(57)【要約】【課題】能動素子において、被評価絶縁膜が半導体素子に与える影響を容易に評価する方法および評価に用いるテスト素子を提供する。【解決手段】逆バイアスの電圧Ｖｋを印加しても、ＰＮ接合には電流は流れない。ゲート電圧Ｖｇを印加すると、絶縁膜３４〜３６に電界が発生し、ＰＮ接合の空乏層が外側に延びる現象が生じ、ＰＮ接合には逆方向電流Ｉｋが流れる。ゲート電圧Ｖｇを掃引印加し、Ｉ−Ｖ特性を取得する。  既知材料Ａで絶縁膜３４〜３６を形成したテスト素子と、新材料Ｂで絶縁膜３４〜３６を形成したテスト素子を製作する。材料Ａと材料ＢとのＩ−Ｖ特性を比較する。一般に、電流変化が少ない方が、安定的で優れた材料であると評価できる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体材料を含む基板に設けられた第１電極と、該第１電極の上部に設けられた第２電極と、該第１電極と該第２電極との間に形成されたＰＮ接合部と、該第２電極の外部端子に至る導体部周囲を覆うように設けられた、被評価絶縁膜を含む絶縁層と、前記被評価絶縁膜を介して、前記ＰＮ接合部の周辺部に電圧を印加する第３電極とを備えるテスト素子を用いた絶縁膜評価方法であって、
前記第２電極から前記ＰＮ接合部に一定の逆バイアス電圧を印加する逆バイアス電圧印加ステップと、
前記第３電極から前記ＰＮ接合部の周辺部に電圧を掃引印加する掃引電圧印加ステップと、
掃引印加によりＰＮ接合部に流れる電流を測定する電流測定ステップと、
掃引電圧と測定電流との関係に基づいて前記被評価絶縁膜の電気的特性を取得する電気的特性取得ステップと
を備えることを特徴とする絶縁膜評価方法。
【請求項２】
前記被評価絶縁膜の材料が異なる複数の素子を製作するテスト素子製作ステップと、
材料ごとに前記電気的特性を取得し、該電気的特性を比較する比較ステップと
を備えることを特徴とする請求項1記載の絶縁膜評価方法。
【請求項３】
前記掃引電圧印加ステップは、増加掃引ステップと減少掃引ステップとを有する
ことを特徴とする請求項1記載の絶縁膜評価方法。
【請求項４】
半導体材料を含む基板に設けられた第１電極と、該第１電極の上部に設けられた第２電極と、該第１電極と該第２電極との間に形成されたＰＮ接合部と、該第２電極の外部端子に至る導体部周囲を覆うように設けられた、被評価絶縁膜を含む絶縁層とを備えたテスト素子であって、
前記被評価絶縁膜を介して、前記ＰＮ接合部の周辺部に電圧を印加する第３電極
を備えることを特徴とするテスト素子。
【請求項５】
前記第３電極は、前記被評価絶縁膜と同層以上に設けられる
ことを特徴とする請求項４記載のテスト素子。
【請求項６】
前記第３電極は、前記第２電極の導体部周囲で、かつ、前記ＰＮ接合部周辺部に対応して前記ＰＮ接合部の上部に設けられる
ことを特徴とする請求項４記載のテスト素子。
【請求項７】
前記第３電極は、前記ＰＮ接合部の上部に、前記ＰＮ接合部端部を跨ぐように設けられる
ことを特徴とする請求項４記載のテスト素子。
【請求項８】
前記第３電極は、略リング形状である
ことを特徴とする請求項４記載のテスト素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体素子に用いる絶縁膜の評価方法および評価に用いるテスト素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の革新的な高性能化を推進するためには、新しい材料の開発が不可欠である。新規に開発された材料は、それが優れたものであるか否かの評価が不可欠である。このような評価は各種の方法を用いて行われるが、その評価方法は、実際に1層あるいは多層配線構造を試作して、配線間の容量や耐圧特性を測定して評価する方法がよく知られている。
【０００３】
半導体装置において、その構成上、絶縁膜の電気的特性が半導体装置の特性に与える影響は大きく、最終的には、半導体素子に対する影響を確認しなければ実用化はおぼつかない。特に、半導体装置の高性能化に伴い、配線部分の遅延を防止するために、層間絶縁膜の低誘電率化が求められている。そのために、これまでにない新材料による層間絶縁膜が必須となっている。しかし、その材料候補は膨大であり、各材料の特性を迅速に評価し、最適な材料を選択することは難しい。そこで、なるべく費用や時間をかけず、絶縁膜を構成する材料の特性を容易に評価する方法が求められている。
【０００４】
ところで、非特許文献１には、多層配線構造のみを用いて、層間絶縁膜を構成する材料の誘電率や絶縁耐圧やリーク電流値等を測定し、その測定結果から材料を評価することが可能であることが示唆されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】滝本嘉夫、「ＴＥＧから学ぶ半導体評価の基礎」、電子材料、Ｖｏｌ．４７，Ｎｏ．６，ｐｐ．８９‐９５，２００８．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
非特許文献１記載の従来技術は、受動素子にかかるものであり、その構造にトランジスタやダイオードの様な能動素子を有していないので、絶縁膜を構成する材料が半導体素子の電気的特性に与える影響を評価することは出来ない。
【０００７】
なお、上述の通り、評価材料毎に実際に半導体装置を試作する事は、費用や時間の点で実行が困難である。
【０００８】
本発明は上記課題を解決しようとするものであり、ダイオードやトランジスタのような能動素子において、被評価絶縁膜が半導体素子に与える影響を容易に評価する方法および評価に用いるテスト素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明にかかる絶縁膜評価方法は、半導体材料を含む基板に設けられた第１電極と、該第１電極の上部に設けられた第２電極と、該第１電極と該第２電極との間に形成されたＰＮ接合部と、該第２電極の外部端子に至る導体部周囲を覆うように設けられた、被評価絶縁膜を含む絶縁層と、前記被評価絶縁膜を介して、前記ＰＮ接合部の周辺部に電圧を印加する第３電極とを備えるテスト素子を用いた絶縁膜評価方法であって、前記第２電極から前記ＰＮ接合部に一定の逆バイアス電圧を印加する逆バイアス電圧印加ステップと、前記第３電極から前記ＰＮ接合部の周辺部に電圧を掃引印加する掃引電圧印加ステップと、掃引印加によりＰＮ接合部に流れる電流を測定する電流測定ステップと、掃引電圧と測定電流との関係に基づいて前記被評価絶縁膜の電気的特性を取得する電気的特性取得ステップとを備える。
【００１０】
逆バイアス電圧印加だけでは、ＰＮ接合部に電流は流れない。第３電極からＰＮ接合部の周辺部への電圧印加により、ＰＮ接合部の空乏層が外側に延び、ＰＮ接合部に逆方向電流が流れる。掃引電圧と測定電流との関係（Ｉ−Ｖ特性）は、被評価絶縁膜の電気的特性を反映している。
【００１１】
さらに好ましくは、上記絶縁膜評価方法において、さらに、前記被評価絶縁膜の材料が異なる複数の素子を製作するテスト素子製作ステップと、材料ごとに前記電気的特性を取得し、該電気的特性を比較する比較ステップとを備える。
【００１２】
例えば、既知材料で絶縁膜を形成したテスト素子と、新規材料で絶縁膜を形成したテスト素子とを製作し、両者の電気的特性（Ｉ−Ｖ特性）を比較する。一般に、Ｉ−Ｖ特性の電流変化が少ないほど、安定的な優れた材料であると評価できる。
【００１３】
さらに好ましくは、前記掃引電圧印加ステップは、増加掃引ステップと減少掃引ステップとを有する。
【００１４】
増加掃引電圧印加によるＩ−Ｖ特性と、減少掃引電圧印加によるＩ−Ｖ特性とを比較することにより、絶縁膜材料の履歴依存性を評価できる。
【００１５】
上記課題を解決するため、本発明のテスト素子は、半導体材料を含む基板に設けられた第１電極と、該第１電極の上部に設けられた第２電極と、該第１電極と該第２電極との間に形成されたＰＮ接合部と、該第２電極の外部端子に至る導体部周囲を覆うように設けられた、被評価絶縁膜を含む絶縁層とを備えたテスト素子であって、前記被評価絶縁膜を介して、前記ＰＮ接合部の周辺部に電圧を印加する第３電極を備える。
【００１６】
第３電極から被評価絶縁膜を介するＰＮ接合部の周辺部への電圧印加により、ＰＮ接合部の空乏層が外側に延び、ＰＮ接合部に逆方向電流が流れる。
【００１７】
さらに好ましくは、前記第３電極は、前記被評価絶縁膜と同層以上に設けられる。
【００１８】
第３電極からの印加電圧による電界は、第３電極より下層に及ぶが、一部は同層の側面にも及ぶ。したがって、被評価絶縁膜は第３電極より下層にある（第３電極は被評価絶縁膜より上層にある）ことが好ましいが、同層であっても評価できる。
【００１９】
さらに好ましくは、前記第３電極は、前記第２電極の導体部周囲で、かつ、前記ＰＮ接合部周辺部に対応して前記ＰＮ接合部の上部に設けられる。
【００２０】
これにより、第３電極からＰＮ接合部の周辺部へ電圧を印加できる。
【００２１】
さらに好ましくは、前記第３電極は、前記ＰＮ接合部の上部に、前記ＰＮ接合部端部を跨ぐように設けられる。
【００２２】
これにより、第３電極からＰＮ接合部の周辺部へ、より効果的に電圧を印加できる。
【００２３】
さらに好ましくは、前記第３電極は、略リング形状である。
【００２４】
これにより、第３電極からＰＮ接合部の周辺部へ、より均一に電圧を印加できる。
【００２５】
上記テスト素子により容易に安定した精度の良い測定ができる。上記テスト素子は容易に製作できる。
【発明の効果】
【００２６】
能動素子において、被評価絶縁膜が半導体素子に与える影響を容易に評価できる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】テスト素子の断面図である（第１実施形態）。
【図２】テスト素子を製作するためのマスクのレイアウト図である。
【図３】テスト素子の動作を説明する図である。
【図４】絶縁膜のＩ−Ｖ特性を比較する図である（掃引印加増加）
【図５】絶縁膜のＩ−Ｖ特性を比較する図である（掃引印加減少）
【図６】従来技術の一例に係るテスト素子の断面図である。
【図７】テスト素子の断面図である（変形例）。
【図８】テスト素子の断面図である（第２実施形態）。
【図９】テスト素子を製作するためのマスクのレイアウト図である。
【図１０】テスト素子の断面図である（第３実施形態）。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
本発明の実施形態に関して図に基づいて説明する。
【００２９】
＜第１実施形態＞
〜構成〜
図１は第１実施形態にかかるテスト素子の断面図である。図２は、テスト素子を製作するためのマスクのレイアウト図である。
【００３０】
テスト素子は、Ｐ型Ｓｉ基板１１と、Ｎ型拡散層１２と、シリサイド層１４と、金属配線２１，２２，２３，４０と、酸化膜３１，３２と、保護膜３３，３７と、絶縁膜３４，３５，３６とを備えている。
【００３１】
Ｐ型Ｓｉ基板１１上にＮ型拡散層１２が形成され、Ｎ型拡散層１２端部にＰＮ接合が形成される。Ｎ型拡散層１２の表面は高濃度不純物を含むＮ＋層１３となっており、シリサイド層１４（ＮｉＳｉ）との間にオーミック接触を形成している。Ｐ型Ｓｉ基板１１の表面には薄い酸化膜３１（ＳｉＯ２）と素子分離用の厚い酸化膜３２が形成されている。酸化膜３１，３２の上に保護膜３３（Ｐ−ＳｉＯ）が形成され、保護膜３３にはコンタクト孔２４が形成され、コンタクト孔２４にはタングステン（Ｗ）が埋め込まれ、下層のシリサイド層１４と上層の金属配線２１を電気的に接続している。
【００３２】
Ｎ型拡散層１２は平面的に不純物拡散領域Ｎを形成し、酸化膜３２に囲まれた領域は素子分離領域Ｌを形成する。
【００３３】
保護膜３３の上には多層配線構造（金属配線２１，２２の２層配線、たとえばＣｕ）が形成されていて、金属配線２１，２２間は配線接続孔２５を介して電気的に接続されている。また、金属配線２１、配線接続孔２５、金属配線２２に対応して、３層の層間絶縁膜３４，３５，３６が形成されている。絶縁膜３４，３５，３６の上には保護膜３７とパッド引き出し用の金属配線２３(たとえばＡｌ)が形成されている。
【００３４】
酸化膜３２がＮ型拡散層１２周りに形成されるＰＮ接合の空乏層に接触しないように、素子分離領域Ｌと不純物拡散領域Ｎの間には1ｕｍ程度の間隔が形成される。この間隔により、安定した高感度の測定（後述）ができる。
【００３５】
さらに特徴的構成として、金属配線２２が配置される絶縁膜３６には、金属配線（ゲート電極）４０が配置される。ゲート電極４０は、略リング形状をしており、金属配線２２周囲で、かつ、Ｎ型拡散層１２の周辺部に対応してＮ型拡散層１２の上部に設けられる。リング形状により、ゲート電圧による電界を絶縁膜３４，３５，３６に均一に与えることができ、安定的な測定（後述）ができる。
【００３６】
特に、本実施形態では、ゲート電極４０はリング幅方向にＮ型拡散層１２端部を内外に跨ぐように設けられている。その結果、ゲート電極４０はＮ型拡散層１２端部を覆っている。言い換えると、Ｎ型拡散層１２端部から上方に延びる仮想線（図１破線）が、ゲート電極４０のリング幅方向の面と交差している。この構成により、ゲート電圧による電界を絶縁膜３４，３５，３６に効果的に与えることができ、安定的な測定（後述）ができる。
【００３７】
〜動作〜
図３は、本実施形態に係るテスト素子の動作を説明する図である。
【００３８】
まず、金属配線２３に、逆バイアスの電圧Ｖｋを印加する。このとき、逆バイアスであるため、ＰＮ接合には電流は流れない。
【００３９】
逆バイアスの電圧Ｖｋを印加した状態で、ゲート電極４０にゲート電圧Ｖｇを印加する。ゲート電圧印加により電界が発生し、デート電極４０直下および周辺の絶縁膜３４〜３６に電荷が捕獲あるいは放出され、ＰＮ接合の空乏層が外側に延びる現象が生じる。その結果、ＰＮ接合には逆方向電流Ｉｋが流れる。
【００４０】
ゲート電圧Ｖｇを掃引印加すると、電圧の増減に応じて、電流Ｉｋが変化する。ゲート電圧Ｖｇと電流Ｉｋの関係を測定し、このＩ−Ｖ特性を絶縁膜の電気的特性として取得する。
【００４１】
〜評価方法〜
本実施形態に係るテスト素子を用いた絶縁膜評価方法の一例ついて説明する。ここでは、保護膜３３，３７の材料特性は既知なものとし、絶縁膜３４，３５，３６を同じ材料で形成する。
【００４２】
まず、既知な材料Ａで絶縁膜３４，３５，３６を形成したテスト素子（以下、材料Ａ）と、新材料Ｂで絶縁膜３４，３５，３６を形成したテスト素子（以下、材料Ｂ）を製作する。
【００４３】
材料Ａと材料Ｂの電気的特性を取得し、両者を比較する（図４参照）。材料Ａにおいては、ゲート電圧Ｖｇが０〜８０Ｖでは、電流Ｉｋに大きな変化はないが、約８０Ｖを超えると大きく変化する（閾値８０Ｖ）。材料Ｂにおいては、ゲート電圧Ｖｇが０〜１００Ｖでは、電流Ｉｋに大きな変化はないが、約１００Ｖを超えると大きく変化する（閾値１００Ｖ）。
【００４４】
これにより、材料Ｂは材料Ａより電流変化が少なく、安定的な材料であると考えられる。言い換えると、新材料Ｂは、既知材料Ａよりも優れていると評価できる。
【００４５】
本実施形態に係るテスト素子を用いた絶縁膜評価方法の別の例について説明する。
【００４６】
前述の図４は、０Ｖから２００Ｖにゲート電圧Ｖｇを掃引印加（増加）した場合の例である。一方、図５は、２００Ｖから０Ｖにゲート電圧Ｖｇを掃引印加（減少）した場合の例である。
【００４７】
図５において、既知材料Ａでは、１８０〜８０Ｖまで電圧減少に伴い電流も減少するが、８０Ｖ以下になると、電流はほとんど流れなくなる（閾値８０Ｖ）。新規材料Ｂでは、１８０〜９０Ｖまで電圧減少に伴い電流も減少するが、９０Ｖ以下になると、電流はほとんど流れなくなる（閾値９０Ｖ）。
【００４８】
すなわち、図４と図５の比較から、既知材料Ａは履歴依存性がないが、新規材料Ｂは若干の履歴依存性の可能性があると評価できる。
【００４９】
〜効果〜
従来技術と比較することにより、本実施形態の効果について説明する。
【００５０】
図６は、従来技術の一例に係るテスト素子の断面図である。
【００５１】
従来技術のテスト素子は、Ｐ型Ｓｉ基板１１と、金属配線５１，５２，５３，５４，５５，５６と、保護膜３３，３７と、絶縁膜３４，３５，３６とを備えている。
【００５２】
保護膜３３の上には多層配線構造（金属配線５１，５２および金属配線５４，５５の２層配線、たとえばＣｕ）が形成されていて、金属配線５１，５２間は配線接続孔５７を介して電気的に接続されて、金属配線５４，５５間は配線接続孔５８を介して電気的に接続されている。また、金属配線５１，５４、配線接続孔５７，５８、金属配線５２，５５に対応して、３層の層間絶縁膜３４，３５，３６が形成されている。絶縁膜３４，３５，３６の上には保護膜３７とパッド引き出し用の金属配線５３，５６(たとえばＡｌ)が形成されている。
【００５３】
従来技術のテスト素子を用いた絶縁膜評価方法について説明する。金属配線５３，５６間に電圧を印加する。金属配線５１，５４間は絶縁膜３４により絶縁されており、電流は流れない。しかし、金属配線５３，５６間の電圧印加が増すと、金属配線５１，５４間にリーク電流が発生する。印加電圧とリーク電流の関係を測定することで、絶縁膜３４の材料特性を評価する。
【００５４】
しかし、従来技術のテスト素子は受動素子であり、能動素子における材料評価はできない。
【００５５】
本実施形態におけるテスト素子は能動素子であり、能動素子における材料評価ができる。
【００５６】
本実施形態における絶縁膜評価方法では、テスト素子の電気的特性を取得し比較するものであり、新規材料を用いた半導体装置の評価に比べ、簡単な測定で評価ができる。
【００５７】
本実施形態におけるテスト素子は、マスクパターンを変えるだけで通常の半導体集積回路製造プロセスで製作することができ、特殊な半導体素子を用いる必要はない。したがって、集積回路の製造プロセスで本体の回路と同時に製作することができる。その結果、集積回路の製造と並行して、集積回路への適合性を評価することができる。また、新規材料を用いた半導体装置を試作するのに比べ、簡単に製作できる。
【００５８】
本実施形態のテスト素子は、ゲート電極４０が絶縁膜３４，３５の上部かつ絶縁膜３６と同層に配置されているため、ゲート電圧印加により、ゲート電圧による電界を絶縁膜３４，３５，３６に与えることができ、これにより、絶縁膜３４，３５，３６の評価ができる。
【００５９】
本実施形態のテスト素子は、ゲート電極４０の特徴的な形状および配置により、安定的な測定ができる。
【００６０】
〜変形例〜
図７は、本実施形態の変形例に係るテスト素子の断面図である。ゲート電極４０のリング幅を外側に広げたものである。この構成により、テスト素子の感度をさらに向上させることができる。
【００６１】
本実施形態においては、Ｐ型基板とＮ型拡散層を用いているが、ＰＮ接合であればよいので、Ｎ型基板とＰ型拡散層を用いてもよい。
【００６２】
本実施形態においては、絶縁膜３４，３５，３６の材料を同じとし、既知な材料Ａで絶縁膜３４，３５，３６を形成したテスト素子と、新材料Ｂで絶縁膜３４，３５，３６を形成したテスト素子とを製作し、比較したが、たとえば、既知な材料Ａで絶縁膜３４，３５，３６を形成したテスト素子と、新材料Ｂで絶縁膜３４を既知な材料Ａで絶縁膜３５，３６を形成したテスト素子とを製作し、比較してもよい。この場合、絶縁膜３４が被評価絶縁膜となる。
【００６３】
本実施形態においては、保護膜３３，３７の材料特性は既知なものとし評価対象としていないが、保護膜３３の材料特性も含めて評価してもよい。
【００６４】
＜第２実施形態＞
図８は第２実施形態にかかるテスト素子の断面図である。図９は、テスト素子を製作するためのマスクのレイアウト図である。
【００６５】
第１実施形態の金属配線（Ａｌ）２３と保護膜３７がない点で相違する。第１実施形態では、金属配線２３に逆バイアスの電圧Ｖｋを印加するのに対し、第２実施形態では、金属配線２２に逆バイアスの電圧Ｖｋを印加する。
【００６６】
それ以外の構成や動作は同じであり、第１実施形態と同様な絶縁膜評価ができる。
【００６７】
金属配線（Ａｌ）２３と保護膜３７がないことにより、テスト素子の製作プロセスがさらに簡単になる。また、金属配線（Ａｌ）２３と保護膜３７がないことにより、テスト素子の小型化を図ることができる。
【００６８】
ただし、金属配線２２に逆バイアスの電圧Ｖｋを印加するために、金属配線２２のリードを絶縁膜３６に設ける必要がある。そのためゲート電極４１のリングの一部が切断され、切断部に金属配線２２のリードが設けられている。ゲート電極４１の一部が切断された結果、ＰＮ接合周辺部の一部（リング切断部に対応）にはゲート電圧を印加することが出来なくなるので、ゲート電圧がＰＮ接合のＩ−Ｖ特性に与える効果が若干低減する。
【００６９】
すなわち、第２実施形態に係るテスト素子は、第１実施形態に係るテスト素子ほどの測定精度を要求しないような簡便な評価に適している。
【００７０】
＜第３実施形態＞
図１０は第３実施形態にかかるテスト素子の断面図である。
【００７１】
更に、第２実施形態の金属配線２２と絶縁膜３５，３６がない点、ゲート電極４２が絶縁膜３４に配置されている点で相違する。第２実施形態では、金属配線２２に逆バイアスの電圧Ｖｋを印加するのに対し、第３実施形態では、金属配線２１に逆バイアスの電圧Ｖｋを印加する。
【００７２】
それ以外の構成や動作は同じであり、第２実施形態と同様な絶縁膜評価ができる。
【００７３】
金属配線２２と絶縁膜３５，３６がないことにより、第２実施形態に比べて、テスト素子の製作プロセスがさらに簡単になり、また、テスト素子の小型化をさらに図ることができる。
【００７４】
ただし、ゲート電極４２が絶縁膜３４と同層に配置されており、ゲート電圧による電界は絶縁膜３４の側面のみにしか及ばないため、感度は若干低下する。
【００７５】
すなわち、第３実施形態に係るテスト素子は、第２実施形態に係るテスト素子ほどの測定精度を要求しないような更に簡便な評価に適している。たとえば、予備評価を迅速に行う場合に有効である。
【００７６】
なお、本発明は上記各実施形態に限定されず、本発明の技術思想の範囲内において、適宜変形できる。
【符号の説明】
【００７７】
１１  Ｐ型Ｓｉ基板
１２  Ｎ型拡散層
１３  Ｎ＋層
１４  シリサイド層
２１，２２  金属配線（Ｃｕ）
２３  金属配線(Ａｌ)
２４  コンタクト孔
２５  配線接続孔
３１  酸化膜（薄膜）
３２  酸化膜（素子分離領域）
３３  保護膜
３４〜３６  絶縁膜
３７  保護膜
４０〜４２  金属配線（ゲート電極）
５１，５２，５４，５５  金属配線（Ｃｕ）
５３，５６  金属配線(Ａｌ)
５７，５８  配線接続孔
【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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【図１０】
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