JP3319745B2

JP3319745B2 - コンタクトホール評価方法

Info

Publication number: JP3319745B2
Application number: JP2001344343A
Authority: JP
Inventors: 国林劉; 英次内田; 泉合川; 尚克池上; 紀夫平下
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 2001-11-09
Filing date: 2001-11-09
Publication date: 2002-09-03
Anticipated expiration: 2017-07-23
Also published as: JP2002222843A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、半導体集積回路
の製造工程におけるコンタクトホール形成プロセスを確
立するために、コンタクトホールの形成後、そのホール
内表面の組成の深さ方向分布を求める方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体大規模集積回路装置（以下、ＬＳ
Ｉと称する。）は、最近の高集積化に伴い、素子数が増
大し、配線を形成するためのコンタクトホール数が増大
している。コンタクトホールの口径は次第に小さくなる
傾向にある。このため、コンタクトホールの形成がます
ます困難になってきている。コンタクトホールはエッチ
ングにより形成する。エッチングにより形成したコンタ
クトホールの内表面には、エッチングガスなどによって
蒸着膜が形成される。この蒸着膜は、基本的にはエッチ
ングにより生じた残渣が堆積したものである。コンタク
トホールの形成プロセスを確立するためには、この蒸着
膜の組成分布を調べて、エッチングプロセスの最適化を
図る必要がある。

【０００３】ホール内表面の組成分布を調べる従来方法
は、文献「電子情報通信学会技術研究報告，Ｖｏｌ．９
３，Ｎｏ．３６９ｐｐ．４７−５２」に開示されてい
る。この文献に開示されている方法によれば、多層配線
試料を劈開してスルーホールの内面を露出させる。そし
て、オージェ電子分光法により、そのスルーホールの内
面に形成されている蒸着膜の分析を行う。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来、
ディープサブミクロンあるいは数十ナノメートル（ｎ
ｍ）の直径（口径）で、深さが１μｍ以上であるコンタ
クトホールの内面の組成分布を分析する方法は報告され
ていない。このため、コンタクトホールのエッチングプ
ロセスの最適化が図れず、例えば２０倍程度のアスペク
ト比のコンタクトホールを形成することが難しかった。

【０００５】従って、従来より、ディープサブミクロン
オーダーの口径のコンタクトホールの内面に付着した蒸
着膜の組成分布を分析する方法の出現が望まれていた。

【０００６】

【課題を解決するための手段】そこで、この出願に係る
発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、ＳＩＭＳ（２次イ
オン質量分析法）を利用するとコンタクトホールの内面
（側壁）の組成分布の分析が可能であることを発見し
た。

【０００７】この発明のコンタクトホール評価方法によ
れば、シリコン基板上に形成された絶縁膜中に異方性エ
ッチングにより形成されたコンタクトホールの底部の状
態を評価するコンタクトホール評価方法において、コン
タクトホールの側壁及び絶縁膜の表面に斜め上方から１
次イオンを照射することにより２次イオンを発生させる
と共に、１次イオンの照射により絶縁膜を徐々に削る工
程と、２次イオンの質量分析を行う工程と、コンタクト
ホールの側壁への１次イオンの照射に連続して、コンタ
クトホールの底部へ１次イオンを照射し、２次イオンを
発生させる工程とを含み、異方性エッチングの際にコン
タクトホールの側壁及び底部に付着した付着膜の分布を
測定することにより、コンタクトホールの底部の状態を
評価することを特徴とする。

【０００８】すなわち、コンタクトホールが形成された
被検査用絶縁膜の表面を１次イオンにより照射する。１
次イオンは、被検査用絶縁膜の表面に対して同一の斜め
方向から入射させるのが良い。このようにすると、コン
タクトホールの内面に１次イオンが入射しやすくなる。
例えば、絶縁膜の表面に対する１次イオンの入射角をθ
とし、コンタクトホールの口径をΦとする。このとき、
被検査用絶縁膜の表面から深さ方向に沿ったΦ×ｔａｎ
θの距離にわたるホール内面領域が１次イオンにより照
射される。

【０００９】１次イオンが照射されると、絶縁膜の表面
やホール内面に付着した異物すなわち蒸着膜の表面の構
成物質がスパッタリングされて２次イオンなどが生成さ
れる。そして、発生した２次イオンの質量分析を行うこ
とにより、所望の２次イオンの量を検出することができ
る。従って、蒸着膜の構成元素の成分比が求められる。

【００１０】また、１次イオンにより絶縁膜の表面のス
パッタリングを行っているので、徐々にその表面が削ら
れてゆく。従って、コンタクトホールの深さ方向に沿っ
て順次に、その内面を１次イオンにより照射してゆくこ
とができる。よって、１次イオンにより、コンタクトホ
ールの内面を深さ方向に沿って徐々に走査してゆくこと
ができる。従って、コンタクトホールの深さ方向にわた
る蒸着膜の組成分布が求められる。

【００１１】さらに、この求めた組成の深さ分布と予め
測定しておいた基準用絶縁膜の組成の深さ分布とを対比
することにより、被検査用絶縁膜にコンタクトホールが
形成されていることを確認している。

【００１２】このように、コンタクトホールの内面に堆
積した蒸着膜の深さ方向にわたる組成分布を調べること
ができる。この情報に基づいて、エッチングプロセスに
おける諸現象が解明されることが期待できる。そして、
コンタクトホールを形成するためのエッチング条件例え
ばエッチングガスの組成やエッチング装置の諸設定を最
適化することができる。従って、より口径が小さく、深
いコンタクトホールの形成に有効である。

【００１３】また、この発明の方法によれば、従来のよ
うに、試料を劈開する作業も必要ない。従って、従来に
比べて短時間かつ容易に検査を行うことが可能である。

【００１４】また、この発明の評価方法において、好ま
しくは、前記コンタクトホールの孔内を、前記被検査用
絶縁膜と同質の材料で埋め込みしてあるのが良い。

【００１５】このようにすると、絶縁膜の表面に対する
上述したΦ×ｔａｎθのずれが生じない。従って、ある
時点において１次イオンが照射されるホール内面の深さ
位置と、そのときの絶縁膜の表面の高さ位置とが一致す
るようになる。よって、蒸着膜の組成分布における深さ
が正確に求められる。

【００１６】また、半導体装置の検査方法によれば、絶
縁膜にコンタクトホールが形成されているか否かを検査
する半導体装置の検査方法において、コンタクトホール
を形成した前記絶縁膜の表面に対して同一の斜め方向か
ら１次イオンを入射させて２次イオンを発生させ、この
２次イオンの質量分析を行って前記絶縁膜の組成の深さ
分布を求め、この求めた組成の深さ分布と予め測定して
おいた基準用絶縁膜の組成の深さ分布とを対比すること
により、前記コンタクトホールが形成されているか否か
を判定することを特徴とする。

【００１７】例えば、基板の上面に成膜した絶縁膜にコ
ンタクトホールを形成する。エッチングによりコンタク
トホールを形成するとき、エッチングは基板の上面の位
置で止まる。従って、コンタクトホールの底には比較的
厚い蒸着膜が形成される。底部分に堆積される蒸着膜の
膜厚は、他の部分に比べると厚い。従って、上述したホ
ール内面の組成分布検出方法により組成分布を調べる
と、コンタクトホールの底の位置を検出することができ
る。よって、コンタクトホールの開口の良否すなわちエ
ッチングが基板の上面まで達しているか否かを検査する
ことができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、図を参照して、この発明の
実施の形態につき説明する。尚、図は、この発明が理解
できる程度に、構成、大きさおよび配置関係を概略的に
示してあるに過ぎない。また、以下に記載する数値等の
条件や材料は単なる一例に過ぎない。従って、この発明
は、この実施の形態に何ら限定されることがない。

【００１９】［第１の実施の形態］この実施の形態のホ
ール内面の組成分布検出方法につき、図１を参照して説
明する。図１は、組成分布検出方法の説明に供する図で
ある。図１は、コンタクトホール１４を含む領域の切り
口の断面を示している。

【００２０】この実施の形態では、シリコン基板１０の
上面に形成した絶縁膜１２にコンタクトホール１４を形
成している。この被検査用絶縁膜の絶縁膜１２として、
例えばＢＰＳＧ（ボロン（Ｂ）およびリン（Ｐ）を含む
シリケイトガラス）膜を形成している。コンタクトホー
ル１４は、例えばマグネトロンプラズマエッチングによ
り形成する。エッチングガスとしては炭素（Ｃ）やフッ
素（Ｆ）を含むＣＦ系のガス例えばＣＨＦ₃ ガスを用い
る。

【００２１】エッチングプロセスについて簡単に説明す
る。エッチングガスを真空中に導入して高周波電力を印
加すると、プラズマが生じて、イオンやラジカルが生成
される。生成される正イオンは、内部電界により加速さ
れて絶縁膜１２の表面に衝突する。この衝突により、絶
縁膜１２の表面に変質層（欠陥層）が形成される。この
変質層はラジカルと反応しやすい。ラジカルは変質層と
反応して反応生成物としての揮発性ガスを形成する。従
って、絶縁膜１２の表層部が削られる。絶縁膜１２の表
面には、常にほぼ同一の方向から衝撃が加えられるの
で、異方性エッチングが進行する。

【００２２】尚、エッチングの進行時において、エッチ
ングにより形成された側壁に蒸着膜１６が堆積する。こ
の蒸着膜１６は、主として、エッチング中に生成された
残渣（異物）が付着したものである。この場合のよう
に、ＣＦ系のエッチングガスを用いると、ＣやＦの重合
膜すなわちフロロカーボン重合膜が蒸着膜１６として形
成される。この蒸着膜１６によりサイドエッチングが抑
制されるので、異方性の傾向が強められる。この蒸着膜
１６の組成分布を調べることは、エッチングガスの混合
比や、エッチング時間や、基板温度などのエッチング条
件を最適化するために重要である。

【００２３】この実施の形態では、上述した蒸着膜１６
の組成分布を調べるために、ＳＩＭＳ（２次イオン質量
分析法）を利用している。すなわち、コンタクトホール
１４を形成した絶縁膜１２の表面１２ａに１次イオン１
８を入射させることにより２次イオン２０を発生させ
る。そして、この２次イオン２０の質量分析を行って、
コンタクトホール１４の内表面に形成された蒸着膜１６
の組成分布を検出する。この方法により、蒸着膜１６の
組成を、コンタクトホール１４の深さ方向にわたって求
めることができる。

【００２４】先ず、通常のＳＩＭＳを行うときと同様
に、１次イオン１８は、ビーム状にして、絶縁膜１２の
表面１２ａに対して同一の斜め方向から入射させる。絶
縁膜１２の表面１２ａに対する１次イオン１８の入射角
度θは、７°〜７０°の範囲に設定するのが好適であ
る。通常のＳＩＭＳにおいては、３０°程度の入射角度
に設定することが多い。後述する理由から、なるべく入
射角度θが小さい方が検出精度が高くなる。しかし、１
次イオン１８により照射される蒸着膜１６の領域が狭く
なってしまうので検出感度が低下してしまう。従って、
これら精度および感度のバランスを考慮して、入射角度
θの値を設定する。

【００２５】１次イオン１８は例えば酸素イオンであ
る。１次イオン１８は、０．１μｍ程度のビーム径のビ
ームにして入射させる。上述したように、１次イオン１
８は絶縁膜１２の表面１２ａに対して斜め方向、すなわ
ち斜め上方から入射させる。従って、１次イオン１８
は、絶縁膜１２の表面１２ａに入射されるばかりでな
く、表面１２ａ近傍のコンタクトホール１４の内面にも
入射される。従って、蒸着膜１６の表面の一部が１次イ
オン１８により照射される。

【００２６】ここで、コンタクトホール１４の口径をΦ
とする。このとき、１次イオン１８の最も深い入射位置
は、絶縁膜１２の表面１２ａから△＝Φ×ｔａｎθの距
離だけ深さ方向に下がった位置となる。従って、この△
の距離にわたる範囲の側壁面に１次イオン１８が入射す
る。絶縁膜１２の表面１２ａは、１次イオン１８により
スパッタリングされて２次イオン２０として削られてゆ
くので、時間の経過とともに徐々に表面１２ａの高さが
低下する。この表面１２ａの高さの低下とともに、１次
イオン１８の照射領域がコンタクトホール１４の深さ方
向（図１の矢印ａで示す方向）に沿って下方へ移動して
ゆく。従って、コンタクトホール１４の内面に形成され
た蒸着膜１６の表面を、１次イオン１８によってホール
の深さ方向にわたり走査することができる。

【００２７】図２は、ＳＩＭＳによる組成分析の様子を
示す図である。図２の（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）は、
それぞれ図１に示す位置に対応した試料構造の切り口の
断面図である。時間の経過とともに、試料構造は、図２
（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）に示すように順次に変形し
てゆく。つまり、１次イオン１８を照射させることによ
り、絶縁膜１２の表面１２ａの高さが徐々に低下してゆ
く。よって、１次イオン１８による蒸着膜１６の照射位
置も徐々に低下してゆき、コンタクトホール１４の内面
に沿って２次イオン２０を発生させることができる。

【００２８】尚、１次イオン１８の照射を開始した初期
の時点では、上述した△の距離にわたる範囲の蒸着膜１
６の領域が一度に照射される。従って、この時点では、
△の距離にわたる領域の平均的な組成が検出されてしま
い、深さ方向の分布として検出されない。しかし、この
△の距離より深い位置では、ＳＩＭＳの分解能に合致し
た高い分解能で深さ方向にわたる組成分布（プロファイ
ル）が検出される。

【００２９】また、例えば、コンタクトホール１４の口
径Φを０．０６μｍとし、１次イオン１８の入射角度θ
を７°とするとき、△＝Φ×ｔａｎθの関係により、△
の値は約７ｎｍとなる。ここで分析対象としているコン
タクトホール１４の深さは、例えば５０μｍ程度である
から、このような△の値は無視できる。

【００３０】以上説明したように、距離△が小さいほど
高い精度で分析が行える。距離△はΦ×ｔａｎθで表さ
れるから、入射角度θが小さいほど△の値は小さくな
る。従って、上述したように、入射角度θが小さいほど
検出精度が高められ、より真の組成分布が得られるよう
になる。

【００３１】図３は、ＳＩＭＳにより得られるＣ、Ｆの
プロファイルを示すグラフである。図３（Ａ）には、図
１および図２を参照して説明した分析方法により得た蒸
着膜１６の組成分布の検出結果が模式的に示されてい
る。図中のグラフの横軸に、絶縁膜１２の初期の表面１
２ａに対する深さ（μｍ単位）を取って示している。図
中のグラフの縦軸に、２次イオン２０の強度すなわちＣ
イオンまたはＦイオンの数量を取って示してある。表面
１２ａに対する深さはスパッタリングレートから求めら
れ、１次イオン１８を照射する時間に比例する量として
検出される。

【００３２】また、図３（Ｂ）は、基準用絶縁膜の組成
の深さ分布を示す図である。基準用絶縁膜は、上述の絶
縁膜１２と同質の材料で形成されている。但し、コンタ
クトホールは形成されていない。この基準用絶縁膜の組
成の深さ分布は、図１および図２を参照して説明した分
析方法により求めている。この基準用絶縁膜の組成の深
さ分布を、絶縁膜１２に対して得た組成分布と対比させ
ることにより、この絶縁膜１２にコンタクトホール１４
が形成されていることを確認している。

【００３３】上述したように１次イオン１８の照射を行
うと、絶縁膜１２の構成成分であるＳｉおよびＯととも
に、蒸着膜１６の構成成分であるＣ、Ｆ、Ｃｌ、Ｈなど
の原子およびイオンが発生する。発生したイオン（２次
イオン２０）は、電界によって加速されて、磁場によっ
て質量に応じた方向に曲げられる。そして、所定の位置
に設置された検出装置により、質量ごとにイオン強度が
検出される。よって、蒸着膜１６の組成が分かる。ま
た、１次イオン１８が蒸着膜１６に入射する位置は、コ
ンタクトホール１４の深さ方向に沿って徐々に下方（深
い側）へ移動してゆく。従って、蒸着膜１６の組成の深
さ分布が調べられる。例えば、図３（Ａ）に示す曲線ａ
は、蒸着膜１６の構成成分であるＣの組成分布を表して
いる。また、図３（Ａ）に示す曲線ｂは、蒸着膜１６の
構成成分であるＦの組成分布を表している。図３（Ａ）
に示すように、これらＣやＦの２次イオン強度は深さに
対して一定ではない。

【００３４】一方、図３（Ｂ）に示す曲線ａは、Ｃの組
成分布を表している。また、図３（Ｂ）に示す曲線ｂ
は、Ｆの組成分布を表している。このように、コンタク
トホールを形成していない基準用絶縁膜の場合には、蒸
着膜１６の構成成分であるＣやＦの２次イオン強度は深
さに対してほぼ一定である。これらの２次イオン強度
は、図３（Ａ）に示した対応する組成分布のバックグラ
ウンドにそれぞれ相当している。従って、図３（Ａ）に
示す組成分布と図３（Ｂ）に示す組成分布とを対比する
ことにより、絶縁膜１２にコンタクトホール１４が形成
されていることが確認できる。そして、図３（Ａ）に示
す組成分布が、コンタクトホール１４の内面に形成され
た蒸着膜１６の構成元素の深さ分布であることが確認さ
れる。

【００３５】以上説明したように、ＳＩＭＳを利用する
と、コンタクトホール１４の内面に形成された蒸着膜１
６の深さ方向にわたる組成分布を分析することができ
る。ＳＩＭＳでは、１次イオン１８によりスパッタリン
グを行って２次イオン２０を発生させるので、コンタク
トホール１４が潰れてしまって所望の結果が得られなく
なることが危惧される。しかし、発明者らの実験によれ
ば、コンタクトホール１４が潰れてしまうこともなく、
絶縁膜１２の表面１２ａが徐々に削られてゆくことが確
認されている。

【００３６】このように、ＳＩＭＳによれば、比較的小
さなサイズのコンタクトホールに形成された蒸着膜の組
成分布を高い精度で検出することができる。例えば、
０．０５μｍ〜０．５μｍ程度の口径のコンタクトホー
ルについて、蒸着膜の組成分布を分析することが可能で
ある。このようなサイズのコンタクトホールに対して
は、従来、蒸着膜の組成分布を分析することができなか
った。この発明によれば、ＳＩＭＳを利用することによ
り、上述のごとく比較的小さなサイズのコンタクトホー
ルについて蒸着膜の組成分布を分析することができる。
従って、エッチングプロセスの最適化が図れ、より小さ
なサイズのコンタクトホールの形成が可能になる。

【００３７】［第２の実施の形態］次に、第２の実施の
形態につき、図４を参照して説明する。図４は、組成分
布検出用の試料構造を示す図である。図４（Ａ）は、試
料構造の検査エリア２２を含む部分を切り取って示した
要部斜視図である。尚、断面のハッチングを省略してい
る。図４（Ｂ）は、試料構造を構成する絶縁膜１２の表
面１２ａ側を示す要部平面図である。尚、図４では蒸着
膜を省略している。また、第１の実施の形態と重複する
点については説明を省略する場合がある。

【００３８】第２の実施の形態では、絶縁膜１２の表面
１２ａに検査エリア２２を画成して、その検査エリア２
２内に複数個のコンタクトホール１４を形成しておく。
そして、その検査エリア２２を１次イオン１８により走
査する。

【００３９】図４に示す試料構造は、シリコン基板１０
の上面にＢＰＳＧなどの絶縁膜１２を成膜して形成して
いる。そして、絶縁膜１２の表面１２ａに検査エリア２
２を画成してある。図４（Ｂ）に示す検査エリア２２
は、例えば１辺が１００μｍ程度の四角形状の領域であ
る。この検査エリア２２内に、各々の口径が揃った例え
ば１０００個以上のコンタクトホール１４が形成されて
いる。

【００４０】図４（Ａ）に示すように、１次イオン１８
は、ビーム状にして検査エリア２２内の部分領域に入射
させる。１次イオン１８の照射領域は、検査エリア２２
内において一定の規則で移動してゆく。よって、検査エ
リア２２内に含まれる絶縁膜１２の表面１２ａの領域が
１次イオン１８により走査される。この走査は、例え
ば、ラスタ方式に基づいて行うのが好適である。

【００４１】このように、多数のコンタクトホール１４
を設けた試料構造では、比較的広い領域を１次イオン１
８により照射する必要がある。しかし、上述したよう
に、一定の規則に基づいて走査を行うようにすれば、第
１の実施の形態で説明したように、蒸着膜の組成分布を
コンタクトホール１４の深さ方向にわたり検出すること
ができる。

【００４２】以上説明した方法によれば、実質的に多数
のコンタクトホール１４について同時分析が実行される
ことと等価である。従って、分析対象である蒸着膜の量
が増大するので、検出される２次イオン２０の強度も比
較的大きくなる。よって、組成分布がより高感度で検出
される。このため、エッチングプロセスにおける諸現象
がより高精度で解明されることが期待できる。

【００４３】［第３の実施の形態］次に、第３の実施の
形態につき、図５を参照して説明する。図５は、複数の
検査エリアを具えた試料構造を示す平面図である。

【００４４】第３の実施の形態では、絶縁膜１２の表面
１２ａに少なくとも２つの検査エリアを画成している。
図５に示す表面１２ａには、４つの検査エリア２２ａ、
２２ｂ、２２ｃおよび２２ｄが画成されている。そし
て、これら検査エリア２２ａ〜２２ｄの各々に複数個の
コンタクトホール１４ａ、１４ｂ、１４ｃおよび１４ｄ
をそれぞれ形成してある。さらに、これら検査エリア２
２ａ〜２２ｄごとに、コンタクトホール１４ａ〜１４ｄ
の口径を違えてある。

【００４５】この試料構造の場合には、検査エリア２２
ａ〜２２ｄの各々はそれぞれ同一の四角形状および等し
い面積の領域としてある。各検査エリア２２ａ〜２２ｄ
は、例えば１００μｍ×１００μｍの面積の四角領域で
ある。各検査エリア２２ａ〜２２ｄには、例えば１００
０個以上のコンタクトホールを形成してある。

【００４６】上述したように、検査エリア２２ａ、２２
ｂ、２２ｃおよび２２ｄの各々には、それぞれ複数個の
コンタクトホール１４ａ、１４ｂ、１４ｃおよび１４ｄ
が形成されている。コンタクトホール１４ａ、１４ｂ、
１４ｃおよび１４ｄの口径は、この順序で大きくなるよ
うに設計してある。従って、一度の試料作成で、異なる
口径のコンタクトホールを具えた試料が形成される。

【００４７】この試料構造の分析を行うときには、第２
の実施の形態で説明したように、各検査エリア２２ａ〜
２２ｄごとに１次イオンによる走査を行う。このように
すれば、コンタクトホール１４ａ〜１４ｄの各々の内面
に形成された蒸着膜の組成分布が得られる。従って、コ
ンタクトホールの口径に対するエッチング条件の依存性
を調べることができる。しかも、第２の実施の形態で説
明したように、多数のコンタクトホールの同時分析を行
っているので、高感度の検出が可能である。

【００４８】［第４の実施の形態］次に、第４の実施の
形態につき説明する。この実施の形態の試料構造には、
絶縁膜として、組成分布の検出に支障のない元素を含む
膜が用いられている。例えば、ＣやＦの組成成分を検出
したいときには、これらＣおよびＦを含まない絶縁膜に
コンタクトホールを形成する。

【００４９】図６は、Ｂ、Ｆ、Ｃ、Ｈを含まない絶縁膜
１２ｂが形成された試料構造を示す図である。図６は、
コンタクトホール１４を含む位置の切り口の断面図であ
る。絶縁膜１２ｂは、シリコン基板１０の上面に形成さ
れている。この絶縁膜１２ｂにコンタクトホール１４が
形成されている。第１の実施の形態で説明したように、
絶縁膜１２ｂの表面１２ａに対して、同一の斜め方向
（入射角度θ）から１次イオン１８を入射させる。そし
て、発生した２次イオン２０の質量分析を行うことによ
り、コンタクトホール１４の内面に形成された蒸着膜１
６の組成分布の分析が行われる。

【００５０】上述したように、１次イオン１８が絶縁膜
１２ｂの表面１２ａや蒸着膜１６の表面に入射すると、
これら膜がスパッタリングされて、２次イオン２０が発
生する。従って、蒸着膜１６の構成元素であるＣやＦや
ＣｌやＨを絶縁膜１２ｂが含んでいると、絶縁膜１２ｂ
から発生した２次イオン強度が蒸着膜のプロファイルに
バックグラウンドとして加えられてしまう。従って、蒸
着膜１６の真の組成分布が得られなくなる。一方、この
実施の形態では、上述した絶縁膜１２ｂにコンタクトホ
ール１４を形成しているので、例えば、蒸着膜１６のＣ
やＦの組成分布を正確に測定することができる。

【００５１】また、絶縁膜にＢとＨとが不純物として含
まれていると、¹¹Ｂ¹ Ｈ⁺ イオンが発生する。この¹¹Ｂ
¹ Ｈ⁺ イオンはＣ⁺ イオンと同じ質量であるから、質量
分析ではこれらを区別することができない。しかし、上
述の絶縁膜１２ｂはＢおよびＨを含んでいないので、こ
のバックグラウンドの増加が起きない。

【００５２】この実施の形態では、上述したＢ、Ｆ、
Ｃ、Ｈを含まない絶縁膜１２ｂとして、例えばＮＳＧ膜
（不純物を含まないシリケイトガラス）やＣＶＤにより
形成したＳｉＯ₂ 膜を用いている。

【００５３】図７は、Ｂ、Ｆ、Ｃ、Ｈを含まない絶縁膜
１２ｂにコンタクトホール１４を形成した場合に得られ
たＣおよびＦのプロファイルを示すグラフである。図７
に示すグラフの横軸には、コンタクトホール１４の深さ
（μｍ単位）を取って示してある。また、図７に示すグ
ラフの縦軸には、検出した２次イオンの強度を取って示
してある。グラフ中の曲線ａがＣのプロファイルを示し
ており、曲線ｂがＦのプロファイルを示している。絶縁
膜の違いでどのような効果が得られるのかということを
示すために、図３に示したプロファイルと形状を同一に
してある。図７の図中に示す矢印ｃの位置がバックグラ
ウンドの高さを表している。図３に示すプロファイルと
比べると、バックグラウンドが低下していることが分か
る。

【００５４】以上説明したように、この実施の形態によ
れば、Ｂ、Ｆ、Ｃ、Ｈを含まない絶縁膜１２ｂにコンタ
クトホール１４を形成しているので、これらの不純物に
よる影響が除去される。従って、組成分布がより高い感
度で測定されることが期待できる。

【００５５】［第５の実施の形態］次に、第５の実施の
形態につき説明する。この実施の形態では、絶縁膜１２
ｂ中に、組成分布における深さの校正に用いるための少
なくとも１層のマーカ層を形成してある。図８は、マー
カ層を形成した試料構造の構成を示す図である。図８に
は、コンタクトホール１４を含む位置の切り口の断面が
示されている。

【００５６】図８に示す絶縁膜１２ｂは、ＢおよびＦを
含まない絶縁膜である。例えば、絶縁膜１２ｂとしてＮ
ＳＧを用いている。絶縁膜１２ｂはシリコン基板１０の
上面に形成されている。この実施の形態では、第１絶縁
膜１２ｃおよび第２絶縁膜１２ｄをこの順序で積層して
絶縁膜１２ｂを構成している。そして、絶縁膜１２ｂ中
に、３層のマーカ層２４ａ、２４ｂおよび２４ｃを形成
してある。

【００５７】マーカ層２４ｃは、シリコン基板１０の上
面に形成してある。このマーカ層２４ｃの上面に第１絶
縁膜１２ｃが形成されている。また、マーカ層２４ｂ
は、第１絶縁膜１２ｃの上面に形成してある。このマー
カ層２４ｂの上面に第２絶縁膜１２ｄが形成されてい
る。さらに、マーカ層２４ａを第２絶縁膜１２ｄの上面
に形成してある。このマーカ層２４ａの上面にエッチン
グマスク２６を形成している。エッチングマスク２６
は、例えばポリシリコンで形成する。このエッチングマ
スク２６を用いてエッチングを行い、コンタクトホール
１４を形成している。このエッチングにより、コンタク
トホール１４の内面に分析対象の蒸着膜１６が形成され
る。

【００５８】上述したマーカ層２４ａ〜２４ｃは、組成
分布の検出に支障のない元素を含む不純物層で形成して
ある。絶縁膜１２ｂとしてＮＳＧを用いる場合には、例
えばＰやＡｓでマーカ層２４ａ〜２４ｃを形成する。こ
れらの元素は蒸着膜１６に含まれていないので、蒸着膜
１６を構成するＣやＦの検出に支障がない。

【００５９】また、マーカ層２４ａ〜２４ｃは、例えば
通常のイオン注入により形成する。この場合は、打ち込
みのためのエネルギを比較的弱く設定して、シリコン基
板１０や、第１絶縁膜１２ｃや、第２絶縁膜１２ｄの表
層部にイオンが注入されるようにする。あるいは、ま
た、シリコン基板１０や、第１絶縁膜１２ｃや、第２絶
縁膜１２ｄの表面を大気中にさらして故意に汚染させる
ことにより、これらマーカ層２４ａ〜２４ｃを形成して
もよい。

【００６０】以上説明した試料構造についてＳＩＭＳに
よる組成の分析を行う。このため、絶縁膜１２ｂの表面
１２ａに対して同一の斜め方向（入射角度θ）から１次
イオン１８を入射させる。そして、発生した２次イオン
２０の質量分析を行う。

【００６１】図９は、マーカ層２４ａ〜２４ｃを形成し
たときのプロファイルを示すグラフである。図中のグラ
フの横軸に表面１２ａに対する深さ（μｍ単位）を取
り、図中のグラフの縦軸に検出した２次イオン２０の強
度を取ってある。グラフ中に示す曲線ａおよびｂは、そ
れぞれＣおよびＦのプロファイルすなわち組成分布を模
式的に示している。また、グラフ中に示す曲線ｃは、マ
ーカ層２４ａ〜２４ｃを構成する元素例えばＰやＡｓの
プロファイルを示している。

【００６２】曲線ｃは３本のピークｄ、ｅおよびｆを、
この順序で深さ方向にわたり有している。最も浅い位置
に立つピークｄは、第１層目のマーカ層２４ａから発生
した２次イオンの強度を表している。また、次に深い位
置に立つピークｅは、第２層目のマーカ層２４ｂから発
生した２次イオンの強度を表している。そして、最も深
い位置に立つピークｆは、第３層目のマーカ層２４ｃか
ら発生した２次イオンの強度を表している。

【００６３】このように、各マーカ層２４ａ〜２４ｃに
対応したピークｄ、ｅおよびｆがそれぞれ所定の深さ位
置に検出される。第１絶縁膜１２ｃや第２絶縁膜１２ｄ
の膜厚から、マーカ層２４ａ〜２４ｃが形成されている
深さ位置は知ることができる。従って、ピークｄ、ｅお
よびｆが立つ深さ位置を検出することで、Ｃのプロファ
イルａやＦのプロファイルｂの深さに関する校正が行え
る。

【００６４】第１の実施の形態で説明したように、１次
イオン１８が入射する蒸着膜１６の深さ位置と、絶縁膜
１２ｂ（１２）の表面１２ａの位置とは、△の距離だけ
差がある。このため、検出した２次イオン２０が、どの
深さの蒸着膜１６部分に相当するかが不明確となる場合
がある。しかし、この実施の形態では、蒸着膜１６から
発生した２次イオンを検出すると同時に、マーカ層２４
ａ〜２４ｃから発生した２次イオンをも検出しているの
で、２次イオンが発生した箇所の深さを正確に知ること
ができる。従って、この実施の形態で説明した試料構造
を用いると、より正確に蒸着膜１６の組成の深さ分布を
検出することができる。

【００６５】［第６の実施の形態］次に、第６の実施の
形態につき説明する。図１０は、孔内が埋め込みされた
試料構造の構成を示す図である。図１０には、コンタク
トホール１４を含む位置の切り口の断面が示されてい
る。

【００６６】図１０に示すように、この実施の形態で用
いる試料構造は、コンタクトホール１４の孔内を、絶縁
膜１２と同質の材料の埋込み層２８で埋め込みしてあ
る。例えば、絶縁膜１２がＢＰＳＧで形成されていると
きは、埋込み層２８を絶縁膜１２と同質のＢＰＳＧで形
成する。また、埋込み層２８の上面の高さは、絶縁膜１
２の上面の高さと一致させてある。

【００６７】このように埋込み層２８を形成すると、１
次イオン１８が絶縁膜１２の表面１２ａより深くホール
内に入り込まなくなる。このため、上述した△の距離の
差が生じない。つまり、常に絶縁膜１２の表面１２ａと
同一の高さに位置する蒸着膜１６部分から２次イオン２
０が発生する。従って、蒸着膜１６の深さ方向にわたる
組成分布が正確かつ容易に求められる。

【００６８】［第７の実施の形態］次に、第７の実施の
形態につき説明する。この実施の形態では、上述した各
実施の形態で説明した分析方法を利用して、コンタクト
ホールの開口の良否が判定できることを示す。そして、
半導体装置の製造プロセスにこの検査工程を組み込むこ
とにより、歩留りの向上が図れることについて述べる。

【００６９】上述したように、絶縁膜にコンタクトホー
ルを形成するとき、エッチングの進行とともにホールの
側壁に蒸着膜が堆積する。エッチングは、絶縁膜が形成
されているシリコン基板の表面に達するとエッチングの
選択性によりストップする。つまり、シリコン基板の表
面が現れるとそれ以上エッチングが進行しなくなる。従
って、形成したコンタクトホールの底には比較的厚く蒸
着膜が堆積する。この底に堆積した蒸着膜の有無を調べ
ることにより、コンタクトホールの開口の良否が判定で
きる。

【００７０】そして、この蒸着膜の有無は、上述したＳ
ＩＭＳによる組成分布検出方法により行える。すなわ
ち、ＳＩＭＳによれば、蒸着膜の組成分布をコンタクト
ホールの深さ方向にわたって検出することができる。コ
ンタクトホールが開口している場合には、底に堆積した
蒸着膜に対応する比較的大きなピークが組成分布を示す
プロファイルに現れる。一方、コンタクトホールが開口
していない場合には、このようなピークは現れない。

【００７１】図１１は、開口が良好である場合のプロフ
ァイルを示すグラフである。この測定に用いた試料構造
は、シリコン基板の上面に絶縁膜としてのＳｉＯ₂ 膜を
形成し、その絶縁膜にコンタクトホールを形成したもの
である。このコンタクトホールを形成する際には、ポリ
シリコンで形成したエッチングマスクを用いている。図
１１のグラフの横軸には、エッチングマスクの表面に対
する深さをμｍ単位で取り、０μｍから５μｍの範囲を
０．２μｍごとに目盛って示してある。また、図１１の
グラフの縦軸には、検出した２次イオンのカウント数を
取り、０から１０⁴ の範囲を対数表示で目盛って示して
ある。尚、プロファイルの測定結果は、Ｃａｍｅｃａ社
製のＳＩＭＳ装置（商品名ＩＭＳ−ｗｆ）を用いて得て
いる。

【００７２】グラフ中に示す曲線ａはＦの組成分布を示
している。０μｍから０．３μｍの深さの領域ｃは、エ
ッチングマスクとしてのポリシリコンの領域に相当して
いる。０．３μｍから２．３μｍの深さの領域ｄは、絶
縁膜としてのＳｉＯ₂ の領域に相当している。また、
２．３μｍより深い領域ｅは、シリコン基板の領域に相
当している。そして、領域ｄおよび領域ｅの境界位置ｂ
において、曲線ａにピークが発生している。このピーク
は、コンタクトホールの底に堆積した蒸着膜の構成元素
によるものである。このように、コンタクトホールの底
には他の部分に比べて厚く蒸着膜が堆積しているので、
プロファイルにピークとして現れる。

【００７３】一方、図１２は、開口不良の場合のプロフ
ァイルを示すグラフである。図１２に示す結果は、図１
１と同様の測定条件で得られたものである。但し、コン
タクトホールが完全に開口してなく、エッチングがシリ
コン基板の表面に達していない試料を測定対象としてい
る。また、図中に示す軸や、目盛りや、記号について
は、図１１と同様であるので説明を省略する。

【００７４】図１２に示すように、曲線ａで示すＦプロ
ファイルには、図１１のときのようなピークが発生して
いない。コンタクトホールが開口されていれば、領域ｄ
およびｅ間の境界位置ｂのところにピークが発生するは
ずである。従って、図１１と図１２との対比から明らか
なように、コンタクトホールの開口の良否を、ＳＩＭＳ
による組成分布検出方法により判定することができる。

【００７５】次に、半導体装置の製造プロセスに上述し
た検査工程を組み入れる点につき説明する。半導体装置
の製造プロセスでは、ウエハ上に回路を形成する。上述
した各実施の形態で説明した試料構造は、このウエハ上
の検査エリアに形成される。例えば、実デバイスの１チ
ップ分に相当する領域を検査エリアとして割り当てても
よい。そして、ある半導体装置の製造プロセスにおい
て、このウエハ上にコンタクトホールが形成されたとす
る。このコンタクトホールの形成工程に続けて、コンタ
クトホールの開口良否の検査工程が行われる。

【００７６】このコンタクトホールの開口良否の検査工
程では、上述の検査エリアに形成されたコンタクトホー
ルが検査対象とされる。検査エリアには、第２の実施の
形態で説明したように、複数個のコンタクトホールが形
成されるようにしておくと検出感度の向上が図れる。

【００７７】そして、このコンタクトホールの開口良否
の判定を上述したＳＩＭＳによる組成分布検出方法によ
り行う。このため、コンタクトホールが形成されたウエ
ハを、ウエハタイプのＳＩＭＳ装置の分析室に導入す
る。ウエハタイプのものは、試料ステージや分析室がウ
エハに対応した大きさとなっているので好適である。

【００７８】従って、コンタクトホールの開口良否の検
査がインラインで行えるようになる。この結果、コンタ
クトホールが開口されていない場合には、再度、コンタ
クトホールを形成する工程に戻すことができる。また、
ホールが開口されているときには、ウエハに対して次の
製造プロセス工程を行うようにすればよい。また、コン
タクトホールの開口良否の判定だけでなく、コンタクト
ホール内に堆積した残渣の分析も同時に行える。このよ
うに、従来のＳＥＭやＴＥＭによるオフラインの手法に
比べて、迅速かつ正確で、無駄のない製造プロセスが実
現される。

【００７９】［第８の実施の形態］次に、第８の実施の
形態につき説明する。この実施の形態では、第７の実施
の形態と同様に、半導体装置の製造プロセスによってウ
エハに形成したコンタクトホールの開口の良否を、ＳＩ
ＭＳによる組成分布検出方法により検査する。しかし、
検査の工程が、製造プロセスとは個別に行われるように
している。つまり、この実施の形態では、この検査工程
を製造プロセス中に組み込まず、オフラインの手法とし
てこの検査工程を設定する。従って、検査を行うための
ＳＩＭＳ装置をクリーンルームに置く必要がなくなる。

【００８０】また、この実施の形態では、ウエハの検査
エリアを切り取って検査を行う。つまり、ウエハに画成
した検査エリアの部分を切り取って、その切り取った部
分につき上述した開口良否の検査を行う。このようにす
ると、ウエハタイプのＳＩＭＳ装置を用いなくて済む。

【００８１】従って、このオフラインの手法では、設備
を簡略化できるという利点がある。また、上述したよう
に、コンタクトホール内に堆積した残渣を同時に分析す
ることができる。このように、このＳＩＭＳによる検査
手法は、従来のＳＥＭやＴＥＭによる手法では得られな
い利点を有している。

【００８２】

【発明の効果】この発明のコンタクトホール評価方法に
よれば、コンタクトホールを形成した絶縁膜の表面に１
次イオンを入射させることにより２次イオンを発生させ
る。そして、この２次イオンの質量分析を行うことによ
り、コンタクトホールの内表面に形成された蒸着膜の組
成分布を検出する。この方法によれば、コンタクトホー
ルの深さ方向にわたる蒸着膜の組成分布を求めることが
できる。この得られた情報に基づいて、エッチングプロ
セスにおける諸現象を解明することができる。また、コ
ンタクトホールを形成するためのエッチング条件例えば
エッチングガスの組成やエッチング装置の諸設定を最適
化することができる。従って、より口径が小さく、深い
コンタクトホールの形成に有効である。

【図面の簡単な説明】

【図１】組成分布検出方法の説明に供する図である。

【図２】ＳＩＭＳによる組成分析の様子を示す図であ
る。

【図３】ＳＩＭＳにより得られるＣ、Ｆのプロファイル
を示す図である。

【図４】組成分布検出用の試料構造を示す図である。

【図５】複数の検査エリアを具えた試料構造を示す図で
ある。

【図６】Ｂ、Ｆ、Ｃ、Ｈを含まない絶縁膜を形成した試
料構造を示す図である。

【図７】Ｂ、Ｆ、Ｃ、Ｈを含まない場合のプロファイル
を示す図である。

【図８】マーカ層を形成した試料構造を示す図である。

【図９】マーカ層を形成したときのプロファイルを示す
図である。

【図１０】孔内が埋め込みされた試料構造を示す図であ
る。

【図１１】開口が良好である場合のプロファイルを示す
図である。

【図１２】開口が不良である場合のプロファイルを示す
図である。

【符号の説明】

１０：シリコン基板１２：絶縁膜１２ａ：表面１４：コンタクトホール１６：蒸着膜１８：１次イオン２０：２次イオン２２：検査エリア１４ａ〜１４ｄ：コンタクトホール２２ａ〜２２ｄ：検査エリア１２ｂ：Ｂ、Ｆ、Ｃ、Ｈを含まない絶縁膜２４ａ〜２４ｃ：マーカ層１２ｃ：第１絶縁膜１２ｄ：第２絶縁膜２６：エッチングマスク２８：埋込み層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者池上尚克東京都港区虎ノ門１丁目７番12号沖電気工業株式会社内 (72)発明者平下紀夫東京都港区虎ノ門１丁目７番12号沖電気工業株式会社内 (56)参考文献特開平５−190633（ＪＰ，Ａ) 特開平７−98288（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−293937（ＪＰ，Ａ) 特開昭58−84113（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01N 23/225 H01L 21/3065 H01L 21/66 H01L 21/768

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】シリコン基板上に形成された絶縁膜中に
異方性エッチングにより形成されたコンタクトホールの
底部の状態を評価するコンタクトホール評価方法におい
て、前記コンタクトホールの側壁及び前記絶縁膜の表面に斜
め上方から１次イオンを照射することにより２次イオン
を発生させると共に、該１次イオンの照射により前記絶
縁膜を徐々に削る工程と、前記２次イオンの質量分析を行う工程と、前記コンタクトホールの側壁への前記１次イオンの照射
に連続して、前記コンタクトホールの底部へ前記１次イ
オンを照射し、前記２次イオンを発生させる工程とを含
み、前記異方性エッチングの際に前記コンタクトホールの側
壁及び底部に付着した付着膜の分布を測定することによ
り、前記コンタクトホールの底部の状態を評価すること
を特徴とするコンタクトホール評価方法。
【請求項２】請求項１に記載のコンタクトホール評価
方法において、前記コンタクトホールの側壁及び前記絶縁膜の表面に斜
め上方から１次イオンを照射することにより２次イオン
を発生させると共に、該１次イオンの照射により前記絶
縁膜を徐々に削る工程を、前記コンタクトホールを開口
した状態で、行うことを特徴とするコンタクトホール評
価方法。
【請求項３】前記１次イオンは前記絶縁膜の表面に対
して７〜７０°の範囲で照射されることを特徴とする請
求項１又は２に記載のコンタクトホール評価方法。