KR100583169B1 - 하전 입자빔 분석 장비를 이용한 하부 금속층 회로 수정방법 - Google Patents

하전 입자빔 분석 장비를 이용한 하부 금속층 회로 수정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 결함 분석 방법은, FIB (Focused Ion Beam) 장비와 같은 하전 입자빔 분석 장비를 이용하여 반도체 소자의 하부 금속층을 회로 수정하며, 시료의 FIB 영상 데이터를 준비하는 단계와, 반도체 소자의 최상부 금속층의 레이아웃 데이터와 하부 금속층의 레이아웃 데이터를 FIB 영상 데이터로 각각 변환하는 단계와, 시료를 FIB 장비에 로딩하는 단계와, 시료의 영상 데이터를 기준으로 최상부 금속층의 영상 데이터를 시료의 영상 데이터와 정렬하는 1차 정렬 단계와, 최상부 금속층의 영상 데이터를 기준으로 하부 금속층의 영상 데이터를 최상부 금속층의 영상 데이터와 정렬하는 2차 정렬 단계와, 정렬된 하부 금속층의 FIB 영상 데이터를 기준으로 시료의 하부 금속층에 대한 회로 수정(예컨대, 금속선의 절단이나 연결)을 하는 단계를 포함한다. FIB 장비를 이용한 금속선의 절단은 FIB 밀링(milling)을 통해 이루어질 수 있고, 금속선의 연결은 백금의 FIBID (Focused Ion Beam Induced Deposition)로 할 수 있다. 본 발명에서는 FIB 장비의 모니터를 통해 육안으로 확인할 수 있는 하부 금속층의 레이아웃 데이터로부터 변환된 FIB 영상 데이터를 이용하여 실제 반도체 웨이퍼의 하부 금속층에 대한 회로 수정 작업을 하기 때문에, 종래에는 불가능하였던 하부 금속층을 수정할 수 있다.
결함 분석, FIB (Focused Ion Beam), 회로 수정

Description

하전 입자빔 분석 장비를 이용한 하부 금속층 회로 수정 방법{Method for Modifying Circuit Patterns by Using Charged Ion Beam Analysis Equipment}
도 1은 본 발명에 따른 하부 금속층 회로 수정 방법을 적용하기에 적합한 집속 이온빔 장비의 개략도.
도 2는 본 발명에 따른 회로 수정 방법에서 시료의 FIB 영상을 준비하는 단계를 보여주는 평면도.
도 3a와 도 3b는 각각 최상부 금속층과 하부 금속층의 레이아웃 데이터를 FIB 영상으로 준비하는 단계를 보여주는 평면도.
도 4a는 시료 영상과 최상부 금속층 영상을 정렬하는 단계를 설명하기 위한 평면도.
도 4b는 최상부 금속층 영상 위에 하부 금속층 영상을 정렬하는 단계를 설명하기 위한 평면도.
도 5는 하부 금속층 영상 데이터를 이용하여 하부 금속층 회로를 수정하는 단계를 설명하기 위한 평면도.
본 발명은 반도체 집적회로 소자의 불량 분석 기술에 관한 것으로서, 좀 더 구체적으로는 하전 입자빔 분석 장비로 금속층의 레이아웃 데이터를 이용하여 하부 금속층의 회로를 수정하는 방법에 관한 것이다.
고집적 반도체 소자의 경우 설계에서부터 제조, 검사까지 많은 시간과 비용이 들기 때문에, 반도체 집적회로 소자를 검사한 후 불량이 발견되었을 때에는 EM (Emission Microscope) 또는 OBIRCH (Optical Beam Induced Resistance Change)와 같은 전기적 분석 장비를 이용하여 불량 위치를 확인하고 불량 분석을 하여야 한다.
이러한 집적회로 소자의 불량 분석 또는 고장 분석(failure analysis)의 기본적인 목적은 반도체 집적회로 소자의 신뢰성을 확보하려는 것인데 이를 크게 3가지로 나눌 수 있다. 첫째, 소자의 시작품(proto type)을 평가하는 과정에서 고장을 조사하고 이것을 설계 단계에서 재검토하도록 하여 개발 단계에서 신뢰성이 확보되도록 하는 것, 둘째, 제조 공정에서 생긴 고장을 분석하고 그 결과를 공정으로 되돌려 주어 전체 공정에서 신뢰성과 품질을 향상시키는 것, 셋째, 현장에서 생긴 고장을 조사하여 이것이 소자의 결함으로 인해 생긴 것인지 아니면 다른 외부적인 요인(예컨대, 사용 도중 과다한 전압이 걸렸다거나 잡음이나 열적 스트레스가 가해졌다거나 하는 요인)으로 인한 것인지 확인하는 것이 불량 분석의 목적이다.
일반적으로 집적회로 소자의 불량 분석은 불량으로 인해 어떤 현상이 생기는지, 불량이 언제 어디서 생겼는지, 불량이 반복될 수 있는지를 파악하는 불량 모드, 소자 내에서 불량이 생긴 위치를 찾고 그 위치에 어떤 응력이 작용하였는지 파 악하는 불량 메커니즘, 유사한 불량이 다른 곳에서도 발생하였는지는 파악하는 통계 분석 등의 과정을 거친다. 불량 분석을 위한 첫 단계는 집적회로 소자 내의 어느 위치에서 고장이 생겼는지 그 위치를 알아내는 것이다. 이것은 새로운 제품의 결함을 빨리 제거하는 데에는 물론, 수율(yield)을 높이고 사용자로부터 제기된 신뢰성 문제를 파악하며, QA (Quality Assurance) 단계의 고장을 해결하는 데에도 매우 중요하다.
반도체 소자의 제조 공정 중에 결함을 검출하는 데에는 광학 분석 장비를 많이 사용한다. 그런데 광학 분석 장비는 초점심도가 작고 빛의 회절로 인한 흐려짐(blurring) 때문에 한계가 있다. 예컨대 폴리실리콘 게이트의 합선이나 비아 또는 접속부의 오픈 현상은 광학 분석 장비로는 검출하기 어렵다. 또한, 광학 분석 장비는 빛의 회절로 인해 해상도에 한계가 있기 때문에, 최소치수(CD: critical dimension)가 0.25㎛ 이하로 축소되면 결함을 검출하는 것이 불가능하다.
하전 입자 빔 분석법(charged particle beam inspection)은 광학 분석에 비해 더 개량된 기술로서, 스캔 전자 현미경(SEM: Scanning Electron Microscope), 집속 이온빔(FIB: Focused Ion Beam) 시스템, 전자빔 결함 검출 시스템으로 분류할 수 있다. 이 가운데, 집속 이온빔 시스템은 전자들의 빔을 사용하지 않고 고도로 집속된 갈륨 이온 빔을 사용한다. 집속 이온빔 시스템은 시료의 영상화(imaging)를 위해서는 낮은 빔 전류로 동작하며, 특정 영역을 스퍼터링(sputtering)하거나 밀링(milling)하기 위해서는 높은 전류로 동작한다. FIB 시스템에서는 갈륨(Ga+) 일차 이온 빔이 시료의 표면을 때리면 시료 표면에 이차 이온 또는 중성 원자가 남게 되고 이차 전자(e-)가 생성된다. 일차 빔으로 시료 표면을 조사하면서 이차 전자로부터 구한 신호를 통해 영상을 만들 수 있고, 이 영상을 통해 집적회로 소자의 불량을 파악할 수 있다.
FIB 시스템을 통해 집적회로 소자의 불량 위치를 검출한 다음에는 불량 위치의 레이아웃(layout)을 검토하고 불량이 발생한 레이아웃의 마스크를 수정하기 전에 FIB (Focused Ion Beam) 장비를 이용하여 불량을 유발한 회로를 수정하여 이상 유무를 검증한 다음에 집적회로 소자를 제조하는 것이 시간과 비용을 절약할 수 있다.
그러나 FIB 장비를 이용하여 회로 설계를 수정할 때에는 FIB 영상을 보면서 회로의 특정 부분을 절단하거나 연결하여야 하므로, 최상부 금속층에 대해서는 쉽게 회로 수정을 할 수 있지만, 하부 금속층에 대해서는 회로 수정이 어렵다는 문제가 있다.
본 발명의 목적은 하전 입자 빔 분석 장비를 이용하여 하부 금속층에 대한 회로 수정을 쉽게 할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 집적회로 소자의 불량을 정확하게 분석하고 회로 수정을 함으로써 반도체 집적회로 소자의 신뢰성을 높이고, 집적회로 소자의 개발 비용과 시간을 절약하는 것이다.
본 발명에 따른 결함 분석 방법은, 집속 이온빔 분석 장비와 같은 하전 입자빔 분석 장비를 이용하여 반도체 소자의 하부 금속층을 회로 수정하며, 시료의 FIB 영상 데이터를 준비하는 단계와, 반도체 소자의 최상부 금속층의 레이아웃 데이터와 하부 금속층의 레이아웃 데이터를 FIB 영상 데이터로 각각 변환하는 단계와, 시료를 하전 입자빔 분석 장비에 로딩하는 단계와, 시료의 FIB 영상 데이터를 기준으로 최상부 금속층의 FIB 영상 데이터를 시료의 영상 데이터와 정렬하는 1차 정렬 단계와, 최상부 금속층의 FIB 영상 데이터를 기준으로 하부 금속층의 FIB 영상 데이터를 최상부 금속층의 영상 데이터와 정렬하는 2차 정렬 단계와, 정렬된 하부 금속층의 FIB 영상 데이터를 기준으로 시료의 하부 금속층에 대한 회로 수정(예컨대, 금속선의 절단이나 연결)을 하는 단계를 포함한다.
FIB 장비를 이용한 금속선의 절단은 FIB 밀링(milling)을 통해 이루어질 수 있고, 금속선의 연결은 기체 상태의 유기금속(예컨대, 백금) 전구체(precusor)의 분리를 집속 이온빔을 통해 유발하는 직접 패턴 형성 방법인 FIBID (Focused Ion Beam Induced Deposition)로 할 수 있다.
본 발명에서는 FIB 장비의 모니터를 통해 육안으로 확인할 수 있는 하부 금속층의 레이아웃 데이터로부터 변환된 FIB 영상 데이터를 이용하여 실제 반도체 웨이퍼의 하부 금속층에 대한 회로 수정 작업을 하기 때문에, 종래에는 불가능하였던 하부 금속층을 수정할 수 있다.
구현예
이하 도면을 참조로 본 발명의 구체적인 구현예에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 하부 금속층 회로 수정 방법을 적용하기에 적합한 FIB 장비의 개략도이다.
도 1을 참조하면, FIB 장비는 이온총(2, ion gun), 집속 렌즈(4), 스캐닝 코일(6, scanning coil), 대물 렌즈(8), 프루브(10, probe), 이차 전자 검출부(12), 모니터(14)를 포함한다. 이온총(2)은 예컨대, 10~40 kV의 가속 전압으로 동작하여 이온 빔을 발사하는데, 좀 더 깨끗한 시료(20)의 표면 영상을 얻기 위해 가속 전압을 낮출 수 있다. 이온총(2)에서 나온 이온빔은 집속 렌즈(4)와 스캐닝 코일(6), 대물 렌즈(8)를 거쳐 집속되어 시료(20)의 표면에 도달한다. 시료 표면에 충돌한 이온빔은 이차 이온 또는 중성 원자를 시료 표면에 남기고 이차 전자가 시료 표면에서 튀어 나온다. 이차 전자는 검출부(12)에서 검출하고 검출된 신호를 통해 모니터(14)에 FIB 영상을 표시한다.
다음으로 도 2 내지 도 5를 참조로 본 발명에 따른 하부 금속층 회로 수정 방법을 설명한다.
먼저 도 2를 참조하면, 시료의 FIB 영상을 준비한다. 시료의 FIB 영상은 도 1을 참조로 앞에서 설명했던 방식으로 얻을 수 있다. 시료는 불량이 발생하여 불량 분석과 회로의 수정이 필요한 집적회로 소자가 형성된 반도체 웨이퍼를 말한다.
그 다음, 시료인 반도체 웨이퍼를 제조하는 데에 사용했던 레이아웃 데이터 를 FIB 영상으로 변환한다. 도 3a는 시료의 레이아웃 데이터 중 최상부 금속층의 레이아웃 데이터를 FIB 영상으로 변환한 것이고, 도 3b는 시료의 레이아웃 데이터 중 하부 금속층(예컨대, 최상부 금속층 바로 아래의 하부 금속층)의 레이아웃 데이터를 FIB 영상으로 변환한 것이다. 금속층 각각의 레이아웃 데이터는 이미 저장되어 있는 데이터이므로, 이것을 데이터 변환하여 도 3a와 도 3b에 나타낸 바와 같은 FIB 영상 데이터를 준비할 수 있다.
다음으로 도 4a를 참조하면, 시료를 FIB 장비에 로딩하고, 시료의 영상 데이터를 기준으로 최상부 금속층의 영상 데이터를 시료 영상 데이터와 정렬한다(1차 정렬). 그 다음 도 4b에서 보는 것처럼, 1차 정렬된 최상부 금속층의 영상 데이터를 기준으로 그 위에 하부 금속층 영상 데이터를 정렬한다(2차 정렬). 여기서 1차 정렬과 2차 정렬에 오차가 생기면 회로 수정을 정확한 위치에 할 수 없기 때문에, 정렬 오차가 생기지 않도록 주의하여야 한다.
마지막으로 도 5를 참조하면, 1차 정렬과 2차 정렬이 끝난 영상 데이터를 보면서 하부 금속층의 회로를 FIB 장비를 사용하여 수정하는데, 하부 금속층의 FIB 영상 데이터(도 3b)를 기준으로 실제 시료 웨이퍼에 대해 특정 금속선을 절단하고 다른 금속선을 연결하는 작업을 통해 시료의 하부 금속층 회로를 수정할 수 있다.
FIB 장비를 이용한 금속선의 절단은 예컨대, GAE (Gas Assisted Etching) 방법을 이용하는 FIB 밀링(milling)을 통해 이루어질 수 있다. 금속선의 연결은 예컨대, 백금을 이용할 수 있다. 백금을 이용한 금속선의 연결은 기체 상태의 유기금속 전구체(precusor)의 분리(dissociation)를 집속 이온빔을 통해 유발하는 직 접 패턴 형성 방법으로 FIBID (Focused Ion Beam Induced Deposition)의 하나이다.
본 발명에서는 시료의 FIB 영상만으로는 모니터를 통해 육안으로 확인하기 어려운 하부 금속층의 영상을 레이아웃 데이터로부터 구하고, 이 하부 금속층의 영상 데이터를 기준으로 실제 시료 웨이퍼에 형성되어 있는 하부 금속층에 대한 회로 수정을 할 수 있다.
지금까지 본 발명의 구체적인 구현예를 도면을 참조로 설명하였지만 이것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 평균적 지식을 가진 자가 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것이고 발명의 기술적 범위를 제한하기 위한 것이 아니다. 따라서 본 발명의 기술적 범위는 특허청구범위에 기재된 사항에 의하여 정하여지며, 도면을 참조로 설명한 구현예는 본 발명의 기술적 사상과 범위 내에서 얼마든지 변형하거나 수정할 수 있다.
본 발명에 따르면 FIB와 같은 하전 입자 빔 분석 장비를 이용하여 하부 금속층에 대한 회로 수정을 쉽게 할 수 있으며, 따라서 집적회로 소자의 불량을 정확하게 분석하고 회로 수정을 함으로써 반도체 집적회로 소자의 신뢰성을 높이고, 집적회로 소자의 개발 비용과 시간을 절약할 수 있다.

Claims (3)

  1. 하전 입자빔 분석 장비를 이용하여 반도체 소자의 하부 금속층을 회로 수정하는 방법으로서,
    시료의 영상 데이터를 준비하는 단계와,
    상기 반도체 소자의 최상부 금속층의 레이아웃 데이터와 하부 금속층의 레이아웃 데이터를 상기 하전 입자빔 분석 장비의 영상 데이터로 각각 변환하는 단계와,
    상기 시료를 하전 입자빔 분석 장비에 로딩하는 단계와,
    상기 시료의 영상 데이터를 기준으로 최상부 금속층의 영상 데이터를 시료의 영상 데이터와 정렬하는 1차 정렬 단계와,
    상기 최상부 금속층의 영상 데이터를 기준으로 하부 금속층의 영상 데이터를 최상부 금속층의 영상 데이터와 정렬하는 2차 정렬 단계와,
    상기 정렬된 하부 금속층의 영상 데이터를 기준으로 상기 시료의 하부 금속층에 대한 회로 수정을 하는 단계를 포함하는 하부 금속층의 회로 수정 방법.
  2. 제1항에서,
    상기 하전 입자빔 분석 장비는 집속 이온빔(FIB: Focused Ion Beam) 장비인 것을 특징으로 하는 하부 금속층의 회로 수정 방법.
  3. 제1항에서,
    상기 시료의 하부 금속층에 대한 회로 수정 단계는 시료의 하부 금속층에 있는 특정 금속선을 절단하는 과정과 금속선을 서로 연결하는 과정을 포함하며, 상기 금속선을 연결하는 과정은 백금 금속을 이용하는 것을 특징으로 하는 하부 금속층의 회로 수정 방법.
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