JP4789747B2 - 半導体装置及びその下層導電パターンのシート抵抗の測定方法 - Google Patents

半導体装置及びその下層導電パターンのシート抵抗の測定方法 Download PDF

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Description

本発明は、半導体装置及びその下層導電パターンのシート抵抗の測定方法に関し、特に、下層の導電パターンと、該下層の導電パターンより外形の小さな上層の導電パターンとの間に絶縁層を挟んで構成された素子を含んだ半導体装置及び前記下層導電パターンのシート抵抗の測定方法に関する。
プロセスの微細化が進んだ今日、半導体基板上に作りこまれた素子の正確な寄生効果の抽出の重要性が増大している。特に、アナログ回路設計においては、寄生効果がチップ全体の電力や電気的な動作に大きな影響を及ぼすところは大きく、正確な寄生効果を測定し、その結果を用いて精度の高い回路シミュレーション実行することが重要になっている。
例えば、特開2001−313323号公報には、MOSFETのソースドレイン拡散層のシート抵抗値、特に、ゲート長方向のシート抵抗値とゲート電極と重なる部分における抵抗値を測定できるようにした評価パターンが開示されている。
特開2001−313323号公報
ところで、素子の中には、同一基板上にトランジスタ等を作りこむための製造プロセス上の制約から、その下部導電パターン(下部電極)上に、大小2種の寄生抵抗値を有するものがあり、下部導電パターン(下部電極)の低抵抗部分の影響を受けてしまうため、高抵抗部分のシート抵抗値を見積もることは難しいという問題点がある。
以下、上記問題点が顕著に現れるPIP(Poly/Insulator/Poly)容量素子の例を挙げて、詳説する。
<PIP容量素子の構造>
図6は、PIP容量素子の平面模式図(a)及び断面模式図(b)である。PIP容量素子は、シリコン基板上に成膜したシリコン酸化膜上に形成する。多結晶シリコンで形成された上部電極14及び下部電極13(膜厚150〜300nm程度)に挟まれたSiO2誘電体膜15(膜厚10〜40nm程度)で容量実効部を形成する。回路設計時には、所望の容量を充たすように容量実効部分の表面積を決定する。上部電極14及び下部電極13は、上層配線19にコンタクト16を介して電気的に接続される。
<PIP容量素子の製造プロセス>
図7は、PIP容量素子の製造プロセスフロー図である。以下、図6、図7を参照して、上記したPIP容量素子の製造フローについて説明する。
まず、シリコン基板11の上面全面にシリコン酸化膜12を設け、その上面全面にPIP容量素子の下部電極13を成膜する(ステップS001)。
次に、下部電極13の上面全面に誘電体膜(酸化膜)15を成膜する(ステップS002)。
次に、誘電体膜(酸化膜)15の上、全面に上部電極14を成膜する(ステップS003)。
次に、上部電極14の上にフォトレジストを所定の形状に形成し、上部電極14を所定の形状にエッチングする(ステップS004)。
上部電極14のエッチングに引き続いて、誘電体膜(酸化膜)15も所定の形状にエッチングする(ステップS005)。
次に、フォトレジストを除去した後、残る上部電極14と露出した下部電極13の一部を覆うようにフォトレジストを所定の形状に再度形成し、下部電極13を所定の形状にエッチングする(ステップS006)。
次に、フォトレジストを除去し、露出する上部電極14の表面及び下部電極13の表面(図6の符号18で示した部分)をシリサイド化し、低抵抗にする処理が行われる(ステップS007)。このとき、下部電極13の表面のうち、表面が誘電体膜(酸化膜)15及び上部電極14で覆われている部分は低抵抗化しない。
最後に、全面を絶縁膜で覆い、その表面を平坦化した後、絶縁膜の表面からそれぞれ、下部電極13、上部電極14の表面に達するコンタクト16を形成し、コンタクト16に接続する上層配線19を絶縁膜の上に設けて図6のPIP容量素子を完成させる。
上記ステップS007のシリサイド化処理において、下部電極13のうち上部電極14とオーバーラップする部分は低抵抗化されないため、PIP容量素子は、下部電極上に2種の寄生抵抗値を有することとなる。そして、これらの抵抗値は約2桁程度異なり、PIP容量素子の高周波特性に大きく寄与するため、どちらの値も正確に測定し、その結果をシミュレーションに提供する必要がある。しかしながら、高抵抗側の寄生抵抗を測定しようとすると、上記のとおり低抵抗部分が短絡して測定値に含まれてしまうため、高抵抗部分の正確な抵抗値の測定が困難となる。
なお、上記シリサイド化処理は、同一ウェハ上に混載するトランジスタのゲート電極、ソース、ドレイン、コンタクトの寄生抵抗及び接触抵抗を下げるために必要であり、また、その製造プロセス上、上部電極成膜後に実施せざるを得ないという制約がある。
以上の前提の下で、本願出願人は、上記下部電極上の2種の寄生抵抗値を測定するための測定パターンを検討した。以下、これらの測定パターンの問題点について説明する。
<検討した測定パターン1>
図8は、検討した測定パターン1の平面模式図(a)及び断面模式図(b)である。断面図(b)に示したように、測定パターン1は、シリサイド処理の際に、コンタクト16間に低抵抗部分(シリサイド部)が形成されないよう、上部電極14により、下部電極13を横切るよう覆ったようなレイアウトとなっている。つまり、シリサイド部分の短絡する電流経路を上部電極14で遮断することで、下部電極13の高抵抗部分を測定する際における、低抵抗部分(シリサイド部)による短絡成分が表れないようにし、高抵抗部分の抵抗値を正確に測定することを可能にする。なお、測定パターン1では、測定起因の寄生抵抗成分を減らすために、測定用上層配線20と下部電極13を電気的に繋げるコンタクト16の数を、できるだけ多く配置している。
<検討した測定パターン1の問題点>
測定パターン1を作成するには、少なくとも図8の横(幅)方向において下部電極13を上部電極14より小さく形成しなければならない。しかしながら、上述した図7の製造フローは、下部電極13、誘電体膜(酸化膜)15、上部電極14を全面に成膜し、次いで上層から、上部電極14、誘電体膜(酸化膜)15の順にエッチングを行なうことにより露出した下部電極13のエッチングが可能となる。従って、図7に示す製造フローでは、下部電極13を上部電極14より小さく生成することができない。
もし、下部電極13を上部電極14より小さく形成しようとするならば、図7の製造フロー中の工程の入れ替えが必要となる。例えば、下部電極成膜(ステップS001)、パターン形成(エッチング)(ステップS006)の後に、酸化膜成膜(ステップS002)→上部電極成膜(ステップS003)→上部電極エッチング(ステップS004)の順番に入れ替えることが考えられる。
しかしながら、上記のような工程の入れ替えは、PIP容量素子の製造プロセスフローの工程順序の入れ替えも意味し、また同一ウェハの素子への影響も大であり、容認し難い。また、測定パターン作成のためのプロセス開発が必要となり、開発TAT・開発コストへの観点からしても、この測定パターンは得策ではない。
更にいえば、通常のPIP容量素子の製造工程とは異なった製造プロセスとなってしまうため、PIP容量製造工程での下部電極のシート抵抗を正確にモニタすることもできないという問題点を孕んでいる。
<検討した測定パターン2>
図9は、検討した測定パターン2の平面模式図(a)及び断面模式図(b)である。測定パターン1との相違点は、既存の製造フローの入れ替えが不要となるよう、上部電極14の幅(図9のA−B方向)を、下部電極13の幅と一致させたことにある。この測定パターン2も、コンタクト16間に低抵抗部分(シリサイド部)が形成されないようになっており、高抵抗部分の抵抗値を正確に測定することが可能であると考えられる。
<検討した測定パターン2の問題点>
しかしながら、測定パターン2を作成するには、上部電極14と下部電極13の両端が一致するようオンラインでパターンニングしなければならないが、プロセス上、下部電極13と上部電極14とをずれることなくパターン形成することは、技術的に極めて困難である。
完全なるオンラインでのパターンニングは難しく、製造上で多少なりともマスクの目ズレが発生することを考えると、図10に示すように、従来構成と同様に、低抵抗部分が発生してしまう。
図10(a)は、図7の製造フローで、ステップS004の上部電極14のエッチングが終了し、下部電極13のエッチングのために、レジスト21を形成した時点の断面模式図である。同図では、マスクが目ズレしており、上部電極14の左側に、下部電極13を覆うように、下部電極形成時のレジスト21がはみ出して形成されている。
図10(b)は、図7の製造フローで、下部電極13のエッチングが完了した時点の断面模式図である。上記目ズレの結果、レジスト21は上部電極14をマスクしきれず、下部電極13のエッチング工程で上部電極14の縁(図の右縁)を過剰にエッチングすることとなり、上部電極14の縁(図の右縁)が、下部電極13の縁(図の右縁)より内側にずれてしまっている。下部電極13上に形成されたレジスト21により、エッチングできない部分が発生し、下部電極13の縁(図の左縁)が、上部電極14の縁(図の左縁)より外側にずれてしまっている。
図10(c)は、図7の製造フローで、下部電極13のエッチング後レジスト21を除去した時点の断面模式図である。最終的には、同図に表されたように、下部電極13に露出部分が生じ、低抵抗部分(シリサイド部)が形成されてしまう。
従って、目ズレが多かれ少なかれ生ずるとの前提の下では、測定パターン2によっても、下部電極のシート抵抗を正確にモニタすることができないのである。
以上のように、上記2つの測定パターンは、測定パターンの作成が困難か、もしくは低抵抗部分に短絡電流経路を完全に遮断できないため、正確に下部電極の抵抗値を測定することができない。そこで、上記低抵抗部分(シリサイド部)による低抵抗成分の存在を前提とし、これを解析的に取り除き、高抵抗部分のシート抵抗値を求めることのできる測定パターン及びこれを用いた解析の手法を提案する。
本発明の第1の視点によれば、下層の導電パターンと、該下層の導電パターンより外形の小さな上層の導電パターンとの間に絶縁層を挟んで構成された容量素子を含んだ半導体装置であって、前記上層の導電パターンに、複数の開口部を設け、前記上層の導電パターンの上方から前記各開口部を貫通し前記下層の導電パターンに達するコンタクトを設けた評価用パターンを、少なくとも2通り以上の開口部間距離Lにつき、少なくとも2通り以上の開口部幅Wの組み合わせで、計4通り以上形成したこと、を特徴とする半導体装置が提供される。
本発明の第2の視点によれば、下層の導電パターンと、該下層の導電パターンより外形の小さな上層の導電パターンとの間に絶縁層を挟んで構成された容量素子を含む半導体装置における前記下層導電パターンのシート抵抗の測定方法であって、前記上層の導電パターンに、複数の開口部を設け、前記上層の導電パターンの上方から前記各開口部を貫通し前記下層の導電パターンに達するコンタクトを設けた評価用パターンが、少なくとも2通り以上の開口部間距離Lにつき、少なくとも2通り以上の開口部幅Wの組み合わせで、計4通り以上形成された前記評価用パターンの前記コンタクト間の抵抗値をそれぞれ測定し、前記開口部間距離L及び開口部幅Wの相違による測定値の違いを利用して、前記上層導電パターンに覆われている部分の下層導電パターンのシート抵抗を求めること、を特徴とするシート抵抗の測定方法が提供される。
また、本発明は、下部電極の周辺部が中心部に対して低抵抗となるような上記PIP容量素子のシート抵抗の測定に好適である。
本発明によれば、既存の半導体製造フローでは高抵抗領域と低抵抗領域の発生が不可避である素子の導電パターンについて、その低抵抗領域の影響を受けずに、高抵抗部分のシート抵抗を正確に測定することが可能となる。
続いて、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して詳細に説明する。
[測定パターン(評価用パターン)の構成]
図1は、本発明の第1の実施形態に係る測定パターン(評価用パターン)の平面模式図(a)及び断面模式図(b)である。本実施形態に係る測定パターンは、構造的には、PIP容量素子と略同様の構成からなり、図7に示した製造フローにより作成される。抵抗測定用に追加されている点は、図1に示すように、上部電極14及び誘電体膜(酸化膜)15に、長さX、幅Wからなる四角形のコンタクトホール(開口部)17を複数開口し、下部電極13がコンタクト16を介して上層の測定用配線20と電気的に接続されている点である。
下部電極13は、抵抗測定値への影響を極力小さくするよう、上層の上部電極14及び誘電体膜(酸化膜)15からの露出幅(上部電極14の外縁から下部電極13の外縁までの距離)Zを有するシリサイド化領域18が最小面積となるよう、レイアウトされる。
コンタクトホール(開口部)17は、抵抗測定値に含まれるシリサイド部分の影響が最小限となるように、上部電極14の縁から十分(図1のY)離して配置する。上部電極14の縁からコンタクトホール(開口部)17の縁までの距離Yは、後記するコンタクトホール(開口部)17間の距離Lよりも大きく、かつ、コンタクトホール(開口部)17の長さ(幅Wと直交する方向の径)Xより大きく、かつ、下部電極13の上部電極14からの露出幅Zよりも大きいことが望ましく、例えば、20μm以上とすることにより、シリサイド部分の影響を抑えることができる。また、コンタクトホール(開口部)17の長さXは、例えば、2μmとすることができる。
また、コンタクトホール(開口部)17内には、測定起因の寄生抵抗成分を減らせるよう、設計基準上許される最大数のコンタクト16を敷き詰めて配置する。
次項[下部電極高抵抗部分の解析手順]で説明するが、解析的に高抵抗部の抵抗値を正確に見積もるため、コンタクトホール(開口部)17間の距離L及び幅Wで規定されるコンタクトホール(開口部)17間の四角形面積(W*L)を変動させる必要がある。そのため、最低コンタクトホール17間の四角形のW寸法2種類、L寸法がそれぞれ異なる少なくとも4つ以上の測定パターンを作成する。なお、前記4つ以上の測定パターン間において、前記コンタクトホール17間の四角形面積(W*L)以外は変化させないものとする。
図2は、前記測定パターンのW、Lの水準表の例である。この水準表では、コンタクトホール(開口部)17間の距離Lが2水準(2μm、5μm)につき、それぞれコンタクトホール(開口部)17の幅Wが3水準(2μm、4μm、10μm)設定されており、計6パターン作ることができる。以下、同図の6パターンを用いて測定するものとして説明するが、前記したように、少なくともNo1〜No3の組みあわせから2パターン、No4〜No6の組みあわせから2パターンの計4パターンの測定パターンを作りこみ、これらの抵抗値を測定することによって、下部電極13の高抵抗部分のシート抵抗を求めることが可能である。
[下部電極高抵抗部分の解析手順]
まず、下部電極13の抵抗測定値は、2つのコンタクトホール(開口部)17間を流れる電流経路の抵抗が抵抗値R(measure)として測定される。その測定される抵抗値R(measure)は、図3に記すように、コンタクトホール(開口部)17間の四角形部分の抵抗成分R1、コンタクトホール17側辺(上部電極14のオーバーラップ部分)を回り込む抵抗成分R2、下部電極13のシリサイド部分を介して回り込む抵抗成分R3の3種類の抵抗成分が含まれる。
これら各抵抗成分は、並列に接続されていると考えることができるため、抵抗値R(measure)は、次式(1)のように表わすことができる。
Figure 0004789747
そして、図2に例示した6通りの同一基板上の測定パターンそれぞれの上記抵抗値R(measure)を用いて、下部電極高抵抗部のシート抵抗値ρsを正確に取り出すことができる。
図4は、測定パターンのコンタクトホール(開口部)17間に流れる電流のW依存性を表した図である。同図の縦軸はコンタクトホール(開口部)17間を流れる電流に比例する値1/R(measure)であり、横軸は、コンタクトホール(開口部)17の幅Wである。同図に示されたように、コンタクトホール(開口部)17間に流れる電流は、Wが大きくなるのに比例して増加する。
このとき、上式(1)でコンタクトホール(開口部)17の幅Wに対して変動するのは抵抗成分R1のみであり、抵抗成分R2、R3は一定値となる。これは、コンタクトホール(開口部)17の幅Wのみが異なる測定パターン間では、W以外の形状・寸法は一定にしていることから明らかである。
よって、このときの傾きの逆数が、W=1μm当たりの抵抗値R(w=1μm)となる。このW=1μm当たりの抵抗値R(w=1μm)には、W=1μm当たりに敷き詰められる両側のコンタクト抵抗が含まれている。また、縦軸切片(W=0)で1/R=0とならない。これは、回り込み抵抗成分R2、R3を流れる電流値が見えているためである。
以上のことから、コンタクトホール(開口部)17間を流れる電流は、次式(2)のように表せ、切片と傾きからコンタクトホール(開口部)17間の四角形部分を流れる成分(式(1)のR1)と、それ以外を回り込む成分(式(1)のR2、R3)とに分離することができる。
Figure 0004789747
図4のグラフの傾きの逆数より求めたW=1μmあたりの抵抗値R(w=1μm)を、コンタクトホール(開口部)17間の距離Lでプロットすると図5のとおりとなる。同図に示されたように、コンタクトホール(開口部)17間の距離Lが大きくなるのに比例して、W=1μmあたりの抵抗値は大きくなる。このときの傾きが、次式(3)の下部電極13の高抵抗部分のシート抵抗値ρsとなる。
Figure 0004789747
なお、縦軸切片(L=0)のとき、抵抗値R(w=1μm)は0とならない。これは、コンタクト抵抗、上層測定配線抵抗、パッド/測定針間の接触抵抗等の測定起因の寄生抵抗(片側測定:R)が見えているためである。
以上、式(2)及び式(3)の切片値によって、抵抗の回り込み成分Rと、測定起因の寄生抵抗Rを分離することによって、下部電極13の高抵抗部分のシート抵抗値ρsを正確に抽出することが可能となる。
以上説明したように、本発明に係る測定パターンによれば、PIP容量素子等の下部電極寄生抵抗(高抵抗部分)を、正確に見積もることができる。更に、本発明に係る測定パターンは、PIP容量素子等の既存のプロセス条件で作成が可能であり、余計な開発コスト・開発TATを必要としない点も大きな利点である。
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、導電パターン間に絶縁層を挟んで構成された素子を含んだ半導体装置の前記上層の導電パターンに、開口部間にW及びLで規定される略矩形状の領域(四角形領域)が形成されるよう、開口部間距離L、開口部幅Wを有する複数の開口部を設け、前記上層の導電パターンの上方から前記各開口部を貫通し前記下層の導電パターンに達するコンタクトを設けた評価用パターンを、前記L及びWをそれぞれ2水準以上設定した少なくとも4パターン(2×2)以上形成するという本発明の要旨を逸脱しない範囲で、各種の変形を加えることが可能であることはいうまでもない。例えば、上記した実施形態では、PIP容量素子の例を挙げて説明したが、その他の同様の構造を有する素子の評価にも適用可能であることはいうまでもない。
また、上記した実施形態では、6通りの測定パターンを用いた例を挙げて説明したが、図4、図5のグラフの傾きと縦軸切片を求めるには、少なくとも4パターンあれば足り、6パターン以上とすればより精緻な測定ができることはいうまでもない。
本発明の第1の実施形態に係る測定パターンの平面模式図(a)及び断面模式図(b)である。 測定パターンのW、Lの水準表の一例である。 本発明の第1の実施形態に係る測定パターンのコンタクトホール(開口部)間を流れる電流経路を表した図である。 本発明の第1の実施形態に係る測定パターンのコンタクトホール(開口部)間に流れる電流のW依存性を表した図である。 本発明の第1の実施形態に係る測定パターンにおけるW=1μmあたりの抵抗値のL依存性を表した図である。 PIP容量素子の平面模式図(a)及び断面模式図(b)である。 PIP容量素子の製造プロセスフロー図である。 検討した測定パターン1の平面模式図(a)及び断面模式図(b)である。 検討した測定パターン2の平面模式図(a)及び断面模式図(b)である。 検討した測定パターン2の問題点を説明するための図である。
符号の説明
11 シリコン基板
12 シリコン酸化膜
13 下部電極(下層導電パターン)
14 上部電極(上層導電パターン)
15 誘電体膜(酸化膜)
16 コンタクト
17 コンタクトホール(開口部)
18 シリサイド化領域
19 上層配線
20 測定用配線
21 レジスト

Claims (10)

  1. 下層の導電パターンと、該下層の導電パターンより外形の小さな上層の導電パターンとの間に絶縁層を挟んで構成された容量素子を含んだ半導体装置であって、
    前記上層の導電パターンに、複数の開口部を設け、前記上層の導電パターンの上方から前記各開口部を貫通し前記下層の導電パターンに達するコンタクトを設けた評価用パターンを、少なくとも2通り以上の開口部間距離Lにつき、少なくとも2通り以上の開口部幅Wの組み合わせで、計4通り以上形成したこと、
    を特徴とする半導体装置。
  2. 前記上層導電パターンに覆われている部分の前記下層導電パターンのシート抵抗は、前記上層導電パターンに覆われていない部分の前記下層導電パターンのシート抵抗より、少なくとも10倍以上大きいこと、
    を特徴とする請求項1記載の半導体装置。
  3. 前記複数の開口部は、前記上層導電パターンの外縁より、所定長以上内側に配設されていること、
    を特徴とする請求項1又は2記載の半導体装置。
  4. 前記各開口部の縁から前記上層導電パターンの外縁までの距離が、前記開口部間距離Lより大きいこと、
    を特徴とする請求項1乃至3いずれか一に記載の半導体装置。
  5. 前記各開口部の縁から前記上層導電パターンの外縁までの距離が、少なくとも前記開口部の内径より大きいこと、
    を特徴とする請求項1乃至4いずれか一に記載の半導体装置。
  6. 前記各開口部の縁から前記上層導電パターンの外縁までの距離が、少なくとも前記上層導電パターンの外縁から下層導電パターンの外縁までの距離より大きいこと、
    を特徴とする請求項1乃至5いずれか一に記載の半導体装置。
  7. 前記評価用パターンは、前記下層導電パターンのシート抵抗の評価用パターンであること、
    を特徴とする請求項1乃至6いずれか一に記載の半導体装置。
  8. 前記下層及び上層の導電パターンは、前記容量素子の電極であること、
    を特徴とする請求項1乃至7いずれか一に記載の半導体装置。
  9. 下層の導電パターンと、該下層の導電パターンより外形の小さな上層の導電パターンとの間に絶縁層を挟んで構成された容量素子を含む半導体装置における前記下層導電パターンのシート抵抗の測定方法であって、
    前記上層の導電パターンに、複数の開口部を設け、前記上層の導電パターンの上方から前記各開口部を貫通し前記下層の導電パターンに達するコンタクトを設けた評価用パターンが、少なくとも2通り以上の開口部間距離Lにつき、少なくとも2通り以上の開口部幅Wの組み合わせで、計4通り以上形成され前記評価用パターンの前記コンタクト間の抵抗値をそれぞれ測定し、前記開口部間距離L及び開口部幅Wの相違による測定値の違いを利用して、前記上層導電パターンに覆われている部分の下層導電パターンのシート抵抗を求めること、
    を特徴とするシート抵抗の測定方法。
  10. 前記容量素子は、半導体基板の上に設けられた容量素子であること、
    を特徴とする請求項9に記載のシート抵抗の測定方法。
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