JP2009111290A - 抵抗測定素子およびコンタクト抵抗の測定方法、並びに半導体素子チップおよびその評価方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体基板上に形成された二つの抵抗体の段差上にコンタクトプラグが形成された場合に、段差のある抵抗体のコンタクト抵抗を容易かつ正確に測定する方法の提供。
【解決手段】二つの抵抗体３および４が間に絶縁膜を介して一部重なる段差上にコンタクトプラグ８ａ、８ｂ、１０ａおよび１０ｂが形成され、その上に金属配線層７、９ａ、９ｂ、１１ａおよび１１ｂが設けられている。この二つの抵抗体３と４との段差とは反対側の各抵抗体３および４の端部をそれぞれ、抵抗体３および４の端部が互いに対称となるように二つに分岐し、その二つの分岐部にそれぞれ、コンタクトプラグ８ａと８ｂの組および１０ａと１０ｂの組とをれぞれ介して各対応する金属配線層９ａ、９ｂ、１１ａおよび１１ｂにそれぞれ接続して２ヶ所から端子をとる平面レイアウトにしている。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体基板上に形成された二つの抵抗体の段差上にコンタクトプラグが形成された抵抗測定素子およびコンタクト抵抗の測定方法、並びに、この抵抗測定素子を用いた固体撮像素子および半導体集積回路装置などを搭載した半導体素子チップおよびその評価方法に関する。

上述したこの種の従来の抵抗測定素子は、複数種類のコンタクトホールのコンタクト抵抗が測定可能であり、半導体基板上の比較的小さな領域内に半導体集積回路などと共に形成することができる。これは例えば特許文献１に提案されている。

図９は、特許文献１に開示されている従来のコンタクト抵抗測定素子の構造を模式的に示す平面図である。

図９において、コンタクト抵抗測定素子１００は、図示しない半導体墓板上に形成された抵抗素子１０１を有し、この抵抗素子１０１の両端にはコンタクトホール１０２、１０３が形成され、これらのコンタクトホール１０２、１０３を介してそれぞれ電流供給用の金属配線１０４、１０５が接続されている。抵抗素子１０１は、例えばＮ型シリコン基板中に作られたＰ型の拡散領域による拡散抵抗、またはＰ型シリコン基板中に作られたＮ型の拡散領域による拡散抵抗でもよい。または、抵抗素子１０１は、シリコン基板上のＳｉＯ_２などの絶縁膜上に形成されたＰ型またはＮ型の多結晶シリコンにより形成されたポリシリコン抵抗でもよい。コンタクトホール１０２、１０３はこのような絶縁膜に開けられてコンタクト材料が埋め込まれたものであり、このコンタクトホール１０２、１０３をそれぞれ介して金属導電層を被着することにより金属配線１０４、１０５がそれぞれ形成されている。

このコンタクト抵抗測定素子１００は、さらに、複数対のコンタクトホール１０６、１０７およびコンタクトホール１０８、１０９が形成され、これらの各コンタクトホール１０６〜１０９を介して抵抗素子１０１と接触するアルミニウムなどの金属配線が設けられている。即ち、コンタクトホール１０６には両側に金属配線１１０、１１１が、コンタクトホール１０８には両側に金属配線１１２、１１３が、コンタクトホール１０７には両側に金属配線１１４、１１５が、さらにコンタクトホール１０９には両側に金属配線１１６、１１７がそれぞれ伸びている。これらの各コンタクトホール１０６〜１０９の両側に伸びた金属配線１１０〜１１７は金属配線の一方端が電流注入用であり、金属配線の他方端は電圧測定用である。

図１０は、図９のコンタクト抵抗測定素子１００において、２対のコンタクトホールを含む場合の等価回路図である。

図１０において、抵抗ＲＣ１、ＲＣ２、ＲＣ３、ＲＣ４、ＲＣ５、ＲＣ６はそれぞれコンタクトホール１０２、１０３、１０６、１０８、１０７、１０９のコンタクト抵抗をそれぞれ表わしている。抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５はそれぞれ抵抗素子１０１の抵抗部分を示しており、それぞれコンタクトホール１０２-１０６間、コンタクトホール１０６-１０８間、コンタクトホール１０８-１０７間、コンタクトホール１０７-１０９間、コンタクトホール１０９-１０３間の抵抗値にそれぞれ対応している。

以上のような構成を有するコンタクト抵抗測定素子１００を用いてコンタクト抵抗を測定する方法につき説明する。

例えば、図９のコンタクトホール１０６と１０７のコンタクト抵抗ＲＣ２およびＲＣ４の和を測定するときには、まず、金属配線１０４の端子に定電流源を接続し、金属配線１０５の端子は接地し、一定電流Ｉを金属配線１０４の端子から流し込む。この状態で、金属配線１１５の端子の電圧Ｖ１および金属配線１１１の端子の電圧Ｖ２を測定すると、
Ｖ１＝Ｉ×（Ｒ４＋Ｒ５＋ＲＣ６） …(１)
Ｖ２＝Ｉ×（Ｒ２＋Ｒ３＋Ｒ４＋Ｒ５＋ＲＣ６）…(２)
となる。したがって、式(１)と(２)より、電圧Ｖ２とＶ１の差Ｖ３は、
Ｖ３＝Ｖ２−Ｖ１＝Ｉ×（Ｒ２十Ｒ３） …(３)
となる。次に、金属配線１０４の端子と金属配線１０５の端子との間に接続されていた定電流源を外し、金属配線１１０の端子と金属配線１１４の端子との間に定電流源を接続し、一定電流源を金属配線１１０の端子から流し込む。この場合、金属配線１１４の端子は接地しておく。この状態で金属配線１１１の端子の電圧Ｖ４を測定すると、
Ｖ４＝Ｉ×（Ｒ２＋Ｒ３＋ＲＣ２＋ＲＣ４） …(４)
となる。したがって、式(３)と式(４)から、コンタクトホール対１０６、１０７のコンタクト抵抗ＲＣ２およびＲＣ４の和は、
ＲＣ２＋ＲＣ４＝（Ｖ４−Ｖ３）／Ｉ …(５)
となる。

したがって、コンタクトホール１０６と１０７のコンタクト抵抗ＲＣ２およびＲＣ４の和は、上記電圧Ｖ４、電圧Ｖ３および電流Ｉから測定することができる。

このように、特許文献１では、ポリシリコン抵抗素子上のコンタクト抵抗、またはシリコン基板上に形成された拡散領域からなる抵抗素子上のコンタクト抵抗を測定する上で、抵抗素子を共通化し、抵抗素子上に複数種類のコンタクトホール（コンタクトプラグ）を形成し、測定端子を切り分けることにより、所望のコンタクトプラグのコンタクト抵抗（接触抵抗）を得ている。
特開平４−３１６３４４号公報

一般的には、図１１に示すように、抵抗ｒ１および抵抗ｒ２の抵抗体２０１の両端に端子２０２、２０３を接続し、これがコンタクト抵抗ｒ３のコンタクトプラグ２０４に接続され、このコンタクトプラグ２０４に接続された抵抗ｒ４および抵抗ｒ５の金属配線２０５の両端に端子２０６、２０７を接続して、コンタクト抵抗ｒ３を測定するものであるが、ＣＣＤ固体撮像素子のフローティングディフュージョンＦＤ（電荷検出部）に代表される構造に類似した構成例として、図１２に示すように、シリコン基板３０１上に二つの抵抗体３０２（ポリシリコンの抵抗）と抵抗体３０３（拡散領域の抵抗）とが絶縁膜を介して一部重なって設けられている。これらの抵抗ｒ１１の抵抗体３０２と抵抗ｒ１２の抵抗体３０３は、抵抗体３０２と抵抗体３０３の段差上の層間絶縁膜３０４に形成されるコンタクトプラグ３０５を介して金属配線３０６に電気的に接続されている。抵抗ｒ１３および抵抗ｒ１４の金属配線３０６の両端に端子３０７、３０８を接続し、抵抗体３０２と抵抗体３０３の両端に端子３０９、３１０を接続している。なお、ＣＣＤ固体撮像素子のフローティングディフュージョンＦＤの電荷検出部では、実際は、金属配線３０６の両端に端子３０７、３０８は繋がっていない。

この場合に、抵抗体３０２とコンタクトプラグ３０５間のコンタクト抵抗Ｒｐｏ、抵抗体３０３とコンタクトプラグ３０５間のコンタクト抵抗Ｒｎを測定しようとした場合、上記従来の素子の等価回路は図１３に示すようになり、コンタクト抵抗測定素子１００を用いたコンタクト抵抗測定方法では、図１２のＢ部（図１３では○部分）のように二つの抵抗体３０２、３０３がコンタクトプラグ３０５を介さずには電気的に接続されていないため、これらのコンタクト抵抗を容易には測定することができない。

本発明は、上記従来の問題を解決するもので、半導体基板上に形成された二つの抵抗体の段差上にコンタクトプラグが形成された場合に、段差のある抵抗体のコンタクト抵抗を容易かつ正確に測定することができる抵抗測定素子およびコンタクト抵抗の測定方法、並びに、この抵抗測定素子を用いた固体撮像素子および半導体集積回路装置などを搭載した半導体素子チップおよびその評価方法を提供することを目的とする。

本発明の抵抗測定素子は、半導体基板上に形成された二つの抵抗体の段差上にコンタクトプラグが形成され、該コンタクトプラグ上にこれに接続される第１金属配線が配設されており、該二つの抵抗体の段差とはそれぞれ反対側の各抵抗体の端部にコンタクトプラグをそれぞれ介して接続された各第２金属配線がそれぞれ配設された抵抗測定素子であって、該各第２金属配線とは別に、該二つの抵抗体の段差とはそれぞれ反対側の各抵抗体の端部にコンタクトプラグをそれぞれ介して接続された各第３金属配線がそれぞれ配設されたものであり、そのことにより上記目的が達成される。

また、好ましくは、本発明の抵抗測定素子における第２金属配線および前記第３金属配線はそれぞれ、前記各抵抗体の端部からコンタクトプラグをそれぞれ介して独立して配置されている。

さらに、好ましくは、本発明の抵抗測定素子における二つの抵抗体の端部はそれぞれ、該各抵抗体の平面視パターンが途中から対称または非対称に分岐している。

さらに、好ましくは、本発明の抵抗測定素子における二つの抵抗体の段差から途中で分岐した抵抗体の各端部までの距離および抵抗値が同等または異なっている。

さらに、好ましくは、本発明の抵抗測定素子における二つの抵抗体の平面視パターンは、４端子に接続された抵抗測定パターンである。

さらに、好ましくは、本発明の抵抗測定素子における第１金属配線の両端の２端子、前記各第２金属配線の２端子および前記各第３金属配線の２端子により６つの抵抗測定端子を有している。

本発明の半導体素子チップは、本発明の上記抵抗測定素子と、該抵抗測定素子と同一構造を有する固体撮像素子とを有するものであり、そのことにより上記目的が達成される。

本発明の半導体素子チップは、本発明の上記抵抗測定素子と、該抵抗測定素子と同一構造を有する半導体集積回路とを有するものであり、そのことにより上記目的が達成される。

また、好ましくは、本発明の半導体素子チップにおける抵抗測定素子と同一構造は、前記二つの抵抗体の段差上にコンタクトプラグが形成された構造である。

さらに、好ましくは、本発明の半導体素子チップにおける抵抗測定素子と同一構造は、ＣＣＤ型固体撮像素子の信号出力部の構造である。

本発明の半導体素子チップの評価方法は、本発明の上記抵抗測定素子を用いて、前記二つの抵抗体の段差上にコンタクトプラグが形成された構造における一方の抵抗体のコンタクト抵抗Ｒｐｏ、他方の抵抗体のコンタクト抵抗Ｒｎ、これらの和のコンタクト抵抗Ｒｐｏ＋Ｒｎを測定し、その測定結果を、該抵抗測定素子と同一構造の半導体素子部分のコンタクト抵抗として評価するものであり、そのことにより上記目的が達成される。

本発明の抵抗測定素子の測定方法は、本発明の上記抵抗測定素子を用いて、前記二つの抵抗体のうちの他方の抵抗体に接続される第２金属配線−第１金属配線の一方端間に所定電圧Ｖを印加し所定電流Ｉを流して、該他方の抵抗体に接続される第３金属配線−第１金属配線の他方端間で各電圧Ｖｍ１、Ｖｍ２の測定を行って、電圧測定器は内部抵抗が高く、流れる電流ｉ≒０となり、測定された各電圧の電位差（Ｖｍ１−Ｖｍ２）≒Ｉ・Ｒｎとなり、該他方の抵抗体のコンタクト抵抗Ｒｎを測定するものであり、そのことにより上記目的が達成される。

本発明の抵抗測定素子の測定方法は、本発明の上記抵抗測定素子を用いて、前記二つの抵抗体のうちの一方の抵抗体に接続される第２金属配線−第１金属配線の一方端間に所定電圧Ｖを印加し所定電流Ｉを流して、該一方の抵抗体に接続される第３金属配線−第１金属配線の他方端間で各電圧Ｖｍ３、Ｖｍ２の測定を行って、電圧測定器は内部抵抗が高く、流れる電流ｉ≒０となり、測定された各電圧の電位差（Ｖｍ３−Ｖｍ２）≒Ｉ・Ｒｐｏになり、該一方の抵抗体のコンタクト抵抗Ｒｐｏを測定するものであり、そのことにより上記目的が達成される。

本発明の抵抗測定素子の測定方法は、本発明の上記抵抗測定素子を用いて、前記二つの抵抗体のうちの他方の抵抗体に接続される第２金属配線−一方の抵抗体に接続される第２金属配線間に所定電圧Ｖを印加し所定電流Ｉを流して、該他方の抵抗体に接続される第３金属配線−該一方の抵抗体に接続される第３金属配線間で各電圧Ｖｍ１、Ｖｍ３の測定を行って、電圧測定器は内部抵抗が高く、流れる電流ｉ≒０となり、測定された各電圧の電位差（Ｖｍ１−Ｖｍ３）≒Ｉ・（Ｒｎ＋Ｒｐｏ）となり、該二つの抵抗体のコンタクト抵抗の和（Ｒｎ＋Ｒｐｏ）を測定するものであり、そのことにより上記目的が達成される。

本発明の抵抗測定素子の測定方法は、本発明の上記抵抗測定素子を用いて、前記二つの抵抗体のうちの他方の抵抗体に接続される第２金属配線−第１金属配線の一方端間に所定電圧Ｖを印加し所定電流Ｉを流して、該他方の抵抗体に接続される第３金属配線−第１金属配線の他方端間で各電圧Ｖｍ１、Ｖｍ２の測定を行って、電圧測定器は内部抵抗が高く、流れる電流ｉ≒０となり、測定された各電圧の電位差（Ｖｍ１−Ｖｍ２）≒Ｉ・Ｒｎとなり、該他方の抵抗体のコンタクト抵抗Ｒｎを測定し、該二つの抵抗体のうちの一方の抵抗体に接続される第２金属配線−第１金属配線の一方端間に所定電圧Ｖを印加し所定電流Ｉを流して、該一方の抵抗体に接続される第３金属配線−第１金属配線の他方端間で各電圧Ｖｍ３、Ｖｍ２の測定を行って、電圧測定器は内部抵抗が高く、流れる電流ｉ≒０となり、測定された各電圧の電位差（Ｖｍ３−Ｖｍ２）≒Ｉ・Ｒｐｏになり、該一方の抵抗体のコンタクト抵抗Ｒｐｏを測定し、さらに、該二つの抵抗体のうちの他方の抵抗体に接続される第２金属配線−一方の抵抗体に接続される第２金属配線間に所定電圧Ｖを印加し所定電流Ｉを流して、該他方の抵抗体に接続される第３金属配線−該一方の抵抗体に接続される第３金属配線間で各電圧Ｖｍ１、Ｖｍ３の測定を行って、電圧測定器は内部抵抗が高く、流れる電流ｉ≒０となり、測定された各電圧の電位差（Ｖｍ１−Ｖｍ３）≒Ｉ・（Ｒｎ＋Ｒｐｏ）となり、該二つの抵抗体のコンタクト抵抗の和（Ｒｎ＋Ｒｐｏ）を測定するものであり、そのことにより上記目的が達成される。

上記構成により、以下、本発明の作用を説明する。

二つの抵抗体が一部重なる段差上にコンタクトプラグが形成され、その上に第１金属配線層が設けられている。二つの抵抗体の段差とはそれぞれ反対側の各抵抗体の端部にそれぞれ、コンタクトプラグをそれぞれ介して接続された電流・電圧供給用の各第２金属配線層がそれぞれ配設されており、これらの各第２金属配線とは別に、二つの抵抗体の段差とはそれぞれ反対側の抵抗体の端部にそれぞれ、コンタクトプラグをそれぞれ介して接続された電流・電圧供給用の第３金属配線がそれぞれ配設されている。これによって、半導体基板上に形成された二つの抵抗体の段差上にコンタクトプラグが形成された場合に、二つの抵抗体の段差のある抵抗体のコンタクト抵抗を容易かつ正確に測定することが可能となる。また、二つの抵抗体のコンタクト抵抗成分を別々に測定することができると共にこれらを加えた状態で測定することが可能となって、特性異常原因の判別や性能向上などに役立てることが可能となる。

以上により、本発明によれば、半導体基板上に形成された二つの抵抗体の段差上にコンタクトプラグが形成された場合に、二つの抵抗体の段差のある抵抗体のコンタクト抵抗を容易かつ正確に測定することができる。また、二つの抵抗体のコンタクト抵抗成分を別々に測定することができると共にこれらを加えた状態で測定することができるため、これを用いて特性異常原因の判別や、素子や接触部分の性能向上などに大いに役立てることができる。

以下に、本発明の抵抗測定素子の実施形態を固体撮像素子に適用した場合について図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の抵抗測定素子の実施形態におけるレイアウト構成例を模式的に示す平面図であり、図２は、図１のＡＡ’線縦断面図である。

図１および図２において、本実施形態１の抵抗測定素子１は、半導体基板２上に設けられた二つの抵抗体３、４が間に絶縁膜を介して一部重なる段差５上の層間絶縁層１２にコンタクトプラグ６が形成されている。これらのポリシリコンからなる抵抗体３と、拡散領域からなる抵抗体４はコンタクトプラグ６を介してのみ電気的に接続されている。抵抗体３と抵抗体４はコンタクトプラグ６を介して第１金属配線としての金属配線層７に接続されている。

段差５とは反対側の抵抗体３の端部を互いに対称となるように二つに分岐し、その二つの分岐部３ａおよび３ｂ上にそれぞれ、コンタクトプラグ８ａおよび８ｂをそれぞれ介して金属配線層９ａおよび９ｂにそれぞれ接続して２ヶ所から端子をとるレイアウトにする。また同様に、段差５とは反対側の抵抗体４の端部も互いに対称となるように二つに分岐し、その二つの分岐部４ａおよび４ｂ上にそれぞれ、コンタクトプラグ１０ａおよび１０ｂをそれぞれ介して金属配線層１１ａおよび１１ｂにそれぞれ接続して２ヶ所から端子をとるレイアウトにする。

要するに、二つの抵抗体３、４の段差５とはそれぞれ反対側の各抵抗体３、４の端部にコンタクトプラグ８ａとコンタクトプラグ１０ａをそれぞれ介して接続された電流・電圧供給用の第２金属配線としての各金属配線層９ａおよび１１ａがそれぞれ配設されており、これらの金属配線９ａおよび１１ａとは別に、二つの抵抗体３、４の段差５とはそれぞれ反対側の抵抗体３、４の端部にコンタクトプラグ８ｂとコンタクトプラグ１０ｂをそれぞれ介して接続された電流・電圧供給用の第３金属配線としての金属配線９ｂおよび１１ｂがそれぞれ配設されている。

二つの抵抗体３、４はそれぞれ、各抵抗体の平面視パターンが途中から対称的に二つに分かれて各端部からコンタクトプラグ８ａ、８ｂとコンタクトプラグ１０ａ、１０ｂをそれぞれ介して金属配線９ａ、９ｂおよび金属配線１１ａ、１１ｂにそれぞれ接続されている。この場合に、抵抗体３はその段差５から二つに分かれた各端部までの距離および抵抗値が同等であり、抵抗体４はその段差５から二つに分かれた各端部までの距離および抵抗値が同等である。各抵抗体３、４の平面視パターンは４端子の抵抗測定パターンである。

上記構成により、以下、その動作について説明する。

図３〜図５はそれぞれ、図１の抵抗測定素子１のコンタクト抵抗測定の等価回路図および３つの経路でのＩ−Ｖ特性図である。

ここでは、例えば電流Ｉとして３００μＡを流し、電圧Ｖｍ１、Ｖｍ２を測定して、以下の式（６）により抵抗値を求めることができる。

抵抗値＝（Ｖｍ１−Ｖｍ２）／Ｉ …(６)
図３に示すように、抵抗体４ａ−金属配線７ａ間に電圧Ｖを印加し電流Ｉを流す。抵抗体４ｂ−金属配線７ｂ間で電圧測定を行うが、電圧測定器は内部抵抗が高く、流れる電流ｉ≒０となる。即ち、測定された各電圧の電位差（Ｖｍ１−Ｖｍ２）≒Ｉ・Ｒｎとなり、コンタクト抵抗Ｒｎだけを測定することが可能になる。

また同様に、図４に示すように、抵抗体３ａ−金属配線７ａ間に電圧Ｖを印加し電流Ｉを流す。抵抗体３ｂ−金属配線７ｂ間で電圧測定を行うが、電圧測定器は内部抵抗が高く、流れる電流ｉ≒０となる。即ち、測定された各電圧の電位差（Ｖｍ３−Ｖｍ２）≒Ｉ・Ｒｐｏになり、コンタクト抵抗Ｒｐｏだけを測定することが可能になる。

図５に示すように、抵抗体４ａ−抵抗体３ａ間に電圧Ｖを印加し電流Ｉを流す。抵抗体４ｂ−抵抗体３ｂ間で電圧測定を行うが、電圧測定器は内部抵抗が高く、流れる電流ｉ≒０となる。即ち、測定された各電圧の電位差（Ｖｍ１−Ｖｍ３）≒Ｉ・（Ｒｎ＋Ｒｐｏ）となり、二つのコンタクト抵抗の和（Ｒｎ＋Ｒｐｏ）を測定することが可能になる。

このようにして、コンタクト抵抗Ｒｎ、コンタクト抵抗Ｒｐｏおよびコンタクト抵抗の和（Ｒｎ＋Ｒｐｏ）のうちの少なくともいずれかを容易かつ精度よく測定することができる。

図６は、図１の抵抗測定素子と同一構造を有するＣＣＤ型固体撮像素子のフローティングディフュージョン部ＦＤの平面図である。

図６において、ＣＣＤ型固体撮像素子の撮像領域２１に複数の受光部が設けられており、複数の受光部で被写体光が光電変換された各信号電荷が複数列の垂直電荷転送ＣＣＤ２２により各垂直方向に電荷転送された後に、各信号電荷が１行（または上下２行）の水平電荷転送ＣＣＤ２３により水平方向に電荷転送され、フローティングディフュージョン部ＦＤ（電荷検出部；信号出力部）の拡散領域（抵抗体４）まで電荷転送される。画素毎に転送されてきた信号電荷が抵抗体４からコンタクトプラグ６を介して抵抗体３に信号電圧として伝わり、ポリシリコンゲート（抵抗体３）を有する増幅トランジスタ２４により、ポリシリコンゲート（抵抗体３）の電圧に応じて信号増幅されて信号出力される。このように、抵抗体４の拡散領域まで電荷転送されてきた信号電荷がコンタクトプラグ６を介してポリシリコンゲート（抵抗体３）に流れ込んで電圧として働いている。

即ち、ポリシリコンゲート（抵抗体３）はソースフォロワの増幅トランジスタ２４のゲートになっている。このポリシリコンゲート電圧に応じて増幅トランジスタ２４が増幅して信号出力する。リセット電圧供給端に所定電圧のリセット電圧が印加され、リセットゲートＧへの印加電圧によりフローティングディフュージョン部ＦＤにそのリセット電圧が供給されて、一つの信号電荷が転送されてくるとその信号電荷に応じて所定のリセット電圧から電圧レベルが下がる。次の画素の信号電荷が転送されてくるまでにリセットゲートＧへの印加電圧によりフローティングディフュージョン部ＦＤにそのリセット電圧が供給されて、次の画素の信号電荷に応じて所定のリセット電圧から電圧レベルが下がることが繰り返される。なお、ここでは、図１のようなコンタクトプラグ６上に金属配線層７のような金属配線層Ｍはあるものの、その金属配線層Ｍの両端には各端子が接続されておらず、半導体基板上に形成された二つの抵抗体３、４の段差５上にコンタクトプラグ６が形成されている。図６に点線で示す金属配線層Ｍがコンタクトプラグ６上を覆うようなレイアウトになっている。このように、コンタクトプラグ６とのコンタクト抵抗を持つという点で本実施形態の抵抗測定素子１と同一構造になっている。

したがって、ＣＣＤ型固体撮像素子と共にその近傍位置に本実施形態の抵抗測定素子１を形成しておき、本実施形態の抵抗測定素子１を用いて、ＣＣＤ型固体撮像素子のフローティングディフュージョン部ＦＤにおける段差構造のコンタクト抵抗として、二つの抵抗体３、４の段差５上にコンタクトプラグ６が形成された場合の前述のコンタクト抵抗Ｒｎ、Ｒｐｏ、Ｒｎ＋Ｒｐを代替として確実かつ精度よく測定することができる。

図７は、ウエハの平面図である。

図７において、複数チップ×複数チップ（回路パターン；固体撮像素子などの半導体素子や半導体集積回路）を１ショットとしてウエハ上に複数ショット配置している。

図８（ａ）は、図７の複数チップ×複数チップからなる１ショット内の抵抗測定素子１の配置を示す模式図であり、図８（ｂ）は、図８（ａ）の抵抗測定素子１の配置部分の拡大図である。

図８（ａ）に示すように、○で囲んだ左列中央のチップ上側部に図１の抵抗測定素子１が配置されている。この抵抗測定素子１は、複数チップ×複数チップのうちのどのチップの周囲に配置してもよいし、全てのチップの周囲に配置してもよい。この抵抗測定素子１では、二つの抵抗体３、４の段差５上のコンタクトプラグ６を介して接続された金属配線層により各メタルパッドが接続されており、この各メタルパッドを用いて、前述のコンタクト抵抗（接触抵抗）Ｒｎ、Ｒｐｏ、Ｒｎ＋Ｒｐを代替として測定して、実際の固体撮像素子の、抵抗測定素子１と同一構造部分（二つの抵抗体３、４の段差５上のコンタクトプラグ６がある構造）の前述のコンタクト抵抗（接触抵抗）Ｒｎ、Ｒｐｏ、Ｒｎ＋Ｒｐを類推することができる。実際の測定は、複数のオートプローブが各メタルパッド上に下がって接触し、自動的にコンピュータが所定のメタルパッドに電圧・電流を供給して所定のメタルパッド間の電圧などを計測し、その計測結果を用いて計算して前述のコンタクト抵抗（接触抵抗）Ｒｎ、Ｒｐｏ、Ｒｎ＋Ｒｐを表示画面上に表示させる。

抵抗体３とコンタクトプラグ６の接触面積、抵抗体４とコンタクトプラグ６の接触面積、それぞれの部材の材質、各種製造条件や製造状況などにより、前述のコンタクト抵抗（接触抵抗）Ｒｎ、Ｒｐｏ、Ｒｎ＋Ｒｐは変化する。特に、具体的には、ＣＣＤ固体撮像素子の信号出力部（フローティングディフュージョン部ＦＤ）は重要であるから、この信号出力部のコンタクト抵抗Ｒｎ、Ｒｐｏ、Ｒｎ＋Ｒｐを監視するために抵抗測定素子１によりコンタクト抵抗Ｒｎ、Ｒｐｏ、Ｒｎ＋Ｒｐを代替して測定している。

接触部分の性能向上のために、このコンタクト抵抗Ｒｎ、Ｒｐｏ、Ｒｎ＋Ｒｐを適切（コンタクト抵抗を下げたい場合と上げたい場合がある）にするにはどうすればよいかだけではなく、生産品のモニタをするのにも使えっている。これによって、製品品質の向上のために、使えない生産品を排除することもできる。具体的には、コンタクトプラグ６のメタル（アルミニュウムなど）を埋め込むときに不具合（十分に埋め込まれていないなど）があると、基準値以上の大きなコンタクト抵抗Ｒｎ、Ｒｐｏ、Ｒｎ＋Ｒｐになる。

抵抗測定素子１自体は、固体撮像素子や半導体集積回路装置などのデバイスの動作には全く関与しおらず、プロセス評価用のＴＥＧの中に形成されている。製品出荷検査時に電気特性テストとしてプロセスの出来上がり状態を評価するための検査を行うときに、抵抗測定素子１によるコンタクト抵抗の測定を、デバイスの同一構造部分の代替として行う。その後、デバイスの動作テストを実施する。コンタクト抵抗の抵抗値が基準値よりも高ければ、例えばコンタクトプラグのメタルの埋め込みが不十分であるとかが分かる。Ｒｐｏ（５０オーム程度）＋Ｒｎ（１００オーム程度）＝１５０オーム程度を中心とした所定範囲内を基準にして、ウエハのロット毎（製造状況が異なっている）に各種素子特性や接続構造部分の特性（コンタクト抵抗など）を測る。電気特性テストの他の評価項目として、例えば固体撮像素子や半導体集積回路装置などのデバイスなどに用いられているトランジスタのスレッシュホールド電圧Ｖｔｈを代替として測ったりする。それらの測定結果を履歴として残しておいて、最終的にトータルとして製品評価をする。

以上により、本実施形態によれば、二つの抵抗体３、４が間に絶縁膜を介して一部重なる段差５上の層間絶縁層１２にコンタクトプラグ６が形成され、その上に金属配線層７が設けられている。二つの抵抗体３、４の段差５とはそれぞれ反対側の各抵抗体３、４の端部にそれぞれコンタクトプラグ８ａとコンタクトプラグ１０ａをそれぞれ介して接続された電流・電圧供給用の各金属配線層９ａおよび１１ａがそれぞれ配設されており、これらの金属配線９ａおよび１１ａとは別に、二つの抵抗体３、４の段差５とはそれぞれ反対側の抵抗体３、４の端部にコンタクトプラグ８ｂとコンタクトプラグ１０ｂをそれぞれ介して接続された電流・電圧供給用の金属配線９ｂおよび１１ｂがそれぞれ配設されている。または、二つの抵抗体が間に絶縁膜を介して一部重なる段差上にコンタクトプラグが形成され、その上に金属配線層が設けられている。この二つの抵抗体の段差とは反対側の各抵抗体の端部をそれぞれ、抵抗体の端部が互いに対称となるように二つに分岐し、その二つの分岐部にそれぞれ、コンタクトプラグをそれぞれ介して各金属配線層にそれぞれ接続して２ヶ所から端子をとる平面レイアウトにしている。これによって、半導体基板上に形成された二つの抵抗体の段差上にコンタクトプラグが形成された場合に、二つの抵抗体の段差のある抵抗体のコンタクト抵抗を容易かつ正確に測定することができる。また、二つの抵抗体のコンタクト抵抗成分を別々に測定することができると共にこれらを加えた状態で測定することができるため、特性異常原因の判別および、性能向上などに役立てることができる。

なお、上記実施形態では、特には説明しなかったが、半導体基板上に形成された二つの抵抗体の段差上にコンタクトプラグが形成され、コンタクトプラグ上にこれに接続される第１金属配線が配設されており、二つの抵抗体の段差とはそれぞれ反対側の各抵抗体の端部にコンタクトプラグをそれぞれ介して接続された各第２金属配線がそれぞれ配設された抵抗測定素子であって、各第２金属配線とは別に、二つの抵抗体の段差とはそれぞれ反対側の各抵抗体の端部にコンタクトプラグをそれぞれ介して接続された各第３金属配線がそれぞれ配設されている。これによって、半導体基板上に形成された二つの抵抗体の段差上にコンタクトプラグが形成された場合に、段差のある抵抗体のコンタクト抵抗を容易かつ正確に測定する本発明の目的を達成することができる。

また、上記実施形態では、二つの抵抗体３，４の端部はそれぞれ、各抵抗体３，４の平面視パターンが途中から対称に分岐しており、二つの抵抗体３，４の段差５から途中で分岐した抵抗体３，４の各端部までの距離および抵抗値が同等である場合について説明したが、これに限らず、二つの抵抗体３，４の端部はそれぞれ、各抵抗体３，４の平面視パターンが途中から非対称に分岐していてもよく、二つの抵抗体３，４の段差５から途中で分岐した抵抗体３，４の各端部までの距離および抵抗値が異なっていてもよい。このように、各抵抗体３，４の平面視パターンが対称である必要はなく、その距離および抵抗も同等である必要はない。要するに、コンタクトプラグ６、８ａ、８ｂ、１０ａまたは１０ｂとの接触抵抗以外の寄生抵抗は全て測定でキャンセルされるからである。

以上のように、本発明の好ましい実施形態を用いて本発明を例示してきたが、本発明は、この実施形態に限定して解釈されるべきものではない。本発明は、特許請求の範囲によってのみその範囲が解釈されるべきであることが理解される。当業者は、本発明の具体的な好ましい実施形態の記載から、本発明の記載および技術常識に基づいて等価な範囲を実施することができることが理解される。本明細書において引用した特許、特許出願および文献は、その内容自体が具体的に本明細書に記載されているのと同様にその内容が本明細書に対する参考として援用されるべきであることが理解される。

本発明は、半導体基板上に形成された二つの抵抗体の段差上にコンタクトプラグが形成された抵抗測定素子およびコンタクト抵抗の測定方法、並びに、この抵抗測定素子を用いた固体撮像素子および半導体集積回路装置などを搭載した半導体素子チップおよびその評価方法の分野において、半導体基板上に形成された二つの抵抗体の段差上にコンタクトプラグが形成された場合に、二つの抵抗体の段差のある抵抗体のコンタクト抵抗を容易かつ正確に測定することができる。また、二つの抵抗体のコンタクト抵抗成分を別々に測定することができると共にこれらを加えた状態で測定することができるため、これを用いて特性異常原因の判別や、素子や接触部分の性能向上などに大いに役立てることができる。

本発明の抵抗測定素子の実施形態におけるレイアウト構成例を模式的に示す平面図である。 図１のＡＡ’線縦断面図である。 図１の抵抗測定素子のコンタクト抵抗測定の等価回路図およびコンタクト抵抗Ｒｎの測定経路でのＩ−Ｖ特性図である。 図１の抵抗測定素子のコンタクト抵抗測定の等価回路図およびコンタクト抵抗Ｒｐｏの測定経路でのＩ−Ｖ特性図である。 図１の抵抗測定素子のコンタクト抵抗測定の等価回路図およびコンタクト抵抗（Ｒｎ＋Ｒｐｏ）の測定経路でのＩ−Ｖ特性図である。 図１の抵抗測定素子と同一構造を有するＣＣＤ型固体撮像素子のフローティングディフュージョン部ＦＤの平面図である。 ウエハの平面図である。 （ａ）は、図７の複数チップ×複数チップからなる１ショット内の抵抗測定素子の配置を示す模式図であり、（ｂ）は、（ａ）の抵抗測定素子の配置部分の拡大図である。 特許文献１に開示されている従来のコンタクト抵抗測定素子の構造を模式的に示す平面図である。 図９のコンタクト抵抗測定素子において、２対のコンタクトプラグを含む場合の等価回路図である。 従来のコンタク抵抗測定について説明するためのコンタクプラグ周辺の構成例を模式的に示す要部縦断面図である。 本発明の抵抗測定素子に対応するべく、半導体基板上に形成された二つの抵抗体の段差上にコンタクトプラグが形成された場合のコンタクプラグ周辺の構成例に類似した構成例を模式的に示す要部縦断面図である。 図１２でコンタクト抵抗を測定する場合の等価回路図である。

符号の説明

１ 抵抗測定素子
２ 半導体基板
３、４ 抵抗体
５ 段差
６、８ａ、８ｂ、１０ａ、１０ｂ コンタクトプラグ
７，９ａ、９ｂ、１１ａ、１１ｂ 金属配線層
１２ 層間絶縁層
Ｒｐｏ、Ｒｎ コンタクト抵抗
ＦＤ 出力部（フローティングディフュージョン部）

Claims (15)

1. 半導体基板上に形成された二つの抵抗体の段差上にコンタクトプラグが形成され、該コンタクトプラグ上にこれに接続される第１金属配線が配設されており、該二つの抵抗体の段差とはそれぞれ反対側の各抵抗体の端部にコンタクトプラグをそれぞれ介して接続された各第２金属配線がそれぞれ配設された抵抗測定素子であって、該各第２金属配線とは別に、該二つの抵抗体の段差とはそれぞれ反対側の各抵抗体の端部にコンタクトプラグをそれぞれ介して接続された各第３金属配線がそれぞれ配設された抵抗測定素子。
2. 前記第２金属配線および前記第３金属配線はそれぞれ、前記各抵抗体の端部からコンタクトプラグをそれぞれ介して独立して配置されている請求項１に記載の抵抗測定素子。
3. 前記二つの抵抗体の端部はそれぞれ、該各抵抗体の平面視パターンが途中から対称または非対称に分岐している請求項１に記載の抵抗測定素子。
4. 前記二つの抵抗体の段差から途中で分岐した抵抗体の各端部までの距離および抵抗値が同等または異なっている請求項３に記載の抵抗測定素子。
5. 前記二つの抵抗体の平面視パターンは、４端子に接続された抵抗測定パターンである請求項３に記載の抵抗測定素子。
6. 前記第１金属配線の両端の２端子、前記各第２金属配線の２端子および前記各第３金属配線の２端子により６つの抵抗測定端子を有している請求項１に記載の抵抗測定素子。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の抵抗測定素子と、該抵抗測定素子と同一構造を有する固体撮像素子とを有する半導体素子チップ。
8. 請求項１〜６のいずれかに記載の抵抗測定素子と、該抵抗測定素子と同一構造を有する半導体集積回路とを有する半導体素子チップ。
9. 前記抵抗測定素子と同一構造は、前記二つの抵抗体の段差上にコンタクトプラグが形成された構造である請求項７または８に記載半導体素子チップ。
10. 前記抵抗測定素子と同一構造は、ＣＣＤ型固体撮像素子の信号出力部の構造である請求項７に記載の半導体素子チップ。
11. 請求項１〜６のいずれかに記載の抵抗測定素子を用いて、前記二つの抵抗体の段差上にコンタクトプラグが形成された構造における一方の抵抗体のコンタクト抵抗Ｒｐｏ、他方の抵抗体のコンタクト抵抗Ｒｎ、これらの和のコンタクト抵抗Ｒｐｏ＋Ｒｎを測定し、その測定結果を、該抵抗測定素子と同一構造の半導体素子部分のコンタクト抵抗として評価する半導体素子チップの評価方法。
12. 請求項１〜６のいずれかに記載の抵抗測定素子を用いて、前記二つの抵抗体のうちの他方の抵抗体に接続される第２金属配線−第１金属配線の一方端間に所定電圧Ｖを印加し所定電流Ｉを流して、該他方の抵抗体に接続される第３金属配線−第１金属配線の他方端間で各電圧Ｖｍ１、Ｖｍ２の測定を行って、電圧測定器は内部抵抗が高く、流れる電流ｉ≒０となり、測定された各電圧の電位差（Ｖｍ１−Ｖｍ２）≒Ｉ・Ｒｎとなり、該他方の抵抗体のコンタクト抵抗Ｒｎを測定するコンタクト抵抗の測定方法。
13. 請求項１〜６のいずれかに記載の抵抗測定素子を用いて、前記二つの抵抗体のうちの一方の抵抗体に接続される第２金属配線−第１金属配線の一方端間に所定電圧Ｖを印加し所定電流Ｉを流して、該一方の抵抗体に接続される第３金属配線−第１金属配線の他方端間で各電圧Ｖｍ３、Ｖｍ２の測定を行って、電圧測定器は内部抵抗が高く、流れる電流ｉ≒０となり、測定された各電圧の電位差（Ｖｍ３−Ｖｍ２）≒Ｉ・Ｒｐｏになり、該一方の抵抗体のコンタクト抵抗Ｒｐｏを測定するコンタクト抵抗の測定方法。
14. 請求項１〜６のいずれかに記載の抵抗測定素子を用いて、前記二つの抵抗体のうちの他方の抵抗体に接続される第２金属配線−一方の抵抗体に接続される第２金属配線間に所定電圧Ｖを印加し所定電流Ｉを流して、該他方の抵抗体に接続される第３金属配線−該一方の抵抗体に接続される第３金属配線間で各電圧Ｖｍ１、Ｖｍ３の測定を行って、電圧測定器は内部抵抗が高く、流れる電流ｉ≒０となり、測定された各電圧の電位差（Ｖｍ１−Ｖｍ３）≒Ｉ・（Ｒｎ＋Ｒｐｏ）となり、該二つの抵抗体のコンタクト抵抗の和（Ｒｎ＋Ｒｐｏ）を測定するコンタクト抵抗の測定方法。
15. 請求項１〜６のいずれかに記載の抵抗測定素子を用いて、前記二つの抵抗体のうちの他方の抵抗体に接続される第２金属配線−第１金属配線の一方端間に所定電圧Ｖを印加し所定電流Ｉを流して、該他方の抵抗体に接続される第３金属配線−第１金属配線の他方端間で各電圧Ｖｍ１、Ｖｍ２の測定を行って、電圧測定器は内部抵抗が高く、流れる電流ｉ≒０となり、測定された各電圧の電位差（Ｖｍ１−Ｖｍ２）≒Ｉ・Ｒｎとなり、該他方の抵抗体のコンタクト抵抗Ｒｎを測定し、
    該二つの抵抗体のうちの一方の抵抗体に接続される第２金属配線−第１金属配線の一方端間に所定電圧Ｖを印加し所定電流Ｉを流して、該一方の抵抗体に接続される第３金属配線−第１金属配線の他方端間で各電圧Ｖｍ３、Ｖｍ２の測定を行って、電圧測定器は内部抵抗が高く、流れる電流ｉ≒０となり、測定された各電圧の電位差（Ｖｍ３−Ｖｍ２）≒Ｉ・Ｒｐｏになり、該一方の抵抗体のコンタクト抵抗Ｒｐｏを測定し、
    該二つの抵抗体のうちの他方の抵抗体に接続される第２金属配線−一方の抵抗体に接続される第２金属配線間に所定電圧Ｖを印加し所定電流Ｉを流して、該他方の抵抗体に接続される第３金属配線−該一方の抵抗体に接続される第３金属配線間で各電圧Ｖｍ１、Ｖｍ３の測定を行って、電圧測定器は内部抵抗が高く、流れる電流ｉ≒０となり、測定された各電圧の電位差（Ｖｍ１−Ｖｍ３）≒Ｉ・（Ｒｎ＋Ｒｐｏ）となり、該二つの抵抗体のコンタクト抵抗の和（Ｒｎ＋Ｒｐｏ）を測定するコンタクト抵抗の測定方法。

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