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JP4673278B2 - Wafer inspection method - Google Patents

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JP4673278B2
JP4673278B2 JP2006259243A JP2006259243A JP4673278B2 JP 4673278 B2 JP4673278 B2 JP 4673278B2 JP 2006259243 A JP2006259243 A JP 2006259243A JP 2006259243 A JP2006259243 A JP 2006259243A JP 4673278 B2 JP4673278 B2 JP 4673278B2
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文夫 水野
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  • Testing Or Measuring Of Semiconductors Or The Like (AREA)

Description

本発明は、半導体素子、撮像素子、表示素子の製造などにおいて、製造途上にあるウエハの堆積膜膜厚、パターン寸法、パターン重ね合わせ精度、ホールの導通状態などを検査するためのインライン検査方法及びその装置に関する。   The present invention relates to an in-line inspection method for inspecting a deposited film thickness, a pattern dimension, a pattern overlay accuracy, a hole conduction state, etc. of a wafer in the process of manufacturing a semiconductor element, an imaging element, a display element, etc. It relates to the device.

半導体素子や撮像素子、表示素子の製造などにおいては、素子の高機能化・高性能化を図るために、トランジスタなどの高密度化が不可欠である。例えば、半導体素子では略2.5倍/3年の割合で高密度化が進展しており、半導体技術ロードマップに掲げられたASICのトランジスタ密度を例に採ると、1999年の20MTr./cm2から、2002年には54MTr./cm2、2005年には133MTr./cm2、そして2011年には811MTr./cm2になると予測されている。このような高密度化を実現して行くためには、パターンの微細化と併せて、MOSトランジスタの構造改良が必須である。MOSトランジスタの構造については、現行のプレーナトランジスタから、バーティカルトランジスタに移行して行くものと考えられている。バーティカルトランジスタは、図17に示すように、ソース・ゲート・ドレインが縦方向に配置された構造を持つものである。このようなバーティカルトランジスタへの変化をインライン検査の立場から見ると、ゲート長の測定すなわちトランジスタ性能を決める最も重要なパラメータの測定が、パターン寸法の測定ではなく、膜厚の測定に変ることになる。 In the manufacture of semiconductor elements, imaging elements, display elements, etc., it is indispensable to increase the density of transistors and the like in order to increase the functionality and performance of the elements. For example, the density of semiconductor devices has been increased at a rate of about 2.5 times / 3 years. Taking the ASIC transistor density listed in the semiconductor technology roadmap as an example, a 20MTr. / Cm 2 , in 2002, 54MTr. / Cm 2 , 133 MTr. / Cm 2 , and in 2011 811MTr. / Cm 2 is predicted. In order to realize such high density, it is essential to improve the structure of the MOS transistor together with the miniaturization of the pattern. With regard to the structure of the MOS transistor, it is considered that the current planar transistor will shift to a vertical transistor. As shown in FIG. 17, the vertical transistor has a structure in which a source, a gate, and a drain are arranged in a vertical direction. From the standpoint of in-line inspection, the change to the vertical transistor from the standpoint of in-line inspection is that the measurement of the most important parameter that determines the gate performance, that is, the transistor performance, is changed to the measurement of the film thickness, not the measurement of the pattern dimensions. .

特開平10−213422号公報JP-A-10-213422 特開平11−265679号公報JP-A-11-265679

バーティカルトランジスタのゲート長すなわちゲート電極膜厚の測定をインラインで行うためには、‘製造途上のウエハを合理的なスループットでサンプリング検査できること’を前提として、数百nm程度の局所領域を対象とした、測定ばらつきnm以下での微小領域・高精度測定を行うことが課題となる。   In order to measure the gate length of the vertical transistor, that is, the thickness of the gate electrode in-line, the target is a local region of about several hundreds of nanometers on the premise that sampling inspection can be performed with a reasonable throughput on a wafer in production. Therefore, it is a problem to perform a micro-region / high-precision measurement with a measurement variation of nm or less.

現在、堆積膜や熱酸化膜などのインライン膜厚検査には、一般的に検査専用のパイロットウエハを対象として、光ビームを用いた光干渉式膜厚測定器やエリプソメータが用いられている。しかし、極近い将来に、これら技術が益々厳しくなる精度要求に応えられなくなることは、周知の事実である。より高精度な膜厚測定法の将来候補としては、(1)照射光としてUV光を用いるエリプソメータ、(2)X線を測定箇所に照射して反射X線などを測定する手法、(3)レーザ光を測定箇所に照射して弾性波などを測定する手法、(4)中速イオンビームを測定箇所に照射して散乱イオンなどを測定する手法、などが挙げられている。しかし、何れの方法も、数百nm程度の局所領域を対象とした膜厚測定を行うことは極めて困難である。   Currently, in-line film thickness inspection of deposited films, thermal oxide films, and the like, an optical interference type film thickness measuring device and ellipsometer using a light beam are generally used for pilot wafers dedicated to inspection. However, it is a well-known fact that in the very near future, these technologies will not be able to meet the increasingly demanding accuracy requirements. Future candidates for a more accurate film thickness measurement method include (1) an ellipsometer that uses UV light as irradiation light, (2) a method of measuring reflected X-rays by irradiating X-rays at measurement points, and (3) Examples include a method of irradiating a measurement site with laser light to measure elastic waves and the like, and (4) a method of measuring a scattered ion by irradiating a measurement site with a medium-speed ion beam. However, in any method, it is extremely difficult to perform film thickness measurement for a local region of about several hundred nm.

例えば、ゲート長50nmのバーティカルトランジスタに必要とされるゲート長測定精度(試料起因ばらつきや測定装置の機差など全ての測定ばらつきを含めて)は1nm以下であり、要求される膜厚測定精度を達成できると思われる空間分解能を持つ手法は、原子間力顕微鏡(AFM)、及び透過電子像を形成する透過型電子顕微鏡(TEM)あるいは走査型透過電子顕微鏡(STEM)だけである。AFMは極端にスループットが落ちるため、現在のところ、TEMあるいはSTEMだけがその可能性を持っている。とは云っても、TEMあるいはSTEMの場合にも、インライン検査の前提である‘製造途上のウエハを合理的なスループットでサンプリング検査できること’ができておらず、実用上の課題となる。   For example, the gate length measurement accuracy required for a vertical transistor with a gate length of 50 nm (including all measurement variations such as sample-induced variations and instrument differences) is 1 nm or less, and the required film thickness measurement accuracy is as high as possible. The only techniques with spatial resolution that can be achieved are the atomic force microscope (AFM) and the transmission electron microscope (TEM) or scanning transmission electron microscope (STEM) that forms a transmission electron image. Since AFM has extremely low throughput, at present, only TEM or STEM has the possibility. However, even in the case of a TEM or STEM, it is not possible to perform a sampling inspection with a reasonable throughput, which is a premise of in-line inspection, which is a practical problem.

本発明は、このような状況に鑑み、数百nm程度の局所領域における高精度な膜厚測定を可能とするためのTEMあるいはSTEMを用いたインライン検査手段を提供することを目的とする。   In view of such circumstances, an object of the present invention is to provide an in-line inspection means using a TEM or STEM for enabling highly accurate film thickness measurement in a local region of about several hundred nm.

TEMあるいはSTEMを用いることが、極微小領域の高精度膜厚測定を実現できる唯一の解である。しかし、スループットを上げることが最大の課題となる。高スループット化を実現するためには、(1)高速で試料作製できること、(2)短時間で試料観測できること、が必須となる。(1)については、‘集束イオンビームのスパッタリング作用を利用して試料を切出す方式’の集束イオンビーム装置(FIB装置)と組み合わせることが最適の選択となる。この場合、実質的なインライン検査の所要時間は、FIB装置の試料作製時間で決まる。そして、FIB装置では、高速での試料作製と短時間での試料観測を可能とするため、予め登録された試料作製用レシピに従って、ウエハ上の指定された複数箇所を対象とし、試料切出し個所を自動で位置決めし、試料を自動で切出し、切出した試料をTEMあるいはSTEMで用いる観測用試料ホルダに自動で搭載するとともに、TEMあるいはSTEMで該試料を観測するためのレシピを作成する。TEMあるいはSTEMでは、短時間での試料観測を可能とするため、FIB装置で作成され、TEMあるいはSTEMに入力された観測用レシピに従って、観測用試料ホルダに搭載された複数の試料を対象とし、観測領域を自動的に位置合わせし、所定の試料画像を取得する。   The use of TEM or STEM is the only solution that can realize highly accurate film thickness measurement in a very small region. However, increasing the throughput is the biggest challenge. In order to achieve high throughput, it is essential that (1) the sample can be prepared at high speed and (2) the sample can be observed in a short time. For (1), combining with a focused ion beam apparatus (FIB apparatus) of a method of cutting out a sample using a sputtering action of a focused ion beam is an optimal choice. In this case, the time required for substantial in-line inspection is determined by the sample preparation time of the FIB apparatus. In the FIB apparatus, in order to enable high-speed sample preparation and sample observation in a short time, according to a pre-registered sample preparation recipe, a plurality of designated locations on the wafer are targeted, and sample extraction locations are determined. Positioning is performed automatically, the sample is automatically cut out, the cut sample is automatically mounted on an observation sample holder used in TEM or STEM, and a recipe for observing the sample with TEM or STEM is created. In TEM or STEM, in order to enable sample observation in a short time, according to the observation recipe created by the FIB apparatus and input to TEM or STEM, a plurality of samples mounted on the observation sample holder are targeted. The observation area is automatically aligned and a predetermined sample image is acquired.

一方、TEMあるいはSTEMでの膜厚測定をより高精度なものとするため、電子ビームの入射方向と観測膜面との平行性を確認・補正できるような段差付き断面試料、及び観測パターンの所定位置に精度良く形成された観測断面が得られるように、観測パターンが加工断面に垂直な方向に少しずつずらして配置された複数のパターン群から構成された断面観測用試料を用いる。   On the other hand, in order to make film thickness measurement with a TEM or STEM more accurate, a stepped cross-section sample capable of confirming and correcting the parallelism between the incident direction of the electron beam and the observation film surface, and a predetermined observation pattern In order to obtain an observation cross section accurately formed at a position, a cross-section observation sample is used which is composed of a plurality of pattern groups in which the observation pattern is gradually shifted in a direction perpendicular to the processing cross section.

本発明によると、‘TEM/STEMによる試料観測’を‘FIB装置による試料作製’と組み合せ、FIB装置では、予め登録された試料作製用レシピに従って、ウエハ上の指定された複数箇所を対象とし、試料切出し個所を自動で位置決めし、試料を自動で切出し、切出した試料をTEMあるいはSTEMで用いる観測用試料ホルダに自動で搭載するとともに、その試料をTEMあるいはSTEMで観測するためのレシピを作成する、一方、TEMあるいはSTEMでは、FIB装置で作成されTEMあるいはSTEMに入力された観測用レシピに従って、観測用試料ホルダに搭載された複数の試料を対象とし、観測領域を自動的に位置合わせし、所定の試料画像を取得し観測データを得ることにより、数百nm程度の局所領域を対象として、高精度なインライン膜厚測定を行うことが可能となる。   According to the present invention, 'sample observation by TEM / STEM' is combined with 'sample preparation by FIB apparatus', and the FIB apparatus targets a plurality of designated locations on a wafer according to a pre-registered sample preparation recipe. Automatic positioning of the sample extraction location, automatic sample extraction, automatic mounting of the extracted sample on an observation sample holder used in TEM or STEM, and creation of a recipe for observing the sample with TEM or STEM On the other hand, in the TEM or STEM, according to the observation recipe created by the FIB apparatus and input to the TEM or STEM, the observation region is automatically aligned with respect to a plurality of samples mounted on the observation sample holder, By acquiring a predetermined sample image and obtaining observation data, a local region of about several hundred nm is targeted. Te, it becomes possible to perform high-precision in-line thickness measurement.

また、TEMあるいはSTEMを用いれば、高解像な試料画像形成に併せて、極微小領域の組成分析、構造解析、そして電子状態分析を容易に行うことができる。これらの分析・解析情報を組合わせて活用できることから、従来困難とされていたインラインでの積層膜各層の膜厚の測定、パターンの三次元形状の測定、パターン重ね合わせ精度の測定、配線接続部の導通状態の測定、膜形成物質の粒度の測定、膜内微量不純物の組成分布及び所定の参照像と比較しての欠陥測定などが、正確かつ精密に行えるようになる。   In addition, when TEM or STEM is used, composition analysis, structural analysis, and electronic state analysis of a very small region can be easily performed in conjunction with high-resolution sample image formation. Since this analysis / analysis information can be used in combination, it is difficult to measure the thickness of each layer of in-line laminated film, measure the three-dimensional shape of the pattern, measure the pattern overlay accuracy, and connect the wiring. Thus, it is possible to accurately and accurately measure the conduction state of the film, measure the particle size of the film-forming substance, measure the composition distribution of the trace impurities in the film, and compare the defect with a predetermined reference image.

そして、これらインライン測定データを統合的に扱うことにより、より高度なプロセス管理及びトランジスタ特性解析が実現される。例えば、ゲート長と同時に、ゲート絶縁膜厚及びソース/ドレイン領域のドーパント濃度プロファイルをインライン測定すれば、しきい値電圧などトランジスタの電気特性を実時間で正確に予測することが可能となる。すなわち、従来は及びもつかなかったような、デバイスの性能/信頼性及び歩留を精密に管理するためのデータがインライン検査で取得可能となる。   Further, by handling these in-line measurement data in an integrated manner, more advanced process management and transistor characteristic analysis are realized. For example, if the gate insulating film thickness and the dopant concentration profile of the source / drain region are measured in-line simultaneously with the gate length, the electrical characteristics of the transistor such as the threshold voltage can be accurately predicted in real time. In other words, data for precisely managing device performance / reliability and yield, which has never been achieved before, can be acquired by in-line inspection.

また、検査済みの試料を保管しておくことができるため、後日に歩留あるいは信頼度上の問題が発生した場合など、保管庫から取出して現物を再調査することができる。このことは、現物無しでの困難を強いられている不良解析を容易なものとする。   In addition, since the inspected sample can be stored, it can be taken out of the storage and reexamined when the yield or reliability problem occurs later. This facilitates failure analysis that is forced to be difficult without the actual product.

本発明によるウエハの検査方法、集束イオンビーム装置、透過電子ビーム装置は以下の通りである。   The wafer inspection method, focused ion beam apparatus, and transmission electron beam apparatus according to the present invention are as follows.

(1)半導体装置の製造工程におけるウエハの検査方法において、集束イオンビーム装置に検査対象のウエハを装填する工程と、予め読み込んだ試料作製用レシピに従って前記ウエハ上の試料切出し個所を自動位置決めする工程と、前記ウエハから集束イオンビームによって所定の試料を切り出す工程と、切り出した試料を観測用試料ホルダに搭載する工程と、切り出した試料の前記観測用試料ホルダ上の搭載位置に関する情報と当該試料の検査条件に関する情報とを関連付けて記載した観測用レシピを作成する工程と、透過電子ビーム装置に前記観測用試料ホルダを装填する工程と、透過電子ビーム装置で前記観測用レシピを読み込む工程と、読み込んだ観測用レシピに従って前記観測用試料ホルダ上の試料を自動位置決めする工程と、位置決めした試料から前記観測用レシピに従って所定の観測データを取得する工程とを含むことを特徴とするウエハの検査方法。 (1) In a wafer inspection method in a semiconductor device manufacturing process, a step of loading a wafer to be inspected into a focused ion beam device, and a step of automatically positioning a sample cut-out location on the wafer according to a pre-read sample preparation recipe A step of cutting a predetermined sample from the wafer by a focused ion beam, a step of mounting the cut sample on the observation sample holder, information on the mounting position of the cut sample on the observation sample holder, and the sample A step of creating an observation recipe described in association with information on the inspection conditions, a step of loading the observation sample holder in a transmission electron beam device, a step of reading the observation recipe by the transmission electron beam device, and reading Automatically positioning the sample on the observation sample holder according to the observation recipe, Method of inspecting a wafer, characterized in that the determined sample and a step of acquiring a predetermined observation data according to the observation recipe.

集束イオンビーム装置による試料作製工程では、集束イオンビームとして整形ビーム、可変整形ビームあるいはセルプロジェクションビームを適宜用いることで迅速な試料作製が可能になる。セルプロジェクションは、少なくともC字及びスポットから構成することができる。透過電子ビーム装置としては、TEMあるいはSTEMを用いることができる。試料作製工程を実行する集束イオンビーム装置と試料観測工程を実行する透過電子ビーム装置との間における観測用レシピの伝送は、LAN等を経由してオンラインで行うのが好ましい。   In the sample preparation process using the focused ion beam apparatus, it is possible to quickly prepare a sample by appropriately using a shaped beam, a variable shaped beam, or a cell projection beam as the focused ion beam. The cell projection can be composed of at least a C-shape and a spot. A TEM or STEM can be used as the transmission electron beam apparatus. It is preferable to transmit the observation recipe between the focused ion beam apparatus that executes the sample preparation process and the transmission electron beam apparatus that executes the sample observation process online via a LAN or the like.

(2)(1)記載のウエハの検査方法において、観測用レシピを作成する工程は、観測用試料ホルダに記された符号を読み取る工程と、前記符号をキーとして当該観測用試料ホルダに搭載された試料を観測するための透過電子ビーム装置用レシピを作成することを特徴とするウエハの検査方法。 (2) In the wafer inspection method according to (1), the step of creating the observation recipe includes a step of reading a code written on the observation sample holder, and a step of loading the observation sample holder using the code as a key. A method for inspecting a wafer, wherein a recipe for a transmission electron beam apparatus for observing a sample is prepared.

FIB装置で試料を切り出す際にFIBを用いて試料上に付けられた試料に固有の番号である試料上の符号をキーとして、該試料を観測するための透過電子ビーム装置用レシピを自動的あるいは半自動的に作成するようにしてもよい。   When the sample is cut out by the FIB apparatus, the transmission electron beam apparatus recipe for observing the sample is automatically or automatically set using the code on the sample, which is a number unique to the sample attached to the sample using the FIB, as a key. You may make it produce semi-automatically.

(3)(1)又は(2)記載のウエハの検査方法において、前記観測データを取得する工程では試料の画像データ、組成分析データ、構造解析データ、電子状態分析データのうち少なくとも1つのデータを取得することを特徴とするウエハの検査方法。 (3) In the wafer inspection method according to (1) or (2), in the step of obtaining the observation data, at least one data among sample image data, composition analysis data, structure analysis data, and electronic state analysis data is obtained. A method for inspecting a wafer, comprising: obtaining the wafer.

取得した観測データは、膜厚測定、パターンの形状寸法測定、パターンの重ね合わせ測定、配線接続部の導通状態測定、粒度測定、ドーパント濃度プロファイル測定、所定の参照像と比較しての欠陥測定のために用いることができる。測定データは、プロセス管理やデバイス特性解析を行うために利用することができる。   The obtained observation data includes film thickness measurement, pattern shape measurement, pattern overlay measurement, wiring connection continuity measurement, particle size measurement, dopant concentration profile measurement, and defect measurement compared to a predetermined reference image. Can be used for Measurement data can be used for process management and device characteristic analysis.

(4)ウエハを保持して移動可能な試料ステージと、前記試料ステージを駆動するステージ駆動部と、集束イオンビームを形成する手段と、前記集束イオンビームを前記試料ステージに保持されたウエハ上で走査するための偏向器と、集束イオンビーム照射によって試料から発生した試料信号を検出する検出器と、試料ハンドリング用の試料マニピュレータと、制御部とを含む集束イオンビーム装置において、前記制御部は、予め登録された試料作製用レシピに従って前記ステージ駆動部及び/又は前記偏向器を制御してウエハ上の試料切出し個所を自動位置決めする機能と、前記集束イオンビームを用いて所定の試料を切出す制御を行う機能と、前記試料マニピュレータを制御して切出した試料を観測装置で用いる観測用試料ホルダに搭載する機能と、前記観測用試料ホルダ上の試料搭載位置と当該試料の前記試料作製用レシピに記載されていた情報及びそれをもとにしてメモリから読み出された予め蓄えられていた情報を用いて観測装置で使用する観測用レシピを作成する機能とを有することを特徴とする集束イオンビーム装置。 (4) A sample stage that is movable while holding a wafer, a stage driving unit that drives the sample stage, a means for forming a focused ion beam, and a wafer that holds the focused ion beam on the sample stage. In the focused ion beam apparatus including a deflector for scanning, a detector for detecting a sample signal generated from the sample by irradiation of the focused ion beam, a sample manipulator for sample handling, and a control unit, the control unit includes: A function for automatically positioning a sample cutting position on a wafer by controlling the stage driving unit and / or the deflector according to a pre-registered sample preparation recipe, and a control for cutting a predetermined sample using the focused ion beam And the sample cut out by controlling the sample manipulator is mounted on the observation sample holder used in the observation device. Function, the sample mounting position on the observation sample holder, the information described in the sample preparation recipe of the sample, and the information stored in advance read from the memory based on the information And a function of creating an observation recipe to be used in the observation apparatus.

切出した試料には、その試料を同定するための符号を集束イオンビームで刻印するようにしてもよい。ウエハから切出した試料は一旦試料マニピュレータに固定した後、試料マニピュレータと観測用試料ホルダの一方又は両方を移動して、観測用試料ホルダの所定のアドレス位置に搭載される。試料マニピュレータへの試料の固定には、イオンビームアシスト膜堆積法、あるいはマニピュレータと試料の静電吸着作用を用いることができる。   The cut sample may be imprinted with a focused ion beam with a code for identifying the sample. The sample cut out from the wafer is once fixed to the sample manipulator, and then one or both of the sample manipulator and the observation sample holder are moved and mounted at a predetermined address position of the observation sample holder. For fixing the sample to the sample manipulator, an ion beam assisted film deposition method or an electrostatic adsorption action between the manipulator and the sample can be used.

(5)試料を搭載した観測用試料ホルダを保持して移動可能な試料ステージと、前記試料ステージを駆動するステージ駆動部と、電子ビームを細く絞って試料に照射する手段と、前記電子ビームを偏向するための偏向器と、試料を透過した電子線を検出する透過電子検出器と、制御部とを含む透過電子ビーム装置において、前記制御部は、集束イオンビーム装置で作成された観測用レシピに従い、前記集束イオンビーム装置で作製された観測用試料ホルダ上の試料を対象として観測領域を自動位置決めする制御を行う機能と、所定の観測データを取得するための機能とを有することを特徴とする透過電子ビーム装置。 (5) A sample stage that is movable while holding an observation sample holder on which a sample is mounted, a stage driving unit that drives the sample stage, a means for squeezing the electron beam to irradiate the sample, and the electron beam In a transmission electron beam device including a deflector for deflecting, a transmission electron detector for detecting an electron beam transmitted through a sample, and a control unit, the control unit is an observation recipe created by the focused ion beam device. And a function for performing automatic control of positioning an observation region for a sample on an observation sample holder produced by the focused ion beam device, and a function for acquiring predetermined observation data, Transmission electron beam device.

観測データには、試料画像データ、組成分析データ、構造解析データ、電子状態分析データなどを含むことができる。透過電子ビーム装置は、特性X線分析器、オージェ電子分光器、特性損失電子のエネルギー分析器などを備えることができる。組成分析データは透過電子ビーム装置内に例えば特性X線分析器やエネルギー分光器を備えることによって取得することができ、構造解析データは透過電子の二次元アレイ検出器を備えることによって取得することができ、電子状態分析データは透過電子のエネルギー分光器を備えることによって取得することができる。   The observation data can include sample image data, composition analysis data, structure analysis data, electronic state analysis data, and the like. The transmission electron beam apparatus can include a characteristic X-ray analyzer, an Auger electron spectrometer, an energy analyzer of characteristic loss electrons, and the like. The composition analysis data can be acquired by, for example, providing a characteristic X-ray analyzer or an energy spectrometer in the transmission electron beam apparatus, and the structural analysis data can be acquired by providing a two-dimensional array detector of transmission electrons. The electronic state analysis data can be obtained by providing a transmission electron energy spectrometer.

取得した観測データに基づいて、膜厚測定、パターンの形状寸法測定、パターン重ね合わせ測定、配線接続部の導通状態測定、粒度測定、ドーパント濃度プロファイル測定、所定の参照像と比較しての欠陥測定などを行うことができる。得られた測定データは、プロセス管理やデバイス特性解析に利用することができる。観測データ、測定データ、プロセス管理データ等は電子データとして出力することができる。出力するプロセス管理データは、例えば検査の合否を記したウエハマップ、あるいは検査不良率、検査不良数、欠陥分類結果としてまとめたデータとすることができる。透過電子ビーム装置は結晶格子像による観測倍率の校正機能を有するのが好ましい。   Based on the obtained observation data, film thickness measurement, pattern shape measurement, pattern overlay measurement, wiring connection continuity measurement, particle size measurement, dopant concentration profile measurement, defect measurement compared to a predetermined reference image And so on. The obtained measurement data can be used for process management and device characteristic analysis. Observation data, measurement data, process management data, etc. can be output as electronic data. The process management data to be output can be, for example, a wafer map indicating whether or not the inspection is successful, or data collected as an inspection failure rate, the number of inspection failures, and a defect classification result. The transmission electron beam apparatus preferably has an observation magnification calibration function based on a crystal lattice image.

(6)試料ホルダをロード/アンロードするための手段と、試料観測用レシピを記憶する記憶手段と、試料ホルダを同定するための試料ホルダ同定手段と、制御手段とを備え、前記制御手段は、前記試料ホルダ同定手段による同定結果に基づき当該試料ホルダに対応した観測用レシピを前記記憶手段から読み出し、当該観測用レシピに基づいて各部を制御して試料の観測を行うことを特徴とする透過電子ビーム装置。 (6) A means for loading / unloading the sample holder, a storage means for storing a sample observation recipe, a sample holder identification means for identifying the sample holder, and a control means, the control means comprising: And transmitting the observation recipe corresponding to the sample holder from the storage means based on the identification result by the sample holder identification means, and controlling each part based on the observation recipe to observe the sample. Electron beam device.

集束イオンビーム装置で作製する断面観測用試料は、観測パターンが加工断面に垂直な方向に少しづつずらして構成された複数のパターン群から構成されるように作成することができる。この断面観測用試料の観測に当たっては、最も寸法の大きなパターンを被検パターンとして採用するなどして最適な観測パターンを選択する。   The cross-section observation sample produced by the focused ion beam apparatus can be produced so that the observation pattern is composed of a plurality of pattern groups that are formed by shifting little by little in a direction perpendicular to the processing cross section. In observing the cross-sectional observation sample, an optimum observation pattern is selected by adopting a pattern having the largest dimension as a test pattern.

観測用断面が少なくとも一つの段差を有している断面観測用試料を用いると、透過像から断面と観測ビームがなす入射角を求めることができる。この観測ビームの入射角の情報は、試料の傾斜角を制御して、あるいは偏向器により入射ビームを制御して、ビーム入射角を所定の値に制御するために用いることができる。あるいは、得られた入射角に基づいて計測データを補正することも可能である。   When a cross-section observation sample having at least one step in the cross-section for observation is used, the incident angle formed by the cross-section and the observation beam can be obtained from the transmission image. The information on the incident angle of the observation beam can be used to control the tilt angle of the sample or the incident beam with a deflector to control the beam incident angle to a predetermined value. Alternatively, the measurement data can be corrected based on the obtained incident angle.

本発明によると、高精度なインライン膜厚測定を行うことが可能となる。   According to the present invention, highly accurate in-line film thickness measurement can be performed.

図1に、本発明によるFIB装置の一例の概略構成を示す。FIB装置は制御部31により統括的に制御されている。イオン銃11から引出されたイオンビーム12は、所定のエネルギーに加速された後、収束レンズ13及び対物レンズ14によって集束され、試料室21内のXYステージ22上に搭載されたウエハ23面上に照射される。XYステージ22は、制御部31の制御下にステージ駆動部32によって駆動される。ウエハ23上に照射されたイオンビーム12は、偏向器15によって偏向されウエハ23上を走査される。収束レンズ13の下方にはセルプロジェクション用絞り16が設置されている。一方、イオンビーム12によって照射されたウエハ部分からは二次電子24が放出される。この二次電子24を二次電子検出器25により検出し、信号増幅・処理部33で増幅・A/D変換などの信号処理をした後、メモリ34に蓄える。メモリ34に蓄えられた像信号は、イオンビーム走査と同期して走査しているデイスプレイ35に供給され、デイスプレイ35上には試料像が表示される。この試料像をSIM像という。   FIG. 1 shows a schematic configuration of an example of an FIB apparatus according to the present invention. The FIB apparatus is comprehensively controlled by the control unit 31. The ion beam 12 extracted from the ion gun 11 is accelerated to a predetermined energy, and then is focused by the focusing lens 13 and the objective lens 14, and is placed on the surface of the wafer 23 mounted on the XY stage 22 in the sample chamber 21. Irradiated. The XY stage 22 is driven by the stage drive unit 32 under the control of the control unit 31. The ion beam 12 irradiated on the wafer 23 is deflected by the deflector 15 and scanned on the wafer 23. A cell projection diaphragm 16 is disposed below the converging lens 13. On the other hand, secondary electrons 24 are emitted from the wafer portion irradiated by the ion beam 12. The secondary electrons 24 are detected by the secondary electron detector 25, subjected to signal processing such as amplification and A / D conversion by the signal amplification / processing unit 33, and then stored in the memory 34. The image signal stored in the memory 34 is supplied to a display 35 that is scanning in synchronization with ion beam scanning, and a sample image is displayed on the display 35. This sample image is called a SIM image.

試料室21には、ウエハキャリア41に保持されたウエハをXYステージ22に対してロードあるいはアンロードするウエハロード/アンロード部42、FIB装置で切り出したTEMあるいはSTEM観察用試料を保持するホルダをロード/アンロードする観察用試料ホルダロード/アンロード部43、試料マニピュレータ駆動部44、反応性ガス導入部45が設けられている。試料室には、また光学顕微鏡26も設けられている。   The sample chamber 21 includes a wafer loading / unloading unit 42 for loading or unloading a wafer held on the wafer carrier 41 with respect to the XY stage 22, and a holder for holding a TEM or STEM observation sample cut out by the FIB apparatus. An observation sample holder loading / unloading unit 43 for loading / unloading, a sample manipulator driving unit 44, and a reactive gas introduction unit 45 are provided. An optical microscope 26 is also provided in the sample chamber.

制御部31は、読み込まれた試料作製用レシピ37に従って、得られた試料像をもとにTEMあるいはSTEM観測用の試料切り出し位置を設定し、試料像をモニタしながらイオンビーム加工を行う。加工された試料はウエハから切出され、TEMあるいはSTEMによる観測に用いられる。制御部31は、各部を制御して観測用試料の切り出し制御を行うと共に、後述する観測用レシピ88の作成を行う。作成された観測用レシピ88は、一旦メモリ34に記憶され、LAN経由で試料観測用のTEMあるいはSTEM及びデータベースへ出力される。観測用レシピについては後述する。   The control unit 31 sets a sample cutting position for TEM or STEM observation based on the obtained sample image according to the read sample preparation recipe 37, and performs ion beam processing while monitoring the sample image. The processed sample is cut out from the wafer and used for observation by TEM or STEM. The control unit 31 controls each unit to control the cutting of the observation sample and creates an observation recipe 88 described later. The created observation recipe 88 is temporarily stored in the memory 34, and is output to the TEM or STEM for sample observation and the database via the LAN. The observation recipe will be described later.

図2に、本発明によるTEMあるいはSTEMの概略構成を示す。装置は制御部81により統括的に制御されている。電子銃61から放出された電子ビーム62は、所定のエネルギーに加速された後、収束レンズ63によって細く絞られ、XYステージ65に搭載された試料ホルダ66上の試料面に照射される。XYステージ65は制御部81の制御下にステージ駆動部82により駆動される。試料を透過した透過電子71は対物レンズ72を通って透過電子検出器73によって検出され、信号増幅・処理部83で増幅・A/D変換などの信号処理をした後、メモリ84に蓄えられる。メモリ84に蓄えられた像信号は、電子ビーム走査と同期して走査されているデイスプレイ85に供給され、デイスプレイ85上には試料像が表示される。試料を保持している試料ホルダ66は、制御部81の制御下に試料ホルダロード/アンロード部86によりXYステージ65にロードされ、あるいはアンロードされる。   FIG. 2 shows a schematic configuration of a TEM or STEM according to the present invention. The apparatus is comprehensively controlled by the control unit 81. The electron beam 62 emitted from the electron gun 61 is accelerated to a predetermined energy, and is then narrowed down by the converging lens 63 and irradiated onto the sample surface on the sample holder 66 mounted on the XY stage 65. The XY stage 65 is driven by the stage drive unit 82 under the control of the control unit 81. The transmitted electrons 71 that have passed through the sample are detected by the transmitted electron detector 73 through the objective lens 72, subjected to signal processing such as amplification / A / D conversion by the signal amplification / processing unit 83, and then stored in the memory 84. The image signal stored in the memory 84 is supplied to a display 85 that is scanned in synchronization with the electron beam scanning, and a sample image is displayed on the display 85. The sample holder 66 holding the sample is loaded on the XY stage 65 or unloaded by the sample holder loading / unloading unit 86 under the control of the control unit 81.

電子ビーム62を一点照射し透過電子71の空間分布信号を得れば、透過電子像が得られる。一方、偏向器64によって照射電子ビームを走査し、透過電子71の時間変化信号を得れば、走査透過電子像が得られる。検出器として、透過電子検出器73の他に、電子ビーム照射によって試料から発生された特性X線74を検出するX線検出器75、あるいは透過電子71をエネルギー分光するエネルギー分光器76等を備える。試料の観測は、FIB装置で作成され、例えばLAN経由で送信されてきた観測用レシピ88に従って実行される。   If a spatial distribution signal of the transmitted electrons 71 is obtained by irradiating the electron beam 62 at one point, a transmitted electron image can be obtained. On the other hand, when the irradiation electron beam is scanned by the deflector 64 and the time change signal of the transmitted electrons 71 is obtained, a scanned transmission electron image can be obtained. As a detector, in addition to the transmission electron detector 73, an X-ray detector 75 for detecting characteristic X-rays 74 generated from the sample by electron beam irradiation, an energy spectrometer 76 for performing energy spectroscopy on the transmission electrons 71, and the like are provided. . The observation of the sample is performed according to the observation recipe 88 created by the FIB apparatus and transmitted via the LAN, for example.

図3は、本発明による半導体装置製造工程におけるインライン検査の概念を示す図である。ウエハ処理と図示した前後の半導体プロセス処理91,92の途中にインライン検査工程が設けられる。インライン検査工程は、FIB装置における試料作製工程と、TEM/STEMにおける試料検査工程の2工程に大別される。   FIG. 3 is a diagram showing the concept of in-line inspection in the semiconductor device manufacturing process according to the present invention. An in-line inspection process is provided in the middle of the wafer process and the semiconductor process processes 91 and 92 before and after the illustrated process. The in-line inspection process is roughly divided into two processes, a sample preparation process in the FIB apparatus and a sample inspection process in the TEM / STEM.

FIB装置における試料作製工程では、予め登録された試料作製用レシピ37に従って、ウエハ上の指定された複数箇所を対象とし、試料切出し個所を自動で位置決めし、試料を自動で切出し、切出した試料をTEM/STEMで用いる観測用の試料ホルダに自動で搭載するとともに、TEM/STEMにて試料を観測するための観測用レシピ88を作成する。   In the sample preparation process in the FIB apparatus, in accordance with a pre-registered sample preparation recipe 37, a plurality of designated locations on the wafer are targeted, sample extraction locations are automatically positioned, the sample is automatically extracted, and the sample is extracted. An observation recipe 88 for observing a sample with TEM / STEM is created while being automatically mounted on an observation sample holder used in TEM / STEM.

TEM/STEMにおける試料検査工程では、FIB装置で作製されTEM/STEMに入力された観測用レシピ88に従い、観測用試料ホルダに搭載された複数の試料を対象として、観測領域を自動的に位置合わせし、所定の試料画像を取得することにより、数百nm程度の局所領域を対象として、検査を行う。夫々について、以下に説明する。
最初に、図4及び図5を参照して、FIB装置における試料作製工程について説明する。この工程では、試料切出し、観測用試料作製、及びTEM/STEMによる観測用レシピ88の作成を行う。
In the specimen inspection process in TEM / STEM, the observation area is automatically aligned for multiple specimens mounted on the specimen holder for observation according to the observation recipe 88 produced by the FIB apparatus and input to the TEM / STEM. Then, by acquiring a predetermined sample image, an inspection is performed on a local region of about several hundred nm. Each will be described below.
Initially, with reference to FIG.4 and FIG.5, the sample preparation process in a FIB apparatus is demonstrated. In this step, sample cutting, observation sample preparation, and observation recipe 88 creation by TEM / STEM are performed.

図4は、FIB装置で切り出した試料を装填するための観測用試料ホルダを準備するための処理を説明するフローチャートである。まず、ステップ11にて、空の観測用試料ホルダを入れた試料ホルダキャリアが、FIB装置の観察用試料ホルダロード/アンロード部43に装着される。次に、ステップ12において、観測用試料ホルダは、試料ホルダキャリアから取り出され、空であることをロード/アンロード部43に装着された検知器で確認された後、ステップ13に進み、ロード/アンロード部に装着されたホルダ番号読取り器によってホルダに記されたホルダ番号が読み取られる。その後、観察用試料ホルダはステップ14で、FIB装置の試料室21内の所定位置に搬送・装填される。観察用試料ホルダのホルダ番号は、それぞれの観察用試料ホルダに固有のコードであり、個々の観察用試料ホルダを同定するために用いられる。また、観測用試料ホルダの本体自体は繰返し再生使用することが可能である。   FIG. 4 is a flowchart for explaining processing for preparing an observation sample holder for loading a sample cut out by the FIB apparatus. First, in step 11, a sample holder carrier containing an empty observation sample holder is attached to the observation sample holder loading / unloading unit 43 of the FIB apparatus. Next, in step 12, the observation sample holder is taken out from the sample holder carrier, and is confirmed to be empty by a detector attached to the load / unload unit 43. Then, the process proceeds to step 13 to load / The holder number written on the holder is read by a holder number reader attached to the unloading section. Thereafter, in step 14, the observation sample holder is transported and loaded into a predetermined position in the sample chamber 21 of the FIB apparatus. The holder number of the observation sample holder is a code unique to each observation sample holder, and is used to identify each observation sample holder. In addition, the main body of the observation sample holder itself can be reused repeatedly.

なお、図4に示した観測用試料ホルダを準備するための処理は、図5に示した試料作製及び観測用レシピ作成処理の空き時間を利用してステップ30の前までに完了すればよい。   Note that the process for preparing the observation sample holder shown in FIG. 4 may be completed before step 30 using the free time of the sample preparation and observation recipe creation process shown in FIG.

図5は、試料作製処理及び観測用レシピ作成処理の流れを示すフローチャートである。ステップ21において、被検査ウエハを入れたウエハキャリア41が、ウエハロード/アンロード部42に装着される。ステップ22において、被検査ウエハはウエハキャリアから取り出され、続くステップ23でプリアライメント部に搬送されてプリアライメントされる。プリアライメントは、ウエハのオリエンテーションフラットあるいはノッチなどを検出し、これを基準としてウエハの載置方向をFIB装置のXYステージ22の方向に合わせるための操作である。   FIG. 5 is a flowchart showing the flow of the sample preparation process and the observation recipe creation process. In step 21, the wafer carrier 41 containing the wafer to be inspected is mounted on the wafer load / unload unit 42. In step 22, the wafer to be inspected is taken out from the wafer carrier, and in the next step 23, it is transferred to the pre-alignment unit and pre-aligned. The pre-alignment is an operation for detecting the orientation flat or notch of the wafer and aligning the mounting direction of the wafer with the direction of the XY stage 22 of the FIB apparatus using this as a reference.

ウエハがプリアライメントされた後、ステップ24において、ウエハ上に形成されたウエハ番号が、FIB装置に組込まれた図示しないウエハ番号読取り器によって読み取られる。ウエハ番号は各ウエハに固有の符号であり、ウエハ個々あるいはウエハの品名・仕掛かり工程名を同定するために用いられる。ステップ25では、読み取られたウエハ番号をキーにして、予め登録されていたこのウエハに対応する試料作製用レシピ37が読み出される。試料作製用レシピ37は、ウエハからの試料切出し手順、切出し条件、切出し結果出力条件を定めたものであり、一般的にはウエハが属する品種・仕掛かり工程名毎に設定されている。以降の操作は、このレシピ37に従って、自動的あるいは半自動的に行われる。   After the wafer is pre-aligned, in step 24, the wafer number formed on the wafer is read by a wafer number reader (not shown) incorporated in the FIB apparatus. The wafer number is a code unique to each wafer, and is used to identify the individual wafer or the product name / in-process name of the wafer. In step 25, using the read wafer number as a key, the sample preparation recipe 37 corresponding to this wafer registered in advance is read. The sample preparation recipe 37 defines a sample cutting procedure, a cutting condition, and a cutting result output condition from a wafer, and is generally set for each type of product / working process name to which the wafer belongs. Subsequent operations are automatically or semi-automatically performed according to the recipe 37.

レシピ読み出し後、ステップ26において、ウエハは試料室21内のXYステージ22上に搬送・装填される。XYステージ22上に装填されたウエハ23は、続くステップ27において、試料室21の上面に装着された光学顕微鏡26とウエハ23上に形成されたアライメントパターンを用いて、アライメントされる。アライメントは、ウエハ23の座標系とXYステージ22の座標系とを合わせるための操作であり、アライメントパターンの光学顕微鏡像が、予め登録されていたアライメントパターン参照用画像と比較され、その視野が参照用画像の視野と丁度重なるようにステージ位置座標が補正される。ステップ28において、アライメントされた後のウエハ23は所定の試料切出し箇所にステージ移動され、SIM像を用いて切出し個所が位置決めされる。   After reading the recipe, in step 26, the wafer is transferred and loaded onto the XY stage 22 in the sample chamber 21. In a subsequent step 27, the wafer 23 loaded on the XY stage 22 is aligned using an optical microscope 26 mounted on the upper surface of the sample chamber 21 and an alignment pattern formed on the wafer 23. The alignment is an operation for aligning the coordinate system of the wafer 23 and the coordinate system of the XY stage 22, and the optical microscope image of the alignment pattern is compared with an alignment pattern reference image registered in advance, and the field of view is referred to. The stage position coordinates are corrected so as to overlap the visual field of the image for use. In step 28, the aligned wafer 23 is stage-moved to a predetermined sample cutting position, and the cutting position is positioned using the SIM image.

切出し個所の位置決め後、ステップ29に進み、ビーム形状が高速加工に適すように整形された集束イオンビームを照射して所定の大きさ(例えば、数μm角で厚さ数100nm)の切片を切出し、切出した試料を試料マニピュレータに固定する。   After positioning the cut-out location, the process proceeds to step 29 where a focused ion beam shaped so that the beam shape is suitable for high-speed processing is irradiated to cut out a section of a predetermined size (for example, several μm square and several hundred nm thick). The cut sample is fixed to the sample manipulator.

図6は、集束イオンビームによるウエハ23からの試料の切り出し工程を説明する図である。試料の切り出しに当たっては、高速での粗加工と高い位置決め精度での仕上加工を両立させるため、例えば、図7に示すようなセルプロジェクション用絞り16を用いる。セルプロジェクション用絞り16はC字型のビーム透過部102を有するC字セル部101と、スポットビーム部105を備える。C字セル部101は、その中心部103が切り出し試料部分となり、中心部103を周辺部と接続する梁状部分104が加工時の試料支持部分となる。   FIG. 6 is a diagram for explaining a sample cutting process from the wafer 23 by the focused ion beam. When cutting out the sample, for example, a cell projection diaphragm 16 as shown in FIG. 7 is used in order to achieve both high-speed rough machining and finishing with high positioning accuracy. The cell projection diaphragm 16 includes a C-shaped cell unit 101 having a C-shaped beam transmission unit 102 and a spot beam unit 105. The central portion 103 of the C-shaped cell portion 101 is a cut-out sample portion, and a beam-like portion 104 that connects the central portion 103 to the peripheral portion is a sample support portion during processing.

図6(a)に示すように、ビーム絞り16の左側のC字セル部101に集束イオンビームを照射してC字形状のビームを形成し、粗削りした後、絞り16上のビーム照射位置を右側のスポットビーム部105に切換えて細いスポットビームを形成し、図6(b)に示すように仕上げ加工を行う。ウエハの加工部には、ビーム絞り16のC字セル部101の中心部103に対応して観測用試料部106が形成され、梁状部分104に対応して支持部107が形成される。切出し時には、高い加工速度及び平滑な加工断面を得るために、イオンエッチングをアシストするための反応性ガスを反応性ガス導入部45から導入し、イオンビーム照射点近傍を反応性ガス雰囲気にする。例えば、シリコン酸化膜の加工にはフッ素系のガス、金属配線の加工には塩素系のガスを加工箇所近辺に導入する。切片は、観測目的に応じて、断面あるいは平面が選択される。   As shown in FIG. 6A, the C-shaped cell portion 101 on the left side of the beam stop 16 is irradiated with a focused ion beam to form a C-shaped beam, and after rough cutting, the beam irradiation position on the stop 16 is set. A thin spot beam is formed by switching to the spot beam portion 105 on the right side, and finishing is performed as shown in FIG. In the processing portion of the wafer, an observation sample portion 106 is formed corresponding to the central portion 103 of the C-shaped cell portion 101 of the beam stop 16, and a support portion 107 is formed corresponding to the beam-like portion 104. At the time of cutting, in order to obtain a high processing speed and a smooth processing cross section, a reactive gas for assisting ion etching is introduced from the reactive gas introduction part 45 to make the vicinity of the ion beam irradiation point a reactive gas atmosphere. For example, a fluorine-based gas is introduced into the vicinity of a processing location for processing a silicon oxide film and a chlorine-based gas for processing a metal wiring. A section or a plane is selected as the slice according to the observation purpose.

図6(c)に示すように、ウエハを傾斜して試料切片の下部を切断した後、試料を試料マニピュレータ108に固定する。試料の試料マニピュレータ108への固定は、例えば、タングステン化合物ガスの雰囲気中で、試料上面にマニピュレータ先端部を接触させ、接触部にイオンビームを照射して、タングステン膜109を形成する。試料は、図6(d)に示すようにこのタングステン膜109に支持され、試料マニピュレータ108に固定される。その後、図6(e)に示すように、支持部107を集束イオンビームにより切断して試料110の切り出しが行われる。試料のマニピュレータへの固定は、試料面にマニピュレータ先端部を接触させ、マニピュレータ駆動部44を制御してマニピュレータに電圧を印加し、試料との間に静電気作用を利用した引力を発生させることで、マニピュレータに静電吸着して固定してもよい。   As shown in FIG. 6C, after the wafer is tilted and the lower part of the sample section is cut, the sample is fixed to the sample manipulator 108. The sample is fixed to the sample manipulator 108 by, for example, bringing the tip of the manipulator into contact with the upper surface of the sample in an atmosphere of tungsten compound gas and irradiating the contact portion with an ion beam to form the tungsten film 109. The sample is supported on the tungsten film 109 and fixed to the sample manipulator 108 as shown in FIG. After that, as shown in FIG. 6E, the sample 110 is cut out by cutting the support portion 107 with a focused ion beam. The sample is fixed to the manipulator by bringing the tip of the manipulator into contact with the sample surface, controlling the manipulator driving unit 44 to apply a voltage to the manipulator, and generating an attractive force using an electrostatic action between the sample and the sample. The manipulator may be fixed by electrostatic adsorption.

図5に戻って、ステップ30において、試料マニピュレータ108に固定された試料110は、試料マニピュレータ及び/又は観測用試料ホルダの移動により、試料室21内の所定位置に装填された観測用試料ホルダ上に移される。図8は、観測用試料ホルダ66に固定された試料の例を示す概略図である。図8(a)は試料を装填した観測用試料ホルダの上面図、図8(b)はそのA−A′断面図である。図示した観測用試料ホルダ66は、円筒状本体121の一端に金属メッシュ122によって支持されたカーボン薄膜123を備え、金属メッシュ122で定められた各区画にアドレスが割り当てられている。切り出された試料131〜134は、観測用試料ホルダ上の試料作製用レシピ37で指定あるいは試料作製用レシピに基づいてメモリから読み出された予め登録されたアドレス位置に装填される。   Returning to FIG. 5, in step 30, the sample 110 fixed to the sample manipulator 108 is moved onto the observation sample holder loaded at a predetermined position in the sample chamber 21 by the movement of the sample manipulator and / or the observation sample holder. Moved to. FIG. 8 is a schematic view showing an example of a sample fixed to the observation sample holder 66. FIG. 8A is a top view of an observation sample holder loaded with a sample, and FIG. 8B is a cross-sectional view taken along line AA ′. The illustrated observation sample holder 66 includes a carbon thin film 123 supported by a metal mesh 122 at one end of a cylindrical main body 121, and an address is assigned to each section defined by the metal mesh 122. The cut samples 131 to 134 are loaded into pre-registered address positions designated by the sample preparation recipe 37 on the observation sample holder or read from the memory based on the sample preparation recipe.

一方、ステップ31において、FIB装置の制御部31では、この試料に係る品名、仕掛かり工程名、所属するダイのアドレス番号、観測用試料ホルダ上のアドレス位置、検査内容などの情報を使用して、ホルダ番号をキーとした観測用レシピ88が作成される。観測用レシピ88は、観測用試料ホルダに搭載された試料の観測手順・観測条件・観測結果出力条件を定めたものである。なお、ステップ31における観測用レシピ88の作成前に、FIB装置の試料室21に搬入した観察用試料ホルダのホルダ番号に対するTEM/STEM用レシピがFIB装置のメモリ34に既に存在していれば、それは以前観測した試料に関するレシピであるので、そのレシピデータを消去して観測用レシピの内容を初期化しておく。   On the other hand, in step 31, the control unit 31 of the FIB apparatus uses information such as the product name related to the sample, the in-process name, the address number of the die to which the sample belongs, the address position on the observation sample holder, and the inspection contents. Then, an observation recipe 88 using the holder number as a key is created. The observation recipe 88 defines the observation procedure, observation conditions, and observation result output conditions for the sample mounted on the observation sample holder. If the TEM / STEM recipe for the holder number of the observation sample holder carried into the sample chamber 21 of the FIB apparatus already exists in the memory 34 of the FIB apparatus before the observation recipe 88 is created in step 31, Since it is a recipe relating to a sample that has been observed before, the recipe data is deleted and the contents of the observation recipe are initialized.

ステップ32では、XYステージ上のウエハに関して、試料作製用レシピ37で指定された全ての箇所の試料切り出しと観測用試料ホルダへの搭載が終了したかどうかを判定し、指定された全ての試料の切り出しが終了するまでステップ28からステップ31の処理を反復する。   In step 32, with respect to the wafer on the XY stage, it is determined whether or not the sample cutting and mounting on the observation sample holder at all the locations specified in the sample preparation recipe 37 have been completed. The processing from step 28 to step 31 is repeated until the cutting is completed.

ステップ33において、試料の搭載を終了した観測用試料ホルダ、及び試料切出しを完了したウエハは、夫々のキャリアに戻される。一方、ステップ31で作成された観測用レシピ88は、検査に用いるTEM/STEMに入力されるため、ステップ34において、通信回線を経由してあるいは記憶媒体を用いて出力される。次のステップ35の判定でウエハキャリア内に未処理の被検査ウエハが残っている場合は、それらのウエハに対してステップ21からの処理を反復する。   In step 33, the observation sample holder that has finished loading the sample and the wafer that has been cut out of the sample are returned to their respective carriers. On the other hand, since the observation recipe 88 created in step 31 is input to the TEM / STEM used for inspection, in step 34, the observation recipe 88 is output via a communication line or using a storage medium. If unprocessed wafers to be inspected remain in the wafer carrier in the determination in the next step 35, the processing from step 21 is repeated for those wafers.

図9に、観測用レシピ88の記載項目例を示す。例示した観測用レシピ88には、試料ホルダに関する情報として試料ホルダ番号、試料を切り出したウエハに関する情報として、品名、ロット名、ウエハ番号、ダイのアドレス等の情報が記載されている。また、検査情報として、ホルダ内試料アドレス、検査項目、検査手順、加速電圧、ビーム電流、検出信号、検出結果出力等の情報が記載されている。図示した例では、例えばホルダ内試料アドレスA−1に装着されている試料は、STEMにより加速電圧100kV、ビーム電流1nAにてタイプ3の検査手順にてポリシリコン膜厚を検査すべきこと、検査結果はタイプ2のウエハマップとして出力すべきことが指示されている。図9において、検査手順や検査出力などのタイプは、データが予め登録されているものを呼び出して使用することを意味する。   FIG. 9 shows a description item example of the observation recipe 88. In the illustrated observation recipe 88, information such as a product holder number, information on a wafer from which a sample has been cut out, information such as a product name, a lot name, a wafer number, and a die address are described. Further, as the inspection information, information such as the sample address in the holder, the inspection item, the inspection procedure, the acceleration voltage, the beam current, the detection signal, and the detection result output are described. In the illustrated example, for example, the sample mounted on the sample address A-1 in the holder should be inspected for polysilicon film thickness by an STEM using a type 3 inspection procedure at an acceleration voltage of 100 kV and a beam current of 1 nA. The result is instructed to be output as a type 2 wafer map. In FIG. 9, types such as inspection procedure and inspection output mean that data registered in advance is called and used.

これらの情報のうち、試料ホルダ番号は図4のステップ14で取得されたものであり、試料を切り出したウエハに関する品名、ロット名、ウエハ番号、ダイのアドレス等の情報は試料作製用レシピ37に記載されていた情報である。検査情報のうちホルダ内試料アドレス、検査項目、検査手順、加速電圧、ビーム電流、検出信号、検出結果出力等の情報は、試料作製用レシピ37に記載されていた情報あるいはそれをもとにしてメモリから読み出された予め登録されていた情報である。このようにしてFIB装置の制御部31は、試料作製用レシピに従って指定されたウエハの指定場所から試料を切り出して観察用試料ホルダに装填すると共に、TEM/STEM側でその試料を特定するために必要な情報すなわちその試料を装填した観察用試料ホルダの情報及びホルダ上のアドレス情報と、試料作製用レシピから受け継いだ当該試料の検査方法に関する情報とを結合して観測用レシピを作成し、LAN経由でTEM/STEM及びデータベースへ出力する。   Among these pieces of information, the sample holder number is acquired in step 14 of FIG. 4, and information such as the product name, lot name, wafer number, die address, and the like regarding the wafer from which the sample is cut out is stored in the sample preparation recipe 37. This is the information that was written. Among the inspection information, information such as the sample address in the holder, the inspection item, the inspection procedure, the acceleration voltage, the beam current, the detection signal, and the detection result output are based on the information described in the sample preparation recipe 37 or based on it. This is pre-registered information read from the memory. In this way, the control unit 31 of the FIB apparatus cuts out the sample from the designated location of the wafer designated according to the sample preparation recipe and loads the sample into the observation sample holder, and specifies the sample on the TEM / STEM side. An observation recipe is created by combining necessary information, that is, information on an observation sample holder loaded with the sample and address information on the holder, and information on the inspection method of the sample inherited from the sample preparation recipe. Via TEM / STEM and database.

図10及び図11は、FIB装置における試料の切り出し方の例を説明する図である。ウエハから切り出す試料は、ホールパターンなどに対しては、高精度な測定をするために、パターンの中央で断面を作製することが必要である。集束イオンビームの照射位置精度が多少悪くても、いずれかのパターンの中央近くで断面が作製されるようにするため、図10に示すように、観測パターンが加工断面に垂直な方向に少しずつずらして配置された複数のパターン群から構成される断面観測用試料を用いるとよい。図10(a)は試料切り出し部分140を含むウエハ上面図、図10(b)は断面図である。この試料において、断面に現れる横方向長さ最大の検査パターン142がほぼ中央部で断面が作製されている最適の検査パターンと判定される。   10 and 11 are diagrams for explaining an example of how to cut out a sample in the FIB apparatus. The sample cut out from the wafer needs to have a cross section at the center of the pattern in order to measure the hole pattern or the like with high accuracy. Even if the accuracy of the irradiation position of the focused ion beam is slightly worse, in order to produce a cross section near the center of any pattern, the observation pattern is gradually changed in a direction perpendicular to the processing cross section as shown in FIG. It is preferable to use a sample for cross-sectional observation composed of a plurality of pattern groups arranged in a shifted manner. 10A is a top view of the wafer including the sample cutout portion 140, and FIG. 10B is a cross-sectional view. In this sample, the inspection pattern 142 having the maximum lateral length appearing in the cross section is determined to be the optimum inspection pattern in which the cross section is formed at the substantially central portion.

また、TEM/STEMでの膜厚測定をより高精度なものとするためには、電子ビームの入射方向を観測膜面と平行にすることが必要である。電子ビームの入射方向と観測膜面との平行性を確認あるいは補正できるようにするために、図11に示すように、試料150の観測断面151に段差152を形成するとよい。   Further, in order to make the film thickness measurement with TEM / STEM more accurate, it is necessary to make the incident direction of the electron beam parallel to the observation film surface. In order to be able to confirm or correct the parallelism between the incident direction of the electron beam and the observation film surface, a step 152 may be formed on the observation cross section 151 of the sample 150 as shown in FIG.

図11に示す試料150をTEM/STEMで観測したとき、TEM/STEMの電子ビームの入射方向が厚さを測定する膜153の観測膜面に平行でない場合には、図12(b)に示すように膜が段差部152と非段差部とで不連続になった透過像が得られる。この場合には、試料像上で測定した膜厚T2は誤差を含んでいる。一方、TEM/STEMの電子ビームの入射方向が観測膜面に平行な場合には、図12(a)に示すように膜15の上面154及び下面155がそれぞれ段差部152と非段差部とで連続した透過像が得られる。この場合の測定値T1は正確に膜153の膜厚を表す。従って、TEM/STEMのXYステージを傾斜させることによりあるいは電子ビーム62の入射方向を調整することにより、図12(a)に示すようなTEM像あるいはSTEM像が形成されるようにして膜厚測定を行えば、電子ビームの入射方向が観測膜面と平行なことが保証されるため、正確な膜厚測定値を得ることができる。 When the sample 150 shown in FIG. 11 is observed with a TEM / STEM, the incident direction of the electron beam of the TEM / STEM is not parallel to the observation film surface of the film 153 for measuring the thickness, as shown in FIG. Thus, a transmission image in which the film is discontinuous between the stepped portion 152 and the non-stepped portion is obtained. In this case, the film thickness T2 measured on the sample image includes an error. On the other hand, when the incident direction of the electron beam of TEM / STEM is parallel to the observation film surface, the film 15 3 of the upper surface 154 and lower surface 155 are each stepped portion 152 as shown in FIG. 12 (a) and the non-stepped portion A continuous transmission image can be obtained. The measured value T1 in this case accurately represents the film thickness of the film 153. Accordingly, by tilting the XY stage of the TEM / STEM or adjusting the incident direction of the electron beam 62, the film thickness is measured so as to form a TEM image or STEM image as shown in FIG. Since it is ensured that the incident direction of the electron beam is parallel to the observation film surface, an accurate film thickness measurement value can be obtained.

次に、TEMあるいはSTEMでの検査と検査結果の出力方法について説明する。図13は、TEMあるいはSTEMにおける処理の流れを示すフローチャートである。   Next, an inspection method using TEM or STEM and an output method of inspection results will be described. FIG. 13 is a flowchart showing the flow of processing in the TEM or STEM.

ステップ41において、検査すべき観測用試料ホルダが載せられた試料ホルダキャリアを自動搬送または操作者によって、FIB装置からTEM/STEMに運び、試料ホルダキャリアのロード/アンロード部86に装着する。ステップ42において、ロード/アンロード部86に装着されたホルダ番号読取り器により、観測用試料ホルダに記されたホルダ番号を読み取る。ステップ43では、読み取られたホルダ番号をキーにして、予めFIB装置で作成されTEM/STEMに転送・上書き記憶されていた当該観測用試料ホルダに対応する観測用レシピ88を読み出す。以降の操作は、この観測用レシピ88に従って、自動的あるいは半自動的に行われる。   In step 41, the sample holder carrier on which the observation sample holder to be inspected is placed is automatically transported or carried by the operator from the FIB apparatus to the TEM / STEM and mounted on the load / unload unit 86 of the sample holder carrier. In step 42, the holder number written on the observation sample holder is read by the holder number reader attached to the load / unload unit 86. In step 43, using the read holder number as a key, an observation recipe 88 corresponding to the observation sample holder that has been created in advance by the FIB apparatus and transferred and overwritten in the TEM / STEM is read out. Subsequent operations are automatically or semi-automatically performed according to the observation recipe 88.

ステップ44では、測定すべき観測用試料ホルダをホルダキャリアから取り出した後、真空に保持された試料室内にあるXYステージ65上の所定位置に、所定の向きで装填する。続くステップ45において、XYステージ65上に装填された観測用試料ホルダ66は、観測用レシピ88によって指定された最初の試料が位置するアドレスにステージ移動され、観測箇所が位置決めされる。   In step 44, the observation sample holder to be measured is taken out from the holder carrier and then loaded in a predetermined direction on a XY stage 65 in the sample chamber held in a vacuum. In the following step 45, the observation sample holder 66 loaded on the XY stage 65 is moved to the address where the first sample specified by the observation recipe 88 is located, and the observation point is positioned.

観測箇所の位置決めに際しては、観測パターンが図10に示すような複数のパターン群から構成されている場合は、例えば横方向の線長が最大となる検査パターンの断面を選ぶことにより、最もパターンの中央付近で断面が形成された検査パターンを観測箇所として選ぶ。また、試料の加工断面に図11に示すような段差が形成されている場合は、電子ビーム62の入射方向あるいはXYステージ65の傾きを調整し、図12(a)に示すように非段差部と段差部のなす膜上面及び膜下面の線が一直線として観察されるようにすることにより、電子ビームと観測膜面とを平行にすることができる。なお、電子ビーム62の入射方向あるいはXYステージ65の傾きを調整する代りに、電子ビーム62と観測膜面とのなす角度を求め、得られた角度を用いて、膜厚の計測データを補正してもよい。   When positioning the observation location, if the observation pattern is composed of a plurality of pattern groups as shown in FIG. 10, for example, by selecting the cross section of the inspection pattern that maximizes the horizontal line length, An inspection pattern with a cross section near the center is selected as the observation location. In addition, when a step as shown in FIG. 11 is formed in the processed cross section of the sample, the incident direction of the electron beam 62 or the inclination of the XY stage 65 is adjusted, and a non-step portion as shown in FIG. By observing the lines of the film upper surface and the film lower surface formed by the step portion as a straight line, the electron beam and the observation film surface can be made parallel. Instead of adjusting the incident direction of the electron beam 62 or the inclination of the XY stage 65, the angle formed by the electron beam 62 and the observation film surface is obtained, and the obtained film thickness is used to correct the film thickness measurement data. May be.

次に、ステップ46に進み、観測用レシピ88の指示に従って、試料に電子ビーム62を照射し、透過電子像形成や特性X線分析を用いた元素分析、電子エネルギー分光器76を用いた透過電子のエネルギー分析などを行う。透過電子像は、通常の透過電子顕微鏡による投影像であってもよいし、走査形透過電子顕微鏡による走査像であってもよい。走査像の方が、焦点位置の僅かな違いによる回折コントラストの変化が無いなど、投影像に比べて像解釈が容易であり、扱い易い。   Next, the process proceeds to step 46, and the sample is irradiated with the electron beam 62 in accordance with the instruction of the observation recipe 88, elemental analysis using transmission electron image formation or characteristic X-ray analysis, and transmission electrons using the electron energy spectrometer 76. Energy analysis. The transmission electron image may be a projection image obtained by a normal transmission electron microscope or a scanning image obtained by a scanning transmission electron microscope. The scanned image is easier to interpret and easier to handle than the projected image because there is no change in diffraction contrast due to a slight difference in focal position.

そして、得られた透過電子像及び/又は元素分析情報などを解析し、所定部の薄膜の膜厚、図14(a)のホールパターンの断面例に示すようなパターンの形状寸法(上面部の直径d1、底部の直径d2、高さh、傾斜角θ)、図14(b)の断面例に示すようなパターン161とパターン162との重ね合わせd3、図14(c)の断面例に示すようなホール163の導通、非導通、図14(d)の断面例に示すような堆積膜の結晶の粒度(164は結晶粒、165は粒界)、図14(e)の断面例に示すようなドーパント層166におけるドーパントの濃度プロファイル167、図14(f)の堆積膜断面例に示すような予め記憶した参照像と比較しての欠陥168の検出(試料像と参照像とを比較して差異部を検出し、その差異部を欠陥168として出力する)など、所定の検査データを得る。観測データの解析は実時間で行ってもよいし、各試料についての透過画像あるいはデータだけを取得・蓄積して、解析はオフラインで行ってもよい。   Then, the obtained transmission electron image and / or elemental analysis information are analyzed, and the film thickness of the predetermined portion of the thin film, the shape dimension of the pattern as shown in the cross-sectional example of the hole pattern in FIG. (Diameter d1, bottom diameter d2, height h, inclination angle θ), overlay d3 of pattern 161 and pattern 162 as shown in the cross-sectional example of FIG. 14B, and cross-sectional example of FIG. 14C. Conduction and non-conduction of the hole 163, the crystal grain size of the deposited film as shown in the cross-sectional example of FIG. 14D (164 is the crystal grain, 165 is the grain boundary), and shown in the cross-sectional example of FIG. Detection of defects 168 in comparison with a pre-stored reference image as shown in the dopant concentration profile 167 in the dopant layer 166, and a deposited film cross-sectional example in FIG. 14 (f) (compare the sample image with the reference image). To detect the difference and missing the difference. Output as 168) such as to obtain predetermined inspection data. The analysis of the observation data may be performed in real time, or the transmission image or data for each sample may be acquired and stored, and the analysis may be performed offline.

元素分析や透過電子エネルギー分析から得られる元素情報は、単に組成状態の判定だけではなく、薄膜の膜厚、パターンの形状寸法、ホールの導通・非導通、結晶粒度、ドーパント濃度プロファイルなどを決定するために欠かせない。例えば、SiO/Si積層膜の膜厚を計測する場合、透過電子像に現れる両者のコントラスト差が小さいため、透過電子像の画像解析からだけでは二つの膜の境界すなわち膜厚を正確に決めることが難しい。しかし、特性X線、オージェ電子あるいは特性エネルギー損失電子などを検出・比較することにより、両者の境界をより精密に求めることが可能になる。 Elemental information obtained from elemental analysis and transmission electron energy analysis not only determines the composition state, but also determines the film thickness, pattern geometry, hole conduction / non-conduction, crystal grain size, dopant concentration profile, etc. Indispensable for. For example, when measuring the film thickness of a SiO 2 / Si 3 N 4 laminated film, the contrast difference between the two appearing in the transmission electron image is small. It is difficult to determine accurately. However, by detecting and comparing characteristic X-rays, Auger electrons, characteristic energy loss electrons, etc., it becomes possible to determine the boundary between them more precisely.

透過電子像や元素濃度プロファイルを予め記憶されていた当該検査箇所の参照像と比較し、それらの差異部として検出される欠陥は、膜厚や形状・寸法の異常の他、ホール埋め込み部やプラグのピンホール、堆積膜のカバレジ不良、積層欠陥のような結晶欠陥などである。検出された欠陥は所定の自動欠陥分類アルゴリズムに従って、分類される。   The transmission electron image and element concentration profile are compared with the pre-stored reference image of the inspection location, and the defects detected as the difference between them are not only in the film thickness, shape and dimension, but also in the hole filling portion and plug. Pinholes, poor coverage of deposited films, crystal defects such as stacking faults, and the like. The detected defects are classified according to a predetermined automatic defect classification algorithm.

図13に戻って、観測用試料ホルダ上の全ての試料の検査が、ステップ45からステップ46の処理を繰り返し行うことによって遂行される。ステップ47において、試料ホルダ上の全ての試料の検査が終了したと判定された場合は、ステップ48に進み、当該観測用試料ホルダを試料ホルダキャリアにアンロードする。続いて、ステップ49に進み、ステップ46で得られた測定データをもとに検査結果を作成し、出力する。ステップ50において、試料ホルダキャリア中に未検査の観測用試料ホルダがあると判定されれば、それに対してステップ42からステップ49の処理が繰返し行われる。   Returning to FIG. 13, the inspection of all the samples on the observation sample holder is performed by repeating the processing from step 45 to step 46. If it is determined in step 47 that the inspection of all the samples on the sample holder has been completed, the process proceeds to step 48 where the observation sample holder is unloaded onto the sample holder carrier. Subsequently, the process proceeds to step 49, where an inspection result is created and output based on the measurement data obtained in step 46. If it is determined in step 50 that there is an uninspected observation sample holder in the sample holder carrier, the processing from step 42 to step 49 is repeated.

ステップ49における検査結果の出力の形態は、試料像や観測データそのままでもよいが、一般には、図15に例を示すように検査の合否を記したウエハマップとしたり、検査不良率、検査不良数あるいは欠陥分類結果などの形で出力する。ウエハマップ上で検査ダイをクリックすればそのダイに対応する試料像や観測の生データを併せて表示するように構成することもできる。なお、ウエハマップやチャートなどの図表だけではなく、所定の報告書形式に加工して出力することもできる。また、通信回線や記憶媒体を経由して上位の検査データ管理システムに出力するのが一般的であるが、印刷物として出力することもできる。   The form of the inspection result output in step 49 may be the sample image or the observation data as it is. However, in general, as shown in FIG. Or it outputs in the form of defect classification results. If the inspection die is clicked on the wafer map, the sample image corresponding to the die and the raw data of observation can be displayed together. Note that not only charts such as wafer maps and charts but also a predetermined report format can be processed and output. In general, the data is output to a higher-level inspection data management system via a communication line or a storage medium, but can also be output as a printed matter.

さらに、これらインライン測定データを統合的に扱うことにより、より高度なプロセス管理及びトランジスタ特性解析のためのデータが得られる。例えば、ゲート長と同時に、ゲート絶縁膜厚及びソース/ドレイン領域のドーパント濃度プロファイルをインライン測定することにより、閾値電圧などトランジスタの電気特性を実時間で正確に予測するためのデータを提供できる。これらのデータは、上位の生産管理システムに出力され、デバイスの性能/信頼性及び歩留を精密に管理するために用いられる。   Further, by handling these in-line measurement data in an integrated manner, data for more advanced process management and transistor characteristic analysis can be obtained. For example, by performing in-line measurement of the gate insulating film thickness and the dopant concentration profile of the source / drain region simultaneously with the gate length, data for accurately predicting the electrical characteristics of the transistor such as a threshold voltage in real time can be provided. These data are output to a higher-level production management system and used to precisely manage device performance / reliability and yield.

検査を終えた試料ホルダキャリアは、TEMあるいはSTEMと搬送機で結ばれた試料保管庫に送られ、検査済みの試料が観測用試料ホルダに載せられたまま試料保管庫内に格納される。これらの試料は、ウエハ番号、品名・仕掛かり工程名、ホルダ番号などをキーとして在庫管理されており、後日に歩留あるいは信頼度上の問題が発生した場合などに、取出されて再調査される。なお、試料保管庫の配置は、FIB装置とTEM/STEMとの処理時間の整合性を考慮し、図16に示すようにバッファを兼ねて、FIB装置とTEM/STEMの間に配置してもよい。   The sample holder carrier that has been inspected is sent to a sample storage unit connected to the TEM or STEM by a transporter, and the inspected sample is stored in the sample storage unit while being placed on the observation sample holder. These samples are stock-managed using the wafer number, product name / work-in-process name, holder number, etc. as keys, and are taken out and re-investigated if yield or reliability issues occur later. The Note that the sample storage can be arranged between the FIB apparatus and the TEM / STEM as a buffer as shown in FIG. 16 in consideration of the consistency of processing time between the FIB apparatus and the TEM / STEM. Good.

なお、TEMあるいはSTEMの倍率校正は、結晶格子像を観測することによって行われる。この結果、非常に正確な寸法・形状の計測データが得られる。ウエハキャリア及び試料ホルダキャリアともに、その内部は清浄な雰囲気に保持されている。特に、試料を組成分析するような場合には、使用される試料ホルダキャリアは試料が分子汚染されないように配慮されている。   Note that TEM or STEM magnification calibration is performed by observing a crystal lattice image. As a result, measurement data with very accurate dimensions and shapes can be obtained. Both the wafer carrier and the sample holder carrier are kept in a clean atmosphere. In particular, when the composition of a sample is analyzed, the sample holder carrier used is considered so that the sample is not contaminated with molecules.

本実施例では、切出し個所の位置決めを行うためにSIM像を用いたが、高分解能な光学顕微鏡あるいは走査電子顕微鏡(SEM)を集束イオンビーム装置に内蔵させ、光学顕微鏡像あるいはSEM像を用いて、位置決めすることも可能である。SIM像の代わりに光学顕微鏡像やSEM像を用いて位置決めすることにより、位置決めに伴なうウエハへの損傷をより軽減することができる。   In this embodiment, the SIM image is used to position the cut-out position. However, a high-resolution optical microscope or scanning electron microscope (SEM) is built in the focused ion beam device, and the optical microscope image or SEM image is used. It is also possible to position. By positioning using an optical microscope image or SEM image instead of the SIM image, damage to the wafer due to positioning can be further reduced.

また、本実施例では、観測用試料ホルダに番号を付し、ホルダ番号を用いてTEM/STEMでの検査を制御するようにしているが、ホルダ番号を用いる代わりに、試料作製に併せて集束イオンビームで試料個々に試料番号を刻印し、その試料番号を用いて観測用レシピ88を作成し、検査作業を制御するようにしてもよい。   In this embodiment, the observation sample holder is numbered, and the TEM / STEM inspection is controlled using the holder number. However, instead of using the holder number, focusing is performed along with sample preparation. The sample number may be imprinted on each sample with an ion beam, and the observation recipe 88 may be created using the sample number to control the inspection work.

本実施例では、一枚のウエハから切出した複数の試料が一つの観測用試料ホルダ上に載置される場合を示したが、一枚のウエハから切出した複数の試料が複数の観測用試料ホルダに跨って載置されてもよいし、一つの観測用試料ホルダに複数のウエハから切出された試料が纏めて載置されてもよい。また、検査内容については、一つの試料に対して複数種類の検査を行うこと、あるいは観測用試料ホルダ内の試料に対して個々に検査内容を変えることも可能である。   In the present embodiment, a case where a plurality of samples cut out from one wafer is placed on one observation sample holder is shown, but a plurality of samples cut out from one wafer are a plurality of observation samples. Samples cut from a plurality of wafers may be collectively placed on one observation sample holder. As for the inspection contents, it is possible to perform a plurality of types of inspections on one sample, or to change the inspection contents individually for the samples in the observation sample holder.

本実施例では、FIB装置における試料切出し個所の指定が予め品名・仕掛かり工程名毎に決まっている場合を示したが、レシピ内試料切出し箇所の指定を、欠陥検査装置の欠陥位置座標データや作業者のウエハマップ上での位置座標指定のように、ウエハ毎に異なって上書き記入することもできる。品名・仕掛かり工程名毎に切出し個所を決めておくことに加えて、ウエハ毎に欠陥位置座標データを上書き記入できるようにしておくと、欠陥検査後のレビュー検査などに用いることが可能になる。   In the present embodiment, the case in which the designation of the sample extraction location in the FIB apparatus is determined in advance for each product name and in-process step name, but the specification of the sample extraction location in the recipe is performed using the defect position coordinate data of the defect inspection apparatus, It can be overwritten differently for each wafer, as in the case of position coordinate designation on the wafer map of the operator. In addition to determining the cutting location for each product name and work-in-process name, if it is possible to overwrite the defect position coordinate data for each wafer, it can be used for review inspection after defect inspection, etc. .

本実施例では、試料の試料マニピュレータへの固定に、タングステンの支持膜を用いたが、固定用堆積膜はこれに限られない。
本実施例では、FIB装置及びTEM/STEMが共にスタンドアロンで構成された場合を示したが、FIB装置とTEM/STEMとから成る一台の装置として構成することも可能である。また、一台のFIB装置に複数台のTEM/STEMを接続することも可能である。
In this embodiment, the tungsten support film is used for fixing the sample to the sample manipulator, but the fixing deposition film is not limited to this.
In the present embodiment, the case where both the FIB apparatus and the TEM / STEM are configured as a stand-alone is shown, but it is also possible to configure as a single apparatus including the FIB apparatus and the TEM / STEM. It is also possible to connect a plurality of TEM / STEMs to one FIB apparatus.

なお、観測パターンが加工断面に垂直な方向に少しづつずらして配置された複数のパターン群から構成される断面観測用試料や、観測ビームの入射方向と観測膜面との平行性を確認・補正できるように、段差を加工した断面試料は、TEM/STEMに限られず、SEMや光学顕微鏡などの各種観測装置にも使用できる。   Confirmation and correction of cross-section observation sample consisting of multiple pattern groups in which the observation pattern is slightly shifted in the direction perpendicular to the processed cross-section, and the parallelism between the observation beam incidence direction and the observation film surface As can be done, the cross-sectional sample with the step processed is not limited to TEM / STEM, and can be used for various observation devices such as SEM and optical microscope.

本実施例では、半導体素子製造を例に取上げたが、本発明は、撮像素子や表示素子などの類似素子の製造に適用することも可能である。   In this embodiment, the manufacture of semiconductor elements is taken as an example, but the present invention can also be applied to the manufacture of similar elements such as image pickup elements and display elements.

‘TEMあるいはSTEMによる試料観測’を‘FIB装置による試料作製’と組み合せ、(1)FIB装置では、予め登録された試料作製用レシピに従って、ウエハ上の指定された複数箇所を対象とし、試料切出し個所を自動で位置決めし、試料を自動で切出し、切出した試料をTEM/STEMで用いる観測用の試料ホルダに自動で搭載するとともに、TEM/STEMで該試料を観測するためのレシピを作成する、(2)TEM/STEMでは、FIB装置で作成されTEM/STEMに入力された観測用レシピに従って、観測用試料ホルダに搭載された複数の試料を対象とし、観測領域を自動的に位置合わせし、所定の試料画像を取得することにより、数百nm程度の局所領域を対象として、高精度なインライン膜厚測定を行うことが可能となる。   Combining 'sample observation by TEM or STEM' with 'sample preparation by FIB apparatus', (1) In the FIB apparatus, sample extraction is performed for a plurality of designated locations on the wafer according to a pre-registered sample preparation recipe Positioning automatically, cutting out the sample automatically, mounting the cut sample on the sample holder for observation used in TEM / STEM, and creating a recipe for observing the sample with TEM / STEM, (2) In the TEM / STEM, according to the observation recipe created by the FIB apparatus and input to the TEM / STEM, a plurality of samples mounted on the observation sample holder are targeted, and the observation region is automatically aligned. Performing in-line film thickness measurement with high accuracy for a local region of about several hundred nanometers by acquiring a predetermined sample image It can become.

また、TEM/STEMを用いれば、高解像な試料画像形成に併せて、極微小領域の組成分析、構造解析、そして電子状態分析を行うことができる。これらの分析・解析情報を組合わせて活用できることから、従来困難とされていたインラインでの積層膜各層の膜厚の測定、パターンの三次元形状の測定、パターン重ね合わせ精度の測定、配線接続部の導通状態の測定、膜形成物質の粒度の測定、膜内微量不純物の組成分布及び所定の参照像と比較しての欠陥測定などを、正確かつ精密に行えるようになる。そして、これらインライン測定データを統合的に扱うことにより、より高度なプロセス管理及びトランジスタ特性解析が実現される。例えば、ゲート長と同時に、ゲート絶縁膜厚及びソース/ドレイン領域のドーパント濃度プロファイルをインライン測定すれば、閾値電圧などトランジスタの電気特性を実時間で正確に予測することが可能となる。すなわち、従来はおよびもつかなかったような、デバイスの性能/信頼性及び歩留を精密に管理できるデータがインライン検査で取得可能となる。   In addition, when TEM / STEM is used, it is possible to perform composition analysis, structural analysis, and electronic state analysis of a very small region in combination with high-resolution sample image formation. Since this analysis / analysis information can be used in combination, it is difficult to measure the thickness of each layer of in-line laminated film, measure the three-dimensional shape of the pattern, measure the pattern overlay accuracy, and connect the wiring. Thus, it is possible to accurately and accurately measure the conduction state of the film, measure the particle size of the film-forming substance, measure the composition distribution of the trace impurities in the film, and compare the defects with a predetermined reference image. Further, by handling these in-line measurement data in an integrated manner, more advanced process management and transistor characteristic analysis are realized. For example, if the gate insulating film thickness and the dopant concentration profile of the source / drain region are measured in-line at the same time as the gate length, the transistor electrical characteristics such as threshold voltage can be accurately predicted in real time. That is, data that can accurately manage the performance / reliability and yield of the device, which has never been obtained before, can be acquired by in-line inspection.

また、検査済みの試料を保管しておくことができるため、後日に歩留あるいは信頼度上の問題が発生した場合など、保管庫から取出して現物を再調査することができる。このことは、現物無しでの困難を強いられている不良解析を容易なものとする。   In addition, since the inspected sample can be stored, it can be taken out of the storage and reexamined when the yield or reliability problem occurs later. This facilitates failure analysis that is forced to be difficult without the actual product.

さらに、結晶格子像を観測することができることにより、装置の倍率校正が極めて正確に行えるようになり、非常に正確な寸法・形状の計測データが得られる。   Furthermore, since the crystal lattice image can be observed, the magnification calibration of the apparatus can be performed very accurately, and measurement data with very accurate dimensions and shapes can be obtained.

本発明によるFIB装置の一例の概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of an example of the FIB apparatus by this invention. 本発明によるTEMあるいはSTEMの概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of TEM or STEM by this invention. 本発明による半導体装置製造工程におけるインライン検査の概念図である。It is a conceptual diagram of the in-line test | inspection in the semiconductor device manufacturing process by this invention. 観測用試料ホルダを準備するための処理を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining the process for preparing the sample holder for observation. 試料作製処理及び観測用レシピ作成処理を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining a sample preparation process and an observation recipe preparation process. 集束イオンビームを用いてウエハからの試料を切り出す工程の説明図である。It is explanatory drawing of the process of cutting out the sample from a wafer using a focused ion beam. 整形イオンビームを得るためのセルプロジェクション用絞りの例を示す図である。It is a figure which shows the example of the aperture_diaphragm | restriction for cell projection for obtaining the shaped ion beam. 観測用試料ホルダに固定された試料の例を示す概略図である。It is the schematic which shows the example of the sample fixed to the sample holder for observation. 観測用レシピの記載項目例を示す図である。It is a figure which shows the example of a description item of the recipe for observation. FIB装置による試料の切り出し方の例を説明する図である。It is a figure explaining the example of how to cut out the sample by a FIB apparatus. 段差付き断面試料の例を示す図である。It is a figure which shows the example of a cross-sectional sample with a level | step difference. 段差付き断面試料の透過像の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the transmitted image of the cross-sectional sample with a level | step difference. 本発明によるTEMあるいはSTEMにおける処理の流れを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the flow of a process in TEM or STEM by this invention. 本発明における検査の応用例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the application example of the test | inspection in this invention. 検査結果の出力例を示す図である。It is a figure which shows the example of an output of a test result. 試料保管庫の配置の例を示す図である。It is a figure which shows the example of arrangement | positioning of a sample storage. バーティカルMOSトランジスタの構造の模式図を示す図である。It is a figure which shows the schematic diagram of the structure of a vertical MOS transistor.

符号の説明Explanation of symbols

11:イオン銃、12:イオンビーム、23:ウエハ、61:電子銃、62:電子ビーム、65:XYステージ、66:試料ホルダ、71:透過電子、73:透過電子検出器、88:観測用レシピ、150:試料、151:観測断面、152:段差、153:膜   11: ion gun, 12: ion beam, 23: wafer, 61: electron gun, 62: electron beam, 65: XY stage, 66: sample holder, 71: transmission electron, 73: transmission electron detector, 88: for observation Recipe, 150: Sample, 151: Observation cross section, 152: Step, 153: Film

Claims (2)

集束イオンビーム装置と走査型透過電子顕微鏡とからなる一台の装置に検査対象の半導体ウエハを装填する工程と、
集束イオンビームによって半導体ウエハから試料を切り出す工程と、
前記切り出した試料を観測用ホルダに搭載する工程と、
前記切り出した試料の断面に現れる観測膜面と電子ビームの試料入射方向とが平行になる方向からの走査透過像を前記走査型透過電子顕微鏡によって測定する工程と
を含み、
前記切り出した試料の断面に現れる観測膜面と電子ビームの試料入射方向とが平行になる方向からの走査透過像を前記走査型透過電子顕微鏡によって測定する工程が、前記試料の断面に現れる観測膜面と電子ビームの試料入射方向とが平行になる方向、かつ、膜厚を測定すべき観測断面に対して垂直の方向からの前記観測膜面の膜厚を測定する工程と、走査型電子顕微鏡の電子ビームの試料入射方向を前記試料の観測膜面と平行にする工程と
を有することを特徴とする半導体ウエハの検査方法。
Loading a semiconductor wafer to be inspected into one apparatus composed of a focused ion beam apparatus and a scanning transmission electron microscope;
Cutting a sample from a semiconductor wafer by a focused ion beam;
Mounting the cut-out sample on an observation holder;
Measuring a scanning transmission image from a direction in which an observation film surface appearing in a section of the cut-out sample and a sample incident direction of an electron beam are parallel to each other by the scanning transmission electron microscope,
The step of measuring with a scanning transmission electron microscope a scanning transmission image from a direction in which the observation film surface appearing in the cut section of the sample is parallel to the sample incident direction of the electron beam is an observation film appearing in the cross section of the sample A step of measuring the film thickness of the observation film surface from a direction in which the surface and the specimen incidence direction of the electron beam are parallel and a direction perpendicular to the observation cross section to be measured; and a scanning electron microscope A method for inspecting a semiconductor wafer, comprising: making a sample incident direction of the electron beam parallel to an observation film surface of the sample.
請求項1記載の検査方法において、
前記集束イオンビームによって切り出した試料のうち前記膜厚を測定すべき観測断面に段差を形成する工程を有し、
前記電子ビームの試料入射方向を観測膜面と平行にする工程では、前記膜厚を測定すべき膜の上面と下面がそれぞれ段差部と非段差部とで連続した走査透過像が得られるように調整することを特徴とする半導体ウエハの検査方法。
The inspection method according to claim 1,
A step of forming a step in the observation cross section for measuring the film thickness of the sample cut out by the focused ion beam,
In the step of making the specimen incident direction of the electron beam parallel to the observation film surface, a scanning transmission image is obtained in which the upper surface and the lower surface of the film whose thickness is to be measured are continuous at the step portion and the non-step portion, respectively. A method for inspecting a semiconductor wafer, characterized by adjusting.
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