JP3592518B2 - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置(以下、LSIと略す)及びそのLSIの製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
LSIには高速化、高集積化、多機能化などの電気的な性能を、小さな占有面積で達成することが強く要求されている。この要求を満たすために、LSIで必要とされる電極や配線やコンタクトホール等の回路パターンの形成工程では、常に高い加工精度の維持が不可欠である。
【0003】
LSIの基本的な要素プロセスを以下に概説する。
【0004】
半導体シリコンウエハ(以下、ウエハと略す)の表面上に、絶縁膜または導電膜を生成した(以下、CVD工程と略す)後、ウエハに対してホトレジストと呼ばれる感光性の高分子材料を塗布する。その後、光学的な手法でホトレジストに対して所望の回路パターンを転写する(以下、ホトリソ工程と略す)。
【0005】
この転写されたホトレジストパターンをマスク材として、CVD工程で生成した絶縁膜あるいは導電膜を除去(以下、エッチング工程と略す)して、ウエハ上に所望の回路パターンを形成する。また、ウエハの表面近傍に不純物イオンを注入する場合、ホトリソ工程で注入領域のパターンをホトレジストに形成した後、イオンの打ち込みを行って拡散層領域を形成する。
【0006】
LSIの製造プロセスは、上記の要素プロセスを組み合わせて構成されている。いずれの要素プロセスにおいても高い加工精度が必要であるが、特にホトリソ工程とエッチング工程で形成される回路パターンの加工精度の維持は極めて重要である。これらの工程での加工精度の管理手法として、走査型の電子顕微鏡(以下、測長SEM機と略す)による寸法測長が一般的に行われている。
【0007】
測長SEM機は、ウエハに形成された微細な回路パターンを非破壊で測長するために、ウエハをそのまま真空チャンバーに搬送して、指定された測長箇所付近の直上から一次電子を照射し、その測長箇所付近から放出された二次電子を捕獲し、この情報をもとに電気的な信号処理を行い、CRT画面に測長箇所付近のSEM像を表示する。このSEM像には、ウエハ表面の材料による差異やウエハ表面の凹凸や形成された回路パターンの形状等で、白黒画面ではあるが、微妙なコントラストが生じる。
【0008】
LSIの製造工程でのSEM測長作業は、測長SEM機のCRT画面に表示された測長箇所付近のSEM像を、測長者が認識して、指定された測長箇所を探索・同定した後に測定が行われる。
【0009】
DRAMのように繰り返しの回路パターンが多い汎用LSIでは、実際のLSIの回路パターンを測長する。しかし、ロジック品のようなASIC・LSI品(特定用途の半導体装置)では、品種毎に回路パターンが異なる為、実際の回路パターンの測長は困難である。
【0010】
従って、このような場合には、LSIのチップ内の特定の場所に、あるいはスクライブライン上に測長SEM用のパターン(以下、測長パターンと略す)を作り、このパターンの寸法測長作業で加工精度の管理を行っている。
【0011】
プロセス処理の安定性とSEM測長作業の利便性の両者の要求を確保するために、このSEM測長パターンは各工程毎に異なった領域に形成される場合が多い。そして、同一工程の測長パターンには、その工程で形成されるパターンが複数個にわたって形成されている。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来の方法では、LSIの所望の回路パターンは、ホトリソ工程で光学的な手法を応用してレジストパターンが形成され、このレジストパターンをマスク材として下地膜のエッチング処理を行い形成される。
【0013】
しかしながら、回路パターンの微細化の要求が進むにつれて、ホトリソ工程でのその特性を確保するために、従来の要素プロセスとは異なった平坦化プロセスが必須の技術となった。この平坦化プロセスは、CMP(化学的機械的研磨法)に代表されるように、ウエハ全面での平坦性を確保するためのプロセスである。このプロセスを採用することで、ホトリソ工程での解像力や焦点深度などの特性を大幅に向上させることなく、微細なレジストパターンの形成が可能となる。
【0014】
この平坦化プロセスは、DRAMに代表される汎用品のLSIよりもロジック品のようなASIC品のLSIで多用される。ASIC・LSIの回路パターンには、個別ユーザーの高機能・高性能の要求を満たす為に、複数層の金属配線が形成される。
【0015】
これらの配線層を形成するためのホトリソ工程の処理は、下地膜の凹凸によってその可否が大きく左右される。従ってASIC・LSI品では、安定な配線層のホトリソ工程の処理を行う必要から、この下地膜の凹凸の影響の低減を目的とした、平坦化プロセスが必須の技術となる。
【0016】
しかしながら、このような平坦化プロセスを施された後の工程で、金属配線間の接続口を形成するエッチング処理(ビアホールコンタクトエッチング)を行った後にSEM測長作業を実施する場合、様々な問題が発生する。
【0017】
第1課題を以下に実回路パターンとビアホールの測長パターンの作り方を対比した断面構造を示して説明する。
【0018】
図3は従来のLSIの製造工程断面図(その1)、図4はそのLSIの製造工程断面図(その2)である。
【0019】
(1)まず、図3(a)に示すように、LDD構造を有するゲート電極を形成した後、CVD法で絶縁膜を生成した状態の実回路パターンAと測長パターンBを形成する。ここで、1はシリコン基板、2は素子分離の目的で作られるフィールド熱酸化膜であり、その厚さは2000Åから6000Å程度である。3はLDD構造を有するゲート電極である。
【0020】
このゲート電極3は、1000Åから3000Å程度の膜厚の多結晶シリコンやタングステン、モリブデン、チタンなどの高融点金属とシリコンとの共晶膜によって形成される(図には示されていないが、このゲート電極3とシリコン基板1の間には、ゲート酸化膜と称される100Å前後の膜厚を有する熱酸化膜がある)。4はCVD法で生成される絶縁膜であり、BPSG膜やO3 −TEOS・BPSG膜である。その膜厚は、4000Åから9000Å程度である。
【0021】
(2)次に、図3(b)に示すように、ゲート電極3同士あるいはゲート電極3とシリコン基板1を電気的に接続する為に、コンタクトホール5を形成する。
【0022】
(3)次に、図3(c)に示すように、コンタクトホール5に金属配線6を形成する。また、測長パターン形成領域B側にはゲート電極3やシリコン基板1等との電気的な接続を行う目的で形成される第1の金属配線(下地金属膜)6′を絶縁膜4上に形成する。この第1の金属配線6′の膜厚は3000Åから7000Å程度であり、アルミニュウムとシリコンと銅の合金やアルミニュウムと銅の合金等が使われる。
【0023】
これらの合金の上部には、チタンや窒化チタンが成膜されている場合もある。また、第1の金属配線6′はビアホールコンタクトの下地膜として、測長パターンの形成領域にコンタクトホールの金属配線6と同時に作られる。その平面的なパターン寸法は30000Åから80000Å程度の正方形の場合が多い。
【0024】
(4)次に、図4(a)に示すように、第1の金属配線6,6′の絶縁を確保する為に絶縁膜7を生成する。この絶縁膜7の膜厚は4000Åから9000Å程度の膜厚で、プラズマTEOS膜やO3 −TEOS−NSG膜が使われる。
【0025】
(5)次に、図4(b)に示すように、絶縁膜7を平坦化処理〔例えば、CMP(化学的機械的研磨法)〕する。したがって、図4(a)で見られた表面の凹凸が無くなってしまう。すなわち、測長パターンの下地の金属膜の形状を反映していた金属膜端部の絶縁膜の傾斜部分も無くなってしまう。
【0026】
(6)次に、図4(c)に示すように、図3(c)で形成した第1の金属配線6,6′と次工程で生成される第2の金属配線(図示なし)を接続する為に、第1のビアホールコンタクト8,8′を形成する。ここで、8は第1の金属配線6と第2の金属配線(図示なし)とを接続するためのビアホールコンタクト、8′はビアホールコンタクトの測長を行うために形成された測長パターンのビアホールコンタクト群である。第1のビアホールコンタクト8及び8′のビアホールコンタクトの直径は、3000Åから8000Å程度である。
【0027】
ビアホールコンタクト8,8′のエッチング処理後のSEM測長作業は、図4(c)の測長パターンの箇所に、その直上から電子ビーム(加速電圧:1000から1500V、電流:5から10nA)を照射して、その照射された領域から発生した2次電子を捕獲し、その信号を電気信号として処理を行った後、CRT画面に測長箇所付近のSEM像を表示する。
【0028】
そして、測長箇所を特定するために、まず測長箇所付近のSEM像を100倍から1000倍程度の低倍率でSEM像をCRT画面上に映し出す。そして指定された測長箇所を探索・同定した後、指定の倍率(通常は50000倍から100000倍程度)で測長作業を行う。
【0029】
しかしながら、測長パターン付近の表面の凹凸が無くなっているために、図4(b)及び図4(c)に示すように、CRT画面に写し出された低倍のSEM像には微妙なコントラストが発生しない。更に、数秒程度の電子ビームの照射で絶縁膜7に電子が捕獲されて、いわゆるチャージアップと呼ばれる現象が現れ、CRT画面上のSEM像では、ウエハ上の測長箇所付近の表面状態の情報が得られ難くなってしまう。従って、微小な寸法のビアホールの測長パターン群をCRT画面上で認識ができなくなる。
【0030】
換言すると、ウエハの平坦化処理によって、測長箇所付近にあるべき凹凸がなくなってしまう。このためCRT画面上に表示されたSEM像には、微妙なコントラストが現れなくなり、測長箇所そのものを測長者が認識できなくなるという問題があった。
【0031】
この結果、LSIの製造工程の中のSEM測長作業に著しい停滞が発生して、その生産性が大幅に低下した。
【0032】
また、測長箇所を探索・同定できたとしても、そのSEM像のコントラストが低下しているので、指定された測長箇所のパターンを明確なSEM像としてCRT画面上に得ることが難しく、その測長精度の低下をきたしていた。従って、高い加工精度(寸法精度)の維持は難しくなっていた。
【0033】
この問題は、チャージアップ現象の発生し難い導電膜のエッチング後よりも、チャージアップ現象が生じ易い絶縁膜のエッチングのSEM測長作業で顕著に生じる。
【0034】
次に、第2課題について、以下に説明する。
【0035】
LSIの構造が複雑となるにしたがい、その工程数は増える一方である。この工程数の増加に比例して、SEM測長パターンの数も増加する。
【0036】
このために、SEM測長パターンの形成に必要な面積も増加して、LSI内部に測長パターンを設ける場合、LSIのチップ面積の縮小化を妨げる要因の1つとなってきた。また、スクライブライン上に測長パターンを設ける場合、そのラインの必要面積が増加するので、ウエハ1枚あたりに搭載できるLSIチップの数量が減少するという問題が生じる。
【0037】
SEM測長パターンの制約事項は、SEM測長作業で必要な測長パターンの探索・同定を容易とする構成と、プロセス処理上の安定性を維持する構造の2つを同時に満たす必要がある。この制約を満足するために、測長箇所には複数個の同一パターンを形成する。
【0038】
以下に、図5を参照しながら説明する。
【0039】
図5は従来の測長パターンのビアホールコンタクト群を真上から見た状態を示す図である。
【0040】
この図において、7は図4(c)に示す絶縁膜の表面を示している。6′は図4(c)と同様の下地金属膜を真上から見た状態であるが、その下地金属膜6′上が絶縁膜7で覆われているので点線表示としたものである。また、8′は図4(c)に示された第1のビアホールコンタクトを真上から見た測長用のビアホールコンタクト群で9個のビアホールが形成されている。
【0041】
しかしながら、第1課題で説明したように、平坦化処理を施された後のSEM測長作業では、その測長箇所の特定すら難しかった。従って、このような現象が生じた場合には、測長作業の利便性を確保する必要から、測長パターンの占有面積を増やして、測長パターンの個数を出来る限り多く確保するなどの対策が必要であった。しかし、このような対策は、LSIの縮小化を妨げる要因の1つとなっていた。
【0042】
本発明は、上記問題点を除去し、平坦化処理を経た後の絶縁膜のエッチング工程のSEM測長作業を容易にするとともに、測長パターンの占有面積の低減を図ることができる半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
【0043】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔1〕半導体装置において、シリコン基板の上方に絶縁膜を介して平坦化処理が施されたスクライブライン上に設けられたSEM測長領域と、このSEM測長領域の測長パターンが前記シリコン基板と電気的に接続されている構造を有するようにしたものである。
【0044】
〔2〕上記〔1〕記載の半導体装置において、前記スクライブライン上に設けられたSEM測長領域は平坦化処理が施されており、かつ測長パターンである下地導電膜へ通じる第2のコンタクトホールが形成された構造を有するようにしたものである。
【0045】
〔3〕上記〔2〕記載の半導体装置において、前記下地導電膜は平坦化した構造を有するようにしたものである。
【0046】
〔4〕半導体装置の製造方法において、スクライブライン上に設けられたSEM測長領域のシリコン基板上に第1の絶縁膜を形成する工程と、この第1の絶縁膜に前記シリコン基板に通じる第1のコンタクトホールを形成する工程と、この第1のコンタクトホールを埋めるとともに前記第1の絶縁膜上に下地導電膜を形成する工程と、前記下地導電膜上に第2の絶縁膜を形成するとともに、この第2の絶縁膜に対して平坦化処理を施す工程と、前記第2の絶縁膜に前記下地導電膜へ通じる第2のコンタクトホールを形成する工程とを施すようにしたものである。
【0047】
〔5〕上記〔4〕記載の半導体装置の製造方法において、前記(c)工程における下地導電膜を平坦化する工程を施すようにしたものである。
【0048】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【0049】
図1は本発明の実施例を示すLSIの製造工程断面図(その1)、図2はそのLSIの製造工程断面図(その2)であり、以下にビアホールコンタクトの場合を例に示して説明する。
【0050】
(1)まず、図1(a)に示すように、シリコン基板11上にLDD構造を持つゲート電極13を形成した後、絶縁膜14を生成する。ここで、Aは実回路パターン形成領域を、Bは測長パターン形成領域を示している。また、12はフィールド熱酸化膜である。従来のものと大きく違うところは、測長パターンを形成する領域Bが、フィールド酸化膜12の上部ではなく、シリコン基板11の上部にある点である。
【0051】
この測長パターンを形成するシリコン基板11の領域は、積極的な不純物イオンの注入を行う必要は特別にないが、積極的に不純物イオンの注入を行っても何ら差し支えはない。
【0052】
(2)次に、図1(b)に示すように、図3(b)と同様に、ゲート電極13同士やゲート電極13とシリコン基板11を電気的に接続するためのコンタクトホール15,15′を形成する。ここで、図3(b)と異なっている点は、測長パターンの形成領域Bにもコンタクトホール15′が形成されているところである。このコンタクトホール15′はコンタクトホール15と同様に、ビアホールコンタクトエッチング後のSEM測長パターンで必要となる下地の金属膜をシリコン基板11に接続させる目的で形成するコンタクトホールである。この実施例では、コンタクトホール15′を1つだけ形成したが、複数個形成しても差し支えはない。
【0053】
(3)次いで、図1(c)に示すように、図3(c)と同様に第1の金属配線16,下地金属膜16′を形成する。この下地金属膜16′は図1(b)で形成されたコンタクトホール15′を介して、シリコン基板11と接続されている。
【0054】
(4)次に、図2(a)に示すように、図4(a)と同様に、第1の金属配線16と下地金属膜16′と、その次に形成される第2の金属配線(図示なし)との絶縁を確保する目的で、絶縁膜17を生成する。
【0055】
(5)次に、図2(b)に示すように、図4(b)と同様に、絶縁膜17に平坦化処理を施す。
【0056】
(6)次いで、図2(c)に示すように、ビアホールコンタクト18′が形成される。このビアホールコンタクト18′の測長パターンの下地金属膜16′がコンタクトホール15′を介してシリコン基板11に接続される。
【0057】
このようにして得られた、図2(c)に示す構造を有するビアホールコンタクト18′の測長パターンのSEM測長作業を行う場合、従来例と同様に、測長箇所を特定するために、測長箇所付近に電子ビームを照射して当該箇所の二次電子を捕獲し、電気的な信号処理を施してCRT画面上に低倍率のSEM像を表示させる。
【0058】
図2(c)に示されるビアホールコンタクト18′の測長パターンの下地金属膜16′は、シリコン基板11とコンタクトホール15′を介して電気的に接続されている。この接続があるために、照射された電子ビームのうちビアホールコンタクト18′の底部に達した電子は、コンタクトホール15′を介してシリコン基板11に流れ込む。
【0059】
従って、ビアホールコンタクト18′の底部と絶縁膜17の表面で、その照射された電子ビームによる帯電状態に差が生じて、CRT画面に得られるSEM像にコントラストが現れる。
【0060】
また、図4(c)の構造を持ったコンタクトホール15′の測長パターンの場合、電子ビームを数秒間にわたって照射すると、いわゆるチャージアップ現象がおきて、測長箇所付近の表面状態の情報がCRT画面では得られ難くなった。
【0061】
しかし、図2(c)のような構造をその測長パターンに持たせることにより、コンタクトホール15′を介してビアホールコンタクト18′の底部がシリコン基板11と電気的に接続された状態となるために、広い絶縁膜17の表面とビアホールコンタクト近傍では、チャージアップ現象の発生の程度に明確な差異が生じる。
【0062】
従って、低倍率でのSEM像でも、測長箇所の認識が容易となる。更に、高倍率の測長倍率の場合でも、容易にコントラストを得ることができるために、測長部の鮮明なCRT像を得ることができ、より正確な測長が可能となる。
【0063】
また、低倍率でのSEM測長パターンの認識が容易となるために、SEM測長パターンの制約事項である、測長パターンの探索・同定をより少ない数の測長パターンで達成することができる。
【0064】
従って、測長パターンは、プロセス処理上の安定性を維持するのに必要なパターン個数(最低1個のコンタクトホールで足りる)で十分であり、その占有面積を縮小することが可能となる。
【0065】
更に、第2、第3のビアホールコンタクトを形成する場合にも、直接あるいは前のビアホールコンタクト工程で作った導電部を介して、シリコン基板と電気的に接続することにより、同等の効果が得られる。
【0066】
なお、上記実施例では、平坦化処理を施した後の絶縁膜のエッチング工程であるビアホールコンタクトエッチング工程のSEM測長作業の場合の測長パターンを中心に説明した。しかし、平坦化処理を施した後に形成される配線工程の測長SEMパターンに適用した場合でも同様の効果が期待できる。
【0067】
また、ロジック品に代表されるASIC・LSIを中心に説明したが、回路パターンの微細化が進むにつれて、測長SEM機で照射する電子ビームの悪影響が懸念されている。従って、DRAMのように実際の回路パターンの測長から、例えば、スクライブライン上のダミーパターンの測長等に移ることが予想される。
【0068】
そして、本発明は、ASIC品に限定するものではなく、LSI全般に適用が可能である。
【0069】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【0070】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、平坦化処理を施された後のビアホールコンタクトのエッチング後のSEM測長パターンで、その下地の金属膜をシリコン基板と電気的に接続することにより、次のような効果を奏することができる。
【0071】
(A)電子ビームで絶縁膜のチャージアップ現象が発生するが、下地金属膜がシリコン基板と電気的に接続されているために、広い絶縁膜表面とビアホールコンタクト近傍で、チャージアップ現象の発生の程度に差異が生じ、CRT画面に表示されるSEM像にコントラストが現れる。この作用で、SEM測長箇所の探索・同定が容易となり、LSIの生産性が向上する。
【0072】
(B)CRT画面に表示されるSEM像にコントラストが現れるために、高い指定測長倍率でも明確なSEM像を得ることができる。その結果、測長精度の向上が期待される。
【0073】
(C)SEM測長パターンの探索・同定が少ない数の測長パターンで可能となるために、LSI中での当該箇所の占有面積を小さくすることができる。従って、LSIのチップの縮小化が可能となる。
【0074】
(D)SEM測長パターンをスクライブラインに設ける場合、小さな占有面積で所定の目的を達成することができるので、ウエハ1枚あたりに搭載できるLSIの個数の減少を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例を示すLSIの製造工程断面図(その1)である。
【図2】本発明の実施例を示すLSIの製造工程断面図(その2)である。
【図3】従来のLSIの製造工程断面図(その1)である。
【図4】従来のLSIの製造工程断面図(その2)である。
【図5】従来の測長パターンのビアホールコンタクト群を真上から見た状態を示す図である。
【符号の説明】
A 実回路パターン形成領域
B 測長パターン形成領域
11 シリコン基板
12 フィールド熱酸化膜
13 ゲート電極
14,17 絶縁膜
15,15′ コンタクトホール
16 第1の金属配線
16′ 下地金属膜
18,18′ ビアホールコンタクト
Claims (5)
- (a)シリコン基板の上方に絶縁膜を介して平坦化処理が施されたスクライブライン上に設けられたSEM測長領域と、
(b)該スクライブライン上に設けられたSEM測長領域の測長パターンが前記シリコン基板と電気的に接続されている構造を有することを特徴とする半導体装置。 - 請求項1記載の半導体装置において、前記スクライブライン上に設けられたSEM測長領域は平坦化処理が施されており、かつ測長パターンである下地導電膜へ通じる第2のコンタクトホールが形成された構造を有する半導体装置。
- 請求項2記載の半導体装置において、前記下地導電膜は平坦化した構造を有する半導体装置。
- (a)スクライブライン上に設けられたSEM測長領域のシリコン基板上に第1の絶縁膜を形成する工程と、
(b)該第1の絶縁膜に前記シリコン基板に通じる第1のコンタクトホールを形成する工程と、
(c)該第1のコンタクトホールを埋めるとともに前記第1の絶縁膜上に下地導電膜を形成する工程と、
(d)前記下地導電膜上に第2の絶縁膜を形成するとともに、該第2の絶縁膜に対して平坦化処理を施す工程と、
(e)前記第2の絶縁膜に前記下地導電膜へ通じる第2のコンタクトホールを形成する工程とを施すことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項4記載の半導体装置の製造方法において、前記(c)工程における下地導電膜を平坦化する工程を施すことを特徴とする半導体装置の製造方法。
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