JP3741086B2 - 絶縁分離型半導体装置のための評価用半導体基板及び絶縁不良評価方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、素子形成領域を絶縁分離するための絶縁分離トレンチを備えた絶縁分離型半導体装置のための評価用半導体基板及び絶縁不良評価方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスは非常に高い信頼性レベルが要求されるため、その開発から製造に至るまでの各段階で信頼性を作り込んでいく必要がある。中でも、半導体デバイスの開発試作段階においては、製品固有のプロセスについての評価を行い、その評価内容をプロセス改善のためにフィードバックすることが行われている。例えば、トレンチ絶縁技術を用いて素子の絶縁分離を行うようにした絶縁分離型半導体装置においては、その設計及び製造プロセスの評価のために、絶縁分離トレンチの絶縁不良を検査するための耐圧テストが行われる。このような耐圧テストを行うために、従来では、図４及び図５に示すようなテストパターンを備えた評価用半導体基板が利用されている。
【０００３】
即ち、図４には評価用半導体基板の要部の断面構造（寸法比は正確ではない）が模式的に示され、図５にはテストパターン部分の平面レイアウトが示されている。これら図４及び図５の例では、シリコン基板２１上に絶縁分離層２２を介して単結晶シリコン層２３を形成したＳＯＩ基板２４を使用しており、その単結晶シリコン層２３に対し、平面レイアウトが矩形状の絶縁分離トレンチ２５により囲まれた島状の独立フィールド（通常のデバイスにおける素子形成領域に相当）２６を複数個形成すると共に、絶縁分離トレンチ２５に沿った位置にフィールド酸化膜（ＬＯＣＯＳ膜）２７を形成している。尚、このような絶縁分離トレンチ２５及びフィールド酸化膜２７は、評価対象のプロセスによって形成されることは勿論である。
【０００４】
そして、絶縁分離トレンチ２５の絶縁不良の有無は、独立フィールド２６群と、単結晶シリコン層２３における上記独立フィールド２６以外の領域との間に試験用電圧Ｖｈを所定時間だけ印加したときのリーク電流の有無に基づいて検査される。この検査時には、リーク電流の検出及び故障発生箇所の特定のための作業が行われるものであり、故障発生箇所の特定後に、当該故障発生箇所の物理解析（形状観察、組成分析など）を行って故障の原因を確定する作業を行うことになる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記したリーク電流の有無の検出及び故障発生箇所の特定手法としては、リーク電流に伴う発熱を液晶を利用して検出するホットスポット検出法や、リーク電流に伴う微弱発光を高感度カメラなどにより検出するフォトエミッション法を採用することが一般的になっている。しかしながら、このような手法は非常に煩雑であるため、故障発生箇所の特定に多大な時間を要するという問題点があった。また、上記のようなホットスポット検出法やフォトエミッション法は、検出対象を基板表面側から評価するという手法であるのに対して、絶縁分離トレンチ２５での絶縁不良は、絶縁分離トレンチ２５の形成時においてトレンチ底部が絶縁分離層２２まで到達しない現象に基づくことが多いという事情、つまり単結晶シリコン層２３の深部で発生することが多いという事情があるため、故障発生箇所の特定が困難になる場合があり、その信頼性が十分ではないという問題点もあった。
【０００６】
本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、絶縁分離トレンチの絶縁不良検査時において絶縁不良箇所の特定を迅速且つ正確に行い得るようになる絶縁分離型半導体装置のための評価用半導体基板及び絶縁不良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記載の絶縁分離型半導体装置のための評価用半導体基板においては、複数の独立フィールド上に絶縁膜が形成されていると共に、各独立フィールドに対応した絶縁膜上に試験電圧印加用の電極パッドがそれぞれ形成されているため、その絶縁膜を誘電体層とした複数のキャパシタが各独立フィールドと対応した位置にそれぞれ存在した形態となっている。絶縁分離トレンチの絶縁不良を検査する際には、電極パッド群と半導体層における独立フィールド及び絶縁分離トレンチ以外の領域に形成された外部フィールドとの間に試験用電圧を印加可能な状態となるように接続する。このように接続されたときには、上記キャパシタとこれに対応する独立フィールドを囲んだ絶縁分離トレンチにより形成されるキャパシタとが直列接続された状態と等価になる。この場合、独立フィールドに対応したキャパシタを構成する絶縁膜は、絶縁分離トレンチより低い耐圧となる膜厚で形成されているため、試験用電圧が印加された場合に、絶縁不良がある絶縁分離トレンチに囲まれた独立フィールドに対応したキャパシタは、試験用電圧が直接的に印加された状態となって絶縁破壊されることになる。従って、当該キャパシタを構成する絶縁膜には、上記のような絶縁破壊に伴う破壊痕が生ずるようになり、この破壊痕を顕微鏡などで確認することにより、絶縁不良箇所の特定を迅速且つ正確に行い得るようになる。
【０００８】
請求項２記載の絶縁分離型半導体装置のための絶縁不良評価方法において、絶縁分離トレンチの絶縁不良を検査する際には、半導体層に設けられた複数の素子形成領域に対応した絶縁膜上にそれぞれ形成された電極パッド群と、当該半導体層における素子形成領域以外の領域との間に試験用電圧を印加してリーク電流を測定するステップが実行される。このような電圧印加状態では、上記各素子形成領域上の絶縁膜により形成されたキャパシタと、これに対応する素子形成領域を囲んだ絶縁分離トレンチにより形成されるキャパシタとが直列接続された状態と等価になる。この場合、素子形成領域に対応したキャパシタを構成する絶縁膜は、絶縁分離トレンチより低い耐圧に形成されているため、試験用電圧が印加された場合に、絶縁不良がある絶縁分離トレンチに囲まれた素子形成領域に対応したキャパシタは、試験用電圧が直接的に印加された状態となって絶縁破壊され、これに伴うリーク電流が流れることになる。このため、当該キャパシタを構成する絶縁膜には、上記のような絶縁破壊に伴う破壊痕が生ずるようになる。従って、リーク電流が検出されたときに、上記絶縁膜の有無を目視により観察して（例えば顕微鏡などを使用）、絶縁不良箇所を特定するというステップを実行すれば、その特定を迅速且つ正確に行い得るようになる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例について図１ないし図３を参照しながら説明する。
図１には評価用半導体基板の要部の断面構造（寸法比は正確ではない）が模式的に示され、図２にはテストパターン部分の平面レイアウトが示されている。本実施例による評価用半導体基板は、単結晶シリコン基板１（本発明でいう支持基板に相当）上に絶縁分離層２を介して単結晶シリコン層３（半導体層に相当）を形成したＳＯＩ基板４（半導体基板本体に相当）を使用しており、その単結晶シリコン層３に対し、平面レイアウトが矩形状の絶縁分離トレンチ５により囲まれた島状の独立フィールド６（素子形成領域に相当）を複数個形成すると共に、絶縁分離トレンチ５に沿った位置にフィールド酸化膜（ＬＯＣＯＳ膜）７を形成している。この場合、絶縁分離トレンチ５内には、例えばＣＶＤ法を利用して酸化シリコンを充填した絶縁分離構造となっている。但し、他の絶縁分離構造（例えば、絶縁分離トレンチ５の側壁に熱酸化膜を形成した状態でポリシリコンを充填するという絶縁分離構造）が採用されることもある。尚、上記のような絶縁分離トレンチ５及びフィールド酸化膜７は、評価対象のプロセスによって形成される。
【００１０】
独立フィールド６上には、酸化シリコン膜８（絶縁膜に相当）を形成し、その酸化シリコン膜８上に電極パッド９を形成している。この場合、酸化シリコン膜８の膜厚は、絶縁分離トレンチ５の耐圧より十分に低い値、つまり、絶縁分離トレンチ５の絶縁不良検査のための試験用電圧Ｖｈが印加された状態で確実に破壊する程度の値（例えば１０〜２０ｎｍ）に設定される。また、単結晶シリコン層３における上記独立フィールド６及び絶縁分離トレンチ５以外の領域に形成された外部フィールド１０上には、当該外部フィールド１０とオーミックコンタクトを取った状態の電極パッド１１を形成している。このような構成の結果、絶縁分離トレンチ５に充填された酸化シリコンによりキャパシタ（以下、Ｃｔを付して示す）が形成されると共に、独立フィールド６と電極パッド９との間にキャパシタ（以下、Ｃｍを付して示す）が形成されることになる。
【００１１】
このように構成された評価用半導体基板において、その絶縁分離トレンチ５の絶縁不良の有無を検査する場合には、酸化シリコン膜８上の電極パッド９群を共通接続した状態で、その電極パッド９群と外部フィールド１０上の電極パッド１１との間に試験用電圧Ｖｈを印加可能な状態に接続する。この状態では図３に示すように、試験用電圧Ｖｈの発生源と外部フィールド１０との間に、絶縁分離トレンチ５によるキャパシタＣｔと酸化シリコン膜８によるキャパシタＣｍとの直列回路群が並列接続された状態と等価になる。
【００１２】
このような接続状態から、電極パッド９群及び電極パッド１０間に、絶縁分離トレンチ５の絶縁不良検査のための試験用電圧Ｖｈを所定時間だけ印加し、この電圧印加状態でのリーク電流を測定することにより絶縁分離トレンチ５での絶縁不良の有無を検査する。この場合、絶縁不良が発生した絶縁分離トレンチ５では、キャパシタＣｔが短絡状態となってキャパシタＣｍに試験用電圧が直接的に印加されるため、これが絶縁破壊されて対応する酸化シリコン膜８に破壊痕を残すことなる。従って、この破壊痕を顕微鏡などで確認することにより、故障が発生した絶縁分離トレンチ５を容易に特定できるようになる。そして、このように故障発生箇所を特定した後には、当該故障発生箇所の物理解析（形状観察、組成分析など）を行って故障の原因を確定する作業を行うものである。
【００１３】
つまり、上記した本実施例によれば、試験用電圧Ｖｈを印加して行う絶縁不良検査時において、リーク電流が検出された場合に、酸化シリコン膜８の表面における破壊痕を目視により観察するだけの簡単な作業によって、故障が発生した絶縁分離トレンチ５の特定を迅速且つ正確に特定できるようになる。
【００１４】
（他の実施の形態）
その他、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、以下に述べるような変形或いは拡張が可能である。
外部フィールド１０側の電極パッド１１は必要に応じて設ければ良く、試験電圧Ｖｈを印加するために外部フィールド１０に直接的に接触するプローブを利用する際には不要になる。半導体基板本体として、単結晶シリコン基板１を支持基板としたＳＯＩ基板４を用いる構成したが、支持基板の材料としては、単結晶シリコン基板に限らず、他の半導体基板或いは絶縁性を有するセラミック基板やガラス基板などを用いることができ、特に、絶縁性を有する基板を用いる場合には絶縁分離層２が不要になる（例えば、ＳＯＳ（Silicon On Sapphire ）基板を用いる場合が該当する）。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す模式的な縦断面図
【図２】要部の平面レイアウト図
【図３】作用説明用の等価回路図
【図４】従来例を示す図１相当図
【図５】従来例を示す図２相当図
【符号の説明】
１はシリコン基板（支持基板）、３は単結晶シリコン層（半導体層）、４はＳＯＩ基板（半導体基板本体）、５は絶縁分離トレンチ、６は独立フィールド（素子形成領域）、８は酸化シリコン膜（絶縁膜）、９、１１は電極パッド、１０は外部フィールドを示す。

Claims (2)

1. 支持基板上に当該支持基板と電気的に絶縁した状態で形成された半導体層を備え、その半導体層に絶縁分離トレンチにより区分された複数の素子形成領域を設けて成る絶縁分離型半導体装置のための評価用半導体基板において、
   支持基板上に当該支持基板と電気的に絶縁した状態で半導体層を形成して成る半導体基板本体と、
   前記半導体層に絶縁分離トレンチにより囲まれた形態で形成された複数の独立フィールドと、
   前記半導体層における前記独立フィールド及び絶縁分離トレンチ以外の領域に形成された試験電圧印加用の外部フィールドと、
   前記独立フィールド上に前記絶縁分離トレンチより低い耐圧となる膜厚で形成された絶縁膜と、
   各独立フィールドに対応した前記絶縁膜上にそれぞれ形成された試験電圧印加用の電極パッドとを備え、
   前記電極パッド群と前記外部フィールドとの間に試験電圧を印加可能な構成としたことを特徴とする絶縁分離型半導体装置のための評価用半導体基板。
2. 支持基板上に当該支持基板と電気的に絶縁した状態で形成された半導体層を備え、その半導体層に絶縁分離トレンチにより区分された複数の素子形成領域を設けて成る絶縁分離型半導体装置のための絶縁不良評価方法において、
   前記複数の素子形成領域上に前記絶縁分離トレンチより低い耐圧の絶縁膜をそれぞれ形成すると共に、各素子形成領域に対応した絶縁膜上に電極パッドをそれぞれ形成し、
   前記電極パッド群と前記半導体層における前記素子形成領域外の領域との間に前記絶縁分離トレンチの絶縁不良検査のための試験電圧を印加してリーク電流を測定するステップと、
   この測定によりリーク電流が検出されたときに前記絶縁膜の破壊痕の有無を目視により観察して絶縁不良箇所を特定するステップとを実行することを特徴とする絶縁分離型半導体装置のための絶縁不良評価方法。

Images