(57)【要約】【課題】従来の半導体装置の断面解析方法においては、集束イオンビームによるエリア加工でクレータを形成し、そのクレータを通じて観察していたが、観察角度が浅いために、積層薄膜間境界など微細部分の観察が困難であった。【解決手段】ＬＳＩ中の特定微細領域を対象として集束イオンビームを使用して断面解析を行う半導体装置の断面解析方法において、第１段階の露出として、試料の被解析箇所近傍までを研磨・へき開等によって露出させ、次いで第２段階の露出として、第１段階の露出面からごく一部を集束イオンビーム加工することによって露出させ、被解析箇所の垂直断面を、その垂直断面に対する垂直方向またはそれに近い方向の観察方向Ａから観察する。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体装置の被解析箇所近傍までを露出させる工程と、前記工程で露出させた前期被解析箇所近傍に対してさらにイオンビームを用いて加工し前記半導体装置の被解析箇所を露出させる工程とを含むことを特徴とする半導体装置の断面解析方法。
【請求項２】
請求項１記載の断面解析方法において、前記被解析箇所の垂直断面を、前記垂直断面に対する垂直方向またはそれに近い角度の観察方向に沿って観察することを特徴とする半導体装置の断面解析方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の断面解析方法において、前記被解析箇所近傍までを露出させる工程に研磨処理を用いることを特徴とする半導体装置の断面解析方法。
【請求項４】
請求項１または請求項２に記載の断面解析方法において、前記被解析箇所近傍までを露出させる工程にへき開処理を用いることを特徴とする半導体装置の断面解析方法。
【請求項５】
請求項１から請求項４までのいずれかに記載の断面解析方法において、前記被解析箇所の垂直断面に対してウェットエッチを行うことを特徴とする半導体装置の断面解析方法。
【請求項６】
請求項１から請求項５までのいずれかに記載の断面解析方法において、前記被解析箇所近傍を露出させる前に、前記被解析箇所を明示するマーキングを行う工程を有することを特徴とする半導体装置の断面解析方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微細デバイスである半導体装置において、不良箇所の解析のために被解析箇所を断面として露出させて、その断面を観察する半導体装置の断面解析方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体集積回路（ＬＳＩ）は、微細化に伴って数百もの工程が必要とされる複雑な集積回路が主流となっている。これらのＬＳＩの評価解析は、完成品では、プローブ検査と呼ばれる電気特性による評価を行い、不良と判定されたＬＳＩを解析する、という流れで行われる。ＬＳＩの解析方法として、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）によって不良箇所の表面及び断面観察を行うことが一般的である。
【０００３】
従来の断面解析方法では、被解析箇所をへき開あるいは断面研磨によって露出させ、露出部分を観察している（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
しかし、不良解析では特定の微細な場所を観察する必要がある。例えば多層配線を接続する無数のコンタクトのうち、一つのコンタクトだけが不良になっていると判断された場合、従来の機械的切断、研磨、エッチング等による解析では、精度が低いために高精度な解析を行うことは非常に困難である。
【０００５】
高精度な解析のためには、集束イオンビーム（ＦＩＢ：Ｆｏｃｕｓｅｄ  Ｉｏｎ  Ｂｅａｍ）を用いて断面を鏡面として高精度に加工するのが一般的である。
【０００６】
一方、垂直断面の観察を行う方法として、集束イオンビームで試料作製を行った後に、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）を用いて行う解析がより有効な方法として使用されている。ただし、ＴＥＭによる解析は、試料の薄片化（プレパラート）作業に熟練を要する上に時間もかかる。そのため、短期間で多くの試料の解析をするには不適切である（例えば特許文献２参照）。
【０００７】
集束イオンビームによる断面加工・観察は非常に有用な方法であるが、ＬＳＩの微細化に伴い、従来の加工方法では解析が困難な不良が増加している。
【０００８】
以下に、図６〜図９に従って、従来の集束イオンビームを用いた半導体装置の断面解析方法をアルミ配線プロセスのＬＳＩを例にとって説明する。
【０００９】
図６はＬＳＩの配線の一部を表面から観察した平面図、図７は１つのコンタクト２２を通る垂直断面図であって、２１はアルミ配線、２２はコンタクトホールにおけるコンタクト、２３は活性領域、２４はポリシリコン配線、２５は素子分離領域、２６は層間絶縁膜、２７は集束イオンビームによる加工エリア、２８は断面観察面、２９は不良箇所である。アルミ配線２１は、Ｔｉ層２１ａ、ＴｉＮ層２１ｂ、Ａｌ層２１ｃ、Ｔｉ層２１ｄ、ＴｉＮ層２１ｅの積層構造からなっている。図６で加工エリア２７は、ｅ−ｆ−ｇ−ｈで囲まれた領域である。
【００１０】
図８はクレータを形成して断面観察面を現出させた状態を示す斜視図である。図９（ａ）は図７の切断面とは９０度の角度をなす別の切断面での断面図、図９（ｂ）はクレータを形成して断面観察面を現出させた状態を示す断面図である。
【００１１】
図６、図７、図９（ａ）に示すような配線構造をもつＬＳＩにおいて、不良箇所２９がコンタクト２２を通る部分にあったとする。このコンタクト２２の断面観察を行うには、図６、図９（ａ）中の加工エリア２７の部分を集束イオンビームの照射により加工し、図８、図９（ｂ）に示すような観察用のクレータ２７ａを形成し、被解析箇所の仕上げ加工を行い、断面観察面２８を露出させる。次いで、集束イオンビーム装置の試料ステージを傾斜させ、クレータ２７ａから断面観察面２８を相対的に４０°から６０°程度の観察方向Ｂに沿って斜め方向から覗くようにして観察を行う。
【００１２】
ＬＳＩの微細化に伴い、例えば層間絶縁膜上のアルミ配線としては、Ｔｉ層、あるいはＴｉ層とＴｉＮ層などをバリア層として用い、その上にアルミ配線を形成することが一般的に行われている。また、Ｃｕ配線の場合は、Ｔａ層、あるいはＴａ層とＴａＮ層などをバリア層として用い、その上にＣｕ配線を形成することが多い。
【００１３】
【特許文献１】
特開平１１−２５１３８５号公報（第３頁、第１図）
【特許文献２】
特開２００１−１２７１２５号公報（第４−５頁、第８図）
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
上記の場合に、図示のようにアルミ配線２１がＴｉ層／ＴｉＮ層／Ａｌ層／Ｔｉ層／ＴｉＮ層のような積層構造であった場合、最下層のＴｉ層とＴｉＮ層との境界は膜厚数十ｎｍ程度となるが、この部分を断面観察面２８において、相対的に４０°から６０°程度の観察方向Ｂに沿って斜め方向から観察することは、大きな困難性が伴う。そのため、図７中に不良箇所２９として示した薄膜バリア層での異常が不良原因であった場合、その不良を確認することが非常に困難である。
【００１５】
本発明は、このような事情に鑑みて創作したものであり、積層配線構造のような極薄膜の部分での不良箇所であっても、その観察を高精度かつ容易に行うことができる半導体装置の断面解析方法を提供することを目的としている。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明による半導体装置の断面解析方法は、半導体装置の被解析箇所近傍までを露出させる工程と、前記工程で露出させた前期被解析箇所近傍に対してさらにイオンビームを用いて加工し前記半導体装置の被解析箇所を露出させる工程とを含むものである。
【００１７】
そして、イオンビームの加工で露出させた前記被解析箇所の垂直断面を、前記垂直断面に対する垂直方向またはそれに近い角度の観察方向に沿って観察する。
【００１８】
上記において、前記被解析箇所近傍までを露出させる工程には、研磨処理を用いるのでもよいし、へき開処理を用いるのでもよい。
【００１９】
すなわち、ＬＳＩ中の特定微細領域を対象とする断面解析において、試料の被解析箇所近傍まで研磨・へき開等によって露出させた後に、その露出面から比較的小さな部分を集束イオンビームにて加工することによって、被解析箇所を含む垂直断面を現出し、その垂直断面において被解析箇所をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）等によって観察する。被解析箇所における垂直断面を観察するに、垂直断面に対する垂直方向またはそれに近い角度の観察方向に沿って観察することができるので、積層配線構造のような膜厚数十ｎｍの薄膜部分であっても、この不良箇所の観察を高精度かつ容易に行うことができる。
【００２０】
本発明の断面解析方法においては、被解析箇所の露出を二段構えで行っている。つまり、▲１▼被解析箇所近傍までの露出と、▲２▼イオンビーム加工による被解析箇所の露出との二段構えである。ここで、第１段階の露出は、研磨またはへき開で行うが、被解析箇所までの露出を行うのではなく、被解析箇所近傍までの露出であるので、被解析箇所露出ほどの平面精度は要求されない。次の第２段階のイオンビーム加工に支障を来たさない程度の精度で充分である。したがって、第１段階の露出は比較的簡単なものですむ。次に、第２段階のイオンビームを用いて行う被解析箇所までの露出についてであるが、すでに第１段階の被解析箇所近傍までの露出が行われており、そこからのイオンビーム加工であるので、加工エリアが小さくて済み、イオンビーム加工に要する時間は短いものですむ。以上の相乗により、高精度な解析を迅速・容易に実現することができる。
【００２１】
また、第１段階で大きく切断されたところを第２段階でさらに露出加工しているので、開放される空間が大きい。したがって、同一ウエハ、同一チップにおいて、多数の不良箇所を含む垂直断面での解析を進めることが可能となり、解析効率を向上することができる。
【００２２】
上記の断面解析方法において、前記被解析箇所の垂直断面に対してウェットエッチを行うこともある。従来技術の場合、試料上に微細なクレータが孤立分断状態で形成されていたため、液体の表面張力等の影響を大きく受け、ウェットエッチの制御が困難であった。これに対して、本発明の場合には、被観察面が試料の切断状態の断面に露出しているため、液体の表面張力等の影響をほとんど受けないですみ、ウェットエッチの制御を容易に行うことができる。したがって、ウェットエッチされた断面構造の観察が可能になり、例えば積層構造の層間絶縁膜の構造解析も容易に行うことができる。
【００２３】
また、上記において、前記被解析箇所近傍を露出させる前に、前記被解析箇所を明示するマーキングを行っておけば、第１段階および第２段階の露出加工において、研磨・へき開のエリア、イオンビームによる加工エリアの特定が容易となる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明にかかわる半導体装置の断面解析方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。ここでは、ＬＳＩの配線として、現在最も多く使用されているアルミ配線の場合を例にとって説明する。
【００２５】
（実施の形態１）
まず、本発明の実施の形態１における半導体装置の断面解析方法を説明する。
【００２６】
図１はＬＳＩの配線構造の一部を表面から観察した平面図、図２は１つのコンタクト２を通る垂直断面図であって、１はアルミ配線、２はコンタクトホールによるコンタクト、３は活性領域、４はポリシリコン配線、５は素子分離領域、６は層間絶縁膜、７は第１段階の露出エリアとしての研磨エリア、８は第２段階の集束イオンビームによる加工エリア、９は断面観察面、１０は不良箇所である。アルミ配線１は、Ｔｉ層１ａ、ＴｉＮ層１ｂ、Ａｌ層１ｃ、Ｔｉ層１ｄ、ＴｉＮ層１ｅの積層構造からなっている。図１で研磨エリア７は、ａ−ｂ−ｃ−ｄで囲まれた領域である。
【００２７】
このような配線構造をもつＬＳＩにおいて、例えば電子式ウエハ外観検査装置を用いてウエハ上の不良を検査する。そして、不良箇所（被解析箇所）を明示するためにマーキングを行う。マーキングは電子ビームを用いて行う。次に、集束イオンビーム装置を用いて、不良箇所を含む微小試料片をチップ状に切り出す。この試料において、コンタクト２の断面観察を行う。
【００２８】
１つのコンタクト２を通って断面観察面９が設定され、断面観察面９を現出するための加工エリア８が比較的小さい領域として設定されている。そして、加工エリア８に臨む状態で比較的大きい領域の研磨エリア７が設定されている。
【００２９】
本実施の形態では、被解析箇所である断面観察面９の近傍までを露出させる方法として研磨を用いる場合を説明する。ただし、研磨以外にへき開でもよい。
【００３０】
図３は研磨と集束イオンビームによる加工で現出された様子を示す斜視図である。図４は図２の切断面とは９０度の角度をなす別の切断面での断面図であり、図４（ａ）は研磨前の断面図、図４（ｂ）は研磨の終了段階の断面図、図４（ｃ）は集束イオンビームによる加工で断面観察面を現出させた状態を示す断面図である。
【００３１】
図２に示す微細な不良箇所１０を解析するために、研磨治具に対して試料を固定する。ここでは、研磨治具としてアイテス社製の「けんまくん」を用い、固定にはワックス等を用いた。
【００３２】
回転研磨装置（ＡＬＬＩＤＥ社製マルチプレップ）上のダイヤモンドラッピングフィルムに水を流しながら、研磨治具のＬＳＩ試料の断面をラッピングフィルムに押し付け、図４（ｂ）に示すように、被解析箇所近傍まで荒研磨した。この際、ダイヤモンドラッピングフィルムの粒径を徐々に小さくしながら研磨を進め、被解析箇所近傍の最終段階では粒径１μｍ程度のフィルムを用いて仕上げた。その結果、不要な研磨エリア７を除去した。この研磨エリア７は、集束イオンビームによる加工エリア８の直近に迫るものである。
【００３３】
次いで、研磨済みの試料を治具からはずし、集束イオンビーム加工台に試料を導電ペースト等で固定した。そして、試料にイオンビームを照射し、荒研磨断面から被解析箇所までの加工エリア８を除去し、図３、図４（ｃ）に示すように、鏡面の断面観察面９を露出させた。この断面観察面９は不良箇所１０に臨んでいる。加工エリア８は１つのコンタクト２を垂直に切断するものである。断面観察面９には、アルミ配線２のＴｉ層／ＴｉＮ層／Ａｌ層／Ｔｉ層／ＴｉＮ層の積層構造およびコンタクト２の断面が露出している。
【００３４】
集束イオンビーム装置の傾斜可能角度が９０°未満の場合には、集束イオンビーム装置から試料を一度取り出し、断面観察用ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）にて同試料を観察する。傾斜可能角度が９０°以上の場合には、取り出しは省略でき、そのまま集束イオンビーム装置で観察してもよい。
【００３５】
断面観察面９におけるアルミ配線２およびコンタクト２の部分を断面観察用ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）で観察するのであるが、図４（ｃ）に示すように、断面観察面９に対する垂直方向またはそれに近い角度の観察方向Ａに沿って観察することができる。したがって、従来の集束イオンビームのみの加工方式では観察し得なかった薄膜バリア層の異常等の観察をより高精度かつ容易に実施することができる。
【００３６】
（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２における半導体装置の断面解析方法を説明する。
【００３７】
図５は１つのコンタクト２を通る垂直断面図であって、実施の形態１の図２におけるのと同じ符号は同一構成要素を指しているので、詳しい説明は省略する。ここでの特徴は、不良箇所１１が２層の異なる層間絶縁膜６ａ，６ｂの境界での異常となっていることである。本実施の形態においては、本試料を希釈したフッ酸でウェットエッチすることにより、積層構造の層間絶縁膜６ａ，６ｂの境界を顕現化する。
【００３８】
従来の集束イオンビーム加工のみの観察の場合、被解析試料上に数百μｍ立方程度の微細なクレータが孤立分断状態で形成されていたため、液体の表面張力等の影響を大きく受けることになり、集束イオンビーム加工後のウェットエッチの制御が容易にできなかった。
【００３９】
しかし、本実施の形態の方法によれば、被観察面が試料の切断状態の断面に露出しているため、液体の表面張力等の影響をほとんど受けないですみ、ウェットエッチの制御を容易に行うことができることから、ウェットエッチされた断面構造の観察が可能になる。すなわち、積層構造の層間絶縁膜の構造解析も容易に行うことができる。
【００４０】
なお、上記の実施の形態においては、アルミ配線の解析に関して述べたが、Ｃｕ配線や前工程の不良解析等においても同様の結果を得ることができる。また、配線以外の薄膜境界での不良を解析する際に本発明を利用しても有効な結果を得ることができる。
【００４１】
【発明の効果】
本発明の半導体装置の断面解析方法によれば、研磨・へき開による被解析箇所近傍までの露出と、イオンビーム加工による被解析箇所の露出との二段構えで被解析箇所の露出を行うこととしている。したがって、第１段階の露出ではあまり平面精度は要求されず、比較的簡単に実行でき、イオンビームを用いる第２段階の被解析箇所までの露出では、すでに第１段階の被解析箇所近傍までの露出が行われており、そこからのイオンビーム加工であるので、加工エリアが小さくて済み、イオンビーム加工に要する時間は短いものですむ。
【００４２】
そして、イオンビームにて被解析箇所を含む垂直断面を現出し、その垂直断面において被解析箇所を顕微鏡観察するが、垂直断面に対する垂直方向またはそれに近い角度の観察方向に沿って観察できるので、積層配線構造のような極薄膜の部分であっても、この不良箇所の観察を高精度かつ容易に行うことができる。
【００４３】
以上の相乗により、本発明によれば、高精度な解析を迅速・容易に実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１における半導体装置の断面解析方法を示すもので、ＬＳＩの配線構造の一部を表面から観察した平面図
【図２】本発明の実施の形態１において、１つのコンタクトを通る垂直断面図
【図３】本発明の実施の形態１において、研磨と集束イオンビームによる加工で垂直断面の被解析箇所が現出された様子を示す斜視図
【図４】本発明の実施の形態１において、別の切断面での研磨前の断面図と、研磨の終了段階の断面図と、集束イオンビームによる加工で断面観察面を現出させた状態を示す断面図
【図５】本発明の実施の形態２において、１つのコンタクトを通る垂直断面図
【図６】従来技術においてＬＳＩの配線の一部を表面から観察した図
【図７】従来技術の場合の１つのコンタクトを通る垂直断面図
【図８】従来の場合のクレータを形成して断面観察面を現出させた状態を示す斜視図
【図９】従来の場合の別の切断面での垂直断面図と、クレータを形成して断面観察面を現出させた状態を示す断面図
【符号の説明】
１  アルミ配線
１ａ，１ｄ  Ｔｉ層
１ｂ，１ｅ  ＴｉＮ層
１ｃ  Ａｌ層
２  コンタクト
３  活性領域
４  ポリシリコン配線
５  素子分離領域
６  層間絶縁膜
６ａ，６ｂ  積層構造の層間絶縁膜
７  研磨エリア
８  加工エリア
９  断面観察面
１０，１１  不良箇所
Ａ  観察方向
【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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【図８】
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【図９】
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