(57)【要約】【課題】半導体集積回路の不良箇所を簡単に効率よく特定できる試料の作成方法を提供すること。【解決手段】半導体集積回路の層間絶縁膜上のメタル配線部を除去する工程と、除去した後を研磨処理する工程と、層間絶縁膜を部分的に除去する工程とからなる。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体集積回路の層間絶縁膜上のメタル配線部を除去する工程と、除去した後を研磨処理する工程と、層間絶縁膜を部分的に除去する工程とからなる半導体集積回路の不良箇所特定用試料の作成方法。
【請求項２】
研磨処理工程は、層間絶縁膜中のコンタクトプラグ先端のエッジ部を丸みを帯びた形状にする工程を含む請求項１記載の不良箇所特定用試料の作成方法。
【請求項３】
層間絶縁膜を除去する工程は、層間絶縁膜をその膜厚の半分程度除去する工程である請求項１記載の不良箇所特定用試料の作成方法。
【請求項４】
半導体集積回路の層間絶縁膜上のメタル配線部を除去する工程と、研磨処理して層間絶縁膜中のコンタクトプラグ先端のエッジ部に丸みのある形状を形成する工程と、層間絶縁膜を除去する工程と、ＳＥＭ観察によりコンタクトプラグのコントラストの差を確認して不良箇所を特定する工程からなる不良箇所特定方法。
【請求項５】
不良箇所を特定する工程は、コントラスト差を確認した後、コントラスト差に違いが認められる領域を傾斜させＳＥＭ観察により不良箇所を特定する工程を含む請求項４記載の不良箇所特定方法。
【請求項６】
研磨処理は、ポリッシングクロスとコロイダルシリカを用いる研磨処理である請求項４記載の不良箇所特定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体集積回路の不良箇所特定試料の作成方法及び不良箇所特定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体集積回路の不良原因を究明するために故障解析を行う場合、如何にして不良箇所を特定するかが非常に重要である。一般的に不良箇所を特定する方法としては、液晶法，微弱発光法，又はＥＢテスターやＦＩＢを用いる解析方法がある。
まず液晶法，微弱発光法，又はＥＢテスターを用いる解析方法は、半導体集積回路を動作環境下で解析する必要があり、例えばモールド樹脂アセンブリ後のチップの場合は、チップ上のモールド樹脂のみ除去し、各端子のパッド、ワイヤー部にはダメージを与えてはならない。また、近年微細化が進み、多層化が多用されているが、これらの方法では下層で不良が発生している場合、解析が困難である場合が多い。更に特殊な設備や専用装置も必要となる。次に、ＦＩＢを用いた解析方法でも特殊な設備や高価な専用装置が必要となる。
【０００３】
このように、これらの解析手法では特殊な設備や専用装置が必要となり、更に多層配線試料の場合、解析が困難な場合が予想され、緊急時の故障解析には問題が多々生じる。
そこで一般的な故障解析で以前から頻繁に使用されている走査型電子顕微鏡（以下、ＳＥＭという）を使用した不良箇所の特定方法が非常に有効であると考えられる。
【０００４】
このＳＥＭを用いた不良箇所の特定方法として、絶縁膜のリークを検出する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
この方法はゲート酸化膜に発生したリークをＳＥＭ観察時のチャージアップによる電位コントラスト差像で検出する方法である。つまり、ゲート上のメタル配線及びコンタクトプラグを除去した後、コンタクトホール部の半導体層表面のコントラストでリークの有無を判断する方法である。
この方法の場合、ゲート酸化膜のリーク不良しか検出できず、不良解析対象が非常に狭い解析方法であると言える。
【０００５】
次に、メタル配線やコンタクト部のリークやオープンによる不良を検出する方法が知られている（例えば、特許文献２参照）。
この方法はＳＥＭのような電子励起装置の代りにイオン励起装置（例えばＦＩＢ）を使用することによってその効果を達成している。従って、特殊な設備や高価な専用装置が必要であることは言うまでもない。
【０００６】
【特許文献１】
特開平８−１１５９６３号公報
【特許文献２】
特開２０００−２０８５７３号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このように従来の検出方法では、不良解析対象が非常に狭いという問題や、特殊な設備、高価な専用装置を必要とする問題、また、解析時に発生するコストの問題及び緊急性への対応効率についての問題などがある。
この発明はこのような事情を考慮してなされたもので、一般的に普及し頻繁に使用されている観察ＳＥＭを用い、従来より行われている電位コントラスト差像による不良箇所の特定を、更に高感度、高効率に行う方法を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明は、半導体集積回路の層間絶縁膜上のメタル配線部を除去する工程と、除去した後を研磨処理する工程と、層間絶縁膜を部分的に除去する工程とからなる半導体集積回路の不良箇所特定用試料の作成方法を提供するものである。
また、この発明は、半導体集積回路の層間絶縁膜上のメタル配線部を除去する工程と、研磨処理して層間絶縁膜中のコンタクトプラグ先端のエッジ部に丸みのある形状を形成する工程と、層間絶縁膜を除去する工程と、ＳＥＭ観察によりコンタクトプラグのコントラストの差を確認して不良箇所を特定する工程からなる不良箇所特定方法を提供するものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
この発明の不良箇所特定用試料の作成方法は、半導体集積回路の層間絶縁膜上のメタル配線部を除去する工程と、除去した後を研磨処理する工程と、層間絶縁膜を部分的に除去する工程とからなることを特徴とする。
研磨処理工程は、層間絶縁膜中のコンタクトプラグ先端のエッジ部を丸みを帯びた形状とする工程を含んでもよい。コンタクトプラグとは、例えば、ゲートコンタクトプラグや拡散層コンタクトプラグである。
層間絶縁膜を除去する工程は、層間絶縁膜をその膜厚の半分程度除去する工程であってもよい。
【００１０】
さらに、この発明の不良箇所特定方法は、半導体集積回路の層間絶縁膜上のメタル配線部を除去する工程と、研磨処理して層間絶縁膜中のコンタクトプラグ先端のエッジ部に丸みのある形状を形成する工程と、層間絶縁膜を除去する工程と、ＳＥＭ観察によりコンタクトプラグのコントラストの差を確認して不良箇所を特定する工程からなることを特徴とする。
【００１１】
不良箇所を特定する工程は、コントラスト差を確認した後、コントラスト差に違いが認められる領域を傾斜させＳＥＭ観察により不良箇所を特定する工程を含んでもよい。
研磨処理には市販のポリッシングクロスとコロイダルシリカを用いることができる。
【００１２】
実施例
図面に示す実施例に基づいてこの発明を詳述する。これによってこの発明が限定されるものではない。
不良箇所特定用試料の作成手順を説明する。
対象とする試料（半導体集積回路）について、まず、ゲート上のメタル配線部を除去する。この除去はウエット，ドライもしくは研磨のいずれの方法を用いても良い。図１は上記のようにメタル配線部を除去した後の試料９の要部断面図である。
【００１３】
図１に示すように、試料９は、基板１００の上に、ゲートコンタクトプラグ１，ゲート２，ゲート酸化膜３，拡散層コンタクトプラグ４，層間膜５が設けられ、層間膜表面６，コンタクトプラグエッジ部７を有している。
【００１４】
次に、図２に示す研磨装置を用いて研磨処理を行う。この研磨処理は研磨剤が研磨シート側に接着されている研磨シートは使用せず、ポリッシングクロス１０とコロイダルシリカ１２（例えば粒径０．０５μｍのものを使用）による研磨方法を用いる。
【００１５】
この研磨処理では、まず、回転式の研磨ステージ１１にポリッシングクロス１０を取り付ける。このポリッシングクロス１０の表面には柔らかい凸部の毛足が無数にある構造となっている。
【００１６】
次に、試料ホルダー８に試料９を取り付けて矢印Ａ方向に下降させ、ポリッシングクロス１０へ接触させる。この状態で図３に示すように外部よりコロイダルシリカ１２をポリッシングクロス１０の上へ供給しながら、試料ホルダー８とポリッシングクロス１０をそれぞれ矢印Ｂ，Ｃ方向に回転させる。それにより、ポリッシングクロス表面の毛足に保持されたコロイダルシリカ１２が試料表面を研磨する。
【００１７】
研磨剤としてのコロイダルシリカ１２は、研磨シートのように表面に固定されておらず、ポリッシングクロス上を自由に移動することができ、研磨対象物の硬度差による研磨量の差が比較的生じやすい。そのため、試料９表面の層間膜より若干コンタクトプラグ先端が突出した形状で、更にそのコンタクトプラグ先端のエッジ部分の角を取り適度に丸みを帯びた形状とすることが容易に可能となる。この時の研磨量については、０．１μｍ以下程度でよい。
【００１８】
従って、この研磨処理では精度の高い研磨量の管理を必要とせず、また、約５分程度の短時間で研磨処理を終了するため、作業効率を低下させることもない。更に図２のような研磨装置は近年、ＳＥＭ同様、広く普及しておりその構造上、例えばＦＩＢ装置より非常に安価な装置であることは言うまでもない。
【００１９】
次に、層間膜のみを選択的に例えばＨＦ溶液でエッチングすることでコンタクトプラグのおおよそ半分程度を露出させる。この時も微妙なエッチング量の管理は必要とせず、大まかなエッチング処理で良い。図４は、以上のようにして作成した不良箇所特定用試料の要部断面を示す。
【００２０】
この発明は次に説明するように、この不良箇所特定用試料の表面をＳＥＭで観察しそのコントラストで不良箇所を特定するものである。処理された試料において、コンタクトプラグエッジ部７は図４に示すように丸みを帯びた形状となっており、また、層間膜の表面６は各コンタクトプラグ先端より十分に低い位置関係となっている。
【００２１】
この表面をＳＥＭで観察すると、ゲート酸膜３や拡散層コンタクトプラグ４に欠陥が発生していない場合には、図５に示すようにゲートコンタクトプラグ１の表面のコントラスト１６は、フローティングとなっていることから、使用される材質の原子番号効果とチャージアップによる２次電子放出効率の低下により、暗いコントラストとなる。
【００２２】
また、図５に示すように、拡散層コンタクトプラグ４の表面のコントラスト１５はエッジ効果が顕著に現れ、リング状に明るいコントラストとなる。このエッジ効果は平面より曲面に電子が照射された方がより多くの２次電子が放出される為、エッジ部の丸みを帯びた形状が大きな効果を発揮することとなる。
【００２３】
更に研磨処理で表面の凹凸が軽減された層間膜表面６が、観察される各コンタクトプラグ先端の表面位置より十分に低いところにあるため、照射電子の浸入深さを浅く、かつ焦点深度を浅くしてＳＥＭ観察することにより、層間膜表面６のチャージアップ効果は大きく軽減され、高感度にコントラスト像を得ることができる。従って、よりコントラスト差がはっきりとし、不良箇所の特定が容易となる。
【００２４】
ここで比較のために図１に示す試料を用いる。この試料では、コンタクトプラグ先端エッジ部７は全く丸みを帯びておらず、またプラグ表面には凸凹が存在し、これらの形状は各コンタクトプラグにより異なり一定ではない。更に層間膜５のエッチングが不足した状態であり、表面６には凸凹が存在する。
【００２５】
この状態でこの試料をＳＥＭ観察すると、図８に示すように、ゲートコンタクトプラグ１のコントラスト２１および拡散層コンタクトプラグ４のコントラスト２０は、いずれも表面の凹凸形状の影響を大きく受け、２次電子の放出量が多くなる。そのため、全体的に明るくなるが、その明るさは、各コンタクトプラグの凹凸形状が互いに異なるので、一定ではない。
【００２６】
更にＳＥＭ側の観察条件を調整しても各コンタクトプラグ先端表面と層間膜の表面が比較的近い位置にあるため、層間膜表面の凹凸より生じるコントラストも同時に観察されることとなり、コントラスト差による不良箇所の特定は非常に困難となる。
【００２７】
次に、この発明により作成した不良箇所特定用試料に不良（欠陥）が発生している場合の各コンタクトプラグ表面のコントラストについて説明する。図６に示すように、ゲート酸化膜欠陥１３によりゲート２と基板１００がリークしている場合、図７に示すようにゲートコンタクトプラグ１の表面のコントラスト１７は、基板と導通が取れることより、プラグ周辺がリング状に明るいコントラストへと変化する。従って、このコントラストの変化でリークしているゲート２を特定することができる。
【００２８】
また、図６に示すように、拡散層コンタクトプラグ４に欠陥１４が発生してオープンに近い高抵抗となっている場合には、正常なゲートコンタクトプラグ１と同様にプラグ４は表面が暗いコントラスト１８を示す。
【００２９】
従って、拡散層コンタクトプラグ４のオープン不良箇所を特定することができる。このようにこの発明の方法を用いることにより高感度に精度良くゲート酸化膜部のリーク不良箇所及び拡散層コンタクトプラグのオープン不良箇所の双方の特定ができる。
【００３０】
上述の方法を用いた場合に、そのリーク量や抵抗値が小さいため、異常コントラスト差が小さく、判断が難しい場合には、試料を傾斜（３０°程度）して観察する。それにより、コントラスト差が生じる箇所の観察領域が図９のように増大し、更に異常箇所の判断が容易となる。上記試料の作成方法において研磨処理後に層間膜をエッチングし、ある程度コンタクトプラグを露出させるのはこの効果ももたらすこととなる。尚、観察の最初から試料を傾斜させると、広範囲にピントを合わせた状態での観察は不可能となり、作業効率が大きく低下する。
【００３１】
【発明の効果】
この発明によれば、半導体集積回路の表面のメタル配線部を除去した後に研磨処理と層間絶縁膜の除去処理を行うだけで、ＳＥＭを用いて高感度に効率良く不良箇所の特定を行うことができる
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る試料の要部断面図である。
【図２】この発明に係る研磨装置の構成説明図である。
【図３】図２の要部拡大図である。
【図４】この発明に係る処理後の試料の要部断面図である。
【図５】図４に示す試料をＳＥＭで観察した場合のコントラストを示す説明図である。
【図６】欠陥を有する試料をこの発明の方法で処理した場合の断面図である。
【図７】図６に示す試料をＳＥＭで観察した場合のコントラストを示す説明図である。
【図８】図１の試料をＳＥＭで観察した場合のコントラストを示す説明図である。
【図９】図４に示す試料を傾斜させてＳＥＭで観察した場合のコントラストを示す説明図である。
【符号の説明】
１  ゲートコンタクトプラグ
２  ゲート
３  ゲート酸化膜
４  拡散層コンタクトプラグ
５  層間膜
６  層間膜表面
７  コンタクトプラグエッジ部
８  試料ホルダー
９  試料
１０  ポリッシングクロス
１１  研磨ステージ
１２  コロイダルシリカ
１３  ゲート酸化膜欠陥箇所
１４  拡散層コンタクトプラグの欠陥箇所
１５  拡散層コンタクトプラグの表面のコントラスト
１６  ゲートコンタクトプラグの表面のコントラスト
１７  欠陥部のゲートコンタクトプラグの表面のコントラスト
１８  欠陥部の拡散層コンタクトプラグの表面のコントラスト
１９  傾斜観察時の拡散層コンタクトプラグのコントラスト
１００  基板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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