JP3788422B2 - 半導体装置の検査方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の検査方法に関し、特に絶縁膜における微細コンタクトホールの開口状態を確認できる確認用素子の検査方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体集積回路（ＬＳＩ）の微細化に伴い、アスペクト比の高いコンタクトホールの形成が要求されている。しかしながら、アスペクト比の高い微細なコンタクトホールを形成する場合、コンタクトホールの底部に発生するデポジッションの堆積や、半導体ウェハ面内での絶縁膜の堆積膜厚のばらつき等によって、コンタクトホールのエッチング途中でエッチングがそれ以上進まなくなってしまう、いわゆるエッチストップ現象が発生し、コンタクトホールの開口不良が発生するという問題がある。
【０００３】
そのため、コンタクトホール形成後に、コンタクトホールの開口状態を確認する必要がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
図３は、従来のコンタクトホールの開口状態を確認するための確認用素子のコンタクトホール形成後を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ箇所を示す断面図である。
【０００５】
図３（ｂ）に示すように、従来の確認用素子は、半導体基板５０上に形成された絶縁膜５１と、絶縁膜５１上に形成された導電性膜５２と、導電性膜５２を含む半導体基板５０上に形成された層間絶縁膜５３とを備え、導電性膜５２上の層間絶縁膜５３に同一ホール径を有する複数個のコンタクトホール５４、例えば４つのコンタクトホール５４ａ、５４ｂ、５４ｃ、５４ｄを形成する。ここで、コンタクトホール５４ａ、５４ｂ、５４ｄは、導電性膜５２に到達するまで開口され正常なコンタクトホール（以下、正常コンタクトホールと称す）であるのに対して、コンタクトホール５４ｃは、エッチストップ現象により導電性膜５２に到達するまで開口されておらず、コンタクトホール５４ｃの底面に層間絶縁膜５３の残膜５３ａが残存した状態（以下、異常コンタクトホールと称す）になっている。
【０００６】
次に、図３に示す確認用素子を用いたコンタクトホールの検査方法について説明する。
【０００７】
図３に示す確認用素子の表面に、走査型電子顕微鏡を用いて一次電子を照射した後、コンタクトホールの底部の導電性膜へのリーク電流差を二次電子のエネルギー分布が反映される電位コントラストで検出する。従って、図３（ａ）に示すように、正常コンタクトホール５４ａ、５４ｂ、５４ｄの底部には導電性膜５２が露出しているのに対して、異常コンタクトホール５４ｃの底部には層間絶縁膜５３の残膜５３ａが残存しているため、電位差コントラストが異なるため、異常コンタクトホール５４ｃが開口不良であることがわかる。
【０００８】
【特許文献１】
特開２０００−６８３４５号公報（第４頁、図１）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような従来の確認用素子およびその検査方法では、下記のような不具合があった。
【００１０】
図３に示すような確認用素子では、４つのコンタクトホールの中に正常コンタクトホールと異常コンタクトホールが混在した状態であれば開口不良を発見することができる。しかしながら、４つのコンタクトホールが全て異常コンタクトホールの場合、開口不良を発見することが難しいという問題があった。
【００１１】
図４は、従来の確認用素子において全てのコンタクトホールが開口不良の場合を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ箇所を示す断面図である。
【００１２】
図４（ｂ）に示す確認用素子では、半導体基板５０上に形成された絶縁膜５１と、絶縁膜５１上に形成された導電性膜５２と、導電性膜５２を含む半導体基板５０上に形成された層間絶縁膜５３とを備え、導電性膜５２上の層間絶縁膜５３に同一ホール径を有する複数個のコンタクトホール５５、例えば４つのコンタクトホール５５ａ、５５ｂ、５５ｃ、５５ｄが形成されている。ここで、コンタクトホール５５ａ、５５ｂ、５５ｃ、５５ｄは、エッチング不足又はエッチストップ現象により導電性膜５２に到達するまで開口されておらず、各コンタクトホールの底面に層間絶縁膜５３の残膜５３ｂが残存した異常コンタクトホールになっている。
【００１３】
この確認用素子の表面に、一次電子を照射して開口不良を確認しようとしても、４つのコンタクトホールは全て同じ電位コントラストとなると予想されるため、コンタクトホールが正常か異常かの判断が難しい。したがって、全てのコンタクトホールが開口不良であったとしても見つけることができないため、そのまま最終工程まで製造されてしまい、コンタクト不良により半導体装置の歩留まりが大幅に低下するという問題が発生する。
【００１４】
本発明の目的は、容易にコンタクトホールの開口状態を確認することができる確認用素子を有する半導体装置の検査方法を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体装置の検査方法は、層間絶縁膜における、半導体装置に形成されているコンタクトホールと同一の設計寸法である第１のコンタクトホールの開口状態を確認するための半導体装置の検査方法において、半導体基板上に形成された導電性領域と、前記導電性領域上に形成された前記層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜における前記導電性領域上に形成された前記第１のコンタクトホール群と、前記層間絶縁膜における前記導電性領域上に形成され、前記第１のコンタクトホールよりも寸法が小さい第２のコンタクトホール群とを有している確認用素子を準備する第１の工程と、前記確認用素子の表面に電荷を供給する第２の工程と、前記第２の工程の後に、前記第１のコンタクトホール群と前記第２のコンタクトホール群の電位コントラストを比較することにより、前記第１のコンタクトホール群の開口不良の有無を検出する第３の工程とを有し、前記第１の工程では、前記第１のコンタクトホール群および前記第２のコンタクトホール群に対して同時にエッチングを行い、前記第２のコンタクトホール群の底面に前記層間絶縁膜の残膜を残す。
【００１９】
この構成によれば、検査対象である第１のコンタクトホール群と判断基準となる底面に層間絶縁膜の残膜がある第２のコンタクトホール群とが形成された確認用素子の表面に電荷を供給した後、両コンタクトホール群の電位コントラストを比較することにより、第１のコンタクトホール群の開口不良の有無を容易に検出することができる。
【００２０】
上記半導体装置の検査方法において、前記第２の工程では、走査型電子顕微鏡を用いて前記確認用素子の表面に一次電子を照射することにより電荷を供給し、前記第３の工程では、前記第１のコンタクトホール群と前記第２のコンタクトホール群からの二次電子像による電位コントラストを比較する。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２２】
まず、本発明で用いる膜間のコンタクトホールの開口確認を行う場合に使用する半導体マスクのレイアウトについて説明する。
【００２３】
図１は、本発明の実施形態に係る半導体マスクにおける確認用素子のコンタクトホールパターンを示す平面図である。
【００２４】
図１に示す半導体マスクにおける確認用素子領域１０には、遮光膜１１に、４種類のコンタクトホールパターン群１２、１３、１４、１５とラインパターン１６とが設けられている。コンタクトホールパターン群１２、１３、１４、１５は、それぞれ複数個のコンタクトホールパターンが等間隔で行方向及び列方向に配置されている。
【００２５】
コンタクトホールパターン群１２は、本製品用マスクで要求される寸法、すなわち製品となる半導体装置で用いられている本番コンタクトホールパターンと同一の寸法であり、例えばコンタクトホールパターンの１辺の寸法が０．２４μｍである。
【００２６】
コンタクトホールパターン群１３は、コンタクトホールパターン群１２よりも寸法が大きく、本番コンタクトホールパターンを用いてリソグラフィ及びエッチングを行った後における規格管理値上限の寸法で設計されたものであり、例えばコンタクトホールパターンの１辺の寸法が０．２６μｍである。
【００２７】
コンタクトホールパターン群１４は、コンタクトホールパターン群１２よりも寸法が小さく、本番コンタクトホールパターンを用いてリソグラフィ及びエッチングを行った後における規格管理下限の寸法で設計されたものであり、例えばコンタクトホールパターンの１辺の寸法が０．２２μｍである。
【００２８】
コンタクトホールパターン群１５は、コンタクトホールパターン群１４よりも寸法が小さく、本番コンタクトホールパターンを用いてリソグラフィ及びエッチングを行った後における規格管理下限の寸法よりもさらに小さく設計されたものであり、例えばコンタクトホールパターンの１辺の寸法が０．２１μｍである。このコンタクトホールパターン群１５は、開口不良の判断基準となるものであり、確実に開口不良になる寸法でコンタクトホールパターンを設計しておく必要がある。
【００２９】
なお、上記各コンタクトホールパターンの１辺の寸法は、出来上がりの目標寸法であり、実際にはコンタクトホールパターンは四角形に形成されず、円形又は楕円形に近い形で形成される。
【００３０】
本実施形態において、確認用素子領域１０に形成したラインパターン１６は、各コンタクトホールパターン群の境界を判別しやすくするために設置したものであり、必ずしも必要なパターンではない。また、４種類のコンタクトホールパターン群を形成しているが、少なくともコンタクトホールパターン群１２とコンタクトホールパターン群１５とがあれば、開口不良を判断することができる。
【００３１】
図２は、本発明の実施形態に係るコンタクトホールの開口状態を確認するための確認用素子のコンタクトホール形成後を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ箇所を示す断面図、（ｃ）は（ａ）におけるＣ−Ｃ箇所を示す断面図である。
【００３２】
図２（ａ）〜図２（ｃ）に示す本実施形態の確認用素子には、半導体基板１上に形成された絶縁膜２と、絶縁膜２上に形成された下地導電性膜３と、下地導電性膜３を含む半導体基板１上に形成された層間絶縁膜４とを備え、下地導電性膜３上の層間絶縁膜４に４種類のコンタクトホール群１２ａ、１３ａ、１４ａ、１５ａとラインパターン１６ａとが形成されている。ここで、コンタクトホール群１２ａは、図２（ｂ）に示すように、下地導電性膜３に到達するまで開口された正常なコンタクトホールである。また、コンタクトホール群１３ａ、１４ａも下地導電性膜３に到達するまで開口された正常なコンタクトホールである。これに対して、コンタクトホール群１５ａは、図２（ｃ）に示すように、エッチストップ現象により下地導電性膜３に到達するまで開口されておらず、コンタクトホール群１５ａの底面に層間絶縁膜４の残膜４ａが残存した異常コンタクトホールになっている。
【００３３】
次に、この確認用素子の製造方法について説明する。
【００３４】
まず、半導体基板１上に絶縁膜２を形成した後、絶縁膜２上にポリシリコン膜のような半導体膜、Ａｌ合金膜や銅膜のような金属膜、あるいは、金属シリサイド膜などからなる導電性膜を形成する。その後、導電性膜をパターニングして、確認用素子領域に下地導電性膜３を形成する。この下地導電性膜３は、必ずしも確認用素子形成領域の全面に形成する必要はなく、少なくとも後工程で形成するコンタクトホール下に形成されていれば良い。
【００３５】
その後、下地導電性膜３を含む半導体基板１上に、シリコン酸化膜、ＢＰＳＧ膜、フッ素を含むシリコン酸化膜、プラズマ窒化膜、あるいは、これらの膜の積層膜などからなる層間絶縁膜４を形成する。
【００３６】
その後、層間絶縁膜４上にポジ型レジスト膜を形成した後、図１に示すようなコンタクトホールパターンが形成された確認用素子マスクを有する半導体マスクをマスクにして露光した後、レジスト現像を行って図１に示すようなコンタクトホールパターンが転写されたレジストパターンを形成する。
【００３７】
その後、レジストパターンをマスクにして、層間絶縁膜４をドライエッチングして、層間絶縁膜４にコンタクトホールを形成する。このとき、本番コンタクトホールが下地の導電性膜に到達するために必要なエッチング時間と所定のオーバーエッチングを行う。これにより、確認用素子領域における下地導電性膜３上の層間絶縁膜４にも、同時にコンタクトホール群１２ａ、１３ａ、１４ａ、１５ａとラインパターン１６ａが形成される。その後、レジストパターンを除去することによって、図２（ａ）〜図２（ｃ）に示すような確認用素子を得ることができる。
【００３８】
次に、本発明に係る確認用素子を用いたコンタクトホールの開口状態を確認する検査方法について説明する。
【００３９】
図２に示す確認用素子の表面に、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて一次電子を５ｋＶで５秒ほど照射して、半導体基板１の表面に電荷を供給する。
【００４０】
この結果、コンタクトホールが下地導電性膜３まで到達している正常なコンタクトホール群１２ａ、１３ａ、１４ａでは、コンタクトホール周辺の層間絶縁膜４の表面に蓄積された電荷に下地導電性膜３から供給された電荷分が増加して二次電子が放出される。一方、コンタクトホールが下地導電性膜３まで到達しておらず、コンタクトホールの底面に層間絶縁膜４の残膜４ａが残存しているコンタクトホール群１５ａでは、コンタクトホール周辺の層間絶縁膜４の表面に電荷が残存する。従って、電荷が放出されたコンタクトホール群１２ａ、１３ａ、１４ａと電荷が残存するコンタクトホール群１５ａとでは、コンタクトホールの二次電子像が異なって現れるので、電位コントラストに違いが見られる。
【００４１】
本実施形態の場合、コンタクトホールの規格管理値下限の寸法よりもさらに小さいコンタクトホール群１５ａを判断基準にして、コンタクトホール群１５ａの電位コントラストと同じ電位コントラストであれば開口不良、コンタクトホール群１５ａの電位コントラストと異なる電位コントラストであれば正常な開口であると判断することができる。従って、図２に示す確認用素子では、コンタクトホール群１５ａの電位コントラストに対して、コンタクトホール群１２ａ、１３ａ、１４ａの電位コントラストは異なるので、コンタクトホール群１２ａ、１３ａ、１４ａはいずれも正常な開口がされていると判断できる。さらに、コンタクトホールの規格管理値上限の寸法を有するコンタクトホール群１３ａ及びコンタクトホールの規格管理値下限の寸法を有するコンタクトホール群１４ａを同時に確認しているため、コンタクトホールの規格範囲において正常なコンタクトホールの開口がなされたことを確認することができる。
【００４２】
なお、本実施形態の確認用素子は、半導体ウェハ上の数カ所に配置、又は、全チップに配置することによって、半導体ウェハの面内におけるコンタクトホールの開口状態を確認することができる。
【００４３】
また、本実施形態では、層間絶縁膜の下地として下地導電性膜を用いて説明したが、半導体基板に形成された拡散層、あるいは、半導体基板表面に形成された金属シリサイドであっても、同様な効果を得ることができる。
【００４４】
【発明の効果】
以上のように、本発明の半導体装置の検査方法によれば、底面に層間絶縁膜の残膜があり、開口不良になっている第２のコンタクトホール群を判断基準にして、検査対象である第１のコンタクトホール群との電位コントラストの違いによって、容易に開口状態を判断することができる。従って、半導体装置のコンタクト不良を低減することができ、歩留まりの向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態にかかる半導体マスクにおける確認用素子のコンタクトホールパターンを示す平面図
【図２】本発明の実施形態に係るコンタクトホールの開口状態を確認するための確認用素子のコンタクトホール形成後を示す図であり、
（ａ）は平面図
（ｂ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ箇所を示す断面図
（ｃ）は（ａ）におけるＣ−Ｃ箇所を示す断面図
【図３】従来のコンタクトホールの開口状態を確認するための確認用素子のコンタクトホール形成後を示す図であり、
（ａ）は平面図
（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ箇所を示す断面図
【図４】従来の確認用素子において全てのコンタクトホールが開口不良の場合を示す図であり、
（ａ）は平面図
（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ箇所を示す断面図
【符号の説明】
１ 半導体基板
２ 絶縁膜
３ 下地導電性膜
４ 層間絶縁膜
４ａ 層間絶縁膜の残膜
１０ 半導体マスクにおける確認用素子のコンタクト形成用パターン
１１ 半導体マスクにおける遮光膜
１２ 半導体マスクにおけるコンタクトホールパターン群
１２ａ 半導体基板上におけるコンタクトホール群
１３ 半導体マスクにおけるコンタクトホールパターン群
１３ａ 半導体基板上におけるコンタクトホール群
１４ 半導体マスクにおけるコンタクトホールパターン群
１４ａ 半導体基板上におけるコンタクトホール群
１５ 半導体マスクにおけるコンタクトホールパターン群
１５ａ 半導体基板上におけるコンタクトホール群
１６ 半導体マスクにおけるラインパターン
１６ａ 半導体基板上におけるラインパターン

Claims (2)

1. 層間絶縁膜における、半導体装置に形成されているコンタクトホールと同一の設計寸法である第１のコンタクトホールの開口状態を確認するための半導体装置の検査方法において、
   半導体基板上に形成された導電性領域と、前記導電性領域上に形成された前記層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜における前記導電性領域上に形成された前記第１のコンタクトホール群と、前記層間絶縁膜における前記導電性領域上に形成され、前記第１のコンタクトホールよりも寸法が小さい第２のコンタクトホール群とを有している確認用素子を準備する第１の工程と、
   前記確認用素子の表面に電荷を供給する第２の工程と、
   前記第２の工程の後に、前記第１のコンタクトホール群と前記第２のコンタクトホール群の電位コントラストを比較することにより、前記第１のコンタクトホール群の開口不良の有無を検出する第３の工程とを有し、
   前記第１の工程では、前記第１のコンタクトホール群および前記第２のコンタクトホール群に対して同時にエッチングを行い、前記第２のコンタクトホール群の底面に前記層間絶縁膜の残膜を残すことを特徴とする半導体装置の検査方法。
2. 請求項１記載の半導体装置の検査方法において、
   前記第２の工程では、走査型電子顕微鏡を用いて前記確認用素子の表面に一次電子を照射することにより電荷を供給し、
   前記第３の工程では、前記第１のコンタクトホール群と前記第２のコンタクトホール群からの二次電子像による電位コントラストを比較することを特徴とする半導体装置の検査方法。

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