(57)【要約】【課題】インライン検査試料作製をウエハを汚染することなく行うことができ、ウエハを製造ラインへ戻して生産に寄与することができる試料作製方法を提供する。【解決手段】半導体デバイス製造ラインで所定の処理を施した半導体ウエハ１４に対し、ウエハ表面に形成された所定の検査箇所７を含む領域の周辺部をエッチング除去して溝部１２を形成するとともに所定の検査箇所７を含む領域を薄片化する。次に、薄片部および溝部１２を含む半導体ウエハ表面を覆うようにＳｉＮ膜１５およびＳｉＯ２　膜１６からなる積層膜を形成する。次に、集束イオンビーム法を用いて薄片部を半導体ウエハ１４から切り出しマニピュレーター装置の針先１８を用いて取り出す。次に、半導体ウエハ側のＳｉＯ２　膜１６を除去した後、溝部１２に新たにＳｉ酸化膜を埋込み、半導体ウエハ１４を製造ラインに戻す。【選択図】　　　　図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体デバイス製造ラインで所定の処理を施したウエハに対し、前記ウエハ表面に形成された所定の検査箇所を含む領域の周辺部をエッチング除去して溝部を形成することにより前記所定の検査箇所を含む領域を薄片化する工程と、前記薄片および溝部を含むウエハ表面を覆うように保護膜を形成する工程と、前記薄片を前記ウエハから分離して取り出す工程とを含むインライン検査試料作製方法。
【請求項２】
前記薄片を前記ウエハから分離して取り出す工程における分離加工は集束イオンビーム法を用いて行うことを特徴とする請求項１に記載のインライン検査試料作製方法。
【請求項３】
前記保護膜は、前記集束イオンビーム法を用いた加工による汚染が前記ウエハの基板に到達しない膜厚であることを特徴とする請求項２に記載のインライン検査試料作製方法。
【請求項４】
前記所定の検査箇所を含む領域は、前記ウエハのスクライブライン上に存在することを特徴とする請求項１に記載のインライン検査試料作製方法。
【請求項５】
前記薄片を前記ウエハから分離して取り出す工程の後に、前記保護膜をエッチングする工程と、その後前記溝部を絶縁膜で埋め込む工程とをさらに有することを特徴とする請求項１に記載のインライン検査試料作製方法。
【請求項６】
前記保護膜は下層がＳｉＮ膜、上層がＳｉＯ２　膜からなる積層膜であることを特徴とする請求項１に記載のインライン検査試料作製方法。
【請求項７】
前記保護膜を形成後で前記薄片を前記ウエハから分離して取り出す工程の前に、前記薄片を検査装置用固定メッシュに固定する工程をさらに有することを特徴とする請求項１に記載のインライン検査試料作製方法。
【請求項８】
前記薄片の前記検査装置用固定メッシュへの固定は、ガス雰囲気中での集束イオンビーム照射により形成した金属蒸着膜により行うことを特徴とする請求項７に記載のインライン検査試料作製方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、断面観察や元素分析を含めた半導体デバイスのインライン検査用の試料作製方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、インライン検査による半導体デバイスの直視のために、半導体デバイス本体中のテストパターンについて、ＦＩＢ（Ｆｏｃｕｓｅｄ　Ｉｏｎ　Ｂｅａｍ）加工により得られたＳＩＭ像を利用して断面観察していた。また、ＦＩＢ法で得られるＳＩＭ像よりも高分解能で試料を観察および分析する必要がある場合は、ＦＩＢを利用して透過型電子顕微鏡（以下、ＴＥＭと略す）分析や走査型電子顕微鏡（以下、ＳＥＭと略す）観察が可能な０．３μｍ以下の膜厚まで薄片化した試料を作製し、これを用いてＴＥＭ観察やＳＥＭ観察を行っていた。
【０００３】
以下、図１５、図１６を参照しながら上記した従来のＦＩＢ法を利用した検査試料作製方法について説明する。図１５は、試料である半導体ウエハ１０１上の観察場所を取り出すためにＦＩＢ法で加工した際の加工形状、図１６は試料を切り出したあとの半導体ウエハ１０１の断面形状である。
【０００４】
まず、図１５に示すように半導体ウエハ１０１上に形成された半導体デバイスパターン１０２上にある、ＴＥＭやＳＥＭなどで観察する特定箇所１０３を含む加工薄片１０５と、マニュピレーター装置の針先を加工薄片１０５へ当てることができるよう加工薄片１０５周辺部の半導体デバイスパターン１０２を含む半導体ウエハ１０１の所定領域を除去する加工を、イオンビーム１０４を用いて行う。
【０００５】
次に、図１６に示すように、切り出した加工薄片１０５をマニピュレーター装置の針先１０６で半導体ウエハ１０１から取り出す。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のインライン検査用のＴＥＭ観察、ＳＥＭ観察用の試料作製方法では、イオンビーム１０４にガリウムイオンを用いており、図１６に示すように、加工薄片１０５の形成時およびその切り出し時に、イオンビーム１０４によって加工薄片１０５の周辺領域が汚染され、汚染領域１０７を形成してしまうため、検査に使用したウエハは製造ラインの次の工程に戻せないという課題があった。
【０００７】
さらに、切り出された加工薄片１０５をマニピュレーター装置の針先１０６で取り出す方法では、加工薄片１０５とマニピュレーター装置の針先１０１との静電吸着を利用しているため、半導体ウエハ１０１から加工薄片１０５の取り出しが困難であるという不具合を有していた。
【０００８】
本発明の目的は、断面観察および元素分析のためのインライン検査試料作製をウエハを汚染することなく行うことができ、ウエハを製造ラインへ戻して生産に寄与することが可能となるインライン検査試料作製方法を提供することである。
【０００９】
さらに本発明の他の目的は、分離した試料をウエハから簡便に取り出すことができるインライン検査試料作製方法を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明のインライン検査試料作製方法は、半導体デバイス製造ラインで所定の処理を施したウエハに対し、ウエハ表面に形成された所定の検査箇所を含む領域の周辺部をエッチング除去して溝部を形成することにより所定の検査箇所を含む領域を薄片化する工程と、薄片および溝部を含むウエハ表面を覆うように保護膜を形成する工程と、薄片をウエハから分離して取り出す工程とを含むものである。
【００１１】
この本発明によれば、検査箇所を含む領域を薄片化する際、その周辺部をエッチングで除去することにより、従来のようなイオンビームによるウエハ表面の汚染を防止できる。また、ウエハ表面を覆う保護膜を形成することにより、検査試料となる薄片をウエハから分離する際に、従来のようなイオンビームによるウエハ表面の汚染を防止できる。このようにウエハ表面の汚染を防止できるため、薄片をウエハから分離して取り出した後、ウエハを製造ラインに戻して生産に寄与することが可能となる。
【００１２】
また、本発明において、薄片をウエハから分離して取り出す工程における分離加工は集束イオンビーム法を用いて行うことが好ましい。これにより、ウエハ内の任意の微細部分を高精度で取り出すことが可能となる。
【００１３】
この場合に、保護膜は、集束イオンビーム法を用いた加工による汚染がウエハの基板に到達しない膜厚であることが好ましい。これにより、ウエハ表面の汚染を防止することができる。
【００１４】
また、本発明において、所定の検査箇所を含む領域は、ウエハのスクライブライン上に存在することが好ましい。これにより、パターン形成の自由度が増すとともに、製品となる部分に対して集束イオンビーム照射による汚染を防止することが可能となる。
【００１５】
また、本発明において、薄片をウエハから分離して取り出す工程の後に、保護膜をエッチングする工程と、その後溝部を絶縁膜で埋め込む工程とをさらに有することにより、溝部を絶縁膜で埋め込んだウエハを製造ラインに戻すことができる。
【００１６】
また、本発明において、保護膜は下層がＳｉＮ膜、上層がＳｉＯ２　膜からなる積層膜であることが好ましい。これにより、保護膜をエッチングする際に、上層のＳｉＯ２　膜を過剰にエッチングした場合でも下層のＳｉＮ膜が所定の検査領域を含む薄片を保護することが可能になる。
【００１７】
また、本発明において、保護膜を形成後で薄片をウエハから分離して取り出す工程の前に、薄片を検査装置用固定メッシュに固定する工程をさらに有することが好ましい。これにより、検査装置用固定メッシュに固定した状態で分離した薄片をウエハから取り出すため、簡便に取り出すことができる。また、検査装置用固定メッシュに固定されているため、ウエハから取り出した後、薄片の一部の薄膜化を容易に行うことができ、より詳細な解析が行える試料の作製が可能となる。
【００１８】
この場合に、薄片の検査装置用固定メッシュへの固定は、ガス雰囲気中での集束イオンビーム照射により形成した金属蒸着膜により行うことが好ましい。これにより、薄片の検査箇所を除く任意の箇所に金属蒸着膜を堆積させて薄片を検査装置用固定メッシュに固定することが可能となる。
【００１９】
【発明の実施形態】
（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態について、図１〜図１１の図面を参照しながら説明する。
【００２０】
図１は、本実施形態で用いられる集束イオンビーム（ＦＩＢ）加工装置１の基本構成を示した図である。このＦＩＢ加工装置１には、加工室内に設けた半導体ウエハ１４を固定する試料ステージ２と、同じく加工室内に設けられ試料ステージ方向に原料ガスＷ（ＣＯ）６を噴出するガス噴出ノズル３と、同じく試料ステージ方向にＧａイオンビーム４を照射するＧａをイオン種としたイオンガン５と、加工室内を真空にする真空ポンプ６と固定メッシュ用支持棒２１とを備えている。なお、固定メッシュ用支持棒２１は第２の実施形態の場合に用いるもので、本実施形態の場合は備えていなくてよい。
【００２１】
また、図２は、本実施形態で用いられる半導体ウエハ１４のスクライブライン上の検査箇所７を含む露光パターン８である。図３には、図２の検査用ウエハの断面図を示しており、検査用ウエハであるシリコン（以下、Ｓｉと記す）基板９上にスクライブライン上の半導体デバイスパターン１０を形成した後、検査箇所７を含む領域上で、半導体デバイスパターン１０上にフォトレジスト１１を塗布した露光パターン８を形成する。検査箇所７を含む検査試料の大きさは０．１〜０．２μｍ×１０μｍであり、露光パターン８の外周の大きさは１２μｍ×３０μｍである。
【００２２】
次に、図４に示すように、フォトレジスト１１をマスクとして半導体基板に深さ８μｍのエッチングを行って溝部１２を形成し、検査試料１３の観察面を露出する。次に、図５に示すように、フォトレジスト１１をエッチング除去する。
【００２３】
次に、図６で示すように、検査試料１３を含むウエハ全面にＳｉＮ膜１５を約１５ｎｍ蒸着し、さらにＳｉＮ膜１５上にＳｉＯ２膜１６を約１５ｎｍ蒸着する。
【００２４】
次に、このように加工処理を行った半導体ウエハ１４を、図１に示すＦＩＢ加工装置１の試料ステージ２上に固定する。次に、半導体ウエハ１４の表面に対するイオンビーム４の入射角が約６０度になるように、ステージ２を傾斜させ、Ｇａをイオン種としたイオンガン５から照射されるＧａイオンビーム４で検査試料１３の底辺を切り欠き加工し、検査試料１３を半導体ウエハ１４から切り出す。このとき、真空ポンプ６により加工室内を高真空に保ちＧａイオンビーム４を安定させる。
【００２５】
このようにして半導体ウエハ１４から切り出された検査試料１３である分離試料１７を、図７で示すように、マニピュレーター装置の針先１８を駆動して運搬し、所定の箇所に移動させる。
【００２６】
切り出した分離試料１７は、図８で示すように、所望の解析装置用のホルダーに用いるメッシュ１９に固定することにより、ＴＥＭ分析やＳＥＭ観察などの解析が行えるような薄膜試料が作製できる。
【００２７】
一方、図９で示すように、分離試料１７を切り出した後の半導体ウエハ１４について、蒸着されたＳｉＯ２膜１６を選択的にエッチングし除去する。このとき残存するＳｉＮ膜１５は、溝部１２の周辺部および半導体ウエハ１４の半導体デバイスパターン１０の表面を覆い、これらをエッチングから保護する。
【００２８】
次に、図１０で示すように、露光パターン８の溝部１２が埋め込まれる程度にＳｉ酸化膜２０を堆積する。次に、図１１に示すように、半導体ウエハ１４の半導体デバイスパターン１０の表面が出るように、ＣＭＰ法を用いて余分なＳｉ酸化膜２０およびＳｉＮ膜１５を除去して平坦化する。このような処理を施した後、デバイス本体を生産に寄与するために、この半導体ウエハ１４を製造工程に戻す。
【００２９】
以上のように本実施形態によれば、検査箇所７を含む領域を薄片化する際、フォトレジスト１１を用いて検査試料１３の周辺部をエッチングで除去することにより、従来のようなイオンビームによる半導体ウエハ表面の汚染を防止できる。また、半導体ウエハ１４の表面をＳｉＮ膜１５およびＳｉＯ２膜１６で覆った後、Ｇａイオンビーム４で検査試料１３を半導体ウエハ１４から切り出すことにより、イオンビーム４による半導体ウエハ１４の表面の汚染を防止できる。このように半導体ウエハ１４の表面の汚染を防止できるため、検査試料１３を分離して取り出した後、半導体ウエハ１４を製造ラインに戻して生産に寄与することが可能となる。
【００３０】
なお、ＳｉＯ２膜１６の膜厚は、検査試料１３を切り出す際のＧａイオンビーム４による汚染がＳｉＯ２膜１６を突き抜けない膜厚であることが、半導体ウエハ１４の表面の汚染を防止する点から好ましい。
【００３１】
（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態について、図１〜図６、図９〜図１４の図面を参照しながら説明する。
【００３２】
図１で示された本実施形態で用いられるＦＩＢ加工装置１には、加工室内に設けた半導体ウエハ１４を固定する試料ステージ２と、同じく加工室内に設けられ試料ステージ方向に原料ガスＷ（ＣＯ）６を噴出するガス噴出ノズル３と、同じく試料ステージ方向にＧａイオンビーム４を照射するＧａをイオン種としたイオンガン５と、加工室内を真空にする真空ポンプ６と、固定メッシュ用支持棒２１とを備え、固定メッシュ用支持棒２１の先端には検査装置用試料固定メッシュ２２（図１２）が取り付けられている。
【００３３】
また、図２は、本実施形態で用いられる半導体ウエハ１４のスクライブライン上の検査箇所７を含む露光パターン８である。図３には、図２の検査用ウエハの断面図を示しており、検査用ウエハであるシリコン（以下、Ｓｉと略す）基板９上にスクライブライン上の半導体デバイスパターン１０を形成した後、検査箇所７を含む領域上で、半導体デバイスパターン１０上にフォトレジスト１１を塗布した露光パターン８を形成する。本実施形態で用いられる検査箇所７を含む検査試料の大きさは０．１〜０．２μｍ×５０μｍであり、露光パターン８の外周の大きさは１００μｍ×２００μｍである。
【００３４】
次に、図４に示すようにフォトレジスト１１をマスクとして半導体基板に深さ２０μｍのエッチングを行って溝部１２を形成し、検査試料１３の観察面を露出する。次に、図５で示すようにフォトレジスト１１をエッチング除去する。
【００３５】
次に、図６で示すように、検査試料１３を含むウエハ全面にＳｉＮ膜１５を約１５ｎｍ蒸着し、さらにＳｉＮ膜１５上にＳｉＯ２膜１６を約１５ｎｍ蒸着する。
【００３６】
次に、このように加工処理を行った半導体ウエハ１４を、図１に示すＦＩＢ加工装置１の試料ステージ２上に固定する。次に、半導体ウエハ１４の表面に対するイオンビーム４の入射角が約６０度になるように、ステージ２を傾斜させ、図１２で示す固定メッシュ用支持棒２１で支持した検査装置用試料固定メッシュ２２を溝部１２に挿入して検査試料１３の観察面に密着させ、金属蒸着膜２３で検査試料１３の一部を検査装置用試料固定メッシュ２２に固定する。このとき、金属蒸着膜２３は、ガス噴出ノズル３から噴出するＷ（ＣＯ）６ガスをＧａイオンビーム４でＷとＣＯガスに分解し、Ｗのみを金属蒸着膜２３（図１３参照）として形成する。このときＣＯガスは真空ポンプ６により排出する。
【００３７】
さらに、図１３で示すように、検査装置用試料固定メッシュ２２を支持棒２１で支持した状態で、Ｇａをイオン種としたイオンガン５から照射されるＧａイオンビーム４で検査試料１３の底辺を切り欠き加工し、検査装置用試料固定メッシュ２２に固定した検査試料１３を半導体ウエハ１４から切り出す。
【００３８】
このようにして半導体ウエハ１４から切り出され、検査装置用試料固定メッシュ２２に固定された検査試料１３を、固定メッシュ用支持棒２１を駆動して運搬し、所定の箇所に移動させる。
【００３９】
切り出した検査試料１３について、さらにイオンガン５から照射されるＧａイオンビーム４で検査試料１３表面に堆積したＳｉＮ膜１５やＳｉＯ２膜１６を除去し、検査試料１３の一部をさらに薄膜化する。
【００４０】
このようにして、図１４で示すように、ＴＥＭ分析やＳＥＭ観察などの詳細な解析が行えるような薄膜試料が作製できる。
【００４１】
一方、図９で示すように、検査試料１３を切り出した後の半導体ウエハ１４について、蒸着されたＳｉＯ２膜１６を選択的にエッチングし除去する。このとき残存するＳｉＮ膜１５は、溝部１２の周辺部および半導体ウエハ１４の半導体デバイスパターン１０の表面を覆い、これらをエッチングから保護する。
【００４２】
次に、図１０で示すように、露光パターン８の溝部１２が埋め込まれる程度にＳｉ酸化膜２０を堆積する。次に、図１１に示すように、半導体ウエハ１４の半導体デバイスパターン１０の表面が出るように、ＣＭＰ法を用いて余分なＳｉ酸化膜２０およびＳｉＮ膜１５を除去して平坦化する。このような処理を施した後、デバイス本体を生産に寄与するために、この半導体ウエハ１４を製造工程に戻す。
【００４３】
以上のように本実施形態によれば、第１の実施形態の効果に加え、検査装置用試料固定メッシュ２２に固定した状態で分離した検査試料１３を半導体ウエハ１４から取り出すため、簡便に取り出すことができる。また、検査装置用試料固定メッシュ２２に固定されているため、半導体ウエハ１４から取り出した後、検査試料１３表面に堆積したＳｉＮ膜１５やＳｉＯ２膜１６を除去し、検査試料１３の一部をさらに薄膜化することを容易に行うことができ、より詳細な解析が行える試料の作製が可能となり、第１の実施形態に比べて解析精度の向上が図れる。
【００４４】
【発明の効果】
以上のように、本発明のインライン検査用試料作製方法によれば、断面観察および元素分析のためのインライン検査試料作製をウエハを汚染することなく行うことができ、検査試料を取り出した後ウエハを製造ラインへ戻して生産に寄与することができる。さらに、検査試料となる薄片を検査装置用固定メッシュに固定し、その状態で分離した薄片をウエハから取り出すことにより、検査試料をウエハから簡便に取り出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１及び第２の実施形態における集束イオンビーム加工装置の構成図
【図２】本発明の第１及び第２の実施形態における検査用試料作製方法を示す平面図
【図３】本発明の第１及び第２の実施形態における検査用試料作製方法を示す断面図
【図４】本発明の第１及び第２の実施形態における検査用試料作製方法を示す断面図
【図５】本発明の第１及び第２の実施形態における検査用試料作製方法を示す断面図
【図６】本発明の第１及び第２の実施形態における検査用試料作製方法を示す断面図
【図７】本発明の第１の実施形態における検査用試料の分離および運搬を示す断面図
【図８】本発明の第１の実施形態における分離試料をメッシュに固定した平面図
【図９】本発明の第１及び第２の実施形態における検査用試料分離後のウエハ本体の処理を示す断面図
【図１０】本発明の第１及び第２の実施形態における検査用試料分離後のウエハ本体の処理を示す断面図
【図１１】本発明の第１及び第２の実施形態における検査用試料分離後のウエハ本体の処理を示す断面図
【図１２】本発明の第２の実施形態における検査用試料を検査装置用固定メッシュに固定した断面図
【図１３】本発明の第２の実施形態における検査用試料の分離および運搬を示す図
【図１４】本発明の第２の実施形態における検査装置用固定メッシュに固定した検査試料の正面図
【図１５】従来例の検査用試料作製方法を示す断面図
【図１６】従来例の検査用試料分離後のイオンビームによる汚染を示す断面図
【符号の説明】
１　集束イオンビーム加工装置
２　試料ステージ
３　ガス噴出ノズル
４　イオンビーム
５　イオンガン
６　真空ポンプ
７　検査箇所
８　露光パターン
９　シリコン基板
１０　半導体デバイスパターン
１１　フォトレジスト
１２　溝部
１３　検査試料
１４　半導体ウエハ
１５　ＳｉＮ膜
１６　ＳｉＯ２膜
１７　分離試料
１８　マニピュレーター装置の針先
１９　分離試料固定用メッシュ
２０　Ｓｉ酸化膜
２１　固定メッシュ用支持棒
２２　検査装置用試料固定メッシュ
２３　金属蒸着膜
１０１　半導体ウエハ
１０２　半導体デバイスパターン
１０３　特定箇所
１０４　イオンビーム
１０５　加工薄片
１０６　マニピュレーター装置の針先
１０７　イオンビームによる汚染領域
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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