JP2004207635A

JP2004207635A - 半導体装置の解析方法

Info

Publication number: JP2004207635A
Application number: JP2002377553A
Authority: JP
Inventors: Mamoru Kaneko; 守金子
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2002-12-26
Filing date: 2002-12-26
Publication date: 2004-07-22

Abstract

【課題】半導体装置の拡散深さＸｊを簡単に計測する方法を提供する。
【解決手段】半導体試料をへき開またはＦＩＢ加工して断面を露出させ、当該露出面２２に再度ＦＩＢ装置９のイオン銃１１からガリウムイオン（Ｇａ３＋）を照射する。その結果、当該露出面２２から２次電子が放出される。当該２次電子は、レンズ１２を備えた検出器１３を介してＣＲＴ１４に、電気的に導通部分は白く、絶縁部分は黒く、半導体部分は灰色に映しだす。これによって、当該半導体装置の拡散深さＸｊを可視化することが可能となる。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の解析方法に関し、特に半導体デバイスのプロセス設計における拡散深さ等を計測する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスのプロセス設計における拡散深さＸｊの設計は、デバイス特性を決定する最重要プロセスパラメーターの１つである。したがって、当該拡散深さＸｊが設計通りにできているか否かを安価で容易に短時間で、かつ明確な形（例えば可視化など）で確認することが求められていた。
【０００３】
従来、拡散層を可視化する方法として、半導体チップをへき開するか、ＦＩＢ（Focused Ion Beam：収束イオン・ビーム装置）加工することで断面を露出させ、当該断面をジルトル・エッチャント（CrＯ3＋HF＋H2Ｏ）等の薬品でシリコン基板をエッチングする方法がある。当該方法は、エッチングの際に、不純物の濃度差によるエッチングレート差を利用して段差を作り、拡散層とシリコン基板との境界線を目立たせるものである。そして、その断面をＳＥＭで観察して拡散層深さＸｊを測定する。
【０００４】
また別の方法として、ＳＩＭＳ（Secondary Ion Mass Spectroscopy：２次イオン質量分析器）で拡散層の不純物濃度プロファイルを測定する方法もある。
【０００５】
更に、最も高精度な方法として、イオン・ミリング、ＦＩＢ等で作成したサンプルをＴＥＭ（Transmission Electron Microscope：透過型電子顕微鏡）のＥＥＬＳ（Electron Energy Loss Spectroscopy：電子線エネルギー損失測定）で元素ごとに分析する方法がある。
【０００６】
上述した技術は、例えば以下の特許文献１、２に記載されている。
【０００７】
【特許文献１】
特許公開平１０−１０２０８
【０００８】
【特許文献２】
特許公開２００２−１１８１５９
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した技術においては以下の欠点があった。
【００１０】
ジルトルエッチャントによるエッチング方法では、エッチングに伴うコンタミネーション（汚染）の付着が多く、観察面が汚染されてしまうという欠点がある。またこの方法は、手動で行うため精度という点でも限界があった。
【００１１】
ＳＩＭＳで不純物濃度プロファイルを測定する方法は、大面積の測定領域を必要とするため、実デバイスを測定することは困難である。まして、実デバイス内の特定箇所を更に指定して測定するのは、事実上不可能であるといえる。
【００１２】
ＴＥＭのＥＥＬＳを使う方法は、測定箇所が極めて狭い領域に限定されてしまい、必要な領域を測定するのに膨大な時間を要する。しかも、サンプルの作成に要する費用が莫大となり、頻繁に使用する現実的な方法とは言い難い。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記欠点に鑑みなされたものであり、露出断面にＦＩＢ装置を利用し、露出面にガリウムイオン（Ｇａ３＋）を照射し、当該露出面から放出された２次電子e-を認識することで、拡散深さＸｊを可視化する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図１乃至図４を用いて詳細に説明する。
【００１５】
図１に示すように、通常のＭＯＳトランジスタ（以下、半導体装置２１と称す）はゲート１、ソース２、ドレイン３によって形成される。
【００１６】
図２は、図１のＸ−Ｘ’線による断面図である。当該Ｘ−Ｘ’線にて、へき開またはＦＩＢ加工して断面を分断し、露出させる。シリコン基板４内に拡散層であるソース２とドレイン３は形成され、両ソース２、ドレイン３との間のシリコン基板４上にゲート酸化膜５が形成されている。ゲート１はゲート酸化膜５上に形成されるゲート電極である。ここで、図２中のＸｊは拡散領域であるソース２及びドレイン３の拡散深さを示している。
【００１７】
次に、この拡散深さＸｊを可視化するためのＦＩＢ装置９について図３を参照して説明する。当該ＦＩＢ装置９は図２の半導体装置２１が設置されるステージ１０、荷電粒子を照射するイオン銃１１、及び２次電子を検出するレンズ１２を備えた検出器１３、当該検出器１３と接続され露出面の状態を可視化するＣＲＴ１４から成る。尚、本発明では荷電粒子として、例えばガリウムイオン（Ｇａ３＋）を用いた例について説明するが、他のイオンや電子であってもよい。
【００１８】
次に、このＦＩＢ装置９を用いた拡散深さＸｊの解析方法について説明する。図２に示す断面（露出面）にイオン銃１１の照射方向が向くようにステージ１０上に半導体装置２１を配置する。このとき、露出面とイオン銃１１の配置については図４にて後述する。
【００１９】
イオン銃１１は、当該露出面と一定の角度を為すようにガリウムイオン（Ｇａ３＋）を照射する。当該露出面では、ガリウムイオン（Ｇａ３＋）が照射されたことに伴い、２次電子e-は露出面から外方へ放出される。検出器１３は先端に設置したレンズ１２を通して、当該２次電子e-を検出して、その様子をＣＲＴ１４に伝え、当該ＣＲＴ１４はその様子を画像として映し出す。
【００２０】
図４は、半導体装置２１上の露出面２２に、イオン銃１１からのガリウムイオン（Ｇａ３＋）が照射され、当該露出面２２から２次電子e-が放出された様子を表した図３の拡大図である。
【００２１】
ここで、当該半導体装置２１とステージ１０とは、所定の角度θを維持するように固定する。当該角度θは３０〜６０°の範囲内であることが望ましい。
【００２２】
図５は、ＦＩＢ装置９にてガリウムイオン（Ｇａ３＋）をおよそ３０ｋＶで照射し、その結果をＣＲＴ１４で映し出した状態を示す断面図である。この結果、絶縁膜は黒く映し出される。一方、アルミニウム等の金属配線の電気的導通部分は白く映し出される。この結果、ソース２とドレイン３との間のチャネル２３、及びシリコン基板４は灰色で映し出され、ゲート１、ソース２、ドレイン３は灰色よりも白く映し出される。
【００２３】
つまり、ＦＩＢ装置９により照射し観察した場合、絶縁部分は黒くなり、一方導通部分は白くなり、そして半導体部分では灰色となる。このように、ＦＩＢ装置９の照射・観察を用いることで、材料の導電性の相違によって輝度が変わるため、ソース２、ドレイン３等を可視的に示すことが可能になる。従って、ソース２、ドレイン３の拡散層深さＸｊを検出することができる。
【００２４】
以下、このようにＣＲＴ１４に映し出される輝度との関係について、さらに詳しく半導体装置２１の構成部分を説明する。イオン照射による２次電子e-を検出した像（以下、２次電子像と称す）は、物質の差を明確に表す。物質の差異（元素の違い）が２次電子像の輝度（明るさやコントラスト）の違いとして表現されると考えられる。つまり、本実施形態のＦＩＢ解析では、ガリウムイオン（Ｇａ３＋）を照射し、その量子力学的反応として発生する２次電子e-の挙動を調べたものである。
【００２５】
通常、これらの像を確認する方法としてＳＥＭ（Scanning Electron Microscope：走査型電子顕微鏡）が用いられることが多い。しかし、ＳＥＭでは、観察すべき試料に電子（１次電子）を照射し、量子力学的反応として試料から放出される２次電子を捉え、画像として映しだす。ＳＥＭの２次電子像は段差形状を表すが、ＦＩＢによる２次電子像では材料の違い、導電性の違いまで映しだす点でＳＥＭと大きく異なる。つまり、ＦＩＢの２次電子像では、正確に物質の電気的状態（換言すれば、半導体基板内の不純物濃度の状態）を可視化できるという特徴を有する。
【００２６】
例えば、半導体基板内にイオン注入等で作った不純物濃度の高い拡散層部分は、当該半導体基板の当初の不純物濃度よりも１０００〜１００００倍以上高くなり、電気抵抗が低いこと（導電性は高いこと）を意味する。このため、ＦＩＢの２次電子像では当該低抵抗箇所においては、明るく観察することが可能となる。
【００２７】
尚、図３においてイオン銃１１から放射されるガリウムイオン（Ｇａ３＋）の加速電圧を３０ｋｖから１０〜２０ｋｖに変化（可変）させることで、これに伴う２次電子e-のわずかな放出量の変化に着目し、調べたい箇所に限定した検出方法を採用してもよい。
【００２８】
以下、図６（Ａ）、（Ｂ）にＦＩＢの２次電子像を用いた他の実施例について説明する。図６（Ａ）は、半導体装置２１の露出面２２の断面図を示し、図６（Ｂ）は同箇所の平面図を示したものである。
【００２９】
図６（Ａ）は、コンタクトホール３１下の基板３２に拡散層３３を備えた半導体装置３０である。当該コンタクトホール３１は、基板上に形成した層間絶縁膜であるＢＰＳＧ膜３４に形成される。このコンタクトホール３１を介して上層配線と当該拡散層３３とは電気的に導通させる。
【００３０】
例えば、左側のコンタクトホール３１の底部になんらかの理由により絶縁物３５が付着している場合、上述したＦＩＢ装置により半導体装置３０の上方からガリウムイオン（Ｇａ３＋）を照射すると、ＣＲＴ１４に映し出される像は、半導体装置３０の上方から見ると図６（Ｂ）のようになる。ＢＰＳＧ膜３４は電気的絶縁物であるため、黒く映し出される。そして、絶縁物３５で埋められた左側のコンタクトホール３１も、同様に黒く映し出される。これらは電荷が移動できないことに起因する。一方、絶縁物のない右側のコンタクトホール３１は導電性のある拡散層３３が露出されているため白く映し出される。これは、拡散層３３を通して電荷が移動できるためである。
【００３１】
また、ＦＩＢ装置により照射された荷電粒子は、大電圧では加速されて、大きなエネルギーを持っているため、層間絶縁膜を貫通することができる。
【００３２】
従って、コンタクトホール３１は必ずしも露出した状態でなくてもよい。照射したイオンが到達できる厚さの絶縁膜であるならば、当該コンタクトホール３１の欠陥を絶縁膜上から検出することができる。
【００３３】
これにより、コンタクトホール３１の導通不良箇所を可視化することが可能になる。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば、イオン銃によりガリウムイオン注入を半導体装置に照射し、２次電子による画像を観察することにより、拡散層深さＸｊを簡便に計測することができる。
【００３５】
また、本発明は、コンタクトホールの導通不良箇所の特定などの不良解析にも適用できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る半導体装置の解析方法を説明する平面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る半導体装置の解析方法を説明する断面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る半導体装置の解析方法を説明するＦＩＢ装置の側面図である。
【図４】本発明の実施形態に係る半導体装置の解析方法を説明する側面図である。
【図５】本発明の実施形態に係る半導体装置の解析方法を説明する断面図である。
【図６】本発明の実施形態に係る半導体装置の解析方法を説明する他の側面図及び平面図である。

Claims

解析対象の半導体装置を用意し、前記半導体装置の表面に荷電粒子を照射することにより、前記表面から２次電子を放出させ、前記２次電子による画像に基づいて、半導体装置の解析を行うことを特徴とする半導体装置の解析方法。
解析対象の半導体装置を用意し、前記半導体装置を分断して、その表面に拡散層を露出させ、当該露出面に荷電粒子を照射することにより、前記露出面から２次電子を放出させ、前記２次電子による画像に基づいて前記拡散層の深さを計測することを特徴とする半導体装置の解析方法。
表面にコンタクトホールが形成された半導体装置を用意し、前記半導体装置の表面に荷電粒子を照射することにより、前記表面から２次電子を放出させ、前記２次電子による画像に基づいて前記コンタクトホールの導通不良の解析を行うことを特徴とする半導体装置の解析方法。
前記荷電粒子の加速電圧が可変であることを特徴とする請求項１、２、３記載のいずれかの半導体装置の解析方法。
前記荷電粒子がガリウムイオンであることを特徴とする請求項１、２、３、４記載のいずれかの半導体装置の解析方法。