(57)【要約】      （修正有）【課題】配線の下部に位置するビア、さらには配線層に挟まれたビアの位置を、反射電子像を用いることにより、非破壊的に検出する方法を提供する。【解決手段】半導体における上層配線と下層配線をつなぐビアの位置を検出する方法であって、ビア３０が配置された上層配線の、該ビア３０の位置を含む範囲に、集束イオンビーム装置によりカーボン膜４０を形成する工程と、該カーボン膜４０を形成した範囲を含む上層配線及びその下層の、電子顕微鏡装置を用いた背面散乱電子による反射電子像を生成する工程と、を含む。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体における上層配線と下層配線をつなぐビアの位置を検出する方法であって、
ビアが配置された上層配線の、該ビアの位置を含む範囲に、集束イオンビーム装置により保護膜を形成する工程と、
該保護膜を形成した範囲を含む上層配線及びその下層部分の、電子顕微鏡装置を用いた背面散乱電子による反射電子像を生成する工程と、
を含むことを特徴とする、ビア位置検出方法。
【請求項２】
前記電子顕微鏡装置による反射電子像を生成する工程は、電子ビームの加速電圧を２０ＫＶ〜３０ＫＶ、好ましくは３０ＫＶで行うことを特徴とする、請求項１に記載のビア位置検出方法。
【請求項３】
前記生成した反射電子像から、前記保護膜と前記ビアとの位置関係を特定する工程をさらに含む、請求項１又は２に記載のビア位置検出方法。
【請求項４】
前記保護膜は、カーボン（Ｃ）膜、シリコン酸化（ＳｉＯ２）膜、ＳｉＣ膜、ＳｉＮ膜、ＳｉＣＮ膜、ＳｉＯＮ膜、ＳｉＣＯＮ膜のうちのいずれかであることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１に記載のビア位置検出方法。
【請求項５】
半導体における上層配線と下層配線をつなぐビアの位置を検出するためのプログラムであって、コンピュータに、
集束イオンビーム装置に、ビアが配置された上層配線の所定の範囲に保護膜を形成させる手順と、
電子顕微鏡装置に、該保護膜を形成した範囲を含む上層配線及びその下層部分の背面散乱電子による反射電子像を生成させる手順と、
を実行させることを含む、プログラム。
【請求項６】
半導体における上層配線と下層配線をつなぐビアの位置を検出するための、電子顕微鏡装置及び集束イオンビーム装置の制御装置であって、
ビアが配置された上層配線の所定の範囲に、集束イオンビーム装置を用いて保護膜を形成させる制御機能と、
電子顕微鏡装置を用いて、該保護膜を形成した範囲を含む該上層配線及びその下層部分の、背面散乱電子による反射電子像を生成させる制御機能と、
を含むことを特徴とする、制御装置。
【請求項７】
請求項５に記載のプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【請求項８】
半導体における上層配線と下層配線をつなぐビアの位置を検出する解析方法であって、
ビアが配置された上層配線の、該ビアの位置を含む範囲に、集束イオンビーム装置により保護膜を形成する工程と、
該保護膜を形成した範囲を含む上層配線及びその下層部分の、電子顕微鏡装置を用いた背面散乱電子による反射電子像を生成する工程と、
該集束イオンビーム装置により、該保護膜を目印に集束イオンビームでＦＩＢ加工する工程と、
を含むことを特徴とする、解析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置、特に半導体装置の配線の下部に位置するビアの位置を検出する方法、半導体装置の不良解析方法、及びそのプログラムと制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体不良解析分野において、大面積の上層配線と下層配線とをつなぐビアの断面形状を観察するために、例えばＦＩＢ（集束イオンビーム：Ｆｏｃｕｓｅｄ  Ｉｏｎ  Ｂｅａｍ）で加工することが行われるが、そのときにビアの位置を特定する必要がある。
【０００３】
図１に２００μｍ×２００μｍの大面積Ａｌ（アルミニウム）配線で囲まれた孤立ビア配置図（レイアウトパターン図）例を示す。大面積Ａｌ配線は、Ａｌ上層配線とＡｌ下層配線からなり、配線が交差したほぼ中央付近に上層、下層の各Ａｌ配線をつなぐ約０．２５μｍ直径のビアが配置されている。
【０００４】
このような上層配線と下層配線とをつなぐビアの接続不良解析等において、配線上部からは配線間に配置されたビアは直接確認できない。この場合にビアの中心断面をＦＩＢ加工する従来技術として、ひとつは、Ａｌ上層配線の配線パターンの端（横方向または縦方向）をＦＩＢイオンビーム像により検出し、それをＦＩＢ加工の起点（目印線）としてビアの断面が露出するまでスライス状にＦＩＢ断面加工を進める方法がある。
【０００５】
また他の従来法としては、ビア上部のＡｌ上層配線の上全面をＦＩＢで加工除去し、ビア上部の一部を露出させて、その後ビアの中心断面をＦＩＢ加工するという方法がある。
【０００６】
例えば特許文献１には、ＦＩＢにより試料を加工し、同じ装置内で様々な角度からＳＥＭ観察を可能にしたＦＩＢ−ＳＥＭ装置による観察方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１１−２１３９３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来手法のＡｌ上層配線の配線パターンの端（横方向または縦方向）をＦＩＢ加工の起点（目印線）とし、ＦＩＢ断面加工する方法では、スライス状にビア断面が露出するまで加工するため、加工に長時間が必要となる。さらには、図１に示すような２００μｍ×２００μｍ角の大面積Ａｌ配線では加工範囲が広いため、配線下に配置された孤立のビアに加工面を当てることが非常に困難である。
【０００９】
また、ビア上部のＡｌ上層配線をＦＩＢで加工除去し、ビア上部を露出する従来手法では、ビア上部の一部が露出するまでＦＩＢ加工を行うことになり、Ａｌ上層配線とビアとの界面が観察できず、界面における不良原因解析が不可能となるという問題がある。
【００１０】
本発明は、配線の下部に位置するビア、さらには配線層に挟まれたビアの位置を、反射電子像を用いることにより、非破壊的に（加工作業をすることなく）検出する方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
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、次のとおりである。
【００１２】
第１の視点において、本発明に係るビア位置検出方法は、半導体における上層配線と下層配線をつなぐ（接続する）ビアの位置を検出する方法であって、ビアが配置（接続）された上層配線の、該ビアの（接続）位置を含む範囲に、集束イオンビーム装置により保護膜（例えばカーボン膜）を形成する工程と、該保護膜を形成した範囲を含む上層配線及びその下層部分の、電子顕微鏡装置を用いた背面（後方）散乱電子による反射電子像を生成する工程と、を含むことを特徴とする。
【００１３】
第２の視点において、本発明に係るプログラムは、半導体における上層配線と下層配線をつなぐビアの位置を検出するためのプログラムであって、コンピュータに、集束イオンビーム装置に、ビアが配置された上層配線の所定の範囲に保護膜（例えばカーボン膜）を形成させる手順と、電子顕微鏡装置に、該保護膜を形成した範囲を含む上層配線及びその下層部分の背面散乱電子による反射電子像を生成させる手順と、を実行させることを含む。またそのようなプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体も本発明に含まれることはもちろんである。
【００１４】
第３の視点において、本発明に係る制御装置は、半導体における上層配線と下層配線をつなぐビアの位置を検出するための、電子顕微鏡装置及び集束イオンビーム装置の制御装置であって、ビアが配置された上層配線の所定の範囲に、集束イオンビーム装置を用いて保護膜（例えばカーボン膜）を形成させる制御機能と、電子顕微鏡装置を用いて、該保護膜を形成した範囲を含む該上層配線及びその下層部分の、背面散乱電子による反射電子像を生成させる制御機能と、を含む。
【００１５】
第４の視点において、本発明に係る解析方法は、半導体における上層配線と下層配線をつなぐビアの位置を検出する解析方法であって、ビアが配置された上層配線の、該ビアの位置を含む範囲に、集束イオンビーム装置により保護膜（例えばカーボン膜）を形成する工程と、該保護膜を形成した範囲を含む上層配線及びその下層部分の、電子顕微鏡装置を用いた背面散乱電子による反射電子像を生成する工程と、該集束イオンビーム装置により、該保護膜を目印に集束イオンビームでＦＩＢ加工する工程と、を含む。
【００１６】
このような方法により、ビアの位置を非破壊的に検出できる。それに伴い、観察のためのビアの断面加工工程を容易に行うことができる。その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施例１における、大面積Ａｌ配線で挟まれた孤立ビア配置図を示す概略図である。
【図２】本発明の実施例１における、ＦＩＢ加工時の保護用カーボン膜（Ｃデポジション）を配置した概略図である。
【図３】本発明の実施例１における、ＣデポジションとＷ−Ｖｉａの反射電子像（ＢＳＥ像）の写真である。
【図４】本発明の実施例１における、ＴＥＭ観察用に薄膜化した試料の模式図である。
【図５】本発明の実施例１における、ＦＩＢ断面加工したＷ−ＶｉａのＴＥＭ観察像写真である。
【図６】本発明の実施例２における、複数ビア配置例の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明は、反射電子像（ＢＳＥ像：背面散乱電子像Ｂａｃｋ  Ｓｃａｔｔｅｒｅｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ）を用いて最適な電子ビーム加速条件を選ぶことにより、配線（特に大面積配線）下にある孤立ビアのＢＳＥ像を検出し、ＦＩＢ断面加工に必要な孤立ビアの位置を特定可能とする方法を提供するものである。
【００１９】
反射電子像（ＢＳＥ像：背面散乱電子像Ｂａｃｋ  Ｓｃａｔｔｅｒｅｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ）は、試料表面の凸凹形状だけでなく、試料の組成に応じたコントラスト像も得られ、二次電子像（ＳＥ像）よりも試料の深い位置における情報が得られることを特徴としている。さらに、反射電子強度が試料の原子番号に依存しており、例えばＣｕ、Ｗなど原子番号が大きいほど強度が大きくなる特徴も有している。
【００２０】
その他の実施形態としては、第１の視点において、前記電子顕微鏡装置による反射電子像を生成する工程は、電子ビームの加速電圧は２０ＫＶ〜３０ＫＶ、好ましくは３０ＫＶで行う。これは、ビーム加速電圧は電子線が保護膜（カーボン膜等）と上層Ａｌ配線を透過し、ビアまで到達できる加速電圧が必要であり、加速電圧が大きいほど深い位置の反射電子観察が可能であり、鮮明な反射電子像が得られるためである。
【００２１】
また、前記生成した反射電子像から、前記保護膜と前記ビアとの位置関係を特定する工程をさらに含むことが好ましい。
【００２２】
また、前記保護膜は、カーボン（Ｃ）膜、シリコン酸化（ＳｉＯ２）膜、ＳｉＣ膜、ＳｉＮ膜、ＳｉＣＮ膜、ＳｉＯＮ膜、ＳｉＣＯＮ膜のうちのいずれかであることが好ましい。
【００２３】
例えば保護膜としてのカーボン膜の厚さは０．２〜０．５μｍ、好ましくは０．５μｍである。これは、電子線が透過でき、電子線によるダメージが下地の上層配線に影響を与えない範囲だからである。
【００２４】
本技術は、配線材料としてＡｌ（アルミ）、Ｃｕ（銅）を用いた全ての半導体製品が対象となる。ただし、配線とビアとの反射電子強度の違いをもとに検出する方法であるので、ビアが配線材料とは異なる材料から形成されている必要がある。
【実施例】
【００２５】
（実施例１）
本発明の実施例１として、孤立ビア断面のＦＩＢ加工およびＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）観察を例に述べる。
【００２６】
図１に２００μｍ×２００μｍ角の大面積Ａｌ（アルミニウム）配線１０、２０で囲まれた孤立したビア（本実施例１ではタングステン製、以下、「Ｗ−Ｖｉａ」ともいう。）３０の配置図（レイアウトパターン図）を示す。大面積Ａｌ配線はＡｌ上層配線１０とＡｌ下層配線２０からなり、両配線が上下で交差した２００μｍ×２００μｍ角のほぼ中央付近に両配線をつなぐ約０．２５μｍ直径のＷ−Ｖｉａ３０が配置されている。
【００２７】
実施例１では、図２に示すように、配線が交差した領域（２００μｍ×２００μｍ角）のほぼ中央付近のＡｌ上層配線１０上にＦＩＢ加工時の保護膜として、例えば保護用カーボン膜（以下、「Ｃデポジション」ともいう。）４０をＦＩＢイオンビームにより形成した。Ｃデポジション４０は短辺１０μｍ×長辺２０μｍ角、厚さ０．５μｍの保護用カーボン膜４０をＷ−Ｖｉａ３０の上部を覆い隠す範囲に形成した。このとき、Ｗ−Ｖｉａ３０の位置はＣデポジション範囲の短辺１０μｍ×長辺２０μｍ角の中央に配置させる必要はなく、おおよその位置関係でよい。
【００２８】
続いて、図３に示すように、電子顕微鏡（ＳＥＭ）装置により、ビーム加速電圧３０ＫＶで背面散乱電子による反射電子像（ＢＳＥ像）を検出した。本実施例では、Ｃデポジション膜厚：０．５μｍ、Ａｌ上層配線膜厚：０．５μｍとしており、この場合、３０ＫＶの加速電圧でビア（Ｗ）からの反射電子像が鮮明に得られるためである。これによるＢＳＥ像は、Ｃデポジション４０とＷ−Ｖｉａ３０が強度の異なる白いコントラストとして生成され、これから両者の位置関係を特定することができる。
【００２９】
ＢＳＥ像は材料の組成に応じたコントラスト像が得られ、材料の原子番号が大きい元素（重元素）ほど散乱電子量が多くなる特徴を有している。そのため、Ｃデポジションで被覆したＡｌ上層配線１０の下の原子番号の大きいＷ−Ｖｉａ３０がより白いコントラストとして検出される。また、ビームの加速電圧を３０ＫＶにすることで、Ａｌ上層配線１０の下の深い位置にある情報を検出することが可能である。図３に示すように、Ａｌ上層配線１０の下にあるＷ−Ｖｉａ３０の位置が、Ｃデポジション４０の下辺端から上方（短辺方向）に約５μｍの付近に検出できた。
【００３０】
なお、原子番号の大きいＷ（タングステン）、Ｃｕ（銅）のビアの反射電子像を観察するためには、保護用カーボン膜４０としては、ビアの上層には電子顕微鏡の電子線を透過し、かつＷ、Ｃｕよりも原子番号の小さい材質の膜（例：Ｃデポジション、ＳｉＯ２などの酸化膜）であることが必要であり、これによりビアの反射電子像により、図３に示すように、周囲が暗くて、ビア部が明るくなるＢＳＥ象が認識できる。
【００３１】
保護用カーボン膜４０としては、例えば、カーボン（Ｃ）膜、シリコン酸化（ＳｉＯ２）膜、ＳｉＣ膜、ＳｉＮ膜、ＳｉＣＮ膜、ＳｉＯＮ膜、ＳｉＣＯＮ膜などの絶縁膜である炭化膜、酸化膜、窒化膜が例示される。なお、ＦＩＢ装置内でデポジションする保護膜として、Ｃ（カーボン）の方が原料が粉末で形成が簡易である。
【００３２】
このようにして、配線の下部に位置するビア、さらには配線層に挟まれたビアの位置を、反射電子像（ＢＳＥ像）を用いることにより、非破壊的に（加工作業をすることなく）検出することができる。
【００３３】
また、半導体不良解析において、上層配線と下層配線とをつなぐビアの断面形状を観察するために、後述するようにＦＩＢで加工することが行われるが、そのときにビアの位置を非破壊的に特定することができる。
【００３４】
次にＷ−Ｖｉａ３０の断面観察を行うための手順について述べる。図４にＴＥＭ観察用に薄膜化した試料の模式図を示す。試料はＦＩＢ加工の表面保護膜であるＣデポジション４０の長辺側の両側壁を、Ｗ−Ｖｉａ３０を中央に残すようにＦＩＢ加工して、厚さ０．２μｍ以下まで薄膜化して作製した。このとき、Ｃデポジション４０の下辺端をＷ−Ｖｉａ３０の位置に隣接した目印線として利用することで、正確で短時間にＷ−Ｖｉａ（孤立ビア）３０のＦＩＢ断面加工が可能となった。このように、保護膜であるＣデポジション４０はＦＩＢ加工時の目印となるとともに、ＦＩＢ加工時に上層Ａｌ配線がＦＩＢイオンビームで加工されないようにするための保護膜の役割を果たすので、ＦＩＢ断面加工性が向上する。
【００３５】
図５に、このようにしてＦＩＢ断面加工したＡｌ上層配線１０、Ｗ−Ｖｉａ３０、Ａｌ下層配線２０のＴＥＭ観察像を示す。これにより、Ｗ−Ｖｉａ３０の中心断面及び、Ａｌ配線１０、２０とＷ−Ｖｉａ３０との界面形状も観察できる。これにより、Ａｌ上層配線とビアとの界面が観察でき、界面における不良原因解析が可能となり、半導体不良解析の解析性が向上する。
【００３６】
（実施例２）
図６は、本発明の実施例２を説明する複数ビア配置図を示す。Ａｌ上層配線１０とＡｌ下層配線２０とを結ぶビア３０が５つである点を除き、構成は実施例１と同じである。本発明は、図６に示すような大面積Ａｌ配線下にあるビアが複数の場合も適用できる。
【００３７】
このように複数のビア３０が形成されている場合でも、これらのビア３０がすべて含まれる範囲にＣデポジションを形成し、反射電子像（ＢＳＥ像）を生成することにより、両者の配置関係が検出できる。これをもとに、各ビアの断面が露出するようにＦＩＢ加工をして観察することを順次繰り返すことにより、各ビアの接続状況を観察確認することができる。
【００３８】
以上、本発明を実施例に基づき説明したが、本発明の全開示（請求の範囲及び図面を含む）の枠内において、さらにその基本的技術思想に基づいて、実施形態ないし実施例の変更・調整が可能である。また、本発明の請求の範囲の枠内において種々の開示要素（各請求項の各要素、各実施例の各要素、各図面の各要素等を含む）の多様な組み合わせ、ないし、選択が可能である。すなわち、本発明は、請求の範囲を含む全開示、技術的思想にしたがって当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。
【符号の説明】
【００３９】
１０  Ａｌ上層配線
２０  Ａｌ下層配線
３０  ビア
４０  Ｃデポジション（保護用カーボン膜）
５０  ＦＩＢ加工面
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図６】
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【図３】
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【図５】
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