SPM による半導体表面分析の最近の展開

SEM 式ナノプロービングシステムの開発と半導体デバイス解析への応用
Development of SEM based Nano-Probing System and Its Application
三井泰裕

Yasuhiro Mitsuiａ（株）日立ハイテクノロジーズ

要旨

近年の LSI 故障解析ではデバイスの微細化，構造の複雑化に伴い，詳細な故障箇所同定が困難となっている．これに対応するための技術として走査電子顕微鏡（SEM）を用いたナノプロービングシステムが開発された．SEM 式ナノプロービングシステムではSEM で観察しながら，トランジスタや配線に微細探針を接触させ，電気特性を計測する．本稿では SEM 式ナノプロービングシス
テムの実用化に対する開発課題（微細箇所へのプロービング可能な探針形状，高精度，高信頼測定のためのプローブ―試料間接触抵抗低減，探針長寿命化，高スループット化の為の高精度迅速プローブ動作制御，迅速プローブ交換，使いやすさのための SEM の高画質化，広視野化など）および実際の解析事例について概説する．

キーワード：ナノプロービングシステム，SEM，故障解析，LSI

故障箇所が絞込めないと，最終的な故障原因の解明を行なう
1. まえがき

透過電子顕微鏡（TEM）や走査電子顕微鏡（SEM）などを半導体製造分野では新デバイス・プロセスの立上げ期間短用いた物理解析まで辿り着くことができない．そこで，故障縮や量産での高歩留り維持のために，故障（不良）の原因を原因をこの最小構成要素まで絞込む技術の実現が以前より望究明してプロセスの改善指針を明確にする故障解析は極めてまれていた．

重要な役割を果たしている．しかし，複雑，微細化された

この詳細故障箇所絞込みを行う技術としてナノプロービン

LSI での故障解析は単純ではない．故障解析を難しくしてい

グシステムが開発された1 ～ 5）．ナノプロービングシステムでる原因のひとつに複雑な回路の中の詳細な故障位置の特定がは実際回路内の単一トランジスタや単一配線を電気的に測定ある．図 1 に LSI の故障解析フローを示す．実際の故障はし，その特性変化から詳細な故障箇所の推定を行う．現在，複雑な回路の中で単一トランジスタ，単一配線さらにはゲー

ナ ノ プ ロ ー ビ ン グ シ ス テ ム に は SEM と 原 子 間 力 顕 微 鏡ト，ソース，ドレイン，コンタクト，ビアのように LSI の最（AFM）を利用した方式があるが，本稿ではプロービング操小構成要素で起こっており，そのような最小構成要素にまで作が簡便で，高測定スループットが可能な SEM 式について述べる．
2.

ナノプロービングシステム概要

SEM 式ナノプロービングシステムの装置概要を図 2 に示
す．ナノプロービングシステムは光学式プロービングシステ

図1

LSI の故障解析フローａ〒 312–8504 茨城県ひたちなか市市毛 882
TEL: 029–354–5497; FAX: 029–275–5119
E-mail: mitsui-yasuhiro@naka.hitachi-hitec.com
2009 年 5 月 22 日受付

特集

SEM 式ナノプロービングシステムの開発と半導体デバイス解析への応用

図2

SEM 式ナノプロービングシステム概要
157【著作権者：社団法人 日本顕微鏡学会】図3

図4

トランジスタへのプロービング
図5

繰返しプロービングによる探針寿命評価

図62 探針によるタングステン配線抵抗測定

実デバイスへのプロービング（デバイス：45 nm SRAM）

ムと同様の機能を持つが，測定対象が実回路であるため，基本的には観察のための SEM と SEM 内に設置される極めて釣鐘形が適していることが実験から確認された．本図ではプ

微細なプロービングユニットで構成される．プローブユニッ

ロービングを行うのに十分なスペースが探針間にあることがト先端は nm デバイスのトランジスタや配線に直接接触可能わかる．実際の探針はこの釣鐘形状が基本で，先端サイズがな，先端半径数十 nm の微細探針となっている．トランジス

各デバイス世代に適合されたものとなっている（先端半径がタ測定の場合は，この微細探針がゲート，ソース，ドレイン，およそ 1/4 コンタクトピッチ）．

ウェルの各コンタクトに接触される（図 3）．測定に必要な探針の駆動制御はピエゾ素子で行われ，駆動最小ピッチは電圧はパラメータアナライザから各探針に供給され，各探針

5 nm とコンタクト径に対して十分小さいので，高精度のプで測定された電流がパラメータアナライザに記録される．

ロービング（幾何的配置）が可能である．

SEM 式ナノプロービングシステムの量産適用には微細箇

3.2

探針寿命

所へのプロービング可能な探針形状，高精度，高信頼測定のナノプロービングシステムの探針は極めて微細のため，何ためのプローブ―試料間接触抵抗低減，探針長寿命化，高ス回かのプロービングで先端の塑性変形や磨耗で使用できなくループット化の為の高精度迅速プローブ動作制御，迅速プなる．しかし，故障解析やプロセス評価では多量の試料を測ローブ交換，使いやすさのための SEM の高画質化，広視野定する必要があるので，長寿命化による探針の消費量低減は化などの開発が必要であった．

実用上の重要課題である．
この長寿命化に対し，前記の探針の釣鐘形状が有効であっ3.

SEM 式ナノプロービングシステムの課題と対応策た．図 5 に 65–45 nm ノード用探針の先端塑性変形による寿3.1

探針形状と駆動制御命評価結果を示す．65–45 nm ノード用探針はおよそ 100 回

ナノプロービングシステムでは微細トランジスタや配線に接触させるための探針が必要である．図 4 に 45 nm ノード程度のプロービングが可能である．この回数は 1 日の測定数として十分と考えられる．

SRAM の pMOS（MOS（Metal Oxide Semiconductor）のうち3.3正孔が電流を運ぶタイプ（p-channel MOS））コンタクトに接高精度，高信頼度の電気特性を得るためにはプローブと試触させた探針を示す．探針は隣り合う探針同士での接触を避料間の接触抵抗低減は必須である．接触抵抗低減に対し，釣けるためには細いことが望ましいが，後述する低接触抵抗化

鐘形状プローブによる，コンタクトへの適度な加圧，試料表や長寿命化のためには太いことが望ましい．この課題に対し，面の清浄化が検討された．結果は図 6 に示されるが，タン材質はタングステン，形状は図 4 のような，先端の尖った，グステン配線に対する接触抵抗は数オームに低減された．こ158

探針―試料間接触抵抗

顕微鏡 Vol. 44, No. 3（2009）【著作権者：社団法人 日本顕微鏡学会】

図7

電子線照射による探針接触抵抗変化

図8

プローブリーク電流評価

図9

プロービング繰返し時の再現性

図 10

測定スループット（45 nm SRAM）

れは静的電気特性評価に対しては十分低い値である．
また実用上の接触抵抗低減には SEM 電子ビーム照射によングを繰り返したときの再現性を示す．7 回の繰り返しに対る試料表面汚染低減も重要な課題であった．この試料表面汚し，変動は 3σ で 3％以内であり，極微小領域でのプロービ染低減に対しては，通常の SEM よりも高真空度（10−5 Pa）ングであることを考えると，極めて良好な結果であったとの試料チャンバ，低脱ガス材質の配線および低汚染真空シス考えられる．この高信頼性には上記探針―試料間接触抵抗

テムの使用で対応した．この結果，プロービングに必要な時の低減，電流測定における低ノイズ，低リーク化が不可欠

間の電子線照射では，表面汚染によるプローブ―試料間接触であった．

抵抗が殆ど増加しないシステムが達成されている（図 7）．
3.4

電流検出限界

3.6

スループット故障解析ではスループット向上も重要な課題である．ス

低消費電力デバイス等でのリーク電流評価ではできるだけループット向上に対し，真空内探針，試料交換機構，複数二低い電流を測定したいという要求がある．電流検出下限を制

次電子検出器による高画質 SEM 像，ピエゾ素子による高速限しているのはノイズ，リーク，ドリフトである．真空内測高精度プロービング制御機構（高速ステップ移動と 5 nm 高定は大気中測定に比べ，比較的ノイズやドリフト低減には有精度位置制御），繰返しパターンの認識（セルカウント技術）利である．本開発ではさらに配線のシールド強化や物理的振が検討された．さらに高スループット化とともに，使い勝手動抑制によりノイズを低減させ，また，リーク低減に対してを向上させる上方向，横方向から探針位置を観察する CCD

トライアキシャル配線方式を検討した結果，プローブリーク

カメラ，SEM 視野から外れた場所へのプロービングをステーおよびノイズは fA レベルに低減された（図 8）．
3.5

信頼性

ジ移動させずに行うための広領域イメージシフト（200 μm），複雑な回路内で測定箇所を迅速に探し出す CAD ナビゲー

プロービングシステムで最も重要なのが，データの信頼性ションシステムが検討された．これらの開発により，45 nmである．故障箇所のデータを採取したとき，それが信用できSRAM においても図 10 に示すような高スループットが達成るのか信用できないのかによって，そのシステムの性能が決された．実際の SRAM1 ビット（6MOS）のプロービング時まる．したがって安定した試料，安定したトランジスタにお間は 10 分以内である．

いて，プロービングを繰り返したときのデータ再現性が重要となる．

4.

解析事例

図 9 に 45 nm SRAM nMOS（電子が電流を運ぶタイプのナノプロービングシステムの解析事例として SRAM のシMOS（n-channel MOS））での同一トランジスタにプロービングルビット故障解析を示す．通常 SRAM ではフェイルビッ

特集

SEM 式ナノプロービングシステムの開発と半導体デバイス解析への応用

159【著作権者：社団法人 日本顕微鏡学会】

図 12 異常コンタクトの断面 TEM 像と Ti 元素マップ（a）断面 TEM 像，（b）TEM-EELS による Ti 元素マップ

5. おわりにSEM 式ナノプロービングシステムの課題と対応策を概説した．本システムはすでに実際の LSI 故障解析，プロセス評
図 11

SRAM 故障ビットの Vgs-Ids 特性価に多用されており，今後の LSI の微細化，構造の複雑化とともに本システムの必要度はさらに増大すると予想されていト解析により，故障ビットは特定される．しかし，SRAM はる．そのために，高画質 SEM，不安定なデバイスに対する6 個のトランジスタから構成されるため，6 個のうちのどれ電子線ダメージ低減など，LSI 微細化対応技術の開発が鋭意が異常であるのか，また特性的にどのように異常なのかが特行われている．また，配線故障解析のための吸収電流測定定されないと，TEM，SEM を用いた物理分析が行なえない．

（EBAC）機能も付加され，多用途システムとしても発展しそこでナノプロービングシステムを用いた故障トランジスタている．の特定が必要となる．
故障ビットの測定結果を図 11 に示す．この結果から，故障トランジスタは Tr1 と Tr3 であり，コンタクト C をドレインとした時のオフ電流リークが故障原因であることがわかる．このことから，プロセス故障原因としてはコンタクト Cに関連する接合耐圧低下と予想される．
そこで，プロセス故障原因を究明するためにコンタクト Cの断面が TEM 観察され（図 12（a）），コンタクト底部端のTiN 膜の異常が認識された．さらに，この異常をより明確にするために，TEM-EELS（TEM-Electron Energy Loss Spectroscopy）による Ti 元素マップが取得された（図 12（b））．
この図ではバリアメタルの TiN の一部が欠落していることが明瞭に観察されている．すなわち，プロセス故障原因はTiN の 成 膜 異 常 で あ り， タ ン グ ス テ ン 成 膜 時 に 原 料 ガ ス（WF6）から解離したフッ素が，この TiN 欠落部を通って Si基板に到達し，エンクローチメントを引き起こした結果，接合耐圧が低下したものと推察できる．この解析結果から，TiN 成膜プロセスが改善され，この故障は解決された．

160

謝

辞

本開発に多大なご援助を頂いた（株）ルネサステクノロジ
水野貴之氏に深く感謝いたします．
文献1）Mitsui, Y., Yano, F., Kakibayashi, H., Shichi, H. and Aoyama, T.:
Microelectronics Reliability, 41, 1171 (2001)
2）柳田博史，水野貴之，矢野史子，朝山匡一郎，羽崎栄一，揚村寿英，三井泰裕，山田 理：LIS テスティングシンポジウム会
議録，359–362（2004）
3）水野貴之，柳田博史，矢野史子，朝山匡一郎：“ナノ・プローバを用いた不良解析”LIS テスティングシンポジウム会議録，363–365（2004）
4）三井，奈良，澤畠，斉藤，砂押，羽崎，高内，矢野，柳田，水野，山田，古川，渡辺：LSI テスティングシンポジウム 2005 会
議録，大阪，2005 年 11 月，335–340（2005）5）Wu, C.C., Lee, J.C., Chuang, J.H. and Li, T.T.: Proc. 31stInternational Symposium for Testing and Failure Analysis, San Jose,
November 2005, 183–185 (2005)

顕微鏡 Vol. 44, No. 3（2009）【著作権者：社団法人 日本顕微鏡学会】