JPH03272554A - 断面観察用走査型電子顕微鏡およびそれを用いた断面観察方法 - 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］ この発明は、断面観察用走査型電子顕微鏡およびそれを
用いた断面観察方法に関し、特に、半導体ウェハの断面
状態を観察する断面観察用走査型電子顕微鏡およびそれ
を用いた断面観察方法に関する。

［従来の技術］ 従来、半導体集積回路の不良解析やプロセス評価におい
て、表面観察や断面観察を行なうものとして走査型電子
顕微鏡（以下ＳＥＭという）が知られている。このＳＥ
Ｍ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ　　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　　Ｍｉｃ
ｒｏｓｃｏｐｅ）を用Ｌ）た断面観察方法においては、
ウエノ＼の観察したい断面部分が観察できるようにウエ
ノ＼を切断するという方法をとっていた。

第７図は、従来のＳＥＭによる断面観察方法を用いた場
合に必要とされる半導体ウエノ＼の斜視図である。第７
図を参照して、従来のＳＥＭを用いる断面観察方法につ
いて説明する。半導体ウェハ２７上には複数のチップが
形成されている。まず、断面観察を行なうべき断面観察
用テストチップ２８を選定する。その後、断面観察用テ
ストチップ２８の観察断面１２９が現われるように半導
体ウェハ２７を切断する。このようにして断面観察用テ
ストチップ２８の観察断面１２９が露出された後、その
観察断面１２９をＳＥＭを用いて断面観察していた。こ
のように、従来は、断面観察用テストチップ２８の観察
断面１２９を露出させるために、半導体ウェハ２７を人
手で切断していた。

［発明が解決しようとする課題］ 前述のように、従来のＳＥＭを用いて半導体ウェハの断
面観察を行なう方法では、断面観察を行なう際に、断面
観察用テストチップ２８の観察断面１２９を露出させる
ために半導体ウェハ２７を人手で切断していた。この半
導体ウエノＸ２７を切断する方法では、人手で断面観察
を行ないたい観察断面１２９に対応する部分を切断する
ため、特定箇所の断面を正確に露出させることは非常に
困難であった。また、この方法では、試料作成および断
面観察に長時間を要するという不都合があった。さらに
、断面観察を行なうために半導体ウェハを切断してしま
うため、そのウェハは以後のウェハプロセスを施すこと
ができないこととなる。

この結果、各ウェハプロセスごとに断面観察用のウェハ
を用意しなければならないという問題点があった。つま
り、従来のＳＥＭを用いた断面観察方法では、ウェハを
人手で切断するため特定箇所の断面を正確に露出させる
ことができないとともに、断面観察に長時間を要してい
た。また、各ウェハプロセスごとに断面観察用ウェハが
必要であった。

そこで、従来、ＳＥＭを用いた断面観察方法を改良する
ものとして、ＳＥＭ鏡筒部分にＦＩＢ（Ｆｏｃｕｓｅｄ
−Ｉｏｎ−Ｂｅａｍ）鏡筒部分を一体化した断面観察用
電子顕微鏡を用いた断面観察方法が提案されている。こ
れらは、たとえば、Ｊ、ＡｐｐＨ，Ｐｈｙｓ、６２　（
６）　　１５　　Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ　　１９８７　　
Ｆ２１６３〜Ｐ２１６８に開示されている。この提案さ
れた断面観察用電子顕微鏡を用いた断面観察方法として
は、まず、電子ビームとイオンビームを基準マークで位
置合わせする。そして、電子ビームで加工場所を観察し
た後イオンビームで加工する。このような断面観察用電
子顕微鏡を用いれば、断面観察を行なうために半導体ウ
ェハを人手で割る必要がないという利点がある。

しかし、この提案された断面観察用電子顕微鏡では、Ｓ
ＥＭによる観察は半導体ウェハから発生する２次電子を
用いて行なうので、ＦＩＢ加工と同時にＳＥＭ観察を行
なうことはできない。すなちわ、ＦＩＢ、ＳＥＭによる
半導体ウェハへの走査では、いずれも半導体ウェハから
２次電子が発生するため、ＦＩＢで半導体ウェハの断面
を切り出す際に同時にＳＥＭにより断面観察を行なって
も、ＳＥＭの走査による２次電子のみを検出することが
できないのである。したがって、この提案された断面観
察用電子顕微鏡では、観察断面を切り出す際に、ＦＩＢ
で所定量を切り出した後、ＳＥＭで断面観察を行なうと
いう工程を繰り返す必要があり、観察断面を切り出す時
間を短縮することが困難であるという問題点があった。

さらに、ＦＩＢによる観察断面の切り出しと同時にＳＥ
Ｍによる観察ができないので、特定箇所の観察断面をよ
り正確に得ることは困難であるという問題点があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされ
たもので、半導体ウェハの特定箇所の断面をより正確に
短時間で切り出して観察することが可能な断面観察用走
査型電子顕微鏡およびそれを用いた断面観察方法を提供
することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 第１請求項に係る発明は、半導体ウェハにイオンビーム
を走査して断面を切り出すためのイオンビーム走査手段
と、イオンビーム走査手段により切り出された半導体ウ
ェハの断面に電子ビームを走査するための電子ビーム走
査手段と、イオンビームおよび電子ビームの走査によっ
て半導体ウェハから発生される２次電子および電子ビー
ムの走査によって半導体ウェハから反射される反射電子
を検出するための電子検出子□と、電子検出手段の検出
結果に基づいて電子ビームの走査手段により走査された
領域の断面状態を観察するための走査領域観察手段とを
含む。

第２請求項に係る発明は、半導体ウェハが設置された試
料台を断面観察を行なう領域付近に移動するステップと
、試料台を移動した後、断面観察を行なう付近にイオン
ビームを走査して半導体ウェハから２次電子を発生させ
、該発生させた２次電子を検出して断面観察を行なう位
置を設定するステップと、設定された断面観察を行なう
位置にイオンビームを走査して断面を切り出すステップ
と、断面を切り出すときに断面に電子ビームを走査し、
半導体ウェハから反射される反射電子を検出して断面の
切り出し過程を観察するステップと、断面を切り出すス
テップにより切り出された断面に電子ビームを走査して
半導体ウェハから２次電子を発生させ、該２次電子を検
出して電子ビームが走査された断面の断面状態を観察す
るステップとを含む。

［作用］ 第１請求項に係る発明では、イオンビーム走査手段によ
るイオンビーム走査によって切り出される半導体ウェハ
の断面に、電子ビーム走査手段により電子ビームが走査
され、その電子ビーム走査によって半導体ウェハから反
射される反射電子が電子検出手段により検出されるので
、観察すべき断面を切り出しながら同時に反射電子を利
用して断面観察が行なわれる。

第２請求項に係る発明では、半導体ウェハが設置された
試料台が断面観察を行なう領域付近に移動された後、断
面観察を行なう位置にイオンビームが走査されて断面が
切り出され、その切り出される断面に電子ビームが走査
され、その電子ビーム走査によって半導体ウェハから反
射される反射電子が検出されて断面の切り出し過程が観
察されるので、観察すべき断面を加工しながら同時に断
面観察が行なわれる。

［発明の実施例コ 第１図は、本発明の一実施例を示した断面観察用走査型
電子顕微鏡の概略図である。第１図を参照して、断面観
察用走査型電子顕微鏡は、ＳＥＭ鏡筒部分１００と、Ｆ
ＩＢ鏡筒部分２００と、試料室部分３００とを含む。

ＳＥＭ鏡筒部分１００は、電子ビームを発生させるため
の電子銃１と、電子銃１から発生された電子ビーム３０
を集束させるためのＳＥＭ第ルンズ２と、ＳＥＭ第ルン
ズ２によって集束された電子ビームをＯＮ、ＯＦＦさせ
るためのＳＥＭブランキングコイル３と、ＳＥＭブラン
キングフィル３を通過した電子ビーム３ｏを走査させる
ためのＳＥＭ偏向コイル５と、ＳＥＭ偏向コイル５を通
過した電子ビーム３０を再び集光させためのＳＥＭ第２
レンズ４とを含む。電子銃１．ＳＥＭ第ルンズ２および
ＳＥＭ第２レンズ４．ＳＥＭブランキングコイル３．Ｓ
ＥＭ偏向コイル５には、それぞれ電子銃駆動用電源６．
ＳＥＭレンズ電源７、ＳＥＭブランキング電源８．ＳＥ
Ｍ偏向電源９が接続されている。

ＦＩＢ鏡筒部分２００は、イオンビームを発生させるた
めの液体金属イオン源１０と、液体金属イオン源１０か
ら発生されたイオンビーム３１を集束させるためのＦＩ
Ｂ第ルンズ１１と、ＦＩＢ第ルンズ１１によって集束さ
れたイオンビーム３１をＯＮ、ＯＦＦさせるためのＦＩ
Ｂブランキング電極１２と、ＦＩＢブランキン電極１２
を通過したイオンビーム３１を再び集束させるためのＦ
ＩＢ第２レンズ１３と、ＦＩＢ第２レンズ１３により集
束されたイオンビーム３１を偏向させるためのＦＩＢ偏
向電極１４とを含む。液体金属イオン源１０．ＦＩＢ第
ルンズ１１およびＦＩＢ第２レンズ１Ｂ、ＦＩＢブラン
キング電極１２゜ＦＩＢ偏向電極１４には、それぞれイ
オン源駆動用電源１５．ＦＩＢレンズ電源１６．ＦＩＢ
ブランキング電源１７．ＦＩＢ偏向電源１８が接続され
ている。

試料室部分３００は、半導体ウェハ２７を設置するため
の試料台１９と試料台１つを移動させるための試料台駆
動装置２０と、電子ビーム３０の半導体ウェハ２７によ
って反射された反射電子を検出するための反射電子検出
器２１と、電子ビーム３０およびイオンビーム３１の走
査によって半導体ウェハ２７から発生される２次電子を
検出するための２次電子検出手段２３とを含む。反射電
子検出器２１および２次電子検出器２３には、それぞれ
反射電子検出器制御電源２２および２次電子検出器制御
電源２４が接続されている。さらに、反射電子検出器２
１および２次電子検出器２３には、検出信号増幅器２５
が接続され、検出信号増幅器２５には、観察用ＣＲＴ２
６が接続される。

観察用ＣＲＴ２６には、ＳＥＭ偏向電源９およびＦＩＢ
偏向電源１８が接続されている。また、ＳＥＭ鏡筒部分
１００は、試料の断面が観察できるように試料台１つに
対して入射角的６０度程度で取付けられている。ＦＩＢ
鏡筒部分２００は、試料台１９に対してほぼ垂直に取付
けられている。

なお、ＳＥＭ鏡筒部分１００の加速電圧はＩＫＶ以上に
設定されている。また、反射電子検出器２１および２次
電子検出器２３は、反射電子検出器制御電源２２および
２次電子検出器制御電源２４によって制御される。すな
わち、反射電子検出器２１および２次電子検出器２３に
よって検出された信号は検出信号増幅器２５によって増
幅され、走査同期信号３５に同期して観察用ＣＲＴ２６
に映し出される。なお、反射電子検出器２１には、電子
ビーム３０およびイオンビーム３１の走査時に発生した
２次電子を検出することを防ぐためにバイアス電圧が印
加されている。

第２図は、第１図に示した断面観察用走査型電子顕微鏡
を用いた断面観察方法に用いられる半導体ウェハの平面
図である。半導体ウェハ２７には、複数のチップが形成
されており、そのうち断面観察を行なう断面観察用テス
トチップ２８が予め選定されている。

第３図ないし第５図は第１図に示した断面観察用走査型
電子顕微鏡により断面観察を行なう断面観察プロセスを
説明するための概略図である。第１図ないし第５図を参
照して、断面観察方法について説明する。まず、第３図
を参照して、イオンビーム３１の走査によって断面を切
り出すためのイオンビーム走査領域を設定するプロセス
を説明する。試料台駆動装置２０（第１図参照）により
試料台１９（第１図参照）を自動または手動で断面観察
を行なう切出し領域付近５０に移動する。

切出し領域付近５０にイオンビーム３１を走査して半導
体ウェハ２７から発生された２次電子３４を検知してそ
の像を観察用ＣＲＴ２６上に表示させる。この観察用Ｃ
ＲＴ２６の表示に基づいてキーボードやマウスなどの人
力デバイスにより切出しのためのイオンビーム走査領域
２９の位置指定を行なう。この場合検出器としては、２
次電子検出器２３のみを作動させる。

次に、第４図を参照して、イオンビーム３１の走査によ
るスパッタエツチング機能を用いて観察したい断面を切
出すプロセスを説明する。まず、イオンビーム走査領域
２９にイオンビームを走査させて断面切出しを開始する
。同時に、電子ビーム３０を走査させて切出される断面
の反射電子３２を反射電子検出器２１により検出する。

反射電子検出器２１の検出信号を検出信号増幅器により
増幅し観察用ＣＲＴ２６に表示する。これにより、イオ
ンビーム３１による切出し過程を監視することができる
。この場合、反射電子検出器２１のみ動作させ、２次電
子検出器２３は動作させないでおく。このようにして、
切出しの過程をリアルタイムで監視して必要な断面が得
られたときにイオンビーム走査を即座に中止する。これ
によって、特定箇所の極微細領域の断面を従来の提案さ
れた改良例に比べてより正確に得ることができる。また
、従来の提案された改良例に比べてより短時間で観察断
面を切り出すことができ、断面観察プロセスの迅速化を
図ることができる。

次に、第５図を参照して、イオンビーム３１の走査によ
って切出された断面の断面観察を行なうプロセスを説明
する。イオンビーム３１の走査によって切り出された断
面に電子ビーム３０のみを走査する。電子ビーム３０の
走査によって半導体ウェハ２７から発生される２次電子
３３を２次電子検出器２３により検出する。２次電子検
出器２３の検出信号を検出信号増幅器２５により増幅し
て観察用ＣＲＴ２６上に表示する。この２次電子観察に
より高精度な断面観察を行なうことができる。このよう
に、本実施例では、非常に高精度に任意の断面を切り出
して即座に観察が行なえるため、微小領域の断面を効率
的に観察することができる。また、あるプロセス中に混
入した微小異物の断面観察にも応用できるため、ウェハ
プロセスの清浄度制御にも有効である。

また、反射電子検出器２１．２次電子検出器２３として
は、シンチレータ、光電子増倍管などが用いられる。本
実施例では、反射電子検出器２１と２次電子検出器２３
は各々独立して設けたが、同一のものを用いてもよい。

第６図は、本発明の他の実施例による反射電子検出器お
よび２次電子検出器として共通の電子検出器を用いた場
合の断面観察用走査型電子顕微鏡の概略図である。！６
図を参照して、２次電子検出器２３は、反射電子検出器
としても用いられる。すなわち、反射電子検出器２１，
２次電子検出器２３として共通のものを用いる場合には
、バイアス電圧を切換えスイッチ４０により、切換える
ことによってこの効果が得られる。具体的には、２次電
子は通常数十〜数百ｅＶであるのに対して、反射電子は
入射する電子ビーム３０のエネルギに近く、たとえば１
０ＫｅＶＳＥＭであれば、〜１０ＫｅＶ、ＩＫｅＶＳＥ
Ｍであれば、〜ＩＫｅＶである。したがって、検出器の
バイアス電圧をＩＫｅＶ弱の逆バイアスにすれば、反射
電子のみを検出することができる。

これにより、電子ビーム３０による反射電子の像のみを
監視することができる。なお、本実施例では、２次電子
検出器２３は、電子ビーム３０によって発生した２次電
子３３とイオンビーム３１によって発生した２次電子３
４のいずれも検出できるように取付けたが、２次電子像
の輝度の照射位置によって比対称性が問題となる場合に
は、複数の２次電子検出器を適当な位置に取付けて最適
化してもよい。また、本実施例では、断面切り出しのた
めのイオンビームおよび走査領域設定のためのイオンビ
ームに同一のイオンビームを用いたが、本発明はこれに
限らず、イオンビーム走査によって試料表面のイオンビ
ーム照射損傷が問題となる場合には、イオンビーム電流
を小さくすることや画像メモリへの２次電子像取込みな
どによってイオンビーム照射量を必要最小限にすること
により、照射損傷を小さくするようにしてもよい。さら
に、本実施例では、イオンビームの直接エツチングによ
る試料構成原子の物理的スパッタリングを用いたが、本
発明はこれに限らず、反応ガスをノズルを介して導入し
、化学的反応によりアシストエツチング機能を併用して
断面を切り出すようにしてもよい。また、本実施例では
、ウェハ２７内に１チツプの断面観察用テストチップ２
８を設はプロセス全体を監視することによるプロセス評
価を行なったが、本発明はこれに限らず、半導体素子の
不良解析に用いてもよい。

以上のように、第１図に示した断面観察用走査型電子顕
微鏡では、ＳＥＭ鏡筒部分１００にＦＩＢ鏡筒部分２０
０を一体的に取付けるとともに２次電子検出器２３に加
えて反射電子検出器２１を新たに設置することにより、
イオンビーム３１によって観察断面を切り出すときに、
電子ビーム３０を走査してその反射電子を検出してリア
ルタイムで断面観察を行なうことができる。したがって
、ウェハ内の任意チップの特定箇所の断面をより正確に
短時間で切り出して観察することができる。

第４図に示した断面観察用走査型電子顕微鏡を用いた断
面観察方法では、イオンビーム３１を走査して断面切出
しを開始すると同時に、電子ビーム３０を走査させて切
り出しつつある断面の反射電子３０を反射電子検出器２
１により検出することにより、イオンビーム３１による
観察断面の切出しの過程をリアルタイムで観察できる。

したがって、必要な断面が得られたときにイオンビーム
走査を即座に中止することができ、より正確に観察断面
を加工することができる。

［発明の効果〕 第１請求項に記載の発明によれば、半導体ウェハの断面
観察を行なう位置にイオンビーム走査手段によりイオン
ビームを走査して断面を切り出し、その切り出す断面に
電子ビーム走査手段により電子ビームを走査して半導体
ウェハから反射される反射電子を電子検出手段により検
出することにより、観察すべき断面を切り出しながら同
時に反射電子を利用して断面観察が行なわれるので、半
導体ウェハの特定箇所の断面をより正確により短時間で
切り出して観察することができる。

第２請求項に記載の発明によれば、半導体ウェハが設置
された試料台を断面観察を行なう領域付近に移動した後
、断面観察を行なう位置にイオンビームを走査して断面
を切り出し、その切り出している断面に電子ビームを走
査し半導体ウェハから反射される反射電子を検出して断
面の切り出し過程を検出することにより、観察すべき断
面を加工しながら同時に断面観察が行なわれるので、観
察断面を正確により短時間で切り出して断面観察を行な
うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示した断面観察用走査型電
子顕微鏡の概略図、第２図は第１図に示した断面観察用
走査型電子顕微鏡による断面観察方法に用いられる半導
体ウェハの平面図、第３図ないし第５図は第１図に示し
た断面観察用走査型電子顕微鏡を用いた断面観察方法を
説明するための観察プロセス図、第６図は本発明の他の
実施例による反射電子検出器および２次電子検出器とし
て共通の電子検出器を用いた場合の断面観察用走査型電
子顕微鏡の概略図、第７図は従来の走査型電子顕微鏡に
よる新品観察方法に用いられる半導体ウェハの斜視図で
ある。 図において、１は電子銃、５はＳＥＭ偏向コイル、１０
は液体金属イオン源、１４はＦＩＢ偏向電極、２１は反
射電子検出器、２３は２次電子検出器、２５は検出信号
増幅器、２６は観察用ＣＲＴ１２７は試料（半導体ウェ
ハ）、３０は電子ビーム、３１はイオンビーム、４０は
切換スイッチである。　なお、図中、同一符号は同一ま
たは相当部分を示す。 も１図 ３００−・−拭°衿！＠分 ８ も５０ 彰２図 ２日 ′！−，３図 も６図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体ウェハの断面に電子ビームを照射して前記
   半導体ウェハの断面状態を観察する断面観察用走査型電
   子顕微鏡であって、 前記半導体ウェハにイオンビームを走査して断面を切り
   出すためのイオンビーム走査手段と、前記イオンビーム
   走査手段により切り出された前記半導体ウェハの断面に
   前記電子ビームを走査するための電子ビーム走査手段と
   、 前記イオンビームおよび前記電子ビームの走査によって
   前記半導体ウェハから発生させる２次電子および前記電
   子ビームの走査によって前記半導体ウェハから反射され
   る反射電子を検出するための電子検出手段と、 前記電子検出手段の検出結果に基づいて前記電子ビーム
   走査手段により走査される領域の断面状態を観察するた
   めの走査領域観察手段とを含む、断面観察用走査型電子
   顕微鏡。
2. （２）半導体ウェハの断面に電子ビームを照射して前記
   半導体ウェハの断面状態を観察する断面観察用走査型電
   子顕微鏡を用いた断面観察方法であって、 前記半導体ウェハが設置された試料台を断面観察を行な
   う領域付近に移動するステップと、前記試料台を移動し
   た後、前記断面観察を行なう付近にイオンビームを走査
   して前記半導体ウェハから２次電子を発生させ、該発生
   された２次電子を検出して前記断面観察を行なう位置を
   設定するステップと、 前記設定された断面観察を行なう位置にイオンビームを
   走査して断面を切り出すステップと、前記断面を切り出
   すときに前記断面に前記電子ビームを走査し、前記半導
   体ウェハから反射される反射電子を検出して前記断面の
   切り出し過程を観察するステップと、 前記断面を切り出すステップにより切り出された断面に
   前記電子ビームを走査して前記半導体ウェハから２次電
   子を発生させ、該２次電子を検出して前記電子ビームが
   走査された断面の断面状態を観察するステップとを含む
   、断面観察用走査型電子顕微鏡を用いた断面観察方法。