本研究の目的は,半導体デバイスなど固体材料の微小領域に適する新たな二次元・三次元定量分析法を開発することである。近年,電子素子はサブミクロンスケールにまで微細化・三次元化されている。また,各種クリーンプロセスに混入する異物粒子や大気汚染の一つである大気浮遊粒子状物質(suspended particulate matter,SPM)の発生起源や浮遊過程の解析にも,内部構造情報が大きな役割を果たすものと期待される。これらの分析には,空間分解能数10nm以下の三次元定量分析法が必要となる。微小領域の分析では,一次ビームに直径0.1mまで収束可能なガリウム収束イオンビームを用いたGa FIB SIMSが開発され,shave-off法と呼ばれる微小粒子に対する一次元元素分布分析が可能となっている。従来の三次元分析では,深さスケーリングの際に測定中のエッチング速度を分析面内で一定と仮定している。しかしながら,イオンビームの入射角度と試料組成によってエッチング速度が違うため,深さスケーリングは事実上不可能と言える。任意の形状・組成分布を持つ試料の三次元分析が実現されていない理由は,主として深さスケーリングにあるが,イオン照射に伴う表面組成変化やスパッター物質の再付着,分析面の凹凸に起因した元素マッピングにおける定量性の低下も問題点として挙げられる。本研究では,Ga FIBを用いたshave-off走査による微細加工機能と電子ビーム(EB)による二次元オージェ分析機能を組み合わせることによって微小領域に適する新たな三次元定量分析法を提案し,イオン・電子デュアル収束ビーム装置を設計・試作し,サブミクロン空間分解能を有する新しい三次元定量分析法を開発した。また,EBを用いたオージェ電子分光法では,十分なS/N比を得るため積算時間が長く,導電性の低い試料においてはチャージアップによる分析条件が制限されることから,Ga FIB励起オージェ電子放出に関する基礎的な考察を行い,その特徴を活かして,サブミクロン面方向分解能を持つ二次元元素分析法を提案し,より短時間かつ高いコントラストでの元素マッピングを初めて実現した。

　三次元分析法の概念をFig.1に示す。まず,Ga FIBを断面加工専用として,shave-off走査で最初の断面を削り出す。次に,EBを用い,非破壊分析法であるSAM(scanning Auger microscopy)を断面の法線方向から断面に適用する。この二つ手法を繰り返すことによって,二次元オージェマップの蓄積という形で三次元元素マップを取得する。Shave-off走査では,断面がGa FIB入射方向とほぼ平行に削り出され,試料の形状と組成によらず,平滑な断面が得られる。従来の深さ方向分析で問題となる深さ(z方向)分解能の劣化に対して,本方法では直交三次元座標をオージェマッピング(x,y面内)と断面加工位置(z)によって決めることができる。又,Gaの注入に関して,イオンビーム照射に伴うイオン種の注入濃度は,表面法線からとった入射角度が大きいほど低い傾向がある。Shave-off走査は断面に対するGa FIBの入射角度が極めて大きい条件に相当するため,Gaの注入濃度が低く抑えられるものと考えられる。スパッター物質の再付着に関しては,Ga FIBは断面以外の箇所を再び照射することがないため,従来法よりも抑制されることが期待できる。この様な概念を基に,イオン・電子デュアル収束ビーム三次元分析装置を設計・試作した。装置の構成をFig.2に示す。特徴的なのは,試料に向ってGa FIBとEBを直交方向に配置した点である。三次元分析において,装置制御系にはGa FIBによる断面加工,Ga FIBのプランキング,EBとCMAを用いたオージェマッピングという一連の操作の繰り返し制御機能が必要である。このため,デュアルビーム制御系,信号検出・記録系のほとんどを専用に自作した。

Fig.1:三次元定量分析法の概念図

Fig.2:イオン・電子デュアル収束ビーム装置の構成

　Shave-off走査による分析断面加工効果を評価するため,SiO₂粒子を用い,深さ分解能を大きく左右する加工断面の平滑性を実験的に検討し,平滑な断面が得られることが分かった。また,shave-off走査で加工したSi断面およびCu/Ni粒子断面に対してオージェ分析を行ない,Gaの注入汚染およびスパッター物質の再付着による断面組成の変化を抑制できることがわかった。

　次に、実試料64Kbit EPROMを使って、三次元オージェ分析を行なった。分析はAl bonding wireとAl padとSi基板からなるbonding padのところを分析した。分析体積は70×70×50mである。予めチャージアップを避けるため,IC表面に金蒸着した。Shave-off走査で断面を順次削り出し,各断面に対してEBオージェ分析によるAlとSiの二次元分析を行った。合計22時間で,128枚の二次電子像から32枚のAlとSiのオージェマップを抽出した。各オージェマップをz方向に並べて構築した三次元オージェマップをFig.3に示す。Si基板の上にAlパッド,そしてAlワイヤが乗っている様子が再現できた。また,Si基板は平板として現れるべきであるが,長時間測定のために,試料位置のドリフトが発生し,Z＝30m以降から少し湾曲している。試料ドリフトはソフト的に軸調整で解決した。現状では,分析体積は大きいものの,この結果から任意の形状と組成分布をもつ試料の三次元分析法を実現したといえる。

Fig.3:IC表面のAlワイヤおよびSi基板における三次元元素像.

　前節に示した三次元分析では,分析時間のうちオージェマッピングが11時間を占めた。そのため,長時間分析による試料ドリフトが起こってしまった。また,オージェ分析では,導電性の低い試料のチャージアップといった問題点に対して,試料傾斜,電荷補正など対策が行われているが,分析の自由度が制限されてしまう。ここで軽元素からなる固体試料からのGa FIB励起オージェ電子(Ga FIB LAE)放出の特徴を考察した。Fig.4にAlのGa FIB IAE及びEB励起オージェスペクトルを示す。IAEスペクトルには,62eV(I),56eV(II),48eV(III)に非常にシャープなatomic-likeピーク(Al_LMM)が検出された。これらのatomic-likeピークは真空中にスパッターされた原子あるいはイオンから放出されたオージェ電子に対応する。メインAl_LMMピーク(ピークI)のカウントレートがEB励起によるALLVVピークの二倍以上であり,signal-to-background(S/B)比が極めて高いことがわかった。このイオン励起オージェ電子を検出すれば,より短時間かつ高いコントラストで元素マッピングが可能であると考えている。さらにGa FIBの高収束性を加えることで,サブミクロン面方向分解能を持つ二次元元素分析が充分できると考えている。オージェ電子の収率は分析限界と感度を左右するため,Gaの入射エネルギー及びターゲット原子の種類によるIAE収率の関係を考察した。何れも入射イオンのエネルギーの増加に伴い直線的に増加することがわかった。

Fig.4:Al試料のGa FIB励起およびEB励起オージェ電子スペクトル。

　Ga FIB励起オージェ電子を用い,64Kbit EPROM表面上Al配線と基板のSiにおける元素マッピングを行った。IC表面のSiO₂保護膜からSi_LMMピークが検出されないため,FIBでそれを除去し、さらに基板のSiが露出するまで長時間スパッターした。メインAl_LMM(Fig.4のピークI)とSi_LMMオージェ電子によるマッピングを行い,初めてAl,Siの二次元元素分析を実現した。Al_LMMとSi_LMM像をFig.5に示す。一元素マップが10分間で得られた。面方向分解能が0.6mで,Alの最大カウント数は4000以上,Siでは2000以上に達した。黒い部分のカウント数をノイズレベルとすると,ノイズが30カウントとなる。実験に300pAのビーム電流を用いたが,このS/N比から,10分の1のビーム電流でも十分マッピングできると考えられる。電流が少ないほどビームを細く絞れるので,面方向分解能の向上を期待できる。また,イオン励起オージェ電子放出は激しい原子衝突が前提で,EB励起オージェ電子放出と異なり,その励起範囲がビームのスポットサイズとほぼ一致すると考えられる。現在、10nmまで収束可能なFIBが既に商品化されており,Ga FIB IAEによる10nmレベルの面方向分解能でのマッピングが可能である。そして,SiO₂からオージェ電子が検出されないことから,IAEマップから化学的な情報が得られると考えられる。

Fig.5:Ga FIB IAEによるIC表面のAl_LMM(A)およびSi_LMM(B)像.

　本研究では,大きさ数ミクロンの任意の形状をもち,または不均一な組成の試料に適用できる新しい三次元分析法を開発するため、イオン・電子デュアル収束ビーム装置を設計・試作した.そしてイオンビームによる断面加工において,断面の平滑性,一次イオンの注入汚染,スパッター物質の再付着,偏析に関する基礎的な考察をし,三次元オージェ分析にshave-off走査およびEBによる二次元オージェ分析を組み合わせることによって,サブミクロン空間分解能を有する新しい定量分析法を確立した。また,Ga FIB励起オージェ電子放出の特徴を活かし,サブミクロン面方向分解能を持つ新たな元素分析法を検討し,より短時間かつ高いコントラストでの元素マッピングを実現した。