JP2010027973A - ビア不良検出構造及びビア不良検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】多層配線の形成後に、熱履歴に起因するビア不良を検出するビア不良検出構造を提供する。
【解決手段】 ビア不良検出構造は、半導体基板上の第１配線、前記第１配線の上方に位置する第２配線、及び前記第１配線と第２配線を電気的に接続する第１ビアを含むビアチェーン（１５）と、前記ビアチェーンの一端側に接続される検査領域（Ｃ）と、前記ビアチェーンを、前記半導体基板と電気的に接続するコンタクト領域（Ｂ）と、を含み、前記検査領域は、前記ビアチェーンの一端側から引き出され、前記第１配線よりも大きなサイズの引き出し配線（２２Ｃ、２３Ｃ、２４Ｃ）が前記ビアチェーンの第２配線よりも上層まで積層された多層引き出し配線と、前記多層引き出し配線を各層間で接続する引き出し配線ビア（３２、３３）とを含む。
【選択図】 図３

Description

本発明は、半導体装置に用いられる多層配線において、上層配線と下層配線を接続する接続ビアの不良を検出するためのビア不良検出構造と、ビア不良検出方法に関する。

情報化社会の急速な発展により、半導体装置の高機能化、高速化への要望が高まっている。それにともなって、大規模な高集積デバイスを実現するために、配線の多層化と微細化が進んでいる。一般に、多層配線構造では、上下の配線層を、接続ビアによって電気接続しているが、配線の微細化につれて、ビア径も小さくなり、上下配線の電気接続をとることができないビアオープン不良（又は高抵抗ビア）が発生するようになってきている。ビアのオープン不良を検出するために、ビアチェーン構造を用いたビアチェックが行われている。

図１は、従来のビアチェック用のビアチェーン構造を示す概略図である。図１（Ａ）に示すように、ビアチェーン構造１００は、絶縁膜１１１に形成された下層の第１配線１２１と、層間絶縁膜１１２に形成された上層の第２配線１２２を、第１ビア１３１を用いてチェーン状に順次接続したものである。ビアチェーン構造１００は、下層配線１２１の端部で、コンタクト１３０を介して、シリコン基板１０１と電気的に接続されている。

チェーン構造１００の始端と終端の間の電気的な導通を測定した結果、電気抵抗が所定のレベルを越える場合は、ビアオープン不良と判断される。ビアオープン不良と判断された場合、どの箇所でビア不良が生じているかを特定する必要がある。

従来の方法では、ビアチェーン構造１００の表面（第２配線１２２）上に電子ビームを照射し、２次電子を検出して得られる電位コントラスト像を観察することで、ビアオープン不良の箇所を検出していた。たとえば、図１（Ｂ）に示すように、Ａ−Ａ’線に沿った配線列の少なくとも一部分がダークコントラストとして検出された場合、この列が、ビア不良を含むチェーンであると判断される。この例では、Ａ’側が接地電位に接続されているとして、右から２番目の第２配線１２２Ｆから左がダークコントラストとなっている。

図１（Ａ）において、サークルで囲まれた第１ビア１３１ａ、すなわち、ダークコントラストの始点となる配線１２２Ｆと、これに隣接する導通配線１２２Ｒとの境界に位置する第１ビア１３１ａが、ビア不良となっている。このため、配線１２２Ｆを接地電位とすることができず、弱いコントラストしか得られない。

なお、第１ビア１３１ａに不良が生じていなくても、配線１２２Ｆと１２２Ｒの境界に位置するもうひとつの第１ビア１３３ｂが不良となっている場合も、配線１２２Ｆを接地電位とすることができないので、図１（Ｂ）に示すコントラスト像となる。逆に言うと、図１（Ｂ）のようなコントラスト像が得られた場合、ダークコントラストの始点となる配線１２２Ｆと、これに隣接する導通配線１２２Ｒとの境界に位置する第１ビア１３１ａ、１３１ｂの少なくとも一方で、ビア不良が生じていると判断できる。

しかし、上述した従来方法では、２層配線プロセス完了時点までに発生する不良モードしか検出できない。つまり、２層を越える多層配線プロセスの熱履歴で生じる不良モード（たとえばＣｕ配線中のボイド成長等）については、検出することができない。

多層配線層のビアチェック構造として、電子ビームの照射により得られる最上層の配線パターンの電位コントラスト像の特徴に応じて、ビア不良が発生している層と位置を特定する方法が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。この方法では、２層目までの配線層を下層ビアチェーンとし、２層目の各配線から上層に向けて、ツリー状に分岐させた上層配線（第３層以降）を配置する。上層に向かって各配線をツリー状に分岐させていくので、上の配線の長さは、下の配線の長さのほぼ１／２となる。この配線ツリー構造を用いると、ビア不良が生じた配線層に応じて、異なるパターンの電位コントラスト像が得られるので、ビア不良が生じている層と箇所を特定することができる。
特開２００５−１０８９１３号公報

しかし、上述した提案方法では、分岐の都度、配線長を１／２、１／４と小さくしていくので、多層化される層の数に限界がある。

そこで、本発明は、３層以上の多層配線構造において、熱履歴で発生したビア不良の検出を容易に行うことのできるビア不良検出構造と、ビア不良検出方法を提供することを課題とする。

第１の側面では、ビア不良検出構造は、
半導体基板上の第１配線、前記第１配線の上方に位置する第２配線、及び前記第１配線と第２配線を電気的に接続する第１ビアを含むビアチェーンと、
前記ビアチェーンの一端側に接続される検査領域と、
前記ビアチェーンを、前記半導体基板と電気的に接続するコンタクト領域と
を含み、前記検査領域は、
前記ビアチェーンの一端側から引き出され、前記第１配線よりも大きなサイズの引き出し配線が前記ビアチェーンの第２配線よりも上層まで積層された多層引き出し配線と、
前記多層引き出し配線を各層間で接続する引き出し配線ビアと
を含む。

上記のビア不良検出構造により、多層配線を形成した後に、熱履歴に起因してビア不良が発現した場合でも、ビア不良の発生箇所を検出することができる。

以下、図面を参照して、本発明の良好な実施形態を説明する。図２及び図３は、第１実施形態のビア不良検出構造を示す図である。図２は、ビア不良検出構造の概略平面図、図３は、図２のＡ−Ａ’線に沿った概略断面図である。

第１実施形態のビア不良検出構造２０は、ビアチェーン１５と、ビアチェーン１５の一端側に接続される検査領域Ｃと、ビアチェーン１５の他端側に接続されるコンタクト領域Ｂを含む。図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示すように、ビアチェーン１５は、下層の第１配線２１、上層の第２配線２２、及び第１配線と第２配線との間を電気的に接続する第１ビア３１を含む。第２配線２２は、第１配線のスペースに対応する位置に配置され、第１ビア３１を介して、第１配線２１とチェーン状に接続されている。

検査領域Ｃは、ビアチェーン１５の一端から引き出される引き出し配線２２Ｃを含む。この引き出し配線２２Ｃは、ビアチェーン１５を構成する第１配線２１及び第２配線２２よりも、大きなサイズに設定されている。引き出し配線２２Ｃは、第２配線２２と同じ配線層に位置するので、便宜上、第２引き出し配線２２Ｃと称する。

引き出し配線２２Ｃの上方に、複数の第２ビア３２を介して、第２引き出し配線２２Ｃと同じ大きさの第３引き出し配線２３Ｃ、第４引き出し配線２４Ｃが、多層に配置されている。この層構成を、多層引き出し配線と称する。多層引き出し配線において、第２引き出し配線２２Ｃと、第３引き出し配線２３Ｃは、層間絶縁膜１２に形成された複数の第２ビア３２によって、電気的に接続される。第２ビア３２は、その少なくとも一部に、径の大きなワイドビア３２Ｗを含む。同様に、第３引き出し配線２３Ｃと第４引き出し配線２４Ｃを電気的に接続するために、層間絶縁膜１３に複数の第３ビア３３が設けられ、その少なくとも一部に、径の大きなワイドビア３３Ｗを含む。

検査領域Ｃの上下の引き出し配線間に複数のビアを設けることによって、第２引き出し配線２２Ｃと第３引き出し配線２３Ｃの間、及び第３引き出し配線２３Ｃと第４引き出し配線２４Ｃの間の電気接続を、確実にすることができる。各配線間のビアの少なくとも一部の径を大きくするのも、検査領域Ｃでの上下の引き出し配線間の電気接続を確実にするためである。

ビアチェーン１５を挟んで、検査領域Ｃと反対側に位置するコンタクト領域Ｂでは、第１配線２１の端部が、絶縁膜１０に形成されたコンタクト３０を介して、シリコン基板１と電気接続されている。シリコン基板１の表面には、一連のフロントエンドプロセスを経て、トランジスタ等のデバイス５が形成されている。

ビアチェーン１５の第１配線２１は、例えば、配線幅０．１μｍ、長さ０．４μｍの大きさであり、Ｙ方向（図２参照）に、０．３μｍ間隔（中心間距離）で、複数列にわたって配置されている。Ｘ方向には、各列において、配線が０．５μｍピッチで配列されている。ビアチェーン１５の第２配線２２は、第１配線２１を覆う第１層間絶縁膜１１に形成され、第１配線２１と同じ大きさである。検査領域Ｃの第２引き出し配線２２Ｃは、ビアチェーン１５の第２配線２２よりも大きく、例えば、配線幅が０．３μｍ、長さが１μｍである。第３引き出し配線２３Ｃ及び第４引き出し配線２４Ｃは、第２引き出し配線２２Ｃとほぼ同じサイズである。

次に、図４を参照して、ビア不良検出構造２０を用いてビア不良を検出する方法を説明する。シリコン基板１の最表面、すなわち、検査領域Ｃの第４引き出し配線２４Ｃに対して、電子ビームを照射する。電子ビームの照射により、第４引き出し配線２４Ｃの表面から、二次電子が発生する。この二次電子を検出器で検出して、検出した信号の強弱を表示部に表示することにより、電位コントラスト像が得られる。

電位コントラスト像は、最上層の第４引き出し配線２４Ｃとシリコン基板１との間で導通がとれていれば、強いコントラストを得ることができる。したがって、すべてのビアに異常がない場合には、第４引き出し配線２４Ｃのパターンは、すべて明るく見える（ブライトコントラスト）。一方、一部のビアにオープン不良がある場合には、そのオープン不良ビアが含まれるビア列に接続されている第４引き出し配線が、弱いコントラストになる。図４の例では、紙面の下から２列目のビア列に不良ビア３１ｆが存在する。したがって、このビア列に接続されている下から２番目の第４引き出し配線２４Ｃが、暗いコントラストとなる。

検査領域Ｃの多層引き出し配線２２Ｃ、２３Ｃ、２４Ｃは、シリコン基板１上の実際のデバイス領域の対応する配線層での配線パターンと同時に形成される。したがって、第４引き出し配線２４Ｃが形成される時点では、ビアチェーン１５は、多層配線プロセスの熱履歴を経ている。ビアチェーン１５の形成時（この例では、第２配線層の形成時）には、ＳＥＭ検査等によって検出されなかったビア不良が、熱履歴を経ることによって、ビアオープン不良となって発現する場合があるが、第１実施形態のビア検出構造２０を用いることにより、熱履歴で発現するビアオープン不良を、多層配線の形成後に、正確に検出することができる。

図５及び図６は、本発明の第２実施形態のビア不良検出構造５０を示す概略図である。第１実施形態では、多層配線プロセスにおける熱履歴を経た後で、ビアチェーンのどの列にビア不良が生じているかを特定することができるが、そのビア列の、どの箇所でビア不良が生じているかを、特定することはできない。

そこで、第２実施形態では、多層配線プロセスの熱履歴を経た後でも、ビアチェーンのどの配線列の、どの箇所にビア不良が発生しているかを特定できるビア不良検出構造を提供する。

図５は、ビア不良検出構造５０の平面図、図６（Ａ）は、図５のＡ−Ａ’線に沿った配線列の平面図、図６（Ｂ）は図５のＡ−Ａ’に沿った配線列の概略断面図である。第２実施形態では、検査領域Ｃだけではなく、ビアチェーン上にも、多層にダミー配線列を積み重ねた多層ビアチェーン４５を用いる。

多層ビアチェーン４５の一端側は、検査領域Ｃに接続され、もう一方の端部は、シリコン基板１との電気接続をとるコンタクト領域Ｂに接続されている。コンタクト領域Ｂにおいて、ビアチェーン４５の最下層を構成する第１配線５１の端部が、絶縁膜１０に形成されるコンタクト３０を介して、シリコン基板１と電気接続されている。シリコン基板１の表面には、一連のフロントエンドプロセスを経て、トランジスタ等のデバイスが形成されているが、図示を省略する。

ビアチェーン４５の第１配線５１は、例えば、配線幅０．１μｍ、長さ０．４μｍの大きさであり、Ｙ方向（図５参照）に、０．３μｍ間隔（中心間距離）で、複数列にわたって配置されている。Ｘ方向には、各列において、０．５μｍピッチで配線が配列されている。

ビアチェーン４５の第２配線５２は、第１配線５１を覆う第１層間絶縁膜１１に形成されている。第２実施形態では、第２配線５２は、第１配線５１よりも幅広に形成され、たとえば、配線幅０．３μｍ、長さは０．４μｍである。第２配線５２は、第１配線５１のスペース領域に対応する位置に配置され、第１ビア３１を介して、チェーン状に第１配線５１と電気接続されている。

ビアチェーン４５の端部の第１配線５１から、検査領域Ｃへと、第２引き出し配線５２Ｃが引き出されている。第２引き出し配線５２Ｃは、ビアチェーン４５の第２配線５２よりも大きなサイズに設定されている。この例では、第２配線５２Ｃのサイズは、配線幅が０．３μｍ、長さが１μｍである。

ビアチェーン４５の第３配線５３と第４配線５４は、第２配線５２と同じサイズである。ビアチェーン４５の第２配線５２と第３配線５３は、第２ビア６２で電気接続され、第３配線５３と第４配線５４は、第３ビア６３で電気接続されている。

同様に、検査領域Ｃにおける第３引き出し配線５３Ｃと第４引き出し配線２４Ｃは、第２引き出し配線２２Ｃと同じサイズである。第２引き出し配線５２Ｃと第３引き出し配線５３Ｃは、第２ビア６２で電気接続され、第３引き出し配線５３Ｃと第４引き出し配線５４Ｃは、第３ビア６３で電気接続されている。検査領域Ｃにおける第２ビア６２と第３ビア６３は、その少なくとも一部に、第１ビア３１よりも直径の大きなワイドビア６２Ｗ、６３Ｗをそれぞれ含む。

図７〜図９は、図５及び図６に示すビア不良検出構造５０の作製工程を示す図である。図７において、シリコン基板１上の絶縁膜１０に、ビアチェーン４５の第１配線５１を形成する。このとき、第１配線５１の端部が、シリコン基板１と電気接続をとるためにコンタクト３０に連結されるように、配線溝を形成して、Ｃｕ等の導体膜で全体を埋め込み、その後、ＣＭＰ等により、表面を平坦化して、第１配線５１を形成する。

第１配線５１上に、層間絶縁膜１１を形成し、第１配線５１に到達する第１ビア３１と、第２配線５２を形成して、ビアチェーンを形成する。第２配線の形成時に、検査領域Ｃの第２引き出し配線５２Ｃも、同時に形成する。上述のように、第２配線５２、５２Ｃの線幅は、第１配線５１の線幅よりも広く設定されている。第１ビア３１と、第２配線５２，５２Ｃは、別工程で形成してもよいし、デュアルダマシンプロセスで形成してもよい。第２配線５２は、その両端で、第１ビア３１に１つずつ接続するように形成されている。

図８において、平坦化された第２配線５２、５２Ｃ上に、層間絶縁膜１２を形成する。層間絶縁膜１２に、第２配線５２及び第２引き出し５２Ｃに到達する第２ビア６２と、第３配線５３及び第３引き出し配線５３Ｃを形成する。第２ビア６２と、第３配線５３及び第３引き出し配線５３Ｃは、別々の工程で形成してもよいし、デュアルダマシンプロセスで形成してもよい。ビアチェーンの第３配線５３と、検査領域Ｃの第３引き出し配線５３Ｃの線幅は、それぞれ第２配線５２、第２引き出し配線５２Ｃと同じである。

図８の例では、第３配線５３は、その両端で、第２ビア６２と配線幅方向に２つずつで接続するように形成されている。多層ビアチェーンを構成する第３配線５３の少なくとも一方の端部を、２以上のビア６２で下層の第２配線５２に接続することによって、電気接続を確実にすることができる。

図９において、平坦化された第３配線５３、第３引き出し配線５３Ｃ上に、層間絶縁膜１３を形成する。層間絶縁膜１３に、第３配線５３及び第３引き出し配線５３Ｃに到達する第３ビア６３と、第４配線５４及び第４引き出し配線５４Ｃを形成する。ビアチェーンの第４配線５４と、検査領域Ｃの第４引き出し配線５４Ｃの線幅は、それぞれ第３配線５３及び第３引き出し配線５３Ｃと同じである。第４配線５４は、その両端で、第３ビア６３と線幅方向に２つずつで接続するように形成されている。

図１０は、第３配線５３及び第３引き出し配線５３Ｃ、さらに、第４配線５４及び第４引き出し配線５４Ｃを形成する際の熱履歴によって、ビア不良が発生したときの、電位コントラストの概略図である。図９を参照して説明した例では、破線のサークルで示すように、熱履歴により、ビアチェーンの第１ビア３１の一部に、ビア不良箇所が発生している。この場合、第４配線層を形成後に、電子ビームを照射してビアチェックを行うと、図１０に示すように、紙面の下から２番目のチェーンの一部がダークコントラストとなり、このチェーンにビア不良が生じていることがわかる。また、ビア不良のあるチェーンにおいて、ダークコントラストが始まる右から２番目の配線７１Ｄと、これに隣接するブライトコントラストの配線７１Ｂとの境界側で、これらの配線を下層の配線に接続するビアの、少なくとも一方の側にビア不良が生じていることがわかる。

以上述べたように、実施形態のビア不良検出構造によれば、多層配線の熱履歴を経た後に発現するビア不良を、検出することができる。なお、実施形態では、４層構造の場合を例にとって説明したが、これに限定されず、５層以上の場合にも本発明の構成を適用することができる。また、実施形態では、第１配線と第２配線の間のビア不良に特化して説明したが、これに限定されるものではない。

最後に、以上の記載に対して、以下の付記を提示する。
（付記１）
半導体基板上の第１配線、前記第１配線の上方に位置する第２配線、及び前記第１配線と第２配線を電気的に接続する第１ビアを含むビアチェーンと、
前記ビアチェーンの一端側に接続される検査領域と、
前記ビアチェーンを、前記半導体基板と電気的に接続するコンタクト領域と
を含み、前記検査領域は、
前記ビアチェーンの一端側から引き出され、前記第１配線よりも大きなサイズの引き出し配線が前記ビアチェーンの第２配線よりも上層まで積層された多層引き出し配線と、
前記多層引き出し配線を各層間で接続する引き出し配線ビアと
を含むビア不良検出構造。
（付記２）
前記多層引き出し配線の各層間は、２以上の前記引き出し配線ビアによって接続されることを特徴とする付記１に記載のビア不良検出構造。
（付記３）
前記多層引き出し配線の各層間を接続する引き出し配線ビアの少なくとも一部は、前記第１ビアのビア径よりも大きなビア径を有することを特徴とする付記１に記載のビア不良検出構造。
（付記４）
前記ビアチェーン上に、前記検査領域の多層引き出し配線に対応するダミー多層配線が積層されていることを特徴とする付記１に記載のビア不良検出構造。
（付記５）
前記ビアチェーンのダミー多層配線の配線間は、配線幅方向に２以上の接続ビアで接続されていることを特徴とする付記４に記載のビア不良検出構造。
（付記６）
前記ビアチェーンの第２配線は、前記第１配線の線幅よりも太いことを特徴とする付記４に記載のビア不良検出構造。
（付記７）
前記検出領域の多層引き出し配線の配線幅は、前記ビアチェーンの第１配線の配線幅よりも大きいことを特徴とする付記１に記載のビア不良検出構造。
（付記８）
前記検出領域の多層引き出し配線の長さは、前記ビアチェーンの第１配線及び第２配線の長さよりも長いことを特徴とする付記１に記載のビア不良検出構造。
（付記９）
半導体基板上に、前記半導体基板と接続される第１配線、前記第１配線の上方に位置する第２配線、及び前記第１配線と第２配線を電気的に接続する第１ビアを含むビアチェーンを形成する工程と、
前記半導体基板上に、前記ビアチェーンの一端側から引き出され、前記第１配線よりも大きなサイズの引き出し配線を、前記第２配線よりも上層まで積層して、多層引き出し配線を形成する工程と、
前記多層引き出し配線の表面に電子ビームを照射して前記多層引き出し配線の電位コントラスト像を取得する工程と、
前記電位コントラスト像に基づいて、前記ビアチェーンにおけるビア不良を検出する工程と
を含むビア不良検出方法。
（付記１０）
前記検査領域の多層引き出し配線の形成と同時に、前記ビアチェーン上にダミーの多層配線を形成する工程
をさらに含むことを特徴とする付記９に記載のビア不良検出方法。

ビアチェーンを用いた従来のビアチェック方法を説明するための図である。 第１実施形態のビア不良検出構造を説明するための概略平面図である。 第１実施形態のビア不良検出構造を説明するための概略断面図である。 第１実施形態のビア不良検出の動作を説明するための図である。 第２実施形態のビア不良検出構造を説明するための概略平面図である。 第２実施形態のビア不良検出構造を説明するための概略断面図である。 第２実施形態のビア不良検出構造の作製工程図である。 第２実施形態のビア不良検出構造の作製工程図である。 第２実施形態のビア不良検出構造の作製工程図である。 第２実施形態のビア不良検出構造で得られる電位コントラストの例を示す図である。

符号の説明

１５、４５ ビアチェーン
２０、５０ ビア不良検出構造
２１、５１ ビアチェーンの第１配線
２２、５２ ビアチェーンの第２配線
２２Ｃ、５２Ｃ 検査領域の第２引き出し配線
２３Ｃ、５３Ｃ 検査領域の第３引き出し配線
２４Ｃ、５４Ｃ 検査領域の第４引き出し配線
３０ コンタクト
３１ 第１ビア
３２、６２ 第２ビア（引き出し配線ビア）
３２Ｗ、３３Ｗ、６２Ｗ、６３Ｗ ワイドビア
３３、６３ 第３ビア（引き出し配線ビア）
Ａ コンタクト領域
Ｃ 検査領域

Claims (5)

1. 半導体基板上の第１配線、前記第１配線の上方に位置する第２配線、及び前記第１配線と第２配線を電気的に接続する第１ビアを含むビアチェーンと、
   前記ビアチェーンの一端側に接続される検査領域と、
   前記ビアチェーンを、前記半導体基板と電気的に接続するコンタクト領域と
   を含み、前記検査領域は、
   前記ビアチェーンの一端側から引き出され、前記第１配線よりも大きなサイズの引き出し配線が前記ビアチェーンの第２配線よりも上層まで積層された多層引き出し配線と、
   前記多層引き出し配線を各層間で接続する引き出し配線ビアと
   を含むビア不良検出構造。
2. 前記多層引き出し配線の各層間は、２以上の前記引き出し配線ビアによって接続されることを特徴とする請求項１に記載のビア不良検出構造。
3. 前記多層引き出し配線の各層間を接続する引き出し配線ビアの少なくとも一部は、前記第１ビアのビア径よりも大きなビア径を有することを特徴とする請求項１に記載のビア不良検出構造。
4. 前記ビアチェーン上に、前記検査領域の多層引き出し配線に対応するダミー多層配線が積層されていることを特徴とする請求項１に記載のビア不良検出構造。
5. 半導体基板上に、前記半導体基板と接続される第１配線、前記第１配線の上方に位置する第２配線、及び前記第１配線と第２配線を電気的に接続する第１ビアを含むビアチェーンを形成する工程と、
   前記半導体基板上に、前記ビアチェーンの一端側から引き出され、前記第１配線よりも大きなサイズの引き出し配線を、前記第２配線よりも上層まで積層して、多層引き出し配線を形成する工程と、
   前記多層引き出し配線の表面に電子ビームを照射して前記多層引き出し配線の電位コントラスト像を取得する工程と、
   前記電位コントラスト像に基づいて、前記ビアチェーンにおけるビア不良を検出する工程と
   を含むビア不良検出方法。

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