JP2010147389A - Plasma damage evaluation method, and method for manufacturing semiconductor device employing the same - Google Patents

Plasma damage evaluation method, and method for manufacturing semiconductor device employing the same Download PDF

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Masayoshi Tagami
政由 田上
Naoya Furutake
直也 古武
Takahiro Onodera
貴弘 小野寺
Yoshihiro Hayashi
喜宏 林
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To accurately evaluate plasma damage that a gate insulating film receives when forming an interlayer insulating film. <P>SOLUTION: A plasma damage evaluation method includes: a step of forming a gate insulating film 13 on a semiconductor substrate 10; a step of forming a gate electrode 14 on the gate insulating film 13; a step of forming a diffusion layer 12 inside the semiconductor substrate 10; a step of removing an interlayer insulating film 15 to expose an upper surface of the gate electrode 14; a second measuring step of measuring electrical characteristics of the gate insulating film 13 by electrifying the exposed gate electrode 14; and an evaluation step of comparing a measurement result in a first measuring step with a result of the measurement in the second measuring step. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、プラズマダメージ評価方法、および、これを用いた半導体装置の製造方法に関する。   The present invention relates to a plasma damage evaluation method and a semiconductor device manufacturing method using the same.

近年、大規模集積回路(Large Scale Integration、LSI)の微細化の進行に伴い、誘電率がシリコン酸化膜よりも小さい低誘電率膜(Low−k絶縁膜)が配線層間絶縁膜に使用されている。低誘電率膜は、主に、プラズマ化学気相成長(Chemical Vapor Deposition、CVD)法を用いて成膜されている。そのため、低誘電率膜の形成時のプラズマ条件により発生した電子やイオンがゲート絶縁膜に悪影響を与えることが問題となっている。   In recent years, with the progress of miniaturization of large scale integrated circuits (Large Scale Integration, LSI), a low dielectric constant film (Low-k insulating film) whose dielectric constant is smaller than that of a silicon oxide film is used as a wiring interlayer insulating film. Yes. The low dielectric constant film is mainly formed by using a plasma chemical vapor deposition (CVD) method. Therefore, there is a problem that electrons and ions generated by the plasma conditions at the time of forming the low dielectric constant film adversely affect the gate insulating film.

そこで、プラズマダメージを評価する方法として、特許文献1の技術が知られている。特許文献1には、半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、ゲート電極と接続するTEG(Test Element Group)用導体パターンと、TEG用導体パターン上に形成された層間絶縁膜と、層間絶縁膜にドライエッチングで形成された孔および溝と、からなる半導体装置が記載されている。そして、上記構造を有することにより、プラズマダメージ量に影響を与えるエリアを限定することができると記載されている。   Therefore, the technique of Patent Document 1 is known as a method for evaluating plasma damage. Patent Document 1 discloses a gate insulating film formed on a semiconductor substrate, a gate electrode formed on the gate insulating film, a TEG (Test Element Group) conductor pattern connected to the gate electrode, and a TEG conductor pattern. A semiconductor device is described that includes an interlayer insulating film formed thereon, and holes and grooves formed in the interlayer insulating film by dry etching. And it is described that by having the said structure, the area which affects the plasma damage amount can be limited.

また、特許文献2には、半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜とゲート電極とを順に形成し、プラズマを直接ゲート電極に付加することで、プラズマダメージを評価する方法が記載されている。これにより、プラズマプロセスにおいてコンタクトホールまたはスルーホールへと直接侵入する電荷の絶縁膜に及ぼすダメージを高感度に検出できることが記載されている。
特開2007−116042号公報 特開2000−150606号公報
Patent Document 2 describes a method for evaluating plasma damage by sequentially forming a gate insulating film and a gate electrode formed on a semiconductor substrate and directly applying plasma to the gate electrode. Thus, it is described that the damage to the insulating film caused by the charge directly entering the contact hole or the through hole in the plasma process can be detected with high sensitivity.
JP 2007-116042 A JP 2000-150606 A

特許文献1に記載の技術では、得られる評価結果は、層間絶縁膜形成時に発生するプラズマダメージとドライエッチング時に発生するプラズマダメージとの和になる。そのため、層間絶縁膜形成時のプラズマダメージのみを評価することは困難である。   In the technique described in Patent Document 1, the obtained evaluation result is the sum of the plasma damage that occurs during the formation of the interlayer insulating film and the plasma damage that occurs during dry etching. Therefore, it is difficult to evaluate only the plasma damage when forming the interlayer insulating film.

また、特許文献2で開示されている方法を用いる場合については、実際に層間絶縁膜を形成していない。したがって、層間絶縁膜形成時のプラズマダメージを正確に評価できない。   In the case of using the method disclosed in Patent Document 2, an interlayer insulating film is not actually formed. Therefore, it is impossible to accurately evaluate the plasma damage when forming the interlayer insulating film.

本発明によれば、基板に、拡散層、テスト用ゲート絶縁膜、及び、テスト用ゲート電極を有するダメージ評価用素子を形成する工程と、
形成された前記テスト用ゲート電極に通電して前記テスト用ゲート絶縁膜の電気的特性を測定する第一の測定工程と、
プラズマ気相法で前記テスト用ゲート電極を覆う層間絶縁膜を形成する工程と、
前記層間絶縁膜を除去して、前記テスト用ゲート電極の上面を露出する工程と、
露出された前記テスト用ゲート電極に通電して前記テスト用ゲート絶縁膜の電気的特性を測定する第二の測定工程と、
前記第一の測定工程で得られる測定結果と前記第二の測定工程で得られる測定結果とを比較する評価工程と、
を含むプラズマダメージ評価方法
が提供される。
According to the present invention, forming a damage evaluation element having a diffusion layer, a test gate insulating film, and a test gate electrode on a substrate;
A first measurement step of energizing the formed test gate electrode to measure electrical characteristics of the test gate insulating film;
Forming an interlayer insulating film covering the test gate electrode by a plasma vapor phase method;
Removing the interlayer insulating film and exposing an upper surface of the test gate electrode;
A second measurement step of measuring the electrical characteristics of the test gate insulating film by energizing the exposed test gate electrode;
An evaluation step for comparing the measurement result obtained in the first measurement step with the measurement result obtained in the second measurement step;
A plasma damage evaluation method is provided.

また、本発明によれば、基板に、拡散層、テスト用ゲート絶縁膜、及び、テスト用ゲート電極を有するダメージ評価用素子を形成する工程と、
前記基板に、前記拡散層、製品用ゲート絶縁膜、及び、製品用ゲート電極を有する半導体素子を形成する工程と、
形成された前記テスト用ゲート電極に通電して前記テスト用ゲート絶縁膜の電気的特性を測定する第一の測定工程と、
プラズマ気相法で前記テスト用ゲート電極を覆うテスト用層間絶縁膜を形成する工程と、
前記テスト用層間絶縁膜を除去して、前記テスト用ゲート電極の上面を露出する工程と、
露出された前記テスト用ゲート電極に通電して前記テスト用ゲート絶縁膜の電気的特性を測定する第二の測定工程と、
前記第一の測定工程で得られる測定結果と前記第二の測定工程で得られる測定結果とを比較する評価工程と、
前記評価工程で得られた評価結果が所定の閾値を満たすとき、前記テスト用層間絶縁膜を形成したプラズマ条件で前記製品用ゲート電極を覆う製品用層間絶縁膜を形成する工程と、
を含む半導体装置の製造方法
が提供される。
According to the present invention, a step of forming a damage evaluation element having a diffusion layer, a test gate insulating film, and a test gate electrode on a substrate;
Forming a semiconductor element having the diffusion layer, the product gate insulating film, and the product gate electrode on the substrate;
A first measurement step of energizing the formed test gate electrode to measure electrical characteristics of the test gate insulating film;
Forming a test interlayer insulating film covering the test gate electrode by a plasma vapor phase method;
Removing the test interlayer insulating film and exposing an upper surface of the test gate electrode;
A second measurement step of measuring the electrical characteristics of the test gate insulating film by energizing the exposed test gate electrode;
An evaluation step for comparing the measurement result obtained in the first measurement step with the measurement result obtained in the second measurement step;
When the evaluation result obtained in the evaluation step satisfies a predetermined threshold, forming a product interlayer insulating film that covers the product gate electrode under plasma conditions in which the test interlayer insulating film is formed;
A method for manufacturing a semiconductor device is provided.

この発明によれば、プラズマCVD法で層間絶縁膜を形成する工程の前後において、ゲート絶縁膜の電気的特性を測定し、両者を比較する。これにより、層間絶縁膜の形成時のプラズマがゲート絶縁膜の電気的特性をどの程度劣化させたかを把握することができる。したがって、層間絶縁膜形成時のプラズマダメージを正確に評価することができる。   According to the present invention, before and after the step of forming the interlayer insulating film by the plasma CVD method, the electrical characteristics of the gate insulating film are measured and compared. Thereby, it is possible to grasp how much the plasma during the formation of the interlayer insulating film deteriorates the electrical characteristics of the gate insulating film. Therefore, it is possible to accurately evaluate the plasma damage when forming the interlayer insulating film.

本発明によれば、層間絶縁膜形成時にゲート絶縁膜が受けるプラズマダメージを、正確かつ簡易な方法で評価することができる。   According to the present invention, the plasma damage that the gate insulating film undergoes when forming the interlayer insulating film can be evaluated by an accurate and simple method.

以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In all the drawings, the same reference numerals are given to the same components, and the description will be omitted as appropriate.

(第1の実施形態)
以下、本実施形態のプラズマダメージ評価方法について具体的に説明する。
(First embodiment)
Hereinafter, the plasma damage evaluation method of the present embodiment will be specifically described.

図1は、本発明の第1の実施形態の評価方法を説明する図である。図1(a)〜(c)は、本実施形態の評価方法の各工程におけるテスト用半導体装置の断面図である。図1(d)〜(f)は、本実施形態の評価方法の各工程におけるテスト用半導体装置の上面図である。図示するように、本実施形態の方法では、テスト用の半導体基板10にダメージ評価用素子を有するテスト用半導体装置が形成される。図1(a)と図1(d)とが対応し、図1(b)と図1(e)とが対応し、図1(c)と図1(f)とが対応している。   FIG. 1 is a diagram for explaining an evaluation method according to the first embodiment of the present invention. FIGS. 1A to 1C are cross-sectional views of a test semiconductor device in each step of the evaluation method of the present embodiment. FIGS. 1D to 1F are top views of the test semiconductor device in each step of the evaluation method of the present embodiment. As shown in the drawing, in the method of this embodiment, a test semiconductor device having a damage evaluation element is formed on the test semiconductor substrate 10. FIG. 1A corresponds to FIG. 1D, FIG. 1B corresponds to FIG. 1E, and FIG. 1C corresponds to FIG. 1F.

本実施形態に係る方法は、シリコン基板などの半導体基板10に、拡散層12、ゲート絶縁膜13(テスト用ゲート絶縁膜)、及び、ゲート電極14(テスト用ゲート電極)を有するダメージ評価用素子を形成する工程と、形成されたゲート電極14に通電してゲート絶縁膜13の電気的特性を測定する第一の測定工程と、プラズマCVD法でゲート電極14を覆う層間絶縁膜15を形成する工程と、層間絶縁膜15を除去して、ゲート電極14の上面を露出する工程と、露出されたゲート電極14に通電してゲート絶縁膜13の電気的特性を測定する第二の測定工程と、第一の測定工程で得られる測定結果と第二の測定工程で得られる測定結果とを比較する評価工程と、を含む。   The method according to the present embodiment is a damage evaluation element having a diffusion layer 12, a gate insulating film 13 (test gate insulating film), and a gate electrode 14 (test gate electrode) on a semiconductor substrate 10 such as a silicon substrate. A first measuring step of energizing the formed gate electrode 14 to measure the electrical characteristics of the gate insulating film 13, and an interlayer insulating film 15 covering the gate electrode 14 by plasma CVD. A step of removing the interlayer insulating film 15 to expose the upper surface of the gate electrode 14; a second measuring step of measuring the electrical characteristics of the gate insulating film 13 by energizing the exposed gate electrode 14; And an evaluation step for comparing the measurement result obtained in the first measurement step with the measurement result obtained in the second measurement step.

本実施形態において、ダメージ評価用素子を形成する工程は、半導体基板10内に拡散層12を形成する工程と、拡散層12上にゲート絶縁膜13を形成する工程と、ゲート絶縁膜13上にゲート電極14を形成する工程と、を含む。また、第一、二の測定工程において、ゲート電極14とゲート絶縁膜13と拡散層12との間のリーク電流を測定し、評価工程において、第一の測定工程で測定されたリーク電流と第二の測定工程で測定されたリーク電流とを比較する。   In the present embodiment, the step of forming the damage evaluation element includes the step of forming the diffusion layer 12 in the semiconductor substrate 10, the step of forming the gate insulating film 13 on the diffusion layer 12, and the step of forming on the gate insulating film 13. Forming a gate electrode 14. In the first and second measurement steps, the leakage current between the gate electrode 14, the gate insulating film 13 and the diffusion layer 12 is measured. In the evaluation step, the leakage current measured in the first measurement step and the first The leakage current measured in the second measurement process is compared.

以下、各工程について、詳細に説明する。   Hereinafter, each step will be described in detail.

まず、図1(a)および図1(d)に示すように、半導体基板10内に素子分離層11および拡散層12を形成する。ついで、素子分離層11および拡散層12上にゲート絶縁膜13を形成した後、ゲート絶縁膜13上にゲート電極14を形成する。   First, as shown in FIGS. 1A and 1D, an element isolation layer 11 and a diffusion layer 12 are formed in a semiconductor substrate 10. Next, after forming the gate insulating film 13 on the element isolation layer 11 and the diffusion layer 12, the gate electrode 14 is formed on the gate insulating film 13.

ここで、ゲート電極14は、ポリシリコンまたは金属層から形成される。金属層として、アルミニウム、ハフニウム、ランタン、チタン、タンタル及び銅のいずれかからなる層が例示される。   Here, the gate electrode 14 is formed of polysilicon or a metal layer. Examples of the metal layer include a layer made of any of aluminum, hafnium, lanthanum, titanium, tantalum, and copper.

また、ゲート電極14は、素子分離層11と拡散層12との境界に跨って素子分離層11および拡散層12の上部に形成する。このとき、平面視において、拡散層12上のゲート電極14の面積よりも素子分離層11上のゲート電極14の面積が大きくなるようにゲート電極14を形成する。また、拡散層12上にあるゲート電極14の幅は、製品のトランジスタの幅と等しくするとよい。また、拡散層12上のゲート電極14と素子分離層11上のゲート電極14との面積比は、製品となる半導体装置におけるゲート配線層のアンテナ比、すなわち、基板上に位置する部分と素子分離膜上に位置する部分との面積比に対応させて適宜設計することもできる。   Further, the gate electrode 14 is formed above the element isolation layer 11 and the diffusion layer 12 across the boundary between the element isolation layer 11 and the diffusion layer 12. At this time, the gate electrode 14 is formed so that the area of the gate electrode 14 on the element isolation layer 11 is larger than the area of the gate electrode 14 on the diffusion layer 12 in plan view. The width of the gate electrode 14 on the diffusion layer 12 is preferably equal to the width of the product transistor. The area ratio between the gate electrode 14 on the diffusion layer 12 and the gate electrode 14 on the element isolation layer 11 is the antenna ratio of the gate wiring layer in the semiconductor device as a product, that is, the portion located on the substrate and the element isolation. It can also be designed appropriately according to the area ratio with the portion located on the film.

さらに、図1(d)で図示するように、ゲート電極14は、平面視において相対的に面積の大きい矩形と面積の小さい矩形とを接合させた形状としてもよい。このとき、相対的に面積の大きい矩形のゲート電極を素子分離層11上に形成し、相対的に面積の小さい矩形のゲート電極を拡散層12上に形成する。こうすることで、第一、第二の測定工程において、テスターをゲート電極14に接触させやすくなる。また、後述する層間絶縁膜15の除去において、CMPの平坦性を向上させることができる。   Furthermore, as illustrated in FIG. 1D, the gate electrode 14 may have a shape in which a rectangle having a relatively large area and a rectangle having a relatively small area are joined in plan view. At this time, a rectangular gate electrode having a relatively large area is formed on the element isolation layer 11, and a rectangular gate electrode having a relatively small area is formed on the diffusion layer 12. By doing so, the tester can be easily brought into contact with the gate electrode 14 in the first and second measurement steps. Further, the flatness of CMP can be improved in the removal of the interlayer insulating film 15 described later.

なお、図1(d)においては、拡散層12は、ゲート電極14で中心が覆われるとともに、半導体基板10内に延在して形成されている。しかしながら、ゲート電極14の端部を拡散層12で覆い、かつ、半導体基板10内に拡散層12を延在させてもよい。   In FIG. 1D, the diffusion layer 12 is formed so as to extend in the semiconductor substrate 10 while being covered with the gate electrode 14 at the center. However, the end portion of the gate electrode 14 may be covered with the diffusion layer 12 and the diffusion layer 12 may be extended into the semiconductor substrate 10.

ついで、図1(a)および図1(d)に示す構造体において、ゲート電極14とゲート絶縁膜13と拡散層12との間に電圧を印加してリーク電流を測定する(第一の測定工程)。リーク電流の測定方法としては、ゲート電極14とゲート絶縁膜13と拡散層12との間に印加する電圧を徐々に増加させてゲート電極14から半導体基板10に流れる電流値を測定する方法がある。   Next, in the structure shown in FIGS. 1A and 1D, a leakage current is measured by applying a voltage between the gate electrode 14, the gate insulating film 13, and the diffusion layer 12 (first measurement). Process). As a method for measuring the leakage current, there is a method for gradually increasing the voltage applied between the gate electrode 14, the gate insulating film 13, and the diffusion layer 12 and measuring the value of the current flowing from the gate electrode 14 to the semiconductor substrate 10. .

ついで、プラズマCVD法により、半導体基板10と素子分離層11と拡散層12とゲート電極14とを覆うように層間絶縁膜15を形成する(図1(b)、(e))。プラズマとしては、たとえば、ICP(Inductively Coupled Plasma)やECR(ElectronCyclotron Resonance)プラズマといった高密度プラズマを用いることができる。   Next, an interlayer insulating film 15 is formed by plasma CVD so as to cover the semiconductor substrate 10, the element isolation layer 11, the diffusion layer 12, and the gate electrode 14 (FIGS. 1B and 1E). As the plasma, for example, high-density plasma such as ICP (Inductively Coupled Plasma) or ECR (Electron Cyclotron Resonance) plasma can be used.

層間絶縁膜15にとしては、比誘電率が3.9以下の低誘電率膜、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン炭化膜、シリコン炭窒膜等を例示することができる。   Examples of the interlayer insulating film 15 include a low dielectric constant film having a relative dielectric constant of 3.9 or less, a silicon oxide film, a silicon nitride film, a silicon carbide film, and a silicon carbonitride film.

その後、図1(c)および図1(f)で示すように、CMP法により層間絶縁膜15を除去し、ゲート電極14を露出させる。この際、ゲート電極14の表面は、引き続きCMP法により研磨されることで平坦化してもよい。   Thereafter, as shown in FIGS. 1C and 1F, the interlayer insulating film 15 is removed by CMP to expose the gate electrode 14. At this time, the surface of the gate electrode 14 may be planarized by subsequent polishing by a CMP method.

ここで、前述のゲート電極14を形成する工程において、半導体基板10の表面積の30%以上を覆うようにゲート電極14を形成されていると好ましい。こうすることで、CMPの平坦性が向し、研磨しすぎてゲート電極14が消失したり、層間絶縁膜15が除去されずに残ってしまうことを防ぐことができる。したがって、半導体基板10の面内にゲート電極14を均一に露出させることができる。   Here, in the step of forming the gate electrode 14 described above, the gate electrode 14 is preferably formed so as to cover 30% or more of the surface area of the semiconductor substrate 10. By doing so, the flatness of CMP is improved, and it can be prevented that the gate electrode 14 disappears due to excessive polishing or the interlayer insulating film 15 remains without being removed. Therefore, the gate electrode 14 can be uniformly exposed in the surface of the semiconductor substrate 10.

ついで、図1(c)および図1(f)に示す構造体において、露出されたゲート電極14とゲート絶縁膜13と拡散層12との間に電圧を印加してリーク電流を測定する(第二の測定工程)。このとき、リーク電流の測定方法には、第一の測定工程と同様な方法を採用することが好ましい。   Next, in the structure shown in FIG. 1C and FIG. 1F, a leakage current is measured by applying a voltage between the exposed gate electrode 14, gate insulating film 13, and diffusion layer 12 (first). Second measuring step). At this time, it is preferable to employ the same method as the first measurement step as a method for measuring the leakage current.

ついで、第一の測定工程と第二の測定工程で得られたリーク電流を互いに比較する。具体的には、第二の測定工程で測定されたリーク電流と第一の測定工程で測定されたリーク電流との差を検出する。こうすることで層間絶縁膜15の形成時のプラズマがゲート絶縁膜13の絶縁性をどの程度低下させたかを検出することができる。そして、両者の差が所定値以上であったとき、ゲート絶縁膜13がプラズマCVD法によるダメージを受けたと評価する。   Next, the leakage currents obtained in the first measurement process and the second measurement process are compared with each other. Specifically, the difference between the leak current measured in the second measurement process and the leak current measured in the first measurement process is detected. By doing so, it is possible to detect how much the plasma during the formation of the interlayer insulating film 15 has lowered the insulating property of the gate insulating film 13. When the difference between the two is equal to or greater than a predetermined value, it is evaluated that the gate insulating film 13 has been damaged by the plasma CVD method.

つづいて、本実施形態の作用効果について説明する。この実施形態によれば、プラズマCVD法で層間絶縁膜15を形成する工程の前後において、ゲート絶縁膜13の電気的特性を測定し、両者を比較する。これにより、層間絶縁膜15の形成時のプラズマがゲート絶縁膜13の電気的特性をどの程度劣化させたかを把握することができる。したがって、層間絶縁膜15形成時のプラズマダメージを正確に評価することができる。   It continues and demonstrates the effect of this embodiment. According to this embodiment, before and after the step of forming the interlayer insulating film 15 by the plasma CVD method, the electrical characteristics of the gate insulating film 13 are measured and compared. Thereby, it is possible to grasp how much the plasma during the formation of the interlayer insulating film 15 deteriorates the electrical characteristics of the gate insulating film 13. Therefore, it is possible to accurately evaluate the plasma damage when the interlayer insulating film 15 is formed.

プラズマCVD法では、プラズマから飛来する電子、または、アルゴンやヘリウム等の正イオンが半導体基板10の表面に高エネルギーで到達することがある。その場合、半導体基板10の表面のプラズマ電位が不均一になり、これにより、電荷がゲート電極14から半導体基板10の内部を伝わり、プラズマ電位の高い場所から低い場所に移動する。半導体基板10上にゲート電極14やゲート電極14に接続している配線が存在すると、ゲート電極14や配線を構成する金属から半導体基板10に向かってイオンや電子が流出する。その結果、ゲート電極14と半導体基板10との間に存在するゲート絶縁膜13に対して大きな電圧が印加され、その結果、絶縁破壊が発生し、リーク電流が増加する。このように、ゲート絶縁膜13のリーク電流が増加すると、半導体装置の機能スイッチとしての動作に不具合が発生する。したがって、回路が正常に動作しなくなり、半導体装置の動作に異常をきたす。   In the plasma CVD method, electrons flying from plasma or positive ions such as argon and helium may reach the surface of the semiconductor substrate 10 with high energy. In that case, the plasma potential on the surface of the semiconductor substrate 10 becomes non-uniform, whereby charges are transferred from the gate electrode 14 to the inside of the semiconductor substrate 10 and moved from a place with a high plasma potential to a place with a low plasma potential. When the gate electrode 14 or a wiring connected to the gate electrode 14 exists on the semiconductor substrate 10, ions and electrons flow out from the metal constituting the gate electrode 14 and the wiring toward the semiconductor substrate 10. As a result, a large voltage is applied to the gate insulating film 13 existing between the gate electrode 14 and the semiconductor substrate 10, and as a result, a dielectric breakdown occurs and a leakage current increases. Thus, when the leakage current of the gate insulating film 13 increases, a malfunction occurs in the operation as a function switch of the semiconductor device. Therefore, the circuit does not operate normally, and the operation of the semiconductor device is abnormal.

しかしながら、本実施形態では、層間絶縁膜15を形成する工程の前後において、ゲート電極14とゲート絶縁膜13と拡散層12との間のリーク電流を測定し、両者を比較する。これにより、層間絶縁膜15の形成時のプラズマ条件で発生したイオンや電子がゲート絶縁膜13の絶縁性をどの程度低下させたかを把握することができる。したがって、製造したトランジスタの特性を容易かつ正確に評価して、良好な品質の半導体装置を提供することができる。   However, in this embodiment, before and after the step of forming the interlayer insulating film 15, the leakage currents between the gate electrode 14, the gate insulating film 13, and the diffusion layer 12 are measured and compared. As a result, it is possible to grasp how much the ions and electrons generated under the plasma conditions during the formation of the interlayer insulating film 15 have lowered the insulating property of the gate insulating film 13. Therefore, it is possible to easily and accurately evaluate the characteristics of the manufactured transistor and to provide a semiconductor device with good quality.

(第2の実施形態) (Second Embodiment)

図2は、第2の実施形態の評価方法を説明する図である。図2(a)は、本実施形態の評価方法で使用するテスト用半導体装置の断面図である。図2(b)は、本実施形態の評価方法で使用するテスト用半導体装置の上面図である。   FIG. 2 is a diagram illustrating an evaluation method according to the second embodiment. FIG. 2A is a cross-sectional view of a test semiconductor device used in the evaluation method of this embodiment. FIG. 2B is a top view of the test semiconductor device used in the evaluation method of this embodiment.

図2(b)で図示するように、本実施形態では、テスト用の半導体基板10に複数のダメージ評価用素子を有する半導体装置が形成される。また、本実施形態では、拡散層12上から素子分離層11上まで延在するゲート電極14を複数互いに面積が異なるように形成する。また、ゲート電極14に隣設するダミー電極17を形成する工程をさらに含む。また、第一、第二の測定工程において複数のゲート電極14をそれぞれ通電し、複数のダメージ評価用素子におけるリーク電流を個々に測定する。その他は第1の実施形態と同様である。   As shown in FIG. 2B, in the present embodiment, a semiconductor device having a plurality of damage evaluation elements is formed on the test semiconductor substrate 10. In this embodiment, a plurality of gate electrodes 14 extending from the diffusion layer 12 to the element isolation layer 11 are formed so as to have different areas. Further, the method further includes a step of forming a dummy electrode 17 adjacent to the gate electrode 14. In the first and second measurement steps, the plurality of gate electrodes 14 are energized, respectively, and the leakage currents in the plurality of damage evaluation elements are individually measured. Others are the same as in the first embodiment.

ダミー電極17は、評価の妨げのない場所、具体的には、複数のゲート電極14の相互間のスペースに形成させる。また、ダミー電極17は、素子分離層11上に形成させるとよい。本実施形態において、「隣設」とは、ダミー電極17がゲート電極14と所定の間隔を開けて並列に配列されていることをいう。こうすることで、CMPによる平坦化を向上させることができる。   The dummy electrode 17 is formed in a place where the evaluation is not hindered, specifically in a space between the plurality of gate electrodes 14. The dummy electrode 17 may be formed on the element isolation layer 11. In the present embodiment, “adjacent” means that the dummy electrode 17 is arranged in parallel with the gate electrode 14 at a predetermined interval. By doing so, planarization by CMP can be improved.

また、ダミー電極17は、ゲート電極14およびダミー電極17が半導体基板10の表面積の30%以上を覆うように形成するとよい。こうすることで、CMPによる平坦化をさらに向上させることができる。   The dummy electrode 17 is preferably formed so that the gate electrode 14 and the dummy electrode 17 cover 30% or more of the surface area of the semiconductor substrate 10. By doing so, planarization by CMP can be further improved.

本実施形態の評価工程では、ゲート電極14の面積が異なる複数のダメージ評価用素子の評価結果を互いに比較する。これらのダメージ評価用素子において、拡散層12上に形成されたゲート電極14の面積は同一であるが、素子分離層11上に形成されたゲート電極14の面積は異なる。そのため、ゲート電極14の面積の違いによって、ゲート絶縁膜13に発生するプラズマダメージが個々に異なる。したがって、評価結果を互いに比較することで、アンテナ比の違いによるゲート絶縁膜13が受けたプラズマダメージの大小を評価することができる。   In the evaluation process of this embodiment, the evaluation results of a plurality of damage evaluation elements having different areas of the gate electrode 14 are compared with each other. In these damage evaluation elements, the area of the gate electrode 14 formed on the diffusion layer 12 is the same, but the area of the gate electrode 14 formed on the element isolation layer 11 is different. Therefore, the plasma damage generated in the gate insulating film 13 varies depending on the area of the gate electrode 14. Therefore, by comparing the evaluation results with each other, it is possible to evaluate the magnitude of the plasma damage received by the gate insulating film 13 due to the difference in antenna ratio.

以上のように、本実施形態では、ゲート電極14の周囲にダミー電極17を形成させることにより、CMPによる平坦化を向上させることができる。そのため、研磨されすぎてゲート電極14が消失したり、層間絶縁膜15が除去されずにゲート電極14の表面に残ってしまったりすることを防止することができる。したがって、安定的にプラズマダメージの評価を行うことが可能となる。   As described above, in this embodiment, planarization by CMP can be improved by forming the dummy electrode 17 around the gate electrode 14. Therefore, it can be prevented that the gate electrode 14 disappears due to excessive polishing and the interlayer insulating film 15 is not removed and remains on the surface of the gate electrode 14. Accordingly, it is possible to stably evaluate plasma damage.

また、本実施形態では、平面視においてゲート電極14の面積が異なる複数のダメージ評価用素子を形成する。こうすることで、アンテナ比の違いによるゲート絶縁膜13が受けたプラズマダメージの大小を正確に評価することができる。   In the present embodiment, a plurality of damage evaluation elements having different areas of the gate electrode 14 in plan view are formed. By doing so, the magnitude of the plasma damage received by the gate insulating film 13 due to the difference in antenna ratio can be accurately evaluated.

(第3の実施形態)
図3は、第3の実施形態の評価方法を説明する図である。図3(a)、(b)は、いずれも本実施形態の評価方法で使用するテスト用半導体装置の断面図である。
(Third embodiment)
FIG. 3 is a diagram for explaining an evaluation method according to the third embodiment. FIGS. 3A and 3B are cross-sectional views of a test semiconductor device used in the evaluation method of this embodiment.

本実施形態では、第1の実施形態で説明した工程に加え、層間絶縁膜26を形成する前にゲート電極25を埋込絶縁膜24で埋め込む工程と、ゲート電極25の上部に位置する埋込絶縁膜24を除去し、かつ、ゲート電極25の上面を平坦化する工程と、をさらに含む。そして、第一の測定工程において、埋込絶縁膜24が除去されたゲート電極25とゲート絶縁膜23と拡散層22との間のリーク電流を測定する。その他は第1の実施形態と同様である。   In the present embodiment, in addition to the steps described in the first embodiment, a step of filling the gate electrode 25 with the buried insulating film 24 before forming the interlayer insulating film 26 and a buried portion located above the gate electrode 25 are performed. A step of removing the insulating film 24 and planarizing the upper surface of the gate electrode 25. In the first measurement step, the leakage current between the gate electrode 25, the gate insulating film 23, and the diffusion layer 22 from which the buried insulating film 24 has been removed is measured. Others are the same as in the first embodiment.

以下、本実施形態について詳細に説明する。まず、図3(a)に示すように、半導体基板20内に素子分離層21および拡散層22を形成する。ついで、素子分離層21および拡散層22上にゲート絶縁膜23を形成する。   Hereinafter, this embodiment will be described in detail. First, as shown in FIG. 3A, the element isolation layer 21 and the diffusion layer 22 are formed in the semiconductor substrate 20. Next, a gate insulating film 23 is formed on the element isolation layer 21 and the diffusion layer 22.

ついで、ゲート絶縁膜23上にゲート電極25を形成した後、ゲート電極25を埋込絶縁膜24で埋め込む。ここで、埋込絶縁膜24は、たとえば、LP(Low−Pressure)−CVD法によるシリコン窒化膜により形成させることができる。その後、埋込絶縁膜24をCMP法により除去しつつ、ゲート電極25の表面を平坦化する。   Next, after forming the gate electrode 25 on the gate insulating film 23, the gate electrode 25 is embedded with the embedded insulating film 24. Here, the buried insulating film 24 can be formed of a silicon nitride film by LP (Low-Pressure) -CVD, for example. Thereafter, the surface of the gate electrode 25 is planarized while removing the buried insulating film 24 by CMP.

ついで、図3(a)に示す構造体において、ゲート電極25とゲート絶縁膜23と拡散層22との間に電圧を印加してリーク電流を測定する(第一の測定工程)。   Next, in the structure shown in FIG. 3A, a leakage current is measured by applying a voltage between the gate electrode 25, the gate insulating film 23, and the diffusion layer 22 (first measurement step).

ついで、プラズマCVD法により、拡散層22とゲート電極25と埋込絶縁膜24を覆うように層間絶縁膜26を形成する(図3(b))。   Next, an interlayer insulating film 26 is formed by plasma CVD so as to cover the diffusion layer 22, the gate electrode 25, and the buried insulating film 24 (FIG. 3B).

その後、層間絶縁膜26をCMP法により除去して、ゲート電極25および埋込絶縁膜24の表面をそれぞれ露出する。この際、露出したゲート電極25の表面は、引き続きCMP法により研磨されることで平坦化される。   Thereafter, the interlayer insulating film 26 is removed by a CMP method, and the surfaces of the gate electrode 25 and the buried insulating film 24 are exposed. At this time, the exposed surface of the gate electrode 25 is planarized by subsequent polishing by a CMP method.

ついで、露出されたゲート電極25とゲート絶縁膜23と拡散層22との間に電圧を印加してリーク電流を測定する(第二の測定工程)。このとき、リーク電流の測定方法には、第一の測定工程と同様な方法を採用することが好ましい。   Next, a voltage is applied between the exposed gate electrode 25, gate insulating film 23, and diffusion layer 22 to measure the leakage current (second measurement step). At this time, it is preferable to employ the same method as the first measurement step as a method for measuring the leakage current.

ついで、第一の電流測定工程と第二の電流測定工程で得られたリーク電流を互いに比較する。こうすることで層間絶縁膜26形成時にゲート絶縁膜23に発生するプラズマダメージを評価することができる。   Next, the leakage currents obtained in the first current measurement step and the second current measurement step are compared with each other. By doing so, plasma damage generated in the gate insulating film 23 when the interlayer insulating film 26 is formed can be evaluated.

以上のように本実施形態では、ゲート電極25の表面をあらかじめCMP法により平坦化させてから層間絶縁膜26を形成させる。これにより、層間絶縁膜26の除去工程において、研磨されすぎてゲート電極25が消失することを防止しつつ、ゲート電極25の表面から層間絶縁膜26をスムーズに除去することができる。したがって、安定的にプラズマダメージの評価を行うことが可能となる。   As described above, in this embodiment, the surface of the gate electrode 25 is previously planarized by the CMP method, and then the interlayer insulating film 26 is formed. Thus, in the step of removing the interlayer insulating film 26, the interlayer insulating film 26 can be smoothly removed from the surface of the gate electrode 25 while preventing the gate electrode 25 from being lost due to excessive polishing. Accordingly, it is possible to stably evaluate plasma damage.

(第4の実施形態)
図4は、本発明の第4の実施形態の評価方法を説明する図である。図4(a)〜(c)は、本実施形態の評価方法の各工程におけるテスト用半導体装置の断面図である。図4(d)〜(f)は、本実施形態の評価方法の各工程におけるテスト用半導体装置の上面図である。図示するように、本実施形態の方法では、半導体基板30にダメージ評価用のトランジスタを有するテスト用半導体装置が形成される。図4(a)と図4(d)とが対応し、図4(b)と図4(e)とが対応し、図4(c)と図4(f)とが対応している。
(Fourth embodiment)
FIG. 4 is a diagram for explaining an evaluation method according to the fourth embodiment of the present invention. 4A to 4C are cross-sectional views of the test semiconductor device in each step of the evaluation method of this embodiment. 4D to 4F are top views of the test semiconductor device in each step of the evaluation method of the present embodiment. As shown in the drawing, in the method of the present embodiment, a test semiconductor device having a damage evaluation transistor on a semiconductor substrate 30 is formed. 4 (a) corresponds to FIG. 4 (d), FIG. 4 (b) corresponds to FIG. 4 (e), and FIG. 4 (c) corresponds to FIG. 4 (f).

具体的には、ダメージ評価用の素子を形成する工程が、半導体基板30上にゲート絶縁膜33を形成する工程と、ゲート絶縁膜33上にゲート電極34を形成する工程と、ソース/ドレインとなる第二の拡散層35を形成する工程と、第二の拡散層35上にソース電極36aおよびドレイン電極36bを形成する工程と、を含む。   Specifically, the step of forming the element for damage evaluation includes the step of forming the gate insulating film 33 on the semiconductor substrate 30, the step of forming the gate electrode 34 on the gate insulating film 33, the source / drain, Forming a second diffusion layer 35, and forming a source electrode 36a and a drain electrode 36b on the second diffusion layer 35.

層間絶縁膜37を形成する工程において、ソース電極36aおよびドレイン電極36bの周囲を覆うように層間絶縁膜37を形成する。また、ゲート電極34を露出する工程において、ソース電極36aおよびドレイン電極36bの上面を露出させる。また、第一、二の測定工程において、ゲート電極34とソース電極36aまたはドレイン電極36bとの間のトランジスタの閾値を測定する。また、評価工程において、前記第一の測定工程で測定された閾値と第二の測定工程で測定された閾値とを比較する。   In the step of forming the interlayer insulating film 37, the interlayer insulating film 37 is formed so as to cover the periphery of the source electrode 36a and the drain electrode 36b. In the step of exposing the gate electrode 34, the upper surfaces of the source electrode 36a and the drain electrode 36b are exposed. In the first and second measurement steps, the threshold value of the transistor between the gate electrode 34 and the source electrode 36a or the drain electrode 36b is measured. In the evaluation step, the threshold value measured in the first measurement step is compared with the threshold value measured in the second measurement step.

以下、各工程について、詳細に説明する。   Hereinafter, each step will be described in detail.

まず、図4(a)および図4(d)に示すように、半導体基板30中に素子分離層31を形成する。ついで、半導体基板30中にn型不純物を注入してn型拡散層(第一の拡散層)32を形成した後、n型拡散層32上にゲート絶縁膜33を形成する。ついで、ゲート絶縁膜33上にゲート電極34を形成した後、ゲート電極34をマスクとして不純物を注入し、p型拡散層(第二の拡散層)35を形成する。ついで、p型拡散層35上にソース電極36aおよびドレイン電極36bを形成する。   First, as shown in FIGS. 4A and 4D, the element isolation layer 31 is formed in the semiconductor substrate 30. Next, an n-type impurity is implanted into the semiconductor substrate 30 to form an n-type diffusion layer (first diffusion layer) 32, and then a gate insulating film 33 is formed on the n-type diffusion layer 32. Next, after forming a gate electrode 34 on the gate insulating film 33, impurities are implanted using the gate electrode 34 as a mask to form a p-type diffusion layer (second diffusion layer) 35. Next, a source electrode 36 a and a drain electrode 36 b are formed on the p-type diffusion layer 35.

ここで、ソース電極36aおよびドレイン電極36bは、同一の膜から形成させることができる。ゲート電極34、ソース電極36aおよびドレイン電極36bは、ポリシリコンまたは金属から形成される。金属層としては、アルミニウム、ハフニウム、ランタン、チタン、タンタル及び銅等のいずれかからなる層が例示される。   Here, the source electrode 36a and the drain electrode 36b can be formed from the same film. The gate electrode 34, the source electrode 36a, and the drain electrode 36b are formed from polysilicon or metal. Examples of the metal layer include a layer made of any of aluminum, hafnium, lanthanum, titanium, tantalum, copper, and the like.

ついで、図4(a)および図4(d)に示す構造体において、ゲート電極34とソース電極36aまたはドレイン電極36bとの間のトランジスタの閾値を測定する(第一の測定工程)。トランジスタの閾値の測定方法としては、たとえば、ソース電極36a−ドレイン電極36b間電圧VDSに対してゲート電極34−ソース電極36b間電圧VGSを掃引しながらドレイン電流IDSを測定する方法がある。 Next, in the structure shown in FIGS. 4A and 4D, the threshold value of the transistor between the gate electrode 34 and the source electrode 36a or the drain electrode 36b is measured (first measurement step). The measurement method of the threshold value of the transistor, for example, there is a method of measuring the drain current I DS while sweeping the voltage V GS between the gate electrode 34-the source electrode 36b relative to the voltage V DS between the source electrode 36a- drain electrode 36b .

ついで、プラズマCVD法により、半導体基板30と素子分離層31とゲート電極34とソース電極36aとドレイン電極36bとp型拡散層35とを覆うように層間絶縁膜37を形成する(図4(b)、(e))。プラズマとしては、たとえば、ICPやECRプラズマといった高密度プラズマを用いることができる。   Next, an interlayer insulating film 37 is formed by plasma CVD so as to cover the semiconductor substrate 30, the element isolation layer 31, the gate electrode 34, the source electrode 36a, the drain electrode 36b, and the p-type diffusion layer 35 (FIG. 4B). ), (E)). As the plasma, for example, high-density plasma such as ICP or ECR plasma can be used.

ここで、層間絶縁膜37としては、比誘電率が3.9以下の低誘電率膜、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン炭化膜、シリコン炭窒膜等を例示することができる。   Here, examples of the interlayer insulating film 37 include a low dielectric constant film having a relative dielectric constant of 3.9 or less, a silicon oxide film, a silicon nitride film, a silicon carbide film, and a silicon carbonitride film.

その後、図4(c)および図4(f)で示すように、CMP法により層間絶縁膜37を除去し、ゲート電極34、ソース電極36aおよびドレイン電極36bをそれぞれ露出させる。この際、ゲート電極34、ソース電極36aおよびドレイン電極36bの表面は、引き続きCMP法により研磨されることで平坦化される。   Thereafter, as shown in FIGS. 4C and 4F, the interlayer insulating film 37 is removed by CMP to expose the gate electrode 34, the source electrode 36a, and the drain electrode 36b, respectively. At this time, the surfaces of the gate electrode 34, the source electrode 36a, and the drain electrode 36b are planarized by subsequent polishing by the CMP method.

ここで、ゲート電極34、ソース電極36aおよびドレイン電極36bは、平面視において、半導体基板30の表面積の30%以上を覆うように形成させるとよい。こうすることで、CMPの平坦性が向上する。したがって、研磨しすぎてゲート電極34、ソース電極36aおよびドレイン電極36bのいずれかが消失したり、層間絶縁膜37が除去されずに残ってしまうことを防止することができる。したがって、半導体基板30の面内にゲート電極34、ソース電極36aおよびドレイン電極36bを均一に露出させることができる。   Here, the gate electrode 34, the source electrode 36a, and the drain electrode 36b are preferably formed so as to cover 30% or more of the surface area of the semiconductor substrate 30 in plan view. By doing so, the flatness of CMP is improved. Accordingly, it is possible to prevent any of the gate electrode 34, the source electrode 36a, and the drain electrode 36b from being lost due to excessive polishing, or the interlayer insulating film 37 from remaining without being removed. Therefore, the gate electrode 34, the source electrode 36a, and the drain electrode 36b can be uniformly exposed in the plane of the semiconductor substrate 30.

ついで、図4(c)および図4(f)に示す構造体において、露出されたゲート電極34とソース電極36aまたはドレイン電極36bとの間のトランジスタの閾値を測定する(第二の測定工程)。このとき、トランジスタの閾値の測定方法には、第一の測定工程と同様な方法を採用することが好ましい。   Next, in the structure shown in FIGS. 4C and 4F, the threshold value of the transistor between the exposed gate electrode 34 and the source electrode 36a or the drain electrode 36b is measured (second measurement step). . At this time, it is preferable to employ the same method as the first measurement step as the method for measuring the threshold value of the transistor.

ついで、第一の測定工程と第二の測定工程で得られたトランジスタの閾値を互いに比較する。具体的には、第二の測定工程で測定されたトランジスタの閾値と第一の測定工程で測定されたトランジスタの閾値との差を検出する。こうすることで層間絶縁膜37の形成時のプラズマがゲート絶縁膜33に蓄積してトランジスタ特性をどの程度劣化したかを検出することができる。そして、両者の差が所定値以上であったとき、ゲート絶縁膜33がプラズマ気相法によるダメージを受けたと評価する。   Next, the threshold values of the transistors obtained in the first measurement process and the second measurement process are compared with each other. Specifically, the difference between the threshold value of the transistor measured in the second measurement step and the threshold value of the transistor measured in the first measurement step is detected. In this way, it is possible to detect how much the transistor characteristics are deteriorated due to the accumulation of plasma in the gate insulating film 33 when the interlayer insulating film 37 is formed. When the difference between the two is equal to or greater than a predetermined value, it is evaluated that the gate insulating film 33 has been damaged by the plasma vapor phase method.

つづいて、本実施形態の作用効果について説明する。この実施形態によれば、プラズマCVD法で層間絶縁膜37を形成する工程の前後において、ゲート絶縁膜33の電気的特性を測定し、両者を比較する。これにより、層間絶縁膜37の形成時のプラズマがゲート絶縁膜33の電気的特性をどの程度劣化させたかを把握することができる。したがって、層間絶縁膜37形成時のプラズマダメージを正確に評価することができる。   It continues and demonstrates the effect of this embodiment. According to this embodiment, before and after the step of forming the interlayer insulating film 37 by the plasma CVD method, the electrical characteristics of the gate insulating film 33 are measured and compared. Thereby, it is possible to grasp how much the plasma during the formation of the interlayer insulating film 37 deteriorates the electrical characteristics of the gate insulating film 33. Therefore, it is possible to accurately evaluate the plasma damage when the interlayer insulating film 37 is formed.

プラズマCVD法では、プラズマから飛来する電子、または、アルゴンやヘリウム等の正イオンが半導体基板30の表面に高エネルギーで到達することがある。その場合、半導体基板30の表面のプラズマ電位が不均一になり、これにより、電荷がゲート電極34から半導体基板30の内部を伝わり、プラズマ電位の高い場所から低い場所に移動する。その結果、電子やイオンがゲート絶縁膜33中にトラップされ、トランジスタ動作をさせるのに必要な電圧の閾値がシフトしてしまう。このような閾値シフトが発生すると、半導体装置の機能スイッチとなるトランジスタの動作に不具合を発生する。そのため、回路が正常に動作しなくなり、半導体装置の動作に異常をきたす。   In the plasma CVD method, electrons flying from plasma or positive ions such as argon and helium may reach the surface of the semiconductor substrate 30 with high energy. In that case, the plasma potential on the surface of the semiconductor substrate 30 becomes non-uniform, whereby charges are transferred from the gate electrode 34 to the inside of the semiconductor substrate 30 and moved from a place with a high plasma potential to a place with a low plasma potential. As a result, electrons and ions are trapped in the gate insulating film 33, and the threshold voltage required for operating the transistor is shifted. When such a threshold shift occurs, a malfunction occurs in the operation of a transistor serving as a function switch of the semiconductor device. For this reason, the circuit does not operate normally, and the operation of the semiconductor device is abnormal.

しかしながら、本実施形態では、層間絶縁膜37を形成する工程の前後において、ゲート電極34とソース電極36aまたはドレイン電極36bとの間のトランジスタの閾値を測定し、両者を比較する。これにより、トランジスタの閾値シフトがどの程度発生したかを把握することができる。したがって、製造したトランジスタの特性を容易かつ正確に評価して、良好な品質の半導体装置を提供することができる。   However, in this embodiment, before and after the step of forming the interlayer insulating film 37, the threshold value of the transistor between the gate electrode 34 and the source electrode 36a or the drain electrode 36b is measured and compared. Thereby, it is possible to grasp how much the threshold shift of the transistor has occurred. Therefore, it is possible to easily and accurately evaluate the characteristics of the manufactured transistor and to provide a semiconductor device with good quality.

なお、本実施形態において、層間絶縁膜37を形成する工程の前後において、ゲート電極34とゲート絶縁膜33とn型拡散層(第一の拡散層)32との間のリーク電流を測定し、両者を比較してもよい。こうすることで、層間絶縁膜37の形成時のプラズマ条件で発生したイオンまたは電子がゲート絶縁膜33の絶縁性をどの程度低下させたかを把握することもできる。   In this embodiment, before and after the step of forming the interlayer insulating film 37, the leakage current between the gate electrode 34, the gate insulating film 33, and the n-type diffusion layer (first diffusion layer) 32 is measured, You may compare both. By doing so, it is also possible to grasp how much the ions or electrons generated under the plasma conditions at the time of forming the interlayer insulating film 37 have lowered the insulating property of the gate insulating film 33.

(第5の実施形態)
図5は、第5の実施形態の評価方法を説明する図である。図5(a)は、本実施形態の評価方法で使用するテスト用半導体装置の断面図である。図5(b)は、本実施形態の評価方法で使用するテスト用半導体装置の上面図である。
(Fifth embodiment)
FIG. 5 is a diagram for explaining an evaluation method according to the fifth embodiment. FIG. 5A is a cross-sectional view of a test semiconductor device used in the evaluation method of this embodiment. FIG. 5B is a top view of the test semiconductor device used in the evaluation method of the present embodiment.

図5(b)で図示するように、本実施形態では、テスト用の半導体基板30に複数のダメージ評価用トランジスタを有する半導体装置が形成される。また、本実施形態では、素子分離層31上の複数のゲート電極34の面積が平面視において個々に異なるように形成されている。また、評価用トランジスタのソース電極36aおよびドレイン電極36bは互いに同一面積で形成されるが、各評価用トランジスタ間で、評価用トランジスタのソース電極36aおよびドレイン電極36bの面積は、互いに異なっている。また、本実施形態では、第4の実施形態で説明した工程に加え、ゲート電極34、ソース電極36aおよびドレイン電極36bにそれぞれ隣設するダミー電極399を形成する工程をさらに含む。第一、第二の測定工程において複数のゲート電極34およびソース電極36aまたはドレイン電極36bにそれぞれ通電し、複数のダメージ評価用トランジスタにおけるトランジスタの閾値を個々に測定する。その他は第4の実施形態と同様である。   As shown in FIG. 5B, in this embodiment, a semiconductor device having a plurality of damage evaluation transistors is formed on a test semiconductor substrate 30. In the present embodiment, the areas of the plurality of gate electrodes 34 on the element isolation layer 31 are formed so as to be different from each other in plan view. In addition, the source electrode 36a and the drain electrode 36b of the evaluation transistor are formed with the same area, but the areas of the source electrode 36a and the drain electrode 36b of the evaluation transistor are different between the evaluation transistors. In addition to the steps described in the fourth embodiment, this embodiment further includes a step of forming dummy electrodes 399 adjacent to the gate electrode 34, the source electrode 36a, and the drain electrode 36b, respectively. In the first and second measurement steps, each of the plurality of gate electrodes 34 and the source electrode 36a or the drain electrode 36b is energized, and the threshold values of the transistors in the plurality of damage evaluation transistors are individually measured. Others are the same as in the fourth embodiment.

ダミー電極399は、評価の妨げのない場所、具体的には、複数のダメージ評価用素子の相互間のスペースに形成させる。ダミー電極399は、素子分離層31上に形成させるとよい。本実施形態において、「隣設」とは、ダミー電極399がゲート電極34、ソース電極36aおよびドレイン電極36bのそれぞれと所定の間隔を開けて並列に配列されていることをいう。こうすることで、CMPによる平坦化を向上させることができる。   The dummy electrode 399 is formed in a place where evaluation is not hindered, specifically in a space between a plurality of damage evaluation elements. The dummy electrode 399 is preferably formed on the element isolation layer 31. In this embodiment, “adjacent” means that the dummy electrode 399 is arranged in parallel with each of the gate electrode 34, the source electrode 36 a, and the drain electrode 36 b with a predetermined interval. By doing so, planarization by CMP can be improved.

また、ダミー電極399は、ゲート電極34とソース電極36aとドレイン電極36bとダミー電極399とが平面視において半導体基板30の表面積の30%以上を覆うように形成させるとよい。こうすることで、CMPによる平坦化をさらに向上させることができる。   The dummy electrode 399 is preferably formed so that the gate electrode 34, the source electrode 36a, the drain electrode 36b, and the dummy electrode 399 cover 30% or more of the surface area of the semiconductor substrate 30 in plan view. By doing so, planarization by CMP can be further improved.

本実施形態の評価工程では、ゲート電極34の面積が異なる複数の評価用トランジスタの評価結果を互いに比較する。これらの評価用トランジスタは、ソース電極36aおよびドレイン電極36bの面積は同一であるが、ゲート電極34の面積が異なる。そのため、ゲート絶縁膜33に発生するプラズマダメージが個々に異なる。したがって、評価結果を互いに比較することで、アンテナ比の違いによりゲート絶縁膜33が受けたプラズマダメージの大小を評価することができる。   In the evaluation process of this embodiment, the evaluation results of a plurality of evaluation transistors having different areas of the gate electrode 34 are compared with each other. In these evaluation transistors, the area of the source electrode 36a and the drain electrode 36b is the same, but the area of the gate electrode 34 is different. Therefore, the plasma damage generated in the gate insulating film 33 differs individually. Therefore, by comparing the evaluation results with each other, it is possible to evaluate the magnitude of the plasma damage received by the gate insulating film 33 due to the difference in antenna ratio.

以上のように本実施形態では、CMPによる平坦化を向上させることができるため、研磨されすぎてゲート電極34、ソース電極36aおよびドレイン電極36bのいずれかが消失したり、層間絶縁膜37が除去されずにゲート電極34の表面に残ってしまったりすることを防止することができる。したがって、安定的にプラズマダメージの評価を行うことが可能となる。   As described above, in this embodiment, since planarization by CMP can be improved, any of the gate electrode 34, the source electrode 36a, and the drain electrode 36b disappears due to excessive polishing, or the interlayer insulating film 37 is removed. It is possible to prevent the remaining on the surface of the gate electrode 34 without being performed. Accordingly, it is possible to stably evaluate plasma damage.

また、本実施形態では、平面視においてゲート電極34の面積が異なる複数のダメージ評価用素子を形成することで、アンテナ比の違いによりゲート絶縁膜33が受けたプラズマダメージの大小を正確に評価することができる。   In the present embodiment, by forming a plurality of damage evaluation elements having different areas of the gate electrode 34 in plan view, the magnitude of plasma damage received by the gate insulating film 33 due to the difference in antenna ratio can be accurately evaluated. be able to.

(第6の実施形態)
図6は、本実施形態の評価方法で使用するテスト用半導体装置の断面図である。本実施形態では、第4の実施形態で説明した工程に加え、層間絶縁膜37を形成する工程の前に、ゲート電極46、ソース電極47aおよびドレイン電極47bをそれぞれ埋込絶縁膜45で埋め込む工程と、ゲート電極46、ソース電極47aおよびドレイン電極47bの上部にそれぞれ位置する埋込絶縁膜45を除去し、かつ、ゲート電極46、ソース電極47aおよびドレイン電極47bの上面をそれぞれ平坦化する工程と、をさらに含む。第一の測定工程において、平坦化されたゲート電極46とソース電極47aまたはドレイン電極47bとの間のトランジスタの閾値を測定する。その他は第4の実施形態と同様である。
(Sixth embodiment)
FIG. 6 is a cross-sectional view of a test semiconductor device used in the evaluation method of this embodiment. In this embodiment, in addition to the steps described in the fourth embodiment, a step of embedding the gate electrode 46, the source electrode 47a, and the drain electrode 47b with the embedded insulating film 45 before the step of forming the interlayer insulating film 37, respectively. Removing the buried insulating film 45 located above the gate electrode 46, the source electrode 47a, and the drain electrode 47b, and planarizing the upper surfaces of the gate electrode 46, the source electrode 47a, and the drain electrode 47b, respectively. Further included. In the first measurement step, the threshold value of the transistor between the planarized gate electrode 46 and the source electrode 47a or the drain electrode 47b is measured. Others are the same as in the fourth embodiment.

以下、本実施形態について詳細に説明する。まず、半導体基板40内に素子分離層41を形成する。ついで、半導体基板40中にn型不純物を注入してn型拡散層(第一の拡散層)42を形成する。ついで、n型拡散層42上にゲート絶縁膜44を形成した後、ゲート絶縁膜44上にゲート電極46を形成する。ついで、ゲート電極46をマスクとして不純物を注入し、p型拡散層(第二の拡散層)43を形成する。ついで、p型拡散層43にソース電極47aおよびドレイン電極47bを形成する。   Hereinafter, this embodiment will be described in detail. First, the element isolation layer 41 is formed in the semiconductor substrate 40. Next, an n-type impurity is implanted into the semiconductor substrate 40 to form an n-type diffusion layer (first diffusion layer) 42. Next, after forming a gate insulating film 44 on the n-type diffusion layer 42, a gate electrode 46 is formed on the gate insulating film 44. Next, impurities are implanted using the gate electrode 46 as a mask to form a p-type diffusion layer (second diffusion layer) 43. Next, a source electrode 47 a and a drain electrode 47 b are formed in the p-type diffusion layer 43.

ついで、ゲート電極46、ソース電極47aおよびドレイン電極47bを埋込絶縁膜45で埋め込む。ここで、埋込絶縁膜45は、たとえば、LP(Low−Pressure)−CVD法によるシリコン窒化膜により形成させることができる。その後、埋込絶縁膜45をCMP法により除去して、ゲート電極46、ソース電極47aおよびドレイン電極47bの表面をそれぞれ露出する。   Next, the gate electrode 46, the source electrode 47 a, and the drain electrode 47 b are embedded with a buried insulating film 45. Here, the buried insulating film 45 can be formed of, for example, a silicon nitride film by LP (Low-Pressure) -CVD. Thereafter, the buried insulating film 45 is removed by CMP to expose the surfaces of the gate electrode 46, the source electrode 47a, and the drain electrode 47b.

ついで、図6に示す構造体において、ゲート電極46とソース電極47aまたはドレイン電極47bとの間のトランジスタの閾値を測定する(第一の測定工程)。   Next, in the structure shown in FIG. 6, the threshold value of the transistor between the gate electrode 46 and the source electrode 47a or the drain electrode 47b is measured (first measurement step).

ついで、プラズマCVD法により、ゲート電極46とソース電極47aとドレイン電極47bと埋込絶縁膜45の表面をそれぞれ覆うように層間絶縁膜(図示せず)を形成する。   Next, an interlayer insulating film (not shown) is formed by plasma CVD so as to cover the surfaces of the gate electrode 46, the source electrode 47a, the drain electrode 47b, and the buried insulating film 45, respectively.

その後、層間絶縁膜をCMP法により除去して、ゲート電極46とソース電極47aとドレイン電極47bと埋込絶縁膜45との表面をそれぞれ露出する。   Thereafter, the interlayer insulating film is removed by CMP to expose the surfaces of the gate electrode 46, the source electrode 47a, the drain electrode 47b, and the buried insulating film 45, respectively.

ついで、露出されたゲート電極46とソース電極47aまたはドレイン電極47bとの間のトランジスタの閾値を測定する(第二の測定工程)。このとき、トランジスタの閾値の測定方法には、第一の測定工程と同様な方法を採用することが好ましい。   Next, the threshold value of the transistor between the exposed gate electrode 46 and the source electrode 47a or the drain electrode 47b is measured (second measurement step). At this time, it is preferable to employ the same method as the first measurement step as the method for measuring the threshold value of the transistor.

ついで、第一の測定工程と第二の測定工程で得られたトランジスタの閾値を互いに比較する。こうすることで層間絶縁膜形成時にゲート絶縁膜44に発生するプラズマダメージを評価することが可能となる。   Next, the threshold values of the transistors obtained in the first measurement process and the second measurement process are compared with each other. By doing so, it is possible to evaluate plasma damage generated in the gate insulating film 44 when the interlayer insulating film is formed.

なお、本実施形態においても、ゲート電極46とゲート絶縁膜44とn型拡散層42との間に電圧を印加してリーク電流を測定して層間絶縁膜の形成前後に得られたリーク電流を互いに比較してもよい。   Also in this embodiment, the leakage current obtained before and after the formation of the interlayer insulating film is measured by applying a voltage between the gate electrode 46, the gate insulating film 44, and the n-type diffusion layer 42 to measure the leakage current. You may compare with each other.

以上のように本実施形態では、ゲート電極46、ソース電極47aおよびドレイン電極47bの表面をあらかじめCMP法により平坦化させてから層間絶縁膜を形成させる。これにより、層間絶縁膜の除去工程において、研磨されすぎてゲート電極46が消失してしまうことを防止し、かつ、ゲート電極46の表面から層間絶縁膜をスムーズに除去することができる。したがって、安定的にプラズマダメージの評価を行うことが可能となる。   As described above, in this embodiment, the surfaces of the gate electrode 46, the source electrode 47a, and the drain electrode 47b are planarized in advance by the CMP method, and then the interlayer insulating film is formed. Thereby, in the step of removing the interlayer insulating film, it is possible to prevent the gate electrode 46 from being lost due to excessive polishing, and to smoothly remove the interlayer insulating film from the surface of the gate electrode 46. Accordingly, it is possible to stably evaluate plasma damage.

以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。   As mentioned above, although embodiment of this invention was described with reference to drawings, these are the illustrations of this invention, Various structures other than the above are also employable.

たとえば、テスト用のゲート絶縁膜は、テスト用の半導体基板に形成されていてもよいし、製品用の半導体基板に形成されていてもよい。テスト用のゲート絶縁膜が製品用の半導体基板に製品用のゲート絶縁膜とともに形成するときは、テスト用ゲート絶縁膜をダイシングラインに形成すると、ダイシングにより最終製品と容易に分離できるため好ましい。   For example, the test gate insulating film may be formed on a test semiconductor substrate, or may be formed on a product semiconductor substrate. When the test gate insulating film is formed on the product semiconductor substrate together with the product gate insulating film, it is preferable to form the test gate insulating film on the dicing line because it can be easily separated from the final product by dicing.

また、上記第4、5、6の実施形態では、第一の拡散層をn型とし、第二の拡散層をp型としたが、第一の拡散層をp型とし、第二の拡散層をn型としてもよい。   In the fourth, fifth, and sixth embodiments, the first diffusion layer is n-type and the second diffusion layer is p-type. However, the first diffusion layer is p-type and the second diffusion layer is the second diffusion layer. The layer may be n-type.

また、本発明は、CMOSロジックに用いられる層間絶縁膜のみでなく、例えば、DRAM(Dynamic Random Access Memory)、SRAM(Static Random Access Memory)、フラッシュメモリ、FRAM(Ferro Electric Random Access Memory)、MRAM(Magnetic Random Access Memory)、抵抗変化型メモリ等のようなメモリ回路を有する半導体製品、マイクロプロセッサなどの論理回路を有する半導体製品、又はそれらを同時に搭載した混載型の半導体製品に用いられる層間絶縁膜に対してもプラズマダメージを評価することが可能である。また、本発明は少なくとも一部に層間絶縁膜を有する半導体装置、電子回路装置、光回路装置、量子回路装置、マイクロマシン等に対してもプラズマダメージを評価することが可能である。   The present invention is not limited to an interlayer insulating film used for CMOS logic, but includes, for example, DRAM (Dynamic Random Access Memory), SRAM (Static Random Access Memory), flash memory, FRAM (Ferro Electric Random Access Memory). In an interlayer insulating film used in a semiconductor product having a memory circuit such as a magnetic random access memory), a resistance change memory, a semiconductor product having a logic circuit such as a microprocessor, or a hybrid semiconductor product in which these are simultaneously mounted. In contrast, it is possible to evaluate plasma damage. In addition, the present invention can evaluate plasma damage to a semiconductor device, an electronic circuit device, an optical circuit device, a quantum circuit device, a micromachine, or the like having an interlayer insulating film at least partially.

また、本発明のプラズマダメージ評価方法を用いて製品用半導体装置を製造することもできる。図7は、この半導体装置の製造方法の一例を説明するフローチャートである。以下、図7を用いて、本発明のプラズマダメージ評価方法を用いた製品用半導体装置の製造方法の一例について説明する。   Moreover, the semiconductor device for products can also be manufactured using the plasma damage evaluation method of the present invention. FIG. 7 is a flowchart for explaining an example of the manufacturing method of the semiconductor device. Hereinafter, an example of a manufacturing method of a semiconductor device for products using the plasma damage evaluation method of the present invention will be described with reference to FIG.

まず、ダメージ評価用素子および製品用半導体素子を作製する(S10、S11)。ダメージ評価用素子および製品用半導体素子は、いずれも、図1で示すように、半導体基板10に、拡散層12、ゲート絶縁膜13、及び、ゲート電極14を有する。   First, a damage evaluation element and a product semiconductor element are manufactured (S10, S11). Each of the damage evaluation element and the product semiconductor element includes a diffusion layer 12, a gate insulating film 13, and a gate electrode 14 on a semiconductor substrate 10 as shown in FIG.

ついで、ダメージ評価用素子のゲート電極14とゲート絶縁膜13と拡散層12との間に電圧を印加してリーク電流を測定する。こうすることでゲート絶縁膜13の電気的特性を測定する(S12、第一の測定工程)。ついで、プラズマ気相法でダメージ評価用素子のゲート電極14を覆うように層間絶縁膜15を形成する(S13、図1(b))。   Next, a voltage is applied between the gate electrode 14 of the damage evaluation element, the gate insulating film 13 and the diffusion layer 12 to measure the leakage current. In this way, the electrical characteristics of the gate insulating film 13 are measured (S12, first measurement process). Next, an interlayer insulating film 15 is formed by plasma vapor deposition so as to cover the gate electrode 14 of the element for damage evaluation (S13, FIG. 1B).

ついで、ダメージ評価用素子の層間絶縁膜15を除去して、図1(c)で示すように、ゲート電極14の上面を露出する(S14)。ついで、ダメージ評価用素子の露出されたゲート電極14とゲート絶縁膜13と拡散層12との間に電圧を印加してリーク電流を測定する(S15、第二の測定工程)。   Next, the interlayer insulating film 15 of the element for damage evaluation is removed, and the upper surface of the gate electrode 14 is exposed as shown in FIG. 1C (S14). Next, a leakage current is measured by applying a voltage between the exposed gate electrode 14, the gate insulating film 13 and the diffusion layer 12 of the damage evaluation element (S15, second measurement step).

ついで、S12で得られるリーク電流の測定結果とS15で得られるリーク電流の測定結果とを比較する(S16、評価工程)。比較の結果、両者の差が所定値を超えるとき、プラズマダメージを受けたと評価する(S17Y)。   Next, the measurement result of the leakage current obtained in S12 and the measurement result of the leakage current obtained in S15 are compared (S16, evaluation step). As a result of comparison, when the difference between the two exceeds a predetermined value, it is evaluated that plasma damage has been received (S17Y).

ついで、S13におけるプラズマ条件を制御し(S18)、再び、別のダメージ評価用素子を用いて制御されたプラズマ条件で層間絶縁膜15を形成する。S17では、たとえば、プラズマのパワーや圧力を制御する。   Next, the plasma conditions in S13 are controlled (S18), and the interlayer insulating film 15 is formed again under the controlled plasma conditions using another damage evaluation element. In S17, for example, plasma power and pressure are controlled.

その結果、S16において、S12で得られるリーク電流の測定結果とS15で得られるリーク電流の測定結果との差が所定値を満たすとき、プラズマダメージを受けなかったと評価する(S17N)。そして、プラズマダメージを受けなかったと評価されたプラズマ条件で製品用半導体素子に層間絶縁膜15を形成する(S19)。ついで、任意の製造工程を経て製品用半導体装置を完成する(S20)。   As a result, in S16, when the difference between the measurement result of the leakage current obtained in S12 and the measurement result of the leakage current obtained in S15 satisfies a predetermined value, it is evaluated that the plasma damage is not received (S17N). Then, an interlayer insulating film 15 is formed on the product semiconductor element under the plasma conditions evaluated as having not been damaged by plasma (S19). Next, a product semiconductor device is completed through an arbitrary manufacturing process (S20).

なお、ダメージ評価用素子および半導体素子の構造は、図1で示す構造にかえて、図4で示す構造を採用してもよい。すなわち、基板30上にゲート絶縁膜33と、ゲート電極34と、n型拡散層32と、p型拡散層35と、ソース電極36aと、ドレイン電極36bとを形成してもよい。この場合、S12およびS15では、ダメージ評価用素子のゲート電極34とソース電極36aまたはドレイン電極36bとの間のトランジスタの閾値を測定することができる。この場合、S16では、S12で測定された閾値とS15で測定された閾値とを比較してもよい。比較の結果、両者の差が所定値以上であったとき、プラズマダメージを受けたと評価し(S17Y)。両者の差が所定値より小さいとき、プラズマダメージを受けたと評価してもよい(S17N)。その他の動作は、上記説明したとおりである。   Note that the structure of the damage evaluation element and the semiconductor element may be the structure shown in FIG. 4 instead of the structure shown in FIG. That is, the gate insulating film 33, the gate electrode 34, the n-type diffusion layer 32, the p-type diffusion layer 35, the source electrode 36a, and the drain electrode 36b may be formed on the substrate 30. In this case, in S12 and S15, the threshold value of the transistor between the gate electrode 34 of the damage evaluation element and the source electrode 36a or the drain electrode 36b can be measured. In this case, in S16, the threshold value measured in S12 may be compared with the threshold value measured in S15. As a result of comparison, when the difference between the two is equal to or greater than a predetermined value, it is evaluated that plasma damage has been received (S17Y). When the difference between the two is smaller than the predetermined value, it may be evaluated that plasma damage has been received (S17N). Other operations are as described above.

さらに、本発明は、以下の態様も適用可能である。
(1)半導体基板中に拡散層を形成する工程と、前記拡散層上にゲート絶縁膜を形成する工程と前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、前記半導体基板およびゲート電極上に層間絶縁膜を形成する工程と前記層間絶縁膜を化学機械研磨法(CMP)により除去する工程により前記ゲート電極を露出する工程を用いて形成された構造に対して、前記ゲート電極-前記ゲート絶縁膜-前記拡散層間のリーク電流を測定することにより層間絶縁膜形成時に前記ゲート絶縁膜に発生するプラズマダメージを評価する方法。
(2)(1)に記載の前記ゲート電極が半導体基板表面の30%以上の割合を占めるような構造を用いて、(1)に記載の層間絶縁膜形成時のプラズマダメージを評価する方法。
(3)半導体基板中にn型拡散層を形成する工程と、前記n型拡散層上にゲート絶縁膜を形成する工程と前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、前記半導体基板中にp型拡散層を形成する工程と前記p型拡散層上にソース、ドレイン電極を形成する工程と前記半導体基板およびゲート電極およびソース、ドレイン電極上に層間絶縁膜を形成する工程と前記層間絶縁膜を化学機械研磨法(CMP)により除去する工程により前記ゲート電極、前記ソース、ドレイン電極を露出する工程を用いて形成された構造に対して、前記ゲート電極-前記ゲート絶縁膜-前記拡散層間のリーク電流を測定することにより、また、前記ゲート電極、前記ソース、ドレイン電極間のトランジスタの閾値を測定することにより層間絶縁膜形成時に前記ゲート絶縁膜に発生するプラズマダメージを評価する方法。
(4)半導体基板中にp型拡散層を形成する工程と、前記p型拡散層上にゲート絶縁膜を形成する工程と前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、前記半導体基板中にn型拡散層を形成する工程と前記n型拡散層上にソース、ドレイン電極を形成する工程と前記半導体基板およびゲート電極およびソース、ドレイン電極上に層間絶縁膜を形成する工程と前記層間絶縁膜を化学機械研磨法(CMP)により除去する工程により前記ゲート電極、前記ソース、ドレイン電極を露出する工程を用いて形成された構造に対して、前記ゲート電極-前記ゲート絶縁膜-前記拡散層間のリーク電流を測定することにより、また、前記ゲート電極、前記ソース、ドレイン電極間のトランジスタの閾値を測定することにより層間絶縁膜形成時に前記ゲート絶縁膜に発生するプラズマダメージを評価する方法。
(5)(3)から(4)に記載の前記ゲート電極、前記ソース、ドレイン電極が半導体基板の表面の30%以上の割合を占めるような構造を用いて、(3)から(4)に記載の層間絶縁膜形成時のプラズマダメージを評価する方法。
(6)(1)から(4)に記載の前記ゲート絶縁膜、及び前記ゲート電極を絶縁膜中に埋め込む工程と、前記ゲート電極の一部をCMPにより除去する工程と、請求項3から4に記載のソース、ドレイン電極を絶縁膜中に埋め込む工程と、前記ソース、ドレイン電極の一部をCMPにより除去する工程と、前記層間絶縁膜を形成する工程と、前記形成した層間絶縁膜をCMPにより除去する工程を用いて形成された構造に対して、前記ゲート電極-前記ゲート絶縁膜-前記拡散層間のリーク電流を測定することにより、また、前記ゲート電極、前記ソース、ドレイン電極間のトランジスタの閾値を測定することにより層間絶縁膜形成時に前記ゲート絶縁膜に発生するプラズマダメージを評価する方法。
(7)ゲート電極の面積を変化させることにより、ゲート絶縁膜に発生するプラズマダメージを変化させて、プラズマダメージの大小を評価するような(1)から(6)に記載の方法。
(8)(1)から(7)に記載のゲート電極、または(4)から(7)に記載のソース、ドレイン電極がポリシリコンから構成されている、(1)から(7)に記載のプラズマダメージを評価する方法。
(9)(1)から(7)に記載のゲート電極、または(4)から(7)に記載のソース、ドレイン電極が金属から構成されている、(1)から(7)に記載のプラズマダメージを評価する方法。
Furthermore, the present invention is also applicable to the following aspects.
(1) a step of forming a diffusion layer in the semiconductor substrate, a step of forming a gate insulating film on the diffusion layer, a step of forming a gate electrode on the gate insulating film, and on the semiconductor substrate and the gate electrode For the structure formed using the step of exposing the gate electrode by the step of forming an interlayer insulating film and the step of removing the interlayer insulating film by chemical mechanical polishing (CMP), the gate electrode-the gate insulation A method of evaluating plasma damage generated in the gate insulating film during the formation of the interlayer insulating film by measuring a leakage current between the film and the diffusion layer.
(2) A method for evaluating plasma damage when forming an interlayer insulating film according to (1), using a structure in which the gate electrode according to (1) occupies a ratio of 30% or more of the surface of the semiconductor substrate.
(3) forming an n-type diffusion layer in the semiconductor substrate, forming a gate insulating film on the n-type diffusion layer, forming a gate electrode on the gate insulating film, and in the semiconductor substrate Forming a p-type diffusion layer, forming a source / drain electrode on the p-type diffusion layer, forming an interlayer insulating film on the semiconductor substrate, the gate electrode, the source / drain electrode, and the interlayer insulation. For the structure formed using the step of exposing the gate electrode, the source, and the drain electrode by the step of removing the film by chemical mechanical polishing (CMP), the gate electrode-the gate insulating film-the diffusion layer The gate current, the source, and the drain electrode are measured to measure the threshold current of the transistor between the gate electrode, the source, and the drain electrode. How to evaluate the plasma damage that occurs to the gate insulating film.
(4) forming a p-type diffusion layer in the semiconductor substrate, forming a gate insulating film on the p-type diffusion layer, forming a gate electrode on the gate insulating film, and in the semiconductor substrate Forming an n-type diffusion layer, forming a source / drain electrode on the n-type diffusion layer, forming an interlayer insulating film on the semiconductor substrate, the gate electrode, the source / drain electrode, and the interlayer insulation. For the structure formed using the step of exposing the gate electrode, the source, and the drain electrode by the step of removing the film by chemical mechanical polishing (CMP), the gate electrode-the gate insulating film-the diffusion layer The gate current, the source, and the drain electrode are measured to measure the threshold current of the transistor between the gate electrode, the source, and the drain electrode. How to evaluate the plasma damage that occurs to the gate insulating film.
(5) From (3) to (4), using the structure in which the gate electrode, the source, and the drain electrode according to (3) to (4) occupy 30% or more of the surface of the semiconductor substrate. A method for evaluating plasma damage during formation of the interlayer insulating film.
(6) The step of embedding the gate insulating film and the gate electrode in (1) to (4) in the insulating film, the step of removing a part of the gate electrode by CMP, and the steps of claims 3 to 4 The step of embedding the source and drain electrodes in the insulating film, the step of removing a part of the source and drain electrodes by CMP, the step of forming the interlayer insulating film, and the CMP of the formed interlayer insulating film And measuring the leakage current between the gate electrode, the gate insulating film, and the diffusion layer for the structure formed by using the step of removing the transistor between the gate electrode, the source, and the drain electrode. A method for evaluating plasma damage generated in the gate insulating film during the formation of the interlayer insulating film by measuring the threshold value.
(7) The method according to (1) to (6), wherein the plasma damage generated in the gate insulating film is changed by changing the area of the gate electrode to evaluate the magnitude of the plasma damage.
(8) The gate electrode according to (1) to (7), or the source and drain electrodes according to (4) to (7) are made of polysilicon, according to (1) to (7) A method to evaluate plasma damage.
(9) The plasma according to (1) to (7), wherein the gate electrode according to (1) to (7) or the source and drain electrodes according to (4) to (7) are made of metal. How to evaluate damage.

なお、当然ながら、上述した実施形態は、その内容が相反しない範囲で組み合わせることができる。また、上述した実施形態では、各部の構造などを具体的に説明したが、その構造などは本発明を満足する範囲で各種に変更することができる。   Of course, the above-described embodiments can be combined within a range in which the contents do not conflict with each other. In the above-described embodiment, the structure of each part has been specifically described. However, the structure and the like can be variously changed within a range that satisfies the present invention.

第1の実施形態の評価方法を説明する図である。図1(a)〜(c)は、第1の実施形態の評価方法の各工程におけるテスト用半導体装置の断面図である。図1(d)〜(f)は、第1の実施形態の評価方法の各工程における半導体装置の上面図である。It is a figure explaining the evaluation method of a 1st embodiment. 1A to 1C are cross-sectional views of a test semiconductor device in each step of the evaluation method according to the first embodiment. FIGS. 1D to 1F are top views of the semiconductor device in each step of the evaluation method according to the first embodiment. 第2の実施形態の評価方法を説明する図である。図2(a)は、第2の実施形態の評価方法で使用するテスト用半導体装置の断面図である。図2(b)は、第2の実施形態の評価方法で使用するテスト用半導体装置の上面図である。It is a figure explaining the evaluation method of 2nd Embodiment. FIG. 2A is a cross-sectional view of a test semiconductor device used in the evaluation method of the second embodiment. FIG. 2B is a top view of the test semiconductor device used in the evaluation method of the second embodiment. 第3の実施形態の評価方法で使用するテスト用半導体装置の断面図である。It is sectional drawing of the semiconductor device for a test used with the evaluation method of 3rd Embodiment. 第4の実施形態の評価方法を説明する図である。図4(a)〜(c)は、第4の実施形態の評価方法の各工程におけるテスト用半導体装置の断面図である。図4(d)〜(f)は、第4の実施形態の評価方法の各工程におけるテスト用半導体装置の上面図である。It is a figure explaining the evaluation method of 4th Embodiment. 4A to 4C are cross-sectional views of the test semiconductor device in each step of the evaluation method according to the fourth embodiment. 4D to 4F are top views of the test semiconductor device in each step of the evaluation method according to the fourth embodiment. 第5の実施形態の評価方法を説明する図である。図5(a)は、第5の実施形態の評価方法で使用するテスト用半導体装置の断面図である。図5(b)は、第5の実施形態の評価方法で使用するテスト用半導体装置の上面図である。It is a figure explaining the evaluation method of 5th Embodiment. FIG. 5A is a cross-sectional view of a test semiconductor device used in the evaluation method of the fifth embodiment. FIG. 5B is a top view of a test semiconductor device used in the evaluation method of the fifth embodiment. 第6の実施形態の評価方法で使用するテスト用半導体装置の断面図である。It is sectional drawing of the semiconductor device for a test used with the evaluation method of 6th Embodiment. 本発明の半導体装置の製造方法の一例を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining an example of the manufacturing method of the semiconductor device of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

10 半導体基板
11 素子分離層
12 拡散層
13 ゲート絶縁膜
14 ゲート電極
15 層間絶縁膜
17 ダミー電極
20 半導体基板
21 素子分離層
22 拡散層
23 ゲート絶縁膜
24 埋込絶縁膜
25 ゲート電極
26 層間絶縁膜
30 半導体基板
31 素子分離層
32 n型拡散層(第一の拡散層)
33 ゲート絶縁膜
34 ゲート電極
35 p型拡散層(第二の拡散層)
36a ソース電極
36b ドレイン電極
37 層間絶縁膜
399 ダミー電極
40 半導体基板
41 素子分離層
42 n型拡散層(第一の拡散層)
43 p型拡散層(第二の拡散層)
44 ゲート絶縁膜
45 埋込絶縁膜
46 ゲート電極
47a ソース電極
47b ドレイン電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Semiconductor substrate 11 Element isolation layer 12 Diffusion layer 13 Gate insulating film 14 Gate electrode 15 Interlayer insulating film 17 Dummy electrode 20 Semiconductor substrate 21 Element isolation layer 22 Diffusion layer 23 Gate insulating film 24 Buried insulating film 25 Gate electrode 26 Interlayer insulating film 30 Semiconductor substrate 31 Element isolation layer 32 n-type diffusion layer (first diffusion layer)
33 Gate insulating film 34 Gate electrode 35 p-type diffusion layer (second diffusion layer)
36a Source electrode 36b Drain electrode 37 Interlayer insulating film 399 Dummy electrode 40 Semiconductor substrate 41 Element isolation layer 42 n-type diffusion layer (first diffusion layer)
43 p-type diffusion layer (second diffusion layer)
44 Gate insulating film 45 Buried insulating film 46 Gate electrode 47a Source electrode 47b Drain electrode

Claims (21)

基板に、拡散層、テスト用ゲート絶縁膜、及び、テスト用ゲート電極を有するダメージ評価用素子を形成する工程と、
形成された前記テスト用ゲート電極に通電して前記テスト用ゲート絶縁膜の電気的特性を測定する第一の測定工程と、
プラズマ気相法で前記テスト用ゲート電極を覆う層間絶縁膜を形成する工程と、
前記層間絶縁膜を除去して、前記テスト用ゲート電極の上面を露出する工程と、
露出された前記テスト用ゲート電極に通電して前記テスト用ゲート絶縁膜の電気的特性を測定する第二の測定工程と、
前記第一の測定工程で得られる測定結果と前記第二の測定工程で得られる測定結果とを比較する評価工程と、
を含むプラズマダメージ評価方法。
Forming a damage evaluation element having a diffusion layer, a test gate insulating film, and a test gate electrode on a substrate;
A first measurement step of energizing the formed test gate electrode to measure electrical characteristics of the test gate insulating film;
Forming an interlayer insulating film covering the test gate electrode by a plasma vapor phase method;
Removing the interlayer insulating film and exposing an upper surface of the test gate electrode;
A second measurement step of measuring the electrical characteristics of the test gate insulating film by energizing the exposed test gate electrode;
An evaluation step for comparing the measurement result obtained in the first measurement step with the measurement result obtained in the second measurement step;
Plasma damage evaluation method including
前記基板がテスト用基板である請求項1に記載のプラズマダメージ評価方法。   The plasma damage evaluation method according to claim 1, wherein the substrate is a test substrate. 前記テスト用ゲート電極を露出する前記工程において、化学機械研磨法により前記テスト用ゲート電極を露出させる請求項1または2に記載のプラズマダメージ評価方法。   3. The plasma damage evaluation method according to claim 1, wherein in the step of exposing the test gate electrode, the test gate electrode is exposed by a chemical mechanical polishing method. 前記テスト用ゲート電極がポリシリコンから形成されている請求項1乃至3いずれかに記載のプラズマダメージ評価方法。   4. The plasma damage evaluation method according to claim 1, wherein the test gate electrode is made of polysilicon. 前記テスト用ゲート電極が金属層を有する請求項1乃至3いずれかに記載のプラズマダメージ評価方法。   The plasma damage evaluation method according to claim 1, wherein the test gate electrode has a metal layer. 前記ダメージ評価用素子を形成する前記工程が、
前記基板内に拡散層を形成する工程と、
前記拡散層上に前記テスト用ゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記テスト用ゲート絶縁膜上に前記テスト用ゲート電極を形成する工程と、
を含む請求項1乃至5いずれかに記載のプラズマダメージ評価方法。
The step of forming the damage evaluation element comprises:
Forming a diffusion layer in the substrate;
Forming the test gate insulating film on the diffusion layer;
Forming the test gate electrode on the test gate insulating film;
The plasma damage evaluation method according to claim 1, comprising:
前記第一、二の測定工程において、前記テスト用ゲート電極と前記テスト用ゲート絶縁膜と前記拡散層との間のリーク電流を測定し、
前記評価工程において、前記第一の測定工程で測定されたリーク電流と前記第二の測定工程で測定されたリーク電流とを比較する請求項1乃至6いずれかに記載のプラズマダメージ評価方法。
In the first and second measurement steps, a leakage current between the test gate electrode, the test gate insulating film and the diffusion layer is measured,
The plasma damage evaluation method according to claim 1, wherein in the evaluation step, the leakage current measured in the first measurement step is compared with the leakage current measured in the second measurement step.
前記テスト用ゲート電極を形成する前記工程において、前記テスト用ゲート電極が前記基板の表面積の30%以上を覆うように前記テスト用ゲート電極を形成する請求項6または7に記載のプラズマダメージ評価方法。   The plasma damage evaluation method according to claim 6 or 7, wherein, in the step of forming the test gate electrode, the test gate electrode is formed so that the test gate electrode covers 30% or more of a surface area of the substrate. . 前記ダメージ評価用素子を形成する前記工程は、前記基板内に素子分離層を形成する工程をさらに含み、
前記ダメージ評価用素子を形成する前記工程において、前記拡散層上から前記素子分離層上まで延在する前記テスト用ゲート電極を複数互いに面積が異なるように形成し、
前記第一、第二の測定工程において複数の前記テスト用ゲート電極にそれぞれ通電する請求項6乃至8いずれかに記載のプラズマダメージ評価方法。
The step of forming the element for damage evaluation further includes a step of forming an element isolation layer in the substrate,
In the step of forming the damage evaluation element, a plurality of test gate electrodes extending from the diffusion layer to the element isolation layer are formed to have different areas.
The plasma damage evaluation method according to any one of claims 6 to 8, wherein current is supplied to each of the plurality of test gate electrodes in the first and second measurement steps.
前記テスト用ゲート電極に隣設するダミー電極を形成する工程をさらに含む請求項6乃至9いずれかに記載のプラズマダメージ評価方法。   The plasma damage evaluation method according to claim 6, further comprising a step of forming a dummy electrode adjacent to the test gate electrode. 前記テスト用ゲート電極および前記ダミー電極が前記基板の表面積の30%以上を覆うように前記テスト用ゲート電極および前記ダミー電極をそれぞれ形成する請求項10に記載のプラズマダメージ評価方法。   The plasma damage evaluation method according to claim 10, wherein the test gate electrode and the dummy electrode are formed so that the test gate electrode and the dummy electrode cover 30% or more of the surface area of the substrate. 前記層間絶縁膜を形成する前記工程の前に前記テスト用ゲート電極を埋込絶縁膜で埋め込む工程と、
前記テスト用ゲート電極の上部に位置する前記埋込絶縁膜を除去し、かつ、前記テスト用ゲート電極の上面を平坦化する工程と、
をさらに含み、
前記第一の測定工程において、前記埋込絶縁膜が除去された前記テスト用ゲート電極と前記テスト用ゲート絶縁膜と前記拡散層との間のリーク電流を測定する請求項6乃至11いずれかに記載のプラズマダメージ評価方法。
Burying the test gate electrode with a buried insulating film before the step of forming the interlayer insulating film;
Removing the buried insulating film located above the test gate electrode and planarizing the upper surface of the test gate electrode;
Further including
The leak current between the test gate electrode, the test gate insulating film, and the diffusion layer from which the buried insulating film has been removed is measured in the first measuring step. The plasma damage evaluation method as described.
前記ダメージ評価用素子を形成する前記工程が、
前記基板上に前記テスト用ゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記テスト用ゲート絶縁膜上に前記テスト用ゲート電極を形成する工程と、
前記基板内にソース/ドレインとなる前記拡散層を形成する工程と、
前記拡散層上にソース電極およびドレイン電極を形成する工程と、
をさらに含む請求項1乃至5いずれかに記載のプラズマダメージ評価方法。
The step of forming the damage evaluation element comprises:
Forming the test gate insulating film on the substrate;
Forming the test gate electrode on the test gate insulating film;
Forming the diffusion layer to be a source / drain in the substrate;
Forming a source electrode and a drain electrode on the diffusion layer;
The plasma damage evaluation method according to any one of claims 1 to 5, further comprising:
前記層間絶縁膜を形成する前記工程において、前記ソース電極および前記ドレイン電極の周囲を覆うように前記層間絶縁膜を形成し、
前記テスト用ゲート電極を露出する前記工程において、前記ソース電極および前記ドレイン電極の上面を露出させ、
前記第一、二の測定工程において、前記テスト用ゲート電極と前記ソース電極または前記ドレイン電極との間のトランジスタの閾値を測定し、
前記評価工程において、前記第一の測定工程で測定された閾値と前記第二の測定工程で測定された閾値とを比較する請求項13に記載のプラズマダメージ評価方法。
In the step of forming the interlayer insulating film, the interlayer insulating film is formed so as to cover the periphery of the source electrode and the drain electrode,
In the step of exposing the test gate electrode, the upper surfaces of the source electrode and the drain electrode are exposed,
In the first and second measurement steps, a threshold value of a transistor between the test gate electrode and the source electrode or the drain electrode is measured,
The plasma damage evaluation method according to claim 13, wherein in the evaluation step, the threshold value measured in the first measurement step is compared with the threshold value measured in the second measurement step.
前記テスト用ゲート電極を露出する前記工程において、化学機械研磨法により前記ソース電極と前記ドレイン電極とを露出させる請求項14に記載のプラズマダメージ評価方法。   The plasma damage evaluation method according to claim 14, wherein in the step of exposing the test gate electrode, the source electrode and the drain electrode are exposed by a chemical mechanical polishing method. 前記テスト用ゲート電極と前記ソース電極と前記ドレイン電極とが平面視において前記基板の表面積の30%以上を覆うように前記テスト用ゲート電極と前記ソース電極と前記ドレイン電極とを形成する請求項13乃至15いずれかに記載のプラズマダメージ評価方法。   The test gate electrode, the source electrode, and the drain electrode are formed so that the test gate electrode, the source electrode, and the drain electrode cover 30% or more of the surface area of the substrate in a plan view. The plasma damage evaluation method according to any one of 15 to 15. 前記テスト用ゲート電極、前記ソース電極および前記ドレイン電極にそれぞれ隣設するダミー電極を形成する工程をさらに含む請求項13乃至16いずれかに記載のプラズマダメージ評価方法。   The plasma damage evaluation method according to claim 13, further comprising a step of forming a dummy electrode adjacent to each of the test gate electrode, the source electrode, and the drain electrode. 前記テスト用ゲート電極と前記ソース電極と前記ドレイン電極と前記ダミー電極とが平面視において前記基板の表面積の30%以上を覆うように前記テスト用ゲート電極と前記ソース電極と前記ドレイン電極と前記ダミー電極とを形成する請求項17に記載のプラズマダメージ評価方法。   The test gate electrode, the source electrode, the drain electrode, and the dummy so that the test gate electrode, the source electrode, the drain electrode, and the dummy electrode cover 30% or more of the surface area of the substrate in plan view. The plasma damage evaluation method according to claim 17, wherein an electrode is formed. 前記層間絶縁膜を形成する前記工程の前に、前記テスト用ゲート電極、前記ソース電極および前記ドレイン電極をそれぞれ埋込絶縁膜で埋め込む工程と、
前記テスト用ゲート電極、前記ソース電極および前記ドレイン電極の上部にそれぞれ位置する前記埋込絶縁膜を除去し、かつ、前記テスト用ゲート電極、前記ソース電極および前記ドレイン電極の前記上面をそれぞれ平坦化する工程と、
をさらに含み、
前記第一の測定工程において、平坦化された前記テスト用ゲート電極と前記ソース電極または前記ドレイン電極との間のトランジスタの閾値を測定する請求項13乃至18いずれかに記載のプラズマダメージ評価方法。
Embedding the test gate electrode, the source electrode, and the drain electrode with a buried insulating film before the step of forming the interlayer insulating film,
The buried insulating film located above the test gate electrode, the source electrode, and the drain electrode is removed, and the upper surfaces of the test gate electrode, the source electrode, and the drain electrode are planarized, respectively. And a process of
Further including
The plasma damage evaluation method according to any one of claims 13 to 18, wherein in the first measurement step, a threshold value of a transistor between the flattened gate electrode for testing and the source electrode or the drain electrode is measured.
前記ソース電極および前記ドレイン電極が、同一の膜から形成されている請求項13乃至19いずれかに記載のプラズマダメージ評価方法。   The plasma damage evaluation method according to claim 13, wherein the source electrode and the drain electrode are formed of the same film. 基板に、拡散層、テスト用ゲート絶縁膜、及び、テスト用ゲート電極を有するダメージ評価用素子を形成する工程と、
前記基板に、前記拡散層、製品用ゲート絶縁膜、及び、製品用ゲート電極を有する半導体素子を形成する工程と、
形成された前記テスト用ゲート電極に通電して前記テスト用ゲート絶縁膜の電気的特性を測定する第一の測定工程と、
プラズマ気相法で前記テスト用ゲート電極を覆うテスト用層間絶縁膜を形成する工程と、
前記テスト用層間絶縁膜を除去して、前記テスト用ゲート電極の上面を露出する工程と、
露出された前記テスト用ゲート電極に通電して前記テスト用ゲート絶縁膜の電気的特性を測定する第二の測定工程と、
前記第一の測定工程で得られる測定結果と前記第二の測定工程で得られる測定結果とを比較する評価工程と、
前記評価工程で得られた評価結果が所定の閾値を満たすとき、前記テスト用層間絶縁膜を形成したプラズマ条件で前記製品用ゲート電極を覆う製品用層間絶縁膜を形成する工程と、
を含む半導体装置の製造方法。
Forming a damage evaluation element having a diffusion layer, a test gate insulating film, and a test gate electrode on a substrate;
Forming a semiconductor element having the diffusion layer, the product gate insulating film, and the product gate electrode on the substrate;
A first measurement step of energizing the formed test gate electrode to measure electrical characteristics of the test gate insulating film;
Forming a test interlayer insulating film covering the test gate electrode by a plasma vapor phase method;
Removing the test interlayer insulating film and exposing an upper surface of the test gate electrode;
A second measurement step of measuring the electrical characteristics of the test gate insulating film by energizing the exposed test gate electrode;
An evaluation step for comparing the measurement result obtained in the first measurement step with the measurement result obtained in the second measurement step;
When the evaluation result obtained in the evaluation step satisfies a predetermined threshold, forming a product interlayer insulating film that covers the product gate electrode under plasma conditions in which the test interlayer insulating film is formed;
A method of manufacturing a semiconductor device including:
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