KR100720488B1 - 다마신 공정에 의해 형성되는 구리 금속 배선의 보이드검사 방법 - Google Patents

Abstract

다마신 공정에 의해 형성된 구리 금속 배선 내부에 보이드가 형성되었는지 여부를 검사하는 방법이 개시된다. 본 방법은, 반도체 기판 위에 가속제가 첨가된 도금액을 이용하여 구리를 전기화학 도금함으로써 구리 도금층을 형성하는 단계와, 상기 구리 도금층 상면에서의 반사율을 측정하는 단계와, 상기 구리 도금층 상면의 반사율을 보이드가 형성되지 않은 정상 상태인 구리 도금층의 반사율과 비교하여 보이드 형성 유무를 판단하는 단계를 포함한다. 이 방법에 따르면, 고가의 전자빔 검사 장치를 도입하지 않고도 구리 금속 배선 내부에 보이드가 형성되었는지 여부를 판별할 수 있다

다마신 공정, 구리, 장벽 금속층

Description

다마신 공정에 의해 형성되는 구리 금속 배선의 보이드 검사 방법{METHOD FOR INSPECTING VOID IN COPPER METALLIZATION LAYER FORMED BY DAMASCENE PROCESS}

도 1a 내지 도 1d는 듀얼 다마신 공정을 이용한 종래의 구리 금속 배선의 형성 방법을 설명하는 도면들이다.

도 2a 내지 도 2b는 본 발명에 따른 다마신 공정에 의해 형성된 구리 금속 배선의 보이드 검사 방법을 설명하는 도면들이다.

본 발명은 반도체 소자의 제조 기술에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 다마신 공정에 의하여 형성된 구리 금속 배선에 보이드가 형성되었는지 여부를 검사하는 방법에 관한 것이다.

반도체 제조 공정은 크게 실리콘 기판에 트랜지스터를 형성하는 기판 공정(Front End of the Line, FEOL)과 배선을 형성하는 배선 공정(Back End Of the Line, BEOL)으로 구분된다. 여기서, 배선 공정은 개별 트랜지스터를 서로 연결하여 집적 회로를 구성하는 전원 공급 및 신호 전달의 통로를 실리콘 기판 위에 구현 하는 공정을 말한다.

이러한 배선 공정에 높은 EM(Electro-migration) 내성을 갖는 재료인 구리(Cu)가 많이 사용되고 있다. 그런데, 구리는 식각이 용이하지 않고 공정 중에 산화되는 문제점으로 인하여, 일반적인 사진 기술을 적용하여 패터닝하기가 용이하지 않다. 대안으로서, 구리 금속 배선 형성을 위하여, 다마신(Damascene) 공정 기술이 개발되었다. 특히, 듀얼 다마신 공정(dual damascene)은, 기판 위에 형성된 층간 절연막에 비아(via)와 트렌치(trench)를 형성한 후, 구리를 매립하고 화학기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing) 공정으로 평탄화시키는 공정이다.

도 1a 내지 도 1d를 참조하여, 종래의 듀얼 다마신 공정을 소개하면 다음과 같다.

먼저, 도 1a에서 보듯이, 하부 금속 배선(12)이 형성된 제1 층간 절연막(10) 위에 장벽 절연막(14)을 형성한다. 장벽 절연막(14)은 그 상부의 다마신 패턴을 형성하는 공정에서 식각 저지막으로서 기능하며, 실리콘 질화막(SiN), 실리콘 카바이드(SiC) 등으로 형성된다. 그리고, 장벽 절연막(14) 위에 제2 층간 절연막(16)을 형성한다. 제2 층간 절연막(16)을 형성한 다음에는, 장벽 절연막(14)을 식각 저지막으로 사용하여, 제2 층간 절연막(16)에 비아(16a) 및 트랜치(16b)로 이루어진 다마신 패턴을 형성한다. 그리고, 비아(16a)에 의해 노출된 장벽 절연막(14)의 일부를 제거한 후, 제2 층간 절연막(16)의 전면에 장벽 금속층(18)을 형성한다. 장벽 금속층(18)은 비아(16a) 및 트랜치(16b)의 내벽을 따라 균일하게 증착된다.

다음으로, 도 1b에서 보듯이, 장벽 금속층(18) 위에 구리 시드층(19)을 형성 한다. 그리고, 도 1c에서 보듯이, 전기화학 도금법(Electro-Chemical Plating; ECP)으로 구리 시드층(19) 위에 비아(16a)와 트랜치(16b)를 충분히 채우는 구리층(20)을 형성한다. 그 후, 도 1d에서 보듯이, 구리층(20)을 화학적 기계적 연마 공정(Chemical-Mechanical Polishing; CMP)으로 절연막(16)이 노출될 때까지 연마하여 구리 금속 배선(22)을 완성한다.

한편, 반도체 소자의 집적도가 증가함에 따라, 금속 배선 또한 더욱 미세해지고 있다. 다마신 공정에서는 전기화학 도금법을 이용하여 층간 절연막에 형성된 다마신 패턴을 구리로 매립하는데, 다마신 패턴이 미세해지면 구리 갭필이 어려워져서 구리 금속 배선 내부에 보이드(Void) 등의 결함이 발생할 수 있다. 따라서, 다마신 공정을 거친 후 형성된 구리 금속 배선에 보이드 등의 결함이 형성되었는지 여부를 검사할 필요가 있으나, 보이드는 금속 배선 내부에 형성되므로 일반적인 광학적 검사 방법으로는 검사가 불가능하다. 대안으로서 전자선(E-Beam)을 이용한 검사 장치를 이용한 검사 방법을 도입하고 있으나, 전자선 검사 장치는 고가일 뿐만 아니라 관리가 까다롭기 때문에, 반도체 소자의 제조에서 공정 효율 및 제조 비용을 증가시키는 요인이 된다.

본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위한 것으로서, 다마신 공정에 의해 형성된 구리 금속 배선에 보이드 등의 결함이 형성되었는지 여부를 일반적인 광학 장치를 이용하여 검사할 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 다마신 공정에 의해 형성된 구리 금속 배선의 보이드 검사 방법은, 다마신 공정에 의해 형성되는 구리 금속 배선의 보이드(Void) 검사 방법으로서, 반도체 기판 위에 가속제가 첨가된 도금액을 이용하여 구리를 전기화학 도금함으로써 구리 도금층을 형성하는 단계와, 상기 구리 도금층을 평탄화하기 전에 상기 구리 도금층 상면에서의 반사율을 측정하는 단계와, 상기 구리 도금층 상면의 반사율을 보이드가 형성되지 않은 정상 상태인 구리 도금층의 반사율과 비교하여 보이드 형성 유무를 판단하는 단계를 포함한다.

여기서, 구리 도금층은 기판 위의 층간 절연막에 형성된 다마신 패턴의 내부를 매립하고 아울러 상기 층간 절연막 위에 소정의 두께로 형성된다. 만약, 구리 도금층의 반사율이 상기 정상 상태인 구리 도금층의 반사율보다 낮은 경우에는 보이드가 형성된 것으로 판정할 수 있다.

이하에서는 도 2a 내지 도 2b를 참조하여 본 발명에 따른 구리 금속 배선의 보이드 검사 방법의 바람직한 실시예를 설명한다.

도 2a 및 도 2b에는 층간 절연막(16)에 형성된 다마신 패턴 내부에 전기화학 도금법을 이용하여 구리 도금층(20)을 형성한 상태를 도시하였다. 층간 절연막(16)에 다마신 패턴을 형성하는 공정과, Ta막 또는 Ta/TaN 이중막으로 된 장벽 금속층(18) 및 구리 시드층을 형성하는 공정은 도 1a 및 도 1c에서 설명한 종래의 방법과 유사하므로 여기서는 자세한 설명을 생략하기로 한다.

한편, 일반적인 다마신 공정에서는, 기판 위에 형성된 다마신 패턴 중에서 폭이 작은 패턴은 폭이 큰 패턴보다 더 빨리 매립되는데, 매립 속도가 느린 폭이 큰 패턴 내부에 갭필이 충분히 이루어질 수 있도록 부가적인 도금을 진행하게 된다. 이러한 부가적인 도금을 보통 벌크 도금(Bulk Plating)이라고 하는데, 즉 층간 절연막(16)의 표면 위로 두껍게 형성되는 도금층을 말한다.

또한, 일반적으로 전기화학 도금의 갭필 특성을 더욱 향상시키기 위하여, 도금액(Electrolyte)에 유기 첨가제인 가속제(Accelerator)를 첨가한다. 가속제는 통상 반도체 소자의 제조에 허용 가능한 농도 범위가 정해져 있는데, 도금액 1 리터(ℓ)에 대하여 약 4 ~ 8 밀리리터(㎖)로 첨가된다. 만약 가속제의 농도가 비정상적으로 낮을 경우 미세 패턴의 갭필이 충분히 진행되지 못하게 된다. 따라서, 도 2a에서 보듯이, 완전히 갭필된 구리 도금층(20) 상부에서는 가속제의 농도가 정상적인 농도 범위 내에 있으나, 반대로 도 2b에서 보듯이, 내부에 보이드(20a)가 형성된 구리 도금층(20)의 상부에서는 가속제의 농도가 비정상적으로 낮게 된다.

한편, 가속제의 농도에 따라 구리 도금층 표면에서의 반사율이 달라지게 된다. 따라서, 보이드가 없는 정상 상태인 구리 도금층(도 2a)의 반사율과 비정상 상태인 구리 도금층(도 2b)의 반사율은 서로 다르다. 일반적으로, 반사율(Reflection Coefficient)은 단위 면적당 반사광의 에너지와 입사광의 에너지의 비(比)를 의미하며, 즉 초기 입사되는 빛의 에너지가 단위 면적당 Eini이고 반사된 빛의 에너지가 단위 면적당 Eref인 경우, 반사율(R)은 Eref/Eini로 나타낼 수 있다. 또한, 반사율은 반사율 측정기(Reflectometer)를 이용하여 측정할 수 있으며, 다양한 종류가 있으므로 여기서는 이에 대한 설명을 생략하기로 한다.

순수 구리의 반사율은 약 0.63인데, 가속제의 농도가 정상 범위 내에 있다면 대략 순수 구리의 반사율과 같은 값을 갖게 되지만, 가속제의 농도가 비정상적으로 낮다면 순수 구리의 반사율보다 현저히 낮아지게 된다. 그러므로, 전기화학 도금에 의해 형성된 구리 도금층의 반사율을 측정하면 그 상부에서의 가속제의 농도 범위가 정상 범위에 있는지 아니면 비정상적으로 낮은지를 판별할 수 있으며, 이를 통해 구리 도금층이 다마신 패턴 내부에 충실히 갭필이 되어 있는지 여부를 간접적으로 검사할 수 있다.

도 2a 및 도 2b에서 보듯이, 구리 도금층(20)을 벌크 도금까지 진행한 후에, 구리 도금층(20) 상면에서의 반사율을 측정한다. 이때, 가속제의 농도에 따른 반사율의 변화를 감지하기 위해서 벌크 도금층을 CMP 공정으로 제거하기 전에 반사율을 측정하는 것이 바람직하다. 그리고, 측정 대상물인 구리 도금층의 반사율을 정상 상태인 구리 도금층의 반사율과 비교하여 결함 유무를 판별한다. 정상 상태에서의 구리 도금층의 반사율은 미리 전자빔 장비를 이용하여 보이드가 형성되지 않음을 정확하게 검사한 구리 도금층에 대하여 측정한 반사율로 결정할 수 있다.

본 발명에 따르면, 고가의 전자빔 검사 장치를 도입하지 않고도 구리 금속 배선 내부에 보이드가 형성되었는지 여부를 판별할 수 있다. 본 발명에 따른 보이드 검사 방법에서는, 장비의 가격이 저렴하고 또한 사용이 간편한 일반적인 광학 장치를 이용하여 다마신 공정에 의해 형성된 구리 금속 배선 표면의 반사율을 측정하는 방식으로 검사가 수행된다. 종래의 전자빔 검사 장치를 이용한 방법에 비하여 검사 방법이 단순하므로, 반도체 소자의 제조 비용을 절감할 수 있으며, 또한 공정 효율을 증대시킬 수 있다. 본 발명에 따른 구리 금속 배선의 보이드 검사 방법은, 듀얼 다마신 공정 뿐만 아니라 싱글 다마신 공정에도 적용될 수 있다.

지금까지 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위 내에서 변형된 형태로 구현할 수 있을 것이다. 그러므로 여기서 설명한 본 발명의 실시예는 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 상술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (4)

1. 다마신 공정에 의해 형성되는 구리 금속 배선의 보이드(Void) 검사 방법으로서,

   반도체 기판 위에 가속제가 첨가된 도금액을 이용하여 구리를 전기화학 도금함으로써 구리 도금층을 형성하는 단계와,

   상기 구리 도금층을 평탄화하기 전에 상기 구리 도금층 상면에서의 반사율을 측정하는 단계와,

   상기 구리 도금층 상면의 반사율을 보이드가 형성되지 않은 정상 상태인 구리 도금층의 반사율과 비교하여 보이드 형성 유무를 판단하는 단계를 포함하는 구리 금속 배선의 보이드 검사 방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 구리 도금층은 상기 기판 위의 층간 절연막에 형성된 다마신 패턴의 내부를 매립하고 아울러 상기 층간 절연막 위에 소정의 두께로 형성된 것을 특징으로 하는 구리 금속 배선의 보이드 검사 방법.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,

   상기 구리 도금층의 반사율이 상기 정상 상태인 구리 도금층의 반사율보다 낮은 경우 보이드가 형성된 것으로 판별하는 것을 특징으로 하는 구리 금속 배선의 보이드 검사 방법.

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