JP4022395B2 - Semiconductor device, semiconductor wafer, and manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置及び半導体ウェハに関し、特に、トランジスタ特性,論理ゲート伝搬遅延時間,配線容量・配線抵抗等の各種特性値を測定し、ウェハ面内における分布やバラツキを把握する特性モニタ部を有する半導体装置及び半導体ウェハに関する。
【0002】
【従来の技術】
集積回路(以下、LSIとする)等の半導体装置の性能は、集積されるトランジスタ、配線等の構成要素の物理的・電気的特性の良否により左右される。これら特性は製造プロセスの各工程における物理的・化学的処理の結果であり、これら処理はウェハの全面に渡って完全に均一にはなり得ない。原因は、温度勾配、ウェハ中心部と周辺部間での露光特性差等である。結果としてLSIの構成要素の特性値は、ウェハ面内における分布あるいはバラツキを持つこととなる。通常製造プロセスの各工程の管理・制御こよって、このような分布あるいはバラツキが、LSIの目標性能を実現するための規格範囲内に収められている。しかしながら様々の要因により、分布やバラツキが規格範囲を逸脱することを完全には避けることはできず、そのような場合には原因となる工程を特定することが必要となる。構成要素の特性値のウェハ面内分布あるいはバラツキ自身が、その原因工程を特定するための重要な情報となる。
【0003】
従来、このような特性値のウェハ面内分布あるいはバラツキを解析するための手法として画像処理のようにフーリエ解析やウェーブレット解析を適用した手法が報告されている。例えば「1997年2月、アイ・イー・イー・イー・トランザクションズ・オン・セミコンダクター・マニュファクチャリング、第10巻、ナンバー1(IEEE TRANSACTIONS ON SEMICONDUCTOR MANUFACTURING, VOL.10, NO.1, FEBRUARY 1997 )」の24頁から40頁に報告されている。
【0004】
このような手法では、空間周波数の低周波成分をウェハ全面に渡った特性値の分布の傾向として捉らえ、一方高周波成分を、個々の素子の特性値がランダムにばらつく成分、信号処理で言うところのホワイトノイズに相当する成分として捉らえる。低周波成分が示す分布から、それを生じさせている製造プロセスの原因工程を推定することが可能となる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような手法では、ウェハ面内に均一に素子が配置されていることを前提とする。これは画像処理における画像が、一定のサンプリング間隔でサンプリングされた画素値が要素となっている2次元配列として構成されたものであることに相当する。少なくとも水平方向、垂直方向のそれぞれにおいて素子が等間隔に配置されていることが必要である。
【0006】
このようなウェハは、製造プロセス開発時において専用チップとして作成し、製造プロセスラインに投入することは可能であるが、製品量産時においてはコスト面・管理面等の点で投入することは困難となる。上記参考文献においても専用チップを作成して必要なデータを取得している。
【0007】
しかし、近年のプロセス微細化・多層化に伴うマスク製造コストの増大は著しく、このようなウェハ面内分布あるいはバラツキ取得用チップのマスクを、プロセス開発に必要な他のテスト素子群用マスクとは別に作成することは、製造プロセス開発時においてさえも、実施し難くなってきている。
【0008】
チップ内に若干数のテスト用トランジスタ等を搭載することは、従来から製品チップにおいても行われているが、上記に述べた画像処理を応用した手法にとっては、単位面積当たりのデータ数すなわちデータ密度が小さいという点で不十分である。チップ内のある領域に限れば、ある程度多数の素子を配置することは可能であるが、ウェハ全体から見ると、サンプリング間隔が均一でないことに相当する。
【0009】
本発明の主な目的は、製品チップの製造時においてもその製造プロセスによる素子特性のウェハ面内分布あるいはバラツキを解析するために十分な個数且つ均一サンプリング間隔を実現することができる特性モニタ部を有する半導体装置及び半導体ウェハを提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の半導体装置は、所望の機能回路を作り込まれた半導体チップが所定の切断領域を介してマトリックス状に配列されたウェハ状態のときの前記配列の第1の方向をX方向とし、該X方向と直交する第2の方向をY方向とすると共に、前記ウェハ状態の前記チップのX方向及びY方向の配列の単位ピッチをそれぞれLx,Lyとしたとき、
前記チップは、当該チップの所定位置の前記X方向に平行な直線上に等間隔px(但し、pxとLxは同じ長さの単位とする)で配置された全て同一のNx個(但し、Nxは正の整数)の第1特性モニタ部を備え、当該チップの所定位置の前記Y方向に平行な直線上に等間隔py(但し、pyとLyは同じ長さの単位とする)で配置された全て同一のNy個(但し、Nyは正の整数)の第2特性モニタ部を備え、
更に、Lx=Nx×px、Ly=Ny×py、を満足する前記チップを含むことを特徴とする。このとき、前記第1特性モニタ部と前記第2特性モニタ部を同一構成としてもよい。
【0011】
また、前記第1及び第2特性モニタ部を、いずれもnチャンネル型電界効果トランジスタ、pチャンネル型電界効果トランジスタ、論理ゲート伝搬遅延時間測定回路、あるいは抵抗素子や容量素子を含む配線素子とすることができる。
【0012】
また、本発明の半導体ウェハは、所望の機能回路を作り込まれた半導体チップが所定の切断領域を介してマトリックス状に配列され、前記配列の第1の方向をX方向とし、該X方向と直交する第2の方向をY方向として、前記チップの前記X方向及び前記Y方向の配列の単位ピッチをそれぞれLx,Lyとしたとき、
前記X方向及び前記Y方向の配置ピッチがそれぞれpx、Lyで前記X方向に平行なX方向切断領域上にマトリックス状に配置された第1特性モニタ部と、前記X方向及び前記Y方向の配置ピッチがそれぞれLx、pyで前記Y方向に平行なY方向切断領域上にマトリックス状に配置された第2特性モニタ部と、を備え、
且つ前記第1特性モニタ部の前記X方向の単位ピッチLx当たりの配置個数をNx個(但し、Nxは正の整数)、前記前記第2特性モニタ部のY方向の単位ピッチLy当たりの配置個数をNy個(但し、Nyは正の整数)としたとき、
Lx=Nx×px、Ly=Ny×py、を満足することを特徴とする。
【0013】
また、本発明の他の半導体ウェハは、所望の機能回路を作り込まれた半導体チップが所定の切断領域を介してマトリックス状に配列され、前記配列の第1の方向をX方向とし、該X方向と直交する第2の方向をY方向として、前記チップの前記X方向及び前記Y方向の配列ピッチをそれぞれLx,Lyとしたとき、
前記X方向及び前記Y方向の配置ピッチがそれぞれpx、Lyで前記X方向に平行なX方向切断領域上にマトリックス状に配置された第1特性モニタ部と、前記チップ上の所定位置の前記Y方向に平行な直線上に等間隔pyで配置された前記チップ当たりNy個(但し、Nyは正の整数)の全て同一の第2特性モニタ部を備え、
且つ前記第1特性モニタ部の前記X方向の単位ピッチLx当たりの配置個数をNx個(但し、Nxは正の整数)としたとき、Lx=Nx×px、Ly=Ny×py、を満足することを特徴とする。
【0014】
また、本発明の更に他の半導体ウェハは、所望の機能回路を作り込まれた半導体チップが所定の切断領域を介してマトリックス状に配列され、前記配列の第1の方向をX方向とし、該X方向と直交する第2の方向をY方向として、前記チップの前記X方向及び前記Y方向の配列ピッチをそれぞれLx,Lyとしたとき、
前記チップ上の所定位置の前記X方向に平行な直線上に等間隔pxで配置された前記チップ当たりNx個(但し、Nxは正の整数)の全て同一の第1特性モニタ部と、前記X方向及び前記Y方向の配置ピッチがそれぞれLx、pyで前記Y方向に平行なY方向切断領域上にマトリックス状に配置された第2特性モニタ部を備え、
且つ前記第2特性モニタ部の前記Y方向の単位ピッチLy当たりの配置個数をNy個(但し、Nyは正の整数)としたとき、Lx=Nx×px、Ly=Ny×py、を満足することを特徴とする。
【0015】
また上記各半導体ウェハにおいて、前記第1特性モニタ部と前記第2特性モニタ部を同一構成とすることができる。
【0016】
また、前記第1及び第2特性モニタ部を、いずれもnチャンネル型電界効果トランジスタ、pチャンネル型電界効果トランジスタ、論理ゲート伝搬遅延時間測定回路、あるいは抵抗素子や容量素子を含む配線素子とすることができる。
【0017】
また、前記第1特性モニタ部及び前記第2特性モニタ部は全て前記X方向切断領域と前記Y方向切断領域の交差部を除く位置に配置してもよい。
【0018】
また、本発明の半導体装置の製造方法は、所望の機能回路を作り込まれた半導体チップが所定の切断領域を介してマトリックス状に配列されると共に第1及び第2特性モニタ部を有する半導体ウェハを形成するステップを含み、
前記配列の第1の方向をX方向とし、該X方向と直交する第2の方向をY方向として、前記チップの前記X方向及び前記Y方向の配列の単位ピッチをそれぞれLx,Lyとしたとき、
前記第1特性モニタ部は、前記X方向及び前記Y方向の配置ピッチがそれぞれpx、Lyで前記X方向に平行な直線上にマトリックス状に配置され、
前記第2特性モニタ部は、前記X方向及び前記Y方向の配置ピッチがそれぞれLx、pyで前記Y方向に平行な直線上にマトリックス状に配置され、
且つ前記第1特性モニタ部の前記X方向の単位ピッチLx当たりの配置個数をNx個(但し、Nxは正の整数)、前記前記第2特性モニタ部のY方向の単位ピッチLy当たりの配置個数をNy個(但し、Nyは正の整数)としたとき、
Lx=Nx×px、Ly=Ny×py、を満足することを特徴とする。
【0019】
【発明の実施の形態】
本発明の上記の目的、特徴及び利点を明確にすべく、以下添付した図面を参照しながら、本発明の実施の形態につき詳細に説明する。尚、以下の説明において、ピッチ,間隔,距離,幅,長さ等の単位は全て共通(ここでは、μm単位)とする。
【0020】
図1は、本発明の第1の実施形態の半導体装置を説明するための図で、特性モニタ部の配置の一例を示すチップの模式的な平面図である。また、図2はこのチップが個別に分離される前の半導体ウェハ上にマトリックス状に配列されている状態を模式的に示す平面図であり、図1は図2のA部の拡大図である。以下、図1,2を参照して説明する。
【0021】
本実施形態の半導体装置が含むチップ10は、X方向の辺(以下、単にX辺とする)7a,7bに平行な直線上に一定の間隔pxで配置されたNx個の第1特性モニタ部12と、Y方向の辺(以下、単にY辺とする)6a,6bに平行な直線上に一定の間隔pyで配置されたNy個の第2特性モニタ部14を備えている。(但し、Nx、Nyはいずれも1以上の整数で、少なくとも一方は2以上であることが望ましく、図1の例では、Nx=5,Ny=4となっている。)また、半導体ウェハ1上のチップ10のX方向及びY方向の配列ピッチをそれぞれLx,Lyとすると、Nx×px=Lx、Ny×py=Lyとなっている。従って、第1特性モニタ部12は、X方向及びY方向の配置ピッチがそれぞれpx,Lyでウェハ1上全面に渡って配置されていることになる。また、同様に第2特性モニタ部14は、X方向及びY方向の配置ピッチがそれぞれLx,pyでウェハ1上全面に渡って配置されていることになる。
【0022】
ここで、Nx個の第1特性モニタ部12及びNy個の第2特性モニタ部14が全てチップ10の有効領域内に配置される条件について説明する。
【0023】
まず、第1特性モニタ部12は、X方向及びY方向の長さがそれぞれdx1,dy1の矩形領域内に形成され、第2特性モニタ部14は、X方向及びY方向の長さがそれぞれdx2,dy2の矩形領域内に形成されているとする。また、チップ10が個別に分離された後も確実に残される有効領域を確定するX辺及びY辺の有効長をそれぞれLxe,Lyeとし、X方向切断領域5x及びY方向切断領域5yの幅をいずれもWsとすると、Lx=Lxe+Ws、Ly=Lye+Wsとなる。更に、チップ10の有効領域内に配置されていて、且つ例えばY辺6bに最も近い第1特性モニタ部12yの中心と隣接するX辺7a及びY辺6bとの距離をそれぞれY1及びX1とし、X辺7bに最も近い第2特性モニタ部12xの中心と隣接するX辺7b及びY辺6aとの距離をそれぞれY2及びX2としたとき、
(Nx−1)×px+dx1≦Lxe=Lx−Ws … (1)
dx1≦2×X1 … (2)
dy1≦2×Y1 … (3)
(Ny−1)×py+dy2≦Lye=Ly−Ws
dx2≦2×X2
dy2≦2×Y2
を全て満足するようにしておけば、Nx個の第1特性モニタ部12及びNy個の第2特性モニタ部14は、全てチップ10の有効領域内に形成することができる。
【0024】
図3は、このチップ10をマトリックス状に配列したウェハ1における第1及び第2特性モニタ部12,14の配置の様子を模式的に示す平面図である。図3から分かるとおり、チップ10内で見ても、あるいはウェハ1全面で見ても、第1及び第2特性モニタ部12,14が占める領域はごく一部である。従来のテスト測定用に作成した専用チップの場合であれば、特性モニタ部をウェハ面内において2次元的に埋め尽くすように配置できることとの大きな相違点である。このような専用チップを用いた場合は、素子の特性値を解析するに際しては、2次元のフーリエ変換やウェーブレット変換等を適用することでウェハ面内分布等が取得できる。
【0025】
一方、本実施形態のチップ10を配列したウェハ1では、図3の第1特性モニタ部配置領域210の第1特性モニタ部12から取得される特性値群、及び第2特性モニタ部配置領域220の第2特性モニタ部14から取得される特性値群に対しては、1次元のフーリエ変換やウェーブレット変換を適用する。
【0026】
1次元、2次元いずれの場合も、低周波成分すなわちウェハ面内全面に渡って比較的ゆるやかに変化する成分をウェハ面内分布と捉え、信号処理で言うところのホワイトノイズに相当するような高周波成分を、素子の特性値がランダムにばらつく成分と捉える。
【0027】
本実施形態のチップ10によるデータ取得の場合は、素子特性値のウェハ面内分布が解析できない領域が専用チップの場合に比べて大きくなるわけであるが、ウェハ面内分布は低周波成分であるため、図3に示すような第1特性モニタ部配置領域210及び第2特性モニタ部配置領域220のそれぞれの間に存在するチップサイズ程度の解析不能領域は、ウェハ面内分布を把握する上で大きな障害にはならない。
【0028】
また、ランダムなバラツキ成分はウェハ面内の位置に依存しないため、第1特性モニタ部配置領域210及び第2特性モニタ部配置領域220から取得される特性値群から、標準偏差等の統計的性質を把握することが可能である。
【0029】
更に、ウェハ面内分布には、露光時の露光単位サイズを基本周期とする何らかの周期性が含まれると考えれられるが、その周期性も水平方向、垂直方向の各成分を持つはずであり、同じく第1特性モニタ部配置領域210及び第2特性モニタ部配置領域220の第1及び第2特性モニタ部12,14から取得されるそれぞれの特性値群から、水平方向、垂直方向のそれぞれの周期性が確認できる。
【0030】
以上から、本実施形態のチップ10のように第1及び第2特性モニタ部12,14を配置することにより、製品チップの場合においても、ウェハ面内分布あるいはランダムなバラツキを把握するのに必要な素子の特性値群を取得することが可能となる。
【0031】
尚、図1の例のように第1特性モニタ部12と第2特性モニタ部14とが重ならないように配置すれば、第1及び第2特性モニタ部12,14は同一構成であっても、異なる構成であっても問題ない。また、第1及び第2特性モニタ部12,14が同一構成であれば、一つの特性モニタ部配置領域を共用させるようにすることもできる。図4は、一つの特性モニタ部配置領域を第1及び第2特性モニタ部に共用させた場合の模式的な平面図の例である。図4を参照すると、チップ20は、共通特性モニタ部25と、第1特性モニタ部26と、第2特性モニタ部27とを備え、これらは全て同一構成の特性モニタ部となっている。また、共通特性モニタ部25は、第1特性モニタ部26を配列する仮想的なX方向の直線と第2特性モニタ部27を配列する仮想的なY方向の直線との交点に位置し、且つ隣接する第1特性モニタ部26及び第2特性モニタ部27との中心間距離はそれぞれpx及びpyである。このように配置することにより、特性モニタ部の配置面積を節約することができる。
【0032】
次に、 第1の実施形態の具体例を以下に説明する。図5は、この具体例を説明するための図で、第1特性モニタ部12としてnチャンネル型電界効果トランジスタ(以下、NMOSとする)を例とし、水平方向の配置の説明に関連する要部を模式的に示す平面図である。また、図6はこのNMOSの電極割り当ての詳細を模式的に示した図である。尚、図6には、ゲート電極250とゲート電極パッド254を接続する配線、ソース領域251とソース電極パッド255を接続する配線、ドレイン領域252とドレイン電極パッド256を接続する配線、NMOSを形成するウェル及びこのウェルとウェル電極パッド253を接続する配線等の図示は省略してある。
【0033】
X方向のチップ10の配列ピッチLxは10000μm、第1特性モニタ部12の幅dx1,dy1はそれぞれ125μm,100μm、第1特性モニタ部12の配置間隔pxは250μm、X1,Y1はそれぞれ75μm,60μm、切断領域の幅Wsは100μmと想定している。従ってNx=Lx/px=10000/250=40個である。また、(1)〜(3)式も全て満足している。また、この例の第1特性モニタ部12は、チップ10上で外部接続電極8と当該チップ10と接するX方向切断領域5xとの間の辺端領域に配置されている。尚、Nxが比較的少なくて良いのであれば、その分pxを広く取ることができ、その場合第1特性モニタ部12間に異なる種類の特性モニタ部を配置することも可能である。
【0034】
次に、本発明の第2の実施形態の半導体ウェハについて説明する。図7は、本実施形態の半導体ウェハの模式的な概略平面図、図8は図5のB部を拡大した模式的な平面図である。第1の実施形態では、第1特性モニタ部及び第2特性モニタ部が全て、チップ10を個別に分離後も確実に残る有効領域内に配置されていたが、本実施形態では、逆に第1特性モニタ部及び第2特性モニタ部が全て切断領域内に配置される。
【0035】
図7,8を参照すると、本実施形態の半導体ウェハ3は、所望の機能を実現する各種素子及び配線等が形成されたチップ30を、X方向切断領域5x、及びY方向切断領域5yを介してマトリックス状に配列している点は、第1の実施形態の半導体ウェハ1と同様であるが、X方向切断領域5xにはX方向ピッチpx、Y方向ピッチLyで第1特性モニタ部32を、またY方向切断領域5yにはX方向ピッチLx、Y方向ピッチpyで第2特性モニタ部34をそれぞれ半導体ウェハ3上の全面に渡ってマトリックス状に配置している点が半導体ウェハ1と異なる。尚、本実施形態においても、チップ30のX方向及びY方向の配列ピッチをそれぞれLx,Lyとし、Nx個の第1特性モニタ部配置領域213及びNy個の第2特性モニタ部配置領域223のように、第1特性モニタ部32のLx当たりの配置個数をNx、第2特性モニタ部34のLy当たりの配置個数をNyとすると、Nx×px=Lx、Ny×py=Lyとなっている。
【0036】
また、本実施形態の第1特性モニタ部32及び第2特性モニタ部34も、第1の実施形態の第1特性モニタ部12及び第2特性モニタ部14と同様、X方向及びY方向の長さがそれぞれdx1,dy1の矩形領域内、並びにX方向及びY方向の長さがそれぞれdx2,dy2の矩形領域内にそれぞれ形成されているとし、X方向切断領域5x及びY方向切断領域5yの幅をいずれもWsとすると、dy1<Ws、且つdx2<Wsを満足し、更に、(px−dx1)≧Ws、又は(py−dy2)≧Wsの少なくともいずれか一方を満足するようにしておけば、X方向切断領域5xとY方向切断領域5yの交差部においても第1特性モニタ部32と第2特性モニタ部34が重ならないように配置することができる。また、X方向切断領域5xとY方向切断領域5yの交差部には、他の目的のモニタパターンを配置される場合が多いので、第1特性モニタ部32、第2特性モニタ部34いずれもこの交差部を避けて配置するには、(px−dx1)≧Ws、及び(py−dy2)≧Wsをいずれも満足するようにしておけばよい。
【0037】
尚、本実施形態においても、第1特性モニタ部32と第2特性モニタ部34が同一構成である場合、X方向切断領域5xとY方向切断領域5yの交差部に共通特性モニタ部を配置し、且つ隣接する第1特性モニタ部32及び第2特性モニタ部34との中心間距離がそれぞれpx及びpyとなるように配置してもよいことは第1の実施形態の場合と同様であり、詳細な図示、説明は省略する。また、この場合は、dx1<Ws、dy1<Ws、dx2<Ws、及びdy2<Wsを全て満足する必要があるという制約も生じる。
【0038】
本実施形態の半導体ウェハ3においても、第1の実施形態のチップ10を配列したウェハ1の場合と同様、X方向切断領域5xの第1特性モニタ部32から取得される特性値群、及びY方向切断領域5yの第2特性モニタ部34から取得される特性値群に対して、1次元のフーリエ変換やウェーブレット変換を適用することでウェハ面内分布の解析を行うことができる。また、本実施形態においても、素子特性値のウェハ面内分布が解析できない領域が専用チップの場合に比べて大きくなっても、ウェハ面内分布は低周波成分であるため、チップサイズ程度の解析不能領域は、ウェハ面内分布を把握する上で大きな障害にはならないことも第1の実施形態の場合と同様である。
【0039】
以上説明したとおり、本実施形態の半導体ウェハ3は、X方向切断領域及びY方向切断領域に、第1及び第2特性モニタ部32,34をそれぞれ所定のピッチで配置したことにより、ウェハ処理終了後に、これら第1及び第2特性モニタ部の所望の特性を測定して取得することで、製品チップの中に製品機能の実現に直接関係しない特性モニタ部を設けることなく、ウェハ面内分布あるいはランダムなバラツキを把握するのに必要な素子の特性値群を取得することが可能となる。
【0040】
尚、本発明は上記実施形態の説明に限定されるものでなく、その要旨の範囲内において変更が可能であることは言うまでもない。例えば、上記第1の実施形態と第2の実施形態とを組み合わせ、第1特性モニタ部をチップの有効領域内に配置し、第2特性モニタ部をY方向切断領域に配置する、あるいは逆に第1特性モニタ部をX方向切断領域に配置し、第2特性モニタ部をチップの有効領域内に配置するようにしても、上記実施形態の場合と同様、素子特性値のウェハ面内分布を把握できることは明らかである。
【0041】
また、第1特性モニタ部及び第2特性モニタ部としては、上記具体例のNMOSに限らず、pチャンネル型電界効果トランジスタ、論理ゲート伝搬遅延時間測定回路、あるいは抵抗素子や容量素子を含む配線素子であってもよく、更にこれらを複数組み合わせて含むこともできる。
【0042】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の半導体チップ及び半導体ウェハによれば、製品チップの製造工程中で、モニタ専用のチップを作成することなく、ウェハ面内における素子の特性値の分布あるいはバラツキを、フーリエ解析やウェーブレット解析のような信号処理の手法によって容易に解析することのできる特性値のデータセットを取得することができるので、製造工程の変動をモニタして安定化を図り、製品の歩留を向上できるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態の半導体装置を説明するための図で、特性モニタ部の配置の一例を示すチップの模式的な平面図である。
【図2】図1のチップが個別に分離される前の半導体ウェハ上にマトリックス状に配列されている状態を模式的に示す平面図である。
【図3】第1の実施形態のチップをマトリックス状に配列したウェハにおける第1及び第2特性モニタ部の配置の様子を模式的に示す平面図である。
【図4】一つの特性モニタ部配置領域を第1及び第2特性モニタ部に共用させた場合の模式的な平面図の例である。
【図5】第1の実施形態の具体例を説明するための図で、第1特性モニタ部としてNMOSを例とし、水平方向の配置の説明に関連する要部を模式的に示す平面図である。
【図6】図5のNMOSの電極割り当ての詳細を模式的に示した図である。
【図7】本発明の第2の実施形態の半導体ウェハの模式的な概略平面図である。
【図8】図5のB部を拡大した模式的な平面図である。
【符号の説明】
1,3 ウェハ
5x,5y 切断領域
6a,6b Y辺
7a,7b X辺
8 外部接続電極
10,20,30 チップ
12,12_1a,12_a,12_a1,12y,26,32 第1特性モニタ部
14,14_a,14_a1,14x,27,34 第2特性モニタ部
25 共通特性モニタ部
213 Nx個の第1特性モニタ部配置領域
223 Ny個の第2特性モニタ部配置領域
250 ゲート電極
251 ソース領域
252 ドレイン領域
253 ウェル電極パッド
254 ゲート電極パッド
255 ソース電極パッド
256 ドレイン電極パッド[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device and a semiconductor wafer, and in particular, a characteristic monitor unit that measures various characteristic values such as transistor characteristics, logic gate propagation delay time, wiring capacitance and wiring resistance, and grasps distribution and variation in the wafer surface. The present invention relates to a semiconductor device and a semiconductor wafer.
[0002]
[Prior art]
The performance of a semiconductor device such as an integrated circuit (hereinafter referred to as LSI) depends on the quality of physical and electrical characteristics of components such as integrated transistors and wiring. These characteristics are the result of physical and chemical treatments at each step of the manufacturing process, and these treatments cannot be completely uniform across the entire surface of the wafer. The cause is a temperature gradient, a difference in exposure characteristics between the wafer central portion and the peripheral portion, and the like. As a result, the characteristic values of the constituent elements of the LSI have a distribution or variation in the wafer surface. By managing and controlling each process of the normal manufacturing process, such distribution or variation is within the standard range for realizing the target performance of the LSI. However, it cannot be completely avoided that the distribution and variation deviate from the standard range due to various factors. In such a case, it is necessary to specify the process that causes the distribution. The distribution of the characteristic values of the constituent elements within the wafer surface or the variation itself is important information for identifying the cause process.
[0003]
Conventionally, as a technique for analyzing the distribution or variation of such characteristic values in the wafer surface, a technique using Fourier analysis or wavelet analysis such as image processing has been reported. For example, “February 1997, IEE Transactions on Semiconductor Manufacturing,
[0004]
In such a method, the low frequency component of the spatial frequency is regarded as the tendency of the distribution of characteristic values over the entire wafer surface, while the high frequency component is referred to as a component in which the characteristic values of individual elements vary randomly, signal processing. However, it can be understood as a component corresponding to white noise. From the distribution indicated by the low-frequency component, it is possible to estimate the causal process of the manufacturing process causing it.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
The above method is based on the premise that the elements are uniformly arranged in the wafer surface. This corresponds to the fact that an image in image processing is configured as a two-dimensional array having pixel values sampled at a constant sampling interval as elements. It is necessary that the elements are arranged at equal intervals in at least the horizontal direction and the vertical direction.
[0006]
Such a wafer can be created as a dedicated chip at the time of manufacturing process development and put into the manufacturing process line, but it is difficult to put it in terms of cost and management in mass production. Become. In the above reference, a dedicated chip is created to obtain necessary data.
[0007]
However, the increase in mask manufacturing cost due to the recent process miniaturization and multilayering is remarkable, and such a mask for obtaining wafer in-plane distribution or variation is different from other test element group masks required for process development. Separate creation has become difficult to implement even during manufacturing process development.
[0008]
Mounting a few test transistors, etc. in a chip has been conventionally performed in a product chip, but for a technique applying the image processing described above, the number of data per unit area, that is, the data density Is insufficient in that it is small. As long as it is limited to a certain area in the chip, it is possible to arrange a large number of elements to some extent.
[0009]
The main object of the present invention is to provide a characteristic monitor unit capable of realizing a sufficient number and uniform sampling interval for analyzing the in-wafer distribution or variation of element characteristics due to the manufacturing process even when manufacturing a product chip. A semiconductor device and a semiconductor wafer are provided.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a semiconductor device according to the present invention has a first arrangement in the state of a wafer in which semiconductor chips in which a desired functional circuit is built are arranged in a matrix through a predetermined cutting region. When the direction is the X direction, the second direction orthogonal to the X direction is the Y direction, and the unit pitches of the X-direction and Y-direction arrays of the chips in the wafer state are Lx and Ly, respectively,
The chips are all the same Nx pieces (provided that Nx is arranged on a straight line parallel to the X direction at a predetermined position of the chip at equal intervals px (px and Lx are units of the same length)) Is a positive integer) first characteristic monitor unit, and is arranged on a straight line parallel to the Y direction at a predetermined position of the chip at equal intervals py (where py and Ly are the same length unit) All of the same Ny (where Ny is a positive integer) second characteristic monitor unit,
Further, the above-described chip that satisfies Lx = Nx × px and Ly = Ny × py is included. At this time, the first characteristic monitor unit and the second characteristic monitor unit may have the same configuration.
[0011]
Also, the first and second characteristic monitor sections are all n-channel field effect transistors, p-channel field effect transistors, logic gate propagation delay time measurement circuits, or wiring elements including resistance elements and capacitance elements. Can do.
[0012]
Further, in the semiconductor wafer of the present invention, semiconductor chips in which a desired functional circuit is formed are arranged in a matrix through a predetermined cutting region, and the first direction of the arrangement is an X direction, When the second direction orthogonal to the Y direction is the Y direction, and the unit pitches of the X direction and Y direction arrays of the chips are Lx and Ly, respectively,
A first characteristic monitor unit arranged in a matrix on an X-direction cutting region parallel to the X direction with the arrangement pitches in the X direction and the Y direction being px and Ly, respectively, and the arrangement in the X direction and the Y direction A second characteristic monitor unit having a pitch of Lx and py and arranged in a matrix on a Y direction cutting region parallel to the Y direction,
In addition, the number of the first characteristic monitor units arranged per unit pitch Lx in the X direction is Nx (where Nx is a positive integer), and the number of the second characteristic monitor units arranged per unit pitch Ly in the Y direction. Is Ny (where Ny is a positive integer)
Lx = Nx × px and Ly = Ny × py are satisfied.
[0013]
In another semiconductor wafer of the present invention, semiconductor chips in which a desired functional circuit is formed are arranged in a matrix through a predetermined cutting region, and the first direction of the arrangement is an X direction, When the second direction orthogonal to the direction is the Y direction, and the arrangement pitch of the chip in the X direction and the Y direction is Lx and Ly, respectively,
A first characteristic monitor unit arranged in a matrix on an X-direction cutting region parallel to the X direction with the arrangement pitches in the X direction and the Y direction being px and Ly, respectively, and the Y at a predetermined position on the chip Ny (where Ny is a positive integer) all the same second characteristic monitor units arranged at equal intervals py on a straight line parallel to the direction,
Further, when the number of the first characteristic monitor units arranged per unit pitch Lx in the X direction is Nx (where Nx is a positive integer), Lx = Nx × px and Ly = Ny × py are satisfied. It is characterized by that.
[0014]
Further, according to still another semiconductor wafer of the present invention, semiconductor chips in which a desired functional circuit is formed are arranged in a matrix through a predetermined cutting region, and the first direction of the arrangement is set as an X direction, When the second direction orthogonal to the X direction is the Y direction, and the arrangement pitches of the chip in the X direction and the Y direction are Lx and Ly, respectively,
Nx (where Nx is a positive integer) all the same first characteristic monitor units arranged at equal intervals px on a straight line parallel to the X direction at a predetermined position on the chip, and the X A second characteristic monitor unit arranged in a matrix on a Y-direction cutting region parallel to the Y direction with the arrangement pitch in the direction and the Y direction being Lx and py,
In addition, when the number of the second characteristic monitor units arranged per unit pitch Ly in the Y direction is Ny (where Ny is a positive integer), Lx = Nx × px and Ly = Ny × py are satisfied. It is characterized by that.
[0015]
In each of the semiconductor wafers, the first characteristic monitor unit and the second characteristic monitor unit can have the same configuration.
[0016]
Also, the first and second characteristic monitor sections are all n-channel field effect transistors, p-channel field effect transistors, logic gate propagation delay time measurement circuits, or wiring elements including resistance elements and capacitance elements. Can do.
[0017]
Further, the first characteristic monitor unit and the second characteristic monitor unit may all be arranged at a position excluding an intersection of the X direction cut region and the Y direction cut region.
[0018]
According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device in which semiconductor chips having desired functional circuits are arranged in a matrix through predetermined cutting regions and have a first and second characteristic monitor unit. Comprising the steps of:
When the first direction of the array is the X direction, the second direction orthogonal to the X direction is the Y direction, and the unit pitch of the array of the chips in the X direction and the Y direction is Lx and Ly, respectively ,
The first characteristic monitor unit is arranged in a matrix on a straight line parallel to the X direction when the arrangement pitch in the X direction and the Y direction is px and Ly, respectively.
The second characteristic monitor unit is arranged in a matrix on a straight line parallel to the Y direction with the arrangement pitches in the X direction and the Y direction being Lx and py, respectively.
In addition, the number of the first characteristic monitor units arranged per unit pitch Lx in the X direction is Nx (where Nx is a positive integer), and the number of the second characteristic monitor units arranged per unit pitch Ly in the Y direction. Is Ny (where Ny is a positive integer)
Lx = Nx × px and Ly = Ny × py are satisfied.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In order to clarify the above objects, features, and advantages of the present invention, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description, the units such as pitch, interval, distance, width, and length are all common (here, μm unit).
[0020]
FIG. 1 is a diagram for explaining the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, and is a schematic plan view of a chip showing an example of an arrangement of a characteristic monitor unit. FIG. 2 is a plan view schematically showing a state in which the chips are arranged in a matrix on the semiconductor wafer before being individually separated, and FIG. 1 is an enlarged view of a portion A in FIG. . Hereinafter, a description will be given with reference to FIGS.
[0021]
The
[0022]
Here, a condition in which Nx first
[0023]
First, the first
(Nx−1) × px + dx1 ≦ Lxe = Lx−Ws (1)
dx1 ≦ 2 × X1 (2)
dy1 ≦ 2 × Y1 (3)
(Ny-1) × py + dy2 ≦ Lye = Ly−Ws
dx2 ≦ 2 × X2
dy2 ≦ 2 × Y2
If all of the above are satisfied, all of the Nx first
[0024]
FIG. 3 is a plan view schematically showing the arrangement of the first and second
[0025]
On the other hand, in the
[0026]
In either case of one dimension or two dimensions, a low frequency component, that is, a component that changes relatively slowly over the entire surface of the wafer is regarded as a distribution in the wafer surface, and a high frequency equivalent to white noise in terms of signal processing. The component is regarded as a component in which the characteristic value of the element varies randomly.
[0027]
In the case of data acquisition by the
[0028]
Further, since the random variation component does not depend on the position in the wafer surface, statistical properties such as standard deviation are obtained from the characteristic value group acquired from the first characteristic monitor
[0029]
Furthermore, it is considered that the wafer in-plane distribution includes some periodicity with the exposure unit size at the time of exposure as the basic period, but the periodicity should also have horizontal and vertical components, From the respective characteristic value groups acquired from the first and second
[0030]
From the above, by arranging the first and second
[0031]
If the first
[0032]
Next, a specific example of the first embodiment will be described below. FIG. 5 is a diagram for explaining this specific example. As an example, an n-channel field effect transistor (hereinafter referred to as NMOS) is used as the first
[0033]
The arrangement pitch Lx of the
[0034]
Next, a semiconductor wafer according to a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 7 is a schematic plan view of the semiconductor wafer of the present embodiment, and FIG. 8 is a schematic plan view in which a portion B in FIG. 5 is enlarged. In the first embodiment, the first characteristic monitor unit and the second characteristic monitor unit are all disposed in the effective area that remains reliably after the
[0035]
7 and 8, in the semiconductor wafer 3 of the present embodiment, the
[0036]
Further, the first
[0037]
Also in the present embodiment, when the first
[0038]
Also in the semiconductor wafer 3 of the present embodiment, as in the case of the
[0039]
As described above, the semiconductor wafer 3 according to the present embodiment completes the wafer processing by arranging the first and second
[0040]
Needless to say, the present invention is not limited to the description of the above embodiment, and can be changed within the scope of the gist thereof. For example, the first embodiment and the second embodiment are combined, the first characteristic monitor unit is arranged in the effective area of the chip, and the second characteristic monitor unit is arranged in the Y-direction cut area, or vice versa. Even if the first characteristic monitor unit is arranged in the X-direction cutting region and the second characteristic monitor unit is arranged in the effective region of the chip, the distribution of the element characteristic values in the wafer plane is similar to the case of the above embodiment. It is clear that it can be grasped.
[0041]
The first characteristic monitor unit and the second characteristic monitor unit are not limited to the NMOS of the above specific example, but a p-channel field effect transistor, a logic gate propagation delay time measurement circuit, or a wiring element including a resistance element and a capacitance element. It is also possible to include a combination of these.
[0042]
【The invention's effect】
As described above, according to the semiconductor chip and the semiconductor wafer of the present invention, without producing a monitor-dedicated chip during the manufacturing process of the product chip, the distribution or variation of the characteristic values of the elements in the wafer surface can be achieved. Data sets of characteristic values that can be easily analyzed by signal processing techniques such as Fourier analysis and wavelet analysis can be acquired, so that fluctuations in the manufacturing process can be monitored to stabilize the product yield. The effect that can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram for explaining a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention, and is a schematic plan view of a chip showing an example of an arrangement of a characteristic monitor unit.
FIG. 2 is a plan view schematically showing a state in which the chips of FIG. 1 are arranged in a matrix on a semiconductor wafer before being individually separated;
FIG. 3 is a plan view schematically showing a state of arrangement of first and second characteristic monitor units in a wafer in which chips of the first embodiment are arranged in a matrix.
FIG. 4 is an example of a schematic plan view when one characteristic monitor unit arrangement region is shared by the first and second characteristic monitor units.
FIG. 5 is a diagram for explaining a specific example of the first embodiment. FIG. 5 is a plan view schematically showing a main part related to the description of the arrangement in the horizontal direction, using NMOS as an example of the first characteristic monitor unit. is there.
6 is a diagram schematically showing the details of the electrode assignment of the NMOS of FIG. 5. FIG.
FIG. 7 is a schematic plan view of a semiconductor wafer according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a schematic plan view enlarging a part B of FIG. 5;
[Explanation of symbols]
1,3
6a, 6b Y side
7a, 7b X side 8
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