JP2010153455A - 半導体装置およびその検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】層間絶縁層の平坦度を、容易に、非破壊で検査することができる半導体装置および半導体装置の検査方法を提供する
【解決手段】本発明に係る半導体装置１０００は、層間絶縁層４０の表面の平坦度を評価するための評価用素子１００を含む半導体装置であって、評価用素子１００は、半導体基板１０の上方に設けられた、平面視において、矩形状のダミー電極２０と、ダミー電極２０の少なくとも１つの辺と対向するように設けられた評価用パターン３０と、ダミー電極２０および評価用パターン３０を覆う層間絶縁層４０と、を含み、評価用パターン３０は、複数のマーカー３２を有し、複数のマーカー３２は、各々、ダミー電極２０から所定の距離に設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置およびその検査方法に関する。

半導体装置に用いられる層間絶縁層は、配線や素子等の段差を覆うように設けられる。層間絶縁層は、上層の配線等のリソグラフィやエッチングを容易にするために、配線や素子等の段差を緩和し、その表面が平坦であることが要求される場合がある。層間絶縁層を平坦化させる技術としては、リフロー処理が知られている。リフロー処理とは、層間絶縁層の材料を、軟化温度以上で熱処理することにより、層間絶縁層の材料が流動化する現象を利用して表面を平坦化させる処理をいう。

層間絶縁層の表面の平坦度を評価する方法としては、一般的に、断面ＳＥＭ観察によりリフロー角度を評価する方法が知られている。リフロー角度とは、断面方向からみて、半導体基板の表面に対する層間絶縁層の表面の段差部における傾斜角度である。

また、例えば、特許文献１には、非破壊で、層間絶縁層の微細構造を測定する方法が開示されている。
特開２００４−６４００６号公報

しかしながら、断面ＳＥＭ観察による平坦度の評価方法は、破壊試験であり、試料を加工する工程が必要になるなど、容易に行うことができないという問題が生じる場合がある。

また、特許文献１に開示された方法では、特許文献１で開示された非破壊測定装置を準備する必要があり、容易に検査を行うことができない場合がある。

本発明の目的の１つは、層間絶縁層の平坦度を、容易に、非破壊で検査することができる半導体装置および半導体装置の検査方法を提供することにある。

本発明に係る半導体装置は、
層間絶縁層の表面の平坦度を評価するための評価用素子を含む半導体装置であって、
前記評価用素子は、
半導体基板の上方に設けられた、平面視において、矩形状のダミー電極と、
前記ダミー電極の少なくとも１つの辺と対向するように設けられた評価用パターンと、
前記ダミー電極および前記評価用パターンを覆う前記層間絶縁層と、
を含み、
前記評価用パターンは、複数のマーカーを有し、
複数の前記マーカーは、各々、前記ダミー電極から所定の距離に設けられている。

本発明に係る半導体装置は、評価用素子を含むことができる。これにより、本発明に係る半導体装置は、後述する本発明に係る半導体装置の検査方法に用いられることで、層間絶縁層の平坦度を、容易に、非破壊で検査することができる。

本発明に係る半導体装置において、
前記マーカーは、ライン状に設けられ、前記ダミー電極の対向する辺と平行に配置されることができる。

本発明に係る半導体装置において、
前記マーカーは、前記半導体基板の上方に設けられたシリコン酸化膜からなることができる。

なお、本発明に係る記載では、「上方」という文言を、例えば、「特定の部材（以下「Ａ部材」という）の「上方」に形成された他の特定の部材（以下「Ｂ部材」という）」などと用いている。本発明に係る記載では、この例のような場合に、Ａ部材上に直接Ｂ部材が形成されているような場合と、Ａ部材上に他の部材を介してＢ部材が形成されているような場合とが含まれるものとして、「上方」という文言を用いている。同様に、「下方」という文言は、Ａ下に直接Ｂを形成するような場合と、Ａ下に他のものを介してＢを形成するような場合とが含まれるものとする。

本発明に係る半導体装置において、
前記マーカーは、前記半導体基板に設けられた溝からなることができる。

本発明に係る半導体装置において、
前記評価用パターンは、前記ダミー電極の直交する２辺に、それぞれ設けられていることができる。

本発明に係る半導体装置において、
前記評価用パターンは、前記ダミー電極の各辺に、それぞれ設けられていることができる。

本発明に係る半導体装置において、
前記層間絶縁層は、リンシリケートガラス、ボロンシリケートガラス、またはホウ素リンシリケートガラスのうちのいずれか１つの材料からなることができる。

本発明に係る半導体装置において、
前記層間絶縁層は、複数の層からなり、
前記層間絶縁層の複数の層のうち、少なくとも１層は、リンシリケートガラス、ボロンシリケートガラス、またはホウ素リンシリケートガラスのうちのいずれか１つの材料からなることができる。

本発明に係る半導体装置の検査方法は、
本発明に係る半導体装置を準備する工程と、
前記評価パターンに設けられた複数の前記マーカーのうち、いずれか２つの前記マーカーを選択する工程と、
選択された前記マーカー上の前記層間絶縁層の膜厚を、光学的に測定する工程と、
測定された前記層間絶縁層の膜厚から、前記層間絶縁層のリフロー角度を求め、前記層間絶縁層の平坦度を評価する工程と、を含む。

本発明に係る半導体装置の検査方法は、本発明に係る半導体装置を用いることができる。これにより、層間絶縁層の平坦度を、容易に、非破壊で検査することができる。

本発明に係る半導体装置の検査方法において、
前記層間絶縁層のリフロー角度は、下記式（１）から求められることができる。

θ＝ｔａｎ^−１（ｂ／ａ）・・・（１）

但し、θは、前記リフロー角度であり、ａは、選択された２つの前記マーカー間の距離であり、ｂは、選択された２つの前記マーカー上で測定された前記層間絶縁層の膜厚の差である。

本発明に係る半導体装置の検査方法において、
前記マーカーを選択する工程は、前記層間絶縁層の傾斜面の下方に位置する前記マーカーを選択することにより行われることができる。

本発明に係る半導体装置の検査方法において、
前記層間絶縁層の膜厚の測定は、光干渉式の膜厚測定装置により行われることができる。

本発明に係る半導体装置の検査方法において、
前記評価用パターンは、複数設けられ、
複数の前記評価用パターンごとに、前記リフロー角度が求められることができる。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。

１． 半導体装置
（１）まず、本実施形態に係る半導体装置について説明する。図１は、本実施形態に係る半導体装置１０００を模式的に示す断面図である。図２は、本実施形態に係る半導体装置１０００を模式的に示す平面図である。図１は、図２で示すＢ−Ｂ線の断面図である。

半導体装置１０００は、図１に示すように、半導体基板１０と、層間絶縁層４０の平坦度を評価するための評価用素子１００と、を含む。なお、図１のＡ線は、半導体基板１０の表面に対して、平行な線である。

半導体基板１０は、例えば、シリコン基板からなる。半導体基板１０には、評価用素子１００が設けられている。

評価用素子１００は、ダミー電極２０と、評価用パターン３０と、層間絶縁層４０と、を含む。評価用素子１００は、ＴＥＧ（Test Element Group）として、製品チップの一部に設けられていてもよいし、スクライブラインに設けられていてもよい。

ダミー電極２０は、半導体基板１０上に設けられている。ダミー電極２０は、図示の例では、酸化層５０を介して、半導体基板１０上に設けられている。酸化層５０は、設けられなくてもよい。ダミー電極２０は、図２に示すように、平面視において、矩形状である。ダミー電極２０の膜厚は、例えば、２００ｎｍである。ダミー電極２０は、例えば、多結晶シリコン、タングステンシリサイドからなる。

評価用パターン３０は、図示の例では、４つ設けられ、それぞれダミー電極２０の各辺に対向するように配置されている。評価用パターン３０は、ダミー電極２０の少なくとも１つの辺と対向するように設けられることができる。評価用パターン３０は、例えば、ダミー電極２０の直交する２辺に、それぞれ設けられてもよい。評価用パターン３０は、後述するように、層間絶縁層４０の膜厚を測定する際の目印となり、膜厚測定箇所Ｐ１，Ｐ２間の距離を測定することができる。評価用パターン３０は、複数のマーカー３２を有する。

マーカー３２は、ライン状に設けられ、ダミー電極２０の対向する辺と平行に配置されている。マーカー３２は、例えば、半導体基板１０上に設けられたシリコン酸化膜からなる。マーカー３２の厚さは、例えば、７ｎｍ〜１０ｎｍである。マーカー３２の材料は、後述する膜厚測定の際に、光学顕微鏡等で確認できるように、層間絶縁層４０と異なる屈折率を有する材料であることが望ましい。マーカー３２は、ダミー電極２０から所定の距離に設けられている。したがって、各マーカー３２間の距離を確認することができる。マーカー３２は、例えば、等間隔に設けられている。マーカー３２の数は、図示の例では、４つだが、２つ以上であればその数は特に限定されない。後述するように、本実施形態に係る半導体装置の検査方法では、選択されたマーカー３２上の測定点Ｐ１，Ｐ２で、層間絶縁層４０の膜厚が光学的な膜厚測定装置により測定される。したがって、マーカー３２の上面は、膜厚測定装置の測定領域より大きく形成されることが望ましい。すなわち、マーカー３２の幅Ｗおよび長さＬは、膜厚測定装置の測定領域が１μｍφであった場合、１μｍ以上であることが望ましい。これにより、膜厚測定の際に、マーカー３２の形状の影響を受けることなく精度良く測定ができる。なお、マーカー３２の長さＬは、図示の例では、ダミー電極２０の対向する辺と同じ長さである。

層間絶縁層４０は、ダミー電極２０および評価用パターン３０を覆うように設けられている。層間絶縁層４０は、単一の層であっても複数の層であってもよい。層間絶縁層４０は、図示の例では、２層である。層間絶縁層４０の膜厚は、例えば、３００ｎｍ〜８００ｎｍ程度である。層間絶縁層４０は、リフロー層４４を有する。リフロー層４４は、リフロー処理により、層間絶縁層４０の表面を平坦化することができる。リフロー処理とは、層間絶縁層の材料を、軟化温度以上で熱処理することにより、層間絶縁層の材料が流動化する現象を利用して、層間絶縁層の表面を平坦化させる処理をいう。リフロー層４４は、例えば、リンシリケートガラス（ＰＳＧ）、ボロンシリケートガラス（ＢＳＧ）、またはホウ素リンシリケートガラス（ＢＰＳＧ）のうちのいずれか１つの材料からなることができる。層間絶縁層４０は、さらに高温酸化シリコン（ＨＴＯ）層４２を有してもよい。リフロー層４４は、図示の例では、高温酸化シリコン層４２を介して、ダミー電極２０および評価用パターン３０を覆うように設けられている。層間絶縁層４０は、図１に示すように、半導体基板１０の表面に対して傾斜する傾斜面４０ａを有する。傾斜面４０ａは、層間絶縁層４０が、ダミー電極２０を覆うことにより生じた表面の段差を、リフロー処理により平坦化することで形成される。層間絶縁層４０の表面の平坦度の指標としては、傾斜面４０ａの傾斜角度であるリフロー角度θを用いることができる。

本実施形態に係る半導体装置は、例えば、以下の特徴を有する。

半導体装置１０００は、評価用素子１００を含むことができる。したがって、半導体装置１０００は、後述する本発明に係る半導体装置の検査方法に用いられることで、層間絶縁層４０の平坦度を、容易に、非破壊で検査することができる。

（２）次に、本実施形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。図３から図５は、本実施形態に係る半導体装置１０００の製造工程を模式的に示す断面図である。

図３に示すように、半導体基板１０上に酸化層５０を形成する。酸化層５０は、例えば、熱酸化法により形成される。

図４に示すように、酸化層５０上にダミー電極２０を形成する。ダミー電極２０は、例えば、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により成膜され、フォトリソグラフィ技術により矩形状に形成される。次に、評価用パターン３０を形成する。評価用パターン３０は、例えば、酸化層５０をフォトリソグラフィ技術によりパターニングすることによりマーカー３２を形成することで形成される。

図５に示すように、ダミー電極２０および評価用パターン３０を覆う層間絶縁層４０を形成する。高温酸化シリコン層４２およびリフロー層４４は、例えば、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により形成される。

図１に示すように、層間絶縁層４０を平坦化することにより、傾斜面４０ａを形成する。層間絶縁層４０の平坦化は、リフロー処理により行われる。具体的には、リフロー層４４の材料を、軟化温度以上で熱処理することにより行われる。リフロー層４４が、ＢＰＳＧであった場合、熱処理の温度は、例えば、４５０℃〜８００℃である。

以上の工程により、半導体装置１０００を製造することができる。

（３）次に、本実施形態に係る半導体装置の変形例について説明する。なお、上述した図１及び図２に示す半導体装置１０００の例と異なる点について説明し、同様の点については、同一の符号を付し、説明を省略する。

図６は、本変形例に係る半導体装置２０００を模式的に示す断面図であり、図１に示す断面図に対応している。

半導体装置１０００の例では、図１に示すように、評価用素子１００において、評価用パターン３０のマーカー３２は、半導体基板１０上に形成されたシリコン酸化膜であった。本変形例に係る半導体装置２０００の例では、図６に示すように、評価用素子２００において、評価用パターン２０３０のマーカー２０３２は、半導体基板１０に形成された溝であることができる。溝の深さは、層間絶縁層４０の膜厚測定の際に、確認することができれば、特に限定されない。溝の深さは、例えば、１０ｎｍである。本変形例に係る半導体装置２０００では、膜厚の測定点Ｐ１，Ｐ２は、溝の底面上であることができる。

半導体装置２０００の製造方法は、半導体基板１０にマーカー２０３２となる溝を、例えば、フォトリソグラフィ技術により形成すること以外は、半導体装置１０００の例と同様のため、その詳細な説明を省略する。

２． 半導体装置の検査方法
次に、半導体装置の検査方法について説明する。本実施形態では、上述した半導体装置を対象として検査を行うことができる。図７および図８は、本実施形態に係る半導体装置の検査方法を説明するための図である。なお、本実施形態では、半導体装置１０００を用いた場合について説明する。

図７に示すように、半導体装置１０００を準備する。半導体装置１０００は、上述した製造方法により、製造することができる。

次に、評価用パターン３０の複数のマーカー３２のうち、いずれか２つのマーカー３２ａ，３２ｂを選択する。具体的には、マーカー３２は、例えば、層間絶縁層４０の傾斜面４０ａの下に位置するマーカー３２ａ，３２ｂを選択することにより行われる。選択されたマーカー３２ａ，３２ｂは、各々、ダミー電極２０から所定の距離に設けられている。したがって、選択されたマーカー３２ａ，３２ｂのダミー電極２０からの距離の差を算出することで、選択されたマーカー３２ａ，３２ｂ間の距離ａを求めることができる。

図８に示すように、選択されたマーカー３２ａ，３２ｂ上の層間絶縁層４０の膜厚を測定する。具体的には、選択されたマーカー３２ａ，３２ｂ上の位置Ｐ１，Ｐ２における層間絶縁層４０の膜厚を測定する。膜厚の測定は、例えば、ハロゲンランプを光源とした光干渉式の膜厚測定装置を用いることができる。光干渉式の膜厚測定装置としては、例えば、大日本スクリーン製造株式会社製のラムダエースＶＭ２２００シリーズを挙げることができる。光学的に膜厚を測定できる装置を用いることにより、非破壊で測定することができる。膜厚の測定領域は、例えば、１μｍφである。マーカー３２の上面は、膜厚の測定領域より広く形成されているため、マーカー３２の形状の影響を受けることなく精度良く膜厚の測定ができる。測定されたマーカー３２ａ，３２ｂ上の層間絶縁層４０の膜厚から、膜厚の差ｂを求めることができる。

次に、層間絶縁層４０のリフロー角度θを算出する。上述した工程で得られた、選択されたマーカー３２ａ，３２ｂ間の距離ａ、および選択されたマーカー３２ａ，３２ｂ上で測定された層間絶縁層４０の膜厚の差ｂによって、リフロー角度θは、以下のように定義される。

θ＝ｔａｎ^−１（ｂ／ａ）・・・（１）

式（１）により、リフロー角度θを算出することができる。したがって、本実施形態に係る検査方法によれば、容易に、非破壊で、層間絶縁層４０の平坦度を評価することができる。

図２に示すように、評価用パターン３０が複数設けられている場合、それぞれの評価用パターン３０に対して、リフロー角度θを求めることができる。これにより、評価用パターン３０が設けられた方向ごとに、層間絶縁層４０の平坦度を検査することができる。例えば、評価用パターン３０がダミー電極２０の直交する２辺に設けられた場合、層間絶縁層４０の直交する２方向の平坦度を検査することができる。

評価用パターン３０が、マーカー３２を３つ以上有する場合、選択する２つのマーカー３２の組み合わせを変えることができる。したがって、１つの評価用パターン３０に対して、その組み合わせごとに、複数のリフロー角度θを算出することができる。これにより、層間絶縁層４０の平坦度を詳細に検査することができる。

以上の工程により、半導体装置１０００の層間絶縁層４０の平坦度を検査することができる。

本実施形態に係る半導体装置の検査方法は、例えば、以下の特徴を有する。

本実施形態に係る半導体装置の検査方法では、本発明に係る半導体装置を用いることができる。これにより、リフロー角度θを算出するための、選択されたマーカー３２ａ，３２ｂ間の距離ａ、選択されたマーカー３２ａ，３２ｂ上で測定された層間絶縁層４０の膜厚の差ｂを、容易に非破壊で、求めることができる。すなわち、本実施形態に係る半導体装置の検査方法によれば、容易に、非破壊で、層間絶縁層４０の表面の平坦度を検査することができる。

本実施形態に係る半導体装置の検査方法では、複数の評価用パターン３０が設けられた本発明に係る半導体装置を用いることができる。これにより、評価用パターン３０が設けられた方向ごとに、リフロー角度θを求めることができる。すなわち、本実施形態に係る半導体装置の検査方法によれば、層間絶縁層４０の異なる方向の平坦度を検査することができる。

なお、上述した通り、本実施形態に係る半導体装置の検査方法では、容易に、非破壊で、層間絶縁層４０の平坦度を検査することができる。また、本実施形態に係る半導体装置は、半導体プロセスで製造することができる。したがって、本実施形態に係る半導体装置の検査方法は、インライン管理に用いることができる。

上記のように、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できよう。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。

本実施形態に係る半導体装置を模式的に示す断面図。 本実施形態に係る半導体装置を模式的に示す平面図。 本実施形態に係る半導体装置の製造工程を模式的に示す断面図。 本実施形態に係る半導体装置の製造工程を模式的に示す断面図。 本実施形態に係る半導体装置の製造工程を模式的に示す断面図。 本実施形態の変形例に係る半導体装置を模式的に示す断面図。 本実施形態に係る半導体装置の検査方法を説明する断面図。 本実施形態に係る半導体装置の検査方法を説明する断面図。

符号の説明

１０ 半導体基板、２０ ダミー電極、３０ 評価用パターン、３２ マーカー、４０ 層間絶縁層、４０ａ 傾斜面、４２ 高温酸化シリコン層、４４ リフロー層、５０ 酸化層、１００ 評価用素子、２００ 評価用素子、１０００ 半導体装置、２０００ 半導体装置、２０３０ 評価用パターン、２０３２ マーカー

Claims (13)

1. 層間絶縁層の表面の平坦度を評価するための評価用素子を含む半導体装置であって、
   前記評価用素子は、
   半導体基板の上方に設けられた、平面視において、矩形状のダミー電極と、
   前記ダミー電極の少なくとも１つの辺と対向するように設けられた評価用パターンと、
   前記ダミー電極および前記評価用パターンを覆う前記層間絶縁層と、
   を含み、
   前記評価用パターンは、複数のマーカーを有し、
   複数の前記マーカーは、各々、前記ダミー電極から所定の距離に設けられている、半導体装置。
2. 請求項１において、
   前記マーカーは、ライン状に設けられ、前記ダミー電極の対向する辺と平行に配置されている、半導体装置。
3. 請求項１または２において、
   前記マーカーは、前記半導体基板の上方に設けられたシリコン酸化膜からなる、半導体装置。
4. 請求項１または２において、
   前記マーカーは、前記半導体基板に設けられた溝からなる、半導体装置。
5. 請求項１乃至４のいずれかにおいて、
   前記評価用パターンは、前記ダミー電極の直交する２辺に、それぞれ設けられている、半導体装置。
6. 請求項１乃至４のいずれかにおいて、
   前記評価用パターンは、前記ダミー電極の各辺に、それぞれ設けられている、半導体装置。
7. 請求項１乃至６のいずれかにおいて、
   前記層間絶縁層は、リンシリケートガラス、ボロンシリケートガラス、またはホウ素リンシリケートガラスのうちのいずれか１つの材料からなる、半導体装置。
8. 請求項１乃至６のいずれかにおいて、
   前記層間絶縁層は、複数の層からなり、
   前記層間絶縁層の少なくとも１層は、リンシリケートガラス、ボロンシリケートガラス、またはホウ素リンシリケートガラスのうちのいずれか１つの材料からなる、半導体装置。
9. 請求項１乃至８のいずれかに記載の半導体装置を準備する工程と、
   前記評価パターンに設けられた複数の前記マーカーのうち、いずれか２つの前記マーカーを選択する工程と、
   選択された前記マーカー上の前記層間絶縁層の膜厚を、光学的に測定する工程と、
   測定された前記層間絶縁層の膜厚から、前記層間絶縁層のリフロー角度を求め、前記層間絶縁層の平坦度を評価する工程と、を含む、半導体装置の検査方法。
10. 請求項９において、
    前記層間絶縁層の前記リフロー角度は、下記式（１）から求められる、半導体装置の検査方法。
    θ＝ｔａｎ^−１（ｂ／ａ）・・・（１）
    但し、θは、前記リフロー角度であり、ａは、選択された２つの前記マーカー間の距離であり、ｂは、選択された２つの前記マーカー上で測定された前記層間絶縁層の膜厚の差である。
11. 請求項９または１０において、
    前記マーカーを選択する工程は、前記層間絶縁層の傾斜面の下方に位置する前記マーカーを選択することにより行われる、半導体装置の検査方法。
12. 請求項９乃至１１のいずれかにおいて、
    前記層間絶縁層の膜厚の測定は、光干渉式の膜厚測定装置により行われる、半導体装置の検査方法。
13. 請求項９乃至１２のいずれかにおいて、
    前記評価用パターンは、複数設けられ、
    複数の前記評価用パターンごとに、前記リフロー角度が求められる、半導体装置の検査方法。

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