(57)【要約】【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。【選択図】        図１
2010135132.tif 000002
【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。
【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
【図１】
2010135132.tif 000003
【図２】
2010135132.tif 000004
【図３】
2010135132.tif 000005
【図４】
2010135132.tif 000006
【図５】
2010135132.tif 000007
【図６】
2010135132.tif 000008
【図７】
2010135132.tif 000009
【図８】
2010135132.tif 000010
【図９】
2010135132.tif 000011
【図１０】
2010135132.tif 000012
【図１１】
2010135132.tif 000013