JP2003100832A - 半導体装置の検査方法およびプログラム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 インライン検査において電気的な不具合箇所
を検出することが可能な半導体装置の検査方法を提供す
る。 【解決手段】 半導体基板４の裏面あるいは外周部に可
変直流電源２の正極を接続し、可変直流電源２の負極は
導電性のカンチレバー３に接続し、カンチレバー３と半
導体基板４間に所定の順バイアス電圧（例えば１．０
Ｖ）を与えながら、検査対象となるコンタクトプラグ９
上にカンチレバー３を接触させた状態でスキャンする。
このときにカンチレバー３を通じて流れる電流を電流計
１モニターすることで、各コンタクトプラグの電流特性
を知得でき、単なる形状観察では検出できない導通不良
を検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【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、特にインライン検査に使用可能な検査方法
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年の半導体装置においては、微細化が
進むにしたがって、コンタクト部の直径や、不純物層の
接合深さ、ゲート酸化膜の膜厚等が縮小され、コンタク
ト部の開口不良やＰＮ接合部での電流リーク、ゲート酸
化膜の不良に起因する電流リーク等の不具合が問題とな
っている。半導体装置を安定して生産する上で、このよ
うな不具合箇所を早期に発見し、対策を製造工程にフィ
ードバックする必要がある。

【０００３】従って、製造ライン中に行うインライン検
査または、完成した製品に対して解析を行うオフライン
解析で不具合箇所を検出し、原因を究明することは重要
であるが、現状のインライン検査では電気的な不具合を
直接検出することはできず、電気的な不良の検出はプロ
セス完了後のオフライン解析で行っているため、不具合
箇所の発見に時間を要する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記のような
問題点を解消するためになされたもので、インライン検
査において電気的な不具合箇所を検出することが可能な
半導体装置の検査方法を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明に係る請求項１記
載の半導体装置の検査方法は、半導体基板の主面表面内
に配設された半導体領域と、前記半導体基板の前記主面
上に配設された層間絶縁膜を貫通して前記半導体領域に
接触する複数のコンタクトプラグとを有する半導体装置
の検査方法であって、前記複数のコンタクトプラグの一
端が前記層間絶縁膜の表面に露出した状態の製造工程中
の前記半導体装置を、コンダクティング原子間力顕微鏡
の検査ステージに載置した後、前記コンダクティング原
子間力顕微鏡のカンチレバーと前記半導体基板との間に
バイアス電圧を印加し、前記カンチレバーを前記複数の
コンタクトプラグのうち選択した１のコンタクトプラグ
に接触させた状態でスキャンして、前記カンチレバーに
流れる電流を検出するステップ(ａ)と、前記複数のコン
タクトプラグに対して前記ステップ(ａ)を実施した後、
検出した電流値を所定のしきい値と比較し、前記半導体
装置の電気的特性を判定するステップ(ｂ)とを備えてい
る。

【０００６】本発明に係る請求項２記載の半導体装置の
検査方法は、前記ステップ(ａ)が、前記半導体領域が他
の半導体領域と接合構造を構成する場合には、前記接合
構造に対して順方向となるように前記バイアス電圧を印
加するステップを含み、前記ステップ(ｂ)は、前記複数
のコンタクトプラグの導通の良否を判定するステップを
含み、検出した前記電流値が、前記所定のしきい値以上
であれば、導通良好と判定する。

【０００７】本発明に係る請求項３記載の半導体装置の
検査方法は、前記ステップ(ａ)が、前記半導体領域が他
の半導体領域と接合構造を構成する場合には、前記接合
構造に対して逆方向となるように前記バイアス電圧を印
加するステップを含み、前記ステップ(ｂ)は、前記半導
体基板内のＰＮ接合部での電流リークの有無を判定する
ステップを含み、検出した前記電流値の絶対値が、前記
所定のしきい値未満であれば、前記ＰＮ接合での電流リ
ーク無しと判定する。

【０００８】本発明に係る請求項４記載の半導体装置の
検査方法は、前記ステップ(ａ)に先だって、前記複数の
コンタクトプラグのレイアウト情報および不純物注入の
ための注入マスクのレイアウト情報に基づいて、前記半
導体基板内の接合構造を調査するステップをさらに備
え、前記ステップ(ａ)は、前記調査結果に基づいて、前
記バイアス電圧の極性および電圧値を設定するととも
に、設定した前記電圧条件下で、前記カンチレバーでの
前記電流の検出が有意であるかについて判定するステッ
プを含み、有意である場合には、設定した前記電圧条件
下での電流検出を実行する。

【０００９】本発明に係る請求項５記載の半導体装置の
検査方法は、前記ステップ(ａ)が、前記調査結果に基づ
いて、同種の接合構造に接続されるプラグは同種のプラ
グとして前記複数のコンタクトプラグを分類し、該分類
に基づいて前記電圧条件を設定するステップを含む。

【００１０】本発明に係る請求項６記載の半導体装置の
検査方法は、前記ステップ(ａ)が、前記複数のコンタク
トプラグの導通の良否の検査、および前記半導体基板内
のＰＮ接合部での電流リークの有無の検査の何れを行う
かで、前記バイアス電圧の極性を変えるステップを含
む。

【００１１】本発明に係る請求項７記載の半導体装置の
検査方法は、前記ステップ(ａ)が、前記カンチレバーに
流れる前記電流の検出に先だって、前記複数のコンタク
トプラグのレイアウト情報に基づいて、前記検査ステー
ジを移動し、前記選択したコンタクトプラグを前記カン
チレバーの下部に配置するステップと、前記コンダクテ
ィング原子間力顕微鏡の前記カンチレバーをスキャンし
て、前記選択したコンタクトプラグの端面部分のＡＦＭ
画像を取得するステップと、前記ＡＦＭ画像に基づいて
前記カンチレバーの位置ずれを補正するステップとを含
む。

【００１２】本発明に係る請求項８記載の半導体装置の
検査方法は、前記ステップ(ｂ)が、前記複数のコンタク
トプラグのそれぞれから検出した前記電流値に基づい
て、前記所定のしきい値を決定するステップを含む。

【００１３】本発明に係る請求項９記載の半導体装置の
検査方法は、前記ステップ(ｂ)が、前記複数のコンタク
トプラグのそれぞれから検出した前記電流値をヒストグ
ラム処理するステップを含む。

【００１４】本発明に係る請求項１０記載のプログラム
は、請求項１または請求項４に記載の半導体装置の検査
方法をコンピュータに実行させるものである。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明に係る半導体装置の検査方
法においては、コンダクティングＡＦＭを使用する。コ
ンダクティングＡＦＭは、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡：At
omic Force Microscope）の一種であり、表面形状のみ
ならず、導電性のカンチレバーをサンプルに接触させ、
カンチレバーとサンプル間に流れる電流の測定を行い、
ナノメートルレベルの領域の電気的特性を測定できる装
置である。そして、コンダクティングＡＦＭを製造工程
中の半導体装置の電気的特性の検査に用いることで、イ
ンライン検査で電気的な不具合を検出可能とし、また従
来の故障診断技術では必要であった測定用の配線や電極
の配設を不要にして簡便な検査を実現するものである。

【００１６】＜Ａ．電気的特性の測定の概念＞ ＜Ａ−１．コンタクト部の導通特性の測定（導通検査）
＞図１に、コンダクティングＡＦＭを用いてコンタクト
部の導通特性を測定する場合の概略構成を示す。

【００１７】図１においては、Ｐ型の半導体基板４の主
面表面内にＰ型ウエル領域５が配設され、Ｐ型ウエル領
域５の表面内には素子分離絶縁膜６が選択的に配設され
て複数の活性領域を規定している。そして、当該複数の
活性領域の表面内にはそれぞれＮ型不純物領域７が配設
され、Ｐ型ウエル領域５とＮ型不純物領域７とでＰＮ接
合を構成している。

【００１８】また、半導体基板４の主面上は層間絶縁膜
８によって覆われ、層間絶縁膜８を貫通して複数のＮ型
不純物領域７にそれぞれ達する複数のコンタクトプラグ
９が配設されている。ただし、複数のコンタクトプラグ
９の中には不完全に形成されたものも含まれており、そ
れらを区別するために複数のコンタクトプラグ９のそれ
ぞれに符号を付している。

【００１９】すなわち、図１に向かって左端から順に、
コンタクトプラグ９０、９１、９２、９３および９４と
し、コンタクトプラグ９０および９２は正常なプラグ、
コンタクトプラグ９１はＮ型不純物領域７に達しないプ
ラグ、コンタクトプラグ９３は先端部が細くなってＮ型
不純物領域７との接触が不十分なプラグ、コンタクトプ
ラグ９４は基板／コンタクト界面に絶縁膜ＺＬが存在し
てＮ型不純物領域７との接触が不十分なプラグである。

【００２０】これらのコンタクトプラグ９０〜９４にお
いては、層間絶縁膜８の上部から見た場合の平面視形状
は何れも正常であり、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）等によ
る開口形状の観察検査では導通不良を発見することは困
難である。

【００２１】そこで、コンタクトプラグ９の導通特性を
測定するには、半導体基板４をコンダクティングＡＦＭ
の検査ステージ上に載置し、図１に示すように半導体基
板４の裏面あるいは外周部に可変直流電源２の正極を接
続し、可変直流電源２の負極は導電性のカンチレバー３
に接続し、カンチレバー３と半導体基板４間に所定の順
バイアス電圧（例えば１．０Ｖ）を与えながら、検査対
象となるコンタクトプラグ９上にカンチレバー３を接触
させた状態でスキャンする。

【００２２】このときにカンチレバー３を通じて流れる
電流を電流計１モニターすることで、各コンタクトプラ
グの電流特性を知得でき、単なる形状観察では検出でき
ない導通不良を検出することができる。

【００２３】なお、この検査方法を有効なものとするに
は、カンチレバー３の先端部の直径がコンタクトプラグ
９の直径より小さいことが条件である。なお、現状の半
導体装置ではコンタクトプラグ９の直径は１００ｎｍ程
度で、カンチレバー３の先端部の直径は数十ｎｍ以下で
あるので問題はない。

【００２４】図２に、図１に示す方法で測定したコンタ
クトプラグ９の導通特性を示す。図２において、横軸に
はカンチレバー３の変位位置（任意単位）を示し、縦軸
に電流計１で測定した電流値（任意単位）を示してい
る。

【００２５】図２において、パルス状のプロファイルＰ
９０〜Ｐ９４が示されているが、それぞれはコンタクト
プラグ９０〜９４上をカンチレバー３が移動した際の電
流プロファイルに対応している。すなわち、プロファイ
ルＰ９０およびＰ９２は正常なコンタクトプラグ９０お
よび９２の導通プロファイルを示しており、Ｐ型ウエル
領域５とＮ型不純物領域７とで構成されるＰＮ接合にコ
ンタクトプラグ９０および９２を介して順バイアス電圧
が加わっているので、カンチレバー３がコンタクトプラ
グ９０および９２に接触している部分で、それぞれ大き
な電流が流れている状態を示している。

【００２６】プロファイルＰ９１は、開口が不完全でＮ
型不純物領域７に達しないコンタクトプラグ９１の導通
特性を示している。なお、コンタクトプラグ９１がＮ型
不純物領域７に達していないので電流が流れず、パルス
状のプロファイルは得られないが、便宜的に、開口が完
全である場合のプロファイルを想定して破線で示し、そ
れをプロファイルＰ９１としている。

【００２７】プロファイルＰ９３およびＰ９４は、Ｎ型
不純物領域７との接触が不十分なコンタクトプラグ９３
および９４の導通特性を示しており、Ｐ型ウエル領域５
とＮ型不純物領域７とで構成されるＰＮ接合にコンタク
トプラグ９３および９４を介して、不十分ながらも順バ
イアス電圧が加わっているので、カンチレバー３がコン
タクトプラグ９０および９２に接触している部分で電流
は流れるが、バイアス電圧が不十分なので、その電流値
はプロファイルＰ９０およびＰ９２に比べて小さい。

【００２８】ここで、コンタクトプラグ９０〜９４の導
通特性の良、不良の判定手法としては、所定のしきい値
電流を設定し、各プロファイルの電流がしきい値電流を
越えるか否かで判定すれば良い。すなわち、図２に示す
ように、開口が不完全なコンタクトプラグ９１はもとよ
り、Ｎ型不純物領域７との接触が不十分なコンタクトプ
ラグ９３および９４で得られる電流よりも大きな電流値
をしきい値電流Ｔｈ１とすることで、導通不良のコンタ
クトプラグを判別することができる。

【００２９】＜Ａ−２．ＰＮ接合部のリーク特性の測定
（リーク検査）＞コンダクティングＡＦＭを用いて測定
可能な電気的特性としては、上述した導通特性の他にＰ
Ｎ接合部のリーク特性が挙げられる。

【００３０】図３に、コンダクティングＡＦＭを用いて
コンタクト部のリーク特性を測定する場合の概略構成を
示す。なお、図３において図１と同じ構成については同
一の符号を付し、重複する説明は省略する。

【００３１】なお、複数のコンタクトプラグ９の中には
ＰＮ接合部分に接合不良を有するＮ型不純物領域７に接
続されるものも含まれており、それらを区別するために
複数のコンタクトプラグ９のそれぞれに符号を付してい
る。

【００３２】すなわち、図１に向かって左端から順に、
コンタクトプラグ９５、９６、９７、９８および９９と
し、コンタクトプラグ９５、９６、９８および９９は、
正常なＰＮ接合を有するＮ型不純物領域７に接続される
プラグであり、コンタクトプラグ９７はＰＮ接合部分に
接合不良を有するＮ型不純物領域７に接続されるプラグ
である。

【００３３】これらのコンタクトプラグ９５〜９９にお
いては、層間絶縁膜８の上部から見た場合の平面視形状
は何れも正常であり、ＳＥＭ等による開口形状の観察検
査では接合不良を発見することは困難である。

【００３４】そこで、コンタクトプラグ９のリーク特性
を測定するには、半導体基板４をコンダクティングＡＦ
Ｍの検査ステージ上に載置し、図３に示すように半導体
基板４の裏面あるいは外周部に可変直流電源２の負極を
接続し、可変直流電源２の正極は導電性のカンチレバー
３に接続し、カンチレバー３と半導体基板４間に所定の
逆バイアス電圧（例えば１．０Ｖ）を与えながら、検査
対象となるコンタクトプラグ９上にカンチレバー３を接
触させた状態でスキャンする。

【００３５】このときにカンチレバー３を通じて流れる
電流を電流計１モニターすることで、各コンタクトプラ
グが接続されるＮ型不純物領域７のリーク特性を知得で
き、単なる形状観察では検出できないリーク不良を検出
することができる。

【００３６】図４に、図３に示す方法で測定したコンタ
クトプラグ９のリーク特性を示す。図４において、横軸
にはカンチレバー３の変位位置（任意単位）を示し、縦
軸に電流計１で測定した電流値（任意単位）を示してい
る。

【００３７】図２において、パルス状のプロファイルＰ
９５〜Ｐ９９が示されているが、それぞれはコンタクト
プラグ９５〜９９上をカンチレバー３が移動した際の電
流プロファイルに対応している。すなわち、プロファイ
ルＰ９５、Ｐ９６、Ｐ９８およびＰ９９は、正常なＰＮ
接合を有するＮ型不純物領域７に接続されるコンタクト
プラグ９５、９６、９８および９９上をスキャンして得
られるリーク電流プロファイルを示しており、Ｐ型ウエ
ル領域５とＮ型不純物領域７とで構成される正常なＰＮ
接合に逆バイアス電圧が加わっても電流は殆ど流れず、
図示のようにプロファイルＰ９５、Ｐ９６、Ｐ９８およ
びＰ９９の電流値は０に近い。なお、現実には、パルス
状のプロファイルになるほどの電流も流れない場合もあ
るが、図４においては便宜的にパルス状のプロファイル
として示している。

【００３８】一方、プロファイルＰ９７は、ＰＮ接合部
分に接合不良を有するＮ型不純物領域７に接続されるコ
ンタクトプラグ９７上をスキャンして得られるリーク電
流プロファイルを示しており、接合不良を有するＰＮ接
合に逆バイアス電圧が加わることで、本来は流れないは
ずの大きなリーク電流が流れている状態を示している。

【００３９】ここで、コンタクトプラグ９５〜９９のリ
ーク特性の良、不良の判定手法としては、所定のしきい
値電流を設定し、各プロファイルの電流がしきい値電流
を越えるか否かで判定すれば良い。すなわち、図４に示
すように、正常なＰＮ接合を有するＮ型不純物領域７に
接続されるコンタクトプラグ９５、９６、９８および９
９で得られるリーク電流よりも大きな電流値をしきい値
電流Ｔｈ２とすることで、ＰＮ接合部分に接合不良を有
するＮ型不純物領域７に接続されるコンタクトプラグを
判別することができる。

【００４０】＜Ｂ．電気的特性の測定の実際＞実際の半
導体装置においては、複数のコンタクトプラグや、複数
種類の接合構造（ＰＮ接合の組み合わせにより構成さ
れ、ＰＮ構造、ＰＮＰ構造、ＮＰＮ構造等複数がある）
が存在するため、上述した電気的特性（導通特性、リー
ク特性）のうち、何れの特性を測定するかについて、コ
ンタクトプラグを選別して行うことが望ましい。以下、
実際の半導体装置の検査に本発明に係る検査方法を適用
する場合の装置構成および動作フローについて図５〜図
８を用いて説明する。なお、図５において図１と同じ構
成については同一の符号を付し、重複する説明は省略す
る。

【００４１】まず、実際の半導体装置に含まれる接合構
造の一例を、図５に模式的に示す。

【００４２】図５においては、Ｐ型の半導体基板４の主
面表面内にＰ型ウエル領域１１およびＮ型ウエル領域１
２が隣り合って配設され、Ｐ型ウエル領域１１とＮ型ウ
エル領域１２に跨るように素子分離絶縁膜１３が配設さ
れ、また、Ｐ型ウエル領域１１およびＮ型ウエル領域１
２の表面内には素子分離絶縁膜１４が選択的に配設され
て複数の活性領域を規定している。そして、Ｐ型ウエル
領域１１に設けられた活性領域の表面内には、ソース・
ドレイン領域としてＰ型不純物領域１５およびＮ型不純
物領域１６が配設され、Ｎ型ウエル領域１２に設けられ
た活性領域の表面内には、ソース・ドレイン領域として
Ｐ型不純物領域１７およびＮ型不純物領域１８が配設さ
れている。

【００４３】また、半導体基板４の主面上は層間絶縁膜
８によって覆われ、層間絶縁膜８を貫通して各不純物領
域にそれぞれ達する複数のコンタクトプラグ１９が配設
されている。

【００４４】ここで、複数のコンタクトプラグ１９のう
ち、Ｐ型不純物領域１５に達するプラグをコンタクトプ
ラグ１９１とし、Ｎ型不純物領域１６に達するプラグを
コンタクトプラグ１９２とし、Ｐ型不純物領域１７に達
するプラグをコンタクトプラグ１９３とし、Ｎ型不純物
領域１８に達するプラグをコンタクトプラグ１９４とす
る。

【００４５】なお、図５においては、半導体基板４の裏
面あるいは外周部に可変直流電源２の負極が接続され、
可変直流電源２の正極は導電性のカンチレバー３に接続
された構成を示すが、可変直流電源２の極性は任意に変
更できるものとし、電流計も負電流、正電流ともに測定
可能な測定レンジを有するものとする。

【００４６】＜Ｂ−１．装置構成＞次に、図６に示すブ
ロック図を用いてコンタクトプラグの電気的特性を測定
するための検査装置１００の構成について説明する。

【００４７】図６に示すように、検査装置１００は、コ
ンタクトプラグのレイアウト情報等を記憶する情報記憶
部２１、情報処理部２２、検査装置１００を外部から操
作する外部操作部２３、検査装置１００の全構成の動作
を制御する制御部２４、コンダクティングＡＦＭの検査
ステージおよびカンチレバーを駆動するステージおよび
カンチレバー駆動制御部２５、カンチレバーに流れる電
流を測定データとして取得するデータ取得部２６、デー
タ取得部２６で得られた測定データ等を処理するデータ
処理部２７、検査結果等を表示する表示部２８およびバ
イアス電圧を発生する電圧発生部２９とを備えている。

【００４８】＜Ｂ−２．装置動作＞以下、検査装置１０
０の動作を示すフローチャートである図７および図８を
用いて、半導体装置の検査手順を説明するとともに、図
６を参照しつつ各構成の機能および動作を説明する。な
お、図７および図８において、記号を付した部分は、
互いに接続されていることを意味する。

【００４９】まず、検査対象となる製造工程中の半導体
基板を、コンダクティングＡＦＭの検査ステージに搭載
し、図７に示すステップＳ１において、情報記憶部２１
に記憶された各レイヤのコンタクトプラグおよび配線の
レイアウト情報に基づいて、情報処理部２２で半導体基
板に接続されるコンタクトプラグを自動的に抽出して、
表示部２８に表示する。

【００５０】次に、図７に示すステップＳ２において、
情報記憶部２１に記憶された基板不純物情報および注入
マスクのレイアウト情報に基づいて、情報処理部２２
で、半導体基板４内の接合構造を調査し、ステップＳ１
で抽出したコンタクトプラグを、接合構造の種類に合わ
せて分類し、表示部２８に表示する。

【００５１】ここで、図５に示す接合構造を例に採れ
ば、Ｐ型ウエル領域１１の表面内に形成されたＰ型不純
物領域１５に接続されたコンタクトプラグ１９１（接合
構造に接続されず）、Ｐ型ウエル領域１１の表面内に形
成されたＮ型不純物領域１６に接続されたコンタクトプ
ラグ１９２（ＰＮ接合構造に接続）、Ｎ型ウエル領域１
２の表面内に形成されたＰ型不純物領域１７に接続され
たコンタクトプラグ１９３（ＰＮＰ接合構造に接続）お
よびＮ型ウエル領域１２の表面内に形成されたＮ型不純
物領域１８に接続されたコンタクトプラグ１９４（ＰＮ
接合構造に接続）が、それぞれ種類の異なるコンタクト
プラグとして表示部２８において色分け等で分類して表
示される。

【００５２】なお、図５においては簡単化のため、コン
タクトプラグ１９が単一レイヤに設けられている例を示
しているが、多層配線構造において、複数の層に設けら
れたの複数のコンタクトを介して半導体基板に接続され
ているコンタクトプラグについても同様の分類を行う。

【００５３】次に、制御部２４において、検査モード
（導通検査、リーク検査）ごとにバイアス電圧条件を設
定したファイルを作成する（ステップＳ３）。以下、ス
テップＳ２で分類したコンタクトプラグ１９１〜１９４
を例として、電圧条件を示す。 共通条件：カンチレバーはグランド電位に固定。 検査モード：導通検査 コンタクトプラグ１９１：半導体基板４に＋０．５Ｖ印
加 コンタクトプラグ１９２：半導体基板４に＋０．５Ｖ印
加 コンタクトプラグ１９３：ＰＮＰ接合構造に接続され、
電流が流れず測定は有意でないと判断 コンタクトプラグ１９４：半導体基板４に＋０．５Ｖ印
加 検査モード：リーク検査 コンタクトプラグ１９１：接合構造に接続されず測定は
有意でないと判断 コンタクトプラグ１９２：半導体基板４に−１．０Ｖ印
加 コンタクトプラグ１９３：半導体基板４に＋１．０Ｖ印
加 コンタクトプラグ１９４：半導体基板４に−１．０Ｖ印
加 次に、操作者が表示部２８を見ながら、外部操作部２３
から検査モードと、検査対象とするコンタクトプラグの
種類（コンタクトプラグ１９１〜１９４）を選択するこ
とで、制御部２４において、ステップＳ３で作成した電
圧条件ファイルから適合するファイルを自動的に抽出
し、電圧発生部２９を制御して、測定条件を自動設定す
る（ステップＳ４）。

【００５４】次に、制御部２４において、選択した検査
モードと選択したコンタクトプラグの種類とに基づい
て、選択したコンタクトプラグが検査対象となり得るか
について判断する。すなわち、例えばオープン検査にお
いてはコンタクトプラグ１９３は上述したように測定は
有意でないと判断されるので、検査対象となり得ない。
検査対象となり得ないコンタクトプラグに対して検査を
施すことは無駄であるので、選択したコンタクトプラグ
が検査対象となり得ない場合は、表示部２８を介して操
作者に知らせ、ステップＳ４の操作を繰り返して他のコ
ンタクトプラグを選択させるようにする。なお、選択し
たコンタクトプラグが検査対象となり得る場合は次のス
テップに進む（ステップＳ５）。

【００５５】なお、以下、選択した１種類のコンタクト
プラグについて検査する場合の説明を行うが、複数種類
のコンタクトプラグについて検査するのであれば、ステ
ップＳ６以下の動作を繰り返して行うことになる。

【００５６】ステップＳ６では、ステップＳ２において
分類されて表示部２８に表示されたコンタクトプラグの
うちから、検査対象となり得るコンタクトプラグを表示
する。

【００５７】次に、表示部２８に表示された検査対象と
なり得るコンタクトプラグのうちから、検査ポイントを
抽出するための方法を選択する（ステップＳ７）。すな
わち、半導体装置においては、同種類のコンタクトプラ
グを複数有している。従って、全てのコンタクトプラグ
を検査することはできず、サンプルを抽出して検査する
ことになる。その抽出方法を決めるのがステップＳ６で
ある。

【００５８】抽出方法の例として以下に２つの方法を示
す。その第１は、表示部２８に表示された検査対象とな
り得るコンタクトプラグのうちから、操作者がマニュア
ルで抽出する方法であり、第２は、検査対象となり得る
コンタクトプラグのうちから制御部２４が自動的にラン
ダムに抽出する方法である。この場合、操作者はサンプ
ル個数を設定するだけで済み、偏りのないサンプル抽出
を行うことができる。すなわち、ステップＳ６では、マ
ニュアル抽出か自動ランダム抽出かを選択する。

【００５９】次に、図８に示すステップＳ８において、
ステップＳ７で抽出した検査ポイントのコンタクトプラ
グのレイアウト座標と検査ステージのステージ座標とを
リンクさせ、カンチレバーの位置に検査ポイントが到達
するように自動的にステージを移動する。これにより、
カンチレバーを検査ポイント上に容易に配置することが
できる。

【００６０】次に、コンダクティングＡＦＭをＡＦＭと
して動作させ、カンチレバーをスキャンさせてＡＦＭ画
像を取得する（ステップＳ９）。なお、この動作はコン
ダクティングＡＦＭに備わる機能を使用し、検査装置１
００の制御部２４が、コンダクティングＡＦＭの制御系
と連携してコンダクティングＡＦＭを操作する。なお、
ＡＦＭ画像に関するデータはコンダクティングＡＦＭか
ら検査装置１００のデータ処理部２７に与えられる。

【００６１】次に、データ処理部２７において、得られ
たＡＦＭ画像を画像認識処理し、情報記憶部２１に記憶
されたコンタクトプラグのレイアウト情報と比較して、
検査ステージ移動の際の誤差による位置ずれを自動補正
する。このようにすることで、測定ポイントの正確なス
キャンが可能となる（ステップＳ１０）。

【００６２】次に、検査ポイントにおけるコンタクトプ
ラグ上にカンチレバーを接触させ、ステージおよびカン
チレバー駆動制御部２５からの制御でスキャンさせつ
つ、カンチレバーに流れる電流値をデータ取得部２６で
取得する（ステップＳ１１）。

【００６３】そして、ステップＳ７で抽出した全ての検
査ポイントのコンタクトプラグについて測定を終了した
か否かの確認を制御部２４で行い（ステップＳ１２）、
全ての測定を終了した場合には次のステップに進み、検
査ポイントが残っている場合には、ステップＳ８以下の
動作を繰り返す。

【００６４】次に、データ処理部２７において、各検査
ポイントで取得した電流値を集計し、電流値のヒストグ
ラムや、平均値、最大値、最小値等を算出して表示部２
８に表示する（ステップＳ１３）。このような処理によ
り、各検査ポイントにおける、電流値のばらつき等を把
握することができる。

【００６５】そして、データ処理部２７では、例えば、
電流値のヒストグラムから、各検査ポイントにおける正
常電流値および異常電流値の分布を得ることができ、こ
れを、不具合の原因を推定する際に役立てることができ
る。また、このデータに基づいて、導通不良、あるいは
ＰＮ接合不良を判定するしきい値を設定する（ステップ
Ｓ１４）。

【００６６】ここで上記しきい値の一例を示す。導通検
査においては、しきい値を例えば５０ｐＡに設定し、５
０ｐＡ以上であれば、導通良好（ＯＫ）、５０ｐＡ未満
であれば、導通不良（ＮＧ）と判定する。また、リーク
検査においては、コンタクトプラグ１９２および１９４
の場合は、しきい値を例えば１０ｐＡに設定し、１０ｐ
Ａ未満であれば、接合良好（ＯＫ）、１０ｐＡ以上であ
れば、接合不良（ＮＧ）と判定する。また、コンタクト
プラグ１９３の場合は、しきい値を例えば−１０ｐＡに
設定し、−１０ｐＡ以上（絶対値で表現すれば絶対値１
０ｐＡ未満）であれば、接合良好（ＯＫ）、−１０ｐＡ
未満（絶対値で表現すれば絶対値１０ｐＡ以上）であれ
ば、接合不良（ＮＧ）と判定する。

【００６７】その後、得られた判定結果に基づいて、Ｏ
ＫのコンタクトプラグとＮＧのコンタクトプラグとを表
示部２８上で色分けして表示する（ステップＳ１５）。
この処理により、例えばコンタクト深さと導通不良コン
タクトプラグとの関係など、不良コンタクトのレイアウ
ト依存性等を把握することができる。

【００６８】また、得られた判定結果に基づいて、ＮＧ
のコンタクトプラグの個数および割合を表示部２８上に
表示する（ステップＳ１６）。この処理により、不良発
生頻度を把握することができる。

【００６９】また、ステップＳ１０で画像認識処理した
ＡＦＭ画像から、各検査ポイントのコンタクトプラグの
直径および面積を測定しておく（ステップＳ１７）。そ
して、各検査ポイントで取得した電流値との関係をデー
タ処理部２７で処理し、相関図として表示部２８上に表
示する（ステップＳ１８）。この処理により、導通不良
コンタクトプラグとコンタクトプラグの平面形状との因
果関係を把握することができる。

【００７０】なお、半導体基板上には同じ半導体装置が
複数形成されるが、それらの全てについて検査を行うこ
とはできず、検査対象を限定することになるが、検査対
象となった半導体装置に対しては、上述したステップＳ
７で決定した検査ポイントと同じ検査ポイントでの測定
を行えば良い。もちろん、半導体装置ごとに、検査ポイ
ントを変えても良いことは言うまでもない。

【００７１】＜Ｃ．検査装置の実現例＞以上説明した、
実施の形態に係る検査装置１００の実現にあたっては、
例えば図９に示すようなコンピュータシステムを利用す
れば良い。

【００７２】すなわち、図６に示す検査装置１００の各
構成のうち、カンチレバーや電流計を含むデータ取得部
２６および電圧発生部２９は専用の機器が必要となる
が、その他の構成は、図９に示すコンピュータ本体１０
１、ディスプレイ装置１０２、磁気テープ１０４が装着
される磁気テープ装置１０３、キーボード１０５、マウ
ス１０６、ＣＤ−ＲＯＭ（Compact DISC-READ ONLY MEM
ORY）１０８が装着されるＣＤ−ＲＯＭ装置１０７、お
よび通信モデム１０９を備えたコンピュータシステムで
実現可能である。

【００７３】情報処理部２２、制御部２４、ステージお
よびカンチレバー駆動制御部２５およびデータ処理部２
７の機能は、コンピュータプログラム（検査方法プログ
ラム）をコンピュータ上で実行することにより実現する
ことができ、その場合は当該プログラムは磁気テープ１
０４あるいはＣＤ−ＲＯＭ１０８等の記録媒体によって
供給される。また、当プログラムは信号の形態で通信路
上を伝搬させ、また、さらに記録媒体にダウンロードさ
せることができる。

【００７４】検査方法プログラムはコンピュータ本体１
０１で実行され、操作者は表示部２８に相当するディス
プレイ装置１０２を見ながら、外部操作部２３に相当す
るキーボード１０５またはマウス１０６を操作すること
によって検査を行うことができる。

【００７５】また、検査方法プログラムは、他のコンピ
ュータから通信回線を経由して通信モデム１０９を介し
てコンピュータ本体１０１に供給するようにしても良
い。

【００７６】図１０に、図９に示すコンピュータシステ
ムの構成をブロック図として示す。図９に示したコンピ
ュータ本体１０１は、ＣＰＵ（CENTRAL PROCESSING UNI
T）２００、ＲＯＭ（READ ONLY MEMORY）２０１、ＲＡ
Ｍ（RANDOM ACCESS MEMORY）２０２、およびハードディ
スク２０３を有している。

【００７７】ＣＰＵ２００は、ディスプレイ装置１０
２、磁気テープ装置１０３、キーボード１０５、マウス
１０６、ＣＤ−ＲＯＭ装置１０７、通信モデム１０９、
ＲＯＭ２０１、ＲＡＭ２０２、ハードディスク２０３と
の間でデータを入出力しながら処理を行う。

【００７８】磁気テープ１０４あるいはＣＤ−ＲＯＭ１
０８に記録された検査方法プログラムは、ＣＰＵ２００
によって一旦、ハードディスク２０３に格納される。Ｃ
ＰＵ２００はハードディスク２０３から適宜、検査方法
プログラムをＲＡＭ２０２にロードして実行することで
検査を実行する。

【００７９】なお、検査装置１００における情報記憶部
２１は、ＲＡＭ２０２のプログラム記憶領域以外の部分
を用いても良いし、ハードディスク２０３に記憶させる
ようにしても良い。

【００８０】以上説明したコンピュータシステムは一例
であり、検査方法プログラムを実行できるのであればこ
れに限定されるものではなく、記録媒体としても磁気テ
ープ１０４やＣＤ−ＲＯＭ１０８に限定されるものでは
ない。

【００８１】そして、以上説明したコンピュータシステ
ムをコンダクティングＡＦＭの制御系と接続し、カンチ
レバーや検査ステージを操作可能とすることで、検査装
置１００を実現できる。なお、ステージおよびカンチレ
バー駆動制御部２５はコンダクティングＡＦＭに備えら
れた駆動制御システムを用いても良く、その場合は制御
部２４を当該駆動制御システムに接続することになる。

【００８２】

【発明の効果】本発明に係る請求項１記載の半導体装置
の検査方法によれば、コンタクトプラグの一端が層間絶
縁膜の表面に露出した状態の製造工程中の半導体装置に
対して、コンダクティング原子間力顕微鏡のカンチレバ
ーと半導体基板との間にバイアス電圧を印加、しコンダ
クティング原子間力顕微鏡のカンチレバーをコンタクト
プラグに接触させて電流を検出し、検出した電流に基づ
いて半導体装置の電気的特性を判定するので、インライ
ン検査で電気的な不具合を検出可能とし、また従来の故
障診断技術では必要であった測定用の配線や電極の配設
を不要にして簡便な検査を実現できる。

【００８３】本発明に係る請求項２記載の半導体装置の
検査方法によれば、接合構造に対して順方向となるよう
にバイアス電圧を印加することで、接合構造に接続され
たコンタクトプラグが正常に形成されている場合には大
きな電流が流れるので、選択したコンタクトプラグの導
通の良否を確実に検査できる。

【００８４】本発明に係る請求項３記載の半導体装置の
検査方法によれば、接合構造に対して逆方向となるよう
にバイアス電圧を印加することで、接合構造のＰＮ接合
が正常に形成されている場合には電流が殆ど流れないの
で、選択したコンタクトプラグに接続される接合構造の
良否を確実に検査できる。

【００８５】本発明に係る請求項４記載の半導体装置の
検査方法によれば、半導体基板内の接合構造を調査し、
調査結果に基づいて電圧条件を設定し、設定した電圧条
件下で、電流を検出することが有意であるかについて判
定するので、例えば、構造上電流測定が不可能な接合構
造に接続されるコンタクトプラグに対してまで検査を施
すことが防止され、効率的な検査を実施できる。

【００８６】本発明に係る請求項５記載の半導体装置の
検査方法によれば、同種の接合構造に接続されるプラグ
は同種のプラグとして分類し、分類に基づいて電圧条件
を設定するので、例えば同種のコンタクトプラグのみを
ディスプレイに表示させることが可能となり、使用者の
便宜を図ることができる。

【００８７】本発明に係る請求項６記載の半導体装置の
検査方法によれば、コンタクトプラグの導通の良否の検
査、およびＰＮ接合部での電流リークの有無の検査に合
わせてバイアス電圧の極性を変えるので、何れの検査で
も確実に行うことができる。

【００８８】本発明に係る請求項７記載の半導体装置の
検査方法によれば、ＡＦＭ画像に基づいて検査ステージ
を移動に起因するカンチレバーの位置ずれを補正できる
ので、カンチレバーを正確にコンタクトプラグ上に位置
させることができる。

【００８９】本発明に係る請求項８記載の半導体装置の
検査方法によれば、複数のコンタクトプラグのそれぞれ
から検出した電流値に基づいて、所定のしきい値を決定
するので、適正なしきい値を得ることができる。

【００９０】本発明に係る請求項９記載の半導体装置の
検査方法によれば、複数のコンタクトプラグのそれぞれ
から検出した電流値をヒストグラム処理するので、電流
値のばらつき等を把握でき、また、不具合の原因を推定
する際に、正常電流値および異常電流値の分布等を役立
てることができる。

【００９１】本発明に係る請求項１０記載のプログラム
によれば、本プログラムを実行することで、インライン
検査で電気的な不具合を検出可能とし、また従来の故障
診断技術では必要であった測定用の配線や電極の配設を
不要にして簡便な検査を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 コンダクティングＡＦＭを用いてコンタクト
部の導通特性を測定する場合の概略構成を示す図であ
る。

【図２】 コンタクトプラグの導通特性を示す図であ
る。

【図３】 コンダクティングＡＦＭを用いてコンタクト
部のリーク特性を測定する場合の概略構成を示す図であ
る。

【図４】 コンタクトプラグのリーク特性を示す図であ
る。

【図５】 実際の半導体装置に含まれる接合構造の一例
を示す図である。

【図６】 本発明に係る半導体装置の検査方法を実現す
る構成を示す図である。

【図７】 本発明に係る半導体装置の検査方法を説明す
るフローチャートである。

【図８】 本発明に係る半導体装置の検査方法を説明す
るフローチャートである。

【図９】 本発明に係る半導体装置の検査方法を実行す
るコンピュータシステムの外観図である。

【図１０】 本発明に係る半導体装置の検査方法を実行
するコンピュータシステムの構成を示す図である。

【符号の説明】

３ カンチレバー、９ コンタクトプラグ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 今井 ゆかり 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 筒井 俊和 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 Ｆターム(参考） 2G132 AA00 AC03 AD01 AF02 AG00 AL00 4M106 AD30 BA01 BA14 CA01 CA15 CB07 DB04 DH04 DH50 DJ04 DJ18 DJ20 DJ21

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板の主面表面内に配設された半
   導体領域と、前記半導体基板の前記主面上に配設された
   層間絶縁膜を貫通して前記半導体領域に接触する複数の
   コンタクトプラグとを有する半導体装置の検査方法であ
   って、 前記複数のコンタクトプラグの一端が前記層間絶縁膜の
   表面に露出した状態の製造工程中の前記半導体装置を、
   コンダクティング原子間力顕微鏡の検査ステージに載置
   した後、 (ａ)前記コンダクティング原子間力顕微鏡のカンチレバ
   ーと前記半導体基板との間にバイアス電圧を印加し、前
   記カンチレバーを前記複数のコンタクトプラグのうち選
   択した１のコンタクトプラグに接触させた状態でスキャ
   ンして、前記カンチレバーに流れる電流を検出するステ
   ップと、 (ｂ)前記複数のコンタクトプラグに対して前記ステップ
   (ａ)を実施した後、検出した電流値を所定のしきい値と
   比較し、前記半導体装置の電気的特性を判定するステッ
   プと、を備える半導体装置の検査方法。
2. 【請求項２】 前記ステップ(ａ)は、 前記半導体領域が他の半導体領域と接合構造を構成する
   場合には、前記接合構造に対して順方向となるように前
   記バイアス電圧を印加するステップを含み、 前記ステップ(ｂ)は、 前記複数のコンタクトプラグの導通の良否を判定するス
   テップを含み、検出した前記電流値が、前記所定のしき
   い値以上であれば、導通良好と判定する、請求項１記載
   の半導体装置の検査方法。
3. 【請求項３】 前記ステップ(ａ)は、 前記半導体領域が他の半導体領域と接合構造を構成する
   場合には、前記接合構造に対して逆方向となるように前
   記バイアス電圧を印加するステップを含み、 前記ステップ(ｂ)は、 前記半導体基板内のＰＮ接合部での電流リークの有無を
   判定するステップを含み、検出した前記電流値の絶対値
   が、前記所定のしきい値未満であれば、前記ＰＮ接合で
   の電流リーク無しと判定する、請求項１記載の半導体装
   置の検査方法。
4. 【請求項４】 前記ステップ(ａ)に先だって、 前記複数のコンタクトプラグのレイアウト情報および不
   純物注入のための注入マスクのレイアウト情報に基づい
   て、前記半導体基板内の接合構造を調査するステップを
   さらに備え、 前記ステップ(ａ)は、 前記調査結果に基づいて、前記バイアス電圧の極性およ
   び電圧値を設定するとともに、設定した前記電圧条件下
   で、前記カンチレバーでの前記電流の検出が有意である
   かについて判定するステップを含み、有意である場合に
   は、設定した前記電圧条件下での電流検出を実行する、
   請求項１記載の半導体装置の検査方法。
5. 【請求項５】 前記ステップ(ａ)は、 前記調査結果に基づいて、同種の接合構造に接続される
   プラグは同種のプラグとして前記複数のコンタクトプラ
   グを分類し、該分類に基づいて前記電圧条件を設定する
   ステップを含む、請求項４記載の半導体装置の検査方
   法。
6. 【請求項６】 前記ステップ(ａ)は、 前記複数のコンタクトプラグの導通の良否の検査、およ
   び前記半導体基板内のＰＮ接合部での電流リークの有無
   の検査の何れを行うかで、前記バイアス電圧の極性を変
   えるステップを含む、請求項４記載の半導体装置の検査
   方法。
7. 【請求項７】 前記ステップ(ａ)は、 前記カンチレバーに流れる前記電流の検出に先だって、
   前記複数のコンタクトプラグのレイアウト情報に基づい
   て、前記検査ステージを移動し、前記選択したコンタク
   トプラグを前記カンチレバーの下部に配置するステップ
   と、 前記コンダクティング原子間力顕微鏡の前記カンチレバ
   ーのスキャンにより、前記選択したコンタクトプラグの
   端面部分のＡＦＭ画像を取得するステップと、 前記ＡＦＭ画像に基づいて前記カンチレバーの位置ずれ
   を補正するステップとを含む、請求項４記載の半導体装
   置の検査方法。
8. 【請求項８】 前記ステップ(ｂ)は、 前記複数のコンタクトプラグのそれぞれから検出した前
   記電流値に基づいて、前記所定のしきい値を決定するス
   テップを含む、請求項４記載の半導体装置の検査方法。
9. 【請求項９】 前記ステップ(ｂ)は、 前記複数のコンタクトプラグのそれぞれから検出した前
   記電流値をヒストグラム処理するステップを含む、請求
   項４記載の半導体装置の検査方法。
10. 【請求項１０】 請求項１または請求項４に記載の半導
    体装置の検査方法をコンピュータに実行させるためのプ
    ログラム。