JP3726784B2 - 半導体装置の評価方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の評価方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
SOI基板を用いトレンチ絶縁分離技術を使った半導体装置がある。例えば、図5に示すように、SOI基板10における薄膜シリコン層に四角枠状のトレンチ11を形成して大きな島12を作り、その島12において多数の四角枠状のトレンチ13により小さな島14を縦横に多数配置している。この種の半導体装置において、トレンチ絶縁分離についての不良の低減は歩留り向上を図る上で重要な項目である。
【0003】
そして、トレンチ絶縁分離不良を評価すべく、図6に示すように、ウエハ状のSOI基板10での一部領域において各小さな島14の薄膜シリコン層にコンタクトホール50を通してアルミ配線51を接続するとともに、大きな島12の薄膜シリコン層に対しコンタクトホール52を通してアルミ配線53を接続する。このアルミ配線51とアルミ配線53との間に電圧を印加してリーク電流の有無を判定し、これにより、ウエハ内に多数配置した大きな島12におけるトレンチ不良率を評価していた。
【0004】
トレンチ不良率を評価するには、このような配線パターン51,53でも可能であるが、トレンチ不良を改善するためにはトレンチ不良原因を明確にする必要があり、原因を明確にするには不良箇所を特定する必要がある。しかしながら、図6の配線パターン51,53では不良率は評価できても不良箇所の特定はできなかった。
【0005】
さらに説明を加えるならば、トレンチにより絶縁分離した各島にCMOSトランジスタ、バイポーラトランジスタ、パワートランジスタと特性の異なるデバイスなどを形成し、これら各デバイスをワンチップ内に配置する場合において、トレンチ絶縁不良は、歩留りに直結するため歩留り目標達成のためにはつぶさなければいけない重要な項目である。そして、適切な不良対策をするためには、トレンチ不良の真因を突き止める必要がある。即ち、トレンチというのは、島を囲っているトレンチの一箇所でも埋込酸化膜に届いていなければトレンチ不良になる。従来、不良が一箇所ある場合においてその場所を特定するには、チップまたはTEGパターンを表面から顕微鏡で確認しながら少しずつ削って不良箇所を特定していた。この方法だと一箇所の場所特定をするのに半日〜1日かかってしまう。実際、複数の原因が重なっていることが多いので、複数個(例えば20〜30個)のTEG素子を調べる必要がある。30個も調査しようとすると15日から30日もかかってしまう。そこで、電気的に場所を特定することができる方法が必要となる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこのような背景の下になされたものであり、その目的は、多数のトレンチ島のうちの不良となったトレンチによる島を特定することができる半導体装置の評価方法を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
請求項1に記載の発明によれば、各島の薄膜シリコン層を直列につなぐ配線を形成するとともに、各島の外部における薄膜シリコン層につながる配線を形成する。そして、各島の薄膜シリコン層を直列につなぐ配線の両端間に電流を流したときにおいて、各島の外部における薄膜シリコン層につながる配線を用いて電圧を測定する。これにより、不良トレンチによる分離不良が発生した島を特定することができる。つまり、多数のトレンチ島のうちの不良となったトレンチによる島を特定することができる。
【0008】
請求項2に記載のように、多数の島の間の配線抵抗を等しくすると、特定を容易に行うことができるようになる。
請求項3に記載のように工程開発段階で用いても、請求項4に記載のように工程開発段階の後のウエハ流動段階で用いてもよく、ウエハ流動段階で用いる場合において請求項5に記載のようにウエハでのスクライブラインに、トレンチにより分離した島を形成するとよい。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を具体化した一実施の形態を図面に従って説明する。
図1に、本実施形態における半導体基板(ウエハ)の平面図を示す。図1におけるX−X線での縦断面を図2に示す。
【0010】
図2において、シリコン基板20の上にシリコン酸化膜(埋込酸化膜)21を介して薄膜シリコン層22が形成され、SOI基板10を構成している。詳しくは、例えば、第1のシリコン基板と第2のシリコン基板とをシリコン酸化膜21を介して貼り合わせ、一方のシリコン基板を薄膜化することによりSOI基板を得る。
【0011】
このSOI基板10において、図5に示したように、大きなトレンチ島12が形成されるとともに、当該トレンチ島12において小さな多数のトレンチ島14が形成されている。詳しくは、SOI基板10における薄膜シリコン層22には、図2に示すように、埋込酸化膜21に達するトレンチ11が四角枠状に形成され(図5参照)、その内方がトレンチ島12となっている。トレンチ11内にはシリコン酸化膜23が充填されている。さらに、トレンチ島12において薄膜シリコン層22には埋込酸化膜21に達するトレンチ13が四角枠状に形成され(図5参照)、その内方がトレンチ島14となっている。トレンチ13内にはシリコン酸化膜24が充填されている。当該トレンチ島14が、図5に示したように、縦横に多数形成されている。図5においては縦方向に4つ、横方向に5つ設けられている。
【0012】
なお、トレンチ13の内部での構造として、トレンチ13の内部にシリコン酸化膜24を充填する以外にも、トレンチ13の内壁面にシリコン酸化膜を形成するとともにその内部にポリシリコン膜を充填してもよい。
【0013】
このように、評価対象となる半導体装置として、シリコン基板20の上に埋込絶縁膜21を介して薄膜シリコン層22を配したSOI基板10における薄膜シリコン層22に埋込絶縁膜21に達するトレンチ13が形成され、このトレンチ13により分離した島14が多数形成されたものを想定しており、各島14にはCMOSトランジスタやバイポーラトランジスタ等のデバイスが形成される。
【0014】
この構造の島(トレンチにより分離した島)14が図1に示すようにウエハ状のSOI基板における一部領域に形成されるとともに、その周囲にトレンチ11が形成されている。また、本実施形態において各トレンチ島14は縦横に等間隔に配置されている。
【0015】
そして、SOI基板10(薄膜シリコン層22)の上には、図2に示すように、シリコン酸化膜25が形成されている。このシリコン酸化膜25において、各々の小さいトレンチ島14には、各島での薄膜シリコン層22に電圧を印加するためのコンタクトホール26がそれぞれ形成されている。また、大きいトレンチ島12には、大きな島内での薄膜シリコン層22の電圧(電位)を検出するためのコンタクトホール28が形成されている。
【0016】
シリコン酸化膜25の上には、図1,2に示すように、トレンチ評価用のアルミ配線27がパターニングされ、小さいトレンチ島(薄膜シリコン層)14はコンタクトホール26を通してアルミ配線27と電気的に接続されている。このとき、アルミ配線27のパターンは、図1に示すように、帯状に延延され、かつ、各トレンチ島14の薄膜シリコン層22を直列に接続している。
【0017】
また、図2のシリコン酸化膜25の上には、図1に示すように、トレンチ評価用のアルミ配線29がパターニングされ、大きなトレンチ島12の薄膜シリコン層22はコンタクトホール28を通してアルミ配線29と電気的に接続されている。このアルミ配線29により、大きなトレンチ島12の薄膜シリコン層の電圧(電位)を測定できるようになっている。
【0018】
このようにして、プロセス開発段階でトレンチの歩留り向上のために不良解析するための配線パターン27,29が設けられている。
なお、ここではトレンチ島12,14を四角形状としたが、島になっていれば三角形や五角形以上の多角形等どんな形状でもよい。また、小さいトレンチ島14のサイズは特に規定しない。ただ、少ない面積でトレンチ面積を稼ぐためにできるだけ小さいサイズがよい(例えば、縦横の寸法が数μm)。
【0019】
次に、評価方法を、図3を用いて説明する。
今、図3における所定のトレンチ島14において、図中Dで示す箇所においてトレンチ不良が生じているとする。即ち、D部においてはトレンチ13が埋込酸化膜21に達していないものとする。
【0020】
帯状に延びるアルミ配線27の一端をA端子に接続し、他端をB端子に接続する。また、もう一つのアルミ配線29をC端子に接続する。そして、ABの両端子間に所定の電圧VDを印加してABの両端子間に所定の電流を流す。具体的には、B端子を接地し、A端子に所定の電圧VDを印加する。この状態における等価回路を図4に示す。図4において、A端子とB端子の間において各トレンチ島14をつなぐように多数の配線抵抗が直列に接続されていることになる。つまり、アルミ配線27は小さいトレンチ島14とはコンタクトホール26を通して接続されているので、それぞれのトレンチ島14内には、配線抵抗による電圧ドロップ分を差し引いた電圧が印加されている。このとき、各トレンチ島14は等間隔に配置されているので、各島の間の配線抵抗値は等しくなる。
【0021】
そして、この状態において、大きなトレンチ島12におけるアルミ配線29によるC端子での電圧を測定(計測)する。このとき、トレンチ不良が発生していなければ、C端子での電圧測定値はノイズのような小さな電圧が検出される。即ち、トレンチ不良箇所がなければ、電圧モニタリング電極(C端子)からはノイズのような測定限界以下の電圧しか検出できない。
【0022】
一方、図3でのDで示す箇所においてトレンチ不良があり、この箇所で小さいトレンチ島14の内外が電気的につながっていると、図4に示すように、Dの箇所でC端子とつながるので、C端子からは、A端子に対し電圧ドロップ分の電圧VCが検出される。ここで、小さいトレンチ島14を等間隔で配置しているので、C端子での測定電圧VCと、ABの両端子間の電圧VABとを用いた比例計算でトレンチ不良を起こしているトレンチ島14を特定することができる。具体的には、C端子での電圧VCはC〜B端子間の電圧VCBであり、A〜C端子間の電圧VACは、A〜B端子間の電圧VABから、C〜B端子間の電圧VCBを引いた値(=VAB−VCB)となる。よって、VAB値とVAC値の割合から、アルミ配線27の両端のうちA端子側を基準にした場合においてトレンチ不良になっている島(トレンチ島)14を特定することができる。
【0023】
なお、ABの両端子間に印加する電圧は特に規定しないが、ABの両端子間において許す範囲で多くの電流を流したほうが不良トレンチ(不良島)を特定しやすい。
【0024】
このような評価構造(評価手法)を工程開発段階では大規模TEGとして用いることで、ウエハ面内ばらつき、ロット内・ロット間ばらつき等を評価して、トレンチ歩留りのよい工程条件の検討をすることができる。また、流動段階では、ウエハでの空きスペースを利用して工程内の出来栄え確認、工程管理用として用いることができる。この場合、配置場所としてはスクライブラインがよいが、製品チップ内に配置してもよい。
【0025】
このように、本評価方法は、工程開発段階で用いても、工程開発段階の後のウエハ流動段階で用いてもよく、ウエハ流動段階で用いる場合には、ウエハでのスクライブラインに、トレンチ13により分離した島14を形成するようにするとよい。
【0026】
これまで説明してきたように、ウエハ状のSOI基板(SOIウエハ)における一部領域に評価のためトレンチ13により分離した島14を多数形成するとともに、薄膜シリコン層22の上に絶縁膜25を配置し、当該絶縁膜25に、各島14毎の島内コンタクトホール26を形成するとともに、各島14の外部に島外コンタクトホール28を形成し、絶縁膜25の上に各島内コンタクトホール26を通して各島14の薄膜シリコン層22を直列につなぐアルミ配線27を形成するとともに、島外コンタクトホール28を通して各島14の外部における薄膜シリコン層22につながるアルミ配線29を形成し、各島14の薄膜シリコン層22を直列につなぐアルミ配線27の両端間に電流を流したときにおいて、各島14の外部における薄膜シリコン層22につながるアルミ配線29を用いて電圧を測定することにより、不良トレンチによる分離不良が発生した島を特定するようにした。このようにして、多数のトレンチ島14のうちの不良となったトレンチによる島を特定することができる。
【0027】
つまり、トレンチ不良箇所は複数のトレンチ島14の外部における薄膜シリコン層22と接続されるという点に着目し、複数のトレンチ島14をアルミ配線27にて直列につなぎ、両端間に電流を流し、トレンチ島14の外部における薄膜シリコン層22での電位をモニタリングすることにより、トレンチ不良箇所から電圧ドロップ分の電位が、トレンチ島14の外部における薄膜シリコン層22の電位としてモニターでき、不良パターン(トレンチ島)を特定することができる。
【0028】
即ち、図1に示すトレンチ歩留り評価用テストパターン(配線パターン)27を用いて、トレンチ島14を直列に接続したことで、トレンチ13が形成されていない場所を電気的に特定することができる。具体的には、各島14を直列につないだ配線パターン27に電圧をかけて電流を流す。トレンチ13で完全に分離できていれば、島14の外部はフローティングになっているのでほぼ0ボルトの電圧が検出されるが、トレンチ13が完全に形成されていないと電圧ドロップ分の電圧が出力されるので、その電圧をモニターしてやれば、トレンチ不良箇所が特定できる。
【0029】
また、多数の島14の間の配線抵抗を等しくすると、トレンチ不良箇所(不良島)の特定が容易となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施形態における半導体基板の平面図を示す。
【図2】図1におけるX−X線での縦断面図。
【図3】評価方法を説明するための平面図。
【図4】評価方法を説明するための等価回路を示す図。
【図5】半導体基板の平面図。
【図6】従来の評価方法を説明するための平面図。
【符号の説明】
10…SOI基板、13…トレンチ、14…島、20…シリコン基板、21…シリコン酸化膜(埋込絶縁膜)、22…薄膜シリコン層、25…シリコン酸化膜(絶縁膜)、26…コンタクトホール、28…コンタクトホール、27…アルミ配線、29…アルミ配線。
Claims (5)
- シリコン基板(20)の上に埋込絶縁膜(21)を介して薄膜シリコン層(22)を配したSOI基板(10)における薄膜シリコン層(22)に前記埋込絶縁膜(21)に達するトレンチ(13)が形成され、このトレンチ(13)により分離した島(14)が多数形成された半導体装置を評価するための方法であって、
ウエハ状のSOI基板における一部領域に評価のため前記トレンチ(13)により分離した島(14)を多数形成するとともに、前記薄膜シリコン層(22)の上に絶縁膜(25)を配置し、当該絶縁膜(25)に、各島(14)毎の島内コンタクトホール(26)を形成するとともに、各島(14)の外部に島外コンタクトホール(28)を形成し、絶縁膜(25)の上に前記各島内コンタクトホール(26)を通して各島(14)の薄膜シリコン層(22)を直列につなぐ配線(27)を形成するとともに、前記島外コンタクトホール(28)を通して各島(14)の外部における薄膜シリコン層(22)につながる配線(29)を形成し、各島(14)の薄膜シリコン層(22)を直列につなぐ配線(27)の両端間に電流を流したときにおいて、各島(14)の外部における薄膜シリコン層(22)につながる配線(29)を用いて電圧を測定することにより、不良トレンチによる分離不良が発生した島を特定するようにしたことを特徴とする半導体装置の評価方法。 - 前記多数の島(14)の間の配線抵抗を等しくしたことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の評価方法。
- 工程開発段階で用いるようにしたことを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置の評価方法。
- 工程開発段階の後のウエハ流動段階で用いるようにしたことを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置の評価方法。
- ウエハでのスクライブラインに、前記トレンチ(13)により分離した島(14)を形成したことを特徴とする請求項4に記載の半導体装置の評価方法。
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