EDS トモグラフィーによる三次元元素分布解析
青山佳敬

元の元素マップの連続傾斜シリーズに対してコンピューター

.

は じめにを用いて再構成の計算をすることにより三次元の元素マップを得る手法である(10)(11) ． EDS トモグラフィーは 2000 年代

便利な日常の生活を支える工業製品の多くは電子制御されには既に報告されていたが，当時は Si ( Li )検出器が使われた電化製品が担っている．これらの製品は持続可能な社会をており，検出器の大きさが限られていたため，検出感度が低目指す点からも高速化と省電力化が望まれている．電子デバ

くかつ信号処理速度も遅いため， EDS マップの連続傾斜シイスの小型化と省電力化には半導体素子のピッチを小さくすリーズを撮影するために長時間電子線を試料に照射する必要ることで達成されてきたが，現在はそれに加え半導体素子をがあった．そのため，電子線ダメージやコンタミネーション三次元的に配置することにより更に集積化した CPU やメモの影響が深刻で対象となる試料は限られていた．しかし近リーなどの電子デバイスが開発されている(1)(2)．従ってこれ

年，シリコンドリフト検出器( Silicon Drift Detector: SDD )らの電子デバイス解析には透過電子顕微鏡( Transmissionが開発され信号処理速度が大幅に向上し，大面積の検出器もElectron Microscope: TEM )による二次元の TEM 像の観察作製可能になったこと，また TEM 内に複数の EDS 検出器

では十分ではなく，三次元の構造解析手法が必要になっていを導入することが可能になったことにより，Si(Li)検出器がる．電子線トモグラフィー( Electron Tomography: ET )は使われていた時代に比べ現在は検出立体角が 13 ～ 16 倍ほどTEM と計算機トモグラフィー(Computerized Tomography:に な り ， 高 速 に EDS マ ッ プ が 取 得 で き る よ う に な っCT)を組み合わせた三次元微細構造解析を行う手法である．

た(12)(13) ．これにより金属や半導体材料などについて EDS

この方法では試料ステージを傾斜させながら TEM 像もしくトモグラフィーによる三次元元素マップを取得することが盛は STEM 像を連続的に撮影し，得られた画像の連続傾斜シんに行われるようになってきた．しかしながら電子線照射にリーズを逆投影することで三次元構造を再構成することがで弱い生体試料やソフトマテリアルは依然として EDS トモグ

きる(3) ． TEM / STEM トモグラフィーによって得られた三ラフィーによる解析を適用することは難しい状況にある．

次元再構成像の分解能はサブナノスケールに達しており，半導体の三次元微細構造解析に適用されている(4)(5)．さらに近.

EDS トモグラフィーの取得方法

年では ET とエネルギー分散型 X 線分光法( Energy Dispersive X ray Spectroscopy: EDS )を組み合わせて三次元の元EDS トモグラフィーによる三次元元素マップを得るまで

素 マ ッ プ を 得 る EDS ト モ グ ラ フ ィ ー が 試 み ら れ て いには三つの工程を経なければならない．最初の工程は二次元る(6)(9)．本報告では EDS トモグラフィーの詳細とその応用の元素マップの連続傾斜シリーズを得ることである．高傾斜

例を示すとともに EDS トモグラフィーが抱える課題につい試料ホルダーに固定された試料を TEM 内に搬送し，試料スて報告するものである．

テージを傾斜させながら EDS マップを取得する．このとき傾斜角度(u)の範囲は±60度～±80度に制限される．本来な

. EDS トモグラフィーの概要

ら±90度が望ましいのだが，薄膜に加工された通常の TEM試料の場合，高角(u)に試料ステージを傾斜すると試料厚みEDS トモグラフィーは， TEM 内に挿入された試料に対は 1 / cos ( u )倍に厚くなり， TEM / STEM 像も EDS マップして試料を傾斜しながら元素マップを取得し，得られた二次も取得ができない．この取得できない角度範囲は高角側に存日本電子株式会社 EM 事業ユニット EM アプリケーショングループ副主査(〒1960021 東京都昭島市武蔵野 312)The Three Dimensional Elemental Analysis by Using EDS Tomography; Yoshitaka Aoyama(JEOL Ltd., Tokyo)
Keywords: electron tomography, EDS(energy dispersive Xray spectroscopy)
2021年10月12日受理[doi:10.2320/materia.61.89]

ま て り あ 第61巻 第 2 号(2022)
Materia Japan在し楔型になるのでミッシングウェッジと呼ばれており，三三番目の工程は，再構成された元素種ごとの三次元データ次元再構成像に虚像を発生させる原因となる．電子線トモグを三次元可視化ソフトウェアで重ね合わせて表示することでラフィーでは，ミッシングウェッジを可能な限り小さくするある．図(a)( d)は塗膜試料の三次元元素マップであり，ために，高傾斜できる視野を選択することが重要であ

それぞれチタン・アルミニウム・鉄・シリカの分布を示してる(14)．二次元の元素マップの連続傾斜シリーズの撮影は，いる．それぞれの三次元元素マップのボリュームデータを重トモグラフィー用自動取得ソフトウェアと EDS アナライザね合わせて表示することで元素の分布が明瞭に理解できるよーソフトウェアを連携させることにより自動化されている．

うになる(図 2(e))．

図は塗膜試料に EDS トモグラフィーを適用して自動で取得した EDS マップの連続傾斜シリーズの抜粋である．実際

.

EDS トモグラフィーの適用例半導体試料には傾斜角度範囲± 60 度，角度ステップ 4 度で取得しており，31枚の EDS マップの傾斜シリーズが元素種ごとに生成されたデータセットになっている．

三次元構造を持つ代表的なトライゲートの半導体 FinFETに EDS トモグラフィーを適用したアプリケーションを紹介

二番目の工程は連続傾斜シリーズに対して位置合わせと三する．FinFET はフィン状のシリコンチャンネルの上方と両次元再構成の計算を行うことである．連続傾斜シリーズの取側面の三面をゲートで囲った構造になっており，より細いチ得時に三次元再構成したい対象物が常に画像の中心に来るよャンネルを実現できる構造であり，実用化されている多くのうにレンズの偏向コイルを使って自動で位置合わせしてくれ半導体素子に適用されている．

るが，この位置合わせ精度は高い分解能の三次元再構成像を試料の加工は，まずウェハーをダイヤモンドカッターで小得るためには十分でない．取得した連続傾斜シリーズに対し片に加工し，機械研磨で薄片化した後，アルゴンイオンスパて更に高精度の位置合わせを計算で行った後に三次元再構成

ッタ装置を用いて薄膜に加工し TEM 試料とした(15) ． EDSの計算にかけることが一般的に行われている． EDS トモグ

マップの連続傾斜シリーズの取得は数時間かかるので電子線ラフィーの場合は，図 1 のように STEM 像と元素種ごとの照射による試料表面のコンタミネーションの付着を防止する連続傾斜シリーズが複数出力されるので，バッチ処理によっために，事前にグロー放電により試料表面をクリーニングしてすべての元素種の連続傾斜シリーズに対し，位置合わせをている．また位置合わせ用のマーカーとして金コロイドナノ同一の条件で行い，一括で三次元再構成される．

粒子を試料上に散布している．用いた装置は冷陰極電界放出型 電 子 銃 と 球 面 収 差 補 正 装 置 ， 二 つ の 大 面 積 SDD ( 158mm2 ) を 装 備 し た 加 速 電 圧 300 kV の TEM ( JEM ARM300F, JEOL Ltd. )である． SDD の立体角はそれぞれ
1.106 sr, 1.108 sr であり十分に早く取得できるシステムが構築されている(13)．試料ホルダーは EDS トモグラフィー用に開発した高傾斜分析ホルダーを用いており，± 70 度以上の高傾斜が可能でありながら先端が細く薄く設計されており試料から発生した X 線を効率よく検出可能な構造をしている．
FinFET を断面方向から観察した HAADF 像が図( a )である． HAADF 像中の白色の粒子は連続傾斜シリーズの位置
図1

傾斜角度範囲は± 60 度，角度ステップは 4 度で撮影した塗膜試料の EDS マップの連続傾斜シリーズを12度ごとに抜粋した．スケールバーの長さは 1 mm に対応している．(オンラインカラー)

合わせ用に散布した 5 nmq の金コロイドナノ粒子である．

図3
図2

塗膜試料の三次元元素マップ．( a ) Ti マップ，( b ) Alマップ，(c) Fe マップ，(d) Si マップ，(e) 重ね合わせ(Ti, Al, Fe, Si)．(オンラインカラー)

FinFET 試料の HAADF 像 ( a ) とその三次元元素マップ ( b )( h )．( b ) Ge マップ，( c ) Ti マップ，( d ) W マップ，(e) O マップ，(f) N マップ，(g) Si マップ，(h)三次元元素マップの重ね合わせ(Ge, Ti, W, O, N, Si)．
(オンラインカラー)

特集図4) および (b′) とする．
FinFET 試料の三次元元素マップ．Si 基板の面に対して垂直な Z 方向から観察した再構成断面を (a′) および (b′) 中の黄色の直線で切り取った断面を観察した三次元元素マップをそれぞれ (a), (b) とする．(オンラインカ(a′ラー)

こ の 視 野 に お い て 傾 斜 角 度 範 囲 ± 64 度 ， 角 度 ス テ ッ プ 4する X 線は遮る物体がないため，そのまま EDS 検出器に到度，計33枚の EDS マップの連続傾斜シリーズを取得した．

達するが， EDS 検出器から遠い側に電子線を照射したとき総取得時間は 120 分掛かった．得られた EDS マップの連続に発生する X 線は試料自身の中を透過するため，試料自身傾斜シリーズを三次元再構成した三次元元素マップが図 3によって吸収されてしまう(図 5( a))．これにより，試料に(b)(h)である．絶縁膜である N は軽元素のため SN 比が低含まれる元素の濃度と試料厚みが同じでも， EDS 検出器かいが， Ge や Ti, W のマップは高い SN 比を示しており，構ら遠い領域からの X 線カウントは近い側より低下すること造を明確に捉えることができている．図には図 3( h)で示になり，逆投影の理論からはずれてしまうので，三次元再構した FinFET の三次元元素マップをいくつかの方向から切成像に虚像を形成する原因となる(16)(17) ．もう一つの EDSり出した断面を示す．図 4 ( a )はチャンネルに垂直な Y cut

トモグラフィーをする上で注意しなければならないことは，断面で，カットした位置は図 4(a′)の Zcut 断面の黄線で示

試料ホルダーや試料グリッドによる遮蔽の効果である(図 5

してあるように Si/Ge ストレッサーのある場所である．Si/(b))．ゴニオステージを傾斜させながら EDS マップを取得

Ge ストレッサーとはチャンネルを格子定数の大きな Si/ Geしていくので，特定の傾斜角度のときに EDS 検出器が試料混晶で挟んで，シリコンのチャンネルを圧縮し歪ませることホルダーや試料グリッドの陰になってしまい，発生した特性でチャンネルのキャリアー(この場合 PMOS なのでホール)X 線が遮蔽されることになる．この遮蔽の効果も三次元再の移動度を向上させる構造である(移動度が向上するとスイッチング速度と消費電力が軽減されるので，現在では殆どの半導体素子でこの構造が適用されている)．青色で示されたシリコンのフィン状のチャンネルを黄色で示された Si / Geストレッサーが挟んで覆っている様子が捉えられている．図4 ( b )はチャンネルのほぼ中央の断面である．チャンネルとゲート電極とその間の窒化膜，酸化膜の元素分布が確認される．

. EDS トモグラフィーの課題
EDS トモグラフィーは三次元の元素分布像を得る手法として非常に有効な手法であるが，二つの大きな問題を抱えている．それを模式的に表したのが図である．球形の試料に対して電子線を走査した場合， EDS 検出器に近い側で発生

ま て り あ 第61巻 第 2 号(2022)
Materia Japan

図5EDS トモグラフィーにおける虚像を作り出す原因を示す模式図．( a ) 入射電子線によって発生した特性 X 線は SDD に到達する前に試料自身に吸収されてしまう．
( b) X 軸傾斜時に試料と SDD の間に試料ホルダーが入り，特性 X 線を遮ってしまう．(オンラインカラー)

図6(a) 直交配置型 EDS システムの模式図．傾斜軸の右側に SDD1，傾斜軸上に SDD2 がそれぞれ直交して配置されている．
(b) 直交配置型 EDS システムでチタン粒子の元素マップを取得したときの X 線検出効率の角度依存性．SDD1 は－20度付
近で X 線量が大きく落ち込んでいるのに対し，SDD2 はどの角度でも比較的均一な X 線量になっており，遮蔽の効果の影響が少ない．(オンラインカラー)

構成像に虚像を形成する原因となるが，撮影方法や試料の形状を最適化することで大幅に低減することが可能である．
EDS 検出器が試料ホルダーの右側と軸上に配置された直交配置型 EDS システム(図(a))の TEM を用いて酸化チタンの粒子の X 線カウントを傾斜角度を変えて測定した結果が
図 6(b)である．試料ホルダーの右側に配置した EDS 検出器( SDD1 )は－ 20 度付近に傾斜したときに図 2 ( b )のように試料ホルダーが陰になり， X 線カウントが低下している．一方，傾斜軸上に配置した EDS 検出器( SDD2 )は± 60 度の範囲でほぼ一定の X 線カウントを示している．つまり直交配
置型 EDS システムの場合は傾斜軸上に配置された EDS 検出器(SDD2)のみを用いることによって遮蔽の効果を低減できる(図(a))．また EDS 検出器が試料ホルダーに対して左右両側に配置された対向配置型 EDS システム(図 7(b))の場合は，プラス側(右側)に傾斜したときは右側の EDS 検出器(SDD1)のみを，マイナス側(左側)に傾斜したときは左側の

図7EDS 検出器が直交して配置されている場合，傾斜軸上に配置された SDD2 のみを使用することで遮蔽の効果は除去できる ( a )．一方，対向に配置されている場合は，右に傾けたときは右の SDD1 を，左に傾けたときは左の SDD2 を使用することで遮蔽の効果を除去できる (b)．(オンラインカラー)

EDS 検出器(SDD2)のみを使用することにより遮蔽の効果を

図8



棒状に加工された半導体試料の EDS トモグラフィーの適用例．アトムプローブホルダー (a) の先端に試料ブロックを設置し，FIB で棒状に加工することで棒状試料を作製する (b), (c)．棒状に加工された NAND フラッシュメモリーの HAADF
像 (d) で示された領域に対して EDS トモグラフィーを適用し三次元元素マップを取得した．三次元元素マップ (e) は電子線入射方向である Z 方向，(f) は Y 方向からそれぞれ観察している．ミッシングウェッジのない三次元元素マップが得られている．(オンラインカラー)

特集低減できる．また，イオンビーム試料作製装置( Focused

これは三次元元素マップに虚像を生む原因となる．使用する

Tech. Dig., (1998), 10321034.
( 2 ) H. Tanaka, M. Kido, K. Yahashi, M. Oomura, R. Katsumata,M. Kito, Y. Fukuzumi, M. Sato, Y. Nagata and Y. Matsuoka:
Proceedings of the Symposium on VLSI Technology, (2007),
1214.
( 3 ) A. M. Cormack: J. Appl. Phys., 35(1964), 29082913.
( 4 ) M. Hayashida, L. Gunawan, M. Malac, C. Pawlowicz and M.
Couillard: Microsc. Microanal., 21(2015), 16091610.
( 5 ) B. Fu, M. Gribelyuk, L. Dumas, C. Fang, N. LaManque, L.
Hodgkins and E. Chen: Microsc. Microanal., 22(2016), 326
327.
( 6 ) K. Lepinay, F. Lorut, R. Pantel and T. Epicier: Micron, 47(2013), 43
49.
( 7 ) P. Burdet, J. Vannod, A. HesslerWyser, M. Rappaz and M.
Cantoni: Acta Mater., 61(2013), 30903098.
( 8 ) A. Genc, L. Kovarik, M. Gu, H. Cheng, P. Plachinda, L. Pullan,
B. Freitag and C. Wang: Ultramicroscopy, 131(2013), 2432.
( 9 ) B. Goris, L. Polavarapu, S. Bals, G. Van Tendeloo and L. LizMarzan: Nano Lett., 14(2014), 32203226.
(10) G. M äobus, R. Doole and B. Inkson: Ultramicroscopy, 96(2003), 433
451.
(11) Z. Saghi, X. Xu, Y. Peng, B. Inkson and G. Mobus: Appl. Phys.
Lett., 91(2007), 251906.
(12) L. Strueder, P. Lechner and P. Leutenegger: Naturwissenschaften, 85(1998), 539543.
(13) I. Ohnishi, K. Miyatake, Y. Jimbo, Y. Iwasawa, M. Morita, T.
Sasaki, H. Sawada and E. Okunishi: Proceedings ofMicroscopy & Microanalysis 2016, 22(2016), 318319.
(14) A. Yasuhara: JEOL News, 40(2005), 4649.
(15) C. S. M. Yeoh, D. Rossouw, Z. Saghi, P. Burdet, R. K. Learyand P. A. Midgley: Microsc. Microanal., 21(2015), 759764.
(16) Pierre Burdet, Z. Saghi, A. N. Filippin, A. Borr áas and P. A.
Midgley: Ultramicroscopy, 160(2016), 118129.

EDS 検出器や試料形状を最適化することで遮蔽の効果は低★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

Ion Beam: FIB )で棒状に試料を加工することができれば遮蔽の効果は大幅に低減させることができる．図は棒状に加工した半導体試料に EDS トモグラフィーを適用した例である．棒状試料専用の試料ホルダー(図 8(a))の先端に NAND
フラッシュメモリーの試料ブロックを設置し， FIB で加工して得られた棒状試料が図 8 ( b )( c )である．この試料をTEM に搬送して± 90 度の傾斜角度範囲で EDS マップの連続傾斜シリーズを撮影し得られた三次元元素マップが図 8(e)(f)である．図 8(e)は電子線入射方向である Z 方向，図8 ( f )は Y 方向から観察している．傾斜角度制限がないためミッシングウェッジによる三次元再構成像に虚像がなく，遮蔽の効果も低減された高品質の三次元元素マップが得られていることがわかる．棒状に試料を加工することは EDS トモグラフィーでは非常に有効である．

.

まとめ

EDS トモグラフィーは非破壊でナノスケールの三次元元素マップを得る有効な手法であり，半導体の三次元構造解析に適用されている． EDS トモグラフィーはデータ取得時に試料ステージを傾斜するので，試料から発生する X 線がグリッドバーや試料ホルダーに遮蔽されてしまう場合がある．

2005年 東北大学大学院工学研究科博士課程修了
2005年 日本電子株式会社入社
2005年 財団法人化学技術戦略推進機構
2008年 日本電子株式会社帰任
専門分野材料物性学◎TEM を用いたアプリケーション開発に従事．電子線トモグラフィーや MicroED/3DED を主に担当．

減することは可能である．試料自身によって X 線が吸収される効果は同様に虚像を生む原因となる．

文献★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★
( 1 ) D. Hisamoto, W. C. Lee, J. Kedzierski, E. Anderson, H.
Takeuchi, K. Asano, T. J. King, J. Bokor and C. Hu: IEDM

ま て り あ 第61巻 第 2 号(2022)
Materia Japan青山佳敬