JP4089622B2 - 半導体装置の評価方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置の評価方法に関するものである。

ＳＯＩウエハでトレンチ絶縁分離技術を使った半導体装置では、トレンチ絶縁分離不良低減は歩留りを向上する上で重要な項目である。
トレンチ絶縁分離不良を低減するには、不良原因を明確にする必要がある。不良原因を明確にするには、トレンチ絶縁分離不良を起こしている箇所を特定する必要がある。

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、島での不良となった箇所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。

請求項１に記載の発明によれば、評価のための島でのトレンチに接する部位においてＰ型導電層とＮ型導電層を複数配置して、各Ｐ型導電層を直列につなぐ配線を形成するとともに、各Ｎ型導電層を直列につなぐ配線を形成し、さらに、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Ｐ型導電層を直列につなぐ配線の両端間または各Ｎ型導電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、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または電流を測定する。これにより、島での不良トレンチによる分離不良が発生した箇所を特定することができる。つまり、島での不良となった箇所を特定することができる。

請求項２に記載のように、複数の各島において形成した島内Ｐ型コンタクトホールを通して各Ｐ型導電層を直列につなぐとともに、複数の各島において形成した島内Ｎ型コンタクトホールを通して各Ｎ型導電層を直列につなぐようにしてもよい。

請求項３に記載のように、評価のため分離した島は、全周をトレンチで囲ったものであっても、請求項４に記載のように、評価のため分離した島は、トレンチに加えてＰＮ接合を用いて形成したものであってもよい。

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、トレンチを用いて分離した島を形成するとよい。

以下、本発明を具体化した一実施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。

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。このＳＯＩ基板１０において、図３に示したように、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、シリコン酸化膜（埋込酸化膜）２１に達するトレンチ１３が形成され（図３参照）、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３においては４つ設けられている。

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、ＳＯＧのような液状のものを埋め込んでも、あるいは、トレンチ１３の内壁面にシリコン酸化膜（熱酸化膜等）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。

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の上にシリコン酸化膜（広義には埋込絶縁膜）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にシリコン酸化膜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が多数並設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。このとき、トレンチ島１４の配置は縦・横に整列した配置でも、ランダムな配置でもよい。

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。つまり、ＳＯＩウエハ（１０）の一部領域において評価用のトレンチ１３がパターニングされるとともに、このトレンチ１３の形成箇所の周りに、外部と分離するためのトレンチ１１がパターニングされている。トレンチ１３の内方がトレンチ評価用の島１４となる。トレンチ１１は、薄膜シリコン層２２に形成され、図２に示すように、シリコン酸化膜（埋込酸化膜）２１に達しており、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。

なお、トレンチ１１の内部での構造として、トレンチ１１の内部にシリコン酸化膜２３を充填する以外にも、ＳＯＧのような液状のものを埋め込んでも、あるいは、トレンチ１１の内壁面にシリコン酸化膜（熱酸化膜等）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。

さらに、図１において、平面形状として長方形状をなす各島１４においてＰ型導電層１６とＮ型導電層１７とが交互に接するようにストライプ状に配置され、Ｐ型導電層１６とＮ型導電層１７との界面にＰＮ接合が形成されている。詳しくは、長方形状をなす島１４が長辺方向に６分割され、この６分割した部位がＰ型導電層１６とＮ型導電層１７にされている。また、各島１４の周りのトレンチ島１２（薄膜シリコン層２２）はＮ型導電層となっている。

さらには、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、各々のトレンチ島１４には、各Ｐ型導電層１６毎の島内Ｐ型コンタクトホール２６および各Ｎ型導電層１７毎の島内Ｎ型コンタクトホール２７が形成され、これらのコンタクトホール２６，２７により各島でのＰ型導電層１６および各島でのＮ型導電層１７に電圧を印加することができるようになっている。また、シリコン酸化膜２５においてトレンチ１１の内方におけるトレンチ１３の外方には、薄膜シリコン層２２（Ｎ型導電層）の電圧（電位）または電流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。

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１３での部位評価用のアルミ配線３０がパターニングされ、トレンチ島（薄膜シリコン層）１４でのＰ型導電層１６はコンタクトホール２６を通してアルミ配線３０と電気的に接続されている。このとき、アルミ配線３０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Ｐ型導電層１６に分岐するように形成され、Ｐ型導電層１６を直列に接続している。また、シリコン酸化膜２５の上にはトレンチ１３での部位評価用のアルミ配線３１がパターニングされ、トレンチ島（薄膜シリコン層）１４でのＮ型導電層１７はコンタクトホール２７を通してアルミ配線３１と電気的に接続されている。このとき、アルミ配線３１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Ｎ型導電層１７に分岐するように形成され、Ｎ型導電層１７を直列に接続している。

このようにして、複数の各島１４において形成した島内Ｐ型コンタクトホール２６を通して各Ｐ型導電層１６が直列につながれるとともに、複数の各島１４において形成した島内Ｎ型コンタクトホール２７を通して各Ｎ型導電層１７が直列につながれている。また、評価のため分離した島１４は、全周をトレンチ１３で囲ったものである。

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１３での部位評価用のアルミ配線３２がパターニングされ、トレンチ１１の内方におけるトレンチ１３の外方での薄膜シリコン層２２（Ｎ型導電層）がコンタクトホール２８を通してアルミ配線３２と電気的に接続されている。このアルミ配線３２により、トレンチ１１の内方におけるトレンチ１３の外方での薄膜シリコン層２２の電圧または電流を測定できるようになっている。

帯状に延びるアルミ配線３１の一端がＡ端子（パッド）と接続され、他端がＡ’端子（パッド）と接続されている。また、帯状に延びるアルミ配線３０の一端がＢ端子（パッド）と接続され、他端がＢ’端子（パッド）と接続されている。さらに、もう一つのアルミ配線３２がＣ端子（パッド）と接続されている。

このようにして、トレンチ１３の歩留り向上を図るべく不良解析するための配線３０，３１，３２が設けられている（パターニングされている）。つまり、Ａ−Ａ’端子がＮ型導電層１７に接したトレンチ不良を特定するための端子（電極）であり、Ｂ−Ｂ’端子がＰ型導電層１６に接したトレンチ不良を特定するための端子（電極）であり、Ｃ端子がトレンチ１１の内方におけるトレンチ１３の外方での薄膜シリコン層２２（Ｎ型導電層）の電位または電流を検出するための端子（電極）である。

次に、図１，２の製造方法を、図４，５を用いて説明する。
図４（ａ）に示すように、ウエハ状のＳＯＩ基板１０、即ち、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が形成されたＳＯＩウエハを用意する。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。このとき、薄膜シリコン層２２はＮ型導電層となっている。

そして、図４（ｂ）に示すように、薄膜シリコン層２２の上に、トレンチを形成するためのマスク材となる酸化膜２５、窒化膜４１、酸化膜４２を積層する。さらに、図４（ｃ）に示すように、酸化膜２５／窒化膜４１／酸化膜４２の積層体に対しホトリソ技術とエッチング技術を使ってトレンチを形成するための溝４３を形成する。この酸化膜２５／窒化膜４１／酸化膜４２の積層体をマスクとして薄膜シリコン層２２をエッチングして図４（ｄ）のようにトレンチ（溝）１１，１３を形成する。その後、酸化膜４２と窒化膜４１を除去する。

引き続き、図５（ａ）に示すように、開口したトレンチ（溝）１１，１３に対しプラズマで酸化膜２３，２４を選択成長させてトレンチ１１，１３内を充填する。
その後、図５（ｂ）に示すように、ホトリソ技術、インプラ技術を使って所望の場所にＰ型の不純物を打ち込み、拡散してＰ型導電層１６を形成する。これにより、トレンチ１３の内方の島１４においてＰ型導電層１６とＮ型導電層１７が形成されるとともにトレンチ１３の外方にＮ型導電層（薄膜シリコン層２２）が位置することになる。なお、図４（ａ）において薄膜シリコン層２２をＰ型導電層とし、図５（ｂ）においてＮ型の不純物を注入して、Ｎ型導電層１７を形成するとともにトレンチ１３の外方にＮ型導電層（薄膜シリコン層２２）を形成してもよい。あるいは、図４（ａ）において薄膜シリコン層２２をノンドープとし、図５（ｂ）においてＮ型の不純物とＰ型の不純物を注入して、Ｐ型導電層１６とＮ型導電層１７を形成するとともにトレンチ１３の外方にＮ型導電層（薄膜シリコン層２２）を形成してもよい。

引き続き、図５（ｃ）に示すように、酸化膜２５に対し導電層の電位を取るためにコンタクトホール２６，２７，２８を形成する。そして、図２に示すように、配線材料を成膜し、ホトリソ・エッチング技術で配線３０，３１，３２をパターニングする。

次に、評価方法、即ち、評価用のトレンチ１３のパターンを使って実際にトレンチ不良箇所を特定する方法を、図６〜９を用いて説明する。
今、図６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（Ｄ部がトレンチ不良箇所である）。即ち、Ｄ部においてはトレンチ１３がシリコン酸化膜（埋込酸化膜）２１に達していないものとする。

そして、Ａ−Ａ’端子間に所定のバイアス電圧Ｖｂを印加してＡＡ’の両端子間に所定の電流を流す。具体的には、Ａ’端子をグランド電位（ＧＮＤ）にし、Ａ端子に所定の正のバイアス電圧（＋Ｖｂ）を印加する。この状態における等価回路を図７に示す。図７において、Ａ端子とＡ’端子の間において各Ｎ型導電層１７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３１はＮ型導電層１７とはコンタクトホール２７を通して接続されているので、それぞれの各Ｎ型導電層１７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。

ここで、Ｄ点では、トレンチ不良で島内のＮ型導電層１７とその周りのトレンチ島（トレンチ１３の外方でのＮ型導電層）１２が導通状態のため、Ｃ端子（電極）からはＤ−Ａ’間の電圧ドロップ分（Ｖｄ）の電圧が検出され、全体の電圧Ｖｂに対する比例計算で不良箇所が特定できる。

一方、図８でのＤで示す箇所においてトレンチ不良があり、この箇所においてはＰ型導電層１６と、トレンチ１３の外方のＮ型導電層（１２）とが接している。つまり、島の内部と外部の導電性が異なり、不良箇所にＰＮ接合ができることになる。この場合、島内から島外に順方向になるようにバイアスを印加する。具体的には、図９に示すように、Ｂ端子に正のバイアス電圧（＋Ｖｂ）を印加するとともに、Ｂ’とＣはグランド電位（ＧＮＤ）にする。不良箇所のＤ点のＰ型導電層１６ではＤ−Ｂ’間の電圧ドロップ分の正のバイアス電圧が印加されており、Ｄ−Ｃ間は順方向になる。よって、Ｃ端子（電極）の電流値Ｉをモニターし、ＰＮ接合の順方向のＩ−Ｖ特性からＤ点にかかっている電圧Ｖｄを求め、全体の電圧に対する比例計算で不良箇所を求めることができる。

このように、もしトレンチ不良があれば、不良箇所はトレンチ１３の外方のＮ型導電層（１２）と導通またはＰＮ接合を経由して導通しているので、トレンチ１３の外方のＮ型導電層（１２）の電位または電流値をモニターすれば、トレンチ１３のどの部分で導通不良を起こしているのか特定できる。

このような評価構造（評価手法）をトレンチ歩留り評価、トレンチ条件評価用ＴＥＧとして用いることにより、トレンチ絶縁不良箇所を詳細に特定できることで、速やかに不良原因の特定ができる。さらに、トレンチ絶縁分離不良を起こしている箇所を電気的に特定する際に、１辺が数十μｍ□と大きなトレンチ島においても不良解析ができ、詳細に不良箇所が特定できる。

本評価構造（評価手法）をトレンチ歩留り評価に用いる場合においては、ウエハでのスクライブラインに、トレンチ１３を用いて分離した島１４を形成するようにするとよい。
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）１０における一部領域に評価のためトレンチ１３を用いて分離した島１４を形成するとともに、当該島１４でのトレンチ１３に接する部位においてＰ型導電層１６とＮ型導電層１７を複数配置し、さらに、薄膜シリコン層２２の上にシリコン酸化膜（絶縁膜）２５を配置し、当該酸化膜２５に、各Ｐ型導電層１６毎の島内Ｐ型コンタクトホール２６と、各Ｎ型導電層１７毎の島内Ｎ型コンタクトホール２７と、島１４の外部の島外コンタクトホール２８とを形成し、シリコン酸化膜（絶縁膜）２５の上に島内Ｐ型コンタクトホール２６を通して各Ｐ型導電層１６を直列につなぐ配線３０と、島内Ｎ型コンタクトホール２７を通して各Ｎ型導電層１７を直列につなぐ配線３１と、島外コンタクトホール２８を通して島１４の外部における薄膜シリコン層２２につながる配線３２とを形成する。そして、各Ｐ型導電層１６を直列につなぐ配線３０の両端間または各Ｎ型導電層１７を直列につなぐ配線３１の両端間に電流を流したときにおいて、島１４の外部における薄膜シリコン層２２につながる配線３２を用いて電圧または電流を測定する。これにより、島１４での不良トレンチによる分離不良が発生した箇所を特定することができる。つまり、島１４での不良となった箇所を特定することができる。

以下に、別例について説明する。
図１，２においてはトレンチ１１の内方におけるトレンチ１３の周りの薄膜シリコン層２２はＮ型であったが、図１０に示すように、トレンチ１３の周りの薄膜シリコン層２２はＰ型（Ｐ型導電層）であってもよい。この場合の評価方法は図６，７，８，９とほぼ同様であり、Ｐ型導電層１６がリークした場合には図１１のようにＢ’端子をグランド電位にし、Ｂ端子に正のバイアス電圧を印加してＣ端子の電圧を測定する。一方、図１２のようにＮ型導電層１７がリークした場合には図１３に示すようにＮＰ接合が順方向になるようにＡ’，Ｃ端子をグランド電位にし、Ａ端子（電極）に負のバイアス電圧を印加してＣ端子での電流を測定する。

また、図１４に示すように、各導電層１６，１７にコンタクトホール２６，２７を２つ設けて、導電層１６，１７に電流を流してもよい。つまり、各Ｐ型導電層１６毎の島内Ｐ型コンタクトホール２６を、一つのＰ型導電層１６に対し二つ形成し、この二つの島内Ｐ型コンタクトホール２６を通して異なるＰ型導電層１６と接続する。同様に、各Ｎ型導電層１７毎の島内Ｎ型コンタクトホール２７を、一つのＮ型導電層１７に対し二つ形成し、この二つの島内Ｎ型コンタクトホール２７を通して異なるＮ型導電層１７と接続する。

また、図１５に示すように、トレンチ１３のパターンとして、連続して延ばしパターンの端でＰＮ接合にて分離するようにしてもよい。即ち、評価のため分離した島１４は、トレンチ１３に加えてＰＮ接合を用いて形成してもよい。よって、図１５においては、トレンチ１３に接したＰＮ接合リーク評価用のＴＥＧパターンとして用いることができる。図１５の変形例として、図１６に示すように、各導電層１６，１７にコンタクトホール２６，２７を２つ設けてもよい。

また、評価用のトレンチパターンの外方に設けたトレンチ（図１におけるトレンチ１１）に関して、トレンチ１３の周りの薄膜シリコン層２２（Ｎ型導電層）の外側がＰ型になっていればトレンチ１１は無くてもよい。即ち、図１のトレンチ１１に代わりＰＮ接合で分離してもよい。

また、図１７に示すように、トレンチ１３のパターンとして、島１４を形成すべく直線的に延びるトレンチ１３を複数離間して並設し、各トレンチ１３の両端部におけるトレンチ１３で分離されていない箇所はＰＮ接合にて分離してもよい。

実施形態における半導体基板の平面図。 図１におけるＸ−Ｘ線での縦断面図。 半導体基板の平面図。 （ａ）〜（ｄ）は製造工程フロー図。 （ａ）〜（ｃ）は製造工程フロー図。 評価方法を説明するための平面図。 評価方法を説明するための等価回路図。 評価方法を説明するための平面図。 評価方法を説明するための等価回路図。 別例の半導体基板の平面図。 別例の評価方法を説明するための等価回路図。 別例の半導体基板の平面図。 別例の評価方法を説明するための等価回路図。 他の別例の半導体基板の平面図。 他の別例の半導体基板の平面図。 他の別例の半導体基板の平面図。 他の別例の半導体基板の平面図。

符号の説明

１０…ＳＯＩ基板、１３…トレンチ、１４…島、１６…Ｐ型導電層、１７…Ｎ型導電層、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…島内Ｐ型コンタクトホール、２７…島内Ｎ型コンタクトホール、２８…島外コンタクトホール、３０…アルミ配線、３１…アルミ配線、３２…アルミ配線。

Claims (5)

1. 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）を用いて分離した島（１４）を形成するとともに、当該島（１４）での前記トレンチ（１３）に接する部位においてＰ型導電層（１６）とＮ型導電層（１７）を複数配置し、さらに、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、前記各Ｐ型導電層（１６）毎の島内Ｐ型コンタクトホール（２６）と、前記各Ｎ型導電層（１７）毎の島内Ｎ型コンタクトホール（２７）と、前記島（１４）の外部の島外コンタクトホール（２８）とを形成し、絶縁膜（２５）の上に前記島内Ｐ型コンタクトホール（２６）を通して前記各Ｐ型導電層（１６）を直列につなぐ配線（３０）と、前記島内Ｎ型コンタクトホール（２７）を通して前記各Ｎ型導電層（１７）を直列につなぐ配線（３１）と、前記島外コンタクトホール（２８）を通して前記島（１４）の外部における薄膜シリコン層（２２）につながる配線（３２）とを形成し、前記各Ｐ型導電層（１６）を直列につなぐ配線（３０）の両端間または前記各Ｎ型導電層（１７）を直列につなぐ配線（３１）の両端間に電流を流したときにおいて、前記島（１４）の外部における薄膜シリコン層（２２）につながる配線（３２）を用いて電圧または電流を測定することにより、前記島（１４）での不良トレンチによる分離不良が発生した箇所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。
2. 複数の各島（１４）において形成した前記島内Ｐ型コンタクトホール（２６）を通して前記各Ｐ型導電層（１６）を直列につなぐとともに、前記複数の各島（１４）において形成した前記島内Ｎ型コンタクトホール（２７）を通して前記各Ｎ型導電層（１７）を直列につないだ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。
3. 前記評価のため分離した島（１４）は、全周をトレンチ（１３）で囲ったものである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。
4. 前記評価のため分離した島（１４）は、トレンチ（１３）に加えてＰＮ接合を用いて形成したものである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。
5. ウエハでのスクライブラインに、前記トレンチ（１３）を用いて分離した島（１４）を形成したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体装置の評価方法。

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