JP4844101B2 - 半導体装置の評価方法および半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Description
半導体基板上に酸化膜を成膜する。その上に不純物をドープした多結晶シリコンや金属膜を堆積し、フォトリソグラフィおよびエッチングにより電極を形成する。上記工程により基板上に多数のMISキャパシタが作製される。このMISキャパシタを用いて絶縁膜の寿命の評価を、次のように行うことができる。まず、各素子に電流を印加し、各素子の電極と基板の間の電圧をモニターする。ここで、酸化膜の絶縁破壊が発生すれば、急激に印加電圧の絶対値が減少するので、この電圧値の減少により、絶縁膜の寿命を評価することができる。
また、特許文献2に記載の方法では、1素子あたり10V以上の電圧を印加する必要があるので、例えば10個程度のサンプルを接続しただけでも数百Vの電圧が必要となり、長時間ストレスを印加することは、環境安全上、好ましくない。しかも、この方法では、電源の制約により測定素子数を増やすことは難しい。
[1] 半導体基板上に絶縁膜と電極からなる半導体素子を複数有する半導体装置の評価方法であって、
前記評価は、前記半導体素子に電流を印加することにより生じる絶縁膜の絶縁破壊を検出することによって行われ、
前記絶縁破壊の検出は、半導体基板表面を複数の半導体素子を含む複数の測定領域に分け、該複数の測定領域においてそれぞれ行われ、かつ、各測定領域において、測定領域内に流れる電流値が常時同一値となるように電流を印加して行われ、ならびに、
前記絶縁破壊の検出を、既に絶縁破壊の検出が行われた測定領域に含まれていた半導体素子を含む測定領域において行う、前記方法。
[2] 前記絶縁破壊の検出が行われた測定領域に含まれていた半導体素子に含まれる絶縁膜は絶縁破壊している、[1]に記載の方法。
[3] 半導体基板上に絶縁膜と電極からなる半導体素子を複数有する半導体装置からなる半導体装置のロットを準備する工程と、
前記ロットから少なくとも1つの半導体装置を抽出する工程と、
前記抽出された半導体装置を評価する工程と、
前記評価により良品と判定された半導体装置と同一ロット内の他の半導体装置を製品装置として出荷することを含む、半導体装置の製造方法であって、
前記抽出された半導体装置の評価を、[1]または[2]に記載の方法によって行う、前記方法。
本発明は、
半導体基板上に絶縁膜と電極からなる半導体素子を複数有する半導体装置の評価方法であって、
前記評価は、
前記半導体素子に電流を印加することにより生じる絶縁膜の絶縁破壊を検出することによって行われ、
前記絶縁破壊の検出は、
半導体基板表面を複数の半導体素子を含む複数の測定領域に分け、該複数の測定領域においてそれぞれ行われ、かつ、
各測定領域において、測定領域内に流れる電流値が常時同一値となるように電流を印加して行われる、前記方法
に関する。
更に、本発明では、複数の測定領域において順次絶縁破壊の検出を行うにあたり、各測定領域において、測定領域内に流れる電流値が常時同一値となるように電流を印加する。即ち、本発明では、複数の素子に同時に電流ストレスを印加する際に、評価中に絶縁破壊を起こした素子に対しても、電流を印加し続ける。また、測定領域内に含まれる素子数が異なる場合でも、領域内に流れる電流値が同一となるように電流を印加する。
絶縁破壊を起こした素子への電流ストレス印加を絶縁破壊発生直後に逐次止めると、それにより測定系全体に流れる電流値が絶縁破壊前後で変化することになる。この系全体での電流値の変化は、寄生抵抗を介して、素子の電極と基板の間の電位差として測定される電圧値の変動をもたらす。さらに、寄生抵抗自体が電流値に対して定数になっていないため、一素子ずつ評価する場合と比べて絶縁破壊前後の電圧の変化量が、系全体に印加される電流値に依存する。そのために、系全体に流れる電流値が大きくなると、絶縁破壊時の電流降下がはっきり現れず、絶縁破壊の判定が困難となる。
また、基板上の不良素子の分布を評価するために、基板全面で素子の評価を行う場合、基板中心部では、プローブカードの針すべてに素子をプローブすることができるのに対し、基板周辺部では、不形成の素子等のために、一度にプローブできる素子数が中心部より少なくなる。この場合、各素子に流す電流を一定とすると、系全体に流れる電流値は部位ごとに異なるため、絶縁破壊を起こした時の電圧降下量が面内で異なることになる。前述のように、通常、絶縁破壊は電圧をモニターして、電圧がある一定量以上変化したことによって検出するので、面内で電圧の変化量が異なると、絶縁破壊の正確な検出は困難となる。
それに対し、本発明では、各測定領域において、測定領域内に流れる電流値が常時同一値となるように電流を印加する。これにより、前述の問題なく、絶縁膜の絶縁破壊を正確に検出することが可能となる。
(1)通常、1素子ずつ評価を行う場合は、絶縁破壊を起こした時点で素子に電流印加を止める(例えばSEMI M60:TEST METHOD FOR TIME DEPENDENT Dieelectric Breakdown characteristics of SiO2 films for Si wafer evaluation参照)。しかし、多数の素子で評価を行う場合は、その測定領域内で絶縁破壊を起こした素子に対しても電流を流し続ける。絶縁破壊を起こした素子に対して電流印加を止めると、他の絶縁破壊を起こしていない素子においては、その電流の変化が寄生抵抗を介して影響し、絶縁破壊時に素子の電極と基板の間の電位差として測定される電圧値の変動をもたらす。そこで、絶縁破壊を起こした素子に対しても電流印加を続けることにより、寄生抵抗を介して、素子の電極と基板の間の電位差として測定される電圧値が変動することを回避することができる。また、複数の素子の測定を行うため、1素子ずつ評価を行う場合と比較して、系全体に流れる電流値が大きくなる。電圧・電流特性の非線形性により、絶縁破壊前後の電圧値の変化量と電圧値自体の比が小さくなる。そのために、絶縁破壊時の電圧降下が1素子の場合と比較するとはっきりと現れにくい。上記のように測定中、絶縁破壊したサンプルに対して絶縁破壊後、直ちに印加電流を止めると、その分、測定系全体の電流が小さくなる。その電流の変化が寄生抵抗を通じて、基板電位の変化をもたらす。この基板電位の変化等と上記の絶縁破壊前後の電圧値の変化量と電圧値自体の比が小さくなることと相まって、印加電流絶縁破壊の判定が困難となる。そこで、多数の素子で評価を行う場合、測定領域内で絶縁破壊を起こした素子に対しても電流を流し続けることにより、印加電流を止めることによる寄生抵抗を通じての基板電位の変化を回避することができ、絶縁破壊の正確な検出が可能となる。
(2)各測定領域に含まれる測定対象となる素子数が各領域間で同一の場合には、各素子に同一電流を流す。また、各測定領域に含まれる測定対象となる素子数が各領域間で異なる場合には、各領域全体で同一電流が流れるように、各素子に印加される電流を調整する。これにより、各測定領域間において、各領域内全体に流れる電流値を同一値とすることができる。
(3)例えば、前述のように、ウェーハ中心部と周辺部では、プローブ可能な素子数が異なるため、測定領域内に含まれる測定対象となる素子数が異なる。このように、測定領域によって領域内に含まれる測定対象となる素子数が異なる場合には、各素子に同一電流を流すと、系全体に流れる電流値は相違してしまう。この場合には、測定対象となる素子数の少ない測定領域に、既に絶縁破壊の検出が行われた領域内に含まれていた半導体素子の一部を含める。このように、既に絶縁破壊検出が行われ、絶縁破壊している素子(絶縁破壊済素子)を含めることにより、測定対象の素子には同一電流を流しつつ、絶縁破壊済素子に流す電流を調整することにより、同一条件で絶縁破壊の検出を行いつつ、測定領域内に流れる電流値を同一値とすることができる。
なお、本発明において、測定領域に含まれる測定対象となる素子数および絶縁破壊済素子数は基板の大きさや基板上の全素子数等に応じて適宜決定すればよい。前記評価方法は複数の素子の評価を迅速かつ正確に行うことができるため、特に、面内に多数の素子(例えば700個以上)を含む大口径ウェーハにおける評価に好適である。また、測定対象の素子に流す電流および測定領域内に流れる合計電流値は、所望の品質等に応じて適宜設定することができる。電流の印加は、各素子を並列に接続して行うことができる。
半導体基板上に絶縁膜と電極からなる半導体素子を複数有する半導体装置からなる半導体装置のロットを準備する工程と、
前記ロットから少なくとも1つの半導体装置を抽出する工程と、
前記抽出された半導体装置を評価する工程と、
前記評価により良品と判定された半導体装置と同一ロット内の他の半導体装置を製品装置として出荷することを含む、半導体装置の製造方法であって、
前記抽出された半導体装置の評価を、本発明の半導体装置の評価方法によって行う、前記方法
に関する。
[実施例]
1.半導体装置の作製
直径150mm、P型(ボロンドープ)のシリコンウェーハをRCA洗浄した後、酸化温度850℃で熱酸化膜(膜厚:約100Å)を形成した。その上に、多結晶SiをCVD法によって5000Å堆積させ、リンドープした後、フォトリソグラフィによりレジストパターンを多結晶Si上に作製し、ドライエッチングにより多結晶Siをパターニングし、レジスト除去を行った。その後、裏面の酸化膜を除去した。こうして面内に144個の半導体素子を有する半導体装置を得た。
1.で得た半導体装置上の半導体素子の配置を図2(a)に示す。図2(a)において、1セルが1素子に対応する。測定には、縦7ピン×横7ピンを配置したプローブカードを使用した。この半導体装置において、まず、図2(b)において太線で囲んだ領域それぞれにおいて、1素子に1mAの電流を印加し、絶縁破壊の検出を行った。この領域内には43個の素子があるために、この領域に流れる電流は、合計電流は43mAとなる。
次いで、図2(c)において太線で示す領域において、絶縁破壊の検出を行った。図2(c)中、太線内の斜線で示すセルは、既に絶縁破壊の検出が行われた素子、即ち絶縁破壊済素子を示す。図2(c)中の太線で囲んだ各領域において、白抜きセルで示す素子に対しては、1mAの電流を印加し、各絶縁済素子についても印加する電流量を例えば、各素子に1mAと調整することにより、測定領域内に流れる合計電流を43mAとして絶縁破壊の検出を行った。
また、図2(d)において太線で示す領域において、絶縁破壊の検出を同様に行った。図2(d)中、太線内の斜線で示すセルは、既に絶縁破壊の検出が行われた素子、即ち絶縁破壊済素子を示す。図2(d)中の太線で囲んだ各領域において、白抜きセルで示す素子に対しては、1mAの電流を印加し、各絶縁済素子についても印加する電流量を例えば、各素子に1mAと調整することにより、測定領域内に流れる合計電流を43mAとして絶縁破壊の検出を行った。
さらに、図2(e)において太線で示す領域において、絶縁破壊の検出を同様に行った。図2(e)中、太線内の斜線で示すセルは、既に絶縁破壊の検出が行われた素子、即ち絶縁破壊済素子を示す。図2(e)中の太線で囲んだ各領域において、白抜きセルで示す素子に対しては、1mAの電流を印加し、各絶縁破壊済素子についても印加する電流量を例えば、各素子に1mAと調整することにより、測定領域内に流れる合計電流を43mAとして絶縁破壊の検出を行った。
得られた時間に対する電圧値の変化を図3を示す。
1.で得た半導体装置において、面内の全素子について、図4に示すように1素子ずつ1mAの電流ストレスを順次印加し、絶縁破壊の検出を行った。時間に対する電圧値の変化を図5に示す。
1.で得た半導体装置において、図6に示すように、各素子に1mAの電流ストレスを印加し、面内全素子について同時に絶縁破壊の検出を行った。ただし、実施例における絶縁破壊検出と異なり、一度絶縁破壊したサンプルには再度電流を流すことはしなかった。比較例2における時間に対する電圧値の変化を図7に示す。
図5と図7を比較すると、図7では酸化膜が絶縁破壊した後の電圧のばらつきが大きいため、判定条件や酸化膜厚、一回の測定における測定素子数等によっては誤判定を起こしやすいと考えられる。
それに対し、図3では、図5、7と比較すると電圧自体は高くなっているが、電圧の素子間のばらつきが1素子ずつ測定する場合より若干大きいものの、図7より小さく、絶縁破壊の検出を正確に行うことができる。
以上の結果から、本発明によれば、1素子ずつ測定する場合と遜色のない感度で、複数の素子の絶縁破壊の検出を行うことができることがわかる。
Claims (3)
- 半導体基板上に絶縁膜と電極からなる半導体素子を複数有する半導体装置の評価方法であって、
前記評価は、前記半導体素子に電流を印加することにより生じる絶縁膜の絶縁破壊を検出することによって行われ、
前記絶縁破壊の検出は、半導体基板表面を複数の半導体素子を含む複数の測定領域に分け、該複数の測定領域においてそれぞれ行われ、かつ、各測定領域において、測定領域内に流れる電流値が常時同一値となるように電流を印加して行われ、ならびに、
前記絶縁破壊の検出を、既に絶縁破壊の検出が行われた測定領域に含まれていた半導体素子を含む測定領域において行う、前記方法。 - 前記絶縁破壊の検出が行われた測定領域に含まれていた半導体素子に含まれる絶縁膜は絶縁破壊している、請求項1に記載の方法。
- 半導体基板上に絶縁膜と電極からなる半導体素子を複数有する半導体装置からなる半導体装置のロットを準備する工程と、
前記ロットから少なくとも1つの半導体装置を抽出する工程と、
前記抽出された半導体装置を評価する工程と、
前記評価により良品と判定された半導体装置と同一ロット内の他の半導体装置を製品装置として出荷することを含む、半導体装置の製造方法であって、
前記抽出された半導体装置の評価を、請求項1または2に記載の方法によって行う、前記方法。
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