JP4335656B2 - Sample preparation method for microscope - Google Patents
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Description
本発明は電子顕微鏡やプローブ顕微鏡の観察試料といった微細な試料を集束イオンビーム(FIB)を用いて所望箇所から高精度に切り出すことができる観察試料作製技術に関する。 The present invention relates to an observation sample preparation technique capable of cutting out a fine sample such as an observation sample of an electron microscope or a probe microscope with high accuracy from a desired location using a focused ion beam (FIB).
近年、半導体デバイスや表示デバイスなどの各種デバイスは、機能向上を実現するため、その構造は微細に且つ複雑になっている。特に、各種デバイスを形成している素子や配線が数原子層レベルの薄膜を重ねた積層構造になっており、その構造を顕微鏡観察したいとの要望が強い。その場合、デバイスが多数形成されたウエハなどの試料の所望箇所を小片試料として切り出し、その小片試料の側壁または底面を走査型電子顕微鏡(SEM)や走査プローブ顕微鏡(SPM)にて観察することがなされている。 In recent years, various devices such as a semiconductor device and a display device have a fine and complicated structure in order to realize functional improvement. In particular, elements and wirings forming various devices have a laminated structure in which thin films of several atomic layers are stacked, and there is a strong demand for observing the structure with a microscope. In that case, a desired portion of a sample such as a wafer on which a large number of devices are formed is cut out as a small sample, and the side wall or bottom surface of the small sample is observed with a scanning electron microscope (SEM) or a scanning probe microscope (SPM). Has been made.
また、透過型電子顕微鏡(TEM)の試料は電子の透過像を観察するものであるため、その試料は極めて薄く加工することが求められる。ウエハ等の断面試料を集束イオンビーム(FIB)装置を用いた薄片化加工によって製作することは周知であって、図6に示すようなウエハ状の試料から機械的に小片を切り出しそれを加工する方法と、図7に示すような直接ウエハにFIB装置でエッチング加工して薄片化された試料を取り出す方法とが知られている。前者の加工法は試料とするウエハからまず500μm〜2mm幅、長さ3mm程の小ブロックを切り取り、更に上部を図6のAに示すように50μm以下に削るという機械加工を要し、図6のBに示すようにこの小ブロックの中央加工部分にガス銃により芳香属ガスやW(CO)6を吹き付けて保護用のデポ膜を形成させる。その後図6のCに示すようにFIBを照射して薄片化加工を施し、加工された試料を図6のDに示すように電子ビームを透過させてTEM観察用の断面試料として用いられる。この試料は小ブロックの未加工部分が試料台を兼ねたものとなる。この方法は小ブロックを切り出すためにウエハ等の試料を割らなければならず多くの素子を無駄にすることになる。後者の加工法は機械加工をしないでFIB装置で直接ウエハから所望部分をFIB加工によって切り出すものである。従って、この方法はウエハ等の試料を割ることなく、対象部分だけを切り出せるので素子を無駄にすることがないメリットがある。加工部分にまずガス銃により保護膜を形成させて、試料の面上方からFIBを照射し、図7のAから分かるように観察断面の両側をスパッタリング加工により削り取り、観察断面薄片部の両側に四角い穴を空ける。更にFIBを照射して観察部分を薄片化する。薄片化加工がなされた後、図7のB,Cに示すように試料周辺部を切り離し、マニピュレータによって操作されるプローブで微小切片を把持し、有機薄膜等の固定台に運んでDに示すように固定する。しかし、一旦試料切片を見失ってしまうと発見することは難しく作業をはじめからやり直さなければならないというデメリットもある。 Further, since a sample of a transmission electron microscope (TEM) is for observing an electron transmission image, the sample is required to be processed extremely thinly. It is well known that a cross-sectional sample such as a wafer is manufactured by thinning using a focused ion beam (FIB) apparatus, and a small piece is mechanically cut out from a wafer-like sample as shown in FIG. 6 and processed. There are known a method and a method of taking out a thinned sample by etching with a FIB apparatus directly on a wafer as shown in FIG. The former processing method requires a machining process in which a small block having a width of 500 μm to 2 mm and a length of 3 mm is first cut from a sample wafer, and the upper part is further cut to 50 μm or less as shown in FIG. As shown in B, aromatic gas or W (CO) 6 is sprayed onto the central processed portion of the small block by a gas gun to form a protective deposition film. After that, as shown in FIG. 6C, FIB is irradiated to make a thin piece, and the processed sample is transmitted as an electron beam as shown in FIG. 6D and used as a cross-sectional sample for TEM observation. In this sample, the unprocessed portion of the small block also serves as the sample stage. In this method, a sample such as a wafer must be broken in order to cut out a small block, and many elements are wasted. In the latter processing method, a desired portion is cut out directly from the wafer by FIB processing with an FIB apparatus without machining. Therefore, this method has an advantage that only the target portion can be cut out without breaking a sample such as a wafer, so that elements are not wasted. First, a protective film is formed on the processed portion with a gas gun, and FIB is irradiated from above the surface of the sample. As can be seen from FIG. 7A, both sides of the observation cross section are scraped off by sputtering, and squares are formed on both sides of the observation cross section thin section. Make a hole. Further, FIB is irradiated to thin the observation part. After the thinning process is performed, as shown in FIGS. 7B and 7C, the periphery of the sample is cut off, the microsection is gripped by a probe operated by a manipulator, and is carried to a fixing base such as an organic thin film, as shown in D Secure to. However, there is a demerit that it is difficult to find out once the sample section is lost, and the work must be started again.
後者の方法において切り出し前の薄片化加工を行わず、0.1乃至1μmの厚さの状態で試料片の両サイドと底辺の切り離し加工をして、マニピュレーターによって操作されるプローブで厚めの試料切片をサンプル固定台上に運び堅固に固定し、取り扱いやすい試料としてから観察部分の薄片化など仕上げ加工を行う手法も提案されている。(非特許文献2)これは上記した後者のメリットを確保しつつデメリットを改善したものである。
前述のとおり半導体デバイスの微細化などにより、顕微鏡試料は観察箇所の寸法も小さくなってきているため、観察試料を作製するためには高精度な加工手段が必要とされ、高精度加工手段としてはFIBを用いることが多い。ところが、このFIBを試料に照射した場合試料内にガリウム等のイオン元素が打ち込まれ残留し、また、打ち込まれた高エネルギーイオンとの衝突により試料表面の元素配列(結晶性)が乱され、イオン損傷層が生じてしまうという現象を伴う。ガリウムを用いたFIB照射では加速電圧が高くなるに従って試料内イオン損傷層の深さが深くなる。図5のグラフはその関係を示すものであるが、因みに加速電圧が5kVのときは20nm程度であるが、30kVになると60nm程までガリウム元素で汚染されることを示している。試料中に他の元素が混じったり、試料元素の結晶性が乱されるということは試料本来の組成と物性を変えてしまうことに他ならず試料作成上大きな問題となってしまう。 As described above, due to miniaturization of semiconductor devices and the like, the size of the observation part of the microscope sample has been reduced. Therefore, a high-precision processing means is required to produce the observation sample. Often FIB is used. However, when this FIB is irradiated to the sample, ion elements such as gallium are implanted and remain in the sample, and the element arrangement (crystallinity) on the sample surface is disturbed by collision with the implanted high energy ions, and ions are This is accompanied by a phenomenon that a damaged layer is formed. In FIB irradiation using gallium, the depth of the ion damage layer in the sample increases as the acceleration voltage increases. The graph of FIG. 5 shows the relationship, but it is about 20 nm when the acceleration voltage is 5 kV, but it is contaminated with gallium element up to about 60 nm when the acceleration voltage is 30 kV. When other elements are mixed in the sample or the crystallinity of the sample element is disturbed, it is no other than changing the original composition and physical properties of the sample, which causes a serious problem in sample preparation.
本発明が解決しようとする課題は、FIBを用いて観察試料を作製する場合に、イオン照射によって注入され、試料表面近傍に残留するイオンの問題を解決し、その影響を受けることなく本来の試料観察ができる顕微鏡試料作製手法を提示することにある。 The problem to be solved by the present invention is to solve the problem of ions that are implanted by ion irradiation and remain in the vicinity of the sample surface when an observation sample is manufactured using FIB, and the original sample is not affected by the problem. The object is to present a method for preparing a microscope sample that can be observed.
本発明は、基板サンプルより切り出された顕微鏡観察用試料の表面をFIBによって加工処理した後、試料の表面近傍をプローブ顕微鏡探針を用いて研磨することによりイオン照射によって打ち込まれたイオン元素を除去する加工を行うものである。 In the present invention, after the surface of the sample for microscopic observation cut out from the substrate sample is processed by FIB, the vicinity of the surface of the sample is polished using a probe microscope probe to remove the ion element implanted by ion irradiation. The processing to perform.
プローブ顕微鏡による試料表面の研磨にはダイヤモンド探針のような堅固で先鋭化された探針を押圧した状態で走査して機械的に切削する方法、導電性の探針を用い溶液中若しくはガス雰囲気内で該探針と試料表面間に電圧を印加して電気化学的反応によって表面を酸化処理した後化学的エッチングで該酸化層を除去する方法、先鋭化された光導体のプローブを用い光を照射しながら走査して表面を酸化処理した後化学的エッチングで該酸化層を除去する方法、そして先鋭化された光導体のプローブを用いレーザ光を照射しながら走査してアニーリングやアブレーションによって表面の汚染層を除去する方法を採用することができる。 Polishing the sample surface with a probe microscope is a method of cutting mechanically by pressing a firm and sharpened probe like a diamond probe in a pressed state, in a solution or gas atmosphere using a conductive probe In this method, a voltage is applied between the probe and the sample surface to oxidize the surface by an electrochemical reaction, and then the oxide layer is removed by chemical etching. Light is emitted using a sharpened light guide probe. A method of removing the oxide layer by chemical etching after scanning the surface while irradiating, and a surface of the surface by annealing or ablation by scanning with laser light using a sharpened light guide probe. A method of removing the contaminated layer can be employed.
本発明の顕微鏡試料作製方法は、基板サンプルより切り出された顕微鏡観察用試料の表面をFIBによって加工処理した後、試料の表面近傍を極めて先鋭化されたプローブ顕微鏡の探針を用いて研磨するものであるから、イオンが打ち込まれた汚染層を局所的に除去することができる。 In the method for preparing a microscope sample according to the present invention, the surface of a sample for microscope observation cut out from a substrate sample is processed by FIB, and then the vicinity of the surface of the sample is polished using a probe of a probe microscope that is extremely sharpened. Therefore, the contaminated layer into which ions are implanted can be locally removed.
プローブ顕微鏡探針を用いて行う研磨がダイヤモンド探針のような堅固で先鋭化された探針を押圧した状態で走査して機械的に切削するものである本発明の顕微鏡試料作製方法は、比較的単純な作動で確実に汚染層を除去することができる。 The microscope sample preparation method of the present invention, in which polishing performed using a probe microscope probe scans and mechanically cuts a firm and sharpened probe like a diamond probe, is compared The contaminated layer can be reliably removed with a simple operation.
プローブ顕微鏡探針を用いて行う研磨が導電性の探針を用い、溶液中若しくはガス雰囲気内で該探針と試料表面間に電圧を印加して電気化学的反応によって表面を酸化処理した後、化学的エッチングで該酸化層を除去するものである本発明の顕微鏡試料作製方法は、機械的研磨と比較して滑らかな表面処理が実施できる。この方法は2つのステップを踏むものであるが、化学的エッチング工程の際、エッチング処理液又はエッチングガスを導入することで同じ装置内で一連の動作として実行することができる。 After conducting polishing using a probe microscope probe, the surface is oxidized by an electrochemical reaction by applying a voltage between the probe and the sample surface in a solution or in a gas atmosphere using a conductive probe, The microscope sample preparation method of the present invention, which removes the oxide layer by chemical etching, can carry out a smooth surface treatment as compared with mechanical polishing. This method takes two steps, but can be executed as a series of operations in the same apparatus by introducing an etching solution or etching gas during the chemical etching process.
また、プローブ顕微鏡探針を用いて行う研磨が先鋭化された光導体のプローブを用い、光を照射しながら走査して表面を酸化処理した後、化学的エッチングで該酸化層を除去するものである本発明の顕微鏡試料作製方法や、プローブ顕微鏡探針を用いて行う研磨は先鋭化された光導体のプローブを用い、高エネルギーのレーザ光を照射しながら走査してアニーリングやアブレーションによって表面の汚染層を除去するものである本発明の顕微鏡試料作製方法は、機械的研磨と比較して滑らかな表面処理が実施できる。 In addition, a photoconductor probe sharpened with a probe microscope probe is used to scan the surface while irradiating light to oxidize the surface, and then remove the oxide layer by chemical etching. The microscope sample preparation method of the present invention and the polishing performed using a probe microscope probe are performed by using a sharpened light guide probe, scanning while irradiating a high-energy laser beam, and annealing or ablation to contaminate the surface. The microscope sample preparation method of the present invention for removing the layer can perform a smooth surface treatment as compared with mechanical polishing.
そして、本発明が提示する顕微鏡試料の構造は、観察領域が超薄板構造の試料の側辺には厚みを有した補強用のリムを連接し、両者間をスロープ構造で繋いだ構造としたものであるから、汚染層の除去動作時や試料観察する際にプローブ顕微鏡の探針を試料表面に接触させるとき、まず探針を丈夫なリム部に当接させ、その後スロープを滑らせて観察領域に移動させることにより、観察領域に傷を付けたり破損させたりすることない。 The structure of the microscope sample presented by the present invention is a structure in which a reinforcing rim having a thickness is connected to the side of the sample having an ultrathin plate structure and the two are connected by a slope structure. Therefore, when the probe of the probe microscope is brought into contact with the sample surface during the contamination layer removal operation or when observing the sample, the probe is first brought into contact with the strong rim, and then the slope is slid and observed. By moving to the area, the observation area is not scratched or damaged.
前述したように顕微鏡試料の加工途上でFIB加工による微細加工を行った場合、試料内にはイオン元素が撃ち込まれている。この異物の混入によって試料としての精度を落とし場合によっては致命的な欠陥ともなる。そこで本発明ではこの異物に汚染された数十nmの表面層を研磨して除去することに想到した。研磨の手法として加速電圧を落としたFIBやFIBガスアシストエッチングという方法があるが、勿論FIBを用いるこれらの手法は採用できないことは当然である。そこで、本発明では限られた狭い領域のしかも数十nm表面層を研磨する手法として走査型プローブ顕微鏡の技術を応用することに想到したものである。 As described above, when fine processing by FIB processing is performed during processing of a microscope sample, an ionic element is shot into the sample. Due to the contamination of the foreign matter, the accuracy of the sample is lowered, and in some cases it becomes a fatal defect. Therefore, the present invention has been conceived to polish and remove the surface layer of several tens of nanometers contaminated with the foreign matter. As a polishing method, there is a method called FIB or FIB gas assist etching with a reduced acceleration voltage, but it goes without saying that these methods using FIB cannot be adopted. Therefore, the present invention has been conceived to apply the technique of a scanning probe microscope as a technique for polishing a limited narrow region and a surface layer of several tens of nanometers.
最も単純な手法としてはダイヤモンド等の機械的強度の高い探針を用いて、観察サンプルの表面を機械研磨することを提示する。このプローブ顕微鏡の探針を所定圧の力で試料表面に押しつけた状態の下に指定された領域を走査させる。例えばラスター状に表面を引っ掻くように走査させて汚染された表面層を削り取ってしまうという手法である。図1に本発明の概念図を示してある。プローブ顕微鏡の一つである走査型誘電率顕微鏡(SNDM)は試料における電気的特性の分布状態を観察するのに適した検査方法であるが、試料内に異物としてガリウム等のイオン照射した元素が残留していると本来の試料の正しい特性を得ることができない。そこで本発明による試料作製方法を適用するのであるが、Aに示したようにまず従来法により試料の加工を行う。図示の例では半導体ウエハ等の観察対象となる部位を図7に示したFIBの手法により試料切片を切り出し、マニピュレータのプローブでピックアップして適宜の試料台に固定する。観察される試料表面近傍は照射されたイオン元素が打ち込まれ汚染されている。この汚染層を研磨して除去するのであるが、まず第1の手法はBに示すように汚染された観察面を表にしてダイアモンドチップのプローブを圧接した状態で観察領域を走査させるものである。先鋭化された固いダイアモンドチップによって表面が削り取られる。そのようにして汚染された層が除去された観察試料を用い、SNDMによる観察が行われるとイオン元素の影響のない本来の試料の電気特性を観察することができる。 The simplest technique is to mechanically polish the surface of the observation sample using a probe having high mechanical strength such as diamond. The specified region is scanned under the condition that the probe of the probe microscope is pressed against the sample surface with a predetermined pressure. For example, it is a technique in which the contaminated surface layer is scraped off by scanning the surface like a raster. FIG. 1 shows a conceptual diagram of the present invention. A scanning dielectric microscope (SNDM), one of the probe microscopes, is an inspection method suitable for observing the distribution of electrical characteristics in a sample. If it remains, correct characteristics of the original sample cannot be obtained. Therefore, the sample preparation method according to the present invention is applied. As shown in A, the sample is first processed by the conventional method. In the example shown in the drawing, a sample section is cut out by the FIB method shown in FIG. 7 and the part to be observed such as a semiconductor wafer is picked up by a manipulator probe and fixed to an appropriate sample stage. In the vicinity of the observed sample surface, the irradiated ion element is implanted and contaminated. The contaminated layer is removed by polishing. First, as shown in B, the first method is to scan the observation region with the contaminated observation surface as a table and with the probe of the diamond chip pressed. . The surface is scraped off by a hardened sharp diamond tip. When an observation sample from which the contaminated layer has been removed is used and observation by SNDM is performed, the electrical characteristics of the original sample without the influence of ionic elements can be observed.
なお、試料表面をダイアモンド針を用いて加工するという技術は非特許文献1に紹介されているところであるが、この技術はダイアモンド針を用いた押し付け抵抗顕微鏡(SSRM)によって試料のドーパントプロファイリング観察を行った後、そのダイアモンド針をもちいて試料表面を薄く削るエッチングを行いその露出した層を再度観察する。この観察とエッチングの動作を繰り返して深さ方向の情報を加えた三次元ドーパントプロファイリングを行うものであり、本発明とは課題認識において異なる思想である。
Although the technique of processing the sample surface using a diamond needle has been introduced in
次に第2の手法について説明する。この手法はプローブ顕微鏡に導電性探針を用い、探針・試料間に電圧をかけることで電気化学的に試料表面を酸化(陽極酸化)させた後、その酸化膜を選択エッチングして除去するというものである。酸化膜のエッチングは主に、溶液やガスを用いた化学エッチングを利用する。図1のAに示されるような従来のFIBの手法により切り出され、マニピュレータのプローブでピックアップして適宜の試料台に固定された試料切片に対し、Bに示すように電気化学的な反応によって観察領域の表面を酸化させる。すなわち、試料切片を酸素を含むガスまたは処理液に配置し、該試料と導電性の探針間に電圧を印加した状態で観察領域の表面を例えばラスター状に走査させる。探針先端と対峙した試料表面間で電気化学的反応が起こりその部分を酸化させるため、走査された領域は表面が酸化されることになる。次にこの試料切片をエッチング液に浸したり、エッチングガス中で酸化処理された層を化学的に溶解し汚染層を除去してしまう。因みに試料がシリコンデバイスである場合にはハロゲン系のエッチング材が一般に用いられる。そのようにして汚染された層が除去された観察試料を用い、SNDMによる観察が行われるとイオン元素の影響のない本来の試料の電気特性を観察することができる。 Next, the second method will be described. In this method, a conductive probe is used for the probe microscope, and the sample surface is electrochemically oxidized (anodized) by applying a voltage between the probe and the sample, and then the oxide film is selectively etched and removed. That's it. Etching of the oxide film mainly uses chemical etching using a solution or gas. A specimen section cut out by a conventional FIB technique as shown in FIG. 1A and picked up by a probe of a manipulator and fixed on an appropriate specimen stage is observed by an electrochemical reaction as shown in FIG. Oxidizes the surface of the region. That is, the sample section is placed in a gas containing oxygen or a processing solution, and the surface of the observation region is scanned, for example, in a raster shape while a voltage is applied between the sample and the conductive probe. Since an electrochemical reaction occurs between the sample surface facing the probe tip and the portion is oxidized, the surface of the scanned region is oxidized. Next, the sample section is immersed in an etching solution, or the layer oxidized in the etching gas is chemically dissolved to remove the contaminated layer. Incidentally, when the sample is a silicon device, a halogen-based etching material is generally used. When an observation sample from which the contaminated layer has been removed is used and observation by SNDM is performed, the electrical characteristics of the original sample without the influence of ionic elements can be observed.
第3の手法はプローブ顕微鏡として走査型近視野光学顕微鏡(SNOM)の光プローブを用いるものである。この手法は探針が先鋭化された光伝導材で形成されているプローブでサンプル表面の局所領域にレーザ等の光を照射し、表面を酸化処理した後酸化層をエッチングして除去する手法と、高エネルギーのレーザ照射によって、アニーリングやアブレーションの現象を起こし汚染物質を浮き出させ或いは揮発させて除去するものである。このプローブの構成は図2に示されるようなもので、この例では探針の先端部が微小開口となっており探針内部の光伝搬部にはレーザー等の光が光源から光ファイバーを介して送られてくる。そして前記微小開口から試料面に光がスポット照射される。 The third method uses an optical probe of a scanning near-field optical microscope (SNOM) as a probe microscope. This method is a method in which a probe formed of a photoconductive material with a sharpened tip is irradiated with light such as laser to a local region of the sample surface, the surface is oxidized, and then the oxide layer is etched and removed. The high energy laser irradiation causes the phenomenon of annealing and ablation, and the contaminants are lifted or volatilized and removed. The configuration of this probe is as shown in FIG. 2. In this example, the tip of the probe is a minute opening, and light such as a laser beam is transmitted from the light source through the optical fiber to the light propagation part inside the probe. Will be sent. Then, light is spot-irradiated on the sample surface from the minute aperture.
この光プローブを用いた表面の酸化手法は、一般的には酸素雰囲気中で紫外レーザを照射することで酸化処理が行われる。イオン元素で汚染された試料表面近傍が酸化処理された後、その酸化層はフッ化水素HF希釈溶液を用いた化学エッチングにて除去がなされる。そのようにして汚染された層が除去された観察試料を用い、SNDMによる観察が行われるとイオン元素の影響のない本来の試料の電気特性を観察することができる。 In the surface oxidation method using this optical probe, oxidation treatment is generally performed by irradiating an ultraviolet laser in an oxygen atmosphere. After the vicinity of the sample surface contaminated with the ionic element is oxidized, the oxide layer is removed by chemical etching using a dilute hydrogen fluoride HF solution. When an observation sample from which the contaminated layer has been removed is used and observation by SNDM is performed, the electrical characteristics of the original sample without the influence of ionic elements can be observed.
この光プローブを用いてアニーリングを行う場合には、高エネルギーレーザを利用し、表面近傍をレーザにより加熱する。これにより、試料の結晶結合状態が緩み、注入された不純物であるガリウムが析出される。その後冷却され再結晶される過程で結晶構造の回復を図る。析出させたガリウムはキレート剤等でクリーニングを行ってきれいに取り除く。また、このアニーリングは本来の試料内微量混入成分についても排除してしまい試料自体のドーパント分布を変質させてしまうおそれもあるため、その影響が考えられる場合にはパルスレーザ等を使用して短時間で行うことが必要である。 When annealing is performed using this optical probe, a high energy laser is used and the vicinity of the surface is heated by the laser. As a result, the crystal bonding state of the sample is loosened, and gallium, which is an implanted impurity, is deposited. Thereafter, the crystal structure is recovered in the process of cooling and recrystallization. The deposited gallium is cleaned with a chelating agent or the like and removed. In addition, since this annealing also eliminates a trace amount of components contained in the original sample and may change the dopant distribution of the sample itself, a pulse laser or the like may be used for a short time if the influence is considered. It is necessary to do in.
素子内のP/N接合部におけるドーパントプロファイルをSNDMで観察するための試料を、本発明の第2の手法である電気化学的な手法によって作製する実施例を図3を参照しながら説明する。Aに図示するようにシリコン系デバイスのウエハの観察該当部分を特定しその部分の前後にFIBスパッタエッチングによって穴を空ける。このときの加工は所謂粗加工でありFIBの加速電圧も30kV程度に高く設定される。従って、試料内に深くイオンが注入される。観察部分については必要な厚さまで更に加工するが、その加工は試料表面が平滑化されて仕上がるようにFIBのビーム電流を低くしながら中加工と仕上げ加工を行う。表面は平滑化されるが試料内にはイオン元素が注入されている状態である。この試料はSNDM用の試料であるからTEM試料のように薄片化する必要はなく、加工厚さは1〜数μm程度でよい。この薄板状に加工された試料の両サイドと底辺をFIBスパッタによって切断し、Bに図示するようにマニピュレータを操作してプローブ5で試料片1をピックアップし、サンプル固定台2に運び固定する。この試料をプローブ顕微鏡内の加工セル6内に入れてセットする。そしてCに図示されたようにタングステン等の導電性探針と試料間に電圧源をつなぎ、10V程度の電圧を印加する。この状態で導電性探針と該探針の先端と対峙している試料間で電気化学的反応が起こり、試料は陽極酸化される。この電圧印加の状態で観察領域全域に対しプローブの探針は走査されるため観察領域の表面近傍は酸化される。その状態で加工セル6内にエッチング液である希釈フッ化水素水溶液を入れる。するとこの酸化膜はエッチング液の作用により溶解され、試料片から除去されてイオン元素に汚染されていない本来の試料面が露出する。以上の工程を経て作製された試料表面をSNDMのプローブで走査して観察するとイオン元素の影響のない本来の試料の電気特性を観察することができる。この試料はP/N接合部におけるドーパントプロファイル観察するものであるので、半導体がP型N型となるための微量混入成分が対象となる。このため、特にFIB照射によってガリウムなどが混入していることは極めて都合が悪いのであるが、本発明の手法によってこの問題が解決できた。
An example in which a sample for observing a dopant profile at a P / N junction in an element by SNDM is prepared by an electrochemical technique which is the second technique of the present invention will be described with reference to FIG. As shown in FIG. A, an observation target portion of the silicon-based device wafer is specified, and holes are formed by FIB sputter etching before and after that portion. The machining at this time is so-called rough machining, and the acceleration voltage of the FIB is set as high as about 30 kV. Therefore, ions are implanted deeply into the sample. The observation portion is further processed to a required thickness. In the processing, intermediate processing and finishing processing are performed while reducing the FIB beam current so that the sample surface is smoothed and finished. Although the surface is smoothed, an ionic element is implanted in the sample. Since this sample is a sample for SNDM, it is not necessary to make it thin like a TEM sample, and the processing thickness may be about 1 to several μm. Both sides and bottom of the sample processed into a thin plate shape are cut by FIB sputtering, the manipulator is operated as shown in FIG. B, the
本手法による顕微鏡試料作製は、酸化処理の終了後に加工セル6にエッチング液を入れ替えて2つの工程を行うことができるので同じ電気化学的プローブ顕微鏡の内部で連続一貫処理(In-situ)することが出来る。 また、この実施例では酸化膜の除去を化学エッチングによって行ったが、シリコンよりも硬いタングステン探針を利用して陽極酸化を行った場合には、その後でトンネル電流一定モードで観察領域を走査させ、第1の手法の様にその酸化層を削り取る変形形態を採用することもできる。
Microscopic sample preparation by this method can be performed in two steps by exchanging the etching solution in the
次に本発明の第1の手法によってTEM試料を作製する実施例を図4を参照しながら説明する。まず試料片はウエハの観察該当部分を特定しその部分の前後にFIBスパッタエッチングによって穴を空けるところは先の例と同様である。観察断面部分の厚さを約10μm程度まで加工し、この板状に加工された試料の両サイドと底辺をFIBスパッタによって切断し、マニピュレータを操作してプローブ5で試料片1をピックアップし、Aに図示するようにサンプル固定台2に運び固定する。次にサンプル固定台2をFIB装置の試料台上に載置し、改めて薄片化加工を行い、TEM試料として必要なサブミクロンオーダーまで加工を行う。つづいて試料をプローブ顕微鏡に移し、Bに示すように試料面に対し所定圧で押圧した状態のダイアモンド探針3のプローブで観察領域を走査させて、表面近傍の汚染層を削り取る。TEM試料として0.1μm程度の薄さを要求されるものについては、Cに図示したように薄片化加工の際に観察領域の側辺部に厚めの補強リム1aを連設すると共に、その補強リム1aと観察領域との間をスロープ1bで繋ぐ形状とする様に加工する。それは、次にプローブ顕微鏡で汚染層研磨の加工をする際にそのプローブ探針3が試料片1に当接するときの衝撃で試料片を破損したり傷を付けたりしないようにするためで、当接の際にはDに図示したようにプローブ探針3が厚めの補強リム1a部分に来るようにし、しかる後観察領域に移動させるようにして試料を傷つけないようにするのである。このような試料構造とすることにより研磨加工の際に安全性が確保されただけでなく、TEM試料として観察や移動の際にもこの補強リム1a部分を把持して安全且つ確実に取り扱うことができる。
Next, an example of producing a TEM sample by the first method of the present invention will be described with reference to FIG. First, the sample piece specifies the observation target portion of the wafer, and a hole is formed before and after that portion by FIB sputter etching, as in the previous example. The thickness of the observation cross section is processed to about 10 μm, both sides and bottom of the sample processed into a plate shape are cut by FIB sputtering, the manipulator is operated to pick up the
本発明において試料表面を研磨する技術的意味はイオン元素が注入されているダメージ層を除去するためであるが、その研磨加工の終了検知を如何にするかについて述べておく。イオン元素が注入されたダメージ層はアモルファス化しているため、結晶層(試料本来の材質)との硬さに差がある場合には、加工プローブにより試料面と探針間の摩擦力を測定しながら加工を行ない、その摩擦力が本来の試料の値となったときに加工の終点を決定することが出来る。 The technical meaning of polishing the sample surface in the present invention is to remove the damaged layer in which the ion element is implanted. How to detect the end of the polishing process will be described. Since the damaged layer into which the ion element is implanted is amorphized, if there is a difference in hardness from the crystal layer (original material of the sample), the friction force between the sample surface and the probe is measured with a processing probe. However, the end point of the processing can be determined when the processing is performed and the frictional force becomes the value of the original sample.
また、結晶層の堅さに差がないときは加工用のプローブと観察用のプローブを備えるようにして、加工/観察を繰り返し、所望の特性像を得られた段階で研磨加工の終了を確認し加工を止めることが出来る。 If there is no difference in crystal layer hardness, repeat the processing / observation by providing a processing probe and an observation probe, and confirm the completion of the polishing process when the desired characteristic image is obtained. And processing can be stopped.
以上の説明により、本発明の顕微鏡試料作製方法がFIBの照射により必然的に起こるイオン元素の注入という問題を解決する有効な技術として産業上利用できることは自明であるが、本発明が提示する顕微鏡試料の構造については、上記したTEM試料作製の際のプローブ顕微鏡の研磨加工の際に有効であるばかりでなく、プローブ顕微鏡用の試料であっても、薄板状の試料にあっては有効な試料形態であり、本発明がそのまま適用できる。 From the above description, it is obvious that the microscope sample preparation method of the present invention can be industrially used as an effective technique for solving the problem of ion element injection that is inevitably caused by FIB irradiation. Regarding the structure of the sample, it is effective not only when polishing the probe microscope at the time of preparing the TEM sample as described above, but also an effective sample for a thin plate-like sample even for a probe microscope sample. The present invention can be applied as it is.
1 試料片 2 プローブ
1a 補強用リム 4 探針
1b スロープ 5 マニピューレータプローブ
3 サンプル固定台 6 加工セル
1
1a Reinforcing rim 4 Probe
Claims (7)
前記薄片化加工処理は、前記試料の顕微鏡観察領域と前記試料の顕微鏡観察領域を補強する補強リムとの間にスロープ構造を形成することを特徴とする顕微鏡試料作製方法。 A thinning process using FIB is performed on a sample for microscopic observation cut out from a substrate sample, and an ion element implanted by ion irradiation by performing a polishing process with a probe microscope probe near the surface of the thinned sample and In a method for preparing a microscope sample for removing an ion damage layer,
In the thinning process, a slope structure is formed between a microscope observation region of the sample and a reinforcing rim that reinforces the microscope observation region of the sample.
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