(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に絶縁膜と電極からなる半導体素子を複数有する半導体装置の評価方法であって、
前記評価は、前記半導体素子に電流を印加することにより生じる絶縁膜の絶縁破壊を検出することによって行われ、
前記絶縁破壊の検出は、半導体基板表面を複数の半導体素子を含む複数の測定領域に分け、該複数の測定領域においてそれぞれ行われ、かつ、各測定領域において、測定領域内に流れる電流値が常時同一値となるように電流を印加して行われ、ならびに、
前記絶縁破壊の検出を、既に絶縁破壊の検出が行われた測定領域に含まれていた半導体素子を含む測定領域において行う、前記方法。
【請求項２】
前記絶縁破壊の検出が行われた測定領域に含まれていた半導体素子に含まれる絶縁膜は絶縁破壊している、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
半導体基板上に絶縁膜と電極からなる半導体素子を複数有する半導体装置からなる半導体装置のロットを準備する工程と、
前記ロットから少なくとも１つの半導体装置を抽出する工程と、
前記抽出された半導体装置を評価する工程と、
前記評価により良品と判定された半導体装置と同一ロット内の他の半導体装置を製品装置として出荷することを含む、半導体装置の製造方法であって、
前記抽出された半導体装置の評価を、請求項１または２に記載の方法によって行う、前記方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板上に絶縁膜と電極からなる半導体素子を有する半導体装置の評価方法に関し、より詳しくは、絶縁膜の絶縁破壊を迅速に精度よく評価し得る半導体装置の評価方法に関する。更に、本発明は、前記評価方法を用いる半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＭＩＳ(Metal-Insulator-Semiconductor)構造を有するＬＳＩの高集積化に伴い、絶縁膜に要求される信頼性は高くなっている。絶縁膜の信頼性評価法としては、ＴＺＤＢ(Time Zero Dielectric Breakdown)法、ＴＤＤＢ(Time Dependence Dielectric Breakdown)法などが広く用いられている。また、絶縁膜の寿命の評価には、ＴＤＤB法が用いられている。
【０００３】
以下に、一般的な絶縁膜（酸化膜）の信頼性評価法を示す。
半導体基板上に酸化膜を成膜する。その上に不純物をドープした多結晶シリコンや金属膜を堆積し、フォトリソグラフィおよびエッチングにより電極を形成する。上記工程により基板上に多数のＭＩＳキャパシタが作製される。このＭＩＳキャパシタを用いて絶縁膜の寿命の評価を、次のように行うことができる。まず、各素子に電流を印加し、各素子の電極と基板の間の電圧をモニターする。ここで、酸化膜の絶縁破壊が発生すれば、急激に印加電圧の絶対値が減少するので、この電圧値の減少により、絶縁膜の寿命を評価することができる。
【０００４】
上記絶縁破壊は統計的な現象であるので、信頼性あるデータを得るためには、多数の素子の測定が必要となる。また、ウェーハ全体の品質を評価するためにもウェーハ上の多数の素子の評価が必要となる。しかし、このように多数の素子の品質評価を行う場合、一素子ずつ評価すると、測定時間が莫大なものとなり現実的ではない。そこで、複数の素子を同時に測定することが提案されている。
【０００５】
例えば、特許文献１には、定電圧ストレスＴＤＤＢ試験により、ウェーハレベルで多数の素子を同時に測定するために、１個の電源を使用し多数の素子に定電圧ストレスを印加することが開示されている。
【０００６】
一方、試験中、絶縁膜に一定のストレスが印加される定電流ストレス法で、ウェーハレベルで多数の素子を同時に評価することも提案されている。例えば、特許文献２には、１個の電源を使用し素子を直列に接続する方法が開示されている。また、非特許文献１には、多数のプローブを用意して、それぞれのプローブに電源、電流計を取り付けた装置を用いて一度に多数のサンプル素子にプローブする方法が開示されている。
【特許文献１】特開２００１−１２７１２６号公報
【特許文献２】特開平５−３３５３９６号公報
【非特許文献１】T.Hori Gate Dielectrics and MOS ULSI spriger P178
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載の方法では、界面準位にトラップされた電荷等の影響で絶縁膜にかかる電圧ストレスが変動するため、信頼性に劣るという問題がある。
また、特許文献２に記載の方法では、１素子あたり１０Ｖ以上の電圧を印加する必要があるので、例えば１０個程度のサンプルを接続しただけでも数百Ｖの電圧が必要となり、長時間ストレスを印加することは、環境安全上、好ましくない。しかも、この方法では、電源の制約により測定素子数を増やすことは難しい。
【０００８】
また、非特許文献１に記載の方法では、測定系全体で流れる電流密度が大きくなると、特にウェーハ基板やウェーハステージの寄生抵抗による電圧降下が無視できなくなる。また、例えば３００ｍｍφ以上の大口径ウェーハでは、数百数千にわたる多数のプローブ針を互いに接触させることなく同時にウェーハ全面の評価素子に当てることは幾何学的に困難であるため、ウェーハ全面にプローブすることが難しくなる。しかも、プローブ１個からウェーハが受ける応力は２０〜５０ｇ程度になるので、仮に１０００点同時にプローブするとウェーハが受ける応力は、２０〜５０ｋｇとなり、ウェーハや測定装置に悪影響を与えるおそれもある。また、ウェーハ全面を何回かに分けてプローブする場合は、ウェーハ中心付近をプローブする場合と、ウェーハ周辺部をプローブする場合を比べると、不形成チップなどのために、ウェーハ周辺部をプローブするときの方が一回の測定で評価する素子数が少なくなる。そのために、ウェーハ周辺部の評価を行う際は系全体で流れる電流が小さくなる。この電流値の違いにより基板の電位がプローブ箇所により異なるため、絶縁破壊を起こした時の電圧降下量がウェーハ面内で異なることになる。通常、絶縁破壊は電圧をモニターして、電圧がある一定量以上変化したことによって検出するので、ウェーハ面内で電圧の変化量が異なると、絶縁破壊の正確な検出は困難となる。
【０００９】
かかる状況下、本発明の目的は、半導体基板上の絶縁膜の信頼性評価を正確かつ迅速に行う手段を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成する手段は、以下の通りである。
[１] 半導体基板上に絶縁膜と電極からなる半導体素子を複数有する半導体装置の評価方法であって、
前記評価は、前記半導体素子に電流を印加することにより生じる絶縁膜の絶縁破壊を検出することによって行われ、
前記絶縁破壊の検出は、半導体基板表面を複数の半導体素子を含む複数の測定領域に分け、該複数の測定領域においてそれぞれ行われ、かつ、各測定領域において、測定領域内に流れる電流値が常時同一値となるように電流を印加して行われ、ならびに、
前記絶縁破壊の検出を、既に絶縁破壊の検出が行われた測定領域に含まれていた半導体素子を含む測定領域において行う、前記方法。
[２] 前記絶縁破壊の検出が行われた測定領域に含まれていた半導体素子に含まれる絶縁膜は絶縁破壊している、[１]に記載の方法。
[３] 半導体基板上に絶縁膜と電極からなる半導体素子を複数有する半導体装置からなる半導体装置のロットを準備する工程と、
前記ロットから少なくとも１つの半導体装置を抽出する工程と、
前記抽出された半導体装置を評価する工程と、
前記評価により良品と判定された半導体装置と同一ロット内の他の半導体装置を製品装置として出荷することを含む、半導体装置の製造方法であって、
前記抽出された半導体装置の評価を、[１]または[２]に記載の方法によって行う、前記方法。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、半導体基板上の複数の半導体素子の評価を迅速かつ正確に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明について更に詳細に説明する。
本発明は、
半導体基板上に絶縁膜と電極からなる半導体素子を複数有する半導体装置の評価方法であって、
前記評価は、
前記半導体素子に電流を印加することにより生じる絶縁膜の絶縁破壊を検出することによって行われ、
前記絶縁破壊の検出は、
半導体基板表面を複数の半導体素子を含む複数の測定領域に分け、該複数の測定領域においてそれぞれ行われ、かつ、
各測定領域において、測定領域内に流れる電流値が常時同一値となるように電流を印加して行われる、前記方法
に関する。
【００１３】
本発明では、同一基板上の複数の半導体素子における絶縁膜の絶縁破壊の検出を、半導体基板表面を複数の半導体素子を含む複数の測定領域に分け、該複数の測定領域においてそれぞれ行う。このように同時に複数の素子における絶縁膜の絶縁破壊の検出を行うことにより、迅速な評価が可能となる。
更に、本発明では、複数の測定領域において順次絶縁破壊の検出を行うにあたり、各測定領域において、測定領域内に流れる電流値が常時同一値となるように電流を印加する。即ち、本発明では、複数の素子に同時に電流ストレスを印加する際に、評価中に絶縁破壊を起こした素子に対しても、電流を印加し続ける。また、測定領域内に含まれる素子数が異なる場合でも、領域内に流れる電流値が同一となるように電流を印加する。
絶縁破壊を起こした素子への電流ストレス印加を絶縁破壊発生直後に逐次止めると、それにより測定系全体に流れる電流値が絶縁破壊前後で変化することになる。この系全体での電流値の変化は、寄生抵抗を介して、素子の電極と基板の間の電位差として測定される電圧値の変動をもたらす。さらに、寄生抵抗自体が電流値に対して定数になっていないため、一素子ずつ評価する場合と比べて絶縁破壊前後の電圧の変化量が、系全体に印加される電流値に依存する。そのために、系全体に流れる電流値が大きくなると、絶縁破壊時の電流降下がはっきり現れず、絶縁破壊の判定が困難となる。
また、基板上の不良素子の分布を評価するために、基板全面で素子の評価を行う場合、基板中心部では、プローブカードの針すべてに素子をプローブすることができるのに対し、基板周辺部では、不形成の素子等のために、一度にプローブできる素子数が中心部より少なくなる。この場合、各素子に流す電流を一定とすると、系全体に流れる電流値は部位ごとに異なるため、絶縁破壊を起こした時の電圧降下量が面内で異なることになる。前述のように、通常、絶縁破壊は電圧をモニターして、電圧がある一定量以上変化したことによって検出するので、面内で電圧の変化量が異なると、絶縁破壊の正確な検出は困難となる。
それに対し、本発明では、各測定領域において、測定領域内に流れる電流値が常時同一値となるように電流を印加する。これにより、前述の問題なく、絶縁膜の絶縁破壊を正確に検出することが可能となる。
【００１４】
前記半導体装置は、半導体基板上に絶縁膜と電極からなる半導体素子を複数有するものである。前記半導体基板は、例えばシリコンウェーハであり、前記絶縁膜は酸化膜であることができる、また、前記電極は、半導体基板上の絶縁膜上に多結晶シリコンや金属膜を形成し、これをフォトリソグラフィおよびエッチングすることにより形成することができる。このような半導体装置の概略断面図を図１に示す。前記半導体装置は、具体的には、シリコンウェーハ上に複数のＭＩＳキャパシタを有する半導体装置であることができる。絶縁膜、電極の厚さ等は特に限定されず、適宜設定することができる。
【００１５】
本発明では、前記半導体装置において、半導体素子に電流を印加することによって生じる絶縁膜の絶縁破壊を検出することにより、半導体装置の評価を行う。半導体素子に電流を流し続け、時間に対する電圧値の変化をモニターすると、ある段階で電圧値の急激な低下が観察される。これは絶縁膜が絶縁破壊した（絶縁膜が破壊され導電性となった）ことを示す。絶縁破壊に至るまでの時間が長いほど絶縁膜の耐久性が高く信頼性に優れること、即ち半導体装置の耐久性および信頼性が高いことを意味する。
【００１６】
前記絶縁破壊の検出は、半導体基板表面を複数の半導体素子を含む複数の領域に分け、該複数の領域においてそれぞれ行われる。そして、各領域において、測定領域内に流れる電流値が常時同一値となるように電流を印加し、各素子における絶縁破壊の検出を行う。ここで、「測定領域内に流れる電流値が常時同一値となる」とは、各領域に含まれる素子の数によらず、また電流印加開始後は各素子での絶縁破壊の発生の有無に関わらず同一値であることをいう。
【００１７】
本発明では、絶縁破壊検出に際し、測定領域内に流れる電流値を常時同一値とするために、以下の手段をとることができる。
（１）通常、１素子ずつ評価を行う場合は、絶縁破壊を起こした時点で素子に電流印加を止める（例えばSEMI M60:TEST METHOD FOR TIME DEPENDENT Dieelectric Breakdown characteristics of SiO2 films for Si wafer evaluation参照）。しかし、多数の素子で評価を行う場合は、その測定領域内で絶縁破壊を起こした素子に対しても電流を流し続ける。絶縁破壊を起こした素子に対して電流印加を止めると、他の絶縁破壊を起こしていない素子においては、その電流の変化が寄生抵抗を介して影響し、絶縁破壊時に素子の電極と基板の間の電位差として測定される電圧値の変動をもたらす。そこで、絶縁破壊を起こした素子に対しても電流印加を続けることにより、寄生抵抗を介して、素子の電極と基板の間の電位差として測定される電圧値が変動することを回避することができる。また、複数の素子の測定を行うため、１素子ずつ評価を行う場合と比較して、系全体に流れる電流値が大きくなる。電圧・電流特性の非線形性により、絶縁破壊前後の電圧値の変化量と電圧値自体の比が小さくなる。そのために、絶縁破壊時の電圧降下が１素子の場合と比較するとはっきりと現れにくい。上記のように測定中、絶縁破壊したサンプルに対して絶縁破壊後、直ちに印加電流を止めると、その分、測定系全体の電流が小さくなる。その電流の変化が寄生抵抗を通じて、基板電位の変化をもたらす。この基板電位の変化等と上記の絶縁破壊前後の電圧値の変化量と電圧値自体の比が小さくなることと相まって、印加電流絶縁破壊の判定が困難となる。そこで、多数の素子で評価を行う場合、測定領域内で絶縁破壊を起こした素子に対しても電流を流し続けることにより、印加電流を止めることによる寄生抵抗を通じての基板電位の変化を回避することができ、絶縁破壊の正確な検出が可能となる。
（２）各測定領域に含まれる測定対象となる素子数が各領域間で同一の場合には、各素子に同一電流を流す。また、各測定領域に含まれる測定対象となる素子数が各領域間で異なる場合には、各領域全体で同一電流が流れるように、各素子に印加される電流を調整する。これにより、各測定領域間において、各領域内全体に流れる電流値を同一値とすることができる。
（３）例えば、前述のように、ウェーハ中心部と周辺部では、プローブ可能な素子数が異なるため、測定領域内に含まれる測定対象となる素子数が異なる。このように、測定領域によって領域内に含まれる測定対象となる素子数が異なる場合には、各素子に同一電流を流すと、系全体に流れる電流値は相違してしまう。この場合には、測定対象となる素子数の少ない測定領域に、既に絶縁破壊の検出が行われた領域内に含まれていた半導体素子の一部を含める。このように、既に絶縁破壊検出が行われ、絶縁破壊している素子（絶縁破壊済素子）を含めることにより、測定対象の素子には同一電流を流しつつ、絶縁破壊済素子に流す電流を調整することにより、同一条件で絶縁破壊の検出を行いつつ、測定領域内に流れる電流値を同一値とすることができる。
なお、本発明において、測定領域に含まれる測定対象となる素子数および絶縁破壊済素子数は基板の大きさや基板上の全素子数等に応じて適宜決定すればよい。前記評価方法は複数の素子の評価を迅速かつ正確に行うことができるため、特に、面内に多数の素子（例えば７００個以上）を含む大口径ウェーハにおける評価に好適である。また、測定対象の素子に流す電流および測定領域内に流れる合計電流値は、所望の品質等に応じて適宜設定することができる。電流の印加は、各素子を並列に接続して行うことができる。
【００１８】
本発明は更に、
半導体基板上に絶縁膜と電極からなる半導体素子を複数有する半導体装置からなる半導体装置のロットを準備する工程と、
前記ロットから少なくとも１つの半導体装置を抽出する工程と、
前記抽出された半導体装置を評価する工程と、
前記評価により良品と判定された半導体装置と同一ロット内の他の半導体装置を製品装置として出荷することを含む、半導体装置の製造方法であって、
前記抽出された半導体装置の評価を、本発明の半導体装置の評価方法によって行う、前記方法
に関する。
【００１９】
前述のように、本発明の半導体装置の評価方法によれば、複数の素子における絶縁膜の絶縁破壊を迅速かつ正確に行うことができる。よって、かかる評価方法により、良品と判定された半導体装置と同一ロット内の半導体基板を製品装置として出荷することにより、高品質な製品装置を高い信頼性をもって提供することが可能となる。なお、良品と判定する基準は、半導体装置の用途等に応じて求められる物性（絶縁破壊時間等）を考慮して設定することができる。
【実施例】
【００２０】
以下、本発明を実施例に基づき更に説明する。但し、本発明は実施例に示す態様に限定されるものではない。
[実施例]
１．半導体装置の作製
直径１５０ｍｍ、Ｐ型（ボロンドープ）のシリコンウェーハをＲＣＡ洗浄した後、酸化温度８５０℃で熱酸化膜（膜厚：約１００Å）を形成した。その上に、多結晶ＳｉをＣＶＤ法によって５０００Å堆積させ、リンドープした後、フォトリソグラフィによりレジストパターンを多結晶Ｓｉ上に作製し、ドライエッチングにより多結晶Ｓｉをパターニングし、レジスト除去を行った。その後、裏面の酸化膜を除去した。こうして面内に144個の半導体素子を有する半導体装置を得た。
【００２１】
２．絶縁破壊の検出
１．で得た半導体装置上の半導体素子の配置を図２（ａ）に示す。図２（ａ）において、１セルが１素子に対応する。測定には、縦７ピン×横７ピンを配置したプローブカードを使用した。この半導体装置において、まず、図２（ｂ）において太線で囲んだ領域それぞれにおいて、１素子に１ｍＡの電流を印加し、絶縁破壊の検出を行った。この領域内には４３個の素子があるために、この領域に流れる電流は、合計電流は４３ｍＡとなる。
次いで、図２（ｃ）において太線で示す領域において、絶縁破壊の検出を行った。図２（ｃ）中、太線内の斜線で示すセルは、既に絶縁破壊の検出が行われた素子、即ち絶縁破壊済素子を示す。図２（ｃ）中の太線で囲んだ各領域において、白抜きセルで示す素子に対しては、１ｍＡの電流を印加し、各絶縁済素子についても印加する電流量を例えば、各素子に１ｍＡと調整することにより、測定領域内に流れる合計電流を４３ｍＡとして絶縁破壊の検出を行った。
また、図２（ｄ）において太線で示す領域において、絶縁破壊の検出を同様に行った。図２（ｄ）中、太線内の斜線で示すセルは、既に絶縁破壊の検出が行われた素子、即ち絶縁破壊済素子を示す。図２（ｄ）中の太線で囲んだ各領域において、白抜きセルで示す素子に対しては、１ｍＡの電流を印加し、各絶縁済素子についても印加する電流量を例えば、各素子に１ｍＡと調整することにより、測定領域内に流れる合計電流を４３ｍＡとして絶縁破壊の検出を行った。
さらに、図２（ｅ）において太線で示す領域において、絶縁破壊の検出を同様に行った。図２（ｅ）中、太線内の斜線で示すセルは、既に絶縁破壊の検出が行われた素子、即ち絶縁破壊済素子を示す。図２（ｅ）中の太線で囲んだ各領域において、白抜きセルで示す素子に対しては、１ｍＡの電流を印加し、各絶縁破壊済素子についても印加する電流量を例えば、各素子に１ｍＡと調整することにより、測定領域内に流れる合計電流を４３ｍＡとして絶縁破壊の検出を行った。
得られた時間に対する電圧値の変化を図３を示す。
【００２２】
[比較例１]
１．で得た半導体装置において、面内の全素子について、図４に示すように１素子ずつ1ｍＡの電流ストレスを順次印加し、絶縁破壊の検出を行った。時間に対する電圧値の変化を図５に示す。
【００２３】
[比較例２]
１．で得た半導体装置において、図６に示すように、各素子に１ｍＡの電流ストレスを印加し、面内全素子について同時に絶縁破壊の検出を行った。ただし、実施例における絶縁破壊検出と異なり、一度絶縁破壊したサンプルには再度電流を流すことはしなかった。比較例２における時間に対する電圧値の変化を図７に示す。
【００２４】
図３、図５において、時間に対して電圧が急激に変化している時間が絶縁破壊の時間となる。図３と図５を比較すると、電位が図５の方が高い。これは、面内全素子同時に評価を行った場合には、１素子ずつ評価を行った場合と比べて系全体で流れる電流値が大きいため、寄生抵抗による電圧上昇のため、基板電位が高くなったためである。
図５と図７を比較すると、図７では酸化膜が絶縁破壊した後の電圧のばらつきが大きいため、判定条件や酸化膜厚、一回の測定における測定素子数等によっては誤判定を起こしやすいと考えられる。
それに対し、図３では、図５、７と比較すると電圧自体は高くなっているが、電圧の素子間のばらつきが１素子ずつ測定する場合より若干大きいものの、図７より小さく、絶縁破壊の検出を正確に行うことができる。
以上の結果から、本発明によれば、１素子ずつ測定する場合と遜色のない感度で、複数の素子の絶縁破壊の検出を行うことができることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明によれば、ＭＩＳ構造を有するＬＳＩにおける絶縁膜の絶縁破壊を迅速かつ正確に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】半導体装置の概略断面図である。
【図２】実施例における測定領域の説明図である。
【図３】実施例で得られた時間に対する電圧値の変化を示す。
【図４】比較例１における電流印加の説明図である。
【図５】比較例１における時間に対する電圧値の変化を示す。
【図６】比較例２における電流印加の説明図である。
【図７】比較例２における時間に対する電圧値の変化を示す。
【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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