JP2003124280A

JP2003124280A - 半導体装置の検査方法及び検査装置

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Publication number: JP2003124280A
Application number: JP2001319249A
Authority: JP
Inventors: Yoichiro Neo; 陽一郎根尾; Mari Nozoe; 真理野副
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2001-10-17
Filing date: 2001-10-17
Publication date: 2003-04-25
Anticipated expiration: 2021-10-17
Also published as: JP3859480B2; US6859060B2; US20030071646A1

Abstract

(57)【要約】【課題】従来技術では検査が不可能であった工程途中の
ウエハで早期に検査することを可能にし、問題点を正確
に即座に把握でき、製造プロセスにいち早く対策処理を
講ずることができる半導体装置の検査技術を提供する。【解決手段】工程途中のウエハに対して、接合が逆バイ
アスになる条件で、所定の間隔で複数回電子ビームを照
射し、ｐｎ接合の逆バイアス帯電位の緩和時間特性を二
次電子信号をモニタすることにより評価する。その結
果、ｐｎ接合は間欠時間内に逆バイアス電流の大小に応
じ帯電位が緩和するので、電位コントラスト像の輝度信
号から逆バイアス電流を特定できる。本検査法を実施
し、輝度信号を記憶する動作を順次繰り返すことによ
り、指定領域の自動検査を実施できる。ウェハ面内の画
像、明るさ分布等の情報は、検査後自動的に保存・出力
される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置製造ラ
インにおける検査技術に係り、特に、接合を有する半導
体装置の製造ラインにおける検査技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子製造過程において、電子線を
用いてｐｎ接合に関する接続状態のオープン/ショー
ト、ｐｎ接合に関するコンタクトホールの開口/非開口
を検査する方法としては以下に示すものが開示されてい
る。

【０００３】特開平４−１５１８４６号公報には、ｐｎ
接合の接続部のオープン/ショート欠陥を電位コントラ
スト像から求めることが開示されている。

【０００４】特開平１１−１２１５６１号公報には、ｐ
ｎ接続部のコンタクト部分の開放欠陥/短絡欠陥を電位
コントラスト像から求められることが開示されている。

【０００５】特開２０００−２０８５７９号公報には、
ｐ拡散層、ｎ拡散層上部に形成されたコンタクトホール
の電気的接続性を電位コントラスト像から求められるこ
とが開示されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】半導体装置製造の前工
程の途中段階においてｐｎ接合部の電気的特性を測定す
ることが半導体装置メーカーから要求されていた。しか
し、これに対する解決策については、上述した従来の技
術では何ら提案されていなかった。

【０００７】また、複数のプロセスを経て製造される前
工程プロセスでの、プロセスに基因するプロセス変動を
早期に検出して制御することについて、上述した従来の
技術では提案されていなかった。

【０００８】そこで、本発明の目的は、半導体装置製造
の前工程の途中段階で半導体ウエハを早期に検査するこ
とを可能にし、問題点を正確に即座に把握し、また製造
プロセスにいち早く対策処理を講ずることを可能にする
半導体装置の検査技術を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、ｐｎ接合形成
後に得られる電位コントラスト信号がｐｎ接合の逆バイ
アス電流に基因して信号強度が変化することに着目し、
電位コントラスト信号から逆バイアス電流を特定するこ
とが出来る手法を見出し、この手法を用いた製造装置の
条件適否の判定に用いられることを可能にした。

【００１０】すなわち、工程途中段階においてｐｎ接合
が形成された半導体ウエハ表面に対して、接合が逆バイ
アスになる条件で、所定の時間間隔で複数回電子ビーム
を照射し、発生した二次電子信号を検出して画像化しモ
ニタすることによりｐｎ接合の逆バイアス帯電位の緩和
時間特性を評価する。その結果、ｐｎ接合は間欠時間内
に逆バイアス電流の大小に応じ帯電位が緩和するので、
画像情報から二次電子信号量に相関のある輝度信号、即
ち電位コントラスト信号から逆バイアス電流を特定でき
る。

【００１１】また、本発明は、プロセスの良否判定を行
う上で、半導体素子製造過程ではプロセスの調整程度に
より生産される素子に特性のばらつきが発生することに
注目し、このばらつきを製造工程の早い段階で得られる
ことが出来る手法を見い出したものである。すなわち、
非接触でウエハ内のチップに電子ビームを照射し得られ
る二次電子像のコントラスト分布を用いて接合の特性と
なる逆バイアス電流を特定することによりプロセスの良
否を判別する。

【００１２】本発明は、さらに複数プロセス中から製造
条件をパラメータとして変更し、プロセスの最適条件を
特定する。

【００１３】以下、本発明による半導体装置の検査方法
および検査装置について代表的な構成例を挙げる。

【００１４】本発明は、回路パターンが形成された半導
体装置の基板表面に一次荷電粒子ビームを所定の間隔で
複数回照射する工程と、一次荷電粒子ビームの照射によ
り前記基板から二次的に発生する電子信号を検出する工
程と、検出された前記電子信号を画像化して表示する工
程と、表示された前記画像の情報から電位コントラスト
信号を抽出する工程と、前記電位コントラスト信号から
半導体装置の電気的特性を特定する工程とを有してなる
ことを特徴とする。さらに、前記構成において、前記電
位コントラスト信号から半導体装置の逆バイアス電流を
特定する工程を含み、前記逆バイアス電流から前記半導
体装置の電気的特性を特定するよう構成したことを特徴
とする。

【００１５】また、本発明は、前工程途中の段階におい
て回路パターンが形成された半導体装置の基板表面に一
次荷電粒子ビームを所定の間隔で複数回照射する工程
と、一次荷電粒子ビームの照射により前記基板から二次
的に発生する信号を検出する工程と、検出された前記信
号を画像化して表示する工程と、表示された前記画像の
情報から電位コントラスト信号を抽出し、電位コントラ
スト信号分布の標本平均および分散を求める工程と、前
記電位コントラスト信号から半導体装置の電気的特性を
特定する工程とを有してなることを特徴とする。さら
に、前記構成において、前記電位コントラスト信号分布
を前記基板中の複数箇所から抽出して求め、前記電位コ
ントラスト信号分布から半導体装置の逆バイアス電流分
布を特定する工程を含み、前記逆バイアス電流分布から
前記半導体装置の電気的特性を特定するよう構成したこ
とを特徴とする。

【００１６】また、本発明は、接合形成された回路パタ
ーンを有する半導体ウエハ表面に対して、前記接合が逆
バイアスになる条件で電子ビームを所定の間隔で複数回
照射する工程と、前記電子ビームの照射により前記ウエ
ハから発生する二次電子信号を検出する工程と、検出さ
れた前記二次電子信号を画像化して表示する工程と、表
示された前記画像の情報から電位コントラスト信号を抽
出する工程と、前記電位コントラスト信号から前記接合
の逆バイアス電流を特定する工程と、前記逆バイアス電
流から半導体装置の電気的特性を特定する工程とを有し
てなることを特徴とする。さらに、前記構成において、
前記電位コントラスト信号を前記半導体ウエハ中の複数
箇所から抽出して、電位コントラスト信号分布を求める
工程と、前記電位コントラスト分布から前記接合の逆バ
イアス電流分布を特定する工程とを含み、前記逆バイア
ス電流に基づき半導体装置の電気的特性を特定するよう
構成したことを特徴とする。

【００１７】さらに、本発明は、前工程途中段階におい
て回路パターンが形成された半導体装置の基板表面に一
次荷電粒子ビームを所定の時間間隔で複数回照射する工
程と、一次荷電粒子ビームの照射により前記基板表面か
ら二次的に発生する電子信号を検出する工程と、検出さ
れた前記電子信号を画像化して表示する工程と、表示さ
れた前記画像の情報から電位コントラスト信号を抽出
し、電位コントラスト信号分布を求める工程とを有して
なり、かつ、電気的特性が既知である半導体装置の電位
コントラスト信号分布を用いて、前記半導体装置の逆バ
イアス電流分布を特定し、前記半導体装置の電気的特性
を特定するよう構成したことを特徴とする。

【００１８】さらにまた、本発明は、電子源と、接合形
成された回路パターンを有する半導体装置の基板上に電
子ビームを照射するための電子ビーム照射系と、前記基
板を載置するための試料台と、電子ビームを前記基板に
照射して二次的に発生する電子信号を検出するための検
出器と、検出された前記電子信号を画像化し表示する表
示手段と、前記基板上に電子ビームを所定の間隔で複数
回照射するよう制御する制御手段と、表示された前記画
像の情報から電位コントラスト信号を抽出し、前記電位
コントラスト信号から半導体装置の逆バイアス電流を特
定する信号処理手段とを有し、前記逆バイアス電流から
半導体装置の電気的特性を特定するよう構成したことを
特徴とする半導体装置の検査装置を提供する。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例について、
図面を参照しながら詳細に説明する。

【００２０】（実施例１）本実施例では、製造工程途中
の半導体ウエハにおいて、逆バイアス電流を検査する検
査方法および検査装置について記載する。

【００２１】まず、本実施例における半導体装置の検査
装置の構成を図１に示す。半導体装置の検査装置１は、
電子ビーム照射系２、ステージ機構系３、ウエハ搬送系
４、真空排気系５、光学顕微鏡６、制御系７、操作部８
より構成されている。

【００２２】電子ビーム照射系２は、電子銃９、コンデ
ンサレンズ１０、対物レンズ１１、検出器１２、ブラン
キング制御電極１３、偏向器１４、ウエハ高さ検出器１
５より構成されている。

【００２３】ステージ機構系３は、ＸＹステージ１６お
よびウエハを載置するためのホルダ１７（試料台）、ホ
ルダ１７およびウエハ１８に負の電圧を印加するための
リターディング電源１９より構成されている。ＸＹステ
ージ１６には、レーザ測長による位置検出器が取り付け
られている。

【００２４】ウエハ搬送系４は、カセット載置部２０と
ウエハローダ２１より構成されており、ウエハホルダ１
７はウエハ１８を載置した状態でローダ２１とＸＹステ
ージ１６を行き来するようになっている。

【００２５】制御系７は、信号検出系制御部２２、ビー
ム偏向補正制御部２３、ブランキング制御部２４、電子
光学系制御部２５、ウエハ高さセンサ検出系２６、機構
・ステージ制御部２７より構成されている。

【００２６】操作部８は、信号処理手段として、操作画
面および操作部２８、画像処理部２９、画像・検査デー
タ保存部３０、外部サーバ３１からのデータ授受を行う
データ入力部３２、データ変換部３３より構成されてい
る。

【００２７】図１における電子ビーム照射系２の拡大図
を、図２に示す。電子ビーム３４は、ブランキング制御
電極１３によって、試料ウエハ１８に照射するタイミン
グを制御され、かつ試料ウエハ１８に照射する際には偏
向器１４によって走査スピードおよび走査領域３５を制
御され、走査のスピードに応じて検出器１２に信号が検
出される。次に、逆バイアス電流を評価するための検査
方法について、以下に詳細に説明する。

【００２８】図３に、電子ビーム３４をウエハに照射し
た場合の作用の概念図を示す。試料の構造は、基板３６
上に素子分離層３７が形成されており、この素子分離層
３７により各トランジスタは分離されている。トランジ
スタ部は、プラグ３８を埋め込まれた穴パターンが存在
し、基板３６とプラグ３８は導通しているが、プラグパ
ターンは層間絶縁膜３９で囲われている構造となってい
る。そして、プラグ３８直下の基板部に、ｐｎ接合４０
が形成されている。本実施例では、基板はｐ型基板を用
い、プラグ埋め込み材料としてはｎ型イオンをドープし
たポリシリコン膜を用いた。

【００２９】このような試料に電子ビーム３４を入射す
る。ここで、電子ビームの照射エネルギーは、プラグ３
８部の二次電子放出効率が１より大きい条件を選択す
る。本実施例では、照射エネルギーを５００ｅＶに設定
した。また、電子ビーム電流は５００ｐＡに設定し、ビ
ームの走査速度および信号のサンプリングクロックは１
００ＭＨｚに設定した。これらの照射条件は、指定範囲
内で任意に設定可能である。例えば、電子ビーム電流は
１０ｐＡから要求される分解能と電子ビーム量の制限で
決定される１００ｎＡの範囲で設定することが可能であ
り、サンプリングクロックは現実的な測定時間で制限さ
れる下限１００ｋＨｚから上限１００ＭＨｚの範囲で設
定可能である。

【００３０】上記の条件で試料に電子ビームを照射する
と、照射した電子ビーム３４よりも多くの二次電子４１
が発生する。その結果、プラグ３８部は正に帯電する。
プラグ３８は基板３６に導通しているが、ｐｎ接合４０
が存在し、逆バイアス状態になっているため、基板３６
からの電子の供給が極めて少ない。そのため、帯電した
電荷は時間をかけて緩和する。しかし、ｐｎ接合で逆バ
イアス電流が増大していると、基板３６から電子の供給
が比較的多くなるため、プラグ３８の正の帯電が緩和す
る時間は短くなる。この帯電緩和時間は、プラグ３８の
帯電量および逆バイアス電流量により異なる。

【００３１】図４を用いて、逆バイアス電流を特定する
ための電子ビーム照射方法を説明する。図４は、電子ビ
ームを同一トランジスタに複数回連続照射した場合の帯
電位緩和の様子を示している。検査条件としては、加速
電圧を５００Ｖ、電子ビーム電流を５ｎＡ、走査速度及
びサンプリングクロックを１００ＭＨｚに設定し、１回
のビーム照射でプラグ帯電電圧が飽和状態にならないよ
うにする。この条件で、同一トランジスタに電子ビーム
を複数回照射する。

【００３２】図４（ａ）に、電子ビームを所定の時間間
隔で複数回照射したときのプラグ帯電位変化の様子を示
す。縦軸はプラグの帯電位、横軸は時間を表している。
図中に示す、、、の順番で逆バイアス電流（図
中のリーク電流に対応）が減少している。図中のに示
すように、逆バイアス電流が大きい接合の場合には、間
欠時間内に帯電は完全に緩和するが、図中の、、
の示すように、逆バイアス電流が小さくなるに従い、帯
電は完全に緩和することなく電位は高くなる。さらに次
の電子線照射が始まるので、複数回電子線を照射するこ
とで電位はさらに上昇し、この結果プラグの帯電位は
、、、の順で高くなる。

【００３３】また、この検査条件での、、、か
ら放出される二次電子信号量の変化を図４（ｂ）に示
す。電位コントラストの効果により、のように逆バイ
アス電流量が大きい場合には、二次電子信号量は大き
く、、、と逆バイアス電流が小さくなるに従い、
二次電子信号量は小さくなる。このように逆バイアス電
流の大きさによる二次電子信号量が得られることがわか
る。

【００３４】ＤＲＡＭ（ダイナミック・ランダム・アク
セス・メモリ）のデータ保持時間を検査した例を挙げ説
明する。ＤＲＡＭの性能は、図５に示すデータ保持時間
の累積度数分布で表わされる。データ保持時間とは、電
荷蓄積容量部の帯電位がｐｎ接合での逆バイアス電流、
即ちリーク電流として緩和することにより帯電位を消失
する時間で決定される。累積度数分布は２つの成分から
なっている。リーク電流が増大してしまったビット即ち
リーク不良ビットからなる裾分布４２と平均的な電気的
特性をもつビットからなる主分布４３とにより形成され
ている。

【００３５】本発明と同一出願人による特願２０００-
１８７５１７号においてｐｎ接合部のリーク不良の検出
対象は落ちこぼれビット（リーク不良）であり、かかる
手法では主分布の特性を把握するという点については考
慮されていなかった。

【００３６】図６（ａ）に、ＤＲＡＭの電荷蓄積ビット
接合部でのリーク電流と本検査方法で得られる二次電子
信号の関係を示す。この関係よりリーク電流のある領域
で電位コントラスト信号が変化する感度領域があること
がわかる。この関係を利用することにより、検査結果か
ら得られた電位コントラスト画像からパターン毎の電位
コントラスト信号を抽出し、図６（ｂ）に示すように電
位コントラスト分布を作成出来る。

【００３７】さらに、図６（ａ）に示したリーク電流と
電位コントラスト信号の関係を用いることにより、図６
（ｃ）に示すようにリーク電流分布を特定することが出
来る。さらにはデータをセンサアンプで検知する上で許
容されている損失電荷をリーク電流分布で割ることによ
りデータ保持時間を特定することが可能となる。この結
果を図６（ｄ）に示すように累積度数表示することで、
ＤＲＡＭのデータ保持性能が容易に特定出来る。

【００３８】さらに、本実施例で説明した検査装置、検
査方法を用いて形成された電位コントラスト分布を高精
度にリーク電流分布に特定する事例を、図７に示す。電
位コントラスト信号とリーク電流信号を高精度に対応づ
けるために、リファレンスを作成する。ｐｎ接合形成時
に本検査方法を実施し、電位コントラスト分布を測定し
たウエハを製造工程に再度戻し、工程完了後電気テスト
を実施する。この結果をリファレンスとして用いる。リ
ファレンスにより高精度にリーク電流と電位コントラス
ト信号が対応づけられる。

【００３９】続いて、評価サンプルをリファレンスと同
一の検査条件で評価する。評価サンプルの電位コントラ
スト分布（図７（ａ）の４４）は、リファレンス４５に
より、リーク電流分布（図７（ｂ）の４４）に変換でき
る。このようにリファレンスを用いて電位コントラスト
信号とリーク電流は対応可能となるため、電気的特性が
未知な評価サンプルのリーク電流を特定することが出来
る。さらに、ＤＲＡＭにおいては、従来ウエハ検査を待
たなければ不可能であったデータ保持特性も容易に予測
することが出来る（図７（ｃ））。

【００４０】また、本検査法を実施し、電位コントラス
ト信号を記憶する動作を順次繰り返すことにより、指定
領域の自動検査を実施できる。ウェハ面内の画像、明る
さ分布等の情報は、検査後自動的に保存・出力される。

【００４１】（実施例２）この製造方法を半導体装置製
造過程に適応することにより、接合形成の最適条件を従
来方法より高効率に、短期間で決定することが可能とな
り、さらにリーク電流を最小にするプロセス条件を短期
間で決定できるため、半導体装置の消費電力の低減など
性能向上に効果がある。上記検査方法を半導体製造方法
に適用した場合について説明する。

【００４２】図８は、半導体製造工程のフローを示して
いる。従来方法では、着工（ステップ４６）して各種工
程を経て前工程を完成し（ステップ５０）、電気テスト
を実施（ステップ５１）してから接合プロセスの良否を
判定し、接合プロセスへ対策を行ってきた（ステップ５
４）。しかし、従来方法では接合形成工程（ステップ４
８）を通過してからフィードバックを講じる（ステップ
５４）までに１〜数ヶ月の期間を要し、例えば逆バイア
ス電流が増大していた場合にはその間製作された製品が
不良となってしまい、大量の不良品を作り込む結果とな
っていた。

【００４３】本発明の検査方法を接合形成の直後に実施
する（ステップ５２）。この結果に基づき、直前の接合
形成工程（ステップ４８）にフィードバックする（ステ
ップ５３）ことにより、従来数ヶ月を要していた対策期
間が数日に短縮されるようになり、接合プロセスの最適
化を早期に実施できるようになる。本発明の検査方法お
よび装置を適用し、短時間に効率よく正確に被検査ウエ
ハの製造プロセス条件を決定することが可能となり、そ
の結果、より適切なプロセスを製造工程に適用できるの
で製品の信頼性を向上することができる。

【００４４】第２の実施例では、第１の実施例で説明し
た検査装置、検査方法を用いて、製造プロセスの最適化
を短期間で実現し、半導体装置開発期間を短縮化した事
例を、ＤＲＡＭの開発を行った結果を用いて説明する。

【００４５】ＤＲＡＭの開発において、ｐｎ接合部での
逆バイアス電流を早期段階で評価することは開発期間を
短縮する意味で非常に効果がある。現状のプロセスの開
発は、例えばｐｎ接合の不純物プロファイルの最適条件
を決定する方法としては、例えばアニールの条件を温
度、時間をパラメータにし、複数のプロセス条件によっ
て製作されたウエハを電気的テストによって評価し、デ
ータ保持特性の最良、即ち逆バイアス電流の最も少ない
プロセスを選択する。しかし、かかる方法であると逆バ
イアス電流評価、プロセスへのフィードバックまでに
２、３ヶ月を要し、開発期間の短縮化の障害になってい
る。

【００４６】本検査方法を用いて半導体製造工程途中で
ｐｎ接合の電気的特性を測定することによりフィードバ
ックする期間が短縮でき開発の短縮化に貢献する。ＤＲ
ＡＭ開発時期のｐｎ接合形成においてアニール条件を決
定した例を示す。

【００４７】不純物打ち込み後のアニール条件を９００
℃、６０秒とした場合（条件Ａ）と、９５０℃、６０秒
とした場合（条件Ｂ）、９５０℃、３０秒（条件Ｃ）の
プロセス条件で製作されたｐｎ接合を有する半導体基板
について、同一照射条件によって本検査方法を実施し得
られた結果を〔表１〕に示す。評価したのは電位コント
ラスト信号分布の標本平均と分散の大きさである。標本
平均が大きい値ほど逆バイアス電流が増加していること
を示し、分散の値が大きいほど特性が各ビット毎でばら
ついていることを表している。

【００４８】

【表１】この結果より、条件Ｂのウエハは条件Ａと比べ電位コン
トラスト信号の標本平均が若干増加していることがわか
る。また条件Ｂのウエハは分散が大きくなり、ｐｎ接合
部の状態がウエハ面内でばらついて存在していることが
わかる。さらに条件Cにおいては、条件Ａ、Ｂと比較し
て、標本平均値が低く、さらに分散が小さくなっている
ことがわかった。この結果最適なプロセスとして条件Ｃ
を選択した。

【００４９】上記で示した事例のようにプロセス条件を
ｐｎ接合が形成された直後に評価することが可能となっ
た。本発明の検査方法を導入することで、従来半年以上
かかっていたｐｎ接合の形成プロセスの最適化決定の期
間を短縮することが可能となった。

【００５０】（実施例３）第３の実施例では、第１の実
施例で説明した検査装置、検査方法を、量産ラインの半
導体製造工程においてインラインモニタリングとして用
いプロセス管理を行った場合の結果及び効果を示す。ト
ランジスタ形成時のプロセスフローを図９に示す。

【００５１】ｐｎ接合形成後（ステップ５７）の第１コ
ンタクト形成終了時（ステップ５８）及び第２コンタク
ト形成終了時（ステップ６０）に本検査を実施すること
によりプロセス管理に効果をもち、諸処プロセスにおい
て不具合が発生したことを早急に検知することが出来、
不具合発生プロセスを容易に類推または特定することが
出来る。

【００５２】第１コンタクト形成後（ステップ５８）に
本検査方法を適応した事例をあげる。第１コンタクト形
成後に検出されるリーク電流の不具合の原因特定は非常
に困難である。ここでは不具合の発生が特徴的な分布を
とる不純物拡散について説明する。

【００５３】トランジスタ形成時にゲート材料としてポ
リシリコン以外に、アルミニウム、タングステン等金属
材料が用いられている。ゲート形成はＣＶＤ法（化学気
相堆積）が一般的である。金属膜堆積後はＲＩＥ（Reac
tive Ion Etching）等のドライエッチングによりゲート
ラインが形成される。この工程ではチャンバーに残留す
る不純物がデバイスの性能を劣化させる要因となる。具
体的な原因としては、チャンバー内の残留不純物がウエ
ハ表面に吸着し、その後の熱処理により基板内部に拡散
する。ｐｎ接合部の空乏層中に存在する不純物準位によ
り再結合電流が増加し、結果逆バイアス電流が増加す
る。ＤＲＡＭ等リーク電流を最低限に抑える必要のある
デバイスにおいては不純物準位を可能な限り低減するこ
とが求められるが、現在工程途中で走査電子顕微鏡によ
り異物混入を検査する以外に、不純物を検査する方法が
ない。不純物混入が検知されるのはウエハ検査の結果を
待たなくてはならないが、結果が出るまでに２、３ヶ月
の長時間を必要とする。この間製作された半導体装置は
全て不純物混入の欠陥を含んでおり、大量の不良を作り
込んでいた。

【００５４】以下に、本検査方法をｐｎ接合の形成直後
に行った不純物混入のインラインモニタリングの結果を
示す。図１０（ａ）に示す量産ラインにおいて、ＲＩＥ
装置メンテナンス直後の本検査結果を示す。ＤＲＡＭメ
モリビット１０００００個に対して行った検査結果の電
位コントラスト分布標本平均のウエハ面内分布を示す。
また、図１０（ｂ）にＲＩＥ稼動一ヶ月後に本検査を実
施した結果を示す。

【００５５】検査結果からメンテナンス直後は、電位コ
ントラスト信号の標本平均はウエハ面内において特徴的
な分布は確認されなかったが、図１０（ｂ）においては
同心円上に電位コントラスト信号が増大していることが
分かる。さらに、検査済みのウエハを最終工程までプロ
セスを完了しウエハ検査を行った結果を、図１０（ｃ）
に示す。累積度数表示した時の５０％を占めるリーク電
流が１E-16[Ａ]〜１E-14[Ａ]（１０^-16［Ａ］〜１０^-14
［Ａ］）まで同心円上に増加していることがわかる。

【００５６】以上より、リーク電流がウエハ検査の結果
と同様の傾向が得られることを見出した。従来、不純物
混入によるリーク電流増加の不具合は同心円上の分布を
形成することが経験的に知られており、本検査の結果は
不純物混入の典型的なウエハ検査の結果と同様の傾向を
示している。

【００５７】上述したように、電位コントラスト分布を
形成することにより容易に不具合の原因の絞り込みが可
能となる。この手法を用いることによりインラインでリ
ーク電流の増加を早い段階で検知しプロセスにフィード
バック出来ることを確認した。また、原因を特定するた
めにこのように分布の特徴を的確に把握するために上記
結果表示が必要となる。本検査方法を工程管理の手法と
して採用することにより、不良発生を早期に検知できる
ので半導体装置の生産性を高めることが出来るようにな
る。

【００５８】さらに、本実施例では、第１の実施例で説
明した検査装置、検査方法を、プロセスのインラインモ
ニタリングとして導入し、不具合の発生したプロセスを
特定した事例について説明する。

【００５９】モニタの対象としたのは、第２コンタクト
形成時（図９のステップ６０）の平坦化プロセスでの研
磨不均一の状態である。具体的には、図９に示すように
多層電極形成工程後の段階において、ｐｎ接合に接続し
た第１コンタクト（図９のステップ５８）にビットライ
ン形成後(図９のステップ５９)、第２コンタクト形成時
（図９のステップ６０）の平坦化工程である。

【００６０】コンタクト材料を平坦化する工程としては
ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polish）が用いられる。
従来ＣＭＰの研磨ムラは製造工程途中のウエハを抜き取
り検査により、ウエハ面内から５点程度の検査領域にお
いて、ＳＥＭまたはＴＥＭによる断面観察を行い膜厚を
評価している。しかしながら、断面検査をするためには
試料作成に時間がかかるためウエハ面内の検査領域を増
やすことは困難であり、また全てのウエハではなく抜き
取り検査にならざるを得ず、さらに一度検査をしたウエ
ハは工程に戻すことは不可能で廃棄処分している。

【００６１】層間絶縁膜厚が不均一な場合、ＣＭＰ工程
後に施されるアニール時は接合面の温度上昇に差が生じ
る。本検査方法をインラインモニタリングとして採用す
るにあたり、このアニール温度不均一性が接合の不純物
プロファイルに影響を及ぼすことに注目した。

【００６２】図１１（ａ）に示すのは，ウエハ面内の電
位コントラスト信号分布における標本平均のウエハ面内
分布である。この検査結果より標本平均一部領域に偏っ
たウエハ面内分布をとることがわかった。図１１（ａ）
中の７１に示す方向に複数個断面試料を作成し、断面観
察を行った結果を図１１（ｂ）に示す。この結果、層間
絶縁膜厚の変化の傾向が、標本平均の変化の傾向に一致
していることがわかった。

【００６３】以上の結果より、本検査方法を研磨不具合
の検出のインラインモニタリングに応用可能であること
が示された。しかも従来方法に比べ短時間に行えるた
め、ウエハ面内分布を容易に把握することが可能となっ
た。本検査方法はｐｎ接合のみではなく、ｐｎ接合形成
に係わりのある全てのプロセスのインラインモニタリン
グに適応可能である。

【００６４】以上のように、本発明の検査技術を用いる
ことにより、製造工程途中のウエハで自動的に高速にウ
エハ面内の逆バイアス電流特性を特定することが可能に
なる。製造工程中にインラインモニタとして本検査を実
施することにより、従来電気テストでしか評価できなか
った逆バイアス電流の変動・ばらつきを早期に検知でき
プロセスに対策ができる。また半導体装置開発において
はｐｎ接合逆バイアス電流を早期に評価できるようにな
り、接合形成プロセスの条件最適化を高効率に短期間で
実施でき、開発期間の短縮化に大きく貢献する。

【００６５】また、以上、本発明の代表的な装置の構成
および、検査方法について、具体的な検査のフローおよ
び各部の作用、検査条件を決定するためのフロー、そし
て、検査および検査条件設定方法の実施例について説明
してきたが、本発明の範囲を逸脱しない範囲で請求項目
に掲げた複数の特徴を組み合わせた検査方法および検査
装置についても可能であるさらに、上記実施例ではＤＲ
ＡＭを一例として詳述したが、本発明はかかる実施例に
限定されない。例えば、フラッシュメモリやＣＭＯＳな
ど、ｐｎ接合を有する全ての半導体装置に適応可能であ
る。また、本発明は、電子ビームのほかに、ＦＩＢ（Fo
cused Ion Beam）等のような荷電粒子ビームを用いても
適応可能である。

【００６６】

【発明の効果】本発明による検査技術を半導体プロセス
開発へ適用することにより、従来技術では検査が不可能
であった工程途中のウエハで早期に検査することを可能
にし、問題点を正確に即座に把握できるようになるの
で、新製品等の開発効率が向上し、且つ製造コストが削
減できる。

【００６７】また、製造プロセスにいち早く対策処理を
講ずることができ、その結果、半導体装置その他の基板
の不良率を低減、開発期間の短縮、生産性を高めること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による半導体検査装置の一実施例の構成
を示す図。

【図２】電子ビーム照射系を拡大した概念図。

【図３】検査対象を示す図。

【図４】（ａ）は検査時の電位変化を示す図、（ｂ）は
検査時の二次電子信号量の変化を示す図。

【図５】ＤＲＡＭのデータ保持特性を累積度数で表した
図。

【図６】（ａ）は電位コントラスト信号とリーク電流の
関係を示す図、（ｂ）は電位コントラスト像から抽出し
たコントラスト信号分布を示す図、（ｃ）はリーク電流
分布を示す図、（ｄ）はデータ保持時間特性評価結果を
示す図。

【図７】（ａ）は電位コントラスト信号分布を示す図、
（ｂ）はリーク電流分布を示す図、（ｃ）はＤＲＡＭデ
ータ保持時間測定結果を示す図。

【図８】半導体製造プロセスフローを示す図。

【図９】トランジスタ製造工程を示す図。

【図１０】（ａ）は電位コントラスト信号分布の標準平
均のウエハ面内分布を示す図、（ｂ）は電位コントラス
ト信号分布の標準平均のウエハ面内分布を示す図、
（ｃ）は電気テストの結果５０％を占めるリーク電流の
分布を示す図。

【図１１】（ａ）は電位コントラスト信号分布の標準平
均のウエハ面内分布を示す図、（ｂ）は膜厚測定結果を
示す図。

【符号の説明】

１・・・検査装置、２・・・電子光学系、３・・・ステージ系、
４・・・ウエハ搬送系、５・・・真空排気系、６・・・光学顕微
鏡、７・・・制御系、８・・・操作部、９・・・電子銃、１０・・・
コンデンサレンズ、１１・・・対物レンズ、１２・・・検出
器、１３・・・ブランキング制御電極、１４・・・偏向器、１
５・・・高さセンサ、１６・・・ＸＹステージ、１７・・・ウエ
ハホルダ、１８・・・ウエハ、１９・・・リターディング電
源、２０・・・ウエハカセット、２１・・・ウエハローダ、２
２・・・信号検出系制御部、２３・・・ブランキング制御部、
２４・・・ビーム偏向制御部、２５・・・電子光学系制御部、
２６・・・高さ検出系、２７・・・ステージ制御部、２８・・・
操作画面・操作部、２９・・・画像処理部、３０・・・データ
保持部、３１・・・外部サーバ、３２・・・データ入力部、３
３・・・データ変換部、３４・・・一次電子ビーム、３５・・・
走査領域、３６・・・基板、３７・・・素子分離、３８・・・プ
ラグ部、３９・・・層間絶縁膜、４０・・・ｐｎ接合、４１・・
・二次電子、４２・・・裾分布、４３・・・主分布、４４・・・リ
ファレンス、４５・・・評価サンプル、４６・・・インプッ
ト、４７・・・工程１、４８・・・接合形成、４９・・・n番目の
工程、５０・・・前工程完成、５１・・・電気テスト、５２・・
・リーク電流特定、５３・・・プロセスへのフィードバッ
ク、５４・・・プロセスへのフィードバック、５５・・・素子
分離形成、５６・・・ゲート形成、５７・・・ｐｎ接合形成、
５８・・・第１コンタクト形成、５９・・・ビット線形成、６
０・・・第２コンタクト形成、６１・・・ｎ番目の工程、６２
・・・前工程完成、６３・・・ＣＭＰの研磨不均一の検討（フ
ィードバック）、６４・・・電位コントラスト面内分布よ
り判断（フィードバック）、６５〜７０・・・膜厚測定
点。

フロントページの続きＦターム(参考） 2F067 AA54 BB04 CC15 HH06 HH13 JJ05 KK04 2G001 AA03 BA07 CA03 GA12 KA12 LA11 MA05 2G132 AA00 AA08 AB01 AD01 AE01 AE02 AE04 AE16 AE22 AE27 AF12 AH03 AL09 AL12 4M106 AA01 BA02 BA14 CA01 CA08 CA26 CA49 DB05 DH04 DJ20 DJ23

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】回路パターンが形成された半導体装置の基
板表面に一次荷電粒子ビームを所定の間隔で複数回照射
する工程と、一次荷電粒子ビームの照射により前記基板
から二次的に発生する電子信号を検出する工程と、検出
された前記電子信号を画像化して表示する工程と、表示
された前記画像の情報から電位コントラスト信号を抽出
する工程と、前記電位コントラスト信号から半導体装置
の電気的特性を特定する工程とを有してなることを特徴
とする半導体装置の検査方法。
【請求項２】前記電位コントラスト信号から半導体装置
の逆バイアス電流を特定する工程を含み、前記逆バイア
ス電流から前記半導体装置の電気的特性を特定するよう
構成したことを特徴とする請求項１記載の半導体装置の
検査方法。
【請求項３】前記半導体装置に形成された回路パターン
が、ｐｎ接合を有してなることを特徴とする請求項１記
載の半導体装置の検査方法。
【請求項４】前工程途中の段階において回路パターンが
形成された半導体装置の基板表面に一次荷電粒子ビーム
を所定の間隔で複数回照射する工程と、一次荷電粒子ビ
ームの照射により前記基板から二次的に発生する信号を
検出する工程と、検出された前記信号を画像化して表示
する工程と、表示された前記画像の情報から電位コント
ラスト信号を抽出し、電位コントラスト信号分布の標本
平均および分散を求める工程と、前記電位コントラスト
信号から半導体装置の電気的特性を特定する工程とを有
してなることを特徴とする半導体装置の検査方法。
【請求項５】前記電位コントラスト信号分布を前記基板
中の複数箇所から抽出して求め、前記電位コントラスト
信号分布から半導体装置の逆バイアス電流分布を特定す
る工程を含み、前記逆バイアス電流分布から前記半導体
装置の電気的特性を特定するよう構成したことを特徴と
する請求項４記載の半導体装置の検査方法。
【請求項６】前記半導体装置に形成された回路パターン
が、ｐｎ接合を有してなることを特徴とする請求項４記
載の半導体装置の検査方法。
【請求項７】接合形成された回路パターンを有する半導
体ウエハ表面に対して、前記接合が逆バイアスになる条
件で電子ビームを所定の間隔で複数回照射する工程と、
前記電子ビームの照射により前記ウエハから発生する二
次電子信号を検出する工程と、検出された前記二次電子
信号を画像化して表示する工程と、表示された前記画像
の情報から電位コントラスト信号を抽出する工程と、前
記電位コントラスト信号から前記接合の逆バイアス電流
を特定する工程と、前記逆バイアス電流から半導体装置
の電気的特性を特定する工程とを有してなることを特徴
とする半導体装置の検査方法。
【請求項８】前記電位コントラスト信号を前記半導体ウ
エハ中の複数箇所から抽出して、電位コントラスト信号
分布を求める工程と、前記電位コントラスト分布から前
記接合の逆バイアス電流分布を特定する工程とを含み、
前記逆バイアス電流に基づき半導体装置の電気的特性を
特定するよう構成したことを特徴とする請求項７記載の
半導体装置の検査方法。
【請求項９】前工程途中段階において回路パターンが形
成された半導体装置の基板表面に一次荷電粒子ビームを
所定の時間間隔で複数回照射する工程と、一次荷電粒子
ビームの照射により前記基板表面から二次的に発生する
電子信号を検出する工程と、検出された前記電子信号を
画像化して表示する工程と、表示された前記画像の情報
から電位コントラスト信号を抽出し、電位コントラスト
信号分布を求める工程とを有してなり、かつ、電気的特
性が既知である半導体装置の電位コントラスト信号分布
を用いて、前記半導体装置の逆バイアス電流分布を特定
し、前記半導体装置の電気的特性を特定するよう構成し
たことを特徴とする半導体装置の検査方法。
【請求項１０】前記半導体装置に形成された回路パター
ンが、ｐｎ接合を有してなることを特徴とする請求項９
記載の半導体装置の検査方法。
【請求項１１】電子源と、接合形成された回路パターン
を有する半導体装置の基板上に電子ビームを照射するた
めの電子ビーム照射系と、前記基板を載置するための試
料台と、電子ビームを前記基板に照射して二次的に発生
する電子信号を検出するための検出器と、検出された前
記電子信号を画像化し表示する表示手段と、前記基板上
に電子ビームを所定の間隔で複数回照射するよう制御す
る制御手段と、表示された前記画像の情報から電位コン
トラスト信号を抽出し、前記電位コントラスト信号から
半導体装置の逆バイアス電流を特定する信号処理手段と
を有し、前記逆バイアス電流から半導体装置の電気的特
性を特定するよう構成したことを特徴とする半導体装置
の検査装置。