X-ray microscopy and x-ray microscopic method

本発明は、走査透過電子顕微鏡をベースとしたエックス線顕微鏡および顕微方法に関する。 本発明は、半導体デバイスやバイオ材料などをナノメートルレベルの高空間分解能で非破壊にて透視する新たな計測手法を供するものである。

この明細書で参照される文献は以下の通りである。 文献は、その文献番号によって参照されるものとする。

特開２００４−１３８４６１号公報

特開２００２−２０２２７２号公報

電子線より透過能が高く、光より高空間分解能で透過像が得られるエックス線顕微鏡（以下、Ｘ線顕微鏡）については、多くの研究や実用化装置が市販されている。 これらは大別して、（１）走査透過型結像法、（２）投射投影型結像法の２種に大別される。
走査透過型結像法では、電子源から放射された電子線を照射電子レンズによりナノメートルオーダに収束し、これを真空中に設置されたＸ線ターゲットに照射する。 これにより、電子線の照射サイズと同程度の大きさのＸ線が発生する。 発生したＸ線は、直下の試料を透過してＸ線検出器に到達する。 Ｘ線は試料中で内部の組成や密度などに対応した吸収を受けるため、試料を透過したＸ線を結像することで、試料内部の組成や密度に対応したコントラストの投影像を得ることができる。 この方法については、特許文献１に基本的な構成が開示されている。 この方法では、Ｘ線ターゲットで発生したＸ線をできるだけ小さいまま試料に照射することでＸ線像の空間分解能を維持したいため、大電流を維持しつつできるだけ小さく電子線をＸ線ターゲット上に収束すると共に、Ｘ線ターゲットと試料をできるだけ接近させる工夫が有効となる。 現在、技術的には後者で空間分解能が決まっている。 このため、特許文献２には、Ｘ線ターゲットと試料を機械的に接近させるための装置について開示されている。 ところが、この走査透過型結像法では通常、機械的に部材同士を接近させるのは、部材の加工精度が限界を決めるため、両者の距離はサブミクロン程度となる。 特に、電子線を収束させるためには収束レンズがインレンズ方式と呼ばれる上極と下極に挟まれる数ｍｍ空間に試料を挿入することが必要となるため、Ｘ線ターゲットと試料を接近させるメカニズムをこの空間に挿入することが極めて難しいという問題があった。
一方、投射投影型結像法では、電子線は試料に面上に平行に照射される。 試料への電子線照射で、試料からＸ線が２次元的に発生するため、これをＸ線レンズ（一般的にはフレネルレンズとよばれる回折格子）を用い、ＣＣＤカメラなどの受光面に面結像する。 この方法では、空間分解能は電子線の照射径にはよらず、主にはＸ線レンズの収差で決定される。 しかしながら、投射投影型結像法ではフレネルレンズのＸ線透過率が低いため、感度が十分でない可能性がある。 特に、試料中の軽元素のイメージングにおいては、発生するＸ線量が小さいため、投射投影型結像法ではＳ／Ｎ（Ｓｉｇｎａｌ−ｔｏ−Ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏ）が十分でない可能性が大きい。

本発明では、走査透過型結像法をベースに上記課題である空間分解能と像Ｓ／Ｎとを向上させたＸ線顕微鏡およびＸ線顕微方法を提供する。
課題を解決するため、以下の手段を設けた。
１． 試料面上にＸ線発生源となる薄膜を形成することとした。
２． 試料とＸ線ターゲットが接触することから、試料ホルダに温度調整機構を設けることとした。 すなわち、十分なＸ線量を得るためには大電流で電子線をＸ線ターゲットに照射する必要があり、電子線照射に起因する試料温度上昇が固有の問題となる。 このため、液体窒素タンクからの熱伝導で試料を冷却する等の冷却機構と、試料出し入れ時の結露を防ぐための加熱機構を試料ホルダに装備させる。
３． Ｘ線ターゲットは薄膜とし、電子線は十分に停止し、Ｘ線は十分に透過する厚さとする。 このため、薄膜厚さは電子線の加速エネルギーにも依存して大小するため、このための規定として、電子線の飛程の２倍を最適な厚さとすることとした。
４． Ｘ線顕微鏡においては、ターゲットで発生したＸ線が試料中で吸収されることから、組成や密度差に起因した像コントラストが得られる。 例えば半導体デバイスは、シリコン、酸化シリコン、銅、タングステンなど様々な材料による部材から構成されている。 Ｘ線の吸収率は材料ごとに異なるため、様々なエネルギーのＸ線を試料に照射できることが望ましい。 このため、試料上に形成するＸ線ターゲット膜は複数材料からなる多層膜であるものとする。 特に、対象となる材料に近い材料からの特性Ｘ線が吸収率が高いことから、対象試料の原子番号の前後５以内の原子番号の材料をターゲットとする。
５． Ｘ線ターゲット薄膜は試料表面に蒸着などで形成することを基本とするが、半導体デバイス解析において、しばしばウェハ裏面から目的のトランジスタ近辺のみを収束イオンビーム加工（ＦＩＢ：Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ）装置により薄くして観察する方法が取られる。 このため、ここでもＦＩＢ加工した加工溝にＸ線ターゲット膜を形成することで、試料の蒸着面積を抑えることで迅速な評価を可能とする。
このように、半導体デバイスやバイオ材料などをナノメートルレベルの高空間分解能で非破壊にて透視する新たな計測手法を供する。 さらに本手法によれば、着目した結晶面の存在する部分を明るい像として、それ以外の部分を暗い像として走査透過電子顕微鏡の拡大像を形成できる。

図１は、インレンズ型走査透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）をベースにしたＸ線顕微鏡の構成例である。
図２は、アウトレンズ型走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）をベースにしたＸ線顕微鏡の構成例である。
図３は、試料上へのＸ線ターゲット薄膜形成例（表面形成）である。
図４は、試料上へのＸ線ターゲット薄膜形成例（裏面形成、裏面研磨）である。
図５は、試料上へのＸ線ターゲット薄膜形成例（表面形成、表面・裏面研磨）である。
図６は、試料上へのＸ線ターゲット薄膜形成例（多層膜ターゲット形成）である。
図７は、試料上へのＸ線ターゲット薄膜形成例（表面形成）である。
図８は、温度調整可能な試料ステージの構成例である。

図１には、本発明の１実施例を示す。 ここでは、通常、走査透過電子顕微鏡 （ＳＴＥＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）と呼ばれる装置を電子線装置として用いている。 すなわち、電子銃１１から放射された１次電子線２６は照射レンズ１２、コンデンサ絞り１３、軸ずれ補正用偏向器１４、スティグメータ１５、イメージシフト用偏向器１６、走査用偏向器１７、対物レンズ１８で微小に成形されて試料ステージ２０上に固定された試料２４にフォーカスされて照射される。 本発明においては、試料２４上に直接Ｘ線ターゲットとなる薄膜を形成する。 例えば図１においては、試料２４上に蒸着膜２５を蒸着により形成しており、１次電子線２６はまず蒸着膜２５に入射する。 従って、試料２４の直上で電子線に励起されたＸ線２７が発生し、これが試料２４を透過し、シンチレータ３３を介して、ＣＣＤカメラ３４に入射する。 ここでＣＣＤカメラ３４は光像を検知するものであり、直接Ｘ線を照射しても結像することができるが、Ｘ線は透過能が高く、ＣＣＤの分光感度特性と合わせるためには、シンチレータ３３でＣＣＤの受光感度（変換量子効率）の高い５００ｎｍ光にＸ線を変換することとした。 ここでは、例えばＣｅをドープしたＹＡＧ単結晶などを用いることが有効である。 図１では、ＣＣＤカメラ３４は大気中に設置する構造とした。 すなわち、Ｘ線２７はＸ線窓付き真空フランジ３２を透過してシンチレータ３３上に結像する。 しかしながら、Ｘ線のエネルギーが低い場合、シンチレータ３３とＣＣＤカメラ３４は真空中に設置される場合もある。 ＣＣＤカメラ３４は、高感度化、すなわち像Ｓ／Ｎ向上の観点でペルティエ素子、もしくは水冷されること、信号の読み出し速度を遅くするいわゆるスロースキャンの機能を有するものとする。
さて、Ｘ線は蒸着膜２５からＣＣＤカメラ３４まで直進することから、Ｘ線ターゲット（ここでは蒸着膜２５）と試料の距離に比例してＸ線光源が大きくなり、解像度が劣化する。 例えば、Ｘ線ターゲットと試料の間隔をＬとし、Ｘ線ターゲットから±４５°の角度で放射されたＸ線を用いた場合、光源径ｄは、ｄ＝２Ｌとなる。 このため、従来法のように、両者を機械的に接近させた場合は、ｄ〜数１００ｎｍとなり、いくら照射系で電子線を小さく収束しても、解像度は両者間距離で律せられて限界となる。 しかしながら本発明では、試料上にＸ線ターゲットを形成することから、両者間距離は数１０ｎｍとすることができることから、１桁以上の高分解能化が実現できる。
電子銃１１、照射レンズ１２、コンデンサ絞り１３、軸ずれ補正用偏向器１４、スティグメータ１５、イメージシフト用偏向器１６、走査用偏向器１７、対物レンズ１８はそれぞれ電子銃制御回路１１'、照射レンズ制御回路１２'、コンデンサ絞り制御回路１３'、軸ずれ補正用偏向器制御回路１４'、スティグメータ制御回路１５'、イメージシフト用偏向器制御回路１６'、走査用偏向器制御回路１７'、対物レンズ制御回路１８'を介してシステム制御・表示計算機２２から制御される。 同様に、試料ステージ２０は、試料ステージ制御回路２０'を介してシステム制御・表示計算機２２から制御される。 例えば、現在の加速電圧２００ｋＶの走査透過電子顕微鏡では０．１ｎｍ程度のビーム径の電子線を試料２４上に照射できるが、例えば、コンデンサ絞り１３の孔径を大きくする等によりビーム径を１ｎｍすれば、試料面上での電流は数桁大きくすることができる。 特にＸ線顕微鏡の場合、試料内でのＸ線発生量が小さいため、できるだけ照射電流量を大きくする必要がある。 また、スティグメータ１５などにより電子光学系の収差補正を行うが、多重極レンズを組み合わせた球面収差レンズを設置することで、さらにビーム径を小さいままで電流密度を向上させることも有効である。
本実施例では、試料２４近傍にＸ線もしくは２次電子検出器１９を設置する。 これは、Ｘ線像を取得する前段階で、ビームが蒸着膜２５上に正しく収束されていることを確認するために像情報が別途必要だからである。 ここで検出器がＸ線検出器の場合は蒸着膜２５もしくは試料２４で発生した特性Ｘ線２８を検知することから、組成像が得られる。 また、２次電子検出器の場合は主に蒸着膜２５の表面凹凸像となる。 いずれにしてもこれをモニタしながら照射条件を最適化して微小かつ大電流の１次電子線２６を形成する。 同様に、本実施例では、透過電子検出器２１、散乱電子検出器２３が設置される。 これは、主に試料２４の透過像を得るためのものである。 すなわち、透過電子検出器２１からは試料の結晶構造などの情報、散乱電子検出器２３からは試料の組成構造の情報を得ることが出来、これを見ながらどの位置のＸ線像を得るか参考にできる。 透過電子検出器２１、散乱電子検出器２３は電子検出器制御回路２１'を介してシステム制御・表示計算機２２から制御され、またシステム制御・表示計算機２２に像が表示される。

図２には、本発明の１実施例を示す。 ここでは、通常、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）と呼ばれる装置を電子線装置として用いている。 すなわち、電子銃１１から放射された１次電子線２６は照射レンズ１２、コンデンサ絞り１３、軸ずれ補正用偏向器１４、スティグメータ１５、イメージシフト用偏向器１６、走査用偏向器１７、対物レンズ１８で微小に成形されて試料ステージ２０上に固定された試料２４にフォーカスされて照射される。 本発明においては、実施例１と同様、試料２４上に直接Ｘ線ターゲットとなる薄膜を形成する。 １次電子線２６はまず蒸着膜２５に入射する。 従って、試料２４の直上で電子線に励起されたＸ線２７が発生し、これが試料２４過し、シンチレータ３３を介して、ＣＣＤカメラ３４に入射する。 ＣＣＤカメラ３４は大気中に設置する構造とした。 すなわち、Ｘ線２７はＸ線窓付き真空フランジ３２過してシンチレータ３３結像する。 電子銃１１射レンズ１２、コンデンサ絞り１３、軸ずれ補正用偏向器１４、スティグメータ１５、イメージシフト用偏向器１６、走査用偏向器１７、対物レンズ１８はそれぞれ電子銃制御回路１１'、照射レンズ制御回路１２'、コンデンサ絞り制御回路１３'、軸ずれ補正用偏向器制御回路１４'、スティグメータ制御回路１５'、イメージシフト用偏向器制御回路１６'、走査用偏向器制御回路１７'、対物レンズ制御回路１８'を介してシステム制御・表示計算機２２から制御される。 同様に、試料ステージ２０は、試料ステージ制御回路２０'を介してシステム制御・表示計算機２２から制御される。 本実施例では、試料２４近傍にＸ線もしくは２次電子検出器１９、上方に、Ｅ×Ｂ偏向器４２、２次電子もしくは反射電子検出器３１を設置する。 これも実施例１と同様、ビームを精度良く蒸着膜２５上に収束させるためである。 Ｅ×Ｂ偏向器４２はＥ×Ｂ偏向器制御回路４２'、２次電子もしくは反射電子検出器３１は２次電子もしくは反射電子検出器制御回路３１'により、システム制御・表示計算機２２から制御される。

ここでは、図３から図７を用い、Ｘ線顕微方法、特に半導体デバイス評価を例に試料前処理について説明する。 図３（ａ）前処理前の典型的な構造を有する半導体デバイスの断面構造図である。 すなわち、シリコン基板上にプラグやゲート構造があり、さらに上方にこれらを電気的に繋ぐ配線構造がある。 図中において太実線は試料の表面輪郭を示しており、太点線は、点線を介して隣接した場所にも構造が繋がっている事を示している。 半導体デバイス解析においては、表面から下の配線やプラグ構造の断線、ボイド、また、プラグ基板間の変質層の有無や基板中結晶欠陥の有無を迅速に評価することが求められている。 従来は、収束イオンビームを用い、半導体ウェハから目的の薄膜試料を摘出し、これを透過電子顕微鏡などで高分解能観察していたが、試料摘出のために時間がかかり、試料へのダメージなども問題であることから、層間膜のような変形しやすい構造体の評価への適用も困難であった。 このため、Ｘ線のような透過能の高いプローブによる評価が求められるが、既に述べたように、電子線のように高空間分解能での評価が難しいという問題があった。 例えば、上記の評価課題について、配線では１００ｎｍ以下（ボイドなどでは１０ｎｍ変質層や欠陥の評価では１ｎｍ分解能が求められる。このために、試料に直接Ｘ線ターゲット膜を設けることで高分解能化を図ることを実施例１、２で述べて来た。これに対応し、図３では最もシンプルなＸ線ターゲット膜形成法を示した。すなわち、試料２４上に直接蒸着膜２５を形成する。この時、Ｘ線の入射方向は図中上から下向きである。これにより、蒸着膜２５で発生したＸ線は試料２４中を透過する。この際、組成や密度によりＸ線の吸収量が異なることから、試料を透過したＸ線分布を２次元的にとらえることで、試料中の組成や密度分布を得ることが出来る。蒸着膜の厚さは電子線が十分に停止し、かつＸ線が内部で吸収されない厚さが理想的である。通常、電子線の加速電圧をＥ（ＫＶ）、ターゲット試料の密度ρ（ｇ／ｃｃ）の場合、電子線が侵入する深さとして、飛程Ｒρ（ｍｇ／ｃｍ ^２ ）が以下の式（数１）で与えられる。

図４では、蒸着膜２５を試料２４表面に形成した後、基板側から評価箇所以外の構造物をウェハ裏面から研磨して除去した試料加工の方法を示す。 図４（ｂ）では、配線構造の評価に着目し、プラグ・ゲート以下を研磨で除去した。 すなわち、蒸着膜２５で発生したＸ線は配線構造のみで吸収の大小による像コントラストが形成されるものとし、プラグ・ゲートや基板での吸収によるコントラスト低下を抑制することを目的としている。

図５では、配線構造を残し、裏面から試料を研磨し、さらに研磨孔部分に裏面からターゲット材料を蒸着する方法を示した。 すなわち、基板側に蒸着膜２５が形成される。 この試料の場合、電子線入射方向は図中下から上向きとなる。 この試料前処理法においては、イオンビームアシストデポジション法が有効である。 すなわち、初めはアシストガスを流さず収束イオンビームで目的箇所を研磨し、試料加工が終了し次第ガスを流すことで、連続的にターゲット膜を視野近傍に形成することができるからである。

図６には、ゲート・プラグ構造を評価する場合の試料前処理法を示す。 この場合、上部の配線構造と下部の基板構造を収束イオンビームで研磨、除去する。 図６（ｂ）では、試料上面からターゲット膜を形成した例が示されているが、基板側の孔にターゲット膜を形成することも可能である。 それぞれ、ターゲット面がある側から電子線を照射することとする。 このように、Ｘ線は試料中の微小構造物での吸収量が小さいため、できるだけ目的の構造物による像コントラストを上げるためには、前後の余分な構造物を除去すると共に、加工孔にターゲット膜を形成することでターゲット膜と観察対象の距離をできるだけ短くすることが空間分解能の向上のために極めて重要である。

図７には、ターゲット膜を複数多層に形成する実施例を示す。 半導体デバイスは複数の材料から形成される。 特に酸素、窒素のような軽元素、シリコンや銅のような中重元素、タングステンのような重元素と様々な材料からなる構造物が同一視野内に存在する場合、それぞれの材料の透過能を最大化するエネルギーのＸ線を複数準備することは重要である。 一般的には、観察対象の元素に近い原子番号のターゲット材から発生させたＸ線の吸収率が高くなることから、カーボン、アルミニウム、亜鉛、金などをターゲット膜として形成する。 ここでは、大電流の電子線を照射することから、融点が高く、電子線による照射ダメージが小さく、照射による脱ガスなどの少ない材料を選択するなどの工夫が必要である。

本発明では、試料上にＸ線源となるターゲット膜を直接形成することから、試料の温度上昇というこれまでの方法にはない固有の問題が発生する。 すなわち、できるだけ多くのＸ線を発生させることから、電子線はマイクロアンペア以上の電流を照射する必要があり、試料形状にもよるが、温度上昇は数１００°に及ぶ可能性がある。 この場合、試料の変形や流動、溶解などの問題が発生する。 このため、図８に示す試料ステージを考案した。 図８において、配線構造を残して研磨された試料２４は試料ホルダ２０上に固定されている。 蒸着膜２５側から１次電子線２６を照射し、発生したＸ線２７が試料２４中を透過し、試料ホルダ２０に設けられた孔を通って下方に非図示のＣＣＤカメラ３４方向に投影される。 試料ホルダ２０は冷却棒３８を介して液体窒素タンク３６中の液体窒素３７に熱的に接触している。 試料２４を効果的に冷却するために、試料２４を取り囲む形で冷却冶具３５が配置される。 液体窒素３７と液体窒素タンク３６は大気中に設置する必要があるため、冷却棒３８は電子顕微鏡鏡体４４に対してオーリングを介して真空シールされる。 すなわち、試料２４は真空中で液体窒素温度に冷却される。 一方、試料を出し入れする際には、結露を起こさないために試料２４は常温に戻っている必要がある。 このため、試料ホルダ２０中にはヒータ制御電源４０で制御されたヒータ３９が埋め込まれるものとし、出し入れの際は試料温度を液体窒素温度から常温に戻すこととする。
以上、本発明の例を説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、種々変形可能であり、上述した各実施例を適宜組み合わせることが可能であることは当業者に理解されよう。

半導体デバイスやバイオ材料などをナノメートルレベルの高空間分解能で非破壊にて透視できる新たな計測手法を供する。