JP2005032760A - 半導体装置の欠陥検査方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】半導体基板1000上に形成された多層配線構造に存在するボイドV等の欠陥を検査する欠陥検査方法であって、多層配線構造をなす最下層の第1層配線1121〜1124を、半導体基板1000を介して所定電圧にバイアスする。続いて、多層配線構造をなす最上層の第5層配線1521〜1524に電子ビームEBを照射する。続いて、電子ビームEBの照射に伴って半導体基板1000に発生する基板電流iKを測定する。そして、基板電流iKから層配線構造に存在する欠陥を検出する。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板上に形成された多層配線構造に存在するボイド等のプロセス上の欠陥を検査する半導体装置の欠陥検査方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体装置の微細化に伴い、製造過程において発生する各種の欠陥の存在を的確に把握する技術が要請されている。即ち、微細化に伴い、欠陥そのものも微細化されるため、光学的な手段によっては欠陥を発見することが困難になってきた。また、光学的な手段によっては、微細構造の内部に埋もれた欠陥を検査することができない。この種の欠陥としては、例えば、配線内のボイド、配線の剥がれ、ビア内のボイド、ビアと配線との界面での導通不良、異種金属間の反応により生成された異物、配線間のショートなどがある。これらの欠陥が電流経路上に存在すると、電気的特性に悪影響が及ぶことになる。このような欠陥を検出するために、製品チップと共にいわゆるTEG(Test Element Group)をウエハ上に形成し、このTEGの電気的特性を評価することにより、チップ内の集積回路を構成する実デバイスの形成状態をモニタしている。この種のTEGには、モニタの対象に応じて各種のものがあるが、多層配線間を電気的に接続するビアやコンタクトの形成状態をモニタするためのTEGとしては、例えば特開平3−36747号公報に開示された従来技術がある(特許文献1参照)。この従来技術は、ビアチェーンに関し、半導体集積回路の開発設計に必要な多層配線に関わる諸特性の測定や、生産時の多層配線形成工程でのプロセス状況を把握をするためのものであって、その電気特性を測定することにより欠陥を評価する。
【0003】
【特許文献1】
特開平3−36747号公報
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の従来技術によれば、ビアチェーンの両端がプロービングパッド等の電極に接続されていなければ評価することができず、従ってプロービングパッド等を形成する前の製造工程で微細な多層配線構造に存在する欠陥を検査することができないという問題がある。また、プロービングパッドに対してテスタ側のプローブを機械的に接触させなければならないため、テスト用のプロービングパッドを備えない実デバイス上の配線等を評価することができず、TEGを準備しなければならないという問題もある。
本発明は、上記したような従来技術が有する問題点を解決するためになされたものであり、製造工程の途中であっても、また実デバイス上であっても多層配線構造内に存在する欠陥を検査することができる半導体装置の欠陥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】
上記課題を解決するため、この発明は以下の構成を有する。
本発明に係る第1の半導体装置の欠陥検査方法は、半導体基板上に形成された多層配線構造に存在する欠陥を検査する半導体装置の欠陥検査方法であって、前記半導体基板を所定電圧にバイアスする第1のステップと、前記多層配線構造をなす最上層の配線に電子ビームを照射する第2のステップと、前記半導体基板に発生する基板電流を測定する第3のステップと、前記基板電流から前記多層配線構造に存在する欠陥を検出する第4のステップと、を含む。この構成によれば、最上層の配線に入射した電子は、各配線層間を電気的に接続するための例えばビアやコンタクトを介して半導体基板に向かって移動し、この半導体基板内に基板電流を形成する。ここで、最上層の配線と半導体基板との間の電流経路をなす上記ビアやコンタクトにボイド等の欠陥が存在すると、この欠陥が存在する部位の電気的抵抗が変化する(例えば高くなる)。この結果、最上層に入射した電子が半導体基板に向かう過程で、この電子の移動が阻害され、半導体基板内に発生する基板電流が減少する。従って、この基板電流から多層配線構造に存在する欠陥が検出される。この方法によれば、半導体装置の表面側にあたる多層配線構造の最上層の配線に電子ビームを照射し、この半導体装置の裏面側にあたる半導体基板に発生する基板電流を観測するので、電子の移動経路上に存在する欠陥を精度良く検出することができる。
【0006】
上記第1の半導体装置の欠陥検査方法において、前記第4のステップでは、例えば、最上層の複数の前記第2の配線について前記電子ビームを照射してそれぞれ測定された基板電流の差分から前記欠陥の有無を判定するようにしてもよい。また、前記第3のステップでは、例えば、前記多層配線構造が形成された前記半導体基板の温度を変化させ、該温度をパラメータとして前記基板電流を測定し、前記第4のステップでは、例えば、前記温度と前記基板電流との関係から前記欠陥を検出するようにしてもよい。さらに、前記第2のステップでは、例えば、バイナリスキャン法により前記多層配線構造を含む前記半導体基板の表面を前記電子ビームで走査するようにしてもよい。上記欠陥検査方法において、前記第3のステップでは、例えば、前記配線をスポット光で走査することにより該配線を局部的に加熱しながら前記基板電流を測定するようにしてもよい。また、前記第2のステップでは、前記電子ビームをパルス状に変調して照射し、前記第4のステップでは、前記パルス状の電子ビームの照射に対する前記基板電流の応答特性から前記欠陥を検出するようにしてもよい。
【0007】
本発明に係る第2の半導体装置の欠陥検査方法は、半導体基板上に形成された多層配線構造に存在する欠陥を検査する半導体装置の欠陥検査方法であって、前記半導体基板を所定電圧にバイアスする第1のステップと、前記多層配線構造をなす最上層の配線を電子ビームで走査する第2のステップと、前記半導体基板に発生する基板電流を測定する第3のステップと、前記電子ビームの走査位置と前記基板電流との関係から前記多層配線構造に存在する欠陥を検出する第4のステップと、を含む。上記第3の半導体装置の欠陥検査方法において、前記第4のステップでは、例えば、前記走査位置に対する前記基板電流の変化の傾きから前記欠陥の位置を特定するようにしてもよい。また、前記第3のステップでは、例えば、前記多層配線構造が形成された半導体基板の温度を変化させ、該温度をパラメータとして前記基板電流を測定し、前記第4のステップでは、例えば、前記温度をパラメータとして前記電子ビームの走査位置と前記基板電流との関係から前記欠陥を検出するようにしてもよい。
【0008】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。
図1は、第1の実施形態に係る欠陥検出方法が適用される被検査対象の半導体装置の部分断面図である。この半導体装置は、5層配線構造(多層配線構造)を有するものであって、同図に示すように、p型半導体基板1000上には、第1層絶縁膜1100、第2層絶縁膜1200、第3層絶縁膜1300、第4層絶縁膜1400、第5層絶縁膜1500が積層されている。また、第1層絶縁層1100から第5層絶縁層1500には、第1層配線1121〜1124、第2層配線1221〜1224、第3層配線1321〜1324、第4層配線1421〜1424、および第5層配線1521〜1524がそれぞれ形成されている。ここで、最上層の第5層配線1521から最下層の第1層配線1121まではビアを介して互いに接続され、第1層配線1121は、コンタクトを介して、p型半導体基板1000の表面に島状に形成された高濃度のn型不純物拡散層1010と接続されている。このn型不純物拡散層1010は、MOSトランジスタのソース・ドレインに対応するものである。もちろん、n型不純物拡散層1010に代えてp型不純物拡散層を用いても良い。これら第1層配線1121から第5層配線1521と、各層を接続するためのビアおよびコンタクトと、n型不純物拡散層1010は配線パターンHP1を形成している。配線パターンHP1と同様に、第1層配線1122〜1124から第5層配線1522〜1524と、各層を接続するためのビアおよびコンタクトは、配線パターンHP1〜HP4を形成している。図1に示す例では、配線パターンHP2の第3層配線1322と第4層配線1422とを接続するビアに、電気的導通を阻害する原因となる欠陥の一種であるボイドVが存在しており、このため、これら配線間の電気的抵抗が上昇した状態となっている。
【0009】
図1に示す配線パターンHP1〜HP4をなす各配線層は、同一層内では互いに分離されており、上下関係にある他の配線層とはビアを介してのみ接続されている。従って、配線パターンHP1〜HP4によって形成される第5層配線1521〜1524からn型不純物拡散層1010に至る各電流経路は互いに独立したものとなっている。また、図1において、半導体基板1000の裏面に形成されるいわゆる自然酸化膜は研磨により剥離されており、この自然酸化膜が剥離された状態で、半導体基板1000の裏面に電極10が取り付けられている。電極10は、半導体基板1000を載置するためのステージ(図示なし)の表面に設けられている。この電極10と接地との間には電圧源20が接続され、この電圧源20により電極10が所定の正電圧にバイアスされるようになっている。電圧源20と接地との間には電流計30が接続され、これにより、半導体基板1000に発生する基板電流iKを測定することが可能となっている。
【0010】
次に、本実施形態による半導体装置の欠陥検査方法について、図1に示すボイドVを検出する場合を例として具体的に説明する。
先ず、電圧源20により、半導体基板1000を所定の正電圧にバイアスする。これにより、配線パターンHP1〜HP4をなす最下層の配線1121〜1124が、半導体基板1000を介して所定の正電圧にバイアスされる。電圧源20は、一定の正電圧を発生するものであるが、半導体基板1000に発生する基板電流による電位の変動分を補償するために必要とされる精度で所定の正電圧を一定に制御する電流駆動能力を有している。即ち、電圧源20および電流計30は、基板電流iKを検出するための高精度の電流検出回路を構成している。電圧源20が発生する電圧は、特に正電圧に制限されず、電圧源20および電流計30から構成される電流検出回路によって、半導体基板1000内に発生する基板電流iKを有効に検出することができる値であれば良い。
続いて、細く絞られた一定パワーの電子ビームEBで半導体装置の表面を走査する。この電子ビームEBで走査する過程において、配線パターンHP1をなす最上層の配線1521に対し電子ビームEBが照射されると、第5層配線1521に入射した電子により、この第5層配線の電位が低下する。このため、電圧源20により所定の正電圧にバイアスされた半導体基板1000と第5層配線1521との間に電位勾配が生じる。この電位勾配による電界の作用を受けて、第5層配線1521に入射した電子がビアを介して第4層配線1421に移動し、以下、第3層配線1321、第2層配線1221、第1層配線1121と各層間のビアおよびコンタクトを介してn型不純物拡散層1010に到達し、半導体基板1000内に基板電流iKを形成する。
【0011】
続いて、電子ビームEBが走査され、配線パターンHP1を構成する第5層配線1522に照射されると、この第5層配線1522に入射した電子は、上述と同様に半導体基板1000に向けて移動しようとする。しかし、この配線パターンHP2にはボイドVが存在するため、第5層配線1522から半導体基板1000に至る電流経路上に存在する抵抗が上昇し、これにより電子の移動が阻害される。従ってこの場合、後述するように、欠陥のない上述の配線パターンHP1に電子ビームEBを照射した場合に比較して、半導体基板1000に発生する基板電流iKが減少することとなる。この後、電子ビームEBが配線パターンHP3を構成する第5層配線1523と、配線パターンHP4を構成する第5層配線1524とに順に照射され、各配線パターンの最上層の配線に入射した電子により基板電流iKが形成される。このように、電子ビームEBで半導体装置の表面を走査すると、その走査位置に応じて半導体基板1000に基板電流iKが発生する。この基板電流iKは電流計30により測定され、この測定データは電子ビームEBの走査位置と対応付けられて図示しないデータ処理装置の記憶部に記憶される。
【0012】
図2(a)に、上述のように電子ビームEBで走査した際に電流計30により測定される基板電流iKの波形を示す。この波形は、上述のデータ処理装置の記憶部に記憶された測定データを表示処理したものである。この例に示すように、細く絞られた電子ビームEBが配線1521〜1524の各配線を走査している区間で基板電流iKが発生し、配線が存在しない領域を走査している区間では発生しない。また、各区間で発生する基板電流iKを比較すると、ボイドが存在する配線パターンHP2を構成する第5層配線1522に電子ビームEBが照射されたときの基板電流が、他の配線パターンHP1,HP3,HP4に電子ビームEBが照射されたときの基板電流に比較して小さくなっている。図2(b)に、電子ビームEBのビーム径を最上層の各配線の幅よりも大きく、且つ配線の配置ピッチよりも小さく設定し、電子ビームEBを配線ピッチでステッピングさせて走査した場合の基板電流iKの波形を示す。この例によれば、各配線パターンについて、最上層の配線の全面に電子ビームEBが照射されるので、各配線パターンについて基板電流iKをポイントデータとして取得することができる。従って、電子ビームEBの走査時間が短くなり、検査時間を短縮することができる。
【0013】
続いて、上述のように測定された基板電流iKの測定データから、多層配線構造を有する配線パターンHP1〜HP4に存在する欠陥を検出する。即ち、図示しない上述のデータ処理装置は、その記憶部から上述の基板電流iKの測定データを読み出し、最上層の複数の配線1521〜1524について電子ビームEBを照射して測定された各基板電流iKの差分から欠陥の有無を判定する。具体的には、配線パターンHP1について測定された基板電流iKの値と、この配線パターンHP1と近接する配線パターンHP2について測定された基板電流iKの値との差分を演算する。同様にして配線パターンHP2及び配線パターンHP3について測定された各基板電流iKの差分と、配線パターンHP3及び配線パターンHP4について測定された各基板電流iKの差分を演算する。そして、演算された各基板電流iKの差分から各配線パターンについて欠陥の有無を判定する。即ち、隣接するパターンについて測定された基板電流値の差分を演算することにより、各配線パターンについて他の配線パターンに対する相対評価を行う。この例では、図2(a)または(b)に示すように、配線パターンHP2をなす配線1522に電子ビームEBを照射したときの基板電流iKが、隣接する配線1521,1523に電子ビームEBを照射したときの基板電流に比較して小さくなっており、その差分が大きくなる傾向を示す。このことから、上述のデータ処理装置において、配線パターンHP2に電気的抵抗の上昇をもたらすボイドVによる欠陥が存在し、他の配線パターンには欠陥が存在しない旨の判定がなされ、外部に通知される。もっとも、図2に示す波形を表示し、利用者に欠陥の有無を判定させるようにしてもよい。
【0014】
ここで、第1の実施形態の第1の変形例を説明する。欠陥の種類や程度によっては、常温では抵抗値に異常を与えないが、他の温度領域で抵抗値の異常が顕在化する場合がある。この種の欠陥を検出するためには、上述の過程で、多層配線構造が形成された半導体基板1000の温度Tを変化させ、この温度Tをパラメータとして基板電流iKを測定する。そして、温度Tをパラメータとして基板電流の波形を表示させ、温度Tと基板電流iKとの関係から欠陥を検出する。即ち、最上層の配線1521〜1524に電子ビームEBをそれぞれ照射したときの温度Tと基板電流との関係(基板電流温度特性)を求め、各配線について得られた温度特性を相互に比較し、その中から、他とは異なる特異なものを割り出す。そして、この特異な特性が得られた配線パターンに欠陥が存在するものと判定する。
続いて、第1の実施形態の第2の変形例を説明する。この第2の変形例では、各配線層の形成工程毎に基板電流を測定して、その測定データを蓄積することにより、各製造工程の履歴を記録しておく。欠陥が発生する前の工程では、抵抗が上昇しないため、電子ビームEBを照射したときの各基板電流は等しくなる。これに対し、欠陥は発生すると、抵抗成分が上昇するため、特定の配線パターンに電子ビームEBを照射したときの基板電流が他の配線パターンに比較して異なったものになり、欠陥の存在を把握することができる。このように各配線の形成工程で測定された基板電流の各測定データから、欠陥がどの工程で発生したかを事後的に把握することができ、従って各工程の管理を分離して個別に行うことができる。
【0015】
続いて、第1の実施形態の第3の変形例を説明する。この第3の変形例では、いわゆるショートモードの欠陥を検出する。図3に、欠陥検出対象の配線パターンの一例を示す。同図において、配線HAは、半導体基板に対して電気的に絶縁され、いわゆるフローティング状態となっている。また、配線HBは、ビアVAが形成され、その端部に位置するビアを介して半導体基板と電気的に接続されている。これら配線HA,HBは互いに隣接するように形成されている。このような配線パターンにおいて、配線HAに電子ビームを照射する。ここで、仮に配線HAと配線HBとの間をショート(またはリーク)するような欠陥が存在しなければ、配線HAに入射した電子は、配線HBに移動することがなく、従って基板電流は観測されない。これに対し、配線HAと配線HBとの間をショートする欠陥(図示なし)が存在すると、配線HAに入射した電子が配線HBを介して半導体基板に流れ込み、基板電流を形成する。従ってこの場合、基板電流からショートモードの欠陥の存在を把握することができる。
以上により、本第1の実施形態によれば、プロービングパッド等の端子を必要とすることなく、非接触により半導体装置の多層配線構造内に存在(または潜在)する欠陥を検出することができる。これにより、プロービングパッド形成工程前の製造工程の途中であっても、あるいは実デバイス上であっても、多層配線構造内に存在する欠陥を検査することが可能になる。従って、欠陥を早期に発見することが可能になり、その後の工程の処理に反映させることが可能になる。よって、製造工程の途中で、その後のプロセスを中止するか否かの判断を下すことが可能になり、無駄な製造コストの発生を有効に抑制することができる。
【0016】
次に、本発明の第2の実施形態を説明する。図4に、本実施形態に係るビアチェーンの詳細な断面構造を示す。なお、図4において、前述の図1に示す要素と共通する要素には同一符号を付す。また、図4には、電子ビームEBを走査する点と、スポット光Pを照射する点が表されているが、これらは第2の実施形態の変形例と第3の実施形態を説明するためのものであり、ここでは、電子ビームEBの照射位置は固定され、スポット光Pが照射されないものとする。第2の実施形態に係る半導体装置は、6層配線構造を有するものであって、p型半導体基板2000上には、第1層絶縁膜2100から第6層絶縁膜2600が積層されている。また、第1層絶縁膜2100から第4層絶縁膜2400には、第1層配線2210〜第4層配線2410が形成され、第5層絶縁膜2500には第5層配線2511〜2517が形成され、第6層絶縁膜2600には第6層配線2611〜2617が形成されている。ここで、第6層配線2611〜2617と第5層配線2511〜2517は、ビアを介して鎖状に交互に接続される。さらに、第5層配線2517から最下層の第1層配線2110まではビアを介して互いに接続される。また、最下層の第1層配線2210は、複数のコンタクトを介して、p型半導体基板2000の表面に形成された高濃度のn型不純物拡散層2010と接続されている。即ち、最下層の第1層配線2210と半導体基板2000との間には複数のコンタクトが形成されている。このように複数のコンタクトを形成することにより、コンタクトに起因する抵抗の上昇を抑制し、ビアや配線内に存在する欠陥の検出を容易にしている。n型不純物拡散層2010は、前述の図1に示すn型不純物拡散層1010と同様に、MOSトランジスタのソース・ドレインに対応するものである。図4に示す例では、第6層配線2614と第5層配線2514とを接続するビアにボイドVによる欠陥が存在しており、このため、これら配線間の電気的抵抗が上昇した状態となっている。
【0017】
次に、第2の実施形態による半導体装置の欠陥検査方法について、図4に示すボイドVを検出する場合を例として具体的に説明する。先ず、電圧源20により、半導体基板2000を所定(一定)の正電圧にバイアスする。続いて、ビアチェーンを形成する配線の一部に電子ビームを照射する。具体的には、一定パワーの電子ビームEBを第6層配線2611に照射する。電子ビームEBが照射されると、入射した電子により、第6層配線2611の電位が低下する。このため、電圧源20により所定の正電圧にバイアスされた半導体基板2000と第6層配線2611との間に電位勾配が生じる。この電位勾配による電界の作用を受けて、第6層配線2611に入射した電子がビアチェーンを介してn型不純物拡散層2010に到達し、半導体基板2000内に基板電流iKを形成する。続いて、半導体基板2000に発生する基板電流iKを測定する。ここで、第5層配線2514と第6層配線2614との間のビアにはボイドVが存在するため、抵抗成分が上昇し、これにより電子の移動が阻害される。従って、ボイドVが存在しない場合に比較して、半導体基板2000に発生する基板電流iKが減少する。この基板電流iKは電流計30により測定され、この測定データは図示しないデータ処理装置の記憶部に記憶される。
【0018】
続いて、上述のように測定された基板電流iKの測定データから、ビアチェーンを形成する多層配線構造に存在する欠陥を検出する。即ち、図示しない上述のデータ処理装置は、その記憶部から上述の基板電流iKの測定データを読み出し、ボイドVが存在しない場合の基板電流の所定値iKRと比較し、その大小関係から欠陥の有無を判定する。この例では、ボイドVにより基板電流iKが所定値iKRよりも大きくなるので、欠陥が存在する旨の判定がなされ、外部に通知される。もっとも、測定された基板電流iKの値を表示し、利用者に欠陥の有無を判定させるようにしてもよい。なお、本実施形態では、最下層の第1層配線2210と半導体基板2000との間に複数のコンタクトが形成し、これにより、コンタクトに起因する抵抗の上昇を抑制しているので、ビアに発生するボイドVの抵抗上昇に起因した基板電流の変化をより精度良く測定することができる。
【0019】
次に、第2の実施形態の変形例を図4を援用して説明する。この第2の変形例では、上述の基板電流iKを測定する過程において、ビアチェーンを形成する配線をスポット光Pで走査することにより、この配線を局部的に加熱しながら基板電流iKを測定する。具体的には、図8に示すように、電子ビームEBの照射位置は上述と同様に配線2611に固定され、ビアを介して接続された第5層配線2511〜2517および第6層配線2611〜2617からなるビアチェーンの形成領域をスポット光Pで走査する。これにより、第5層配線2511〜2517と第6層配線2611〜2617とを接続する13個のビアが択一的に順次加熱される。この場合、ボイドVの存在しないビアが接続された第6層配線2612,2613,2615〜2617にスポット光Pを照射した場合、基板電流iKはほぼ等しくなる傾向を示す。これは、第6層配線2612,2613,2615〜2617に接続するビアにはボイドが存在せず、これらのビアの抵抗がほぼ等しくなっているためである。このときの基板電流の値は、ボイドVによって上昇した抵抗成分によって小さく一定に抑えられる。これに対し、第6層配線2614にスポット光が照射された場合には、この第6層配線2614に接続されたビアの温度が上昇し、その抵抗値が変化する。この結果、基板電流iKの値は、上述の第6層配線2612,2613,2615〜2617にスポット光Pを照射した場合とは異なったものになる。即ち、欠陥の種類に応じて抵抗が上昇したり低下する傾向を示す。従って、このようにスポット光Pを照射した場合の基板電流の波形から、第6層配線2614と第5層配線2513の間のビア、または第6層配線2614と第5層配線2514との間のビアの何れかにボイドVが存在することが推定できる。
【0020】
次に、本発明の第3の実施形態に係る欠陥検出方法を図4を援用して説明する。この実施形態では、図4において、スポット光Pは照射せず、電子ビームEBの照射位置は固定されず、ビアチェーンの延在方向xに走査し得るものとする。先ず、電圧源20により半導体基板2000を所定の正電圧にバイアスする。続いて、ビアチェーンを形成する第6層配線2611〜2617を電子ビームEBで走査する。この電子ビームEBの走査の過程で、第6層配線2611〜2617の電子が入射すると、この電子により、半導体基板2000内に基板電流iKが形成される。続いて、電子ビームEBの走査に伴って半導体基板2000に発生する基板電流iKを測定する。ここで、電子ビームEBの走査位置が、第6層配線2611から第6層配線2617に向かって移動するに伴って、電子ビームEBの照射位置と半導体基板200との間の電子の移動経路(電流経路)の距離が短くなり、この経路の電気的抵抗が徐々に減少することとなる。このように電子ビームEBで走査して測定された基板電流iKは電流計30により測定され、この測定データは、電子ビームEBの走査位置を表すデータ(以下、走査位置データと称す)と共に図示しないデータ処理装置の記憶部に記憶される。なお、特に説明しないが、この走査位置データは、被試験対象の半導体装置を載置するステージの位置を図示しない位置検出手段により検出して割り出される。
【0021】
図5(a)〜(c)に、電子ビームEBで走査しながら測定された基板電流iKの波形例を示す。同図(a)は、図4においてボイドVが存在しない場合の波形例を示し、同図(b)は、ボイドVによりビアの抵抗が多少上昇した場合の波形を示し、同図(c)は、ボイドVによりビアの抵抗が著しく上昇した場合の波形を示す。同図(a)に示すように、ボイドVが存在せず、ビアチェーンを構成する各ビアの抵抗値が一定の場合には、基板電流iKは一定の傾きAで増加する傾向を示す。また、同図(b)に示すように、ボイドVにより抵抗が多少上昇した場合には、第6層配線2611から第6層配線2614に入射した電子の移動が阻害される。従って、電子ビームEBが第6層配線2611から第6層配線2614を走査する期間では基板電流iKは抑制され、その変化の傾きBは同図(a)に示す場合の傾きAよりも小さくなる。さらに、同図(c)に示すように、ボイドVにより抵抗R607が著しく上昇し、実質的にオープン状態となった場合には、第6層配線2611から第6層配線2614に入射した電子が半導体基板2000にほとんど到達しなくなる。従って、電子ビームEBが第6層配線2611から第6層配線2614を走査する期間では基板電流iKは観測されない。
【0022】
続いて、電上述の子ビームEBの走査位置データと基板電流iKの測定データとの関係から図4に示す半導体装置の多層配線構造に存在する欠陥であるボイドVを検出する。具体的には、上述の図示しないデータ処理装置は、その記憶部から電子ビームEBの走査位置データと基板電流iKの測定データとを読み出し、走査位置に対する基板電流iKの変化の傾きを演算する。続いて、データ処理装置は、走査位置に対して基板電流iKの変化の傾きに不連続点が存在しないか否かを判定する。ここで、基板電流iKの変化の傾きに不連続点が存在しない場合の例としては、図5(a)に示す場合があり、この不連続点が存在する場合の例としては、図5(b)および(b)に示す場合がある。続いて、基板電流iKの変化の傾きに不連続点が存在しない場合、上述のデータ処理装置は、欠陥が存在しない旨を表示する。これに対し、不連続点が存在する場合には、走査位置データから、その不連側点が存在する電子ビームEBの走査位置を特定する。具体的には、図5(b)に示す例の場合、先に電子ビームEBで走査されて測定された基板電流のうち、傾きが変化する直前の基板電流が測定された第6層配線2614の位置を不連続点が発生した走査位置として特定する。 このように不連続点が存在する走査位置として特定された第6層配線2614の位置は、欠陥が存在する旨の通知と共に表示される。特に説明しないが、この第6層配線の位置は、上述の走査位置データと同様に、被試験対象の半導体装置を載置するステージの位置を図示しない位置検出手段により検出して割り出される。もちろん、上述の不連続点が存在する第6層配線2614を他の配線と区別して画像として表示してもよい。
【0023】
次に、この第3の実施形態の変形例を説明する。上述の第3の実施形態では、電子ビームEBを走査するものとしたが、この変形例では、バイナリスキャン法により多層配線構造を含む半導体基板の表面を電子ビームで走査する。これにより、2次元平面上での欠陥位置を効率的に検出する。図5は、被検査対象の半導体装置の上面図である。この半導体装置は、前述の図4に示すような、いわゆるビアチェーンとして形成された6層配線構造を有し、白丸で示されるビアを介して第5層配線2510と第6層配線2610とが交互に鎖状に接続されている。また、同図において、黒丸は欠陥が存在するビアを示し、端部のビアは半導体基板に接続されている。図6にバイナリスキャンによる走査S1〜S8を示す。この例に示すように走査S1〜S8をこの順で実施することにより、欠陥の位置を効率的に検出することが可能になる。
【0024】
次に、本発明の第4の実施形態を説明する。上述の第1ないし第3の実施形態では、連続的に発生される電子ビームEBを照射するものとしたが、本実施形態では、パルス状に変調されたの電子ビームEBPを照射することにより、配線に付随する寄生容量を含めた電気的特性の観点から多層配線構造に存在する欠陥を検査する。図7を参照して、本実施形態の欠陥検出の原理を説明する。図7は、被検査対象の半導体装置の概略断面図であり、下層配線3011〜3013と上層配線3021〜3023とをビア3031〜3035を介して鎖状に接続し、これによりビアチェーンを形成したものである。これら下層配線3011〜3013および上層配線3021〜3023は、例えば上述の図4に示す第5層配線2511〜2517および第6層配線2611〜2617に相当する。
続いて、上述の第4の実施形態による半導体装置の欠陥検査方法を説明する。先ず、ビアチェーンとして形成された多層配線構造の配線の一部を、この多層配線構造が形成された半導体基板を所定電圧にバイアスする。続いて、ビアチェーンをなす配線の一部にパルス状に変調された電子ビームEBPを照射する。この例では、ビアチェーンの他端側に位置する上層配線3021に対し、所定のパルス幅およびデューティを有するパルス状の電子ビームEBPを照射する。続いて、電子ビームEBPの照射に伴って半導体基板に発生する基板電流を測定する。そして、測定された基板電流から多層配線構造に存在する欠陥を検出する。ここで、欠陥の検出は、パルス状の電子ビームEBPの照射に対する基板電流iKの過渡応答特性(AC特性)から欠陥を検出する。いま、欠陥により抵抗値が上昇しているとすると、この配線の時定数が大きくなり、電子ビームEBPの照射に対し、基板電流の応答が遅れる。この応答特性から欠陥の有無を判定する。なお、配線としての時定数自体を検査の対象としてもよい。これにより、例えば隣接する配線間の寄生容量が信号の遅延に与える影響を、製造工程の完了を待たずに製造工程の途中で把握することができる。
【0025】
次に、上述の第4の実施形態の変形例を説明する。
上述の図7では、通常のMOS構造を用いているが、パルス状の電子ビームEBPを用いた場合の過渡応答特性の観測対象は、図8に示すようなSOI(Silicon On Insulator)であってもよい。ここで、図8において、絶縁膜1012は、半導体基板上に形成されている。この絶縁膜1012には、電界効果型トランジスタのソース・ドレインとなる不純物拡散層1010が形成されている。また、散層1010が形成された絶縁膜1012の上にはゲート酸化膜を介してゲート電極となるポリシリコン層1011が形成されている。また、絶縁膜1012の上には、上述の図1に示す例えば配線1121,1221,1321,1421,1521に対応する多層の配線1120,1220,1320,1420,1520が形成されており、これらは不純物拡散層1010に電気的に接続されている。さらに、半導体基板の裏面には、上述の図1に示すような電極10、電圧源20、および電流計30が取り付けられている。
【0026】
このようなSOI構造においては、不純物拡散層1010は絶縁膜1012を介して半導体基板(符号なし)に容量的に結合されている。従って、パルス状の電子ビームEBPを最上層の配線1520に照射すると、この電子ビームEBPの出力の変化に応答して、半導体基板にAC的な基板電流が発生する。この基板電流の過渡応答特性から、例えば配線1120〜1520に付随する容量成分や、絶縁膜1012が形成する容量成分を含んだ配線の電気的特性を評価することができる。また、このようにパルス状の電子ビームEBPを照射して評価する方法によれば、基板電流を測定するための電極を半導体基板の裏面に取り付ける際に、必ずしも自然酸化膜を剥離する必要がない。その理由は、この自然酸化膜による容量は、基板電流の測定系(電流系30)に対して直列接続され、通常、自然酸化膜による容量成分は配線等に付随する容量成分に比較して十分に大きいため、この自然酸化膜による容量成分が事実上顕在化しないことによる。従って、基板電流を測定するための準備作業を簡素化することができる。
【0027】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明においては、次のような効果を奏する。
即ち、本発明によれば、電子ビームを配線に照射したときの基板電流を測定して多層配線構造に存在する欠陥を検出するようにしたので、製造工程の途中であっても、また実デバイス上であっても多層配線構造内に存在する欠陥を検査することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態に係る欠陥検出方法の適用対象である半導体装置の部分断面図である。
【図2】第1の実施形態に係る欠陥検出方法により測定される基板電流の波形図である。
【図3】第1の実施形態の第3の変形例を説明するための図である。
【図4】本発明の第2の実施形態に係る欠陥検出方法の適用対象である半導体装置の部分断面図である。
【図5】本発明の第3の実施形態に係る欠陥検出方法により測定される基板電流の波形図である。
【図6】本発明の第3の実施形態に係る変形例(バイナリスキャン法)を説明するための図である。
【図7】本発明の第4の実施形態に係る欠陥検査方法を説明するための図である。
【図8】本発明の第4の実施形態の変形例に係る欠陥検査方法を説明するための図である。
【符号の説明】
10;電極、20;電圧源、30;電流計、1000,2000;半導体基板、1010,2010;n型不純物拡散層、1011;ポリシリコン層、1012;絶縁膜、1100,2100;第1層絶縁層、1121〜1124,1120,2110;第1層配線、1200,2200;第2層絶縁層、1221〜1224,1220,2210;第2層配線、1300,2300;第3層絶縁層、1321〜1324,1320,2310;第3層配線、1400,2400;第4層絶縁層、1421〜1424,1420,2410;第4層配線、1500,1520,2500;第5層絶縁層、1521〜1524,2511〜2517;第5層配線、2600;第6層絶縁層、2611〜2617;第6層配線、3011〜3013;下層配線、3021〜3023;上層配線、3031〜3035;ビア、HP1〜HP4;配線パターン、HA,HB;配線、V;ボイド(欠陥)。
Claims (9)
- 半導体基板上に形成された多層配線構造に存在する欠陥を検査する半導体装置の欠陥検査方法であって、前記半導体基板を所定電圧にバイアスする第1のステップと、前記多層配線構造をなす最上層の配線に電子ビームを照射する第2のステップと、前記半導体基板に発生する基板電流を測定する第3のステップと、前記基板電流から前記多層配線構造に存在する欠陥を検出する第4のステップと、を含む半導体装置の欠陥検査方法。
- 前記第4のステップでは、最上層の複数の前記第2の配線について前記電子ビームを照射してそれぞれ測定された基板電流の差分から前記欠陥の有無を判定することを特徴とする請求項1に記載された半導体装置の欠陥検査方法。
- 前記第3のステップでは、前記多層配線構造が形成された前記半導体基板の温度を変化させ、該温度をパラメータとして前記基板電流を測定し、前記第4のステップでは、前記温度と前記基板電流との関係から前記欠陥を検出することを特徴とする請求項1または2の何れかに記載された半導体装置の欠陥検査方法。
- 前記第2のステップでは、バイナリスキャン法により前記多層配線構造を含む前記半導体基板の表面を前記電子ビームで走査することを特徴とする請求項1ないし3の何れか1項に記載された半導体装置の欠陥検査方法。
- 前記第3のステップでは、前記配線をスポット光で走査することにより該配線を局部的に加熱しながら前記基板電流を測定することを特徴とする請求項1に記載された半導体装置の欠陥検査方法。
- 前記第2のステップでは、前記電子ビームをパルス状に変調して照射し、前記第4のステップでは、前記パルス状の電子ビームの照射に対する前記基板電流の応答特性から前記欠陥を検出することを特徴とする請求項1に記載された半導体装置の欠陥検査方法。
- 半導体基板上に形成された多層配線構造に存在する欠陥を検査する半導体装置の欠陥検査方法であって、前記半導体基板を所定電圧にバイアスする第1のステップと、前記多層配線構造をなす最上層の配線を電子ビームで走査する第2のステップと、前記半導体基板に発生する基板電流を測定する第3のステップと、前記電子ビームの走査位置と前記基板電流との関係から前記多層配線構造に存在する欠陥を検出する第4のステップと、を含む半導体装置の欠陥検査方法。
- 前記第4のステップでは、前記走査位置に対する前記基板電流の変化の傾きから前記欠陥の位置を特定することを特徴とする請求項7に記載された半導体装置の欠陥検査方法。
- 前記第3のステップでは、前記多層配線構造が形成された半導体基板の温度を変化させ、該温度をパラメータとして前記基板電流を測定し、前記第4のステップでは、前記温度をパラメータとして前記電子ビームの走査位置と前記基板電流との関係から前記欠陥を検出することを特徴とする請求項7または8の何れかに記載された半導体装置の欠陥検査方法。
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