特許 7407906 半導体解析システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-12-21

(45)【発行日】2024-01-04

(54)【発明の名称】半導体解析システム

(51)【国際特許分類】

   G01N 1/28 20060101AFI20231222BHJP

   G01N 1/32 20060101ALI20231222BHJP

   H01J 37/317 20060101ALN20231222BHJP

   H01J 37/28 20060101ALN20231222BHJP

   H01J 37/26 20060101ALN20231222BHJP

   H01J 37/22 20060101ALN20231222BHJP

【ＦＩ】

G01N1/28 G

G01N1/32 B

H01J37/317 D

H01J37/28 B

H01J37/26

H01J37/22 501Z

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2022502721

(86)(22)【出願日】2020-02-27

(86)【国際出願番号】 JP2020008056

(87)【国際公開番号】W WO2021171490

(87)【国際公開日】2021-09-02

【審査請求日】2022-08-02

(73)【特許権者】

【識別番号】501387839

【氏名又は名称】株式会社日立ハイテク

(74)【代理人】

【識別番号】110002066

【氏名又は名称】弁理士法人筒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】久保 雄大

(72)【発明者】

【氏名】野間口 恒典

(72)【発明者】

【氏名】千葉 寛幸

【審査官】北条 弥作子

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１４－０２２２９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－０３８５０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－０６９１８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－００９９８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１５２１６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０２－１３２３４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－１７４５７１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ １／００～ １／４４

Ｈ０１Ｊ ３７／００～３７／３６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体ウエハを加工して観察用の薄膜試料を作製する加工装置と、
前記薄膜試料の透過型電子顕微鏡像を取得する透過型電子顕微鏡装置と、
前記加工装置および前記透過型電子顕微鏡装置を制御する上位制御装置と、
を備え、
前記上位制御装置は、
前記透過型電子顕微鏡像に基づく前記薄膜試料に対する評価を行い、前記薄膜試料の評価結果に基づいて加工条件を更新し、更新した加工条件を前記加工装置へ出力し、
且つ前記透過型電子顕微鏡像から前記薄膜試料のダメージ層の厚みを算出し、算出した前記ダメージ層の厚みに基づいて、加工による前記薄膜試料のダメージ量を前記評価結果として算出する、
半導体解析システム。

【請求項2】

請求項１に記載の半導体解析システムにおいて、
前記透過型電子顕微鏡像のＦＦＴパターンにおける円形状のパターンの強度と、前記ダメージ層の厚みとの関係を予め取得しておき、
前記上位制御装置は、前記ＦＦＴパターンにおける円形状のパターンの強度から前記ダメージ層の厚みを算出する、
半導体解析システム。

【請求項3】

請求項１に記載の半導体解析システムにおいて、
前記上位制御装置は、前記薄膜試料の前記ダメージ量がダメージ量判定閾値以上である場合、前記加工条件を更新する、
半導体解析システム。

【請求項4】

請求項３に記載の半導体解析システムにおいて、
前記上位制御装置は、加速電圧を低くするよう前記加工条件を更新する、
半導体解析システム。

【請求項5】

請求項１に記載の半導体解析システムにおいて、
前記上位制御装置は、前記透過型電子顕微鏡像から前記薄膜試料における薄膜加工領域の位置を検出し、前記薄膜加工領域の検出位置と前記薄膜加工領域の設定位置とを比較し、前記設定位置に対する前記検出位置の位置ずれ量を前記薄膜試料の前記評価結果として算出する、
半導体解析システム。

【請求項6】

請求項５に記載の半導体解析システムにおいて、
前記上位制御装置は、前記薄膜加工領域の前記位置ずれ量が位置ずれ量判定閾値以上である場合、前記加工条件を更新する、
半導体解析システム。

【請求項7】

請求項１に記載の半導体解析システムにおいて、
前記上位制御装置は、前記透過型電子顕微鏡像から前記薄膜試料の膜厚を検出し、前記薄膜試料の検出膜厚と設定膜厚とを比較し、前記設定膜厚に対する前記検出膜厚の厚みずれ量を評価結果として算出する、
半導体解析システム。

【請求項8】

請求項７に記載の半導体解析システムにおいて、
前記上位制御装置は、前記検出膜厚の前記厚みずれ量が厚みずれ量判定閾値以上である場合、前記加工条件を更新する、
半導体解析システム。

【請求項9】

請求項１に記載の半導体解析システムにおいて、
前記加工装置は、走査型電子顕微鏡像を取得する走査型電子顕微鏡装置を備え、
前記上位制御装置は、前記透過型電子顕微鏡像に基づく前記薄膜試料に対する加工終点検知の第１良否判定処理を行う判定器と、前記判定器における前記加工終点検知の第１良否判定結果と前記走査型電子顕微鏡像とを対比することで前記加工終点検知を行うための学習モデルを生成する学習器と、加工制御部とを備え、
前記学習器は、前記学習モデルを用いて前記走査型電子顕微鏡像に基づく前記薄膜試料に対する前記加工終点検知の第２良否判定処理を行い、
前記加工制御部は、前記学習器における前記加工終点検知の第２良否判定結果に基づき、加工継続または加工終了の指示を前記加工装置に対して行う、
半導体解析システム。

【請求項10】

請求項１に記載の半導体解析システムにおいて、
前記透過型電子顕微鏡装置は、走査型透過電子顕微鏡像を前記透過型電子顕微鏡像として取得する、
半導体解析システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体解析システムに関する。

【背景技術】

【0002】

集束イオンビーム（ＦＩＢ）と走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）とを備えたＦＩＢ－ＳＥＭ装置を用いて、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）の観察用試料を作製する方法が広く知られている。具体的に述べると、ＦＩＢ－ＳＥＭ装置では、半導体ウエハ上の所望の領域からＴＥＭ解析用の薄膜試料を観察用試料として切り出し、ＴＥＭによる観察用試料の構造解析や不良解析が行われる。また、観察用試料の解析結果を加工条件にフィードバックさせることにより、観察用試料作製の精度向上が図られる。

【0003】

例えば、特許文献１には、透過電子顕微鏡用試料の作製において、荷電粒子ビームによって加工して作製した薄片試料を試料ホルダに固定する際に、デポジションを用いないようにすることにより生産性を向上させる手法が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２００９－１１５５８２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

電子顕微鏡を用いた半導体デバイス観察のニーズは急速に増加している。これに伴い、ＦＩＢ－ＳＥＭ装置による半導体ウエハに対する薄膜試料作製の自動化および電子顕微鏡による薄膜試料観察の自動化が求められている。しかしながら、近年の半導体デバイスは、微細化および構造の複雑化が進んでおり、自動化に要求されるレベルは年々高くなっている。

【0006】

そこで、本発明は、薄膜試料自動作製の精度向上および薄膜試料自動観察の精度を向上させることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、以下のとおりである。

【0008】

本発明の代表的な実施の形態による半導体解析システムは、半導体ウエハを加工して観察用の薄膜試料を作製する加工装置と、前記薄膜試料の透過型電子顕微鏡像を取得する透過型電子顕微鏡装置と、前記加工装置および前記透過型電子顕微鏡装置を制御する上位制御装置と、を備え、前記上位制御装置は、前記透過型電子顕微鏡像に基づく前記薄膜試料に対する評価を行い、前記薄膜試料の評価結果に基づいて加工条件を更新し、更新した加工条件を前記加工装置へ出力し、且つ前記透過型電子顕微鏡像から前記薄膜試料のダメージ層の厚みを算出し、算出した前記ダメージ層の厚みに基づいて、加工による前記薄膜試料のダメージ量を前記評価結果として算出する。

【発明の効果】

【0009】

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。

【0010】

すなわち、本発明の代表的な実施の形態によれば、薄膜試料自動作製の精度向上および薄膜試料自動観察の精度を向上させることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明の実施の形態１に係る半導体解析システムの一例を示す概略構成図である。

【図2】本発明の実施の形態１に係る半導体解析システムの他の例を示す概略構成図である。

【図3】本発明の実施の形態１に係るＦＩＢ－ＳＥＭ装置の一例を示す概略構成図である。

【図4】図２のＡＬＴＳ装置の一例を示す概略構成図である。

【図5】本発明の実施の形態１に係るＴＥＭ装置の一例を示す概略構成図である。

【図6】ＴＥＭモードで使用した場合における電子ビームカラムおよびその周辺の一例を示す概略構成図である。

【図7】ＳＴＥＭモードで使用した場合における電子ビームカラムおよびその周辺の一例を示す概略構成図である。

【図8】半導体ウエハ上に作製された薄膜試料の概念図である。

【図9】ＴＥＭ観察用キャリアに搭載された薄膜試料の概略図である。

【図10】本発明の実施の形態１に係る半導体解析方法の一例を示すフロー図である。

【図11】ＦＩＢ加工条件の更新方法を説明する図である。

【図12】本発明の実施の形態２に係る半導体解析システムを説明する図である。

【図13】本発明の実施の形態２に係る学習データの更新方法の一例を示すフロー図である。

【図14】学習モデルを用いた加工終点検知の判定方法を説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。以下で説明する各実施の形態は、本発明を実現するための一例であり、本発明の技術範囲を限定するものではない。なお、実施例において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は、特に必要な場合を除き省略する。

【0013】

（実施の形態１）
＜半導体解析システムの構成＞
図１は、本発明の実施の形態１に係る半導体解析システムの一例を示す概略構成図である。半導体解析システム１００は、ＦＩＢ－ＳＥＭ装置（加工装置）１０１、ＴＥＭ装置１０２、および上位制御装置１０３を含む。ここで、ＳＥＭとは走査型電子顕微鏡である。また、ＴＥＭとは透過型電子顕微鏡であり、後述するＳＴＥＭとは走査型透過電子顕微鏡である。

【0014】

ＦＩＢ－ＳＥＭ装置１０１は、半導体ウエハＷＡＦから観察用の薄膜試料ＳＡＭを作製する（切り出す）ＦＩＢ装置と、半導体ウエハＷＡＦまたは作製された薄膜試料ＳＡＭを観察するＳＥＭ装置とを有する装置である。なお、本実施の形態では、ＳＥＭ装置が含まれなくても構わない。

【0015】

ＴＥＭ装置１０２は、薄膜試料ＳＡＭの構造解析や不良解析を行う装置である。ＴＥＭ装置１０２は、回折コントラストや位相コントラストにより薄膜試料ＳＡＭのＴＥＭ画像（透過型電子顕微鏡像）を取得する。なお、ＴＥＭ装置１０２は、ＳＴＥＭ装置の構造および機能を有してもよい。この場合、ＴＥＭ装置１０２は、薄膜試料ＳＡＭのＳＴＥＭ画像（走査型透過電子顕微鏡像）としてＨＡＡＤＦ像を取得してもよい。ＦＩＢ－ＳＥＭ装置１０１およびＴＥＭ装置１０２は、上位制御装置１０３を介して互いに通信可能である。

【0016】

上位制御装置１０３は、ＦＩＢ－ＳＥＭ装置１０１およびＴＥＭ装置１０２の制御を行う装置である。上位制御装置１０３は、ＦＩＢ－ＳＥＭ装置１０１およびＴＥＭ装置１０２に対する動作開始や停止等の基本的な制御、半導体ウエハＷＡＦに対するＦＩＢ加工条件の出力、ＦＩＢ加工により作製される薄膜試料ＳＡＭのＴＥＭ観察条件の出力等を行う。また、上位制御装置１０３は、ＴＥＭ装置１０２から出力されるＴＥＭ画像（ＳＴＥＭ画像）に基づき、作製された薄膜試料ＳＡＭの評価、評価結果に基づくＦＩＢ加工条件の更新等を行う。半導体解析システム１００に含まれる各装置の構成については、後で詳しく説明する。

【0017】

半導体解析システム１００における主要な処理は次の通りである。ＦＩＢ－ＳＥＭ装置１０１では、ＦＩＢ装置を用いて、装置内に搬送された半導体ウエハＷＡＦから薄膜試料ＳＡＭの作製（切り出し）が行われる。作製された薄膜試料ＳＡＭは、ＴＥＭ観察用キャリアＣＡＲに載置される。薄膜試料ＳＡＭが載置されたＴＥＭ観察用キャリアＣＡＲは、ＦＩＢ－ＳＥＭ装置１０１からＴＥＭ装置１０２へ搬送され、ＴＥＭ装置１０２において薄膜試料ＳＡＭの構造解析や不良解析が行われる。

【0018】

なお、本実施の形態では、上位制御装置１０３を独立した構成要素として記載しているが、上位制御装置１０３が有する機能の一部または全てをＦＩＢ－ＳＥＭ装置１０１が担ってもよいし、ＴＥＭ装置１０２が担ってもよい。

【0019】

なお、半導体ウエハＷＡＦは、複数のウエハを収容可能な容器を用いて搬送されてもよいし、ＦＩＢ－ＳＥＭ装置１０１に挿入可能なカートリッジに載せて搬送されてもよい。また、ＴＥＭ観察用キャリアＣＡＲは、複数のキャリアを収容可能な容器を用いて搬送されてもよいし、ＴＥＭ装置１０２に挿入可能なカートリッジに載せて搬送されてもよい。なお、半導体ウエハＷＡＦやＴＥＭ観察用キャリアＣＡＲの取り扱いは、一部または全部を人が行ってもよいし、搬送用ロボットが行ってもよい。

【0020】

図２は、本発明の実施の形態１に係る半導体解析システムの他の例を示す概略構成図である。図２の半導体解析システム２００は、図１の半導体解析システム１００にＡＬＴＳ（Ａｕｔｏ Ｌａｍｅｌｌａ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ）装置２０１が追加された構成となっている。ＡＬＴＳ装置２０１は、半導体ウエハＷＡＦ上に作製された（切り出された）薄膜試料ＳＡＭをＴＥＭ観察用キャリアＣＡＲに自動で移し替える装置である。

【0021】

ＦＩＢ－ＳＥＭ装置１０１、ＡＬＴＳ装置２０１、およびＴＥＭ装置１０２は、上位制御装置１０３を介して互いに通信可能である。

【0022】

薄膜試料ＳＡＭが作製された半導体ウエハＷＡＦは、ＡＬＴＳ装置２０１へ搬送される。ＡＬＴＳ装置２０１は、装置内で薄膜試料ＳＡＭをＴＥＭ観察用キャリアＣＡＲに移し替える。その際、ＡＬＴＳ装置２０１は、半導体ウエハＷＡＦ上の薄膜試料ＳＡＭの位置情報を参照しつつ移し替えを行う。

【0023】

なお、ＡＬＴＳ装置２０１への半導体ウエハＷＡＦの搬送は、前述した容器やカートリッジごとに行ってもよい。また、半導体ウエハＷＡＦやＴＥＭ観察用キャリアＣＡＲの取り扱いは、前述したように、一部または全部を人が行ってもよいし、搬送用ロボットが行ってもよい。

【0024】

図２の例では、上位制御装置を独立した構成要素として記載しているが、上位制御装置１０３が有する機能の一部または全てをＦＩＢ－ＳＥＭ装置１０１、ＴＥＭ装置１０２、ＡＬＴＳ装置２０１が担ってもよい。

【0025】

＜ＦＩＢ－ＳＥＭ装置の構成＞
図３は、本発明の実施の形態１に係るＦＩＢ－ＳＥＭ装置の一例を示す概略構成図である。図３に示すように、ＦＩＢ－ＳＥＭ装置１０１は、イオンビームカラム３０１ａ、イオンビームカラム３０１ａを制御するイオンビームカラム制御器３３１、電子ビームカラム３０２ａ、電子ビームカラム３０２ａを制御する電子ビームカラム制御器３３２、半導体ウエハＷＡＦを載置することが可能なウエハステージ３０４、ウエハステージ３０４を制御するウエハステージ制御器３３４を備えている。

【0026】

また、ＦＩＢ－ＳＥＭ装置１０１は、ＴＥＭ観察用キャリアＣＡＲを載置することが可能なサブステージ３０６、サブステージ３０６を制御するサブステージ制御器３３６、半導体ウエハＷＡＦ上に作製された薄膜試料ＳＡＭをピックアップするプローブユニット３１２、プローブユニット３１２を制御するプローブユニット制御器３４２、試料室３０７を備えている。

【0027】

また、ＦＩＢ－ＳＥＭ装置１０１は、イオンビーム３０１ｂまたは電子ビーム３０２ｂを半導体ウエハＷＡＦまたはＴＥＭ観察用キャリアＣＡＲ上の薄膜試料ＳＡＭに照射した際に発生する荷電粒子を検出するための荷電粒子検出器３０９、３１０、荷電粒子検出器３０９を制御する検出器制御器３３９、荷電粒子検出器３１０を制御する検出器制御器３４０、Ｘ線検出器３１１、Ｘ線検出器３１１を制御するＸ線検出器制御器３４１、ＦＩＢ－ＳＥＭ装置１０１全体の動作を制御する統合コンピュータ３３０を備えている。統合コンピュータ３３０および各制御器は、互いに通信可能である。

【0028】

また、ＦＩＢ－ＳＥＭ装置１０１は、イオンビームや電子ビームの照射条件やウエハステージ３０４の位置の各種指示等をオペレータが入力するコントローラ（キーボード、マウス等）３５１、ＦＩＢ－ＳＥＭ装置１０１をコントロールするためのＧＵＩ画面３５３やＦＩＢ－ＳＥＭ装置１０１の状態、画像を含む取得した各種情報等を表示する１つまたは複数のディスプレイ３５２等を備えている。なお、ＦＩＢ－ＳＥＭ装置１０１の状態や取得した情報等は、ＧＵＩ画面３５３に含まれてもよい。

【0029】

イオンビームカラム３０１ａは、イオンビームを発生させるためのイオン源や、イオンビームを集束させるためのレンズ、イオンビームを走査およびシフトさせるための偏向系、イオンビームをブランキングさせるブランキング偏向系等、ＦＩＢに必要な構成要素を全て含んだ系である。

【0030】

電子ビームカラム３０２ａは、電子ビームを発生させる電子源や、電子ビームを集束させるためのレンズ、電子ビームを走査およびシフトさせるための偏向系、電子ビームをブランキングさせるブランキング偏向系等、ＳＥＭに必要な構成要素を全て含んだ系である。

【0031】

イオンビームカラム３０１ａおよび電子ビームカラム３０２ａは、試料室３０７に搭載されている。イオンビームカラム３０１ａを通過したイオンビーム３０１ｂ、および電子ビームカラム３０２ａを通過した電子ビーム３０２ｂは、主にイオンビームカラム３０１ａの光軸３０１ｃと電子ビームカラム３０２ａの光軸３０２ｃとの交点（クロスポイント３７１）にフォーカスされる。

【0032】

なお、イオンビーム３０１ｂにはガリウムイオンが一般に使用されるが、加工する目的においてイオン種は問わない。また、イオンビーム３０１ｂは、集束イオンビームに限られず、ブロードなイオンビームにマスクを備えたものでもよい。

【0033】

なお、本実施の形態では、イオンビームカラム３０１ａが垂直に配置され、電子ビームカラム３０２ａが傾斜して配置されているが、このような配置に限定されるものではない。例えば、イオンビームカラム３０１ａが傾斜して配置され、電子ビームカラム３０２ａが垂直に配置されてもよい。また、イオンビームカラム３０１ａおよび電子ビームカラム３０２ａが傾斜して配置されてもよい。

【0034】

なお、本実施の形態に係るＦＩＢ－ＳＥＭ装置１０１は、ガリウム集束イオンビームカラム、アルゴン集束イオンビームカラム、および電子ビームカラムを備えた、トリプルカラム構成でもよい。

【0035】

また、電子ビームカラムに代えて光学顕微鏡やＡＦＭのような観察システムをＦＩＢ装置と組み合わせたものが、ＦＩＢ－ＳＥＭ装置１０１に代えて用いられてもよい。また、イオンビームカラムのみで加工および観察を行うようにしてもよい。この場合、ビームを生成するカラムを削減することができ、装置コストを低減させることが可能となる。

【0036】

ウエハステージ３０４およびサブステージ３０６は、対応するウエハステージ制御器３３４およびサブステージ制御器３３６の制御により平面移動や回転移動が可能である。また、ウエハステージ３０４およびサブステージ３０６は、半導体ウエハＷＡＦまたは薄膜試料ＳＡＭにおけるイオンビームの加工や観察に必要な所定箇所をイオンビーム照射位置や、電子ビームによる観察位置へ移動させる。

【0037】

プローブユニット３１２は、半導体ウエハＷＡＦ上に作製された薄膜試料ＳＡＭのピックアップを行う。なお、薄膜試料ＳＡＭをピックアップする際、プローブユニット３１２は、プローブに代えて、図示しないピンセットが用いられてもよい。また、プローブユニット３１２は、半導体ウエハＷＡＦの表面に接触して半導体ウエハへの電位供給を行ってもよい。

【0038】

検出器制御器３３９、３４０は、対応する荷電粒子検出器３０９、３１０から出力される検出信号を演算処理し画像化する機能ブロックであり、所定の回路またはプログラムを実行することでプロセッサに実現される演算処理部を備える。

【0039】

なお、荷電粒子検出器３０９、３１０は、電子やイオンの検出が可能な複合荷電粒子検出器で構成されてもよい。

【0040】

試料室３０７には、前述した各要素の他に、図示しないガスインジェクションユニット等が搭載される。また、ＦＩＢ－ＳＥＭ装置１０１は、ガスインジェクションユニット等を制御する図示しない各制御器を有する。ガスインジェクションションユニットは、荷電粒子ビームの照射により半導体ウエハＷＡＦまたは薄膜試料ＳＡＭに堆積膜を形成するためのデポガスを貯蔵し、必要に応じて図示しないノズル先端から試料室３０７内に供給される。これにより、半導体ウエハＷＡＦ、薄膜試料ＳＡＭ、ＴＥＭ観察用キャリアＣＡＲの任意の場所に、保護膜やマーキングを作製することができる。

【0041】

また、試料室３０７には、荷電粒子ビームの照射により化学腐食や蝕刻加工するエッチングガスが貯蔵されてもよい。このエッチングガスは、半導体ウエハＷＡＦの加工に利用されてもよい。

【0042】

さらに、試料室３０７には、コールドトラップや光学顕微鏡などが搭載されてもよい。また、試料室３０７には、荷電粒子検出器３０９とは別に、三次電子検出器、ＳＴＥＭ検出器、後方散乱電子検出器、低エネルギー損失電子検出器等の検出器がされてもよい。さらに、試料室３０７には、Ｘ線検出器３１１の他に質量分析器等が搭載されてもよい。

【0043】

＜ＡＬＴＳ装置の構成＞
図４は、図２のＡＬＴＳ装置の一例を示す概略構成図である。図４に示すように、ＡＬＴＳ装置２０１は、第１光学顕微鏡４０１ａ、第１光学顕微鏡４０１ａを制御するための第１光学顕微鏡制御器４３１、第２光学顕微鏡４０２ａ、第２光学顕微鏡４０２ａを制御するための第２光学顕微鏡制御器４３２、半導体ウエハＷＡＦを載置することが可能なウエハステージ４０４、ウエハステージ４０４を制御するウエハステージ制御器４３４を備えている。

【0044】

また、ＡＬＴＳ装置２０１は、ＴＥＭ観察用キャリアＣＡＲを載置することが可能なサブステージ４０６、サブステージ４０６を制御するサブステージ制御器４３６、半導体ウエハＷＡＦ上に作製された薄膜試料ＳＡＭをピックアップするプローブユニット４１２、プローブユニット４１２を制御するプローブユニット制御器４４２、試料室４０７を備えている。

【0045】

また、ＡＬＴＳ装置２０１は、光学顕微鏡像を取得するための第１カメラ４１０、第２カメラ４１１、第１カメラ４１０を制御する第１カメラ制御器４４０、第２カメラ４１１を制御する第２カメラ制御器４４１、薄膜試料ＳＡＭに光を照射するための光源４０９、光源４０９を制御する光源制御器４３９、ＡＬＴＳ装置２０１全体の動作を制御する統合コンピュータ４３０を備えている。統合コンピュータ４３０および各制御器は、互いに通信可能である。

【0046】

また、ＡＬＴＳ装置２０１は、照射条件やウエハステージ４０４の位置等の各種指示をオペレータが入力するコントローラ（キーボード、マウス等）４５１、ＡＬＴＳ装置２０１をコントロールするためのＧＵＩ画面４５３、ＡＬＴＳ装置２０１の状態、画像を含む取得した各種情報等を表示する１つまたは複数のディスプレイ４５２を備えている。なお、ＡＬＴＳ装置２０１の状態や取得した情報等は、ＧＵＩ画面４５３に含まれてもよい。

【0047】

第１光学顕微鏡４０１ａ、第２光学顕微鏡４０２ａは、結像するためのレンズや開口を制限するための絞りなど光学顕微鏡に必要な構成要素を全て含んだ系である。図４では、光源４０９が試料室４０７に設けられているが、このような構成に限定されるものではない。光源４０９は、例えば、光学顕微鏡の内部に設けられ、薄膜試料ＳＡＭが上方から照射されるようにしてもよい。

【0048】

また、ＡＬＴＳ装置２０１は、薄膜試料ＳＡＭ上にフォーカスされた光を走査する機構を備え、走査像を取得することができるように構成されてもよい。また、観察対象である薄膜試料ＳＡＭは、主に、第１光学顕微鏡４０１ａの光軸４０１ｃと、第２光学顕微鏡４０２ａの光軸４０２ｃとが交差する位置（クロスポイント４７１）にて観察される。これにより、観察対象の３次元的な位置関係を把握することが可能となる。例えば、半導体ウエハＷＡＦ上の薄膜試料ＳＡＭと、プローブユニット４１２やピンセット（図示は省略）との位置関係を正確に把握することが可能となる。また、図４では、試料室４０７が設けられているが、大気中で観察する場合には密閉された空間は必要ではないので、試料室４０７を省略することが可能である。

【0049】

ウエハステージ４０４およびサブステージ４０６は、対応するウエハステージ制御器４３４およびサブステージ制御器４３６の制御により平面移動や回転移動が可能である。また、プローブユニット４１２は、半導体ウエハＷＡＦ上に作製された薄膜試料ＳＡＭをピックアップするだけでなく、ウエハ表面の接触検知センサーや応力センサー等の機能を備えていてもよい。また、薄膜試料ＳＡＭをピックアップするため、プローブの代わりにピンセットが用いられてもよい。

【0050】

なお、図４では、第１光学顕微鏡４０１ａ、第２光学顕微鏡４０２ａを試料室４０７に配置したが、薄膜試料ＳＡＭを観察する目的において顕微鏡の種類は特に限定されない。例えば、一部またはすべての顕微鏡にＳＥＭ装置が用いられてもよい。この場合には、図３と類似の構成が考えられる。例えば、図３のイオンビームカラム３０１ａの代わりに第２電子ビームカラムが試料室３０７に搭載されるような構成が考えられる。また、この場合、ＡＬＴＳ装置２０１で用いられる電子ビームカラムの電子源は電界放出型、ショットキー型、熱電子型のいずれが用いられてもよい。

【0051】

＜ＴＥＭ装置の構成＞
図５は、本発明の実施の形態１に係るＴＥＭ装置の一例を示す概略構成図である。図５のＴＥＭ装置１０２は、ＴＥＭモードで使用することが可能であるし、モードを切り替えることによりＳＴＥＭモードで使用することも可能である。

【0052】

図５に示すように、ＴＥＭ装置１０２は、電子ビームカラム５０１、電子ビームカラム５０１を制御する電子ビームカラム制御器５２１、ＴＥＭ観察用キャリアＣＡＲが載置される試料ホルダ５０３、試料ホルダ５０３を駆動する試料ホルダステージ５０４、試料ホルダステージ５０４を制御するホルダステージ制御器５２４を備えている。

【0053】

また、ＴＥＭ装置１０２は、薄膜試料ＳＡＭから放出される電子を検出する二次電子検出器５０５、二次電子検出器５０５を制御する検出器制御器５２５、透過型電子顕微鏡像を投影する蛍光板５０６、蛍光板５０６を撮像するカメラ５０７、カメラ５０７を制御するカメラ制御器５２７、薄膜試料ＳＡＭから放出されたＸ線を検出するＸ線検出器５０８、Ｘ線検出器５０８を制御するＸ線検出器制御器５２８、ＴＥＭ装置１０２全体の動作を制御する統合コンピュータ５３０を備えている。統合コンピュータ５３０および各制御器は、互いに通信可能である。

【0054】

また、ＴＥＭ装置１０２は、照射条件やホルダステージ５０４の位置等の各種指示を入力するコントローラ（キーボード、マウス等）５３１、ＴＥＭ装置１０２をコントロールするためのＧＵＩ画面５３３やＴＥＭ装置１０２の状態、画像を含む取得した取得した各種情報等を表示する１つまたは複数のディスプレイ５３２を備えている。なお、ＴＥＭ装置１０２の状態や取得した情報等は、ＧＵＩ画面５３３に含まれてもよい。

【0055】

図６は、ＴＥＭモードで使用した場合における電子ビームカラムおよびその周辺の一例を示す概略構成図である。電子ビームカラム５０１は、図６に示すように、電子ビームを発生するための電子源６０１、電子ビームを薄膜試料ＳＡＭに照射するための照射レンズ群６０２、対物レンズ６０３、薄膜試料ＳＡＭを通過後の電子ビームを投影する投影レンズ群６０４等を備えている。また、電子ビームカラム５０１の下方には、電子エネルギー損失分光器（ＥＥＬＳ）６０９、ＥＥＬＳ用検出器６１０等が配置されている。

【0056】

このように、電子ビームカラム５０１およびその周辺にはＴＥＭ装置１０２を用いた解析に必要な要素が全て搭載されている。ＴＥＭモードの場合には、図６に示すように、電子ビームが薄膜試料ＳＡＭ上の観察領域全面に広がって照射され、投影像や干渉像、回折パターン等により試料情報が取得される。

【0057】

図７は、ＳＴＥＭモードで使用した場合における電子ビームカラムおよびその周辺の一例を示す概略構成図である。ＳＴＥＭモードの電子ビームカラム５０１は、図７に示すように、図６の主要な各要素に、電子ビームを走査およびシフトするための偏向系６０５、電子ビームの開き角を制御するための絞り６１１が追加された構成となっている。また、図６の蛍光板５０６に代えて、広角に散乱された透過電子を検出するための円環状検出器６０６、薄膜試料ＳＡＭを透過した電子を検出する透過電子検出器６０７が設けられている。ＳＴＥＭモードの場合、図７に示すように、電子ビームが薄膜試料ＳＡＭ上にフォーカスされ、観察領域を走査することで試料情報が取得される。

【0058】

なお、ＴＥＭモードおよびＳＴＥＭモードにおいて、薄膜試料ＳＡＭの近傍には、コールドトラップが配置されてもよいし、試料ホルダ５０３には、冷却機構や加熱機構、ガス導入機構などが設けられてもよい。

【0059】

＜上位制御装置の構成＞
上位制御装置１０３は、図１に示すように、メモリ１０３ａ、薄膜試料ＳＡＭを作製された薄膜加工領域の位置を検出する位置検出部１０３ｂ、薄膜試料ＳＡＭの厚みを検出する厚み検出部１０３ｃ、薄膜試料ＳＡＭ作製によるダメージ量を検出するダメージ量検出部１０３ｄ、ＦＩＢ制御部１０３ｅを備えている。

【0060】

メモリ１０３ａは、不揮発性メモリやハードディスク等で構成される記憶装置である。メモリ１０３ａには、半導体ウエハＷＡＦや後述するＴＥＭ観察用キャリアＣＡＲに付与れる各ＩＤに対応するＦＩＢ加工条件が保存されている。ＦＩＢ加工条件には、例えば、イオンビームの加速電圧、ビーム電流、半導体ウエハＷＡＦ上の加工領域、加工順序等が含まれる。

【0061】

また、メモリ１０３ａには、各ＩＤに対応するＴＥＭ観察条件が保存されている。ＴＥＭ観察条件には、複数の項目が含まれる。ＴＥＭモードの場合、ＴＥＭ観察条件には、例えば、観察モード（ＴＥＭ画像観察、回折パターン観察、エネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＸ分析）、電子エネルギー損失分光分析（ＥＥＬＳ分析）等）、ＴＥＭ倍率、カメラ長、プローブ電流量（照射系の絞り径の大きさ）等が含まれる。また、ＳＴＥＭモードの場合、ＳＴＥＭ観察条件には、例えば、観察倍率、プローブ径（光学系の縮小率）、試料への照射角、検出器の選択（透過電子検出器、円環状検出器、二次電子検出器等）、検出器の取り込み角等が含まれる。

【0062】

位置検出部１０３ｂ、厚み検出部１０３ｃ、ダメージ量検出部１０３ｄ、およびＦＩＢ制御部１０３ｅは、ハードウェアにより構成されてもよいし、ソフトウェアの実行によりプロセッサ上に実現されるものでもよいし、ハードウェアおよびソフトウェアを組み合わせて構成されたものでもよい。

【0063】

＜薄膜試料およびＴＥＭ観察用キャリアの構成＞
図８は、半導体ウエハ上に作製された薄膜試料の概念図である。ＦＩＢ－ＳＥＭ装置１０１内において、半導体ウエハＷＡＦ上には１つ又は複数の薄膜試料ＳＡＭが作製される。本実施の形態では、薄膜試料ＳＡＭは、半導体ウエハＷＡＦと１つの支持部８０３とで連結されているが、支持部８０３の個数は２つ以上でも構わない。

【0064】

いずれの場合においても、薄膜試料ＳＡＭをピックアップする際、支持部８０３は半導体ウエハＷＡＦから切断される。支持部８０３の切断は、ＦＩＢにより行われてもよいし、ピンセットなどを用いた割断により行われてもよい。また、ＴＥＭ観察領域８０４は周囲よりもさらに薄片化されているが、ＴＥＭ観察が可能な厚さであれば、必ずしも周囲より薄くなくても構わない。

【0065】

半導体ウエハＷＡＦのサイズは一般に１００ｍｍ～３００ｍｍ、薄膜試料ＳＡＭのサイズは数μｍ～数１０μｍ、薄膜試料ＳＡＭの厚みは数μｍ、ＴＥＭ観察領域８０４の厚みは数ｎｍ～数１０ｎｍである。

【0066】

図９は、ＴＥＭ観察用キャリアに搭載された薄膜試料の概略図である。図９（ａ）は、ピラー９１１を有するＴＥＭ観察用キャリアＣＡＲａ（ＣＡＲ）に薄膜試料ＳＡＭが支持されたときの例を示している。薄膜試料ＳＡＭとピラー９１１の固定は、例えばデポジションガスなどを用いて行われる。図９（ａ）では、１つのピラー９１１に１つの薄膜試料ＳＡＭが支持された場合が示されているが、１つのピラー９１１に、複数の薄膜試料ＳＡＭが支持されてもよい。

【0067】

図９（ｂ）は、クリップ形状を有するＴＥＭ観察用キャリアＣＡＲｂ（ＣＡＲ）に、薄膜試料ＳＡＭが把持されたときの例を示している。図９（ｂ）では、複数のピラーで構成されるクリップ９１２により薄膜試料ＳＡＭの両端が把持されているが、薄膜試料ＳＡＭは、一方の端部のみで把持されても構わない。また、クリップ９１２は、縦方向に積み上げられた複数の薄膜試料ＳＡＭを把持しても構わない。

【0068】

図９（ｃ）は、格子状に構成されたＴＥＭ観察用キャリアＣＡＲｃに薄膜試料ＳＡＭが支持されたときの例を示している。具体的に述べると、ＴＥＭ観察用キャリアＣＡＲｃに、例えばラメラ構造を有するカーボン膜や高分子膜等の膜が張られ、この膜上に１つまたは複数の薄膜試料ＳＡＭが支持される。この膜は、均一な膜ではなくてもよいし、多数の孔が空いた膜でも構わない。また、一つの格子に複数の薄膜試料が支持されてもよい。

【0069】

＜半導体解析方法＞
次に半導体解析システム１００を用いた半導体解析方法について説明する。図１０は、本発明の実施の形態１に係る半導体解析方法の一例を示すフロー図である。図１０では、各工程がＦＩＢ－ＳＥＭ装置１０１、上位制御装置１０３、ＴＥＭ装置１０２と対応して示されている。

【0070】

上位制御装置１０３からＦＩＢ－ＳＥＭ装置１０１およびＴＥＭ装置１０２へ指示を送ることで、半導体解析処理が開始される。半導体解析処理が開始されると、まず、半導体ウエハＷＡＦおよびＴＥＭ観察キャリアＣＡＲがＦＩＢ－ＳＥＭ装置１０１内に搬送される（ステップＳ１００１）。

【0071】

そして、ＦＩＢ－ＳＥＭ装置１０１は、搬送された半導体ウエハＷＡＦのＩＤおよびＴＥＭ観察キャリアＣＡＲのＩＤを読み取る（ステップＳ１００２）。これらのＩＤは、例えばバーコードや二次元コード等で構成される。これらのＩＤは、半導体ウエハＷＡＦやＴＥＭ観察キャリアＣＡＲの一部分にレーザ加工等で形成される。そして、ＦＩＢ－ＳＥＭ装置１０１は、読み取ったＩＤを出力することで、対応するＦＩＢ加工条件を上位制御装置１０３へ問い合わせる（ステップＳ１００３）。

【0072】

上位制御装置１０３は、ＦＩＢ－ＳＥＭ装置１０１から出力されるＩＤに基づいてメモリ１０３ａからＦＩＢ加工条件を読み出し（ステップＳ１００４）、読み出したＦＩＢ加工条件をＦＩＢ－ＳＥＭ装置１０１へ出力する（ステップＳ１００５）。

【0073】

ＦＩＢ－ＳＥＭ装置１０１は、上位制御装置から出力されるＦＩＢ加工条件に基づき、薄膜試料作製条件を設定し（ステップＳ１００６）、設定した薄膜試料作製条件に従い薄膜試料ＳＡＭを作製する（ステップＳ１００７）。

【0074】

ＦＩＢ－ＳＥＭ装置１０１は、薄膜試料ＳＡＭの作製後、薄膜試料ＳＡＭをピックアップし、ＴＥＭ観察用キャリアＣＡＲへ搬送する（ステップＳ１００８）。薄膜試料ＳＡＭのピックアップには、例えばプローブユニット３１２が用いられてもよいし、ピンセットが用いられてもよい。

【0075】

その後、ＦＩＢ－ＳＥＭ装置１０１から、ＴＥＭ観察用キャリアＣＡＲが取り出される（ステップＳ１００９）。ＴＥＭ観察用キャリアＣＡＲは、ＦＩＢ－ＳＥＭ装置１０１内で専用のケースに格納された状態で取り出されてもよいし、ＴＥＭ装置１０２に取り付け可能なカートリッジに載置された状態で取り出されてもよい。

【0076】

ＦＩＢ－ＳＥＭ装置１０１から取り出されたＴＥＭ観察用キャリアＣＡＲは、ＴＥＭ装置１０２に搬送される（ステップＳ１０１０）。なお、ＴＥＭ観察用キャリアＣＡＲの搬送、一部または全部を人が行ってもよいし、ロボットが行ってもよい。

【0077】

次に、ＴＥＭ装置１０２は、搬送されたＴＥＭ観察キャリアＣＡＲのＩＤを読み取る（ステップＳ１０１１）。そして、ＴＥＭ装置１０２は、読み取ったＩＤを出力することで、対応するＴＥＭ観察条件を上位制御装置１０３へ問い合わせる（ステップＳ１０１２）。

【0078】

上位制御装置１０３は、ＴＥＭ装置１０２から出力されるＩＤに基づいてメモリ１０３ａからＴＥＭ観察条件を読み出し（ステップＳ１０１３）、読み出したＴＥＭ観察条件をＴＥＭ装置１０２へ出力する（ステップＳ１０１４）。

【0079】

ＴＥＭ装置１０２は、上位制御装置１０３から出力されるＴＥＭ観察条件に基づき、薄膜試料ＳＡＭの観察条件を設定し（ステップＳ１０１５）、ＴＥＭ観察用キャリアＣＡＲを所定の観察位置まで移動させる（ステップＳ１０１６）。そして、ＴＥＭ装置１０２は、設定された観察条件で薄膜試料ＳＡＭの観察を行う（ステップＳ１０１７）。なお、ステップＳ１０１５およびステップＳ１０１６は、処理を行う順序が入れ換わってもよいし、並行して実行されてもよい。ＴＥＭ装置１０２は、薄膜試料ＳＡＭの観察結果を上位制御装置１０３へ出力する（ステップＳ１０１８）。観察結果には、ＴＥＭ画像や各検出器における検出データ等が含まれる。

【0080】

≪薄膜試料に対する評価≫
上位制御装置１０３は、ＴＥＭ装置１０２から出力された観察結果に基づき薄膜試料ＳＡＭに対する評価を行う（ステップＳ１０１９）。以下、薄膜試料ＳＡＭに対する測定方法について詳しく説明する。薄膜試料ＳＡＭに対する評価項目には、例えば薄膜加工領域の位置ずれ量、膜厚の厚みずれ量、ＦＩＢ加工によるダメージ量等が含まれる。

【0081】

まず、薄膜加工領域の位置ずれ量の評価について説明する。薄膜加工領域の位置の測定を行うため、観察領域のＣＡＤデータまたは三次元再構成データを作製し、ＣＡＤデータまたは三次元再構成データに基づいて観察領域の複数箇所における薄膜試料ＳＡＭの形状を参照像として予め作製しておく。なお、三次元再構成データは、ＴＥＭ画像の電子線トモグラフィー法を用いて作製されたものでもよいし、ＦＩＢ加工とＳＥＭ観察とを繰り返し行ながら作製されたものでもよい。

【0082】

上位制御装置１０３の位置検出部１０３ｂは、ＴＥＭ装置１０２から出力されるＴＥＭ画像またはＳＴＥＭ画像（観察結果）と複数の参照像のそれぞれとのマッチングを行い、最も相関値が高い参照像を特定することで薄膜加工領域の位置（薄膜試料ＳＡＭが作製された位置）を検出する。なお、画像マッチングのアルゴリズムは、エッジを強調する方法でもよいし、特徴点を抽出する方法でもよいし、形状情報を用いる方法でもよい。そして、位置検出部１０３ｂは、薄膜加工領域の検出位置と薄膜加工領域の設定位置とを比較し、薄膜加工領域の位置ずれ量を評価結果として算出する。

【0083】

次に、薄膜試料ＳＡＭの膜厚の厚みずれ量の評価について説明する。薄膜試料ＳＡＭの膜厚が厚い場合、観察対象の構造物より奥側に存在する構造物も同時にＴＥＭ画像またはＳＴＥＭ画像に現れるため、上位制御装置１０３の厚み検出部１０３ｃは、ＴＥＭ装置１０２から出力されるＴＥＭ画像またはＳＴＥＭ画像内の構造物の個数を数えることで薄膜試料ＳＡＭの膜厚を算出することができる。なお、構造物が重なる場合も想定されるが、薄膜試料ＳＡＭを傾斜させることでこのような重なりが解消され、薄膜試料ＳＡＭの膜厚を検出することが可能となる。

【0084】

また、ＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭ画像を用いる場合、ＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭ画像のコントラストは、薄膜試料ＳＡＭの膜厚、および薄膜試料ＳＡＭの構成原子に依存するが、観察対象の構成原子は薄膜試料ＳＡＭ内で概ね同様である。このため、厚み検出部１０３ｃは、ＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭ画像の信号強度を算出することで薄膜試料ＳＡＭの膜厚を検出することが可能である。

【0085】

例えば、膜厚と信号強度との関係を予め測定または算出しておき、膜厚と信号強度とを関係付ける膜厚－信号強度情報を、テーブルや関数等にしてメモリ１０３ａに格納しておく。そして、厚み検出部１０３ｃは、膜厚－信号強度情報に基づき、算出した信号強度に対応する薄膜試料ＳＡＭの膜厚を検出する。そして、厚み検出部１０３ｃは、薄膜試料ＳＡＭの検出膜厚と設定膜厚とを比較し、膜厚の厚みずれ量を評価結果として算出する。

【0086】

次に、ＦＩＢ加工によるダメージ量の評価について説明する。ＦＩＢ加工が行われると、薄膜試料ＳＡＭの端部にダメージ層が形成され、結晶部分が非晶質（アモルファス）化してしまう。ＴＥＭ画像またはＳＴＥＭ画像のＦＦＴ（高速フーリエ変換）パターンを観察すると、一般的に、結晶部分がスポットとなり、アモルファス部分が円形状のパターンとなる。このため、円形状のパターンの強度が弱いほどダメージ層が少なく、円形状のパターンの強度が強いほどダメージ層が多いと評価することができる。

【0087】

そこで、例えば、ＴＥＭ画像またはＳＴＥＭ画像のＦＦＴパターンにおける円形状のパターンの強度と、ダメージ層の厚みとの関係を予め測定または算出しておき、円形状のパターンの強度とダメージ層の厚みとを関係付ける円形状パターン強度－ダメージ層情報を、テーブルや関数等にしてメモリ１０３ａに格納しておく。また、メモリ１０３ａには、ダメージ層の厚みとダメージ量とを関係付けるダメージ層厚み－ダメージ量情報が格納される。

【0088】

ダメージ量検出部１０３ｄは、円形状パターン強度－ダメージ層情報に基づき、算出した円形状パターン強度からダメージ層の厚みを算出する。そして、ダメージ量検出部１０３ｄは、ダメージ層厚み－ダメージ量情報に基づき、算出したダメージ層の厚みからダメージ量を算出する。

【0089】

なお、メモリ１０３ａには、円形状のパターンの強度とダメージ量とを関係付けるパターン強度－ダメージ量情報が格納されてもよい。この場合、ダメージ量検出部１０３ｄは、パターン強度－ダメージ量情報に基づき、円形状のパターンの強度からダメージ量を直接算出することができる。

【0090】

次に、ステップＳ１０２０について説明する。ステップＳ１０２０では、ステップＳ１０１９における評価結果に基づき、ＦＩＢ加工条件の更新が行われる。

【0091】

《ＦＩＢ加工条件の更新》
ステップＳ１０２０では、ステップＳ１０１９の評価結果に基づきＦＩＢ加工条件の更新を行う。図１１は、ＦＩＢ加工条件の更新方法を説明する図である。図１１（ａ）は、薄膜加工領域の位置ずれ量に基づくＦＩＢ加工条件の更新方法を説明する図である。図１１（ｂ）は、薄膜試料の膜厚に基づくＦＩＢ加工条件の更新方法を説明する図である。図１１（ｃ）および図１１（ｄ）は、ＦＩＢ加工によるダメージ量に基づくＦＩＢ加工条件の更新方法を説明する図である。

【0092】

まず、薄膜加工領域の位置ずれ量に基づくＦＩＢ加工条件の更新方法について説明する。薄膜加工領域の位置ずれ量が所定の位置ずれ量判定閾値より小さい場合、ＦＩＢ制御部１０３ｅは、薄膜加工領域の位置を修正する必要はないと判断し、ＦＩＢ加工条件の更新は行わない。一方、薄膜加工領域の位置ずれ量が所定の位置ずれ量判定閾値以上である場合、ＦＩＢ制御部１０３ｅは、薄膜加工領域の位置を修正する必要があると判断し、ＦＩＢ加工条件の更新を行う。

【0093】

図１１（ａ）に示す薄膜試料ＳＡＭでは、薄膜加工領域ＡＲＥ１、ＡＲＥ２でＦＩＢ加工が行われている。一方、薄膜加工領域ＡＲＥ１、ＡＲＥ２に対応するそれぞれの設定された薄膜加工領域はＡＲＥ１１、ＡＲＥ１２である。

【0094】

ＦＩＢ制御部１０３ｅは、例えば、設定された薄膜加工領域ＡＲＥ１１に対する薄膜加工領域ＡＲＥ１の位置ずれ量が位置ずれ量判定閾値以上である場合、後続の半導体ウエハＷＡＦにおいて、薄膜加工領域ＡＲＥ１が設定された薄膜加工領域はＡＲＥ１１となるよう、ＦＩＢ加工条件を更新する。すなわち、位置検出部１０３ｂは、薄膜加工領域ＡＲＥ１を算出した位置ずれ量の分シフトさせるようＦＩＢ加工条件を更新する。

【0095】

また、薄膜加工領域ＡＲＥ１２についても同様であり、ＦＩＢ制御部１０３ｅは、例えば、設定された薄膜加工領域ＡＲＥ１２に対する薄膜加工領域ＡＲＥ２の位置ずれ量が位置ずれ量判定閾値以上である場合、後続の半導体ウエハＷＡＦにおいて、薄膜加工領域ＡＲＥ２が設定された薄膜加工領域ＡＲＥ１２となるようＦＩＢ加工条件を更新する。

【0096】

また、１つの薄膜試料ＳＡＭの複数の薄膜加工領域（例えばＡＲＥ１、ＡＲＥ２）において位置ずれ量の判定が行われる場合、ＦＩＢ制御部１０３ｅは、図１１（ａ）のように、同じ方向に各薄膜加工領域をシフトさせるようにＦＩＢ加工条件を更新してもよいし、互いに異なる方向に薄膜加工領域をシフトさせるようにＦＩＢ加工条件を更新してもよい。

【0097】

なお、同じ方向にそれぞれの薄膜加工領域をシフトさせる場合、すべての薄膜加工領域のシフト量を同じにしてもよい。例えば、すべての薄膜加工領域の位置ずれ量の平均値を位置検出部１０３ｂまたはＦＩＢ制御部１０３ｅにおいて算出し、この平均値をシフト量としてもよいし、すべての薄膜加工領域の位置ずれ量の最大値または最小値をシフト量としてもよい。なお、図１１（ａ）では、２つの薄膜加工領域ＡＲＥ１、ＡＲＥ２のみが示されているが、加工領域の個数は特に制限されない。

【0098】

次に、薄膜試料ＳＡＭの膜厚の厚みずれ量に基づくＦＩＢ加工条件の更新方法について説明する。厚み検出部１０３ｃで算出された薄膜試料ＳＡＭの膜厚の厚みずれ量が所定の厚みずれ量判定閾値より小さい場合、ＦＩＢ制御部１０３ｅは、薄膜試料ＳＡＭの膜厚を修正する必要はない判断し、ＦＩＢ加工条件の更新を行わない。一方、薄膜試料ＳＡＭの膜厚の厚みずれ量が厚みずれ量判定閾値以上である場合、ＦＩＢ制御部１０３ｅは、薄膜試料ＳＡＭの膜厚を修正する必要があると判断し、ＦＩＢ加工条件の更新を行う。

【0099】

図１１（ｂ）に示す薄膜試料ＳＡＭでは、薄膜加工領域ＡＲＥ３、ＡＲＥ４でＦＩＢ加工が行われている。一方、薄膜試料ＳＡＭが設定された膜厚に加工されるときの設定された薄膜加工領域は、例えばＡＲＥ１３、ＡＲＥ１４あるいはその付近である。図１１（ｂ）では、薄膜加工領域ＡＲＥ３、ＡＲＥ４が、設定された薄膜加工領域ＡＲＥ１３、ＡＲＥ１４よりも外側にずれている。このため、厚み検出部１０３ｃにおいて算出される薄膜試料ＳＡＭの膜厚の厚みずれ量は、厚みずれ量判定閾値以上となっている。

【0100】

そこで、ＦＩＢ制御部１０３ｅは、２つの薄膜加工領域ＡＲＥ３、ＡＲＥ４が互いに接近するように薄膜加工領域をシフトさせるようにＦＩＢ加工条件を更新する。このとき、それぞれの薄膜加工領域ＡＲＥ３、ＡＲＥ４のシフト量は、例えば算出した厚みずれ量の半分ずつとしてもよい。

【0101】

一方、薄膜試料ＳＡＭの膜厚の厚みが薄い（小さい）ために厚みずれ量が厚みずれ量判定閾値より大きくなった場合、ＦＩＢ制御部１０３ｅは、２つの薄膜加工領域ＡＲＥ３、ＡＲＥ４が互いに遠ざかるようにＦＩＢ加工条件を更新すればよい。この場合も、薄膜加工領域ＡＲＥ３、ＡＲＥ４のシフト量を、例えば算出した厚みずれ量の半分ずつとしてもよい。なお、図１１（ｂ）では、２つの薄膜加工領域ＡＲＥ３、ＡＲＥ４のみが示されているが、加工領域の個数は特に制限されない。

【0102】

次に、ＦＩＢ加工によるダメージ量に基づくＦＩＢ加工条件の更新方法について説明する。ダメージ量検出部１０３ｄで算出されたダメージ量が所定のダメージ量判定閾値より小さい場合、ＦＩＢ制御部１０３ｅは、ＦＩＢ加工条件を更新する必要はない判断する。一方、ダメージ量がダメージ量判定閾値以上である場合、ＦＩＢ制御部１０３ｅは、薄膜加工領域の位置を修正する必要があると判断し、ＦＩＢ加工条件の更新を行う。

【0103】

ＦＩＢ加工による薄膜試料ＳＡＭへのダメージを少なくするためには加速電圧を低くして仕上げ加工を行うことが有効である。このため、ＦＩＢ制御部１０３ｅは、薄膜試料ＳＡＭに対する仕上げ加工領域を、図１１（ｃ）に示すようなＡＲＥ５、ＡＲＥ６に設定し、これらの仕上げ加工領域ＡＲＥ５、ＡＲＥ６に対する加速電圧を低くするようＦＩＢ加工条件を更新する。

【0104】

あるいは、ＦＩＢ制御部１０３ｅは、図１１（ｄ）に示すように、仕上げ加工前の２つの薄膜加工領域ＡＲＥ７、ＡＲＥ８が予め設定された距離だけ遠ざかるよう、それぞれの薄膜加工領域ＡＲＥ７、ＡＲＥ８を薄膜加工領域ＡＲＥ１７、ＡＲＥ１８へシフトさせるようＦＩＢ加工条件を変更する。さらに、ＦＩＢ制御部１０３ｅは、図１１（ｃ）に示すような低加速電圧で仕上げ加工を行うようＦＩＢ加工条件を変更する。低加速電圧に対応する仕上げ加工領域は、例えば、薄膜加工領域ＡＲＥ１７、ＡＲＥ１８を覆うように設定されてもよいし、少なくとも薄膜試料ＳＡＭの表面や裏面を覆うように設定されてもよい。

【0105】

低加速電圧で仕上げ加工される領域を増やすことで、加工ダメージ量を小さくすることができる。図１１（ｃ）、図１１（ｄ）には２つの加工領域のみが示されているが、加工領域の個数は特に制限されない。

【0106】

上位制御装置１０３は、メモリ１０３ａに格納されたＦＩＢ加工条件を、更新したＦＩＢ加工条件に書き換え。また、上位制御装置１０３は、更新したＦＩＢ加工条件をＦＩＢ－ＳＥＭ装置１０１へ出力する。ＦＩＢ－ＳＥＭ装置１０１は、ＦＩＢ加工条件を上位制御装置１０３から出力されたＦＩＢ加工条件に変更する。

【0107】

なお、本実施の形態では、例えば図２、図４で説明したＡＬＴＳ装置２０１を用いて半導体ウエハＷＡＦからＴＥＭ観察用キャリアＣＡＲへの薄膜試料ＳＡＭの移し替えや、薄膜試料ＳＡＭの観察を行ってもよい。上位制御装置１０３は、ＡＬＴＳ装置２０１およびＴＥＭ装置１０２の観察結果に基づいてＦＩＢ加工条件の更新を行うことが可能である。

【0108】

＜本実施の形態による主な効果＞
本実施の形態によれば、上位制御装置１０３は、ＴＥＭ画像に基づく薄膜試料ＳＡＭに対する評価を行い、薄膜試料ＳＡＭの評価結果に基づいて加工条件を更新する。この構成によれば、ＴＥＭ装置１０２による薄膜試料ＳＡＭの観察結果をＦＩＢ－ＳＥＭ装置１０１へフィードバックしてＦＩＢ加工条件を変更することができるので、後続の半導体ウエハＷＡＦにおける薄膜試料自動作製の精度向上および薄膜試料自動観察の精度を向上させることが可能となる。

【0109】

具体的に述べると、薄膜試料の作製位置に位置ずれが生じていた場合、ＴＥＭ観察領域を探索するのに時間を要して目的時間内に自動観察が完了しない場合や、観察対象そのものが失われてしまうことで自動観察が失敗してしまうことがあった。また、同一の半導体ウエハ上に作製された薄膜試料にも、同様の位置ずれが生じていると考えられる。そのような場合、先行の薄膜試料において得られた位置ずれ量を、後続の薄膜試料のＦＩＢ加工にフィードバックすることで、観察領域の探索時間短縮や、正常に観察対象を薄膜化できることにより自動観察の成功率を向上させることができる。

【0110】

また、本実施の形態によれば、上位制御装置１０３は、ＴＥＭ画像から薄膜試料ＳＡＭにおける薄膜加工領域の位置を検出し、薄膜加工領域の検出位置と薄膜加工領域の設定位置とを比較し、設定位置に対する検出位置の位置ずれ量を薄膜試料の評価結果として算出する。この構成によれば、評価結果に基づき加工領域の修正を行うことが可能となる。

【0111】

また、本実施の形態によれば、上位制御装置１０３は、薄膜加工領域の位置ずれ量が位置ずれ量判定閾値以上である場合、加工条件を更新する。この構成によれば、ＦＩＢ加工条件の更新回数を低減することができる。

【0112】

また、本実施の形態によれば、上位制御装置１０３は、ＴＥＭ画像から薄膜試料ＳＡＭの膜厚を検出し、薄膜試料ＳＡＭの検出膜厚と設定膜厚とを比較し、設定膜厚に対する検出膜厚の厚みずれ量を評価結果として算出する。この構成によれば、評価結果に基づき加工領域ひいては膜厚の修正を行うことが可能となる。

【0113】

また、本実施の形態によれば、上位制御装置１０３は、検出膜厚の厚みずれ量が厚みずれ量判定閾値以上である場合、加工条件を更新する。この構成によれば、ＦＩＢ加工条件の更新回数を低減することができる。

【0114】

また、本実施の形態によれば、上位制御装置１０３は、ＴＥＭ画像から加工よる薄膜試料ＳＡＭのダメージ量を評価結果として算出する。この構成によれば、評価結果に基づき加速電圧の修正等を行うことが可能となる。

【0115】

また、本実施の形態によれば、上位制御装置１０３は、薄膜試料ＳＡＭのダメージ量がダメージ量判定閾値以上である場合、加工条件を更新する。例えば、上位制御装置１０３は、加速電圧を低くするよう加工条件を更新する。この構成によれば、ＦＩＢ加工条件の更新回数を低減することができる。

【0116】

また、本実施の形態によれば、ＴＥＭ装置１０２は、ＳＴＥＭ画像を取得する。この構成によれば、ＴＥＭ画像では取得できない画像を取得することができ、薄膜試料ＳＡＭに対するより正確な評価が可能となる。

【0117】

（実施の形態２）
次に、実施の形態２について説明する。なお、以下では、前述の実施の形態と重複する箇所については原則として説明を省略する。

【0118】

薄膜加工時はＳＥＭ画像を用いて終点検知が行われるが、デバイスの微細化に伴いＦＩＢ薄膜加工後、実際にＴＥＭ装置を用いて観察を行うまで加工終点の検知が上手くいったかどうかを判断することが難しい。そこで、本実施の形態では、ＴＥＭ画像を用いて薄膜試料の良否判定を行い、ＴＥＭ画像（またはＳＴＥＭ画像）と加工終点でのＳＥＭ画像とを対応させて学習器で学習させることで加工終点の検知精度を向上させる。

【0119】

図１２は、本発明の実施の形態２に係る半導体解析システムを説明する図である。本実施の形態の上位制御装置１０３は、図１の構成に加え判定器１２０１、学習器１２０２、加工制御部１２０３を備えている。

【0120】

判定器１２０１は、ＴＥＭ装置１０２から出力されるＦＩＢ加工後（すなわち薄膜試料ＳＡＭ作製後）のＴＥＭ画像（ＳＴＥＭ画像）に基づき薄膜試料ＳＡＭ対するＦＩＢ加工の加工終点検知の良否判定処理（第１良否判定処理）を行う機能ブロックである。図１２に示すように、判定器１２０１は、それぞれの薄膜試料ＳＡＭのＴＥＭ画像（ＳＴＥＭ画像）に基づき、それぞれの薄膜試料ＳＡＭに対する加工終点検知の良否判定結果（第１良否判定結果）を学習器１２０２へ出力する。判定器１２０１は、ハードウェアやソフトウェアで構成されてもよいし、ハードウェアとソフトウェアとを組み合わせて構成されてもよい。

【0121】

学習器１２０２は、判定器１２０１における加工終点検知の良否判定結果と、ＦＩＢ－ＳＥＭ装置１０１におけるＳＥＭ画像とを対比することで加工終点検知を行うための学習モデルを生成する機能ブロックである。なお、図１２には第３薄膜試料までの入力データを用いた学習が例示されているが、入力データの個数はこれに限定されない。学習器は、ハードウェアやソフトウェアで構成されてもよいし、ハードウェアとソフトウェアとを組み合わせて構成されてもよい。また、学習器１２０２は、例えばＡＩ（Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ）で構成されてもよい。ＡＩにより、ディープラーニングなどを利用した機械学習が実現される。

【0122】

加工制御部１２０３は、ＦＩＢ加工に関わる処理を行う機能ブロックである。加工制御部１２０３は、例えば上位制御装置１０３の制御を行う制御部（図示は省略）に含まれてもよいし、制御部とは別体で設けられてもよい。

【0123】

＜学習モデルの更新方法＞
図１３は、本発明の実施の形態２に係る学習データの更新方法の一例を示すフロー図である。図１３においても、各工程がＦＩＢ－ＳＥＭ装置１０１、上位制御装置１０３、ＴＥＭ装置１０２と対応して示されている。

【0124】

ステップＳ１００１～Ｓ１００６は、図１０と同様である。ステップＳ１００６の後はステップＳ１３０１が実行される。ステップＳ１３０６では、ステップＳ１００６において設定された加工条件により薄膜加工（すなわち薄膜試料作製）が行われる。

【0125】

ステップＳ１３０２において、ＦＩＢ－ＳＥＭ装置１０１は、ステップＳ１３０１における薄膜加工を行いつつ、薄膜加工が行われている領域のＳＥＭ画像を取得し（ステップＳ１３０２）、取得したＳＥＭ画像を上位制御装置１０３へ出力する（ステップＳ１３０３）。

【0126】

ステップＳ１３０４において、上位制御装置１０３の加工制御部１２０３は、ＦＩＢ－ＳＥＭ装置１０１から出力されたＳＥＭ画像に基づき加工終点の判定を行う。加工終点の判定は、ＳＥＭ画像と予め準備された参照画像とのマッチングにより行われる。これらの画像がマッチしない場合（ＮＯ）、加工制御部１２０３は、薄膜加工が不十分であると判断し、加工位置をシフトさせて加工を継続するようＦＩＢ－ＳＥＭ装置１０１へ指示する。そして、ステップＳ１３０１～Ｓ１３０３が再度実行される。

【0127】

一方、ステップＳ１３０４において、これらの画像がマッチする場合（ＹＥＳ）、加工制御部１２０３は、薄膜加工が十分であると判断し薄膜加工を終了させる。また、加工制御部１２０３は、このときのＳＥＭ画像を加工終点画像としてメモリ１０３ａに格納する（ステップＳ１３０５）。また、加工制御部１２０３は、加工終点画像（ＳＥＭ画像）をＦＩＢ－ＳＥＭ装置１０１へ出力する（ステップＳ１３０６）。

【0128】

ステップＳ１００８～Ｓ１０１９は、図１０同様である。ステップＳ１０１８において、ＴＥＭ装置１０２は、薄膜加工後の複数の薄膜試料ＳＡＭのＴＥＭ画像（ＳＴＥＭ画像）を入力データとして上位制御装置１０３へ出力する。そして、ステップＳ１０１９において、上位制御装置１０３は、ＴＥＭ画像（ＳＴＥＭ画像）に基づく、複数の薄膜試料ＳＡＭに対する評価を行う。ステップＳ１０１９の後は、ステップＳ１３０７が実行される。

【0129】

ステップＳ１３０７において、上位制御装置１０３、ステップＳ１０１９における評価結果に基づき、ＴＥＭ画像ごとに加工終点検知の良否を判定し、学習データの更新を行う。なお、ステップＳ１０１９における評価項目は、例えば薄膜加工領域の位置（位置ずれ量）、薄膜試料ＳＡＭの膜厚の厚みずれ量、薄膜加工によるダメージ量等である。

【0130】

まず、判定器１２０１は、ＴＥＭ装置１０２から出力されるＴＥＭ画像を用いて薄膜試料ＳＡＭごとに加工終点検知の良否判定処理（第１良否判定処理）を行い、良否判定結果（第１良否判定結果）を学習器１２０２へ出力する。また、学習器１２０２には、各ＴＥＭ画像に対応するＳＥＭ画像が入力される。ただし、このＳＥＭ画像は、参照画像とマッチしたＳＥＭ画像であり、メモリ１０３ａに格納されているので、学習器１２０２は、メモリ１０３ａから良否判定が行われたＴＥＭ画像に対応するＳＥＭ画像を必要に応じて読み出してもよい。

【0131】

学習器１２０２は、入力されたＴＥＭ画像とＳＥＭ画像とを対応させ、加工終点検知が良好であると判定されたＴＥＭ画像とＳＥＭ画像とを対応させることで、加工終点の検知が成功した場合の状態を学習する。一方、学習器１２０２は、加工終点検知が良好ではないと判定されたＴＥＭ画像とＳＥＭ画像とを対応させることで、加工終点の検知が失敗した場合の状態を学習する。このような学習を繰り返し行うことで、学習器１２０２は、学習モデルを更新する。

【0132】

＜学習モデルを用いた加工終点検知の判定＞
図１４は、学習モデルを用いた加工終点検知の判定方法を説明する図である。図１４には、説明の便宜上、ＦＩＢ－ＳＥＭ装置１０１および上位制御装置１０３のみが示されている。

【0133】

薄膜加工（薄膜試料ＳＡＭの作製）を行う際、ＦＩＢ－ＳＥＭ装置１０１は、薄膜加工時のＳＥＭ画像を、学習モデルを持つ学習器１２０２へ出力する。

【0134】

例えば、ステップＳ１３０４において、学習器１２０２は、学習モデルを用い、ＦＩＢ－ＳＥＭ装置１０１から出力されたＳＥＭ画像に対する加工終点検知の良否判定処理（第２良否判定処理）を行う。そして、学習器１２０２は、このＳＥＭ画像に基づく薄膜試料ＳＡＭに対する加工終点検知の良否判定結果（第２良否判定結果）を加工制御部１２０３へ出力する。そして、加工制御部１２０３は、加工終点検知の良否判定結果に基づき、加工継続または加工終了の指示をＦＩＢ－ＳＥＭ装置１０１に対して行う。具体的には、良否判定結果が否定的な内容の場合、加工制御部１２０３は、ＦＩＢ－ＳＥＭ装置１０１にＦＩＢ加工を継続させる。一方、良否判定結果が肯定的な内容の場合、加工制御部１２０３は、ＦＩＢ－ＳＥＭ装置１０１にＦＩＢ加工を終了させる。

【0135】

＜本実施の形態による主な効果＞
本実施の形態では、前述の実施の形態における効果に加え、以下の効果が得られる。本実施の形態によれば、学習器１２０２は、学習モデルを用いてＳＥＭ画像に基づく薄膜試料ＳＡＭに対する加工終点検知の良否判定処理（第２良否判定処理）を行い、加工制御部１２０３は、学習器１２０２における加工終点検知の良否判定結果に基づき、加工継続または加工終了の指示を前記加工装置に対して行う。

【0136】

薄膜加工時に通常行われているＳＥＭ画像による終点検知では、デバイスの微細化に伴い、実際にＴＥＭ装置１０２で観察を行うまで加工終点検知が上手くいったかどうか判断することが難しいが、ＴＥＭ観察の結果を学習データとして学習器１２０２に学習させることで、薄膜加工時のＳＥＭ画像による終点検知精度を向上させることが可能となる。

【0137】

なお、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。また、ある実施の形態の構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施の形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。

【0138】

また、各実施の形態の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることが可能である。なお、図面に記載した各部材や相対的なサイズは、本発明を分かりやすく説明するため簡素化・理想化しており、実装上はより複雑な形状となる場合がある。

【符号の説明】

【0139】

１００、２００…半導体解析システム、１０１…ＦＩＢ－ＳＥＭ装置、１０２…ＴＥＭ装置、１０３…上位制御装置、２０１…ＡＬＴＳ装置、１２０１…判定器、１２０２…学習器、１２０３…加工制御部、ＣＡＲ…ＴＥＭ観察用キャリア、ＳＡＭ…薄膜試料、ＷＡＦ…半導体ウエハ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】