(57)【要約】【課題】半導体素子を構成する半導体層又は絶縁膜などの積層膜を分析するときに、その積層膜における２以上の膜が同じ元素を構成成分としていても良好な分析をすることができる半導体素子の分析方法を提供する。【解決手段】積層膜１０を有する半導体素子を用意する工程と、積層膜１０を構成する第１から第５絶縁膜１１，１２，１３，１４，１５のうち被観察面６０を有する第４絶縁膜１４に隣接する第２絶縁膜１２、第３絶縁膜１３及び第５絶縁膜１５に、区画穴を形成する工程と、区画穴に既知の成分からなる所望物質を埋設して第１から第４区画金属膜８１，８２，８３，８４を設ける工程と、被観察面６０に光又は電子線を照射し、被観察面６０から放射される散乱光又は電子によって被観察面６０を分析する工程とを有することを特徴とする。【選択図】      図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層膜を有する半導体素子を用意する工程と、
前記積層膜を構成する複数の膜のうち、被観察面を有する膜に隣接する膜に、区画穴を形成する工程と、
前記区画穴に既知の成分からなる所望物質を埋設する工程と、
前記被観察面に光及び電子線のうちの少なくとも一方を照射し、該被観察面から放射される散乱光及び電子のうちの少なくとも一方によって前記被観察面を分析する工程とを有することを特徴とする半導体素子の分析方法。
【請求項２】
前記所望物質は、金属物質であることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の分析方法。
【請求項３】
前記区画穴は、前記被観察面を囲むように形成し、
前記埋設する工程は、前記区画穴に前記所望物質を埋設して、前記被観察面と前記隣接する膜とを該所望物質によって区画することを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体素子の分析方法。
【請求項４】
前記被観察面を有する膜と前記隣接する膜とは、同一の元素を含んでいることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の半導体素子の分析方法。
【請求項５】
前記分析する工程は、前記被観察面にレーザを照射し、該被観察面から放射されるラマン散乱光を観察することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の半導体素子の分析方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子の分析方法に係り、詳細には半導体素子を構成する半導体層又は絶縁膜などの積層膜の分析方法に関し、特に同じ元素を構成成分とする複数層からなる積層膜の分析に適する半導体素子の分析方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子を構成する半導体層又は絶縁層などを分析する方法としては、レーザラマン分光分析方法が知られている。レーザラマン分光分析方法とは、次のような分析方法である。すなわち、被分析試料に単色光（レーザ）が照射されると入射光と同じ波長のレーリー散乱光と入射光とは異なる波長のラマン散乱光とが散乱する。
【０００３】
ここで、ラマン散乱光は、その物質を構成している分子の振動及び回転に基づいて決まる固有の波長（振動数）だけ入射光とずれた波長（振動数）をもって現れる。このように、ラマン散乱光はその試料を構成する分子固有のものとなるから、レーザラマン分光分析方法によれば試料の物質構造を解析することが可能となる。なお、半導体素子を構成する半導体層又は絶縁層などを分析する方法としてはオージェ分析方法もある。しかし、オージェ分析方法では、試料を構成する元素を特定することはできるが、分子構造までは特定できない。
【０００４】
そして、レーザラマン分光分析方法では、ラマン散乱光は極めて弱い光であるため、モノクロメータなどを使用してレーリー散乱光を除去し、回折格子によって分光して物質のラマンスペクトルを得る。また、近年では、顕微鏡を組み合わせることによって、試料の微細領域にレーザを照射することが可能となっており、半導体プロセス工程中で発生する異物の分析等にも利用されている。
【０００５】
さらに、半導体薄膜中の電子濃度の測定又は半導体基板の欠陥評価にもレーザラマン分光分析方法を使用する試みがあり、これらについては下記特許文献１及び特許文献２に開示されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平９−２４３５６９号公報
【特許文献２】
特開平１１−３３７４９０号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年の半導体素子の構造においては、半導体素子の高集積化などに伴い、同元素を含む層が積層されることが多い。そして、上述のレーザラマン分光分析方法によって、半導体素子の半導体層又は絶縁層などの積層膜を構成する特定の単層について分析したい場合がある。このとき、その分析したい単層（単膜）に隣接している層であって、その単層に含まれている元素と同じ元素（同元素）を含む層が存在しているときには、良好なレーザラマン分光分析ができないという問題点が生じる。
【０００８】
これは、レーザラマン分光分析において、分析したい単層から放射されるレーリー散乱光と共に、隣接している層から放射されるレーリー散乱光が検出され、分析すべき単層の固有スペクトルが同元素のピークスペクトルに埋もれてしまうからである。
【０００９】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、半導体素子を構成する半導体層又は絶縁膜などの積層膜を分析するときに、その積層膜における２以上の膜が同じ元素を構成成分としていても良好な分析をすることができる半導体素子の分析方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために本発明の半導体素子の分析方法は、積層膜を有する半導体素子を用意する工程と、前記積層膜を構成する複数の膜のうち被観察面を有する膜に隣接する膜に、区画穴を形成する工程と、前記区画穴に既知の成分からなる所望物質を埋設する工程と、前記被観察面に光及び電子線のうちの少なくとも一方を照射し、該被観察面から放射される散乱光及び電子のうちの少なくとも一方によって前記被観察面を分析する工程とを有することを特徴とする。本発明によれば、被観察面を有する膜に対して隣接する膜に穴（区画穴）を形成し、その区画穴に既知の所望物質を埋設してから被観察面に向けて光などを照射してその被観察面を分析するので、隣接する膜（層）の影響を抑えて、被観察面の膜について良好に分析することができる。これは、被観察面に隣接する部分には所望物質を埋設するので、その所望物質から放射される光などが被観測面についての分析に影響を与えないように、その所望物質を選定することができるからである。したがって、本発明によれば、被観察面を有する膜が極めて薄い膜であって、その被観察面内にのみ光又は電子線を照射することが困難な場合であっても、その被観察面を有する膜について良好に分析することができる。
【００１１】
また、本発明の半導体素子の分析方法は、前記所望物質が金属物質であることが好ましい。
本発明によれば、例えば、被観察面に向けてレーザを照射したときに、そのレーザが被観測面に隣接する所望物質（金属）に当たっても、その金属からはラマン散乱光など実質的に出ないので、その被観察面を有する膜についてレーザラマン分光分析方法などにより良好に分析することができる。
【００１２】
また、本発明の半導体素子の分析方法は、前記区画穴が前記被観察面を囲むように形成され、前記埋設する工程は、前記区画穴に前記所望物質を埋設して、前記被観察面と前記隣接する膜とを該所望物質によって区画することが好ましい。本発明によれば、被観察面を囲むように所望物資を埋設するので、被観察面と他の膜とを所望物質に間において区画することができる。そこで、本発明によれば、その被観察面を有する膜について良好に高精度に分析することができる。
【００１３】
また、本発明の半導体素子の分析方法は、前記被観察面を有する膜と前記隣接する膜とが同一の元素を含んでいることが好ましい。
本発明によれば、被観察面を有する膜とこの膜に隣接する膜とが同一の元素を含んでいても、被観察面に隣接する部分には所望物質を埋設するので、被観察面から放射された光又は電子線についての情報が被観察面に隣接する部分から放射される光又は電子線についての情報に埋もれてしまうということを回避することができる。
【００１４】
また、本発明の半導体素子の分析方法は、前記分析する工程において、前記被観察面にレーザを照射し、該被観察面から放射されるラマン散乱光を観察することが好ましい。
本発明によれば、例えば、レーザラマン分光分析方法などを用いて被観察面を有する膜について分析する場合に、被観察面に隣接する部分からの反射スペクトルを実質的に無くすことができるので、その被観察面を有する膜について、隣接する膜の影響を回避して良好に分析することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態に係る半導体素子の分析方法について、半導体素子の表面保護膜（絶縁膜）をレーザラマン分光分析する場合に適用した例を挙げて説明する。図１は、被分析試料としての半導体素子の一例を示す模式断面図である。
【００１６】
被分析試料としての半導体素子は、図１に示すように、シリコン単結晶基板からなる半導体基板１と、半導体基板１の上面に形成された複数の絶縁膜からなる積層膜１０とを有している。なお、実際の半導体素子では、半導体基板内に周知の不純物拡散及びエピタキシー成長などによって形成された複数の半導体領域が形成されている。また、半導体基板１の上面及び下面には、金属膜からなる電極及び配線導体などが形成されているが、図１ではこれらは省略している。
【００１７】
積層膜１０は、半導体基板１の上面に形成されており、半導体基板１側から順番に、シリコン酸化膜からなる第１絶縁膜１１と、多結晶シリコン酸化膜からなる第２絶縁膜１２と、ボロン及びリンがドープされたシリコン酸化膜からなる第３絶縁膜１３と、リンがドープされたシリコン酸化膜からなる第４絶縁膜１４と、ポリイミド系樹脂からなる第５絶縁膜１５とを有している。
【００１８】
これらの第１から第５絶縁膜１１，１２，１３，１４，１５の厚みを例示すると、次のとおりである。
第１絶縁膜１１は１μｍ
第２絶縁膜１２は０．０５μｍ
第３絶縁膜１３は０．０５μｍ
第４絶縁膜１４は０．０５μｍ
第５絶縁膜１５は３μｍ
【００１９】
そして、例えば第１絶縁膜１１は周知の熱酸化処理により形成され、第２から第５絶縁膜は周知のＣＶＤ（化学的気相成長方法）によって形成されたものである。しかし、これら以外の方法で形成されたものであってもよい。
本実施形態では、積層膜１０の構成膜である第４絶縁膜１４の構造を特定（分析）するためにレーザラマン分光分析方法を使用する。すなわち、第４絶縁膜１４を被観察面とする。
【００２０】
次に、図１に示す被分析試料について、本実施形態に係る半導体素子の分析方法によりレーザラマン分光分析を行うときの工程を説明する。図２は本半導体素子の分析方法における第１工程を示す半導体素子の模式斜視図である。先ず、図２に示すように、半導体基板１などを有してなる半導体素子を厚さ方向（図２の矢印方向）に切断し、短冊上のペレット３０を作成する。このペレット３０の切断面には、図１に示すように分析すべき第４絶縁膜を含む積層膜１０と、半導体基板１との切断面が露出している。なお、この第１工程における半導体素子の切断加工では、ダイシングソー２０と呼ばれる極薄のブレード（刃）で半導体素子を切断する既存のダイシング技術などを使用する。
【００２１】
次いで、本半導体素子の分析方法における第２工程について説明する。図３は本半導体素子の分析方法における第２工程を示すペレット３０の模式斜視図である。図４は図３に示すペレット３０の側面図である。第２工程では、図３及び図４に示すように、ＦＩＢ加工（集束イオンビーム加工）によって、短冊上のペレット３０における被観察部分３２とするところ、すなわち積層膜１０の部分について断面加工を施す。
【００２２】
具体的には、ペレット３０における積層膜１０を含む切断面３１における積層膜１０部分のみに、又は積層膜１０部分と半導体基板１の上面とを含む部分に、スパッタリングを施し、ペレット３０の切断面３１に凹部（角穴）３２を形成する。これにより、凹部３２の底面３３には、分析すべき第４絶縁膜１４を含む積層膜１０が露出する。
【００２３】
このように、第２工程においてＦＩＢ加工を施すことにより、凹部３２の底面３３に露出した第１から第５絶縁膜１１，１２，１３，１４，１５それぞれの表面が均一化し、かつそれらの表面における異物が除去されるので、後述するレーザラマン分光分析をさらに良好に行うことができる。なお、この第２工程は、必ず行わなければならないものではなく、省略することも可能である。
【００２４】
図５は、第２工程により形成された凹部３２の底面３３を示す模式図である。図５に示すように凹部３２の底面３３には、シリコン酸化膜からなる第１絶縁膜１１と、多結晶シリコン酸化膜からなる第２絶縁膜１２と、ボロン及びリンがドープされたシリコン酸化膜からなる第３絶縁膜１３と、リンがドープされたシリコン酸化膜からなる第４絶縁膜１４と、ポリイミド系樹脂からなる第５絶縁膜１５とが露出している。
【００２５】
次いで、本半導体素子の分析方法における第３工程について説明する。図６は本半導体素子の分析方法における第３工程を示すペレット３０における凹部３２の底面３３を示す模式図である。第３工程では、凹部３２の底面３３に露出した第４絶縁膜１４において分析部分（被観察面６０）を特定し、この被観察面６０に隣接する第５絶縁膜１５、第３絶縁膜１３及び第２絶縁膜１２にＦＩＢ加工を施して、第１区画穴６１と第２区画穴６２とを設ける。
【００２６】
第１区画穴６１は、第４絶縁膜１４の被観察面６０における一方の辺である第１縁部７１に沿うように第５絶縁膜１５に形成されている。第２区画穴６２は、第４絶縁膜１４の被観察面６０における他方の辺である第２縁部７２に沿うように第３及び第２絶縁膜１３，１２に形成されている。
【００２７】
さらに、第４絶縁膜１４における被観察面６０の両側にもＦＩＢ加工を施し、第４絶縁膜１４における被観察面６０の両側に第３区画穴６３と第４区画穴６４とを設ける。これらにより、第４絶縁膜１４の被観察面６０は、図６に示すように第１から第４区画穴６１，６２，６３，６４によって包囲され、隣接する第１絶縁膜１１、第２絶縁膜１２、第３絶縁膜１３及び第５絶縁膜１５から分離される。なお、第１から第４区画穴６１，６２，６３，６４の深さ（被観察面６０からの深さ）は、例えば０．３μｍ程度とする。
【００２８】
次いで、本半導体素子の分析方法における第４工程について説明する。図７は本半導体素子の分析方法における第４工程を示すペレット３０における凹部３２の底面３３を示す模式図である。第４工程では、図６における第１から第４区画穴６１，６２，６３，６４に金属物質（金属膜）を埋設する。この金属物質の埋設はメッキ処理によって行うこととしてもよい。
【００２９】
これらにより、ペレット３０における凹部３２の底面３３において、第４絶縁膜１４における被観察面６０は、図７に示すように、第１区画穴６１に埋設された第１区画金属膜８１と、第２区画穴６２に埋設された第２区画金属膜８２と、第３区画穴６３に埋設された第３区画金属膜８３と、第４区画穴６４に埋設された第４区画金属膜８４とによって包囲される。
【００３０】
ここで、第１から第４区画穴６１，６２，６３，６４に埋設された第１から第４区画金属膜８１，８２，８３，８４の底面３３からの深さは、第１から第４区画穴６１，６２，６３，６４の深さに実質的に等しく、例えば０．３μｍ程度である。
【００３１】
次いで、本半導体素子の分析方法における第５工程について説明する。第５工程では、第１から第４区画金属膜８１，８２，８３，８４によって包囲された第４絶縁膜１４の被観察面６０に、レーザを照射してレーザラマン分光分析を行う。すなわち、被観察面６０にレーザを照射し、第４絶縁膜１４を構成している分子の振動及び回転に基づいて決まる固有の波長（振動数）だけ入射光（レーザ）とずれた波長のラマン散乱光を得る。
【００３２】
これらにより、このラマン散乱光は上述のように第４絶縁膜（リンがドープされたシリコン酸化膜）１４を構成する分子固有のものとなるので、第４絶縁膜１４の物質構造を解析することができる。
【００３３】
本実施形態では、分析対象である第４絶縁膜１４に隣接して同元素（シリコン酸化膜）を含む層が積層されているが、上述のように被観察面６０を第１から第４区画金属膜８１，８２，８３，８４によって包囲し、被観察面について同元素（シリコン酸化膜）を含む第１絶縁膜１１，第２絶縁膜１２，第３絶縁膜１３及び第５絶縁膜１５から分離して、レーザラマン分光分析している。レーザラマン分光分析では、金属物質からの反射スペクトルは観測されない。
【００３４】
そこで、本実施形態によれば、被観察面６０を第１から第４区画金属膜８１，８２，８３，８４によって包囲することで、隣接する第１絶縁膜１１，第２絶縁膜１２，第３絶縁膜１３及び第５絶縁膜１５からのラマン散乱光の影響を実質的になくすことができ、良好なレーザラマン分光分析をすることができる。したがって、本実施形態によれば、分析対象である第４絶縁膜１４の分子構造を良好に特定することができる。
【００３５】
（変形例）
次に、上記実施形態の変形例について説明する。上記実施形態では、絶縁膜の分析に本発明に係る半導体素子の分析方法を適用した例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、本発明の半導体素子の分析方法は、同元素を含む複数の化合物半導体膜が積層されてなる半導体層の特定・分析に適用することもできる。
【００３６】
また、上記実施形態では、レーザラマン分光分析に本発明に係る半導体素子の分析方法を適用した例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、本発明の半導体素子の分析方法は、被観察面に光又は電子線を照射して被観察面の分子構造又は構成元素を特定・分析するための他の分析方法（例えばオージェ分析など）に適用することもできる。ただし、本発明の半導体素子の分析方法は、分子構造まで特定できるレーザラマン分光分析に適用することにより特に高い効果を得ることができる。
【００３７】
また、上記実施形態では、第１から第４区画穴６１，６２，６３，６４に金属物質を埋設したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、本発明の半導体素子の分析方法は、第１から第４区画穴６１，６２，６３，６４に既知の成分からなる所望物質を埋設することとしてもよい。この所望物質は、被観測面を有する膜の構成元素と同じ元素を構成成分としないものが好ましい。
【００３８】
また、上記実施形態では、短冊形状のペレット３０に凹部３２を形成してから第１から第４区画金属膜８１，８２，８３，８４の形成を行ったが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、本発明の半導体素子の分析方法は、凹部３２を形成せずに、ペレット３０に直接第１から第４区画穴６１，６２，６３，６４を形成して次いで第１から第４画金属膜８１，８２，８３，８４を設けてもよい。
【００３９】
なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能であり、実施形態で挙げた具体的な材料や構成などはほんの一例に過ぎず適宜変更が可能である。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、半導体素子を構成する半導体層又は絶縁膜などの積層膜を分析するときに、その積層膜における２以上の膜が同じ元素を構成成分としていても良好な分析をすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る被分析試料である半導体素子の一例を示す模式断面図である。
【図２】同上の実施形態に係る分析方法の第１工程の模式斜視図である。
【図３】同上の実施形態に係る分析方法の第２工程の模式斜視図である。
【図４】同上第２工程の工程の側面図である。
【図５】同上第２工程で形成された凹部の底面を示す模式図である。
【図６】同上の実施形態に係る分析方法の第３工程の模式図である。
【図７】同上の実施形態に係る分析方法の第４工程の模式図である。
【符号の説明】
１…半導体基板、１０…積層膜、１１…第１絶縁膜、１２…第２絶縁膜、１３…第３絶縁膜、１４…第４絶縁膜、１５…第５絶縁膜、２０…ダイシングソー、３０…ペレット、３１…切断面、３２…被観察部分、３３…底面、６０…被観察面、６１…第１区画穴、６２…第２区画穴、６３…第３区画穴、６４…第４区画穴、７１…第１縁部、７２…第２縁部、８１…第１区画金属膜、８２…第２区画金属膜、８３…第３区画金属膜、８４…第４区画金属膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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