KR100563816B1 - 반도체 소자의 비피에스지 또는 피에스지층 제거용화학용액 - Google Patents

반도체 소자의 비피에스지 또는 피에스지층 제거용화학용액 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체 소자의 불량분석에 사용되는 화학용액에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전자현미경을 이용한 반도체 소자의 불량분석에 있어 시편의 BPSG 또는 PSG층 제거를 위한 화학용액에 관한 것이다.
본 발명의 BPSG 또는 PSG층 제거용 화학용액은 불산과 에틸렌글리콜의 혼합용액 또는 불산과 에틸렌글리콜과 초산의 혼합용액으로 이루어짐에 기술적 특징이 있다.
따라서, 본 발명의 BPSG 또는 PSG 제거용 화학용액은 시편을 침지시키는 동안 잔류물을 발생시키지 않고 트랜지스터의 구성물질이나 연결물질의 측벽에 보호막을 형성함으로써 트랜지스터의 구성물질이나 연결물질이 손실되거나 위치가 변하는 것을 방지해 보다 정확한 불량 분석을 가능하게 하는 효과가 있다.
BPSG, PSG, 초산, 에틸렌글리콜

Description

반도체 소자의 비피에스지 또는 피에스지층 제거용 화학용액{BPSG and PSG film de-processing chemical solution for semiconductor device}
도 1은 종래의 BPSG 또는 PSG 절연막 제거용 화학용액인 SOE에 시편을 침지했을 때의 전자현미경 사진이다.
도 2는 본 발명에 따른 불산과 에틸렌글리콜 혼합 용액에 시편을 침지했을 때의 전자현미경 사진이다.
도 3은 본 발명에 따른 불산과 에틸렌글리콜과 초산 혼합 용액에 시편을 침지했을 때의 전자현미경 사진이다.
본 발명은 반도체 소자 결함분석용 산화물 제거 용액에 관한 것으로, 보다 자세하게는 반도체 소자의 불량분석용 시편 제작 과정에서 Boron-Phospho-Silicate Glass(이하 BPSG라 칭한다) 또는 Phospho-Silicate Glass(이하 PSG라 칭한다)와 같은 산화물을 제거하기 위해 사용되는 화학 용액에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 소자의 불량 유무를 분석하기 위해서는 평면 시편 또는 단면 시편을 제작한 후에 상기 제작된 시편을 전자현미경으로 관측한다. 최근의 반도체 소자는 다수의 층이 적층된 다층 구조로 이루어져 있으며 이들 층 중에서 불량이 발생한 층을 정확하게 관찰하기 위해서는 불량 발생 층이 노출되도록 상부 층을 식각하여 제거하게 되는데 적층된 각 층의 식각은 층을 이루는 물질에 따라 적당한 화학용액 내에 시편을 침지함으로써 이루어진다.
따라서 산화물로 된 절연막을 제거하기 위해 시편을 화학용액에 침지할 때는 특히 금속성 물질의 측면과 형태는 손상시키지 않으면서 산화물만을 제거하는 것이 중요하다.
일반적으로 반도체 소자에서 알루미늄 금속배선과 트랜지스터와의 절연 역할을 하는 Pre metal dielectric(이하 PMD라 칭한다)라 불리는 층에는 BPSG 또는 PSG 막이 이용되는데, BPSG는 열에 대한 플로(flow)성(850℃에서 점도가 급격히 변하는 성질)이 좋은 막질로 실리콘 산화막에 붕소(B), 인(P) 등의 불순물을 첨가시켜 낮은 온도에서 평탄화되도록 하는데 사용되는 절연막이며, PSG는 실리콘 산화막에 인(P)이 첨가된 것으로 절연특성이 양호하고 낮은 온도에서 리플로(Reflow)되는 특성을 갖는 물질로서 반도체 표면의 안정화 등에 사용된다.
반도체 소자의 결함분석용 시편 제작을 위해 이러한 BPSG 또는 PSG 절연막을 제거할 때는 표준 산화물 제거용 화학용액(standard oxide etchant, 이하 SOE라 칭한다)인 [207 H2O + 62.5 NH4F + 250 CH3COOH]이나 버퍼 산화물 제거용 화학용액(buffer oxide etchant, 이하 BOE라 칭한다)인 [52.2 H2O + 29 NH4F + 13 HF] 또는 불산(HF)과 같은 산화물 제거용 화학용액 내에 시편을 침지해야 한다. 그러나 BPSG 또는 PSG 절연막 제거를 위해 SOE를 사용할 경우 시편을 실온에서 10∼20분 정도 침지하게 되는데 이 과정에서 하부의 폴리실리콘 및 컨택 프로파일(contact profile)에 변형을 가져오게 되고 잔류물(residue) 형태의 이물질이 남게 된다. 또한 BOE을 사용할 경우에는 시편을 실온에서 수초∼수분 침지하고, 불산을 사용하는 경우에는 원액 또는 1∼10배의 이온제거수(deionized water)에 희석된 상태로 실온에서 수초∼수분간 침지하게 되는데, BOE나 불산을 사용하면 식각 속도가 매우 빠를 뿐만 아니라 노출 시간이 증가할수록 금속과 하부물질에 손상을 가하게 된다.
구체적으로 살펴보면, 실리콘 디옥사이드 식각에 주로 사용되는 BOE에서는 불산이 산화물 식각에 직접 관여하며 NH4F는 식각 속도를 조절하여 균일성을 좋게 하는 완충용액의 역할을 한다. 하지만 BOE가 금속막, 질화막, 산화막 및 다결정산화막 등의 식각액으로 사용되고 있다 하더라도 시편을 BOE 용액에 오랫동안 침지할 경우 금속층 표면이 드러나는 시점에서 불소기(F-radical)가 반응을 일으키게 된다. 한편 불산 수용액은 식각 속도가 매우 높고 금속을 부식시키는 성질이 있어 노출된 금속이 없는 실리콘 산화물을 벌크 식각하는 경우에만 적절하다.
도 1은 반도체 소자 불량분석용 시편의 BPSG 또는 PSG 산화물 제거 용액으로 SOE를 사용했을 때의 전자현미경 사진이다. 사진에서 알 수 있듯이 잔류물(residue)과 더불어 콘택 프로파일(contact profile)이 변형돼 있음을 확인할 수 있다.
따라서 이러한 산화물 제거용 화학용액 내에 시편을 침지하다 보면, 트랜지스터나 트랜지스터와 알루미늄 금속배선의 연결물질인 텅스텐 금속이 손실되거나, 본래의 위치에서 형태가 변화하기 때문에 불량 분석 판단에 혼란을 유발하는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 제반 단점과 문제점을 해결하기 위한 것으로, 불량 분석용 시편의 BPSG 또는 PSG 절연막을 제거하기 위해 화학용액 내에 시편을 침지할 때 트랜지스터의 구성물질이나 연결물질인 금속물질이 손실되거나 본래의 위치에서 형태가 변화하지 않도록 하는 화학용액을 제공해 정확한 분석이 이루어질 수 있도록 하는데 본 발명의 목적이 있다.
본 발명의 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 [1HF(불산) + 25 HO(CH2)2OH(에틸렌글리콜)]을 BPSG 또는 PSG 절연막 제거용 화학용액으로 사용하는 것을 그 기술적인 특징으로 한다. 또한 경우에 따라서는 [1HF(불산) + 25 HO(CH2)2OH(에틸렌글리콜) + (0.1∼1) CH3COOH(초산)]으로 이루어진 화학용액에서도 유사한 결과를 얻을 수 있다.
이하 본 발명에 따른 반도체 소자의 불량 분석용 화학 용액에 대해 상세히 설명한다. 본 발명에서는 전자현미경을 이용한 반도체 소자의 불량분석을 위해 평면 또는 단면 시편을 제작할 때, BPSG 또는 PSG 절연막 제거용 화학용액으로써 [1 HF + 25 HO(CH2)2OH]로 이루어진 혼합물을 사용하는데 이때 시편을 상기 용액에 실온 조건에서 30∼40분간 침지한다. 또는 상기 용액에 (0.1∼1)몰의 초산을 추가한 [1HF + 25 HO(CH2)2OH + (0.1∼1)CH3COOH]로 이루어진 혼합물을 사용할 수도 있다.
일 예로서, 만약 0.5몰의 불산이 혼합된 혼합물을 사용한다면 본 발명의 BPSG 또는 PSG 절연막 제거용 화학용액의 조성은 [0.5 HF + 12.5 HO(CH2)2OH]가 되며, 여기에 추가로 초산을 구비할 경우 혼합되는 초산의 양은 (0.05∼0.5)몰이 된다. 또한 2몰의 불산이 혼합된 혼합물을 사용한다면 본 발명의 BPSG 또는 PSG 절연막 제거용 화학용액의 조성은 [2 HF + 50 HO(CH2)2OH]가 되며, 여기에 추가로 초산을 구비할 경우 혼합되는 초산의 양은 (0.2∼2)몰이 된다.
이와 같은 PBSG 또는 PSG 절연막 제거용 용액을 사용하면 절연막 제거과정에서 이물질이나 박막형태의 잔류물(residue)이 발생하지 않으며 하부구조의 프로파일(profile) 특성에 손상을 주지도 않는다. 본 산화물 제거 화학용액에서 에틸렌글리콜은 트랜지스터의 구성물질이나 연결물질의 측벽에 얇은 막을 형성하여 트랜지스터의 구성물질이나 연결물질이 손실되거나 위치가 변화되는 것을 방지해 준다.
초산은 노출된 금속 배선, 특히 알루미늄 배선의 표면을 보호하는 역할을 한다. 또한, 초산은 용액 속에 존재하는 불산의 해리를 방지하여 이것이 분자의 형태로 남아있도록 함으로써 반도체 기판 표면에 노출될 가능성이 있는 SiO2나 알루미늄 배선 같은 물질들과 더욱 느리게 반응하도록 해 준다.
본 발명에 따른 BPSG 또는 PSG 절연막 제거용 화학용액에 시편을 침지했을 경우에 대한 전자현미경 사진을 도 2와 도 3에 제시하였다. 도 2는 BPSG 또는 PSG 절연막 제거용 화학용액으로 불산과 에틸렌글리콜 혼합물을 사용한 경우의 전자현미경 사진이고, 도 3은 상기 화학용액으로 불산과 에틸렌글리콜과 초산 혼합물을 사용한 경우의 전자현미경 사진이다. 앞서 도 1과는 달리 도 2와 도 3에서는 상기 발명한 화학용액을 사용함으로써 잔류물이 발생하지 않으며 하부구조의 프로파일 특성에도 영향을 주지 않음을 알 수 있다.
따라서, 본 발명의 BPSG 또는 PSG 절연막 제거용 화학용액인 [1HF + 25 HO(CH2)2OH] 또는 [1HF + 25 HO(CH2)2OH + (0.1∼1) CH3COOH]는 시편을 침지시키는 동안 잔류물(residue)을 발생시키지 않고 트랜지스터의 구성물질이나 연결물질의 측벽에 보호막을 얇게 형성함으로써 트랜지스터의 구성물질이나 연결물질이 손실되거나 위치가 변화되는 것을 방지하는 장점이 있으며, 이로써 보다 정확한 불량 분석을 가능하게 하는 효과가 있다.

Claims (4)

  1. 반도체 소자의 불량분석에 사용되는 산화막 제거용 화학용액에 있어서,
    불산(HF)과 에틸렌글리콜(HO(CH2)2OH)과 초산(CH3COOH)으로 이루어짐을 특징으로 하는 Born-Phospho-Silicate Glass(BPSG) 또는 Phospho-Silicate Glass(PSG) 절연막 제거용 화학용액.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 화학용액의 불산:에틸렌글리콜:초산의 몰수 비는 1:25:(0.1∼1)인 것을 특징으로 하는 Born-Phospho-Silicate Glass(BPSG) 또는 Phospho-Silicate Glass(PSG) 절연막 제거용 화학용액.
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