JP3707450B2 - 半導体装置の製造工程管理方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造工程管理方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
工程内管理(不良解析)を目的にスクライブTEGが用いられているが、不良の検出感度が低いことや、本来の回路形成領域のみで発生するような特異な不良(回路動作に起因したりレイアウトパターンに依存する不良)は解析が困難であるという問題がある。
【0003】
一方、本来の回路形成領域を検査対象として直接解析する場合においては、欠陥(パーティクル等)の場所特定が困難であるとともに、オープン不良なのかショート不良なのかの層別(区別)が難しいという問題がある。また、工程内の欠陥検出手法として自動外観検査装置等が用いられているが、検出した欠陥がキラー欠陥となるか否かの区別が困難である。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこのような背景の下になされたものであり、その第1の目的は、不良箇所の特定が容易にできるとともにオープン/ショートの不良モードの層別(区別)ができる半導体装置の製造工程管理方法を提供することにある。第2の目的はこれに加えてキラー欠陥の大きさとその密度も層別(区別)して管理することができるようにすることにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】
請求項1に記載の発明によれば、ウエハにTEG素子を縦横に多数作り込んでいるので、不良箇所の特定が容易にできる。また、多層配線においてビアホールを通してTEG素子と電気的に接続した配線済素子と、ビアホールを設けずにTEG素子と電気的に接続しなかった配線済素子を混在させているので、これらの配線済素子を用いてオープン/ショートの不良モードを層別(区別)することができる。つまり、多層配線でのビアホールを通してTEG素子と電気的に接続した配線済素子においてその導通状態をチェックすることによりオープン不良を検出でき、また、ビアホールを設けずにTEG素子と電気的に接続しなかった配線済素子においてその導通状態をチェックすることによりショート不良を検出できる。
【0006】
ここで、請求項3に記載のように、各TEG素子に対する多層配線を形成する際に、TEG素子毎に形成されるビアホールの間隔を変えた領域を作り、導通状態のチェックの際に各領域での不良発生素子数を計測することにより、該当のビアホール形成工程(レイヤー)でのキラー欠陥の大きさとその密度も層別(区別)して管理することが可能となる。
【0007】
また、請求項4に記載の発明のように、各TEG素子に対する多層配線を形成する際に、配線の間隔を変えた領域を作り、導通状態のチェックの際に、各領域での不良発生素子数を計測することにより、該当の配線形成工程(レイヤー)でのキラー欠陥の大きさとその密度も層別(区別)して管理することが可能となる。
【0008】
一方、請求項5に記載のように、導通状態をチェックした後に、不良箇所における検査を行うことにより欠陥発生工程と原因を特定するようにするとよい。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を具体化した一実施の形態を図面に従って説明する。
図1は、シリコンウエハ1の平面での一部を拡大した状態を示している。図2は、図1のA−A線での縦断面図である。
【0010】
図2に示すように、シリコンウエハ1においてトランジスタ構造のTEG素子Trが縦横に格子状に多数作り込まれている。このTEG素子TrはMOSトランジスタで構成している。つまり、TEG素子(MOSトランジスタ)Trに関して、P型シリコンウエハ1の表層部にはN+ソース領域2とN+ドレイン領域3が離間して形成され、ソース・ドレイン領域2,3の間におけるウエハ1の上にはゲート酸化膜4を介してゲート電極5が配置されている。
【0011】
さらに、図2のシリコンウエハ1上には各TEG素子Trに対する多層配線が形成されている。詳しくは、シリコンウエハ1上にシリコン酸化膜(絶縁膜)6が形成され、このシリコン酸化膜6にはビアホール7が形成されるとともに、ビアホール7内には導体8が充填されている。さらに、シリコン酸化膜6の上には配線パターン(導体パターン)9が形成され、その上にはシリコン酸化膜(絶縁膜)10が形成されている。このシリコン酸化膜10にはビアホール11が形成されるとともに、ビアホール11内には導体12が充填されている。シリコン酸化膜10の上には配線パターン(導体パターン)13が形成され、その上にはシリコン酸化膜(絶縁膜)14が形成されている。このシリコン酸化膜14にはビアホール15が形成されるとともに、ビアホール15内には導体16が充填されている。シリコン酸化膜14の上には配線パターン(導体パターン)17が形成されている。
【0012】
N+ドレイン領域3は、ビアホール7内の導体8と配線パターン9(詳しくは9b)とビアホール11内の導体12と配線パターン13(詳しくは13b)とビアホール15内の導体16を通して最上層の配線パターン17と接続される。ここで、多層配線においてビアホール15を通してTEG素子Trと電気的に接続した配線済素子Q1と、ビアホール15を設けずにTEG素子Trと電気的に接続しなかった配線済素子Q2を混在させている。詳しくは、図1に示すように、ビアホール15を通してTEG素子Trと電気的に接続した配線済素子Q1と、ビアホール15を設けずにTEG素子Trと電気的に接続しなかった配線済素子Q2は、シリコンウエハ1での平面において縦横に交互に配置し混在させている。
【0013】
電気的構成は、図3に示すようになっている。図3において、シリコンウエハ1に格子状に配置したTEG素子Tr(配線済素子Q1,Q2)に対し、行毎の線W1,W2,W3,…にて各行のMOSトランジスタTrのゲート端子が接続され、この線W1,W2,W3,…は行別トランジスタオン回路30と接続されている。また、シリコンウエハ1に格子状に配置したTEG素子Trのうち配線済素子Q1については列毎の線B1,B2,B3,…にて各列のMOSトランジスタTrのドレイン端子が接続されている。線B1,B2,B3,…の一端は所定電位Vcが印加されるとともに線B1,B2,B3,…の他端は電圧測定回路20と接続されている。ウエハ1に格子状に配置したTEG素子Trのうち配線済素子Q2についてはビアホール15を設けていないので、列毎の線B1,B2,B3,…とMOSトランジスタTrのドレイン端子とは電気的に遮断された状態になっている。さらに、各MOSトランジスタTr(配線済素子Q1,Q2)のソース端子はグランド電位にされる。
【0014】
図2において配線パターン17にて図3のB1線を構成し、図2において配線パターン9a,13aにて図3のW線(W1,W2,…)を構成し、図2において配線パターン9b,13bにて図3のドレイン〜B線間の配線の一部を構成している。
【0015】
また、図4に示すごとく、TEG素子毎に形成されるビアホールの間隔(L寸法)を変えた第1〜第4領域Z1〜Z4をシリコンウエハ1上に作っている。詳しくは、ビアホールの大きさ(縦横の寸法)は全て同じであり、第1領域Z1においては隣り合うビアホールまでの間隔がL1であり、第2領域Z2においてはそれよりも狭く隣り合うビアホールまでの間隔がL2(<L1)であり、第3領域Z3においてはそれよりも狭く隣り合うビアホールまでの間隔がL3(<L2)であり、第4領域Z4においてはそれよりも狭く隣り合うビアホールまでの間隔がL4(<L3)である。単位面積あたりのビアホールの数、即ち、ビアホール密度は(1/(間隔L+ホール径))2[mm-2]となり、ビアホール間隔が大きいほど密度が小さくなる。よって、図4では第4領域Z4、第3領域Z3、第2領域Z2、第1領域Z1の順にビアホール密度が小さくなっている。
【0016】
図4に代わり、図5に示すように、配線の間隔(X寸法)を変えた第1〜第4領域A1〜A4をシリコンウエハ1上に作ってもよい。詳しくは、配線幅は全て同じであり、第1領域A1においては隣の配線までの間隔がX1であり、第2領域A2においてはそれよりも狭く隣の配線までの間隔がX2(<X1)であり、第3領域A3においてはそれよりも狭く隣の配線までの間隔がX3(<X2)であり、第4領域A4においてはそれよりも狭く隣の配線までの間隔がX4(<X3)である。単位長さあたりの配線の本数、即ち、配線密度は1/(間隔X+配線幅)[mm-1]となり、配線間隔が大きいほど密度が小さくなる。よって、図4では第4領域A4、第3領域A3、第2領域A2、第1領域A1の順に配線密度が小さくなっている。
【0017】
次に、使用方法(製造工程の評価方法)を説明する。
まず、図6(a)に示すように、シリコンウエハ1においてトランジスタ構造のTEG素子Trを縦横に格子状に多数作り込む。つまり、P型シリコンウエハ1の上にゲート酸化膜4を介してゲート電極5を配置するとともに、ゲート電極5を挟んでP型シリコンウエハ1の表層部にN+ソース領域2とN+ドレイン領域3を形成する。
【0018】
さらに、図6(b)に示すように、シリコンウエハ1上にシリコン酸化膜(絶縁膜)6を形成し、このシリコン酸化膜6にビアホール7を形成する。
その後、図7(a)に示すように、ビアホール7内に導体8を充填する。
【0019】
さらに、図7(b)に示すように、シリコン酸化膜6の上に配線パターン9を形成する。
そして、図8に示すように、配線パターン9を含めたシリコン酸化膜6の上にシリコン酸化膜(絶縁膜)10を形成する。このシリコン酸化膜10にビアホール11を形成するとともに、ビアホール11内に導体12を充填する。
【0020】
さらに、図9に示すように、シリコン酸化膜10の上に配線パターン13を形成する。
そして、図10に示すように、配線パターン13を含めたシリコン酸化膜10の上にシリコン酸化膜(絶縁膜)14を形成する。このシリコン酸化膜14にビアホール15を形成するとともに、ビアホール15内に導体16を充填する。
【0021】
さらに、図2に示すように、シリコン酸化膜14の上に配線パターン17を形成する。
このようにして、シリコンウエハ1の上において絶縁膜6,10,14、ビアホール7,11,15、配線パターン9,13,17による各TEG素子Trに対する多層配線を形成して、多層配線においてビアホール15を通してTEG素子Trと電気的に接続した配線済素子Q1と、ビアホールを設けずにTEG素子Trと電気的に接続しなかった配線済素子Q2を混在させる。
【0022】
その後、各TEG素子Trをオンさせた時における、当該TEG素子Trによる配線済素子Q1,Q2の導通状態をチェックする。
詳しくは、図3において行別トランジスタオン回路30により線W1をHレベルにしてこの行でのMOSトランジスタTrをオン状態にする。この状態において電圧測定回路20によりこの行での各列の線B1,B2,B3,…の電位を測定する。そして、ビアホール15の在る配線済素子Q1における線B1,B2,B3,…の電位がグランド電位になっていると、異常は発生していないことが分かり、また、配線済素子Q1での線B1,B2,B3,…の電位がグランド電位になっていないと、断線異常が発生していることが分かる。また、ビアホール15の無い配線済素子Q2における線B1,B2,B3,…の電位が所定電位Vcになっていると、異常は発生していないことが分かり、また、配線済素子Q2での線B1,B2,B3,…の電位が所定電位Vcになっていないと、ショート異常が発生していることが分かる。
【0023】
なお、これらの異常判定を行う上で、トランジスタTr自体の動作には異常がないことを前提としており、この前提の下に多層配線工程の異常を検出することとしている。
【0024】
以下同様にして、他の行の線W2,W3,…についても順にHレベルにしてこの行でのMOSトランジスタTrをオン状態にする。この状態において電圧測定回路20によりこの行での各列の線B1,B2,B3,…の電位を測定して良否を判定する。
【0025】
このようにして各TEG素子Trの形成領域(配線済素子Q1,Q2の形成領域)において、不良が発生した場合、格子状に多数のトランジスタを配置したことから、欠陥箇所を1ライン内のトランジスタまで特定することができる。そのため、不良原因を同定しやすい。
【0026】
つまり、図2のビアホール15の在る配線済素子Q1とビアホールの無い配線済素子Q2を対にしてウエハ内に多数の配線済素子Q1,Q2を配置し、各配線済素子Q1,Q2の導通状態を測定することにより良否判定をする。これにより、不良箇所の特定と不良内容が分かる。
【0027】
具体的には、ビアホール15の在る配線済素子Q1においてトランジスタ・オン時の線B1,B2,B3,…の電位(ドレイン電圧)はグランド電位となるはずである。しかしながら、線B1,B2,B3,…の電位(ドレイン電圧)がグランド電位にならないということはこの配線済素子Q1はビアホール導通不良のオープン系の不良であると推定できる。具体的には、例えば、ビアホール形成のためのホト工程あるいはエッチング工程において異常が発生したためにビアホール15の形成が不十分で導通不良となり、この場合においてオープン不良とその不良箇所の特定が可能となる。
【0028】
一方、ビアホールの無い配線済素子Q2においてトランジスタ・オン時の線B1,B2,B3,…の電位(ドレイン電圧)は所定電位Vcとなるはずである。しかしながら、線B1,B2,B3,…の電位(ドレイン電圧)が所定電位Vcにならない場合には、配線間ショートなどの不良であると推定できる。例えば、パーティクル等で配線間がショートして不良であると推定でき、その不良箇所の特定が可能である。
【0029】
このようにして、不良箇所の特定、およびオープン不良とショート不良の区別をすることができ、種々の工程内異常に対する管理がしやすくなる。
また、各配線済素子Q1,Q2(TEG素子Tr)は配線構造が密であるため、配線工程でのパーティクルに対して敏感に不良となり得る。この点を利用し、配線済素子Q1,Q2を用いることで配線工程における欠陥を層別(区別)して管理をすることができる。つまり、図4のごとくビアホールの密度(トランジスタの密度)が異なる第1〜第4領域Z1〜Z4(ビアホール間隔L1>L2>L3>L4)における不良発生個数(素子数)を図11に示すように測定する。
【0030】
ここで、ビアホール密度(1/(間隔L+ホール径))2[mm-2]は、図4のビアホール間隔Lが大きいほど密度が小さくなり、ビアホール工程における欠陥の影響を受け難くなる。例えば、L1以上の大きさの欠陥のみが第1領域Z1のビアホール間隔に対してキラー欠陥となり得る。従って、第1領域Z1での不良発生素子数(欠陥密度)を検査することで、L1以上の大きさのキラー欠陥についてのその密度、即ち、単位面積あたりのキラー欠陥の数を求めることが可能である。同様にして、第2,3,4の各領域Z2,Z3,Z4の不良発生素子数(欠陥密度)を検査することで所望の大きさの欠陥に対するキラー欠陥密度を求めることが可能である。
【0031】
あるいは、ビアホールと同様にして図5のように配線間隔Xが異なる第1〜第4領域A1〜A4における不良発生個数(素子数)を図11に示すように測定する。これにより、配線工程での欠陥を層別(区別)して管理することができる。つまり、配線間隔Xが大きいほど配線密度1/(間隔X+配線幅)[mm-1]が小さくなり配線工程における欠陥の影響を受け難くなり、例えばX1以上の大きさの欠陥のみが第1領域A1に対してキラー欠陥となり得る。従って、第1領域A1での不良発生素子数(欠陥密度)を検査することで、X1以上の大きさのキラー欠陥についてのその密度、即ち、単位長さあたりのキラー欠陥の数を求めることが可能である。同様にして、第2,3,4の各領域A2,A3,A4の不良発生素子数(欠陥密度)を検査することで、所望の大きさの欠陥に対するキラー欠陥密度を求めることが可能である。
【0032】
その後、電気的に検査した配線済素子Q1,Q2(TEG素子Tr)の欠陥密度(不良素子数)は配線済素子Q1,Q2を構成する各工程におけるキラー欠陥の総和になるため、電気的検査のみでは検出した欠陥がどの工程に起因したものであるかを区別するのは困難である。このため、電気的に欠陥素子を特定した後に、その欠陥素子を直接観察検査することで欠陥発生工程を同定する。具体的には、不良箇所における検査は、例えば断面でのSEM写真による検査、平面での顕微鏡による検査、ビアホールが開いている部位での電位コントラスト法による検査等を挙げることができる。
【0033】
以上のように、外観装置などで欠陥数を検査/管理する場合は検出した欠陥がキラー欠陥となるかどうかは不明であるが、本実施形態においてはキラー欠陥となる欠陥のみを管理することになるため、キラー欠陥決定要素(管理指標)としての信頼度が高い。
【0034】
このように本実施形態は、下記の特徴を有する。
(イ)基板上に多層配線を形成した半導体装置の製造工程を管理するための方法として、図6(a)に示すように、シリコンウエハ1にトランジスタ構造のTEG素子Trを縦横に多数作り込む。そして、図6(b)、図7(a),(b)、図8,9,10および図2に示すように、シリコンウエハ1の上において絶縁膜6,10,14、ビアホール7,11,15、配線パターン9,13,17による各TEG素子Trに対する多層配線を形成して、多層配線においてビアホール15を通してTEG素子Trと電気的に接続した配線済素子Q1と、ビアホールを設けずにTEG素子Trと電気的に接続しなかった配線済素子Q2を混在させる。さらに、各TEG素子Trをオンさせた時における、当該TEG素子Trによる配線済素子Q1,Q2の導通状態をチェックする。この手法においては、シリコンウエハ1に単体のTEG素子Trを格子状に配置しており、その一つ一つのTEG素子Trの電気的接続を一つのビアホールで行っているために、不良箇所の特定がしやすい。また、多層配線においてビアホール15を通してTEG素子Trと電気的に接続した配線済素子Q1と、ビアホールを設けずにTEG素子Trと電気的に接続しなかった配線済素子Q2を混在させているので、これらの配線済素子Q1,Q2を用いてオープン/ショートの不良モードを層別(区別)することができる。つまり、多層配線でのビアホール15を通してTEG素子Trと電気的に接続した配線済素子Q1においてその導通状態をチェックすることによりオープン不良を検出でき、また、ビアホールを設けずにTEG素子Trと電気的に接続しなかった配線済素子Q2においてその導通状態をチェックすることによりショート不良を検出できる。
(ロ)各TEG素子Trに対する多層配線を形成する際に、図4に示すように、TEG素子毎に形成されるビアホールの間隔Lを変えた領域Z1〜Z4を作り、導通状態のチェックの際に図11のように各領域Z1〜Z4での不良発生素子数を計測する。これにより、該当のビアホール形成工程(レイヤー)でのキラー欠陥の大きさとその密度も層別(区別)して管理することが可能となる。
(ハ)各TEG素子Trに対する多層配線を形成する際に、図5に示すように、配線の間隔Xを変えた領域A1〜A4を作り、導通状態のチェックの際に、図11のように各領域A1〜A4での不良発生素子数を計測する。これにより、該当の配線形成工程(レイヤー)でのキラー欠陥の大きさとその密度も層別(区別)して管理することが可能となる。
(ニ)導通状態をチェックした後に、不良箇所における検査(例えば断面SEM写真による検査)を行うことにより欠陥発生工程と原因を特定するようにするとよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施の形態におけるシリコンウエハの平面図。
【図2】図1のA−A線での縦断面図。
【図3】電気的構成を示す図。
【図4】ビアホール間隔の異なる4つの領域を示す平面図。
【図5】配線間隔の異なる4つの領域を示す平面図。
【図6】(a),(b)は製造工程を説明するための縦断面図。
【図7】(a),(b)は製造工程を説明するための縦断面図。
【図8】製造工程を説明するための縦断面図。
【図9】製造工程を説明するための縦断面図。
【図10】製造工程を説明するための縦断面図。
【図11】各領域での不良発生個数を示す図。
【符号の説明】
1…シリコンウエハ、6…シリコン酸化膜、7…ビアホール、9…配線パターン、10…シリコン酸化膜、11…ビアホール、13…配線パターン、14…シリコン酸化膜、15…ビアホール、17…配線パターン、A1〜A4…領域、L1〜L4…ビアホールの間隔、Tr…TEG素子(MOSトランジスタ)、Q1,Q2…配線済素子、X1〜X4…配線の間隔、Z1〜Z4…領域。
Claims (5)
- 基板上に多層配線を形成した半導体装置の製造工程を管理するための方法であって、
ウエハ(1)にトランジスタ構造のTEG素子(Tr)を縦横に多数作り込む工程と、
前記ウエハ(1)の上において絶縁膜(6,10,14)、ビアホール(7,11,15)、配線パターン(9,13,17)による前記各TEG素子(Tr)に対する多層配線を形成して、多層配線においてビアホール(15)を通してTEG素子(Tr)と電気的に接続した配線済素子(Q1)と、ビアホールを設けずにTEG素子(Tr)と電気的に接続しなかった配線済素子(Q2)を混在させる工程と、
前記各TEG素子(Tr)をオンさせた時における、当該TEG素子(Tr)による配線済素子(Q1,Q2)の導通状態をチェックする工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造工程管理方法。 - 前記ビアホール(15)を通してTEG素子(Tr)と電気的に接続した配線済素子(Q1)と、ビアホールを設けずにTEG素子(Tr)と電気的に接続しなかった配線済素子(Q2)は、ウエハ(1)での平面において縦横に交互に配置し混在させたことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造工程管理方法。
- 前記各TEG素子(Tr)に対する多層配線を形成する際に、TEG素子毎に形成されるビアホールの間隔(L)を変えた領域(Z1〜Z4)を作り、前記導通状態のチェックの際に前記各領域(Z1〜Z4)での不良発生素子数を計測するようにしたことを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置の製造工程管理方法。
- 前記各TEG素子(Tr)に対する多層配線を形成する際に、配線の間隔(X)を変えた領域(A1〜A4)を作り、前記導通状態のチェックの際に、前記各領域(A1〜A4)での不良発生素子数を計測するようにしたことを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置の製造工程管理方法。
- 前記導通状態をチェックした後に、不良箇所における検査を行うことにより欠陥発生工程と原因を特定するようにしたことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導体装置の製造工程管理方法。
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