の場合)。さらに必要に応じて、メッシュ2を集束イオンビーム10の照射方向と平行になるように、試料ステージ1を微調整する。そして、微小試料片5を図9(b)に示すように、ガリウムイオンビーム10を用いて電子線が透過する0.1μm以下の厚さに薄片化し、平面観察用の半導体薄片試料とする。
(TEM観察)
微小試料片5を薄片化した平面観察用半導体薄片試料7を作製した後、試料ステージ1の傾斜溝1bからメッシュ2を外し、図示しないTEMの試料ホルダーにセットしてTEM観察を行ったところ、埋め込み金属導体を有するコンタクト構造部の平面像が明瞭に観察でき、埋め込み金属導体の状態や空洞や鬆の有無が確認できた。
【図面の簡単な説明】
【0015】
【図1】本発明のFIB装置の試料ステージであり、(a)は概略平面図、(b)は(a)のA−A’線断面図である。
【図2】従来のFIB装置の試料ステージであり、(a)は概略平面図、(b)は(a)のB―B線断面図である。
【図3】本発明の試料ステージを用いたTEM平面観察用半導体薄片試料の作製方法を説明するための図であり、(a)は概略平面図、(b)は(a)のA−A線断面図である。
【図4】本発明の試料ステージを用いたTEM平面観察用半導体薄片試料の作製方法を説明するための図であり、(a)は概略平面図、(b)は(a)のA−A線断面図である。
【図5】本発明の試料ステージを用いたTEM平面観察用半導体薄片試料の作製方法を説明するための図であり、(a)は概略平面図、(b)は(a)のA−A線断面図である。
【図6】本発明の試料ステージを用いたTEM平面観察用半導体薄片試料の作製方法を説明するための図であり、(a)は概略平面図、(b)は(a)のA−A線断面図である。
【図7】本発明の試料ステージを用いたTEM平面観察用半導体薄片試料の作製方法を説明するための図であり、(a)は概略平面図、(b)は(a)のA−A線断面図である。
【図8】本発明の試料ステージを用いたTEM平面観察用半導体薄片試料の作製方法を説明するための図であり、(a)は概略平面図、(b)は(a)のA−A線断面図である。
【図9】本発明の試料ステージを用いたTEM平面観察用半導体薄片試料の作製方法にかかる(a)はメッシュの端部に接着した薄片化前の微小試料片の拡大断面図、(b)は同じく、薄片化後の半導体薄片試料の拡大断面図である。
【図10】従来のマイクロサンプリング法による平面観察用半導体薄片試料の作製方法にかかる(a)はマイクロサンプリング時のメッシュ端部と集束イオンビームの照射方向との関係を示す拡大断面図、(b)は薄片化時のメッシュ端部と集束イオンビームの照射方向との関係を示す拡大断面図である。
【図11】本発明にかかる試料ステージを装着したFIB装置の概略透視斜視図である。
【符号の説明】
【0016】
1 試料ステージ
1a 試料ステージ面
1b 傾斜溝
1c 溝幅調整ネジ
2 メッシュ
3 試料基板
4 基部
5 微小試料片
6 マイクロプローブ
7 平面観察用半導体薄片試料
8 観察平面
9、9’ イオンビームアシストデポジション装置
10 イオンビーム
20 FIB装置



【特許請求の範囲】
【請求項1】
集束イオンビームに対向する状態で半導体基板試料の主面を載置する面と、透過型電子顕微鏡平面観察用半導体薄片試料を作製するために、前記半導体基板試料から前記集束イオンビームで切り出される微小試料片を保持するメッシュを挟持するための傾斜溝とを有することを特徴とする集束イオンビーム加工装置の試料ステージ。
【請求項2】
前記傾斜溝の傾斜方向と前記半導体基板試料を載置する面との成す角度が20〜70°であることを特徴とする請求項1の集束イオンビーム加工装置の試料ステージ。
【請求項3】
前記請求項1または2記載の集束イオンビーム加工装置の試料ステージを支持し、該試料ステージの位置制御と傾斜および軸回転の制御機構を有する基部を備えることを特徴とする集束イオンビーム装置。
【請求項4】
前記請求項1または2記載の集束イオンビーム加工装置の試料ステージに載置され、固定され、前記イオンビームの照射方向に対して垂直な観測平面を有する半導体基板試料にマイクロプローブを接着後、イオンビームを照射して微小試料片を切り出す工程、メッシュを傾斜溝に挟持させた前記試料ステージを傾斜させて前記メッシュ側面を前記イオンビームの照射方向に対して垂直にする工程、前記メッシュの端面に前記イオンビームの照射方向に対して垂直な観測平面を有する前記微小試料片を接着して前記マイクロプローブを切り離す工程、前記試料ステージを回転軸を中心に180度回転させ、前記微小試料片の前記観測平面を前記イオンビームの照射方向と平行にする工程、前記微小試料片の観測平面に平行に前記イオンビームを照射して薄片化する工程を有することを特徴とする透過型電子顕微鏡平面観察用半導体薄片試料の作製方法。

【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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【図6】
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【図7】
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【図8】
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【図9】
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【図10】
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【図11】
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【公開番号】特開2010−135132(P2010−135132A)
【公開日】平成22年6月17日(2010.6.17)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2008−308346(P2008−308346)
【出願日】平成20年12月3日(2008.12.3)
【出願人】(000005234)富士電機ホールディングス株式会社 (3,146)
【Fターム(参考)】