(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の薄膜を積層して半導体素子を形成するウエハ上に薄膜物性値を測定するためのテストエレメント領域を確保し、このテストエレメント領域に前記半導体素子を形成する絶縁性薄膜の形成工程と同一工程で絶縁性の被測定薄膜を形成し、かつ前記半導体素子を形成する導電性薄膜の形成工程と同一工程で加熱源用及び温度測定用の導電性薄膜を前記絶縁性の被測定薄膜の両側に形成して前記絶縁性の被測定薄膜に積層し、前記絶縁性の被測定薄膜及び加熱源用及び温度測定用の導電性薄膜の上に層間絶縁膜を積層させることを特徴とする半導体装置テストエレメントの製造方法。
【請求項２】
複数の薄膜を積層して半導体素子を形成するウエハ上に薄膜物性値を測定するためのテストエレメント領域を確保し、このテストエレメント領域に前記半導体素子を形成する絶縁性薄膜の形成工程と同一工程で絶縁性の被測定薄膜を形成し、かつ前記半導体素子を形成する導電性薄膜の形成工程と同一工程で加熱源用及び温度測定用の導電性薄膜を前記絶縁性の被測定薄膜の両側に形成して前記絶縁性の被測定薄膜に積層し、前記絶縁性の被測定薄膜及び加熱源用及び温度測定用の導電性薄膜の上に層間絶縁膜を積層させる工程と、
前記加熱源用の導電性薄膜を通電加熱し、前記測定用の導電性薄膜の温度を測定することで熱物性値を測定する工程とを有する半導体テストエレメントの薄膜物性値測定方法。
【請求項３】
複数の薄膜を積層して半導体素子を形成するウエハ上に薄膜物性値を測定するためのテストエレメント領域を確保し、このテストエレメント領域に前記半導体素子を形成する絶縁性薄膜の形成工程と同一工程で形成する絶縁性の被測定薄膜を形成し、かつ前記半導体素子を形成する導電性薄膜の形成工程と同一工程で加熱源用及び温度測定用の導電性薄膜を前記絶縁性の被測定薄膜の両側に形成して前記絶縁性の被測定薄膜に積層し、前記絶縁性の被測定薄膜及び加熱源用及び前記温度測定用の導電性薄膜は段差を有し、前記絶縁性の被測定薄膜及び加熱源用及び温度測定用の導電性薄膜の上に層間絶縁膜を積層させることを特徴とする半導体装置テストエレメントの製造方法。
【請求項４】
複数の薄膜を積層して半導体素子を形成するウエハ上に薄膜物性値を測定するためのテストエレメント領域を確保し、このテストエレメント領域の絶縁膜の切れ込みに、に前記半導体素子を形成する絶縁性薄膜の形成工程と同一工程で絶縁性の被測定薄膜を形成し、かつ前記半導体素子を形成する導電性薄膜の形成工程と同一工程で加熱源用及び温度測定用の導電性薄膜を前記絶縁性の被測定薄膜の両側に形成して前記絶縁性の被測定薄膜に積層し、前記絶縁性の被測定薄膜及び加熱源用及び前記温度測定用の導電性薄膜は前記絶縁膜の切れ込みによる段差を有し、前記絶縁性の被測定薄膜及び加熱源用及び温度測定用の導電性薄膜の上に層間絶縁膜を積層させる工程と、
前記加熱源用の導電性薄膜を通電加熱し、前記測定用の導電性薄膜の温度を測定する工程とを有する半導体テストエレメントの薄膜物性値測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置テストエレメントの製造方法及びその薄膜物性値測定方法に係わり、特にイオンスパッタリング等の手段により特定の原子を不純物として薄膜内に拡散させる半導体装置テストエレメントの製造方法及びその薄膜物性値測定方法に好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置の熱的設計をする場合においては、発熱している接合部の温度を所定値以下に保ち、信頼性に優れた半導体装置を製造することが一つの目標となるが、そのために半導体装置の個々の構成材料の熱物性値及び部材界面における熱伝達率等を定量的に把握しようとすることが試みられている。半導体装置の発熱動作している領域の温度を直接測定することは困難であるため、接合部温度を予測するのに、数値シミュレーションを用いることが一般的に行われているが、従来は、個々の材料のバルクの物性値を薄膜材料に対しても用いることによって上記半導体装置の接合部温度を算出し、熱的設計の基準としている。
【０００３】
一方、代表的な熱物性値である熱拡散率については、交流加熱法を用いた薄膜材料の厚さ方向の熱拡散率の測定方法が特開平１０−３１８９５３号公報、特開平１０−２２１２７９号公報において開示されている。この従来技術は、熱拡散率を測定する薄膜を半導体装置とは全く別個に製作し、この薄膜の一方を電気的、もしくは光学的に周期加熱し、入射する熱の変動の位相と薄膜裏面側の温度の変動の位相との位相差から上記薄膜の膜厚方向の熱拡散率を測定するものである。特開平１０−３１８９５３号公報において開示された熱拡散率測定方法によれば導電性材料の熱拡散率を測定することが、また、特開平１０−２２１２７９号公報において開示された熱拡散率測定方法によれば複数層の薄膜の熱拡散率を測定することができる。上記測定方法により求めた膜厚方向の熱拡散率と、別途求めた比熱及び密度から薄膜材料の熱伝導率を算出する。
【０００４】
従来の半導体装置は、このような熱的設計に基いて、被測定薄膜の製造とは全く別個に独立して、ウエハ上に複数の薄膜を積層して半導体素子を形成することにより製造している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
現実の半導体装置の積層工程においては、例えばイオンスパッタリング等の手段により特定の原子を不純物として膜内に拡散させることにより、半導体装置としての特性を引き出すことが行われている。このため、半導体装置の個々の薄膜材料の物性値は上記不純物の拡散濃度や拡散範囲により強く影響を受ける。また、半導体装置の積層工程の温度や時間のばらつき、あるいは同一装置を製造する複数の製造装置間のばらつき等により、同じ製造方法の半導体装置であっても薄膜材料の物性値はばらつきを有する可能性がある。このため、半導体装置の熱的設計に必要な物性値は、標準的なサンプルの物性値ではなく、実際の半導体装置の構成材料となっている個々の薄膜材料そのものの物性値により近い値を測定することが必要である。特に、半導体装置においては、薄膜材料の厚さが非常に薄いことから、マクロスケールのサンプル材料と比較して、上述した不純物の拡散濃度等の条件による物性値の変動は極めて大きくなる。そこで、半導体装置の接合部温度の値をより実際に近いものに予測するために、材料物性値が実際の半導体装置の内部構造部材の物性値により近い物性値を測定することができる半導体装置テストエレメントの製造方法及びその薄膜物性値測定方法が望まれる。
【０００６】
本発明は、半導体装置の製造工程中に同一工程で被測定薄膜を製造することにより、被測定薄膜を製造する被測定薄膜の物性値を半導体素子の薄膜物性値に近いものとすることができ、信頼性に優れた半導体装置の熱的設計が可能な半導体装置テストエレメントの製造方法及びその薄膜物性値測定方法を得ることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、複数の薄膜を積層して半導体素子を形成するウエハ上に薄膜物性値を測定するためのテストエレメント領域を確保し、このテストエレメント領域に前記半導体素子を形成する絶縁性薄膜の形成工程と同一工程で絶縁性の被測定薄膜を形成し、かつ前記半導体素子を形成する導電性薄膜の形成工程と同一工程で加熱源用及び温度測定用の導電性薄膜を前記絶縁性の被測定薄膜の両側に形成して前記絶縁性の被測定薄膜に積層し、前記絶縁性の被測定薄膜及び加熱源用及び温度測定用の導電性薄膜の上に層間絶縁膜を積層させる構成にしたことにある。
【００１３】
また、本発明は、複数の薄膜を積層して半導体素子を形成するウエハ上に薄膜物性値を測定するためのテストエレメント領域を確保し、このテストエレメント領域に前記半導体素子を形成する絶縁性薄膜の形成工程と同一工程で絶縁性の被測定薄膜を形成し、かつ前記半導体素子を形成する導電性薄膜の形成工程と同一工程で加熱源用及び温度測定用の導電性薄膜を前記絶縁性の被測定薄膜の両側に形成して前記絶縁性の被測定薄膜に積層し、前記絶縁性の被測定薄膜及び加熱源用及び温度測定用の導電性薄膜の上に層間絶縁膜を積層させる工程と、前記加熱源用の導電性薄膜を通電加熱し、前記測定用の導電性薄膜の温度を測定することで熱物性値を測定する工程とを有する構成にしたことにある。
また、本発明は、複数の薄膜を積層して半導体素子を形成するウエハ上に薄膜物性値を測定するためのテストエレメント領域を確保し、このテストエレメント領域に前記半導体素子を形成する絶縁性薄膜の形成工程と同一工程で形成する絶縁性の被測定薄膜を形成し、かつ前記半導体素子を形成する導電性薄膜の形成工程と同一工程で加熱源用及び温度測定用の導電性薄膜を前記絶縁性の被測定薄膜の両側に形成して前記絶縁性の被測定薄膜に積層し、前記絶縁性の被測定薄膜及び加熱源用及び前記温度測定用の導電性薄膜は段差を有し、前記絶縁性の被測定薄膜及び加熱源用及び温度測定用の導電性薄膜の上に層間絶縁膜を積層させる構成にしたことにある。
また、本発明は、複数の薄膜を積層して半導体素子を形成するウエハ上に薄膜物性値を測定するためのテストエレメント領域を確保し、このテストエレメント領域の絶縁膜の切れ込みに、に前記半導体素子を形成する絶縁性薄膜の形成工程と同一工程で絶縁性の被測定薄膜を形成し、かつ前記半導体素子を形成する導電性薄膜の形成工程と同一工程で加熱源用及び温度測定用の導電性薄膜を前記絶縁性の被測定薄膜の両側に形成して前記絶縁性の被測定薄膜に積層し、前記絶縁性の被測定薄膜及び加熱源用及び前記温度測定用の導電性薄膜は前記絶縁膜の切れ込みによる段差を有し、前記絶縁性の被測定薄膜及び加熱源用及び温度測定用の導電性薄膜の上に層間絶縁膜を積層させる工程と、前記加熱源用の導電性薄膜を通電加熱し、前記測定用の導電性薄膜の温度を測定する工程とを有する構成にしたことにある。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の導体装置用テストエレメントの製造方法が及びその薄膜物性値測定方法の各実施例を図を用いて説明する。なお、各実施例の共通または相当する部分の説明は省略すると共に、各実施例の図における同一符号は同一物または相当物を示す。
【００１７】
まず、本発明の第１実施例を図１及び図２を用いて説明する。図１は本発明の第１実施例における半導体ウェハ内に構成される薄膜物性値測定用テストエレメント領域の断面及び信号処理系を含む構成図、図２は本発明の各実施例における共通な半導体装置の平面図である。
【００１８】
図１に示す半導体装置は、代表的な一例として、シリコンウエハ上に絶縁膜であるＳｉＯ2を載せたシリコンオンインシュレータウエハの場合を示すが、ウエハ上に半導体素子と同時にテストエレメント１７ａを積層できる構成であれば、ウエハの種類はシリコン単結晶に限らず、化合物半導体ウエハを含む全ての種類のウエハに適用可能である。シリコンウエハ１上にＳｉＯ２等の酸化膜２を積層させ、または両者を貼り合わせた基板の上のテストエレメント領域に、エピタキシャル成長層３、絶縁性の酸化膜４、５、６等を半導体装置の半導体素子のマスク工程順に積層する。図１の半導体装置の工程においては、熱物性値を測定する被測定薄膜７より先にポリシリコン等の導電性の薄膜を成膜する工程がある場合であり、テストエレメント１７ａは、この導電性薄膜８、被測定薄膜７を工程順に半導体素子と同一工程で積層し、更にその上に別の導電性の薄膜９を積層する。導電性の薄膜９については、配線層に用いられるタングステン、銅などの金属薄膜であってもよい。テストエレメント１７ａは、これらの薄膜８、７、９を順に積層した後、層間絶縁膜１０と配線層１１を積層し、最後にパッド電極１２を積層する。個々の導電性の薄膜８、９に対する配線１１はそれぞれ独立していなければならない。この第１実施例では導電性薄膜８を温度測定用薄膜として、導電性薄膜９を加熱源用薄膜として示すが、導電性薄膜８、９のうち、通電時の抵抗の温度特性が予め求められている方を温度測定用薄膜として、もう一方を加熱源用薄膜として使用することが良い。両方とも温度特性が判明している場合は、任意に加熱源用薄膜と温度測定用薄膜を定めることができる。
【００１９】
図１に示すように、加熱源である導電性薄膜９に交流電流発生装置１３を接続し、複数の加熱周波数を用いて被測定薄膜７を通電交流加熱する。被測定薄膜７に流入した熱は膜厚方向に伝播し、温度測定抵抗体薄膜側の面の温度も加熱周波数と同じ周波数で周期的に変動する。この変動の信号は、被測定薄膜７への入射熱の変動に対し一定の時間遅れを有し、変動の位相差は被測定薄膜７の熱拡散率と厚さに依存し、また、変動の振幅は被測定薄膜７の熱伝導率に依存する。従って、この位相差と、被測定薄膜７裏面の温度変動の振幅を温度測定用抵抗体である導電性薄膜８を用いて測定することにより、被測定薄膜７の熱拡散率と熱伝導率を求めることができる。具体的には、導電性薄膜８に直流電源１４により一定の微小電流を通電しておくことにより、被測定薄膜７裏面の温度が変動すると、導電性薄膜８の温度も同じ位相、振幅で変動し、その抵抗値が周期的に変動する。上記直流電源１４は常時一定電流を導電性薄膜８に供給するよう制御しておくことにより、温度に比例した電圧が導電性薄膜８にかかることになる。この電圧変動の信号をロックイン増幅器１５に取り込み、交流電流発生装置１３からの出力信号とロックインして両者の信号の位相差と、電圧変動の振幅を求め、コンピュータ等のデータ処理装置１６に電送する。このデータ処理装置１６により被測定薄膜７の熱拡散率と熱伝導率を算出する。
【００２０】
なお、図１において、絶縁膜４が中央部で切れ込み、絶縁性の酸化膜６、導電性薄膜８、被測定薄膜７、導電性薄膜９が下方に落ち込むような構造となっているが、実際の段差は無視できるほど小さい。また、エピタキシャル成長層３に特定の不純物を拡散させる必要がなく、被測定薄膜の物性に影響のない場合などには、テストエレメント１７ａにおいて絶縁性の酸化膜４の中央部の切れ込みは必要ない。図1における各種絶縁膜２、４、５、６、１０は、電気的な絶縁体としてのみならず、加熱源９から被測定薄膜７を経由して薄膜８に流れる熱の漏れを防ぐ断熱材として機能するので、実際の薄膜物性値により一層近い物性値を測定することができる。
【００２１】
図２に示すように、テストエレメント１７ａの領域は、このままの状態で製品である各半導体素子１８と全く同一のウエハ１上に確保されている。またテストエレメント１７ａは、図２の拡大図に示すように、テストエレメント１７ａを複数グループ化してテストエレメントグループ１７を形成しているので、図２の例においては、テストエレメント領域はテストエレメントグループ１７の領域を指すことになるが、テストエレメント１７ａがグループ化されずに単独で形成されている場合には、テストエレメント領域はテストエレメント１７ａの領域を指すことになる。このテストエレメントグループ１７の領域は、各半導体素子１８の領域と同じ大きさで隣接してその一つとみなされるように確保されているので、半導体素子１８の領域の一つをテストエレメントグループ１７の領域に割り当てることによりテストエレメントグループ１７の領域が確保でき、半導体装置用テストエレメントグループを容易に製造することができる。なお、図２には一つのテストエレメントグループ１７の領域にパッド電極１２を１２個ずつ持つテストエレメント１７ａが１６個並んで実装された例を示すが、このテストエレメント１７ａ当たりのパッド電極１２の数、テストエレメントグループ１７の領域内のテストエレメント１７ａの数や寸法も、図２の通りでなくても構わない。
【００２２】
上記半導体装置テストエレメントの製造方法及びその薄膜物性値測定方法においては、半導体素子１８を形成するウエハ１上に薄膜物性値を測定するためのテストエレメントグループ１７の領域を確保し、このテストエレメントグループ１７の領域に半導体素子１８を形成する薄膜の形成工程と同一工程で被測定薄膜７を形成することにより、半導体装置の半導体素子１８の製造工程を特に変更する必要がなく、半導体素子１８の薄膜に拡散されあるいは埋め込まれる各種不純物を被測定薄膜７も同様に吸収させることができ、被測定薄膜７の物性値を半導体素子１８の薄膜の物性値に近いものとすることができる。これにより信頼性に優れた半導体装置の熱的設計が可能な導体装置テストエレメントの製造方法が得られる。
【００２３】
また、電圧変動の振幅から被測定薄膜７の熱伝導率を算出することにより、容易に熱伝導率を測定することができる。
【００２４】
上記テストエレメント１７ａにおいては、ウエハ１上でプローブカード等によりパッド電極１２に直接通電して熱物性値を測定できる。 なお、テストエレメントグループ１７の領域のみダイシング等により切り出して被測定薄膜７の熱物性値を求めても構わない。また、加熱源用薄膜９と温度測定抵抗体薄膜８への通電方法も、パッド電極１２経由でなくても良い。
【００２５】
なお、被測定薄膜７の熱伝導率については、被測定薄膜７のみ別途ガラス基板等の上に積層し、これから比熱と密度を求め、熱拡散率の測定結果と照らし合わせることによって算出してもよい。
【００２６】
さらに、テストエレメントグループ１７の領域は、複数箇所（この実施例においては４個所）確保しているので、図１の被測定薄膜７を測定するためのテストエレメントグループ１７の領域と、このテストエレメントグループ１７の領域に積層される温度測定用薄膜８に相当するものを被測定薄膜とするテストエレメントグループ１７の領域とを確保でき、図１の被測定薄膜７の物性値測定に必要な複数の薄膜を同一工程で製造することができることとなり、簡単で、より信頼性に優れた物性値の測定をすることができる半導体装置テストエレメントの製造方法が得られる。 なお、テストエレメントグループ１７の領域の数やウエハ１上の配置は、図２の通りである必要はない。
【００２７】
次に、本発明の第２実施例を図３を用いて説明する。図３は本発明の第２実施例における半導体ウエハ内に構成される薄膜物性値測定用テストエレメント領域の断面及び信号処理系を含む構成図である。
【００２８】
この第２実施例のものにおいては、被測定薄膜７が導電性の薄膜である場合のものである。この被測定薄膜７が導電性の薄膜である場合には、第１実施例のように被測定薄膜７に加熱源用薄膜９と温度測定抵抗体薄膜８とを直接積層すると、加熱源用薄膜９と温度測定抵抗体薄膜８との間が短絡してしまい、熱物性値を測定することはできない。このため、導電性の薄膜の熱物性値を測定するためには、図３に示すように、加熱源である導電性薄膜９と被測定薄膜７との間、及び被測定薄膜７と温度測定用抵抗体である導電性薄膜８との間に、それぞれ絶縁性の薄膜１９、２０を積層し、薄膜７、１９、２０の多層薄膜の合成の熱物性値を測定する。薄膜１９、２０は絶縁膜であるから、予め図１の方法により薄膜１９、２０の熱物性値を測定しておくか、或いは他のテストエレメントグループ１７の領域でその薄膜を形成してその物性値を測定するようにすれば、被測定薄膜７の熱物性値を合成の熱物性値から算出できる。物性値を個々に測定すべき薄膜のためのテストエレメント１７ａを予めウエハ１上に組み込むことで、全く同じ工程を経た薄膜の物性値を測定でき、測定の精度を向上させることができる。また、薄膜１９、７、２０がこのままの順番で半導体素子１８内においても用いられている場合は、多層薄膜の合成の熱物性値を求め、一つの被測定薄膜として取り扱うことに実際の半導体装置により一層近い物性値を得ることができる。なお、この第２実施例のものにおいて、第１実施例と共通する構成においては同じ効果を奏するものである。
【００２９】
次に、本発明の第３実施例を図４及び図５を用いて説明する。図４は本発明の第３実施例におけるテストエレメント領域の製造工程を示す断面概略図、図５は図４で製造されたテストエレメント領域の断面及び信号処理系を含む構成図である。
【００３０】
この第３実施例のものは、被測定薄膜７を挟み込む形で複数の導電性薄膜８、９を積層できないような場合に適用するものである。例えば、図１または図３におけるエピタキシャル成長層３や絶縁性酸化膜２、４、６等を被測定薄膜としてその物性値を測定する場合であり、第３実施例として図４及び図５に示すものはエピタキシャル成長層３に被測定薄膜７を有するものである。このような場合は、まず、図４（ａ）に示すように、エピタキシャル成長層３に被測定薄膜７を有し、かつ絶縁性酸化膜６の上に導電性薄膜８及び被測定薄膜７を有しないテストエレメントを製造した後に、図４（ｂ）に示すように、ウエハ１の裏面側から研磨、エッチング等によりテストエレメント領域を薄層化する。次に、図４（ｃ）に示すように、アルミニウムや金等の金属薄膜２１を薄層化した面に積層する。なお、ウエハ表面側に加熱源用の導電性薄膜９は、半導体素子１８の製造工程と同一工程で積層しており、図５に示すように、この導電性薄膜９を用いて被測定薄膜７を交流通電加熱する。
【００３１】
一方、図５に示すように、光源２３から、ビームスプリッタ２４、１／４波長偏光板２５、光学顕微鏡２６を介して、一定出力のレーザ光２２を金属薄膜２１に照射し、金属薄膜２１裏面での反射光をフォトディテクタ２７で測定する。フォトディテクタ２７で測定される反射光の強度変動の大きさから金属薄膜２１裏面の温度を、反射光の位相と加熱源９へ供給される交流電流の位相との位相差から、上記第１及び第２実施例と同様に被測定薄膜７の熱物性値を測定することができる。照射レーザ光２２の波長が８１０ｎｍ前後の場合はアルミニウムを、６３０ｎｍ前後の場合は金を金属薄膜２１として積層することが望ましい。金属薄膜２１の厚さは、上記レーザ光２２に対して透明とならない程度以上の厚さであり、かつ、被測定薄膜７の厚さの１／１０以下であることが望ましいが、それ以外の厚さであっても、較正を十分行うことにより対応できる。一方、被測定薄膜７の面方向の寸法は、最低でも照射するレーザ光２２の直径以上、できれば１．５倍程度以上であることが望ましい。
【００３２】
上記各実施例においては、被測定薄膜を通過する熱の流れが膜厚方向のみであると考えてよい程度まで被測定薄膜７の膜厚の一辺長に対する比が小さいことが望ましく、この条件は第３実施例のレーザ光２２に対する寸法の条件に優先する。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、半導体装置の製造工程中に同一工程で被測定薄膜を製造することにより、被測定薄膜を製造する被測定薄膜の物性値を半導体素子の薄膜の物性値に近いものとすることができ、信頼性に優れた半導体装置の熱的設計が可能な半導体装置テストエレメントの製造方法及びその薄膜物性値測定方法を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】発明の第１実施例における半導体ウエハ内に構成される薄膜物性値測定用テストエレメント領域の断面及び信号処理系を含む構成図である。
【図２】本発明の各実施例における共通な半導体装置の平面図である。
【図３】本発明の第２実施例における半導体ウエハ内に構成される薄膜物性値測定用テストエレメント領域の断面及び信号処理系を含む構成図である。
【図４】本発明の第３実施例におけるテストエレメント領域の製造工程を示す断面概略図である。
【図５】図４で製造されたテストエレメント領域の断面及び信号処理系を含む構成図である。
【符号の説明】
１…ウエハ、２…絶縁性酸化膜、３…エピタキシャル成長層、４、５、６…絶縁性酸化膜、７…被測定薄膜、８…導電性薄膜、９…導電性薄膜、１０…層間絶縁膜、１１…配線層、１２…パッド電極、１３…交流電流発生装置、１４…直流電源、１５…ロックイン増幅器、１６…データ処理装置、１７…テストエレメント、１８…半導体素子、１９…絶縁性薄膜、２０…絶縁性薄膜、２１…金属薄膜、２２…レーザ光、２３…レーザ光源、２４…ビームスプリッタ、２５…１／４波長偏光板、２６…光学顕微鏡、２７…フォトディテクタ。
【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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