KR100327564B1 - 주사전자현미경관찰용시료제작방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전도층을 형성할 때 금속과 절연층이나 확산층과의 접촉저항을 감소시키고 절연층의 확산을 방지하기 위해 형성되는 장벽금속층, 특히 TiN/Ti층의 형성 상태를 주사전자현미경에 의해 관찰하기 위한 시료를 제작하는 방법에 관한 것으로, 특정극성에장벽금속층과 알루미늄층이 증착된 반도체 소자의 일부분를 부착시키고 전해액에 담궈 전기분해시킴으로서 관찰하고자 하는 물질의 골격만을 남기도록 하여 관찰하고자 하는 물질과 다른 물질간의 대조차를 극대화시켜 주사전자현미경으로 촬영시 선명한 영상을 얻을 수 있도록 한다는 이점이 있다.

Description

주사전자현미경 관찰용 시료 제작 방법
본 발명은 주사전자현미경 관찰용 시료 제작 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전도층을 형성할 때 금속과 절연층과의 접촉저항을 감소시키고 절연층의 확산을 방지하기 위해 형성되는 장벽금속층, 특히 TiN/Ti층의 형성 상태를 주사전자현미경에 의해 관찰하기 위한 시료를 제작하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 장치는 그 집적도가 증가하고 내부 회로가 복잡해지는 추세에 부응하여 다층의 배선 구조를 가지며, 다층의 배선간 연결을 위해 금속 플러그를 형성하여 다층간의 배선을 연결하는 구조를 갖고 있다.
이와 같은 배선을 형성할 때는 금속배선인 알루미늄이나 텅스텐과 절연층이나 확산층인 실리콘간의 접촉저항을 감소시키고, 실리콘의 확산으로 인한 정션 스파이킹(junction spiking)으로 합금화되는 것을 방지하기 위해 장벽금속층이 형성된다.
이러한 장벽금속층으로 메모리소자에서는 TiN과 Ti를 이중으로 증착하여 형성하는데 보통 TiN은 500Å정도의 두께로 형성하고 Ti는 600Å정도의 두께로 형성된다.
그런데, 금속 플러그를 형성하기 위한 콘택홀 내부에 일정한 두께로 장벽금속층을 증착하게 되면 콘택홀 가장자리 경사부위에는 장벽금속층이 일정한 두께로 증착되지 않고 얇게 증착되거나 증착되지 않는 부분이 발생된다.
따라서, 위와 같은 공정을 진행시킨 후에는 장벽금속층이 일정하게 증착되었는가를 정기적으로 관찰하여야 한다.
이와 같이 반도체장치의 제조공정시 물질의 증착상태를 관찰하기 위해 사용되는 장비로 분해능이 0.25㎛인 광학현미경을 이용하여 형상을 관찰하였으나, 요즈음은 반도체소자의 디자인 룰이 0.2㎛이하인 관계로 분해능이 0.25㎛인 광학현미경은 그 한계를 드러내고 있다.
따라서, 수㎚의 분해능을 지닌 주사전자현미경 (SEM : Scanning Electron Microscope)이 사용된다. 이 주사전자현미경은 표면의 요철에 대한 대조차를 형상으로 나타내는 장치로서 반도체소자의 단면을 주사전자현미경으로 관찰하기 위해서는 표면의 대조차를 극대화시키는 작업이 요구된다.
도1은 일반적인 반도체장치의 알루미늄 플러그를 나타낸 단면도이다. 여기에서 보는 바와 같이 실리콘기판(10) 상에 하부 전도층(20)이 형성되어 있고, 실리콘기판(10) 전면에 절연층(30)을 형성한 후 전도층(20)과 접속하기 위한 콘택홀이 형성되어 있다. 그리고 콘택홀 내부에는 장벽금속층(40)인 Ti층(42)과 TiN층(44)이 증착되어 있으며, 장벽금속층(40) 위로 알루미늄(50)이 증착되어 플러그가 형성되고 그 위로는 보호막(60)이 덮여 있다.
이와 같이 형성된 반도체장치의 장벽금속층(40)인 TiN층(44)의 두께를 주사전자현미경을 통해 관찰하기 위해서는 시료를 제작해야 한다.
이 시료 제작 방법으로는 화공약품을 사용하여 습식식각하여 장벽금속층(40)의 TiN층(44)을 남기고 Ti층(42)과 알루미늄(50)을 식각하여 단면의 대조차를 극대화시키게 된다.
따라서 위와 같은 방법으로 만들어진 시료를 주사전자현미경을 통해 촬영한 사진을 도2에 도시하였다.
도2에 도시된 바를 살펴보면 플러그의 하부에 있는 TiN은 관찰할 수 있으나 콘택홀의 자장자리부분은 TiN층(44)과 Ti층(42)을 구별할 수 없음을 알 수 있다.
위와 같이 단순한 화공약품을 사용하여 습식식각할 경우 식각선택비가 우수하지 않아 측정하고자하는 재료가 아닌 다른 재료에도 손상을 주게된다.
또한 식각선택비가 주위의 다른 재료와 비교하여 높지 못하거나 직접적인 식각반응과는 관계없이 식각종말점을 매우 길게 설정하여 패턴이 파괴되는 경우가 발생한다. 한편, 식각종말점을 짧게 설정하는 경우에는 반응정도가 낮아서 대조효과을 얻을 수 없다는 문제점이 있어 경사진 부위의 얇은 증착막등은 대조차가 불분명하여 주사전자현미경으로 단면상 두께를 관찰할 수 없다는 문제점이 있다.
따라서, 이와 같은 문제 때문에 투과전자현미경에 의존하는 경향이 있었다. 그러나, 투과전자현미경으로 관찰하기 위한 시료제작처리의 난이도가 높은 문제점과 소요시간이 길다는 단점으로 인하여 분석하고자 하는 시료수가 한정될 수밖에 없다는 또다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로서, 본 발명의 목적은 반도체소자에서 경사면에 얇게 플로우된 물질의 형성상태를 관찰하기 위한 시료 제작시 선택비를 극대화한 식각으로 단면관찰을 용이할 수 있도록 한 주사전자현미경 관찰용 시료 제작 방법을 제공함에 있다.
도1은 일반적인 반도체장치의 알루미늄 플러그를 나타낸 단면도이다.
도2는 종래의 방법에 의해 만들어진 도1의 시료를 촬영한 주사전자현미경 사진을 나타낸 도면이다.
도3은 본 발명에 의한 일실시예를 수행하기 위한 전해식각 장치를 나타낸 구성도이다.
도4는 본 발명에 의한 일실시예로서 도1의 시료를 전해식각한 상태를 나타낸 도1의 I-I선 단면도이다.
도5는 도4와 같이 만들어진 시료를 주사전자현미경으로 촬영한 사진을 나타낸 도면이다.
도6은 본 발명에 의한 다른 실시예로서 도1의 시료를 건식식각한 상태를 나타낸 도1의 I-I선 단면도이다.
도7은 도6과 같이 만들어진 시료를 주사전자현미경으로 촬영한 사진을 나타낸 도면이다.
- 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 -
5 : 장벽금속층과 알루미늄층이 증착된 반도체소자의 일부분
10 : 기판 30 : 절연층
40 : 장벽금속층 42 : Ti층
44 : TiN층 50 : 알루미늄
80 : 전해액
상기와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명은(+)극성에 장벽금속층과 알루미늄층이 증착된 반도체소자의 일부분을 부착시키고 전해액에 담궈 전기분해시킴으로서Tio층 골격만을남기도록 하는 것을 특징으로 한다.
위와 같이 전기분해 방법으로 전위차에 의한 전해액의 전해를 촉진시켜 식각선택비를 극대화시킴으로서 관찰하고자 하는 물질의 골격만을 남기고 다른 부분은 식각시켜 관찰하고자 하는 물질과 다른 물질간의 대조차를 크게한다.
또한, RIE 건식식각으로 관찰하고자 하는 물질만을 식각하는 것을 특징으로 한다.
위와 같이 활성화된 이온을 이용하여 관찰하고자 하는 물질만을 식각하여 식각되지 않은 다른 물질과의 대조차를 크게한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 또한 본 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것은 아니고, 단지 예시로 제시된 것이며 종래 구성과 동일한 부분은 동일한 부호 및 명칭을 사용한다.
본 발명에 의한 시료 제작 방법으로는 먼저, 관찰하고자 하는 물질만을 남기고 다른 물질을 식각하여 대조차를 크게 만드는 방법이 있다. 또한 다른 방법으로관찰하고자 하는 물질만을 식각하고 다른 물질은 식각하지 않음으로서 대조차를 크게 만드는 방법이 있다.
본 발명에서는 도1에 도시된 일반적인 반도체장치의 장벽금속층으로 사용되는 TiN의 두께를 관찰하기 위한 시료를 제작하는 방법에 관한 것이다.
먼저, 전해식각으로 관찰하고자 하는 TiN층만 남기고 알루미늄과 Ti층을 식각시켜 TiN층과의 대조차를 크게하는 방법을 설명한다.
도3은 본 발명에 의한 일실시예를 수행하기 위한 전해식각 장치를 나타낸 구성도이다.
여기에서 보는 바와 같이 H2SO4: HF : H20가 1 : 1 : 5 의 비율로 혼합된 전해액(80)이 담긴 수조(70)에 전원공급장치(90)의 (+)극과장벽금속층과 알루미늄층이 증착된 반도체소자의 일부분(5)를 연결하여 전해액(80)에 담구고, (-)극에는 전극(7)을 연결하여 수조(70)에 담군다.
위와 같은 상태에서 전원공급장치(90)의 전압을 8V로 하고 전류를 250mA로 하여 약 10∼15초간 전기분해를 시키면 전위차에 의해 전해액(80)의 전해를 촉진시킴으로서장벽금속층과 알루미늄층이 증착된 반도체소자의 일부분(5)의 알루미늄(50)이나 Ti층(42)과 TiN층(44)의 식각선택비가 극대화되어 TiN층(44)의 골격만을 남겨놓고 알루미늄(50)이나 Ti층(42)은 식각된다.
위와 같이 전해식각에 의한 결과를 도4에 도시된 도1의 I-I선 단면도를 보면 확실히 알 수 있다.
즉, 도4에서 보는 바와 같이 알루미늄(50)과 Ti층(42)은 식각되어 깊이 들어가고 TiN층(44)은 식각되지 않아 Ti층(42)과 TiN층(44)과 알루미늄(50)간의 대조차가 극대화 된 것을 알 수 있다.
이와 같이 형성된장벽금속층과 알루미늄층이 증착된 반도체소자의 일부분(5)를 주사전자현미경을 통해 촬영한 사진을 도5에 도시하였다. 이 사진에서 보는 바와 같이 알루미늄(50) 플러그의 상부와 하부에 하얀색으로 보이는 부분이 장벽금속층(40)의 TiN층(44)을 나타낸 것으로서 선명한 영상을 얻을 수 있게된다.
다음으로, RIE(Reactive Ion Etcher) 건식식각으로 관찰하고자 하는 TiN층을 식각하여 식각되지 않은 알루미늄(50)이나 Ti층(42)과의 대조차를 크게하는 방법을 설명한다.
도6은 본 발명에 의한 다른 실시예로서 도1의 시료를 건식식각한 상태를 나타낸 도1의 I-I선 단면도이다.
도6은 시료를 압력 200 mTorr 에서 50ml의 CF4와 10ml의 O2가스를 혼합시킨 식각가스로 100W의 전력을 공급하면서 40 ~ 60초간 식각시켜 얻을 결과물이다.
위와 같이 RIE방법에 의한 건식식각으로 TiN층(44)을 식각하여 알루미늄(50)과 Ti층(42)간의 대조차를 크게하였다.
이렇게 얻어진 시료를 주사전자현미경을 통해 촬영한 사진을 도7에 도시하였다.
여기에서 보는 바와 같이 알루미늄(50) 플러그의 하부와 상부에 약간 어둡게나타난 부분이 TiN층(44)으로서 경사부분에서도 TiN층(44)을 구별할 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명은 반도체장치의 제조공정중 얇게 형성되는 층을 관찰하기 위해 주변의 다른 물질과 식각선택비를 전해식각방법과 RIE 건식식각방법으로 극대화시켜 주사전자현미경으로의 관찰시 선명한 영상을 얻을 수 있다는 이점이 있다.

Claims (1)

  1. (+)극성에 장벽금속층과 알루미늄층이 증착된 반도체소자의 일부분을 부착시키고, H 2 SO 4 : HF : H 2 0가 1 : 1 : 5 의 비율로 혼합된 전해액에 담궈 전기분해시킴으로서 알루미늄층을 제거하고 TiN층 골격만을 남기도록 하는 것을 특징으로 한 주사전자현미경 관찰용 시료 제작 방법.
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