(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＴＥＭ／ＳＴＥＭ撮像のためにサンプルを作製する方法であって、
垂直電子ビームカラムおよび前記電子ビームカラムに対してある角度に向けられたＦＩＢカラムを備えるデュアル・ビームＦＩＢ／電子ビームシステム内側に、基板を提供するステップと、
抜き出されたＴＥＭ／ＳＴＥＭサンプルを保持するためのサンプル・ホルダを提供するステップであって、前記サンプル・ホルダは、前記ＦＩＢ／電子ビームシステム内部のサンプル・ステージ上に搭載され、前記サンプル・ステージは、サンプル・ステージ平面を有し、かつ９０度未満の最大傾斜を有する回転および傾斜ステージを備え、前記サンプル・ホルダは、前記サンプル・ステージ平面に垂直なサンプル・ホルダ平面を有する、サンプル・ホルダを提供するステップと、
イオン・ビームを使用して前記基板からサンプルを切り離すステップであって、切り離された前記サンプルは頂部表面を有している、サンプルを切り離すステップと、
前記サンプル・ステージを傾斜することによって、第１の角度に前記サンプル・ホルダを傾斜させるステップと、
前記サンプルの前記頂部表面が、前記サンプル・ホルダ平面に対して前記第１の角度に向けられるように、傾斜した前記サンプル・ホルダ上に前記サンプルを搭載するステップと、
前記サンプル・ステージ平面が０度傾斜であるように、前記サンプル・ステージを傾斜させるステップと、
前記サンプル・ホルダを１８０度だけ回転するステップと、
前記第１の角度と第２の角度の組合せが、結果として搭載された前記サンプルの前記頂部表面が前記ＦＩＢカラムの向きに垂直に向けられるように、回転された前記サンプル・ホルダを前記第２の角度に傾斜させるステップと、
前記サンプルのミリングによって前記イオン・ビームを使用して前記サンプルを薄化するステップであって、前記ミリングが、前記ＦＩＢカラムの向きに平行なサンプル面を作る、サンプルを薄化するステップと、
前記第１の角度と第３の角度の組合せが、９０度に等しく、かつ前記サンプル面が、前記垂直電子ビームカラムに垂直に向けられるように、前記サンプル・ホルダを前記第３の角度に傾斜させるステップと、
搭載された前記サンプルを、前記ＴＥＭ／ＳＴＥＭを用いて観察するステップとを含む方法。
【請求項２】
前記第１の角度は、前記ステージの前記最大傾斜の角度と、前記最大傾斜と９０度との差との間の角度範囲から選択される請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記サンプル・ステージは、６０度の最大傾斜を有し、前記第１の角度は、３０度より大きい請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記ＦＩＢカラムは、前記垂直電子ビームカラムから５２度の角度をなす請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記サンプル・ホルダは、ＴＥＭフィンガ・グリッドである請求項１に記載の方法。
【請求項６】
走査電子顕微鏡を使用して搭載された前記サンプルを観察するステップをさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項７】
ＳＥＭまたはＳＴＥＭを使用して、イオン・ビーム・ミリングの間に搭載された前記サンプルを撮像するステップをさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項８】
第１の角度に前記サンプル・ホルダを傾斜するステップは、前記サンプル・ホルダを３８度に傾斜するステップを含む請求項１に記載の方法。
【請求項９】
第２の角度に前記サンプル・ホルダを傾斜するステップは、１４度に前記サンプル・ホルダを傾斜するステップを含む請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
第３の角度に前記サンプル・ホルダを傾斜するステップは、５２度に前記サンプル・ホルダを傾斜するステップを含む請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
第１の角度に前記サンプル・ホルダを傾斜するステップは、５２度に前記サンプル・ホルダを傾斜するステップを含む請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
第３の角度に前記サンプル・ホルダを傾斜するステップは、３８度に前記サンプル・ホルダを傾斜するステップを含む請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記イオン・ビームを使用して前記サンプルを薄化するステップは、前記ミリング・プロセスの間に前記サンプル・ステージを傾斜するステップをさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記イオン・ビームを使用して前記サンプルを薄化するステップは、前記サンプルを電子を透過する薄いセクションに薄化するステップを含む請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、サンプル作製方法、および走査透過電子顕微鏡による解析のためのサンプル取り扱い方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
集積回路の製作などの半導体製造は、通常はフォトリソグラフィを使用する。その上に回路が形成される、通常シリコン・ウェハである半導体基板は、放射に露光されたときに溶解性を変えるフォトレジストなどの材料で被覆される。放射源と半導体基板との間に配置されるマスクまたはレチクルなどのリソグラフィ・ツールは、基板のどの領域が放射に露光されるかを制御するために影を投じる。露光後、フォトレジストは、以降のエッチングまたは拡散プロセスの間にウェハの部分を保護する、パターン形成されたフォトレジストの層を残して露光された領域あるいは露光されていない領域から取り除かれる。
【０００３】
フォトリソグラフィ・プロセスによって、しばしば「チップ」と呼ばれる複数の集積回路デバイスまたは電子機械デバイスを、各ウェハ上に形成することができる。ウェハは、次に、それぞれ単一の集積回路デバイスまたは電子機械デバイスを含む個別のダイに切り分けられる。最終的に、これらダイは、更なる工程を経て、個別の集積回路チップまたは電子機械デバイスにパッケージングされる。
【０００４】
製造プロセスの間、露光および焦点における変動は、パターンの寸法が許容可能な範囲内にあるかどうかを判定するために、リソグラフィ・プロセスによって作られたパターンを連続して監視または測定することを必要とする。しばしばプロセス制御と呼ばれるそのような監視の重要性は、パターン・サイズがより小さくなると、特に最小特徴部サイズが、リソグラフィ・プロセスによって利用可能な解像度の限界に近づくときにかなり増大する。より高いデバイス密度を達成するために、ますますより小さい特徴部サイズが必要である。これは、相互接続ラインの幅および間隔、コンタクト・ホールの間隔および直径、ならびに様々な特徴部の角部および縁部などの表面幾何形状を含むことがある。ウェハ上の特徴部は、三次元構造であり、完全な特徴付けは、ラインまたはトレンチの頂部幅などのまさに表面寸法ではなく、特徴部の完全な三次元プロファイルを記載しなければならない。プロセス技術者は、製作プロセスを微細に調整しかつ所望のデバイス幾何形状が得られることを確実にするために、そのような表面特徴部の臨界寸法（ＣＤ）を正確に測定することができなければならない。
【０００５】
典型的にＣＤ測定は、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）などの機器を使用して行われる。走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）において、一次電子ビームが、観察されるべき表面を走査する微細なスポットに集束される。二次電子が、一次ビームが当たったときに表面から放出される。二次電子が検出され、かつ画像が形成され、画像の各点での輝度が、ビームが表面の対応するスポットに当たるときに検出される二次電子の数によって決定される。しかしながら、特徴部がますますより小さくなり続けると、測定されるべき特徴部が、通常のＳＥＭによって提供される解像度に対して小さすぎる点になる。
【０００６】
透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）は、観察者がナノメートルのオーダで非常に小さい特徴部を見ることを可能にする。材料の表面を撮像するだけのＳＥＭとは対照的に、ＴＥＭは、サンプルの内部構造の解析をも可能にする。ＴＥＭにおいて、広帯域ビームが、サンプルに当たり、サンプルを通って伝導する電子は、サンプルの画像を形成するために集束される。サンプルは、一次ビームにおける多くの電子が、サンプルを通って移動して反対側のサイトで出ることを可能にするために十分に薄くなければならない。サンプルは、典型的に１００ｎｍ厚み未満である。
【０００７】
走査透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）において、一次電子ビームは、微細なスポットに集束され、スポットは、サンプル表面を亘って走査される。基板を通って伝導される電子は、サンプルの離れた側の電子検出器によって収集され、画像の各点の強度は、一次ビームが表面の対応する点に当たるときに収集された電子の数に対応する。
【０００８】
サンプルは、透過電子顕微鏡（ＴＥＭまたはＳＴＥＭのいずれか）で観察するために非常に薄くなければならないので、サンプル作製は、繊細で時間がかかる作業であり得る。本明細書で使用される用語「ＴＥＭ」は、ＴＥＭまたはＳＴＥＭを含み、ＴＥＭのためのサンプルの調整とは、ＳＴＥＭで観察するためにサンプルを作製することも含むと理解されるべきである。本明細書で使用される用語「ＳＴＥＭ」も、ＴＥＭおよびＳＴＥＭの両方を含む。ＴＥＭサンプルを作製する１つの方法は、イオン・ビームを使用して基板からサンプルを切断することである。プローブが、サンプルが完全に切り離される前または後のいずれかで、サンプルに取り付けられる。プローブは、例えば静電的に、あるいはＦＩＢ堆積によって、または接着剤によって取り付けられることができる。プローブが取り付けられたサンプルは、その切り離された基板から取り出され、典型的には、ＦＩＢ堆積、静電的、または接着剤を使用してＴＥＭグリッドまたはサンプル・ホルダに取り付けられる。
【０００９】
図１は、部分的な円形の３ｍｍリングを備える典型的なＴＥＭサンプル・ホルダ１０を示す。いくつかの応用例において、サンプル２０は、イオン・ビーム堆積または接着剤によってＴＥＭサンプル・ホルダの１つまたは複数のフィンガ１４に取り付けられることができる。ＴＥＭにおいて、電子ビーム（図１３に示される）が、ＴＥＭグリッドの平面が電子ビームに対して垂直であるときに、サンプル２０を通ってサンプル下で検出器への自由経路を有するように、フィンガ１６から延在する。
【００１０】
ＴＥＭ試料を作製するためのいくつかの技術が知られている。これらの技術は、へき開、化学研磨、機械研磨、または広帯域ビームの低エネルギ・イオン・ミリング、あるいは上記の１つまたは複数の組合せを含むことができる。これら技術の欠点は、それら技術が、サイトに特定ではなく、しばしば開始材料をより小さい片に分割する必要があり、それによって元のサンプルの多くを破壊することである。
【００１１】
一般に「リフト・アウト（ｌｉｆｔ−ｏｕｔ）」技術と呼ばれる他の技術は、基板の周囲の部品を破壊または損傷することなく、基板またはバルク・サンプルからサンプルを切断するために集束イオン・ビームを使用する。そのような技術は、集積回路の製作に使用されるプロセスの結果、ならびに物理または生物科学に一般的な材料の解析に有用である。これらの技術は、任意の向き（例えば、断面または平面図のいずれか）でサンプルを解析するために使用されることができる。いくつかの技術は、ＴＥＭで直接使用するために十分に薄くサンプルを抜き出し、他の技術は、観察前にさらに薄くすることを必要とする「チャンク」または大きなサンプルを抜き出す。さらに、これら「リフト・アウト」試料は、ＴＥＭ以外の他の解析ツールによって直接解析することもできる。サンプルを、（ウェハ全体が、サンプル除去のために他のツールに移されるときに）ＦＩＢシステム真空室の外側に基板から抜き出す技術は、一般に、「外位置（ｅｘ−ｓｉｔｕ）」技術と呼ばれ、サンプル除去を、真空室内側で行う技術は、「原位置（ｉｎ−ｓｉｔｕ）」技術と呼ばれる。原位置リフト・アウト技術は、２００７年５月３日に出願された「Ｓ／ＴＥＭ  Ｓａｍｐｌｅ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｏｆ  Ｅｘｔｒａｃｔｉｎｇ  Ｓ／ＴＥＭ  Ｓａｍｐｌｅ」でＴａｎｇｕａｙらへの米国特許仮出願で議論されている。
【００１２】
チャンク・タイプのサンプルの原位置リフト・アウトは、典型的に図２から図５に示される以下の連続ステップで達成される。最初に、図２から図５に示されるように、サンプル２０は、集束イオン・ビーム２２を用いるミリングによって、基板２１から完全にまたは部分的に分離される。このステップは、典型的に、本発明の譲受人であるＯＲ、ＨｉｌｌｓｂｏｒｏのＦＥＩ  Ｃｏｍｐａｎｙから入手可能な、Ｅｘｐｉｄａ（商標）１２５５ＤｕａｌＢｅａｍ（商標）Ｓｙｓｔｅｍなどのデュアル・ビームＦＩＢ／ＳＥＭシステムを使用して達成される。次に、図４に示されるように、マイクロプローブ先端２３が、ＦＩＢ誘導化学蒸着によってサンプルに取り付けられる。部分的にだけ分離されたサンプルの場合、サンプルは、次にさらなるＦＩＢミリングによって完全に自由にされる。このプロセスは、典型的にほぼ１０×５×５μｍのサイズである、図６に示されるようなくさび形状のサンプル６０を結果として生じる。頂部表面６２は、このようにほぼ１０μｍ長さ×５μｍ幅である。
【００１３】
図５および図７に示されるように、サンプルは、次に、取り付けられたマイクロプローブによってＴＥＭサンプル・ホルダ２４へ移送される。サンプルの移送は、典型的には、その頂部表面がＴＥＭサンプル・ホルダの平面に対して垂直に向けられたままになるように、その向きを変えない。サンプル２０は、サンプル・ホルダ２４に取り付けられ（やはりＦＩＢ誘導ＣＶＤを用いて）、次に、マイクロプローブ２３が取り付けられたサンプルの端部は自由に切り離される。このステップのシーケンスは、図８から図１０に示される。
【００１４】
この時点で、同じＦＩＢシステム内でまたは第２のＦＩＢシステムへ移送された後のいずれかで、サンプルは、電子を透過する薄いセクションに薄化される。サンプルの薄化は、図１１〜図１３に示される。サンプルは、次に、図１４に示されるようにＴＥＭまたはＳＴＥＭにおいて電子ビーム２５で撮像することができる。典型的なデュアル・ビームＦＩＢ／ＳＥＭは、サンプルに対して垂直に（９０度に）向けられたＳＥＭカラムと、ほぼ５２度の角度のＦＩＢカラムとを有する。ＦＩＢは、薄化プロセスの間にサンプルの頂部表面にほぼ垂直であるべきであり（したがって、薄化されたサンプルの所望の表面に平行）、またＳＥＭは、ＳＴＥＭ撮像の間にサンプル面に対して垂直であるべきなので、薄化ステップと撮像ステップとの間でサンプルを再配置して、サンプル向きを変更する必要がしばしばある。結果として、多くの従来技術のシステムで、薄化ステップと撮像ステップとの間でサンプルを再配置するために、真空を中断する必要がある。
【００１５】
さらに、しばしば、ＳＥＭを使用してミリングする間にサンプルを撮像することが望ましい。サンプルを薄化している間にＳＥＭまたはＳＴＥＭを使用して行う撮像は、サンプルの厚みおよびサンプル内の関心対象の特徴部の位置を直接監視することを可能にする。ＳＴＥＭ撮像は、サンプル表面が電子ビームに対してある角度にあるときでも（サンプルが、ミリングの間にイオン・ビームに向けられる場合である）、数学的に角度を補償することによって使用することができる。ＳＥＭ撮像は、１００ｎｍ以下の特徴部の断面がＣＤ−ＳＥＭによって測定されるのと同じ方法で、サンプルを監視するために使用することもできる。ＦＩＢ薄化を制御するためのトップダウンＳＥＭ撮像の使用は、Ｂｌａｃｋｗｏｏｄらの「Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｓ／ＴＥＭ  Ｓａｍｐｌｅ  Ａｎａｌｙｓｉｓ」の米国特許仮出願第６０／８５３１８３号で議論された。
【００１６】
一般的な傾斜サンプル・ステージが、多くのＦＩＢ／ＳＥＭシステムで使用されるが、そのようなステージは、典型的には約６０度の最大傾斜を有する。これは、ＳＥＭがサンプル面に垂直（９０度で）であるように、サンプルを回転することを可能にするのに十分でないことは明らかである。
【００１７】
９０度以上の回転範囲でサンプル・ステージを旋回することが知られている。１つのそのような「フリップステージ（ｆｌｉｐｓｔａｇｅ）」配置は、「Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ  ａｎｄ  ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｖｅ  ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ  ｏｆ  ａ  ｓａｍｐｌｅ，ａｎｄ  ｐａｒｔｉｃｌｅ−ｏｐｔｉｃａｌ  ｓｙｓｔｅｍ」のＡｓｓｅｌｂｅｒｇｓらへの米国特許第６９６３０６８号に記載される。このタイプのステージは、本発明の譲渡人であるＯＲ、ＨｉｌｌｓｂｏｒｏのＦＥＩ  ＣｏｍｐａｎｙからＦｌｉｐｓｔａｇｅ（商標）として商業的に入手可能である。
【特許文献１】米国特許仮出願、Ｔａｎｇｕａｙら、「Ｓ／ＴＥＭ  Ｓａｍｐｌｅ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｏｆ  Ｅｘｔｒａｃｔｉｎｇ  Ｓ／ＴＥＭ  Ｓａｍｐｌｅ」
【特許文献２】米国特許仮出願第６０／８５３１８３号
【特許文献３】米国特許第６９６３０６８号
【特許文献４】米国特許第５８５１４１３号
【特許文献５】米国特許第５４３５８５０号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
フリップステージ・システムは、多くの利点を提供するが、そのようなシステムは、高価でありかつ既存のＦＩＢ／ＳＥＭシステムに追加することは容易ではない。必要なことは、サンプルがＦＩＢミリング、上記からのＳＥＭ／ＳＴＥＭ撮像、およびサンプルを通るＳＴＥＭ撮像のために適切に再配置することを可能にし、かつフリップステージなしにデュアル・ビーム（Ｄｕａｌ  Ｂｅａｍ）ＦＩＢ−ＳＴＥＭシステムで使用されることができる、ＴＥＭサンプル作製および解析のための改善された方法である。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
したがって、本発明の目的は、フリップステージなしにＦＩＢ−ＳＴＥＭで使用することができるＳＴＥＭサンプル作製および解析のための改善された方法を提供することである。本発明の好ましい実施形態は、約６０度の最大傾斜を有する典型的な傾斜ステージを有するデュアル・ビームＦＩＢ−ＳＴＥＭシステムが、基板からＳＴＥＭサンプルを抜き出し、ＴＥＭサンプル・ホルダ上にサンプルを搭載し、ＦＩＢミリングを使用してサンプルを薄化し、かつサンプル面がＳＴＥＭ撮像のために垂直電子カラムに直角になるように、サンプルを回転するために使用することを可能にする。
【００２０】
前述は、以下の本発明の詳細な説明が、より良好に理解されることができるために、本発明の特徴および技術的な利点をより広範に概説した。本発明の追加の特徴および利点は、以降に説明される。開示される概念および特定の実施形態は、本発明の同一の目的を実行するために修正または他の構造を設計するための基礎として容易に使用されることができることは、当業者には理解されるべきである。また、そのような等価な制約は、添付の特許請求の範囲に示される本発明の精神および範囲から逸脱しないことは、当業者には認識されるべきである。
【００２１】
次に、本発明およびその利点をより完全に理解するために、添付の図面に関連して行われる以下の説明への参照が行われる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明の好ましい実施形態は、フリップステージなしにＦＩＢ−ＳＴＥＭシステムで使用することができるＳＴＥＭサンプル作製および解析のための改善された方法を提供する。
【００２３】
本発明の好ましい方法または装置は、多くの新規な態様を有し、本発明が、異なる目的のために異なる方法または装置で実現することができるので、全ての態様は、全ての実施形態で示される必要はない。さらに、説明される実施形態の多くの態様は、別々に特許可能であり得る。
【００２４】
本発明によるＳＴＥＭ撮像のためのサンプル作製の好ましい方法は、以下のステップを含む。すなわち、
垂直ＳＥＭカラムおよびＳＥＭカラムに対してある角度に向けられたＦＩＢカラムを備えるデュアル・ビームＦＩＢ／ＳＴＥＭシステムの内部に、基板を提供するステップと、
抜き出されたＳＴＥＭサンプルを保持するためのサンプル・ホルダを提供するステップであって、サンプル・ホルダは、ＦＩＢ／ＳＴＥＭシステムの内部のサンプル・ステージ上に搭載され、サンプル・ステージは、サンプル・ステージ平面を有し、かつ９０度未満の最大傾斜を有する回転および傾斜ステージを備え、サンプル・ホルダは、サンプル・ステージ平面に垂直なサンプル・ホルダ平面を有する、サンプル・ホルダを提供するステップと、
イオン・ビームを使用して基板からサンプルを切り離すステップであって、切り離されたサンプルは頂部表面を有している、サンプルを自由にするステップと、
サンプル・ステージを傾斜することによって、第１の角度にサンプル・ホルダを傾斜させるステップと、
サンプルの頂部表面が、サンプル・ホルダ平面に対して前記第１の角度に向けられるように、傾斜したＴＥＭサンプル・ホルダ上にサンプルを搭載するステップと、
サンプル・ステージ平面が０度傾斜であるように、サンプル・ステージを傾斜させるステップと、
サンプル・ホルダを１８０度だけ回転するステップと、
第１の角度と第２の角度の組合せが、結果として搭載されたサンプルの頂部表面をＦＩＢカラムの向きに垂直に向けられるように、回転されたサンプル・ホルダを第２の角度に傾斜させるステップと、
サンプルのミリングによってイオン・ビームを使用してサンプルを薄化するステップであって、ミリングが、ＦＩＢカラムの向きに平行なサンプル面を作る、サンプルを薄化するステップと、
第１の角度と第３の角度の組合せが、ほぼ９０度に等しく、かつサンプル面が、垂直ＳＥＭカラムに実質的に直角に向けられるように、サンプル・ホルダを第３の角度に傾斜させるステップと、
搭載されたサンプルをＳＴＥＭを用いて観察するステップとである。
【００２５】
図１５は、本発明の好ましい実施形態による１つまたは複数のサンプルを作りかつ撮像するステップを示すフローチャートである。プロセスにおける様々なステップは、図１６から図２２に示される。
【００２６】
最初にステップ３０１において、半導体ウェハなどの基板は、ＦＩＢカラムおよびＳＥＭカラムの両方を有するデュアル・ビームＦＩＢ／ＳＴＥＭシステムに搭載される。また図１６を参照すると、典型的なデュアル・ビーム構成は、垂直方向に対して傾斜された（通常ほぼ５２度の傾斜で）軸１６８を有するイオン・カラム１６６を備える、垂直軸１６４を有する電子カラム１６２である。ウェハは、手動でも移送することができるが、ウェハは、当技術分野でよく知られているように、好ましくはマルチ・ウェハ・キャリアおよび自動搭載ロボットによって移送される。
【００２７】
ステップ３０２において、基板から抜き出されるべきサンプル（関心対象の特徴部を含む）の位置が決定される。例えば、基板は、半導体ウェハまたはその一部であることができ、抜き出されるべき部分は、ＳＴＥＭを使用して観察されるべき集積回路の一部を含むことができる。
【００２８】
ステップ３０４において、サンプルは、上述されかつ図２〜図３に示されるように集束イオン・ビームを用いるミリングによって基板から分離される。次に、ステップ３０６において、マイクロプローブ先端が、ＦＩＢ誘導化学蒸着によってサンプルに取り付けられ、サンプルは、上述されかつ図４〜図５に示されるように、基板から切り離される。ステップ３０４および３０６は、好ましくは、（サンプル・ステージ平面が、垂直方向に対して直角であるように）ゼロ度の傾斜のＦＩＢ／ＳＴＥＭサンプル・ステージを用いて実行される。
【００２９】
ステップ３０８において、サンプルは、次に、ＴＥＭサンプル・ホルダに取り付けられたマイクロプローブによって移送される。サンプル・ホルダは、好ましくは、図１に示されるものなどＴＥＭフィンガ・グリッドを備える。図１６も参照すると、ＴＥＭサンプル・ホルダは、好ましくは、ＴＥＭサンプル・ホルダ１２の垂直軸が、サンプル・ステージ表面の平面１６９に垂直であるように、ステージ上に垂直に搭載される。さらに、ステージは、好ましくは、９０度未満の最大傾斜を有する回転および傾斜ステージを備える。（換言すれば、最大傾斜でのサンプル・ステージ平面の角度は、ゼロ度の傾斜のサンプル・ステージ平面に対して９０度未満である。）いくつかの状況において、９０度以上の最大傾斜を有するステージを使用して、本発明の方法を用いることが望ましいことではあるが、通常は、このタイプのフリップステージを用いて、サンプルは通常通りに搭載され、ミリングおよびＳＴＥＭ観察のための所望の角度に傾斜されることができる。
【００３０】
ステップ３１０において、ＴＥＭサンプル・ホルダを保持するステージは、好ましくは、サンプル・ステージを傾斜することによって第１の角度に予め傾斜される（サンプル・ステージ平面１６９は、傾斜が０度のサンプル・ステージ平面に対して第１の角度で傾斜される）。例えば図１６において、ＴＥＭステージは、３８度の角度で事前傾斜され、次に３８度の角度に（ゼロ度のステージ傾斜を有するＴＥＭサンプル・ホルダ平面に対して）ＴＥＭサンプル・ホルダ平面１７０を傾斜する。第１の角度は、好ましくは、ステージの最大傾斜と、最大傾斜と９０度との間の差異との間の範囲内にある。例えば、ステージが６０度の最大傾斜を有する場合に、第１の角度は、好ましくは、３０度から６０度である。ステップ３１２において、サンプル（ゼロ度の傾斜のままである）は、次に、図２３に示されるように傾斜されたグリッドに取り付けられ、取り付けられたマイクロプローブは、自由に切断される。ＴＥＭサンプル・ホルダが、第１の角度に傾斜され、かつサンプル頂部表面が、その元々の向きに留まるので、搭載されたサンプルの頂部表面は、ＴＥＭサンプル・ホルダ平面に対して同じ第１の角度に配置される。
【００３１】
ステップ３１４において、ステージ（サンプル・ホルダとともに）は、図１７に示されるようにゼロ度に戻される。ステップ３１６において、図１８および図１９に示され、ステージは、次に１８０度だけ回転され、次に図１９に示される実施形態において１４度である第２の角度に傾斜される。第１の事前傾斜角度（３８°）および第２の角度（１４°）の組合せにより、サンプル表面が、垂直方向に対して５２度の傾斜で配向されるＦＩＢカラムに対して垂直になる。
【００３２】
この点で、ステップ３１８において、サンプルは、図２４および図２５に示されるようにイオン・ビームを用いてミリングすることによって、サンプル表面２８を有し電子を透過する薄いセクションに薄化される。ＦＩＢミリングの間に、サンプルは、ＳＥＭまたはＳＴＥＭのいずれかを使用して撮像することができる。必要であれば、ステージは、より良好な品質制御のためにいずれかの側に数度だけ傾斜することができる。最終的なＳＥＭ画像だけが必要であるなら、サンプルは、一方側だけ薄化することができる。そうでなければ、サンプルは、好ましくは両側から薄化される。
【００３３】
薄化が完了すると、ステップ３２０において、ステージは、ＳＴＥＭ撮像のために第３の角度に傾斜される。第３の角度および第１の角度を組み合わせることにより、図２６に示されるように垂直ＳＥＭカラムからの電子ビーム２５に対してサンプル面２８が垂直になるように傾斜されるように、好ましくは９０度に等しい。事前傾斜角度が３０°より大きい限り、最大６０°傾斜ステージ（典型的な傾斜ステージ）で上記の方法が有効に作用する。事前傾斜角度および最終傾斜角度は、α＋β＝９０°（ここで、αは事前傾斜角度であり、βは最終ＳＴＥＭ撮像傾斜角度である）の簡単な式に従う。
【００３４】
図２１に示される実施形態において、ステージは５２度に傾斜される。サンプルは、３８度の角度に搭載されるので、第１の角度と第３の角度との組合せは、ＳＥＭカラムに垂直なサンプル面を結果として生じる（５２°＋３８°＝９０°）。上述の方法による角度の他の好ましい選択は、５２°で（回転０°）でステージを事前傾斜し、次に０°のステージ傾斜で（回転１８０°）薄化し、３８°のステージ傾斜で（回転１８０°）で最終ＳＴＥＭ画像を終了する。
【００３５】
最終的に、ステップ３２２で、サンプル面２８がＳＥＭカラムに対して垂直であるように、サンプルが傾斜されると、サンプル２０は、図２６に示されるように電子ビーム２５およびＳＴＥＭ検出器２６を使用して撮像することができる。
【００３６】
図２０は、本発明を実行するのに適した典型的なデュアル・ビーム・システム２１０を示しており、垂直搭載されたＳＥＭカラムおよび垂直方向からほぼ５２度の角度に搭載された集束イオン・ビーム（ＦＩＢ）カラムを備えている。適切なデュアル・ビーム・システムは、例えば、本出願の譲受人であるＯｒｅｇｏｎ、ＨｉｌｌｓｂｏｒｏのＦＥＩ  Ｃｏｍｐａｎｙから商業的に入手可能である。適切なハードウェアの実施例は、以下に提供されるが、本発明は、任意の特定のタイプのハードウェアでの実施に制限されない。
【００３７】
走査電子顕微鏡２４１は、電源および制御ユニット２４５とともにデュアル・ビーム・システム２１０に備わっている。電子ビーム２４３は、カソード２５２とアノード２５４との間に電圧を印加することによって、カソード２５２から放出される。電子ビーム２４３は、集光レンズ２５６および対物レンズ２５８によって微細なスポットに集束される。電子ビーム２４３は、偏向コイル２６０によって試料上で二次元に走査される。集光レンズ２５６、対物レンズ２５８、および偏向コイル２６０の動作は、電源および制御ユニット２４５によって制御される。
【００３８】
電子ビーム２４３は、下部室２２６内の可動Ｘ−Ｙステージ２２５上にある基板２２２上に集束することができる。電子ビーム内の電子が基板２２２に当たるとき、二次電子が放出される。これら二次電子は、以下に述べられるように二次電子検出器２４０によって検出される。ＴＥＭサンプル・ホルダ２２４およびステージ２２５の下に配置されるＳＴＥＭ検出器２６２は、上記に述べられるようにＴＥＭサンプル・ホルダ上に搭載されたサンプルを通って伝導される電子を収集することができる。
【００３９】
デュアル・ビーム・システム２１０は、また集束イオン・ビーム（ＦＩＢ）システム２１１を含み、集束イオン・ビーム（ＦＩＢ）システム２１１は、イオン源２１４、および抽出電極および静電光学システムを含む集束カラム２１６が内部に配置された上部ネック部分２１２を有する排気されたチャンバを備える。集束カラム２１６の軸は、電子カラムの軸から５２度傾斜される。イオン・カラム２１２は、イオン源２１４、抽出電極２１５、集束要素２１７、偏向要素２２０、および集束イオン・ビーム２１８を含む。イオン・ビーム２１８は、イオン源２１４からカラム２１６を通って基板２２２に向かって２２０で概略的に示される静電偏向手段間を通過し、基板２２２は、例えば、下部室２２６内の可動Ｘ−Ｙステージ２２５上に配置される半導体デバイスを備える。
【００４０】
ステージ２２５は、サンプルが、半導体デバイスから抜き出されかつＴＥＭサンプル・ホルダに移動することができるように、１つまたは複数のＴＥＭサンプル・ホルダ２２４も支持することができる。ステージ２２５は、好ましくは、水平平面内（ＸおよびＹ軸）および垂直に（Ｚ軸）移動することができる。ステージ２２５は、また、ほぼ６０度傾斜しかつＺ軸を中心に回転することができる。いくつかの実施形態において、別個のＴＥＭサンプル・ステージ（図示されず）を使用することができる。そのようなＴＥＭサンプル・ステージは、また好ましくはＸ、Ｙ、およびＺ軸で可動である。ドア２６１は、Ｘ−Ｙステージ２２５上に基板２２２を挿入するために、かつまた内部ガス供給リザーバが用いられる場合にはそれを使用するために開放される。ドアは、システムが真空下にある場合に開放できないように、インタロックされる。
【００４１】
イオン・ポンプ２２８は、ネック部分２１２を排気するために用いられる。チャンバ２２６は、真空コントローラ２３２の制御下でターボ分子および機械ポンピング・システム２３０で排気される。真空システムは、チャンバ２２６内にほぼ１×１０-7Ｔｏｒｒ（１．３×１０-7ｍｂａｒ）と５×１０-4Ｔｏｒｒ（６．７×１０-4ｍｂａｒ）との間の真空を提供する。エッチ・アシスト、エッチ遅延ガス、または蒸着前駆ガスが使用される場合、チャンババックグラウンド圧力は、典型的に約１×１０-5Ｔｏｒｒに上昇する。
【００４２】
高電圧電源が、イオン・ビーム２１８を給電しかつ集束するために、集束カラム２１６で集束するイオン・ビーム内の電極に適切な加速電圧を提供する。それが基板２２２に当たるとき、サンプルから材料がスパッタリングされる、すなわち物理的に放出される。あるいは、イオン・ビーム２１８は、材料を堆積するために前駆ガスを分解することができる。
【００４３】
高電圧電源２３４は、１ｋｅＶから６０ｋｅＶのイオン・ビーム２１８を適切に形成し、かつそのイオン・ビーム２１８をサンプルに向けるために、液体金属イオン源２１４ならびにイオン・ビーム集束カラム２１６内の適切な電極に接続される。パターン生成器２３８によって提供される所定のパターンに従って動作する偏向コントローラおよび増幅器２３６は偏向プレート２２０に結合され、それによって、イオン・ビーム２１８を手動でまたは自動で制御することができるようになり、基板２２２の上部表面上の対応するパターンを描くことができる。いくつかのシステムにおいて、偏向プレートは、従来技術で知られているように最終レンズ前に配置される。イオン・ビーム集束カラム２１６内のビーム・ブランキング開口（図示されず）は、ブランキング・コントローラ（図示されず）が、ブランキング電極にブランキング電圧を印加するとき、基板２２２の代わりにブランキング開口（図示されず）にイオン・ビーム２１８を当てさせる。
【００４４】
液体金属イオン源２１４は、典型的にガリウムの金属イオン・ビームを提供する。源は、典型的に、イオン・ミリング、強化エッチ、材料蒸着によって基板２２２を修正するためか、または基板２２２を撮像するための目的のいずれかで、基板２２２に１０分の１マイクロメートル以下のビーム幅に集束することができる。
【００４５】
二次イオンまたは電子放出を検出するために使用される、Ｅｖｅｒｈａｒｔ  Ｔｈｏｒｎｌｅｙまたはマルチ・チャネル・プレートなどの荷電粒子検出器２４０は、ビデオ・モニタ２４４へ駆動信号を供給しかつコントローラ２１９から偏向信号を受けるビデオ回路２４２に接続される。下部室２２６内の荷電粒子検出器２４０の位置は、異なる実施形態において変更することができる。例えば、荷電粒子検出器２４０は、イオン・ビームと同軸であり、かつイオン・ビームが通過することを可能にする孔を含むことができる。他の実施形態において、二次粒子は、最終レンズを介して収集され、かつ次に収集のために軸から外されることができる。
【００４６】
Ｔｅｘａｓ、ＤａｌｌａｓのＯｍｎｉｐｒｏｂｅ，Ｉｎｃ．からのＡｕｔｏＰｒｏｂｅ  ２００（商標）、または独国Ｒｅｕｔｌｉｎｇｅｎ、Ｋｌｅｉｎｄｉｅｋ  ＮａｎｏｔｅｃｈｎｉｋからのＭｏｄｅｌ  ＭＭ３Ａなどのマイクロマニピュレータ２４７は、真空室内の対象物を正確に移動することができる。マイクロマニピュレータ２４７は、真空室内に配置された部分２４９のＸ、Ｙ、Ｚおよびシータ制御を提供するために、真空室の外側に配置される精密電気モータ２４８を備えることができる。マイクロマニピュレータ２４７は、小さな対象物を操作するために異なるエンド・エフェクタに取り付けることができる。本明細書に説明される実施形態において、エンド・エフェクタは、薄いプローブ６５０である。
【００４７】
ガス送出システム２４６は、基板２２２に向かってガス蒸気を導入しかつ向けるために下部室２２６内に延在する。本発明の譲受人に譲渡された「Ｇａｓ  Ｄｅｌｉｖｅｒｙ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  ｆｏｒ  Ｐａｒｔｉｃｌｅ  Ｂｅａｍ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ」のＣａｓｅｌｌａらへの米国特許第５８５１４１３号は、適切なガス送出システム２４６を説明する。他のガス送出システムは、やはり本発明の譲受人に譲渡された「Ｇａｓ  Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍ」のＲａｓｍｕｓｓｅｎへの米国特許第５４３５８５０号で説明される。例えば、ヨウ素がエッチングを強化するために送出されることができ、または有機金属化合物が金属を堆積するために送出されることができる。
【００４８】
システム・コントローラ２１９は、デュアル・ビーム・システム２１０の様々な部品の動作を制御する。システム・コントローラ２１９を介して、ユーザは、イオン・ビーム２１８または電子ビーム２４３が、従来のユーザ・インタフェース（図示されず）に入力されるコマンドを介して所望の方法で走査されるようにすることができる。代わりに、システム・コントローラ２１９は、プログラムされた指示に従ってデュアル・ビーム・システム２１０を制御することができる。いくつかの実施形態において、デュアル・ビーム・システム２１０は、関心対象の領域を自動的に識別するために、Ｍａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓ、Ｎａｔｉｃｋ、Ｃｏｇｎｅｘ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから商業的に入手可能なソフトウェアなどの画像認識ソフトウェアを組み込んだ上で、本発明によって手動でまたは自動でサンプルを抜き出すことができる。例えば、システムは、複数のデバイスを含む半導体ウェハ上の類似する特徴部を自動的に位置決めし、異なる（または同じ）デバイス上のこれら特徴部のサンプルを取り出すことができる。
【００４９】
上述された本発明は、広範に応用可能性を有し、上記実施例で説明されかつ示されるように多くの利点を提供することができる。実施形態は、特定の応用に応じて大きく変わり、必ずしも全ての実施形態が、全ての利点を提供し、かつ本発明によって達成可能である全ての目的を満たすものではない。例えば、好ましい実施形態において、ＴＥＭサンプルは、サブ・マイクロメートル・スポットに集束されるガリウム・イオンのビームを作るために、ガリウム液体金属イオン源を使用して生成される。そのような集束イオン・ビーム・システムは、例えば、本発明の譲受人であるＦＥＩ  Ｃｏｍｐａｎｙから商業的に入手可能である。しかしながら、前記説明の多くは、ＦＩＢミリングの使用に関するものであるが、所望のＴＥＭサンプルを処理するために使用されるミリング・ビームは、例えば、電子ビーム、レーザ・ビーム、または、例えば液体金属イオン源もしくはプラズマ・イオン源からの集束されたあるいは整形されたイオン・ビーム、あるいは任意の他の荷電粒子ビームを含むことができる。さらに、前記説明の多くは、半導体ウェハに関するが、本発明は、任意の適切な基板または表面に適用することができる。
【００５０】
本発明およびその利点は、詳細に説明されるが、様々な変化、置換、および代替が、添付の特許請求の範囲によって規定される本発明の精神および範囲から逸脱することなく、本明細書に説明される実施形態に行われることができることは理解されるべきである。さらに、本出願の範囲は、明細書に記載されるプロセス、機械、製造、物質の組成、手段、方法、およびステップの特定の実施形態に限定することを目的としない。当業者は、本発明の開示から容易に理解されるので、現在存在し、または実質的に同じ機能を実行しまたは本明細書で説明される対応する実施形態と実質的に同じ結果を達成する後で開発される、プロセス、機械、製造、物質の組成、手段、方法、またはステップは、本発明に従って利用されることができる。したがって、添付の特許請求の範囲は、そのようなプロセス、機械、製造、物質の組成、手段、方法、またはステップをそれらの範囲内に含むことを目的とする。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】典型的な従来技術のＴＥＭサンプル・ホルダを示す。
【図２】従来技術によるチャンク・タイプのＴＥＭサンプルの典型的な原位置リフト・アウトにおけるステップを示す。
【図３】従来技術によるチャンク・タイプのＴＥＭサンプルの典型的な原位置リフト・アウトにおけるステップを示す。
【図４】従来技術によるチャンク・タイプのＴＥＭサンプルの典型的な原位置リフト・アウトにおけるステップを示す。
【図５】従来技術によるチャンク・タイプのＴＥＭサンプルの典型的な原位置リフト・アウトにおけるステップを示す。
【図６】図２〜図５に示されるプロセスによって作られる典型的なくさび形状サンプルを示す。
【図７】従来技術によるＴＥＭサンプル・ホルダに図２〜図５のサンプルを取り付けるプロセスを示す。
【図８】従来技術によるＴＥＭサンプル・ホルダに図２〜図５のサンプルを取り付けるプロセスを示す。
【図９】従来技術によるＴＥＭサンプル・ホルダに図２〜図５のサンプルを取り付けるプロセスを示す。
【図１０】従来技術によるＴＥＭサンプル・ホルダに図２〜図５のサンプルを取り付けるプロセスを示す。
【図１１】従来技術による図６〜図９のサンプル薄化のプロセスを示す。
【図１２】従来技術による図６〜図９のサンプル薄化のプロセスを示す。
【図１３】従来技術による図６〜図９のサンプル薄化のプロセスを示す。
【図１４】従来技術によるＳＴＥＭを使用する図１０〜図１３の薄化されたサンプルの撮像を例示する。
【図１５】本発明によるサンプルの処理および撮像におけるステップを示すフローチャートである。
【図１６】本発明によるサンプルの処理および撮像における様々なステップを示す。
【図１７】本発明によるサンプルの処理および撮像における様々なステップを示す。
【図１８】本発明によるサンプルの処理および撮像における様々なステップを示す。
【図１９】本発明によるサンプルの処理および撮像における様々なステップを示す。
【図２０】本発明によるサンプルの処理および撮像における様々なステップを示す。
【図２１】本発明によるサンプルの処理および撮像における様々なステップを示す。
【図２２】本発明を実装するため使用されることができる典型的なデュアル・ビームＦＩＢ／ＳＴＥＭシステムを示す。
【図２３】本発明によるサンプルの搭載および薄化のステップを示す。
【図２４】本発明によるサンプルの搭載および薄化のステップを示す。
【図２５】本発明によるサンプルの搭載および薄化のステップを示す。
【図２６】本発明によるＳＴＥＭを使用する図２３〜図２５の薄化されたサンプルの撮像を例示する。
【符号の説明】
【００５２】
１０、２２４  ＴＥＭサンプル・ホルダ
１４、１６  フィンガ
２０  サンプル
２１、２２２  基板
２２、２１８  集束イオン・ビーム
２３  マイクロプローブ先端
２５、２４３  電子ビーム
２６、２６２  ＳＴＥＭ検出器
２８  サンプル面
６０  くさび形状サンプル
６２  頂部表面
１６２  電子カラム
１６４、１６８  軸
１６６  イオン・カラム
１６９  サンプル・ステージ平面
１７０  ＴＥＭサンプル・ホルダ平面
２１０  デュアル・ビーム・システム
２１１  集束イオン・ビーム・システム
２１２  上部ネック部分
２１４  イオン源
２１５  抜き出し電極
２１６  集束カラム
２１７  集束要素
２１９  システム・コントローラ
２２０  偏向要素、偏向プレート
２２５  Ｘ−Ｙステージ
２２６  下部室
２２８  イオン・ポンプ
２３０  ポンピング・システム
２３２  真空コントローラ
２３４  高電圧電源
２３６  偏向コントローラおよび増幅器
２３８  パターン生成器
２４０  二次電子検出器、荷電粒子検出器
２４１  捜査電子顕微鏡
２４２  ビデオ回路
２４４  ビデオ・モニタ
２４５  電源および制御ユニット
２４６  ガス送出システム
２４７  マイクロマニピュレータ
２４８  精密電気モータ
２４９  部分
２５２  カソード
２５４  アノード
２５６  集光レンズ
２５８  対物レンズ
２６０  偏向コイル
２６１  ドア
６５０  薄いプローブ
【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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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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