JPH03110743A - 分析方法及び分析装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 本発明は集束イオンビームを用いた分析方法及び分析装
置に関する。

（１）非破壊に近い状態で簡易な結晶方位の測定。

（２）形状観察、結晶粒観察、エツチング加工が可能な
分析装置の提供、（３）被覆絶縁膜で覆われた配線の断
線診断を目的とし。

（１）　　試料結晶を、電流を測定するための電流計を
介して電気的に接地し、該試料結晶表面に入射角を変え
ながらイオンビームを入射させ、同時に該電流を測定し
、該電流の最大値及び最小値を与える入射角を求め、該
電流の最大値及び最小値を与える入射角に基づいて、該
試料結晶の結晶方位を求めるように構成する。

（２）真空容器内に、２個以上の異なるイオン源とイオ
ンビーム形成部と試料台とを有し、各々のイオン源は真
空容器内で移動によりイオンビーム形成部と結合するよ
うに構成されており、イオンビーム形成部はイオン源よ
り電界放出されるイオンを加速、集束、偏向したイオン
ビームを試料結晶に照射するものであり、試料台は試料
結晶を載せるように構成する。

（３）集束イオンビームを試料表面上に走査して各走査
点から出る二次電子を用いて像をつくる走査イオン顕微
鏡を用いて、基板上に形成された配線の像を観察するに
際し、配線の任意の位置にイオンビームを照射するか又
は電圧を印加して、該位置より配線の断線までの部分で
発生する二次電子を増加させることにより、該部分のイ
オン像を光らせて断線個所を特定するように構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は集束イオンビームを用いた分析方法及び分析装
置に関する。

技術の進展に伴い、材料分析はあらゆる分野において重
要となってきている。特に半導体産業において精密分析
が要求され９本発明は金属、半導体、誘電体の結晶や多
結晶の測定に適用できる。

〔従来の技術〕

以下、（１）結晶方位測定方法、（２）分析装置、（３
）配線の断線診断に分けて説明する。

（１）従来、半導体産業等において用いられる微結晶の
方位を測定するには、材料を電子が透過するまで薄くし
て、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真を措る以外に方法
はなかった。

ところが極薄試料を作成するのは、非常に難しく熟練を
必要とした。又、試料を薄くする段階で結晶状態が変化
したり、結晶粒径や方位が変わってしまう場合があり、
更に、集積回路等はそのままの状態で測定できないので
破壊測定になるという問題があった。

これに対して、従来よりラザーフォード後方散乱（Ｒｕ
ｔｈｅｒｆｏｒｄ　Ｂａｃｋ　Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ＋
　ＲＢＳ）法が用いられるが、これは、結晶に加速した
ヘリウムイオン（Ｈｅ”）を入射して、その後方散乱イ
オン数を計数し、入射イオンがチャネリング方向のとき
に計数チャネルが最小値になることより方位を求めてお
り、この場合は加速エネルギーが３〜１００ＭｅＶと大
きく、装置が大規模なものになる。

そこで１本出願人はさきに集束イオンビーム分析装置１
）を提案し、集束イオンビームを角度を変えて試料に照
射し９反跳イオンや二次イオンや二次電子等を検出して
、微結晶の結晶軸解析等の分析を可能とした。

ｌ）特公昭６２−４３０４７ （２）従来の集束イオンビームは１個のイオン源しか装
着できなかった。

（３）半導体チップ等の表面形状の観察には、従来から
走査電子顕微鏡（ＳＲ？ｌ）が用いられており、チップ
表面に露出された配線のみの断線個所を特定していた。

Ｃ発明が解決しようとする課題〕 （１）本発明は非破壊測定で、従来のいずれの方法より
簡易に結晶方位が求められることを目的とする。

（２）　　集束イオンビーム分析装置においては、用途
により必要なイオンとしてチャネリングに敏感なイオン
、エツチング加工に必要なイオン、二次電子による明暗
像観測用のイオン等があるが、実際の装置には前記のよ
うに１種のイオン源しかなかった。

集束イオンビームで二次電子による明暗像から結晶粒を
観察する場合、従来はＧａイオン源を用いたものしか報
告がなかった。そのためどの元素のイオン源を用いると
結晶粒の二次電子コントラストがよいかは知られていな
かった。

又、　Ｇａの原子番号が３１と比較的大きいために。

ビームの集束が０．１μｍ程度にしかできないことや、
散乱が大きいことにより９表面状態の観察には分解能が
悪いという問題があった。

本発明は高解像度で形状が観察できるとともに。

結晶粒観察、エツチング加工が同時に可能な分析装置の
提供を目的とする。

（３）走査電子顕微鏡を用いて配線の形状を観測する場
合その上に被覆絶縁膜が覆われていると観測ができなか
った。

本発明は被覆絶縁膜で覆われた配線の断線個所を特定す
ることを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題の解決は。

（１）試料結晶を、電流を測定するための電流計を介し
て電気的に接地し、該試料結晶表面に入射角を変えなが
らイオンビームを入射させ、同時に該電流を測定し、該
電流の最大値及び最小値を与える入射角を求め、該電流
の最大値及び最小値を与える入射角に基づいて、該試料
結晶の結晶方位を求める分析方法、即ち、試料結晶にイ
オンビームを入射し、入射角を変えて基板と接地電位間
に流れる基板電流を測定し、その極値から結晶方位を求
める分析方法、或いは。

（２）真空容器内に、２個以上の異なるイオン源と。

集束イオンビーム形成部と試料台とを有し、各々のイオ
ン源は真空容器内で移動によりイオンビーム形成部と結
合するように構成され、イオンビーム形成部はイオン源
より電界放出されるイオンを加速、集束、偏向したイオ
ンビームを試料結晶に照射するものであり、試料台は試
料結晶を載せるように構成されている分析装置、或いは
（３）集束イオンビームを試料表面上に走査して。

各走査点から出る二次電子を用いて像をつくる走査イオ
ン顕微鏡を用いて、基板上に形成された配線の像を観察
するに際し、配線の任意の位置にイオンビームを照射す
るか又は電圧を印加して、該位置より配線の断線部まで
の部分で発生する二次電子を増加させることにより、該
部分のイオン像を光らせて断線個所を特定する分析方法
により達成される。

［作用］ （１）本発明は基板電流の極値より方位が求められるこ
とを本発明者が解析した結果を利用したものである。

次に、その概要を説明する。

まず、基板結晶のチャネリング方向にイオンを入射した
ときは二次電子の発生は少な（基板電流はイオン電流だ
けとなる。

次に、基板をチャネリング方向から一方向に傾けていく
と、結晶との相互作用により二次電子が多数発生して基
板電流はイオン電流と二次電子流の和になり増加してい
く。又、基板をチャネリング方向から反対方向に傾けて
も基板電流は増加していく。

従って、傾ける角度（イオン入射角）に対する基板電流
はチャネリング方向の角度で極小となる谷となり、その
半値幅２ψＩ／ｌはイオンビームのエネルギーと結晶の
面方位によって決まるものであるので、その関係を用い
て結晶方位を求めることができる。

（２）本発明は結晶方位測定用のイオン源と、試料のエ
ツチング用のイオン源と、二次電子により生ずる明暗パ
ターン像観測用イオン源等の内、２つ以上のイオン源を
分析装置内に備えて９機械的に移動させて切り換えるこ
とによりエツチング加工や複数の測定を可能とすること
により、コントラスト良く結晶粒を観察でき、微細な形
状観察もできるようになった。

第６図は結晶粒の二次電子コントラストがイオン源によ
ってどのように変化するかを調べた結果を示す図である
。

図で、　Ｂｅをイオン源とした場合は結晶粒のコントラ
ストは見られず、Ｓｉイオンの場合はＧａイオンの場合
の半分程度のコントラストであり、＾鶴イオンでＧａイ
オンの場合とほぼ同じコントラストであることがわかっ
た。即ち、結晶粒観察のためのイオン源としてはＳｔ以
上の質量を持つ元素が必要である。

走査イオン顕微鏡では表面、断面形状を観察できること
が特徴であるので分解能を高める必要がある。

分解能を高めるには、結晶粒のコントラストを見るとき
とは逆に、　Ｈｅ等の原子番号の小さい元素が有効であ
るので５本発明では形状観測用に軽い元素を用い、結晶
粒観察にはＧａを越える質量の元素を用いるようにした
。

次に、第６図の測定法について説明する。

Ｇａ−Ａｕ−５ｉ合金を溶かしてイオン源とし、電界と
磁界を印加して質量分離することにより、それぞれのイ
オン源における。結晶粒に対するコントラストを比較し
た。

ここで、コントラストは、同一のＡＩ膜を試料として、
各結晶粒における二次電子像の明るさの比が大きいほど
コントラストが高いとした。即ち。

コントラストは明るい結晶粒と位結晶粒との放出される
二次電子強度の比である。

（３）本発明は走査イオン顕微鏡を用いて基板上に形成
された配線の像を観察するに際し、配線の端子部にイオ
ンを注入するか又は電圧を印加すると。

端子部より配線の断線部までの間で発生する二次電子が
増加して、この部分のイオン像が光ることを本発明者が
発見した結果を利用したものである。

像の観察に用いるイオンを、エツチングイオンと共通に
することにより、エツチングにより被覆絶縁膜を除去し
て下層配線の観察ができる利点がある。

〔実施例〕

（１）第１図（１）、　（２）は本発明の一実施例によ
る結晶方位の測定を説明する図である。

第１図（１）は模式断面図、第１図（２）は入射角θに
対する基板電流への変化を示す図である。

図において、試料結晶（基板）ｌは分析装置内の試料台
２の上に載せられ、照射面積（走査面積）内を集束イオ
ンビーム３で走査する。

このとき、基板に注入される正イオン数と放出される二
次電子数の和により生ずる基板電流を電流計４で読む。

試料結晶：　　ＡＩ（ｆｃｃ） 照射する集束イオンビーム 使用イオン名：Ｇａ 加速エネルギー：　　８０　ＫｅＶ。

走査面積：１ａｍ” ここで、走査面積が小さいため、入射角θは基板の傾斜
角（ここでいう入射角は通常の入射角の補角をとってい
る）で近イ以している。

基板電流は試料の表面状態と結晶性に影響される。

半値幅２ψＩ７□はイオンビームのエネルギーと結晶の
面方位によって決まるものであるの次に、第１図（２）
の基板電流へ対入射角θの測定結果より結晶方位を求め
る一例を説明する。

図から、基板電流の極値の半値幅 ２ψＩｉｔ　＝　７．７°であるので　ｆｉｇ界角ψ１
７２は３．９°と求まる。

これは、　Ａ−１（ｆｃｃ）の（１１０）に相当するの
で、この結晶粒は（１１０）面であることがわかる。

又、基板電流の最小値が６°であることから。

＜１１０＞方向の結晶軸は基板表面に立てた法線から６
″ずれた方向を向いていることがわかる。

第４図は基板電流の時間変化を示す図で、照射面積（集
束イオンビームの走査面積）をパラメータとして照射時
間の経過にともない基板電流が定常値に近づく様子が示
されている。

これは、　ＡＩ膜表面にある酸化膜がスパッタエツチン
グされ、多結晶層が現れたためである。

第５図は基板電流が定常値に到達するまでの時間と照射
面積との関係を示す図である。

図より９両者は比例関係にあることがわかる。

結晶方位の測定、結晶粒の観察では定常値になってから
測定することになる。

（２）第２図は本発明の一実施例による分析装置の模式
図である。

図はイオン源を２個持つ装置であって、一つは＾Ｕイオ
ン源２１で、他はＨｅイオン源２２である。

各イオン源は中央部で石英２２３を介して一体化されて
いる。又、Ｈｅイオン源２２にはＨｅ導入口２２２が設
けられている。

Ａｕイオン源は先端を尖らせたタングステン（−）針を
持ち、溶けたＡｕが針の先端から放出される。

Ｈｅイオン源は、ガスイオン源を用いたもので。

−針を液体Ｈｅで冷やし、針先端へのＨｅガスの吸着を
多くしてイオン化を促進している。

２つのイオン源は一体化されてベローズ２２．２３で保
持されて真空を破らないで左右に移動できるように構成
される。

装置は引き出し電極２５１．集束レンズ２５２．質量分
析用偏向コイル２５３．加速電極２５４．偏向電極２５
５等からなるｌ系列の集束イオンビーム形成部２５と１
試料台２６とが真空容器内に設けられ、各イオン源に共
用できるように構成されている。

Ａｕイオン源２１は結晶の方位測定、又は二次電子によ
り生ずる明暗パターン像を用いた結晶粒界の観測に用い
、　Ｈｅイオン源２２は集束Ｈｅイオンビームを走査電
子顕微鏡の集束電子ビームの代わりに用いて、物体の表
面形状観察用に用いることができる。

（３）第３図（１）、　（２）は本発明の一実施例によ
る断線診断を説明する平面図と断面図である。

図において、　ＡＩ配線３１は端子部（パッド）３２゜
３３間に形成され、断線部３４．３５がある配線上には
被覆絶縁膜が被覆されている。

まず、被覆絶縁膜をイオンビームや反応性イオンエツチ
ング（Ｒ１１１，）により除去した後、配線部の正電荷
をアースに落としたり、電子シャワーにより中和する。

次に、パッド３２に高電流（例えば、３ｎＡ）のイオン
ビーム３６を長時間照射して正電位に帯電させる。続い
てイオンビームを下げて（１／１００以下）配線の二次
電子像を配線に沿って見てい（。この像は断線部３４の
前の部分は明るく見えているのに対して、断線部３４の
後の部分は暗くなるので断線部３４の位置がわかる。

次に、断線部３４の後の部分に高電流のイオンビーム３
６を長時間照射して次の断線部までの配線を正電位に帯
電させ、同様の方法により測定を繰り返す。

又、上記の高電流のイオンビームを照射する代わりに正
の電圧５ｖを印加してもよい。

断線個所診断の実施例のデータ及び効果を次に示す。

配線：Ｓｉ基板上のＡ１層、１μｍｘｔμｍ配線上の被
覆絶縁膜：厚さ４０００人のＰＳＧ膜端子部を照射する
集束イオンビーム 使用イオン塩：Ａｕ 加速エネルギー：　８０　ＫｅＶ。

効果： 従来、配線の断線は目視できる部分しか観測できなかっ
たが、コンタクト部等の絶縁膜の下にかくれた配線３１
０についてもその部分の断面を現すイオンエツチング加
工を行って配線を露出して観察することができる。

表面形状観察用にＨｅイオンを用いる場合の分解能は約
２００人、　Ｇａイオンを用いる場合は約１０００人で
あり、　ＳＥＭの場合は分解能は入射電子ビームの直径
で決まり〜１００人であり、　Ｈｅイオンの方がＳＥＨ
に比べて分解能が低いが１次の理由により有利である。

イオンの質量は電子の数ｔｏｏｏ倍であるため、帯電の
影響は桁違いに小さくなり、又１表面形状による散乱の
影響も小さいので１分解能が低くても実際の像ははっき
りしたものとなるためである。

上記のエツチング用イオンも集束ビームを用いる。

被エツチング物：被覆絶縁膜の ＰＳＧ　（燐珪酸ガラス） 使用イオン塩：Ａｕ 加速エネルギー：　　８０　ＫｅＶ。

走査面積：各種 このエツチングは、断面を見るための溝を掘ったり、多
層構造の下層を現すときに用いることができる。

以上の実施例（１）〜（３）の説明に用いたイオンを用
途別に整理すると次のようになる。

方位測定用イオン：　　ＧａＪｕｌＣｕｌ＾Ｌ　Ｉｎ、
　ｓｎ、　Ｐｂ。

明暗パターン像観測用イオン： Ｇａ、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｇ、　Ｉｎ、Ｓｎ、Ｐｂ。

エツチング用イオン：　Ｈｅ、Ｂｅ、Ｓｉ＋Ｇａ＋＾Ｕ
。

表面形状観察用イオン：　Ｈｅ、　Ｌｉ、　Ｂｅ、　Ｃ
，Ｎｅ。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば。

（１）本発明は非破壊に近い測定で、簡易に結晶方位が
求められる。

（２）高解像度で形状が観察できるとともに、結晶粒観
察、エツチング加工が同時に可能な分析装置が得られる
。

（３）被覆絶縁膜で覆われた配線の断線診断ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（１）、　（２）は本発明の一実施例による結晶
方位の測定を説明する図。 第２図は本発明の一実施例による分析装置の模式図。 第３図（１）、　（２）は本発明の一実施例による断線
診断を説明する平面図と断面図。 第４図は基板電流の時間変化を示す図。 第５図は基板電流が定常値に到達するまでの時間と照射
面積との関係を示す図。 第６図は結晶粒の二次電子コントラストがイオン源によ
ってどのように変化するかを調べた結果を示す図である
。 図において。 １は試料結晶。 ２は試料台。 ３は集束イオンビーム。 ４は基板電流測定用電流計 （＋）ｍへ醪α面図 人身す角 θ （つ （２） Ａ−θ ５ｎイ示 １Ｆ’　！　４ＰＩ／）　方（ａ　；＃・Ｉ　Ｃ／）　
ｔＫ　　Ｉｌｌ　ｌ１ｆｆｉ第 図 実力色４列の介椅製冒１／７４葵式図 第 ？ 図 （＋） ｍ繰言食暗の説明図 第 図 ２六　身重　叫　八１ （ｓｅｃン 万裁儂充ｎ時間券化を丁、１図 第 図 ０ ｔｏ。 ５０ ヌ！　身重　面オ責 （／”Ｌり 完布儂刊達叶藺と魚射面饋」間イ氷 第 図 帖ｈ１立の二次電子コントラストの、脅、子葛号依篠第 図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）試料結晶を、電流を測定するための電流計を介し
   て電気的に接地し、該試料結晶表面に入射角を変えなが
   らイオンビームを入射させ、同時に該電流を測定し、該
   電流の最大値及び最小値を与える入射角を求め、該電流
   の最大値及び最小値を与える入射角に基づいて、該試料
   結晶の結晶方位を求めることを特徴とする分析方法。
2. （２）真空容器内に、２個以上の異なるイオン源と、イ
   オンビーム形成部と試料台とを有し、 各々のイオン源は真空容器内で移動によりイオンビーム
   形成部と結合するように構成され、イオンビーム形成部
   はイオン源より電界放出されるイオンを加速、集束、偏
   向したイオンビームを試料結晶に照射するものであり、 試料台は試料結晶を載せるように構成されていることを
   特徴とする分析装置。
3. （３）集束イオンビームを試料表面上に走査して、各走
   査点から出る二次電子を用いて像をつくる走査イオン顕
   微鏡を用いて、基板上に形成された配線の像を観察する
   に際し、配線の任意の位置にイオンビームを照射するか
   又は電圧を印加して、該位置より配線の断線部までの部
   分で発生する二次電子を増加させることにより、該部分
   のイオン像を光らせて断線個所を特定することを特徴と
   する分析方法。