JP2004325262A

JP2004325262A - Elemental distribution analytical method

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Publication number: JP2004325262A
Application number: JP2003120628A
Authority: JP
Inventors: Naoko Hata; 直子畑
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2003-04-24
Filing date: 2003-04-24
Publication date: 2004-11-18

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an elemental distribution analytical method having excellent depth direction resolution intersecting an analytical object plane, when the analytical object plane is on the deep position from the sample surface or is inclined with respect to the sample surface. <P>SOLUTION: The first plane 5s and the second plane 6s are exposed so as to face to an interface 4 across the interface 4 as the analytical object plane. The third plane 7s and the fourth plane 10s which are planes in the intersecting direction with the interface 4, the first plane 5s and the second plane 6s are exposed. Four directions (the first plane 5s, the second plane 6s, the third plane 7s and the fourth plane 10s) of a sample piece 8 are separated from the sample, to thereby form the wedge-like sample piece 8. The sample piece 8 is set in an Auger electron spectrophotometer, and analysis in the depth direction is performed, relative to the analytical object plane 12 on the surface of the first plane 5s as an analytical region, and analysis of the elemental distribution is performed on both sides of the interface 4. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、分析対象面（分析対象領域）が試料表面ではなく試料内部にある場合に、分析対象面に交差する方向（分析対象面の深さ方向）での元素分布を分析する元素分布分析方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
表面分析方法のひとつであるオージェ電子分光分析は、試料表面に電子線を照射し、試料との相互作用によって放出されるオージェ電子を分光分析することにより元素同定を行う分析である。オージェ電子は、その脱出深さが数ｎｍ程度と非常に浅いので、分析対象面（極表面）での構成元素の分析を行うのに適している。オージェ電子分光分析では、イオンを用いたスパッタエッチングによって試料表面を削り取るエッチング過程と、新たに露出させた表面をオージェ電子分光分析するという分析過程とを交互に繰り返すことによって、分析対象面に交差する方向（つまり分析対象面の深さ方向）での構成元素の分析（深さ方向分析）を行うことが可能である。深さ方向での分解能（深さ方向分解能）を決定する主な要因としては、スパッタエッチングにより生じる、又は大きくなる分析対象面の凹凸がある。この凹凸をできるだけ小さくすることにより、原理的には、オージェ電子の脱出深さである数ｎｍ程度にまで向上させることができる。
【０００３】
また、分析対象面の構成元素の深さ方向分析を行う別の方法として、分析したい領域（分析対象領域）の断面を露出形成し、断面に電子線を照射し、電子線を深さ方向に走査させながら順次元素分析を行う「線分析」を用いる方法も一般的な方法として知られている。この場合の深さ方向分解能は、平坦性など試料の加工精度に左右されるが、電子線のビーム径である数百ｎｍ以下にはならない。そこで、深さ方向分解能を向上させる目的で、試料断面を斜めに加工して線分析を行う方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
図２４は線分析を用いた従来の元素分布分析方法の例を示す説明図である。試料は、シリコン基板１０３の上にシリコン酸化膜（ＳｉＯ）１０２、アルミニウム膜（Ａｌ）１０１を順次積層して形成したものである。試料を斜めに加工して各層（１０１、１０２、１０３）を露出させるようにし、電子線を加工面の深さ方向に走査しながら順次分析を行って、構成元素であるアルミニウム（Ａｌ）、シリコン（Ｓｉ）、酸素（Ｏ）の各信号強度を測定する。横軸に電子線の走査距離（変位）、縦軸に各元素の信号強度をプロットしたものがグラフ１０４である。
【０００５】
【特許文献１】
特開平７−２６３４２２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
分析対象面（分析対象面領域）が試料表面から１μｍを超えるような深い領域にある場合、エッチング過程と分析過程を繰り返す深さ方向分析では、スパッタエッチングによる試料表面の荒れが大きくなり、深さ方向分解能が低下するという問題がある。スパッタエッチングは、試料最表面の凹凸を強調し、また、各元素や結晶方位によってエッチングレートが異なるため、エッチング時間が長くなるほど、分析面の凹凸が大きくなるからである。
【０００７】
また、浅い領域であっても、もともと試料表面の凹凸が大きい場合には、深さ方向分解能は悪くなる。深さ方向分解能が悪くなると、分析対象面がそれぞれ異なる元素で構成される膜と膜との界面である場合に、界面にある微量元素が検出できなくなるなどの問題が生じる。また、分析対象面が、パターンの側壁などテーパー形状を有する場合、試料表面に対して平行でない場合には、従来の方法では分析できない。分析面が水平方向から傾いていると、表面凹凸と同様に深さ方向分解能を低下させる要因となるからである。
【０００８】
更に、試料断面を露出形成して線分析を行う分析方法では、電子線のビーム径である数百ｎｍ程度が深さ方向分解能の最小値となる。これより小さな深さ方向分解能を実現するために、試料を斜めに加工する手段がとられるが、数十ｎｍ程度の薄膜や膜と膜の界面の不純物などを分析する場合には、分析対象面である薄膜の上面と下面が露出している必要があることから、試料表面に対して１度以下の非常に浅い角度で加工する必要があり、加工が困難であるという問題がある。また、パターンのある薄膜が分析対象面である場合には、パターンの大きさと膜厚によって加工可能な角度は制限されてしまうという問題がある。
【０００９】
本発明は、斯かる問題に鑑みてなされたものであり、試料の分析対象面に存在する元素を分析する過程と、試料の分析対象面をエッチングして新たな分析対象面を露出させる過程とを交互に繰り返して試料内部にある分析対象面の深さ方向での元素分布を分析する元素分布分析方法において、分析対象面を間に挟んで、分析対象面に対向する２つの平面を露出させた試料片を作成する。試料片の分析対象面に対向する平面を交差方向にエッチングして分析対象面を露出させることにより、分析対象面が試料の表面から深い位置にある場合でも深さ方向分解能の良い元素分布分析方法を提供することを目的とする。
【００１０】
また、本発明の他の目的は、試料の分析対象面に存在する元素を分析する過程と、試料の分析対象面をエッチングして新たな分析対象面を露出させる過程とを交互に繰り返して試料内部にある分析対象面の深さ方向での元素分布を分析する元素分布分析方法において、分析対象面に対向する平面を露出させ、露出させた平面を交差方向にエッチングして分析対象面を露出させることにより、分析対象面が試料の表面に対して傾斜している場合でも深さ方向分解能の良い元素分布分析方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る元素分布分析方法は、試料の分析対象面に存在する元素を分析する過程と、前記試料の分析対象面をエッチングして分析対象面に交差する方向の新たな分析対象面を露出させるエッチング過程とを繰り返して分析対象面に交差する方向での元素分布を分析する元素分布分析方法において、前記試料の分析対象面に交差する表面を露出させる過程と、前記表面の側から前記試料をエネルギビームによりエッチングして前記分析対象面を間に挟み分析対象面に対向するように第１及び第２平面を露出させる過程と、前記表面の側から前記試料をエネルギビームによりエッチングして前記第１及び第２平面に交差する第３及び第４平面を露出させる過程と、前記第１、第２、第３及び第４平面を有する試料片を前記試料から分離する過程と、分離した前記試料片の第１平面をエッチングして分析対象面を露出させる過程とを備えることを特徴とする。
【００１２】
本発明に係る元素分布分析方法においては、前記第１平面は前記分析対象面に対して平行であり、前記第２平面は第１平面及び第２平面に交差する方向での前記試料片の断面が楔形となるように前記分析対象面に対して傾斜していることを特徴とする。
【００１３】
本発明に係る元素分布分析方法においては、前記第２平面の傾斜の角度は前記分析対象面に対して１〜６度であることを特徴とする。
【００１４】
本発明に係る元素分布分析方法においては、前記第１平面に交差する方向にはその両側を異種の元素で構成される界面があることを特徴とする。
【００１５】
本発明に係る元素分布分析方法は、試料の分析対象面に存在する元素を分析する過程と、前記試料の分析対象面をエッチングして分析対象面に交差する方向の新たな分析対象面を露出させるエッチング過程とを繰り返して分析対象面に交差する方向での元素分布を分析する元素分布分析方法において、前記試料の分析対象面に交差する表面を露出させる過程と、前記表面の側から前記試料をエネルギビームによりエッチングして前記分析対象面に対向するように平面を露出させる過程と、前記平面をエッチングして分析対象面を露出させる過程とを備えることを特徴とする。
【００１６】
本発明に係る元素分布分析方法においては、前記平面は前記分析対象面に平行であることを特徴とする。
【００１７】
本発明に係る元素分布分析方法においては、前記平面に交差する方向にはその両側を異種の元素で構成される界面があることを特徴とする。
【００１８】
本発明に係る元素分布分析方法においては、エネルギビームはイオンビームであることを特徴とする。
【００１９】
本発明に係る元素分布分析方法においては、前記分析対象面を露出する過程のエッチングはスパッタエッチングであることを特徴とする。
【００２０】
本発明に係る元素分布分析方法においては、前記分析対象面に存在する元素を分析する過程の分析はオージェ電子分光分析であることを特徴とする。
【００２１】
本発明にあっては、分析対象面を間に挟んで、分析対象面に対向する２つの平面を露出させた試料片を作成し、露出させた平面を交差方向にエッチングして分析対象面を露出させ、分析対象面に存在する元素を分析することとしたので、分析対象面が試料の表面から深い位置にある場合でも、分析対象面の深さ方向での分解能の良い元素分布分析方法が可能となる。
【００２２】
本発明にあっては、分析対象面が試料（試料母材）表面に傾斜を有する場合でも、試料表面に分析対象面に対向する平面を露出させ、露出させた平面を交差方向にエッチングして分析対象面を露出させ、分析対象面に存在する元素を分析することとしたので、分析対象面が試料の表面に対して傾斜している場合でも、分析対象面の深さ方向での分解能の良い元素分布分析方法が可能となる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をその実施の形態（実施例）を示す図面に基づいて説明する。
（実施例１）
図１〜図８により本発明の実施例１を説明する。実施例１は半導体装置の外部端子としての金バンプとその下地膜としてのＴｉＷ（チタンタングステン）膜との界面（界面領域）を分析対象面とするものである。実施例１は、分析対象面が試料（試料母材）の表面に平行であり、また、最も外側にある面から比較的深い位置に存在する場合の元素分布分析方法（以下、分析方法という）である。なお、分析対象面はただ１つ存在する面（界面）だけを意味するものではなく深さ方向の測定する位置に応じて複数存在する面（界面領域）を意味し、分析対象領域とも言えるものである。
【００２４】
図１は金バンプがＴｉＷ膜の表面に形成された試料の概要を示す斜視図である。金バンプ１は例えばメッキ法によりＴｉＷ膜２の表面に適宜のパターンで形成されている。金バンプ１の高さは約１５μｍで、表面には数十〜百ｎｍの凹凸がある。なお、ＴｉＷ膜２の深さ方向には半導体基板（厚さ約数十μ〜１ｍｍ程度）などが存在するが図示はしない。ダイサにより金バンプ１に交差するダイシング線３の位置で試料を厚さＤ＝５００μｍ程度にスライスして、界面４に交差する表面（スライス表面）を露出させる。なお、界面４は最も外側にある面（金バンプ１の頂部に対応する表面）から金バンプ１の高さに相当する深さの比較的深い（表面から約１５μｍ）位置に存在している。スライス表面は、金バンプがだれて異種元素のＡｕ／ＴｉＷ境界で構成される分析対象の界面４（分析対象面（分析対象領域）としての界面）の位置が不鮮明となっているので、界面４の位置を鮮明にするため、試料断面に平行な集束イオンビーム（以下、ＦＩＢという）を照射して、表面を薄く削り取り、だれのないスライス表面を形成する（ＦＩＢ加工）。
【００２５】
図２は分析対象面に対向するように第１平面を形成した状態を示す試料の斜視図である。ＦＩＢ加工したスライス表面が上部表面となるように試料を配置し、分析対象面である界面４から間隔Ｌ１（約２００ｎｍ程度）離れた所定の領域にＦＩＢを上部表面に対して垂直方向に照射することにより試料（金バンプ１）を削り取り、開口部５を形成する。開口部５は、界面４と交差する方向に短辺５ａ（約５μｍ）、界面４と平行な方向に長辺５ｂ（約１０μｍ）の矩形とし、深さは約１０μｍの直方体とした。つまり、開口部５の界面４に近い側に、界面４に対向するように第１平面５ｓを露出させる。界面４と第１平面５ｓとは界面４における深さ方向分解能を向上させるためにできるだけ平行であることが好ましい。
【００２６】
図３は分析対象面に対向するように第２平面を形成した状態を示す試料の斜視図である。第１平面５ｓを形成した試料（スライス表面）を水平面Ｈに対して角度θ（約３度）傾斜させ、ＴｉＷ２の方が金バンプ１より上部側となるように配置する。スライス表面を傾斜させた状態で、界面４から間隔Ｌ２（約３００ｎｍ程度）離れた所定の領域にＦＩＢを水平面Ｈに対して垂直方向に照射することにより試料（ＴｉＷ膜２）を削り取り、界面４を開口部５と共に挟むようにして開口部６を形成する。開口部６は、界面４と交差する方向に短辺６ａ（約５μｍ）、界面４と平行な方向に長辺６ｂ（約１０μｍ）の矩形とし、深さは約１０μｍの直方体とした。つまり、開口部６の界面４に近い側に、界面４に対向するように第２平面６ｓを露出させる。
【００２７】
第１平面５ｓと第２平面６ｓとの間には角度θの傾斜が生じることから、開口部５、６に挟まれた領域の第１平面５ｓ及び第２平面６ｓに交差する方向での断面は楔形となる。つまり、開口部５、６の底部に近い側では開口側に比較して楔形の幅が小さくなることから、開口部５、６に挟まれた領域を試料片８（図４参照）として試料から分離することが容易になる。また、第２平面６ｓは界面４に対し傾斜（角度θに相当する角度）することになる。なお、角度θは開口部５、６の深さ、間隔Ｌ１、Ｌ２などから適宜調整することが可能であるが、加工の容易性などから約１〜６度が好ましく、約１〜３度がより好ましい。
【００２８】
図４は分析対象面に交差する方向の第３平面を形成した状態を示す試料の斜視図である。試料を水平に戻して、開口部５（第１平面５ｓ）及び開口部６（第２平面６ｓ）と交差する所定の領域にＦＩＢをスライス表面に対して垂直方向に照射することにより試料（金バンプ１及びＴｉＷ２）を削り取り、開口部７を形成する。開口部７は、界面４の両側にわたって矩形に形成し、深さは開口部５、６と同様とした。つまり、開口部７の開口部５、６に交差する側に、界面４、第１平面５ｓ、第２平面６ｓに対して交差する方向での面となる第３平面７ｓを露出させる。これにより、試料片８の３方向（第１平面５ｓ、第２平面６ｓ、第３平面７ｓ）が試料から分離されたことになる。
【００２９】
図５は試料片に移送用のプローブを接着した状態を示す斜視図である。移送用のプローブ９を試料片８の上部表面側に接触させ、タングステン（Ｗ）をデポジションしてタングステン膜（不図示）を形成することにより、試料片８とプローブ９とを接着する。
【００３０】
図６は分析対象面に交差する方向の第４平面を形成した状態を示す試料の斜視図である。開口部７を形成した後、開口部７と同様にして開口部１０を形成する。つまり、開口部１０の開口部５、６に交差する側に、界面４、第１平面５ｓ、第２平面６ｓに対して交差する方向での面となる第４平面１０ｓを露出させる。これにより、試料片８の４方向（第１平面５ｓ、第２平面６ｓ、第３平面７ｓ、第４平面１０ｓ）が試料から分離され、楔形の試料片８を形成することができる。開口部５、６、７、１０の底部における楔形の先端部は極めて小さく形成され、また、試料片８はプローブ９に接着されていることから、プローブ９により試料片８を試料から分離することができる。
【００３１】
図７は分析対象面に対向する第１平面をエッチングして新たな分析対象面を露出させる状態を示す斜視図である。試料片８をプローブ９により試料支持台１１の上へ移送して第１平面５ｓ（金バンプ１）の側を上部に、ＴｉＷ膜２を下部にして載置し、プローブ９と試料片８を接着しているタングステン膜をＦＩＢによって除去する。試料支持台１１の上に載置した試料片８をオージェ電子分光分析装置にセッティングし、第１平面５ｓの表面にある分析対象面１２を分析領域として深さ方向の分析を行い、界面４の両側での元素分布の分析を行う。
【００３２】
つまり、分析対象面１２に電子線を照射してオージェ電子分光分析を行い、Ａｕ、ＴｉＷ（Ｔｉ、Ｗ）それぞれの元素に起因するオージェ電子信号強度を求める。次に、試料片８の第１表面５ｓにＡｒイオンビームを１分間照射することにより、第１表面５ｓを数ｎｍ程度スパッタエッチングする。新たに露出した分析対象面１２について、同様にオージェ電子分光分析を行い、各元素のオージェ電子信号強度を求める。以降、スパッタエッチングとオージェ電子分光分析を繰り返し、Ａｕに起因するオージェ信号が検出されなくなり、ＴｉＷ（Ｔｉ、Ｗ）に起因するオージェ信号強度が一定になるまで分析を行う。界面４（分析対象面１２）が試料（試料母材）表面から深い位置にある場合でも、試料片８の表面に界面４に対向する第１平面５ｓを露出させることにより、界面４の両側にわたって元素分布の分析が可能となる。
【００３３】
図８は実施例１での分析対象面の深さ方向の元素分布状況を示すグラフである。同図（ａ）は本発明に係る分析方法による分析結果であり、（ｂ）は比較のために示す従来の分析方法による分析結果である。横軸にスパッタによるエッチング時間（任意単位）、縦軸にオージェ信号強度（任意単位）をプロットする。なお、（ａ）（ｂ）は同一スケールで表示している。従来の分析方法（ｂ）では、界面を構成する元素であるＡｕ、Ｔｉ、Ｗの変化がなだらかであり、界面が明確にならないのに比べて、本発明による分析方法（ａ）では、界面での元素分布の変化状況が急峻になっており、分析対象面（界面）が明確に観察されることから分析対象面での深さ方向分解能が大幅に改善されていることがわかる。
【００３４】
（実施例２）
図９〜図１６により本発明の実施例２を説明する。実施例２はＭＯＳＦＥＴ（電界効果型トランジスタ）のゲート電極配線に形成された側壁としてのＳｉＮ（シリコン窒化）膜とその上に形成された保護膜としてのＳｉＯ（シリコン酸化）膜との界面（界面領域）を分析対象面とするものである。実施例２は、分析対象面が試料（試料母材）の表面に対して傾斜しており、また、最も外側にある面から比較的浅い位置に存在する場合の分析方法である。なお、分析対象面はただ１つ存在する面（界面）だけを意味するものではなく深さ方向の測定する位置に応じて複数存在する面（界面領域）を意味し、分析対象領域とも言えるものである。
【００３５】
図９はＳｉＮ膜がゲート電極配線の側壁として形成された試料の概要を示す平面図である。なお、この平面は試料としての表面であるが、ゲート電極配線の断面でもある。半導体基板２０の表面にはゲート電極配線２１がパターニングして形成され、側壁としてＳｉＮ膜２２が三角形状に形成されている。ゲート電極配線２１及びＳｉＮ膜２２の上部には保護膜（平坦化膜）としてＳｉＯ膜２３が形成され、半導体基板２０の表面を平坦化している。半導体基板２０は厚さ約数十μ〜１ｍｍ程度、ゲート電極配線２１は高さが約１μ程度、幅（ＳｉＮ膜２２相互間の寸法）が約１μ程度、ＳｉＮ膜２２は底部の幅が約０．５μｍ程度、ＳｉＯ膜２３は膜厚が約数μｍ程度である。異種元素のＳｉＮ／ＳｉＯ境界で構成される分析対象の界面２４（分析対象面（分析対象領域）としての界面）は、試料表面（半導体基板２０、ＳｉＯ膜２３の表面）に対して傾斜しており、また、最も外側にある面（ＳｉＯ膜２３の表面）から比較的浅い（表面から約数μｍ）位置に存在している。
【００３６】
図１０はゲート電極配線が形成された試料の概要を示す斜視図である。半導体基板２０の表面にはゲート電極配線２１が形成されている。ダイサによりゲート電極配線２１に交差するダイシング線２５の位置で試料を厚さＤ＝５００μｍ程度にスライスして、界面２４に交差する表面（スライス表面）を露出させる（図９参照）。
【００３７】
図１１は分析対象面に対向するように第１平面を形成した状態を示す試料の平面図である。スライス表面が上部表面となるように試料を配置し、分析対象面である界面２４から間隔Ｌ３（約１００ｎｍ程度）離れた所定の領域にＦＩＢを上部表面に対して垂直方向に照射することにより試料（開口部２６に対応するＳｉＯ膜２３の部分など）を削り取り、開口部２６を形成する。開口部２６は１辺が約０．５μｍの矩形とし、深さは約３μｍの直方体とした。つまり、開口部２６の界面２４に近い側に、界面２４に対向するように第１平面２６ｓを露出させる。界面２４と第１平面２６ｓとは界面４における深さ方向分解能を向上させるためにできるだけ平行であることが好ましい。なお、開口部２６の深さ方向での状態の図示は理解を容易にするため省略する。
【００３８】
図１２は分析対象面に対向するように第２平面を形成した状態を示す試料の平面図である。第１平面２６ｓを形成した試料を、スライス表面と界面２４とが交差する線（図で界面２４を表す線）を回転軸として、水平面に対して開口部２６の方がゲート電極配線２１及びＳｉＮ膜２２より下部側になるように約６度傾斜させる。スライス表面を傾斜させた状態で、界面２４から間隔Ｌ４（約１００ｎｍ程度）離れた所定の領域にＦＩＢを水平面に対して垂直方向に照射することにより試料（開口部２７に対応するゲート電極配線２１及びＳｉＮ膜２２の部分など）を削り取り、界面２４を開口部２６と共に挟むようにして開口部２７を形成する。開口部２７は１辺が約０．５μｍの矩形とし、深さは約３μｍの直方体とした。つまり、開口部２７の界面２４に近い側に、界面２４に対向するように第２平面２７ｓを露出させる。なお、開口部２７の深さ方向での状態の図示は理解を容易にするため省略する。
【００３９】
第１平面２６ｓと第２平面２７ｓとの間には第２平面２７ｓ形成時に傾斜させた角度（約６度）に対応する傾斜が生じることから、開口部２６、２７に挟まれた領域の第１平面２６ｓ及び第２平面２７ｓに交差する方向での断面は楔形となる。つまり、開口部２６、２７の底部に近い側では開口側に比較して楔形の幅が小さくなることから、開口部２６、２７に挟まれた領域を試料片３０（図１３参照）として試料から分離することが容易になる。また、第２平面２７ｓは界面２４に対し傾斜（傾斜させた角度に相当する角度）することになる。なお、この角度は開口部２６、２７の深さ、間隔Ｌ１、Ｌ２などから適宜調整することが可能であるが、加工の容易性などから約１〜６度が好ましく、約１〜３度がより好ましい。
【００４０】
図１３は分析対象面に交差する方向の第３平面、第４平面を形成した状態を示す試料の平面図である。試料を水平に戻して、開口部２６（第１平面２６ｓ）及び開口部２７（第２平面２７ｓ）と交差する所定の領域にＦＩＢをスライス表面に対して垂直方向に照射することにより試料（半導体基板２０及びＳｉＯ膜２３）を削り取り、開口部２８、２９を形成する。開口部２８、２９は、界面２４の延長上で界面２４の両側にわたって矩形に形成し、深さは開口部２６、２７と同様とした。つまり、開口部２８の開口部２６、２７に交差する側に、界面２４、第１平面２６ｓ、第２平面２７ｓに対して交差する方向での面となる第３平面２８ｓを露出させ、開口部２９の開口部２６、２７に交差する側に、界面２４、第１平面２６ｓ、第２平面２７ｓに対して交差する方向での面となる第４平面２９ｓを露出させる。これにより、試料片３０の４方向（第１平面２６ｓ、第２平面２７ｓ、第３平面２８ｓ、第４平面２９ｓ）が試料から分離されたことになる。なお傾斜の角度を実施例１の場合に比較して大きくしていることなどから、試料片３０は４方向だけでなく、開口部２６、２７、２８、２９の底部で試料から略分離されている。
【００４１】
図１４は図１３の試料の斜視図である。試料から分離されている試料片３０（のスライス表面）に帯電したプローブ（不図示）を近づけると、静電気力により薄片がプローブに付着するので、試料から試料片３０を取出す。
【００４２】
図１５は分析対象面に対向する第１平面をエッチングして新たな分析対象面を露出させる状態を示す斜視図である。試料片３０をプローブにより試料支持台１１の上へ移送して第１平面２６ｓ（ＳｉＯ膜２３）の側を上部に、ＳｉＮ膜２２を下部にして載置し、試料片３０とプローブを除電すると、試料片３０はプローブから離れる。試料支持台１１の上に載置した試料片３０をオージェ電子分光分析装置にセッティングし、第１平面２６ｓの表面にある分析対象面３１を分析領域として深さ方向の分析を行い、界面２４の両側での元素分布の分析を行う。
【００４３】
分析対象面２４に電子線を照射してオージェ電子分光分析を行い、ＳｉＯ（Ｓｉ、Ｏ）、ＳｉＮ（Ｓｉ、Ｎ）それぞれの元素に起因するオージェ電子信号強度を求める。次に、試料片３０の第１表面２６ｓにＡｒイオンビームを１分間照射することにより、第１表面２６ｓを数ｎｍ程度スパッタエッチングする。新たに露出した分析対象面３１について、同様にオージェ電子分光分析を行い、各元素のオージェ電子信号強度を求める。以降、スパッタエッチングとオージェ電子分光分析を繰り返し、ＳｉＯ（Ｓｉ、Ｏ）に起因するオージェ信号が検出されなくなり、ＳｉＮ（Ｓｉ、Ｎ）に起因するオージェ信号強度が一定になるまで分析を行う。界面２４（分析対象面３１）が試料（試料母材）表面に傾斜を有する場合でも、試料の表面に界面２４に対向する第１平面２６ｓを露出させることにより、界面２４の両側にわたって元素分布の分析が可能となる。
【００４４】
図１６は実施例２での分析対象面の深さ方向の元素分布状況を示すグラフである。横軸にスパッタによるエッチング時間（任意単位）、縦軸にオージェ信号強度（任意単位）をプロットする。エッチング時間に対して界面での元素分布の変化状況がＳｉＯ（Ｓｉ、Ｏ）からＳｉＮ（Ｓｉ、Ｎ）へと急峻に変わり、分析対象面（界面）が明確に観察されることから分析対象面での深さ方向分解能が十分確保できることがわかる。
【００４５】
（実施例３）
図１７〜図２３により本発明の実施例３を説明する。実施例３は側壁にテーパ面を有するＡｌ（アルミニウム）配線とその上に形成された保護膜としてのＳｉＯ（シリコン酸化）膜との界面（界面領域）を分析対象面とするものである。実施例３は、分析対象面が試料（試料母材）の表面に対して傾斜しており、また、最も外側にある面から比較的浅い位置に存在する場合の分析方法である。なお、分析対象面はただ１つ存在する面（界面）だけを意味するものではなく深さ方向の測定する位置に応じて複数存在する面（界面領域）を意味し、分析対象領域とも言えるものである。
【００４６】
図１７は側壁にテーパ面を有するＡｌ配線が形成された試料の概要を示す平面図である。なお、この平面は試料としての表面であるが、Ａｌ配線の断面でもある。半導体基板４０の表面にはＡｌ配線４１がパターニングして形成され側壁にテーパ面を有する。またＡｌ配線４１の下部にはＴｉＮ膜４２、上部にはＴｉＮ膜４３が形成されている。Ａｌ配線４１及びＴｉＮ膜４３の上部には保護膜（平坦化膜）としてＳｉＯ膜４４が形成され、半導体基板４０の表面を平坦化している。半導体基板４０は厚さ約数十μ〜１ｍｍ程度、Ａｌ配線４１は高さが約１μ程度、幅が約数μ程度、ＴｉＮ膜４２、４３は膜厚が約１００ｎｍ程度、ＳｉＯ膜４４は膜厚が約数μｍ程度である。異種元素のＳｉＯ／Ａｌ境界で構成される分析対象の界面４５（分析対象面（分析対象領域）としての界面）は、試料表面（半導体基板４０、ＳｉＯ膜４４の表面）に対して傾斜しており、また、最も外側にある面（ＳｉＯ膜４４の表面）から比較的浅い（表面から約数μｍ）位置に存在している。
【００４７】
図１８はＡｌ配線が形成された試料の概要を示す斜視図である。半導体基板４０の表面にはＡｌ配線４１が形成されている。ダイサによりＡｌ配線４１に交差するダイシング線２５の位置で試料を厚さＤ＝５００μｍ程度にスライスして、界面４５に交差する表面（第１スライス表面）を露出させる（図２０参照）。
【００４８】
図１９はＡｌ配線の長さ方向に平行な平面を形成する状態を示す試料の斜視図である。図１８でスライスした試料をさらにＡｌ配線４１に平行なダイシング線４７の位置でダイシングする。
【００４９】
図２０は図１９を拡大した試料の概要を示す平面図である。Ａｌ配線４１の下部のＴｉＮ膜４２、上部のＴｉＮ膜４３は省略する。Ａｌ配線４１から間隔Ｌ５（約数μｍ程度）離れたダイシング線４７の位置でダイシングするので、界面４５はダイシング線４７で形成された表面（第２スライス表面）から比較的浅い位置（表面から約数μｍ）に存在することになる。
【００５０】
図２１は分析対象面に対向する平面を形成した状態を示す試料の斜視図である。ダイシング線４７でダイシングした試料を第１スライス表面が上部表面になるように配置し、試料表面（第１スライス表面及び第２スライス表面と交差するＳｉＯ膜４４の表面）、第１スライス表面及び第２スライス表面により形成される角部において、ＦＩＢを上部表面に対して垂直方向に照射することにより試料（ＳｉＯ膜４４の部分など）を削り取る。つまり、界面４５から間隔Ｌ６（約１００ｎｍ程度）離れた位置までの３角柱状部分を深さＬ７（約５μｍ程度）削り取ることにより、界面４５に対向する平面４８を露出させる。界面４５と平面４８とは界面４５における深さ方向分解能を向上させるためにできるだけ平行であることが好ましい。
【００５１】
図２２は分析対象面に対向する平面をエッチングして新たな分析対象面を露出させる状態を示す斜視図である。試料表面４９を上部にしてオージェ電子分光分析装置にセッティングし、平面４８の表面にある分析対象面５０を分析領域として深さ方向の分析を行い、界面４５の両側での元素分布の分析を行う。
【００５２】
分析対象面５０に電子線を照射してオージェ電子分光分析を行い、ＳｉＯ（Ｓｉ、Ｏ）、Ａｌそれぞれの元素に起因するオージェ電子信号強度を求める。次に、平面４８の表面にＡｒイオンビームを１分間照射することにより、平面４８を数ｎｍ程度スパッタエッチングする。新たに露出した分析対象面５０について、同様にオージェ電子分光分析を行い、各元素のオージェ電子信号強度を求める。以降、スパッタエッチングとオージェ電子分光分析を繰り返し、ＳｉＯ（Ｓｉ、Ｏ）に起因するオージェ信号が検出されなくなり、Ａｌに起因するオージェ信号強度が一定になるまで分析を行う。界面４５（分析対象面５０）が試料表面（試料母材の表面）４９に傾斜を有する場合でも、試料の表面に界面４５に対向する平面４８を露出させることにより、界面４５の両側にわたって元素分布の分析が可能となる。
【００５３】
図２３は実施例３での分析対象面の深さ方向の元素分布状況を示すグラフである。横軸にスパッタによるエッチング時間（任意単位）、縦軸にオージェ信号強度（任意単位）をプロットする。エッチング時間に対して界面での元素分布の変化状況がＳｉＯ（Ｓｉ、Ｏ）からＡｌへと急峻に変わり、分析対象面（界面）が明確に観察されることから分析対象面での深さ方向分解能が十分確保できることがわかる。
【００５４】
なお、実施例１〜３では、分析方法としてオージェ電子分光分析を用いたが、２次イオン質量分析方法、Ｘ線光電子分光法など、他の分析方法であっても構わない。また、試料を加工する手段として、ＦＩＢやダイサを用いたが、研磨など、他の手段であっても構わない。
【００５５】
【発明の効果】
以上に詳述した如く、本発明にあっては、試料（試料母材）の表面での凹凸が大きい場合や分析対象面が試料表面から１μｍ〜数μｍ以上の深い位置にある場合でも、簡単な加工により良好な深さ方向分解能で分析対象面に交差する深さ方向での元素分布分析を行うことができ、膜と膜の界面での微量元素などを正確かつ精密に評価分析することが可能となる。
【００５６】
本発明にあっては、分析対象面が試料（試料母材）の表面と平行でない場合（つまり、傾斜を有する場合）について、従来の分析方法にあっては分析できなかったが、本発明にあっては、簡単な加工により簡単な加工により良好な深さ方向分解能で分析対象面に交差する深さ方向での元素分布分析を行うことができ、膜と膜の界面での微量元素などを正確かつ精密に評価分析することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】金バンプがＴｉＷ膜の表面に形成された試料の概要を示す斜視図である。
【図２】分析対象面に対向するように第１平面を形成した状態を示す試料の斜視図である。
【図３】分析対象面に対向するように第２平面を形成した状態を示す試料の斜視図である。
【図４】分析対象面に交差する方向の第３平面を形成した状態を示す試料の斜視図である。
【図５】試料片に移送用のプローブを接着した状態を示す斜視図である。
【図６】分析対象面に交差する方向の第４平面を形成した状態を示す試料の斜視図である。
【図７】分析対象面に対向する第１平面をエッチングして新たな分析対象面を露出させる状態を示す斜視図である。
【図８】実施例１での分析対象面の深さ方向の元素分布状況を示すグラフである。
【図９】ＳｉＮ膜がゲート電極配線の側壁として形成された試料の概要を示す平面図である。
【図１０】ゲート電極配線が形成された試料の概要を示す斜視図である。
【図１１】分析対象面に対向するように第１平面を形成した状態を示す試料の平面図である。
【図１２】分析対象面に対向するように第２平面を形成した状態を示す試料の平面図である。
【図１３】分析対象面に交差する方向の第３平面、第４平面を形成した状態を示す試料の平面図である。
【図１４】図１３の試料の斜視図である。
【図１５】分析対象面に対向する第１平面をエッチングして新たな分析対象面を露出させる状態を示す斜視図である。
【図１６】実施例２での分析対象面の深さ方向の元素分布状況を示すグラフである。
【図１７】側壁にテーパ面を有するＡｌ配線が形成された試料の概要を示す平面図である。
【図１８】Ａｌ配線が形成された試料の概要を示す斜視図である。
【図１９】Ａｌ配線の長さ方向に平行な平面を形成する状態を示す試料の斜視図である。
【図２０】図１９を拡大した試料の概要を示す平面図である。
【図２１】分析対象面に対向する平面を形成した状態を示す試料の斜視図である。
【図２２】分析対象面に対向する平面をエッチングして新たな分析対象面を露出させる状態を示す斜視図である。
【図２３】実施例３での分析対象面の深さ方向の元素分布状況を示すグラフである。
【図２４】線分析を用いた従来の元素分布分析方法の例を示す説明図である。
【符号の説明】
４界面
５ｓ第１平面
６ｓ第２平面
７ｓ第３平面
８試料片
１０ｓ第４平面
１２分析対象面
２４界面
２６ｓ第１平面
２７ｓ第２平面
２８ｓ第３平面
２９ｓ第４平面
３０試料片
３１分析対象面
４５界面
４８平面
５０分析対象面[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention provides an element distribution analysis for analyzing an element distribution in a direction crossing an analysis target surface (a depth direction of the analysis target surface) when the analysis target surface (analysis target region) is not inside the sample surface but inside the sample. About the method.
[0002]
[Prior art]
Auger electron spectroscopy, which is one of the surface analysis methods, is an analysis that irradiates an electron beam to a sample surface and performs a spectroscopic analysis of Auger electrons emitted by the interaction with the sample to identify elements. Auger electrons have a very shallow escape depth of about several nanometers, and thus are suitable for analyzing constituent elements on the analysis target surface (extreme surface). Auger electron spectroscopy intersects the surface to be analyzed by alternately repeating the process of etching the sample surface by sputter etching using ions and the process of performing Auger electron spectroscopy analysis on the newly exposed surface. It is possible to analyze constituent elements in the direction (that is, the depth direction of the analysis target surface) (depth direction analysis). The main factor that determines the resolution in the depth direction (depth direction resolution) is unevenness of the analysis target surface generated or increased by sputter etching. By minimizing the irregularities as much as possible, in principle, it is possible to increase the escape depth of Auger electrons to about several nm.
[0003]
Further, as another method for performing a depth direction analysis of the constituent elements on the analysis target surface, a cross section of a region to be analyzed (analysis target region) is exposed, an electron beam is irradiated on the cross section, and the electron beam is directed in the depth direction. A method using “line analysis” in which elemental analysis is sequentially performed while scanning is also known as a general method. In this case, the resolution in the depth direction depends on the processing accuracy of the sample such as flatness, but does not fall below a few hundred nm, which is the beam diameter of the electron beam. Therefore, for the purpose of improving the resolution in the depth direction, a method has been proposed in which a sample cross section is obliquely processed to perform line analysis (for example, see Patent Document 1).
[0004]
FIG. 24 is an explanatory diagram showing an example of a conventional element distribution analysis method using line analysis. The sample is formed by sequentially stacking a silicon oxide film (SiO) 102 and an aluminum film (Al) 101 on a silicon substrate 103. The sample is processed obliquely to expose each layer (101, 102, 103), and sequentially analyzed while scanning the electron beam in the depth direction of the processing surface, and aluminum (Al) and silicon as constituent elements are analyzed. The signal intensity of each of (Si) and oxygen (O) is measured. The graph 104 plots the scanning distance (displacement) of the electron beam on the horizontal axis and the signal intensity of each element on the vertical axis.
[0005]
[Patent Document 1]
JP-A-7-263422
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
When the analysis target surface (analysis target surface region) is in a deep region exceeding 1 μm from the sample surface, in the depth direction analysis in which the etching process and the analysis process are repeated, the roughness of the sample surface due to sputter etching increases, There is a problem that the directional resolution is reduced. This is because the sputter etching emphasizes irregularities on the outermost surface of the sample and, because the etching rate varies depending on each element and crystal orientation, the longer the etching time, the greater the irregularities on the analysis surface.
[0007]
Further, even in a shallow region, if the unevenness of the sample surface is large originally, the resolution in the depth direction is deteriorated. When the resolution in the depth direction is deteriorated, when the analysis target surface is an interface between films formed of different elements, there arises a problem that a trace element at the interface cannot be detected. In addition, when the analysis target surface has a tapered shape such as the side wall of the pattern, or when the analysis target surface is not parallel to the sample surface, analysis cannot be performed by the conventional method. This is because, if the analysis surface is inclined from the horizontal direction, it will cause a reduction in the resolution in the depth direction as well as the surface unevenness.
[0008]
Furthermore, in the analysis method in which the cross section of the sample is exposed and the line analysis is performed, the beam diameter of the electron beam of about several hundred nm is the minimum value of the resolution in the depth direction. In order to realize a smaller depth direction resolution, a method of processing the sample obliquely is used. However, when analyzing a thin film of about several tens of nm or impurities at the interface between the films, the analysis target surface is required. Since the upper and lower surfaces of the thin film need to be exposed, it is necessary to process the sample at a very shallow angle of 1 ° or less with respect to the sample surface, and there is a problem that the processing is difficult. Further, when a thin film having a pattern is an analysis target surface, there is a problem that the angle that can be processed is limited by the size and thickness of the pattern.
[0009]
The present invention has been made in view of such a problem, and includes a process of analyzing an element present on an analysis surface of a sample, a process of exposing a new analysis surface by etching the analysis surface of the sample. Is alternately repeated to analyze the element distribution in the depth direction of the analysis target surface inside the sample. In the element distribution analysis method, two planes facing the analysis target surface are exposed with the analysis target surface interposed therebetween. A sample piece is prepared. Elemental analysis method with good resolution in the depth direction even when the surface to be analyzed is deep from the surface of the sample by exposing the surface to be analyzed by cross-etching the plane facing the surface to be analyzed of the sample piece in the cross direction The purpose is to provide.
[0010]
Another object of the present invention is to alternately repeat a process of analyzing an element present on an analysis surface of a sample and a process of exposing a new analysis surface by etching the analysis surface of the sample. In the element distribution analysis method for analyzing the element distribution in the depth direction of the analysis target surface inside, a plane facing the analysis target surface is exposed, and the exposed plane is etched in a cross direction to expose the analysis target surface. By doing so, an object of the present invention is to provide an element distribution analysis method with good resolution in the depth direction even when the surface to be analyzed is inclined with respect to the surface of the sample.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The element distribution analysis method according to the present invention includes a step of analyzing an element present on an analysis target surface of a sample, and exposing a new analysis target surface in a direction crossing the analysis target surface by etching the analysis target surface of the sample. An element distribution analysis method for analyzing an element distribution in a direction intersecting the analysis target surface by repeating the etching process to be performed, wherein a step of exposing a surface intersecting the analysis target surface of the sample, and a step of exposing the sample from the surface side Etching the sample with an energy beam to expose the first and second planes with the analysis surface interposed therebetween and facing the analysis surface, and etching the sample from the surface side with the energy beam. Exposing third and fourth planes intersecting the first and second planes and separating the sample pieces having the first, second, third and fourth planes from the sample; When, characterized in that it comprises a process of the first plane of separated said sample piece to expose the etched analyzed surface.
[0012]
In the element distribution analysis method according to the present invention, the first plane is parallel to the analysis target plane, and the second plane is a cross section of the sample piece in a direction intersecting the first plane and the second plane. Are inclined with respect to the analysis target surface so as to have a wedge shape.
[0013]
In the element distribution analysis method according to the present invention, the inclination angle of the second plane is 1 to 6 degrees with respect to the analysis target surface.
[0014]
The element distribution analysis method according to the present invention is characterized in that, in a direction intersecting the first plane, there are interfaces composed of different elements on both sides thereof.
[0015]
The element distribution analysis method according to the present invention includes a step of analyzing an element present on an analysis target surface of a sample, and exposing a new analysis target surface in a direction crossing the analysis target surface by etching the analysis target surface of the sample. An element distribution analysis method for analyzing an element distribution in a direction intersecting the analysis target surface by repeating the etching process to be performed, wherein a step of exposing a surface intersecting the analysis target surface of the sample, and a step of exposing the sample from the surface side And a step of exposing a plane so as to face the analysis surface by etching the surface with an energy beam, and a step of exposing the analysis surface by etching the plane.
[0016]
In the element distribution analysis method according to the present invention, the plane is parallel to the analysis target plane.
[0017]
The element distribution analysis method according to the present invention is characterized in that in the direction intersecting the plane, there are interfaces composed of different types of elements on both sides thereof.
[0018]
In the element distribution analysis method according to the present invention, the energy beam is an ion beam.
[0019]
In the element distribution analysis method according to the present invention, the etching in the step of exposing the analysis target surface is sputter etching.
[0020]
In the element distribution analysis method according to the present invention, the analysis in the step of analyzing the elements present on the analysis target surface is Auger electron spectroscopy.
[0021]
According to the present invention, a specimen is prepared in which two planes facing the analysis target surface are exposed with the analysis target surface interposed therebetween, and the exposed surfaces are etched in a crossing direction to change the analysis target surface. Because it is exposed and the elements present on the analysis surface are analyzed, even if the analysis surface is deep from the sample surface, an element distribution analysis method with good resolution in the depth direction of the analysis surface is required. It becomes possible.
[0022]
In the present invention, even when the surface to be analyzed has a slope on the surface of the sample (sample base material), a plane facing the surface to be analyzed is exposed on the surface of the sample, and the exposed plane is etched in the cross direction. Because the analysis target surface is exposed and the elements present on the analysis target surface are analyzed, even if the analysis target surface is inclined with respect to the sample surface, the resolution in the depth direction of the analysis target surface can be reduced. A good element distribution analysis method becomes possible.
[0023]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described with reference to the drawings showing the embodiments (examples).
(Example 1)
First Embodiment A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In the first embodiment, an interface (interface region) between a gold bump as an external terminal of a semiconductor device and a TiW (titanium tungsten) film as a base film thereof is set as an analysis target surface. In the first embodiment, an element distribution analysis method (hereinafter, referred to as an analysis method) in a case where the analysis target surface is parallel to the surface of the sample (sample base material) and exists at a relatively deep position from the outermost surface. It is. Note that the analysis target surface does not mean only one existing surface (interface), but means a plurality of surfaces (interface region) depending on the position to be measured in the depth direction, and can be said to be an analysis target region. It is.
[0024]
FIG. 1 is a perspective view showing an outline of a sample in which gold bumps are formed on the surface of a TiW film. The gold bump 1 is formed in an appropriate pattern on the surface of the TiW film 2 by, for example, a plating method. The height of the gold bump 1 is about 15 μm, and the surface has irregularities of several tens to hundreds of nm. Although a semiconductor substrate (about several tens μm to about 1 mm in thickness) is present in the depth direction of the TiW film 2, it is not shown. The sample is sliced at a dicing line 3 intersecting the gold bump 1 with a dicer to a thickness D of about 500 μm to expose a surface (slice surface) intersecting the interface 4. The interface 4 exists at a relatively deep position (about 15 μm from the surface) from the outermost surface (the surface corresponding to the top of the gold bump 1) to the height of the gold bump 1. In the slice surface, the position of the interface 4 of the analysis target (the interface as the analysis target surface (analysis target region)) composed of the Au / TiW boundary of the different element from the gold bump is unclear. In order to clarify the position, a focused ion beam (hereinafter, referred to as FIB) parallel to the cross section of the sample is irradiated to thinly cut the surface to form a slice-free surface (FIB processing).
[0025]
FIG. 2 is a perspective view of a sample showing a state in which a first plane is formed so as to face a surface to be analyzed. The sample is arranged so that the sliced surface subjected to the FIB processing becomes the upper surface, and FIB is irradiated in a direction perpendicular to the upper surface to a predetermined region separated by an interval L1 (about 200 nm) from the interface 4 to be analyzed. Thus, the sample (gold bump 1) is scraped off, and an opening 5 is formed. The opening 5 has a rectangular shape with a short side 5a (about 5 μm) in a direction intersecting with the interface 4 and a long side 5b (about 10 μm) in a direction parallel to the interface 4 and a depth of about 10 μm. That is, the first plane 5s is exposed on the side of the opening 5 near the interface 4 so as to face the interface 4. It is preferable that the interface 4 and the first plane 5s be as parallel as possible in order to improve the resolution in the depth direction at the interface 4.
[0026]
FIG. 3 is a perspective view of a sample showing a state where a second plane is formed so as to face the analysis target surface. The sample (slice surface) on which the first plane 5s is formed is inclined at an angle θ (about 3 degrees) with respect to the horizontal plane H, and the TiW 2 is arranged above the gold bump 1. In a state in which the slice surface is inclined, the sample (TiW film 2) is scraped off by irradiating the FIB in a direction perpendicular to the horizontal plane H to a predetermined region separated from the interface 4 by an interval L2 (about 300 nm). Is formed with the opening 5 so as to sandwich the opening 6. The opening 6 has a rectangular shape with a short side 6a (about 5 μm) in a direction intersecting with the interface 4 and a long side 6b (about 10 μm) in a direction parallel to the interface 4 and a depth of about 10 μm. That is, the second plane 6s is exposed on the side of the opening 6 near the interface 4 so as to face the interface 4.
[0027]
Since the inclination of the angle θ occurs between the first plane 5s and the second plane 6s, a cross section of the region interposed between the openings 5, 6 in the direction intersecting the first plane 5s and the second plane 6s Has a wedge shape. That is, since the width of the wedge is smaller on the side closer to the bottom of the openings 5 and 6 than on the opening side, the region sandwiched between the openings 5 and 6 is used as a sample piece 8 (see FIG. 4) from the sample. Separation becomes easier. Further, the second plane 6s is inclined with respect to the interface 4 (an angle corresponding to the angle θ). The angle θ can be appropriately adjusted based on the depths of the openings 5 and 6 and the intervals L1 and L2, but is preferably about 1 to 6 degrees, and is preferably about 1 to 3 degrees from the viewpoint of ease of processing. More preferred.
[0028]
FIG. 4 is a perspective view of the sample showing a state in which a third plane in a direction intersecting the analysis target surface is formed. The sample is returned to a horizontal position, and a predetermined region intersecting with the opening 5 (first plane 5s) and the opening 6 (second plane 6s) is irradiated with FIB in a direction perpendicular to the slice surface by FIB. The bumps 1 and TiW2) are scraped off to form openings 7. The opening 7 was formed in a rectangular shape on both sides of the interface 4, and had the same depth as the openings 5 and 6. That is, the third plane 7s, which is a surface in a direction intersecting the interface 4, the first plane 5s, and the second plane 6s, is exposed on the side of the opening 7 that intersects the openings 5, 6. This means that the three directions of the sample piece 8 (the first plane 5s, the second plane 6s, and the third plane 7s) are separated from the sample.
[0029]
FIG. 5 is a perspective view showing a state in which a transfer probe is adhered to the sample piece. By bringing the transfer probe 9 into contact with the upper surface of the sample piece 8 and depositing tungsten (W) to form a tungsten film (not shown), the sample piece 8 and the probe 9 are bonded.
[0030]
FIG. 6 is a perspective view of the sample showing a state in which a fourth plane that intersects the analysis target surface is formed. After the opening 7 is formed, the opening 10 is formed in the same manner as the opening 7. That is, the fourth plane 10s, which is a surface in a direction intersecting the interface 4, the first plane 5s, and the second plane 6s, is exposed on the side of the opening 10 that intersects the openings 5, 6. As a result, the four directions (first plane 5s, second plane 6s, third plane 7s, and fourth plane 10s) of the sample piece 8 are separated from the sample, and the wedge-shaped sample piece 8 can be formed. Since the wedge-shaped tips at the bottoms of the openings 5, 6, 7, and 10 are extremely small, and the sample piece 8 is bonded to the probe 9, the probe 9 separates the sample piece 8 from the sample. Can be.
[0031]
FIG. 7 is a perspective view showing a state where a first plane facing the analysis target surface is etched to expose a new analysis target surface. The sample piece 8 is transferred onto the sample support base 11 by the probe 9 and placed on the first flat surface 5s (gold bump 1) side with the TiW film 2 on the lower side. The adhered tungsten film is removed by FIB. The sample piece 8 placed on the sample support 11 is set in an Auger electron spectrometer, and the analysis in the depth direction is performed using the analysis target surface 12 on the surface of the first flat surface 5s as an analysis area. Analysis of element distribution on both sides.
[0032]
That is, Auger electron spectroscopy is performed by irradiating the analysis target surface 12 with an electron beam, and the Auger electron signal intensity resulting from each of Au and TiW (Ti, W) elements is obtained. Next, the first surface 5s of the sample piece 8 is irradiated with an Ar ion beam for one minute, thereby performing sputter etching on the first surface 5s by about several nm. Auger electron spectroscopy is similarly performed on the newly exposed analysis target surface 12 to determine the Auger electron signal intensity of each element. Thereafter, the sputter etching and the Auger electron spectroscopy are repeated, and the analysis is performed until the Auger signal caused by Au is not detected and the Auger signal intensity caused by TiW (Ti, W) becomes constant. Even when the interface 4 (analysis target surface 12) is at a deep position from the surface of the sample (sample base material), by exposing the first flat surface 5s facing the interface 4 on the surface of the sample piece 8, both sides of the interface 4 are exposed. Element distribution can be analyzed.
[0033]
FIG. 8 is a graph showing the element distribution in the depth direction of the analysis target surface in Example 1. FIG. 2A shows the analysis result by the analysis method according to the present invention, and FIG. 2B shows the analysis result by the conventional analysis method shown for comparison. The horizontal axis plots the etching time by sputtering (arbitrary unit), and the vertical axis plots the Auger signal intensity (arbitrary unit). (A) and (b) are shown on the same scale. In the conventional analysis method (b), the elements constituting the interface, Au, Ti, and W, change gradually and the interface is not clear. The change in the element distribution is sharp and the analysis target surface (interface) is clearly observed, indicating that the resolution in the depth direction on the analysis target surface is greatly improved.
[0034]
(Example 2)
Second Embodiment A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In the second embodiment, an interface (interface) between a SiN (silicon nitride) film as a sidewall formed on a gate electrode wiring of a MOSFET (field effect transistor) and a SiO (silicon oxide) film as a protective film formed thereon is provided. (Area) is the analysis target surface. Example 2 is an analysis method in the case where the analysis target surface is inclined with respect to the surface of the sample (sample base material) and is located at a relatively shallow position from the outermost surface. Note that the analysis target surface does not mean only one existing surface (interface), but means a plurality of surfaces (interface region) depending on the position to be measured in the depth direction, and can be said to be an analysis target region. It is.
[0035]
FIG. 9 is a plan view schematically showing a sample in which a SiN film is formed as a side wall of a gate electrode wiring. This plane is the surface of the sample, but is also a cross section of the gate electrode wiring. On the surface of the semiconductor substrate 20, a gate electrode wiring 21 is formed by patterning, and a SiN film 22 is formed in a triangular shape as a side wall. An SiO film 23 is formed as a protective film (flattening film) on the gate electrode wiring 21 and the SiN film 22 to flatten the surface of the semiconductor substrate 20. The semiconductor substrate 20 has a thickness of about several tens μm to about 1 mm, the gate electrode wiring 21 has a height of about 1 μm, a width (dimension between the SiN films 22) of about 1 μm, and the SiN film 22 has a bottom width of about 1 μm. The thickness of the SiO film 23 is about several micrometers. The interface 24 of the analysis object (the interface as the analysis target surface (analysis target region)) constituted by the SiN / SiO boundary of different elements is inclined with respect to the sample surface (the surface of the semiconductor substrate 20 and the SiO film 23). In addition, it exists at a position relatively shallow (about several μm from the surface) from the outermost surface (the surface of the SiO film 23).
[0036]
FIG. 10 is a perspective view showing an outline of a sample on which a gate electrode wiring is formed. On the surface of the semiconductor substrate 20, a gate electrode wiring 21 is formed. The sample is sliced to a thickness D of about 500 μm at a dicing line 25 crossing the gate electrode wiring 21 by a dicer to expose a surface (slice surface) crossing the interface 24 (see FIG. 9).
[0037]
FIG. 11 is a plan view of the sample showing a state where the first plane is formed so as to face the analysis target surface. The sample is arranged so that the slice surface becomes the upper surface, and FIB is irradiated perpendicularly to the upper surface to a predetermined region separated by an interval L3 (about 100 nm) from the interface 24 which is the analysis target surface. (The portion of the SiO film 23 corresponding to the opening 26, etc.) is removed to form the opening 26. The opening 26 was a rectangle having a side of about 0.5 μm and a depth of about 3 μm. That is, the first plane 26s is exposed on the side of the opening 26 near the interface 24 so as to face the interface 24. It is preferable that the interface 24 and the first plane 26s be as parallel as possible in order to improve the resolution in the depth direction at the interface 4. The illustration of the state of the opening 26 in the depth direction is omitted to facilitate understanding.
[0038]
FIG. 12 is a plan view of the sample showing a state in which the second plane is formed so as to face the analysis target surface. With the sample on which the first plane 26s is formed, the opening 26 is closer to the horizontal plane than the gate electrode wiring 21 and the SiN with respect to the horizontal plane, with the line intersecting the slice surface and the interface 24 (the line representing the interface 24) as a rotation axis. It is inclined about 6 degrees below the film 22. In a state where the slice surface is inclined, FIB is irradiated perpendicularly to the horizontal plane to a predetermined region spaced apart from the interface 24 by an interval L4 (about 100 nm), whereby the sample (the gate electrode wiring 21 corresponding to the opening 27) is irradiated. And the SiN film 22), and the opening 27 is formed so as to sandwich the interface 24 together with the opening 26. The opening 27 was a rectangle having a side of about 0.5 μm and a depth of about 3 μm. That is, the second plane 27s is exposed on the side of the opening 27 near the interface 24 so as to face the interface 24. The illustration of the state of the opening 27 in the depth direction is omitted for easy understanding.
[0039]
Since an inclination corresponding to the angle (approximately 6 degrees) inclined when the second plane 27s is formed occurs between the first plane 26s and the second plane 27s, the first plane 26s and the second plane 27s in the region sandwiched by the openings 26 and 27 have the same inclination. The cross section in a direction intersecting the first plane 26s and the second plane 27s has a wedge shape. That is, since the width of the wedge is smaller on the side closer to the bottom of the openings 26 and 27 than on the side of the openings, the region sandwiched between the openings 26 and 27 is used as the sample piece 30 (see FIG. 13) from the sample. Separation becomes easier. Further, the second plane 27s is inclined with respect to the interface 24 (an angle corresponding to the inclined angle). The angle can be appropriately adjusted based on the depths of the openings 26 and 27, the intervals L1 and L2, and is preferably about 1 to 6 degrees, and is preferably about 1 to 3 degrees from the viewpoint of ease of processing. More preferred.
[0040]
FIG. 13 is a plan view of the sample showing a state in which a third plane and a fourth plane in a direction intersecting the analysis target plane are formed. The sample is returned to a horizontal position, and the sample (semiconductor) is irradiated with FIB in a direction perpendicular to the slice surface at a predetermined region intersecting the opening 26 (first plane 26s) and the opening 27 (second plane 27s). The substrate 20 and the SiO film 23 are scraped off to form openings 28 and 29. The openings 28 and 29 are formed in a rectangular shape on both sides of the interface 24 on the extension of the interface 24, and have the same depth as the openings 26 and 27. That is, the third plane 28s, which is a surface in a direction intersecting the interface 24, the first plane 26s, and the second plane 27s, is exposed on the side of the opening 28 that intersects the openings 26, 27. On the side intersecting the openings 26, 27 of the 29, the fourth plane 29s, which is a surface in a direction intersecting the interface 24, the first plane 26s, and the second plane 27s, is exposed. As a result, the four directions (the first plane 26s, the second plane 27s, the third plane 28s, and the fourth plane 29s) of the sample piece 30 are separated from the sample. In addition, since the angle of inclination is larger than that in the first embodiment, the sample piece 30 is substantially separated from the sample not only in four directions but also at the bottoms of the openings 26, 27, 28, and 29. I have.
[0041]
FIG. 14 is a perspective view of the sample of FIG. When a charged probe (not shown) is brought close to (the slice surface of) the sample piece 30 separated from the sample, the thin piece adheres to the probe due to electrostatic force, so the sample piece 30 is removed from the sample.
[0042]
FIG. 15 is a perspective view showing a state where a first plane facing the analysis target surface is etched to expose a new analysis target surface. The sample piece 30 is transferred onto the sample support base 11 by the probe and placed on the first flat surface 26s (SiO film 23) side at the upper side and the SiN film 22 at the lower side. The sample piece 30 moves away from the probe. The sample piece 30 placed on the sample support 11 is set on an Auger electron spectrometer, and the analysis is performed in the depth direction using the analysis target surface 31 on the surface of the first flat surface 26s as an analysis region. Analysis of element distribution on both sides.
[0043]
Auger electron spectroscopy is performed by irradiating the analysis target surface 24 with an electron beam, and the Auger electron signal intensity resulting from each element of SiO (Si, O) and SiN (Si, N) is obtained. Next, the first surface 26s of the sample piece 30 is irradiated with an Ar ion beam for one minute to sputter-etch the first surface 26s by about several nm. Auger electron spectroscopy is similarly performed on the newly exposed analysis target surface 31 to determine the Auger electron signal intensity of each element. Thereafter, the sputter etching and the Auger electron spectroscopy are repeated, and the analysis is performed until the Auger signal caused by SiO (Si, O) is no longer detected and the Auger signal intensity caused by SiN (Si, N) becomes constant. Even when the interface 24 (analysis target surface 31) has a slope on the surface of the sample (sample base material), by exposing the first plane 26s facing the interface 24 on the surface of the sample, the element distribution of both sides of the interface 24 is reduced. Analysis becomes possible.
[0044]
FIG. 16 is a graph showing the element distribution in the depth direction of the analysis target surface in Example 2. The horizontal axis plots the etching time by sputtering (arbitrary unit), and the vertical axis plots the Auger signal intensity (arbitrary unit). The change state of the element distribution at the interface with respect to the etching time changes sharply from SiO (Si, O) to SiN (Si, N), and the analysis target surface (interface) is clearly observed. It can be seen that the resolution in the depth direction can be sufficiently ensured.
[0045]
(Example 3)
Third Embodiment A third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In the third embodiment, an interface (interface region) between an Al (aluminum) wiring having a tapered side wall and an SiO (silicon oxide) film as a protective film formed thereon is used as an analysis target surface. Example 3 is an analysis method in the case where the analysis target surface is inclined with respect to the surface of the sample (sample base material) and is located at a relatively shallow position from the outermost surface. Note that the analysis target surface does not mean only one existing surface (interface), but means a plurality of surfaces (interface region) depending on the position to be measured in the depth direction, and can be said to be an analysis target region. It is.
[0046]
FIG. 17 is a plan view showing an outline of a sample in which an Al wiring having a tapered side wall is formed. This plane is the surface of the sample, but is also a cross section of the Al wiring. An Al wiring 41 is formed on the surface of the semiconductor substrate 40 by patterning and has a tapered side wall. A TiN film 42 is formed below the Al wiring 41, and a TiN film 43 is formed above the Al wiring 41. An SiO film 44 is formed as a protective film (flattening film) on the Al wiring 41 and the TiN film 43 to flatten the surface of the semiconductor substrate 40. The semiconductor substrate 40 has a thickness of about several tens μm to about 1 mm, the Al wiring 41 has a height of about 1 μm, a width of about several μm, the TiN films 42 and 43 have a thickness of about 100 nm, and the SiO film 44 has a thickness of about 100 nm. The thickness is about several μm. The interface 45 of the analysis target (interface as the analysis target surface (analysis target region)) constituted by the SiO / Al boundary of the different element is inclined with respect to the sample surface (the surface of the semiconductor substrate 40 and the SiO film 44). In addition, it exists at a position relatively shallow (about several μm from the surface) from the outermost surface (the surface of the SiO film 44).
[0047]
FIG. 18 is a perspective view showing an outline of a sample on which an Al wiring is formed. An Al wiring 41 is formed on the surface of the semiconductor substrate 40. The sample is sliced to a thickness D of about 500 μm at a dicing line 25 crossing the Al wiring 41 by a dicer, and a surface (first slice surface) crossing the interface 45 is exposed (see FIG. 20).
[0048]
FIG. 19 is a perspective view of a sample showing a state where a plane parallel to the length direction of the Al wiring is formed. The sample sliced in FIG. 18 is further diced at a dicing line 47 parallel to the Al wiring 41.
[0049]
FIG. 20 is a plan view showing an outline of the sample in which FIG. 19 is enlarged. The TiN film 42 below the Al wiring 41 and the TiN film 43 above the Al wiring 41 are omitted. Since the dicing is performed at the position of the dicing line 47 separated from the Al wiring 41 by an interval L5 (about several μm), the interface 45 is relatively shallow from the surface (the second slice surface) formed by the dicing line 47 (approximately from the surface). (Several μm).
[0050]
FIG. 21 is a perspective view of the sample showing a state in which a plane facing the analysis target surface is formed. The sample diced by the dicing line 47 is arranged so that the first slice surface is the upper surface, and the sample surface (the surface of the SiO film 44 intersecting the first slice surface and the second slice surface), the first slice surface, and the At the corner formed by the two-slice surface, the sample (such as the SiO film 44) is scraped off by irradiating the FIB with the FIB in a direction perpendicular to the upper surface. In other words, the plane 48 facing the interface 45 is exposed by shaving off the triangular columnar portion from the interface 45 to a position spaced L6 (about 100 nm) away from the interface 45 to a depth L7 (about 5 μm). It is preferable that the interface 45 and the plane 48 be as parallel as possible to improve the resolution in the depth direction at the interface 45.
[0051]
FIG. 22 is a perspective view showing a state where a plane facing the analysis target surface is etched to expose a new analysis target surface. The sample surface 49 is set on an Auger electron spectrometer with the sample surface 49 at the top, the analysis in the depth direction is performed using the analysis target surface 50 on the surface of the plane 48 as the analysis region, and the element distribution on both sides of the interface 45 is analyzed. .
[0052]
Auger electron spectroscopy is performed by irradiating the analysis target surface 50 with an electron beam to determine the Auger electron signal intensity attributed to each element of SiO (Si, O) and Al. Next, by irradiating the surface of the plane 48 with an Ar ion beam for 1 minute, the plane 48 is sputter-etched by about several nm. Auger electron spectroscopy is similarly performed on the newly exposed analysis target surface 50 to determine the Auger electron signal intensity of each element. Thereafter, the sputter etching and the Auger electron spectroscopy are repeated, and the analysis is performed until the Auger signal caused by SiO (Si, O) is no longer detected and the Auger signal intensity caused by Al becomes constant. Even when the interface 45 (analysis target surface 50) has a slope on the sample surface (the surface of the sample base material) 49, by exposing the plane 48 facing the interface 45 on the surface of the sample, the element distribution over both sides of the interface 45 is achieved. Analysis becomes possible.
[0053]
FIG. 23 is a graph showing the element distribution in the depth direction of the analysis target surface in Example 3. The horizontal axis plots the etching time by sputtering (arbitrary unit), and the vertical axis plots the Auger signal intensity (arbitrary unit). The change state of the element distribution at the interface with respect to the etching time is sharply changed from SiO (Si, O) to Al, and the analysis target surface (interface) is clearly observed. It can be seen that the resolution can be sufficiently secured.
[0054]
In Examples 1 to 3, Auger electron spectroscopy was used as an analysis method, but other analysis methods such as secondary ion mass spectrometry and X-ray photoelectron spectroscopy may be used. Although FIB and dicer are used as a means for processing the sample, other means such as polishing may be used.
[0055]
【The invention's effect】
As described in detail above, in the present invention, even when the surface of the sample (sample base material) has large irregularities or the analysis target surface is at a depth of 1 μm to several μm or more from the sample surface, it can be easily obtained. Elemental analysis in the depth direction that intersects the surface to be analyzed with good depth direction resolution through accurate processing, enabling accurate and precise evaluation and analysis of trace elements at the interface between films. It becomes possible.
[0056]
In the present invention, when the surface to be analyzed is not parallel to the surface of the sample (sample base material) (that is, when the surface has a slope), analysis cannot be performed by the conventional analysis method. With simple processing, element distribution analysis in the depth direction crossing the analysis target surface can be performed with good depth direction resolution by simple processing, and trace elements at the interface between films can be analyzed. Accurate and precise evaluation analysis can be performed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing an outline of a sample in which a gold bump is formed on a surface of a TiW film.
FIG. 2 is a perspective view of a sample showing a state in which a first plane is formed so as to face a surface to be analyzed.
FIG. 3 is a perspective view of a sample showing a state in which a second plane is formed so as to face a surface to be analyzed.
FIG. 4 is a perspective view of a sample showing a state in which a third plane in a direction intersecting with a plane to be analyzed is formed.
FIG. 5 is a perspective view showing a state in which a transfer probe is adhered to a sample piece.
FIG. 6 is a perspective view of a sample showing a state in which a fourth plane in a direction intersecting with a plane to be analyzed is formed.
FIG. 7 is a perspective view showing a state in which a first plane facing the analysis target surface is etched to expose a new analysis target surface.
FIG. 8 is a graph showing a distribution state of elements in a depth direction of a surface to be analyzed in Example 1.
FIG. 9 is a plan view showing an outline of a sample in which a SiN film is formed as a side wall of a gate electrode wiring.
FIG. 10 is a perspective view showing an outline of a sample on which a gate electrode wiring is formed.
FIG. 11 is a plan view of a sample showing a state in which a first plane is formed so as to face a surface to be analyzed.
FIG. 12 is a plan view of a sample showing a state where a second plane is formed so as to face a surface to be analyzed.
FIG. 13 is a plan view of the sample showing a state in which a third plane and a fourth plane in a direction intersecting with the analysis target plane are formed.
FIG. 14 is a perspective view of the sample of FIG.
FIG. 15 is a perspective view showing a state in which a first plane facing the analysis target surface is etched to expose a new analysis target surface.
FIG. 16 is a graph showing the state of element distribution in the depth direction of the analysis target surface in Example 2.
FIG. 17 is a plan view showing an outline of a sample in which an Al wiring having a tapered side wall is formed.
FIG. 18 is a perspective view showing an outline of a sample on which an Al wiring is formed.
FIG. 19 is a perspective view of a sample showing a state where a plane parallel to the length direction of the Al wiring is formed.
FIG. 20 is a plan view showing an outline of a sample in which FIG. 19 is enlarged.
FIG. 21 is a perspective view of a sample showing a state where a plane facing an analysis target surface is formed.
FIG. 22 is a perspective view showing a state in which a plane facing the analysis target surface is etched to expose a new analysis target surface.
FIG. 23 is a graph showing the element distribution in the depth direction of the analysis target surface in Example 3.
FIG. 24 is an explanatory diagram showing an example of a conventional element distribution analysis method using line analysis.
[Explanation of symbols]
4 Interface
5s 1st plane
6s 2nd plane
7s 3rd plane
8 Sample pieces
10s 4th plane
12 Analysis target surface
24 Interface
26s 1st plane
27s 2nd plane
28s 3rd plane
29s 4th plane
30 sample pieces
31 Analysis target surface
45 interface
48 plane
50 Analysis target surface

Claims

The process of analyzing the elements present on the analysis surface of the sample and the etching process of etching the analysis surface of the sample to expose a new analysis surface in a direction intersecting with the analysis surface are repeated. In an element distribution analysis method for analyzing an element distribution in a direction intersecting with
Exposing a surface that intersects the analysis surface of the sample,
A step of etching the sample from the side of the surface with an energy beam to expose first and second planes so as to sandwich the analysis target surface therebetween and face the analysis target surface;
Etching the sample from the side of the surface with an energy beam to expose third and fourth planes intersecting the first and second planes;
Separating a sample piece having the first, second, third and fourth planes from the sample;
Etching a first plane of the separated sample piece to expose a surface to be analyzed.

The first plane is parallel to the analysis plane, and the second plane is formed on the analysis plane such that a cross section of the sample piece in a direction intersecting the first plane and the second plane has a wedge shape. 2. The element distribution analysis method according to claim 1, wherein the element distribution is inclined.

3. The element distribution analysis method according to claim 2, wherein the inclination angle of the second plane is 1 to 6 degrees with respect to the analysis target surface.

The element distribution analysis method according to any one of claims 1 to 3, wherein there is an interface composed of different elements on both sides in a direction intersecting the first plane.

The process of analyzing the elements present on the analysis surface of the sample and the etching process of etching the analysis surface of the sample to expose a new analysis surface in a direction intersecting with the analysis surface are repeated. In an element distribution analysis method for analyzing an element distribution in a direction intersecting with
Exposing a surface that intersects the analysis surface of the sample,
Etching the sample from the side of the surface with an energy beam to expose a flat surface facing the surface to be analyzed;
Exposing the analysis target surface by etching the flat surface.

The element distribution analysis method according to claim 5, wherein the plane is parallel to the analysis target plane.

7. The element distribution analysis method according to claim 5, wherein an interface composed of different elements on both sides is provided in a direction intersecting the plane.

The element distribution analysis method according to any one of claims 1 to 7, wherein the energy beam is an ion beam.

9. The element distribution analysis method according to claim 1, wherein the etching in the step of exposing the analysis target surface is sputter etching.

The element distribution analysis method according to any one of claims 1 to 9, wherein the analysis of the process of analyzing the elements present on the analysis target surface is Auger electron spectroscopy.