KR100684448B1 - 반도체 소자의 비아 검사법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 소자의 비아 패턴을 검사하는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 반도체 소자의 비아 검사법에 있어서, 평면 시편의 비아 상부의 금속막을 제거해서 텅스텐을 노출시키는 단계; 상기 시편을 NH₄OH:H₂O₂:H₂O(DI Water):H₃PO₄:NHO₃로 이루어진 화학용액에 소정의 온도에서 소정의 시간 동안 침지시키는 단계; 상기 시편의 비아 텅스텐, TiN의 제거 및 하부 금속층의 일부를 제거하는 단계; 및 상기 화학용액에 침지시켰던 시편을 전자현미경으로 관찰하는 단계로 이루어짐에 기술적 특징이 있다.

따라서, 본 발명의 반도체 소자의 비아 검사법은 텅스텐 및 TiN을 제거하는 상기 화학용액이 비아 하부에 접촉된 알루미늄도 일부 제거하는 점을 이용해 비아와 하부 알루미늄의 접촉 여부를 관찰함으로써, 분석시간의 단축과 더불어 광범위한 영역에 대해 신속하고 정확한 분석이 이루어지는 효과가 있다.

비아, 비아홀, 텅스텐, TiN, 알루미늄, 침지

Description

반도체 소자의 비아 검사법 {Method for inspecting the via of semiconductor device}

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 비아 검사법을 나타내는 공정도.

도 2는 반도체 장치의 배선 및 배선연결부 단면도.

도 3은 비아와 하부 알루미늄 금속막이 정상적으로 접촉된 경우에 있어 비아 텅스텐과 TiN이 제거된 모습을 도시한 단면도.

도 4는 비아와 하부 알루미늄 금속막의 접촉이 불량인 경우에 있어 비아 텅스텐과 TiN이 제거된 모습을 도시한 단면도.

도 5는 본 발명의 일 실시 예를 설명하기 위한 전자현미경 사진.

도 6은 비아와 하부 알루미늄 금속막의 접촉으로 하부 알루미늄이 제거된 경우에 대한 전자현미경 사진.

도 7은 비아와 하부 알루미늄 금속막의 비접촉으로 하부 알루미늄이 제거되지 않은 경우에 대한 전자현미경 사진.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1: 하부 도전막 2: 절연막

3: 배리어 메탈 4: 하부 금속막

5: 금속층간 절연막 6: 배리어 메탈

7: 텅스텐 플러그 8: 상부 금속막

본 발명은 반도체 소자의 비아 검사법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 화학용액을 이용해 반도체 소자의 비아홀 내부의 텅스텐 플러그와 TiN 막을 제거해서 비아와 하부 금속막 간의 접촉 여부를 검사하는 방법에 관한 것이다.

최근, 반도체 소자가 고집적화 됨에 따라 다층 배선 구조가 필요하게 되었는데 이 같은 다층 배선 구조에서는 배선 상호간의 기생 용량을 최소화하기 위하여 각각의 배선층 사이에 두꺼운 층간 절연막을 개재시킨다. 이처럼 두꺼운 층간 절연막을 사용하는 다층 배선 구조에서, 층간절연막의 상·하부에 있는 배선층들은 콘택(contact) 또는 비아(via)를 통해 서로 전기적으로 연결된다.

종래 기술에 따른 반도체 소자 제조 방법에서는 다층 배선 구조에 필요한 비아를 형성하기 위하여 주로 알루미늄(Al)을 사용하였다. 그러나 비아를 형성하기 위한 홀 사이즈가 서브미크론급으로 스케일 다운(scale down)되고 알루미늄을 사용하는 공정에서 스텝 커버리지(step coverage) 문제가 대두됨에 따라, 금속 배선층은 알루미늄을 사용하여 형성하고, 서로 다른 레벨에 있는 이들 금속 배선층들을 서로 연결시키기 위한 비아는 텅스텐(W)을 사용하여 CVD(chemical vapor deposition) 방법으로 증착하여 형성하는 기술이 사용되고 있다. 이와 같은 다층 금속 배선 구조에서는 금속 배선의 신뢰성이 전체 장치 특성에 중요한 요소로 작동하는데, 금속배선의 신뢰성은 전자이동(electromigration)과 스트레스 이동(stress migration) 등으로 평가될 수 있다. 스트레스 이동은 주로 열적 스트레스, 구성 물질 등에 의한 스트레스 등과 같은 스트레스에 의해 기인되며 이러한 스트레스에 의해서 금속 배선에 보이드(void) 등이 형성될 수 있다. 이처럼 금속 배선에 보이드가 발생하면, 금속 배선과 비아 텅스텐과 같은 도전성 콘택 수단과의 접촉 불량으로 비아 불량(via fail)이 발생하게 된다.

비아 패턴 검사의 한 방법으로 종래에는 FIB(Focused Ion Beam)로 밀링(milling)하거나 연마처리(polishing)를 실시하여 단면 상에서 접촉 상태를 관찰하는 방법이 사용되었으나, 이 경우에는 2차원적으로 불량 위치를 노출시키는 것은 매우 곤란하였다.

비아 패턴 검사를 위한 또 다른 종래의 방법으로는 반도체 장치의 각 층마다 역공정(deprocessing)을 실시하여 식각 처리시에 상부 배선 금속의 하부에 나타난 접촉 자국의 크기를 기준으로 다른 하부 배선과의 단락 유무를 추정하기도 했다. 즉, 식각처리로 상부 금속층을 제거한 상태에서 하부 금속층의 표면에 정의되어 있는 접촉 자국으로 패턴 공간을 평가하였다. 그러나 이 경우, 상부 배선인 금속에 가려져 비아홀과 하부 금속배선 사이의 접촉 여부를 관찰하는 것이 어렵고, 또한 화학적 식각의 영향으로 접촉 부분의 윤곽이 커지기 때문에 정확도에도 문제가 있었다.

상기와 같은 방식에는 텅스텐 및 TiN 제거용 화학용액으로 HCl과 H₂O₂ 등이 주로 사용된다. 염산은 주로 잔존해 있는 알루미늄 제거용으로 사용되며, 이때 시편을 상온에서 3∼4분간 침지시킨다. 과산화수소는 배리어 메탈인 TiN 층과 비아 플러그인 텅스텐을 제거하기 위한 용도로 사용되며 과산화수소를 물과 혼합하거나 또는 과산화수소 단독으로 60∼70℃까지 가열한 상태에서 시편을 3∼5분간 침지시키는 방식으로 사용된다. 그러나 이 화학용액들은 비아의 하부에 위치한 알루미늄 금속막까지 동시에 제거하거나 비아홀 내부에 있는 TiN 층에 대한 식각 능력이 부족하여, 평면상으로 비아와 하부 금속배선 간의 접촉 여부를 확인하는 것이 거의 불가능하였다.

더욱이, 반도체 소자의 비아 패턴 검사를 위한 평면 시편에서 비아와 하부 알루미늄 배선과의 접촉 정도를 확인하려면 화학처리 후 주로 주사형 전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)을 이용하여 검사하여야 하는데 비아홀의 크기와 깊이 문제로 인하여 관찰이 거의 불가능하기 때문에 이 시편을 단면으로 확인하는 방법으로 검사가 진행되었다. 이에 더하여, 비아와 알루미늄 금속배선과의 접촉 여부에 대한 단면 분석은 비아의 개수와 크기에 비례하여 어려움이 커지며 구조분석에도 많은 시간이 소요되었다. 이에 따라, 평면에서 비아와 하부 금속배선과의 접촉 정도 차이를 신속하게 확인해 볼 수 있는 방법에 대한 필요성이 더욱 높아지고 있었다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 반도체 소자의 평면 시편을 금속막 제거용 화학용액에 침지시킨 후 전자현미경으로 관찰하여 비아와 하부 알루미늄 배선과의 접촉 여부를 평면에서 간단하고 신속하게 확인해 볼 수 있도록 하는 반도체 소자의 비아 검사법을 제공함에 본 발명의 목적이 있다.

본 발명의 상기 목적은 평면 시편의 비아 상부의 금속막을 제거해서 텅스텐을 노출시키는 단계; 상기 시편을 NH₄OH:H₂O₂:H₂O(DI Water):H₃PO₄:NHO₃로 이루어진 화학용액에 소정의 온도에서 소정의 시간 동안 침지시키는 단계; 상기 시편의 비아 텅스텐, TiN의 제거 및 하부 금속층의 일부를 제거하는 단계 및 상기 화학용액에 침지시켰던 시편을 전자현미경으로 관찰하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 비아 검사법에 의해 달성된다.

본 발명의 상기 화학용액의 구성비는 바람직하게는 [1.1 NH₄OH + 1 H₂O₂ + 1 H₂O(DI water) + 0.1 H₃PO₄ + 0.1 HNO₃]으로 구성될 수 있다. 일 예로서, 만약 0.55몰의 NH₄OH가 혼합된 혼합물을 사용한다면 본 발명의 텅스텐 및 TiN 제거용 화학용액의 조성은 [0.55 NH₄OH + 0.5 H₂O₂ + 0.5 H₂O(DI Water) + 0.05 H₃PO₄ + 0.05 HNO₃]가 된다. 또한 2.2 몰의 NH₄OH가 혼합된 혼합물을 사용한다면 본 발명의 텅스텐 및 TiN 제거용 화학용액의 조성은 [2.2 NH₄OH + 2 H₂O₂ + 2 H₂O(DI Water) + 0.2 H₃PO₄ + 0.2 HNO₃]가 된다.

비아 검사를 위한 평면 시편을 상기 화학용액에 소정의 온도에서 소정의 시간 동안 침지시키되, 바람직하게는 65∼70℃에서 3분간 침지시키면 상기 평면 시편의 텅스텐과 TiN이 제거됨과 동시에, 비아와 하부 알루미늄 금속배선이 적절하게 접촉되어 있다면 하부의 알루미늄 금속막이 일부 제거될 것이고, 만약 접촉되어 있지 않다면 하부 알루미늄 금속막은 전혀 제거되지 않을 것이다.

본 발명의 상기 목적과 기술적 구성 및 그에 따른 작용효과에 관한 상세한 사항은 본 발명의 바람직한 실시 예를 도시하고 있는 도면을 참조한 이하 상세한 설명에 의해 보다 명확하게 이해될 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 비아 검사법의 단계를 나타내는 공정도이다. 우선 검사하고자 하는 시편 상부의 알루미늄 층을 기존의 방법으로 제거하여 텅스텐을 노출시킨다. 이어서 텅스텐이 노출된 상기 시편을 본 발명의 화학용액에 침지시켜서 비아 내부에 적층돼 있는 텅스텐과 TiN을 제거한다. 이때 비아와 하부의 금속층이 접촉돼 있을 경우에는 하부 금속층의 알루미늄도 일부 제거된다. 이어서 화학용액에 침지시켰던 상기 시편을 전자현미경으로 관찰하여 비아와 하부 금속층간의 접촉 여부를 판단한다.

도 2는 일반적인 반도체 장치의 배선 및 배선연결부에 대한 단면도이다. 도 2에서 나타난 바와 같이, 아래쪽부터 실리콘웨이퍼 등으로 이루어진 하부 도전막(1), 산화막인 절연막(2), 배리어 메탈(barrier metal)(3) 및 하부 금속막(4)이 차례로 적층되어 있고, 이어서 하부 금속막(4)과 상부 금속막(8) 사이의 금속층간절연막(5) 속에 비아홀이 형성되어 있으며, 이 비아홀에는 티타늄(Ti) 또는 티타늄나이트라이드(TiN)로 된 배리어 메탈(6)과 비아 플러그인 텅스텐(7)이 순차적으로 증착되어 있다. 상기 하부 금속막과 상부 금속막의 재료로는 주로 알루미늄이 이용된다. 여기서 Ti 또는 TiN는 후속공정에서 형성되는 텅스텐 플러그의 접착성을 좋게 하면서 동시에 텅스텐이 주변의 산화막 또는 하부 금속막과의 접촉 부위에 침투해 들어가는 것을 막는 역할을 한다.

도 3 내지 도 4는 본 발명의 상기 화학용액을 사용하여 비아 텅스텐과 TiN가 제거된 모습을 도시한 단면도이다.

도 3을 참조하면, 평면 시편에서 비아 상부의 금속막을 제거하고 텅스텐을 노출시킨 후 이 시편을 상기 화학용액에 소정의 온도에서 소정의 시간 동안 침지시키면, 상기 화학용액이 텅스텐과 TiN을 빠르게 제거함과 동시에 하부 알루미늄 배선의 일부를 느리게 제거하게 된다. 도 3에서 비아 텅스텐과 TiN 층이 제거되어 비아홀(7')이 노출되어 있고 하부 알루미늄 배선에서 비아와 접촉되어 있던 부분을 중심으로 일부 알루미늄이 제거되어 있음을 알 수 있다.

도 4를 참조하면, 상기 시편에서 비아와 하부의 알루미늄 금속배선이 접촉되어 있지 않은 경우에는 상기 화학용액이 텅스텐과 TiN은 제거하지만 하부 금속막의 알루미늄은 제거하지 못하게 된다. 이를 전자현미경으로 관찰하면 제거되지 않은 알루미늄이 밝게 빛나는 모습으로 나타나게 된다. 즉, 하부 금속배선이 제거되지 않았음을 전자현미경을 통해 관찰함으로써 비아와 하부 금속배선의 비접촉 사실을 알 수 있게 되며, 이로써 분석시간의 단축과 더불어 광범위한 영역에 대해 신속한 분석이 이루어지게 된다.

도 5 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 현미경 사진을 도시한 것이다. 도 5는 설명을 돕기 위해 제시된 것으로, 평면시편을 상기 화학용액으로 처리한 후 전자현미경으로 관찰하게 되면, 텅스텐과 TiN이 제거된 비아홀은 검은 점으로 나타나며 하부 알루미늄이 일부 제거된 부분은 회색으로, 제거되지 않은 알루미늄은 노란색으로 나타나게 된다. 도 6은 비아와 하부 알루미늄 배선이 적절히 접촉돼 있는 시편을 상기 화학용액에 침지시킨 경우에 대한 전자현미경 사진이다. 검은색의 비아홀 주위에 회색으로 나타난 부분이 있으며, 이는 비아와의 적절한 접촉으로 하부 알루미늄이 일부 제거됐음을 보여준다. 도 7은 비아와 하부 알루미늄 배선이 접촉돼 있지 않은 시편을 상기 화학용액에 침지시킨 경우에 대한 전자현미경 사진이다. 도 7에서는 검은색의 비아홀 주위에 회색부분이 나타나지 않았으며, 이는 비아와 하부 금속막이 연결되지 않았음을 의미하는 것이다.

본 발명의 반도체 소자의 비아 검사법은 시편의 비아 텅스텐을 노출시켜서 이를 [1.1 NH₄OH + 1 H₂O₂ + 1 H₂O(DI Water) + 0.1 H₃PO₄ + 0.1 HNO₃]의 조성을 가진 화학용액으로 처리한 후 상기 시편을 전자현미경으로 관찰함으로써 비아와 하부 알루미늄 배선간의 접촉 여부를 신속하게 알아 낼 수 있다. 즉, 상기 화학용액이 비아홀을 채우고 있는 텅스텐과 TiN층을 제거함과 동시에 비아와 접촉된 하부 알루미늄 배선의 일부를 제거하며, 비아와 하부 알루미늄 배선간의 비접촉의 경우에는 상기 화학용액이 하부 금속배선의 알루미늄을 제거하지 않는다는 사실로부터 비아와 하부 금속배선간의 접촉 여부를 밝혀 냄으로써 분석시간의 단축과 더불어 광범위한 영역에 대해 신속하고 정확한 분석이 이루어지는 효과가 있다.

Claims (8)

1. 반도체 소자의 비아 검사법에 있어서,

   평면 시편의 비아 상부의 금속막을 제거해서 텅스텐을 노출시키는 단계;

   상기 시편을 NH₄OH:H₂O₂:H₂O(DI Water):H₃PO₄:NHO₃로 이루어진 화학용액에 소정의 온도에서 소정의 시간 동안 침지시키는 단계;

   상기 시편의 비아 텅스텐, TiN의 제거 및 하부 금속층의 일부를 제거하는 단계; 및

   상기 화학용액에 침지시켰던 시편을 전자현미경으로 관찰하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 비아 검사법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 화학용액의 NH₄OH:H₂O₂:H₂O(DI Water):H₃PO₄:NHO₃의 몰수 비는 1.1:1:1:0.1:0.1로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 비아 검사법.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 화학용액은 시편을 65∼70℃에서 3분간 침지시키는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 비아 검사법.
4. 제 2항에 있어서,

   상기 화학용액의 NH₄OH:H₂O₂:H₂O(DI Water):H₃PO₄:NHO₃의 몰수 비는 -5%∼+5%의 가변 범위를 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 비아 검사법.
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