KR100203128B1 - 반도체소자의 텅스텐 식각 속도 측정방법 - Google Patents

반도체소자의 텅스텐 식각 속도 측정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체소자의 텅스텐 식각 속도 측정방법에 관한 것으로서, 실제 소자에서 사용되는 콘택홀을 흐름관으로 가정하고, 상기 콘택홀 내의 텅스텐을 식각하는 과정에서 콘택홀의 외부로 나오는 W과 불소의 화합물인 WF의 농도를 식각 시간에 따라 광검출기로 검출하고, 검출식에 대입하여 얻어진 In([W]t/[W]0)을 t의 따른 그래프로 작성하고 In([W]t/[W]0)대 t의 그래프에서 얻어진 직선의 기울기값에서 식각상수 k1을 얻을 수 있으므로, W의 식각 메카니즘 및 식각 속도를 알 수 있어 W 식각 공정이 들어가는 반도체소자의 공정수율 및 소자 동작의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 기술이다.

Description

반도체소자의 턴스텐 식각 속도 측정방법
제1도는 본발명에 따른 반도체소자의 텅스텐 식각 속도 측정방법을 설명하기 위한 개략도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 반도체기판 2 : 절연막
3 : 콘택홀 4 : 텅스텐층
5 : 광검출기
본 발명은 반도체소자의 텅스텐 식각 속도 측정방법에 관한 것으로서, 특히 콘택홀을 메운 텅스텐 식각시 콘택홀의 외부로 나오는 W 원자와 불소화합물(WF)의 량을 광검출기로 시간에 따라 측정하여 W의 식각 속도를 측정하여 소자 제작의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 반도체소자의 텅스텐 식각 속도 측정방법에 관한 것이다.
최근 반도체 소자의 고집적화 추세는 미세 패턴 형성기술의 발전에 많은 영향을 받고 있다. 특히 사진 공정에 의해 형성되는 감광막 패턴은 반도체 소자의 제조 공정중에서 식각 또는 이온 주입 공정 등의 마스크로 매우 폭 넓게 사용되고 있다.
종래 반도체소자의 금속배선 제조방법을 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 미세패턴이 되는 피식각 금속층이 형성되어 있는 반도체 웨이퍼상에 감광막을 균일하게 도포하고, 상기 감광막을 선택적으로 노광한 후, 알카리성 현상액으로 처리하여 감광막패턴을 형성하고,상기 감광막패턴을 마스크로 도전층을 식각하여 미세패턴을 형성한다.
상기와 같은 종래 도전배선 미세패턴은(배선의 폭)/(배선각 간격) 즉 라인/스페이스가 상기 감광막패턴의 분해능에 따라 좌우된다.
따라서 감광막 패턴의 미세 패턴화, 공정 진행의 안정성, 공정 완료후의 깨끗한 제거 그리고 잘못 형성된 감광막 패턴을 제거하고 다시 형성하는 재작업의 용이성 등이 필요하게 되었다.
일반적인 감광막패턴 형성 기술은 노광장치의 정밀도, 광의 파장 등과 같은 많은 제약요인에 의해 어느정도, 예를 들어, 광파장이 각각 436, 365 및 248nm인 G-라인, I-라인 및 엑시머 레이저를 광원으로 사용하는 축소노광장치의 공정분해능으로는 약 0.7㎛, 0.5㎛, 0.3㎛ 정도 크기의 패턴을 형성하는 것이 한계이다.
현재 64M 디램급 이상의 고집적 반도체 소자에서는 0.5um 이하의 금속배선이 사용되는데, 이러한 금속배선으로 단차피복성과 전자이주(electron migration) 특성이 우수한 텅스텐을 알루미늄 대신 사용하며, 상기 텅스텐층과 절연막과의 계면특성을 향상시키기 위하여 Ti이나 Ti/TiN적층 구조로된 장벽금속층을 개재시키며, 식각 마스크인 감광막패턴 두께를 감소시키기 위하여 하드 마스크를 사용하기도 한다.
종래 반도체소자의 텅스텐 배선 제조방법을 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 절연막상에 Ti/TiN 적층 구조로된 확산방지층과 텅스텐층을 순차적으로 형성한 후, 상기 텅스텐층의 패턴으로 예정되어 있는 부분상에 감광막패턴을 형성한다.
그다음 상기 감광막패턴에 의해 노출되어 있는 텅스텐층과 확산방지층을 불소 플라즈마를 사용하여 건식 이방성식각 방법으로 제거하여 텅스텐층 및 확산방지층 패턴으로된 금속배선을 형성한다.
상기의 텅스텐 배선 제조 방법에서 텅스텐층의 식각 공정은 경형적으로 식각 속도를 시뮬레이션하여 식각공정을 진행하게 되므로 식각 공정의 정밀성이 떨어지고, 과식각을 행하게 되어 결함 발생확률이 높아 소자의 동작특성 및 공정수율이 떨어진다.
따라서 종래에는 텅스텐 식각 속도를 측정하기 위하여 식각공정시 부산물로 생성되는 W 원자와 주식각 물질인 불소 라디칼(fluorine radical, F*)이 반응하여 소멸되는 반응 속도를 측정하는 방법인 흐름관 측정법(flow tube method)으로 측정한다.
상기 흐름관 측정법은 긴관의 일측에 반응물 a를 흘러보내며, 한 지점에서 다른 반응물 b와 섞여 계속 흐르도록하고, 관의 타측 여러 지점에서 생성물의 농도를 측정하여 시간에 따른 반응 속도를 산출하여 W 식각공정에 적용한다.
그러나 상기와 같은 종래 기술에 따른 텅스텐 식각 속도 측정방법은 실제 토폴로지를 갖는 반도체소자의 제조 공정에서는 일정하게 식각가스가 흐른다고 보기 어려우므로 흐름관 방법을 이용한 식각 속도 측정 방법에 의한 자료는 이용하기가 어렵다.
따라서 W 식각에 따른 불량발생에 의해 공정수율 및 소자 동작의 신뢰성이 떨어지는 문제점이 있다.
본발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본발명의 목적은 텅스텐 배선 식각 공정시 생성되는 식각 방응물을 검출하는 방법으로 콘택을 메운 W을 식각하는 동안 콘택의 경계면에서 광검출기를 사용하여 W 원자와 W과 불소 화합물의 량을 시간에 따라 측정하고 W의 식각 속도를 계산함으로써 W 식각공정의 신뢰성을 향상시켜 공정수율 및 소자 동작의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 반도체소자의 텅스텐 식각 속도 측정방법을 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본발명에 따른 반도체소자의 텅스텐 식각 속도 측정방법은,콘택홀을 흐름관으로 하는 흐름관 측정법을 이용하여 콘택홀에 매립된 텅스텐의 식각속도를 측정하는 방법에 있어서,
반도체 기판 상에 W과 식각 선택비차가 있는 물질로된 절연막을 형성하는 공정과,
상기 절연막의 소정 부분을 식각하여 콘택홀을 형성하는 공정과,
상기 콘택홀 내부에 W층을 매립하는 공정과,
상기 W층을 불소 라디칼로 식각하여, 식각된 W 원자와 상기 불소 라디칼을 결합시키고 그에 따른 텅스텐의 소멸속도를 측정하는 공정과,
상기 콘택홀을 빠져나오는 W 원자들의 평균이동속도를 이용하여W 원자들이 콘택홀을 빠져나오는 평균시간을 측정하는 공정과,
상기 소멸속도와 평균시간의 상관관게를 그래프로 도시하고 이를 이용하여 상기 반응속도상수 k1의 값을 얻는 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본발명에 따른 반도체소자의 텅스텐 식각 속도 측정방법은,
소정의 기판상에 W과는 식각 선택비차가 있는 물질로된 절연막을 형성하는 공정과,
상기 절연막의 소정 부분을 식각하여 콘택홀을 형성하는 공정과,
상기 콘택홀의 내부에 W층을 형성하는 공정과,
상기 콘택홀내의 W층을 불소 라디칼로 식각하되, 콘택홀을 빠져나오는 식각부산물인 W 원자의 수를 측정하되, W 원자들이 광검출기에 검출되는 광의 세기를 이용하여 식각 시간에 따라 측정하고, 측정치를 검출식 (1) 및 (2)에 대입하여 In([W]t // [W]0)값을 얻는 공정과,
상기 1n([W]t // [W]0)대 식각 시간 t와의 그래프에서 식각 상수 k1값을 얻는 공정을 포함하는 것을 다른 특징으로 한다.
여기서 [W]0는 에치백 식각 초기 텅스텐의 광세기, [W]t는 시간 t 경과후의 일정 깊이 식각후의 광세기, [F*]는 식각이 진행되는 동안의 불소 라디칼의 농도로서 상수, d는 콘택홀의 지름, h는 콘택홀 깊이, θ는 무충돌 직선 운동시 W 원자가 가질수 있는 각도, x는 가능한 위치, tanZ=tan-1(h/(d-x)),tanY=tan-1(h/x)이다.
이하, 본발명에 따른 반도체소자의 텅스텐 식각 속도 측정방법에 관하여 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.
제1도는 본 발명에 따른 반도체소자의 텅스텐 식각 속도 측정방법을 설명하기 위한 개략도로서, 콘택홀을 흐름관으로 사용한 예이다.
먼저, 반도체기판(1)상에 W과는 식각 선택비차가 비교적 커서, 예를들어 50 : 1 이상의 차이를 보이는 물질, 예를들어 산화막이나 질화막 등의 절연막(2)을 형성하고, 상기 절연막(2)의 일측을 제거하여 콘택홀(3)을 형성한 후, 상기 콘택홀(3)내의 반도체기판(1) 상에 선택적으로 W층(4)을 형성한다. 이때 상기 콘택홀(3)은 마이크로 로딩 효과를 갖지 않는 깊이 및 직경등의 조건으로 형성하여 후속 식각 공정시 W 원자의생성 속도를 일정하게 한다. 즉 에스팩트비가 크지않고, 직경이 너무 작지 않은 정도, 예를 들어 애스팩트비는 0.1~2, 직경은 0.5~3㎛정도의 크기로 형성한다.
그다음 상기 W층(4)을 불소 라디칼을 식각가스로 이용하여 식각 챔버내의 가스 압력을 수 mTorr의 조건에서 식각한다. 이때 상기 콘택홀(3)의 상측에서 광을 투사하고 상기 콘택홀(3)에서 반사되는 빛을 광검출기(5)로 검출하면, 식각에 의해 생성된 W 원자가 불소 라디칼과 결함되어 생성된 WF량은 광검출기(5)에서 검출되는 광의 세기에 비례하므로 그 량을 검출할 수 있다.
여기서 W과 F는
이고, 이때의 반응 속도 상수를 k1이라 하면, W의 소멸 속도 (-d[W]/dt)는 다음과 같다.
즉 In([W]t // [W]0) = -k1t[F*]를 얻을 수 있다.
여기서 상기 [W]0는 에치백 식각 초기의 텅스텐의 발광 세기이고, [W]t는 시간 t경과후의 일정 깊이 식각후의 광세기이며, [F*]는 식각이 진행되는 동안의 불소 라디칼의 농도로서 그 양이 W에 비해서는 월등하게 많으므로 상수로 취급하고, 식각 W 원자는 콘택홀(3)에서 모든 방향 및 각도로 튀어나올 수 있다고 가정하며, 상기 t는 W 원자가 식각 이후 기체 상태에서 콘택홀(3) 외부로 빠져 나올때까지의 시간으로서 반응용기의 압력 상태(10mTorr)에서는 평균 자유경로가 수mm 정도되므로, 약 1㎛ 정도 깊이의 콘택홀(3)을 빠져 나오는 동안에는 충돌하지 않는다고 가정하고, 이 원자의 맥스웰-볼쯔만 분포로 계산되는 평균 이동 속도를 고려하여 시간을 계산한다.
즉 상기 W 원자가 콘택홀(3)을 빠져 나오는데 걸리는 평균시간은
여기서 d는 콘택홀(3)의 지름, h는 콘택홀(3) 깊이, θ는 무충돌 직선 운동시 W 원자가 가질수 있는 각도, x는 가능한 위치, tanZ=tan-1(h/(d-x)),tanY=tan-1(h/x)이다.
따라서 상기에서 구한 값들로 In([W]t // [W]0) 대 t의 그래프를 그리면 그래프에서 얻어지는 직선의 기울기에서 -k1[F*]의 근사값을 얻을 수 있고, [F*] 값을 알고 있으므로, k1값을 얻을 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 반도체소자의 텅스텐 식각 속도 측정방법은 실제 소자에서 사용되는 콘첵홀을 흐름관으로 가정하고, 상기 콘택홀내의 텅스텐을 식각하는 과정에서 콘택홀의 외부로 나오는 W과 불소의 화합물인 WF의 농도를 식각 시간에 따라 광검출기로 검출하고, 검출식에 대입하여 얻어진 In([W]t // [W]0)을 t의 따른 그래프로 작성하고 In([W]t // [W]0)대 t의 그래프에서 얻어진 직선의 기울기값에서 식각상수 K1을 얻을 수 있으므로, W의 식각 메카니즘 및 식각 속도를 알 수 있어 W 식각 공정이 들어가는 반도체소자의 공정수율 및 소자 동작의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

Claims (7)

  1. 콘택홀을 흐름관으로 하는 흐름관 측정법을 이용하여 콘택홀에 매립된 텅스턴의 식각속도를 측정하는 방법에 있어서, 반도체 기판 상에 W과 식각 선택비차가 있는 물질로된 절연막을 형성하는 공정과, 상기 절연막의소정 부분을 식각하여 콘택홀을 형성하는 공정과, 상기 콘택홀 내부에 W층을 매립하는 공정과, 상기 W층을 불소 라디칼로 식각하여, 식각된 W 원자와 상기 불소라디칼을 결합시키고 그에따른 텅스텐의 소멸속도를 측정하는 공정과, 상기 콘택홀을 빠져나오는 W 원자들의 평균이동속도를 이용하여 W 원자들이 콘택홀을 빠져나오는 평균시간을 측정하는 공정과, 상기 소멸속도와 평균시간의 관계를 그래프로 도시하고 이를 이용하여 상기 반응속도상수 k1의 값을 얻는 공정을 포함하는 반도체소자의 텅스텐 식각 속도 측정방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 절연막은 상기 W과 식각 선택비차가 50 : 1 이상인 물질호 형성하는 것을 특징으로하는 반도체소자의 텅스텐 식각 속도 측정방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 절연막을 산화막 또는 절화막으로 형성하는 것을 특징으로하는 반도체소자의 텅스텐 식각 속도 측정방법.
  4. 상기 콘택홀은 마이크로 로딩 효과를 갖지 않는 조건으로 형성하는 것을 특징으로하는 반도체소자의 텅스텐 식각 속도 측정방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 콘택홀을 에스팩트비가 0.1~2, 직경이 0.5~3㎛ 크기로 형성하는 것을 특징으로하는 반도체소자의 텅스텐 식각 속도 측정방법.
  6. 상기 식각 공정시 식각 챔버내의 식각 가스 입력을 10 mTorr 이하로 하는 것을 특징으로하는 반도체소자의 텅스텐 식각 속도 측정방법.
  7. 소정의 기판상에 W과는 식각 선택비차가 있는 물질로된 절연막을 형성하는 공정과, 상기 절연막의 소정 부분을 식각하여 콘택홀을 형성하는 공정과, 상기 콘택홀의 내부에 w층을 형성하는 공정과, 상기 콘택홀내의 W층을 불소 라디칼로 식각하되, 콘택홀을 빠져나오는 식각부산물인 W 원자의 수를 광검출기에 검출되는 광의 세기를 이용하여 식각 시간에 따라 측정하고, 측정치를 검출식 (1) 및 (2)에 대입하여 In([W]t/[W]0)값을 얻는 공정과, 상기 In([W]t/[W]0) 대 식각 시간 t와의 그래프에서 식각 상수 k1값을 얻는 공정을 구비하는 반도체소자의 텅스텐 식각 속도 측정방법.
    여기서 [W]0는 에치백 식각 초기 텅스텐의 광세기, [W]t는 시간 t 경과후의 일정 깊이 식각후의 광세기, [F*]는 식각이 진행되는 동안의 불소 라디칼의 농도로서 상수, d는 콘택홀의 지름, h는 콘택홀 깊이, θ는 무충돌 직선 운동시 W 원자가 가질수 있는 각도, x는 가능한 위치, tanZ=tan-1(h/d-x),tanY=tan-1(h/x)이다.
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