KR20060117674A - ＳｉＯＣ 막질로 이루어지는 금속층간 절연막의 불순물측정 방법 - Google Patents

ＳｉＯＣ 막질로 이루어지는 금속층간 절연막의 불순물측정 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 박막분석법(TLA) 장치를 이용하여 SiOC 막질로 이루어지는 금속층간 절연막에 포함된 불순물을 측정하는 방법에 있어서, SiOC 막질로 이루어지는 금속층간 절연막이 표면에 형성된 웨이퍼를 박막분석법(TLA) 장치에 설치하는 로딩(loading) 과정과; SiOC 막질로 이루어지는 금속층간 절연막에 대해 전처리 용액(Pretreatment Solution)으로 SiOC 막질을 제거하고, 동시에 웨이퍼 표면에 존재하는 금속 불순물들을 포집하는 전처리 과정과; GF-AAS 장치를 이용하여 막질 중에 존재하는 금속 불순물의 농도를 측정하는 측정 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 SiOC 막질로 이루어지는 금속층간 절연막의 불순물 측정 방법에 관한 것이다.
이와 같은 구성을 가지는 본 발명에 따르면, SiOC 막질 중의 금속불순물 측정을 위해 박막분석법을 사용함으로서, 종래의 기상분해법을 사용하는 경우에 웨이퍼 표면에 나타나는 잔류 물질이 형성되지 않는 효과가 있고, 또한 SiOC 막질 분해와 금속불순물 포집에 우수한 전처리 용액을 사용함으로서, SiOC 막질 중의 금속불순물 측정에 대한 분석 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
금속층간 절연막, SiOC, 박막분석법, 기상분해법

Description

ＳｉＯＣ 막질로 이루어지는 금속층간 절연막의 불순물 측정 방법{Method for Measuring Impurities in Intermetal Dielectric}
도 1은 SiOC 막질로 이루어지는 금속층간 절연막을 나타내는 단면도.
도 2는 종래의 기상분석법을 이용하여 금속층간 절연막의 불순물을 측정하는 과정을 나타내는 순서도.
도 3은 SiOC 막질로 이루어지는 금속층간 절연막을 나타내는 SEM 장비로 촬영한 사진.
도 4는 SiOC 막질로 이루어지는 금속층간 절연막을 AES 장비로 분석한 그래프.
도 5는 SiOC 막질로 이루어지는 금속층간 절연막을 분석하기 위한 박막분석법 장치를 나타내는 개략도.
도 6은 본 발명에 따른 박막분석법을 이용하여 SiOC 막질로 이루어지는 금속층간 절연막의 불순물을 측정하는 과정을 나타내는 순서도.
<도면의 주요 부호에 대한 설명>
1 : 웨이퍼 2 : 금속층간 절연막
3 : TLA 장치
본 발명은 금속층간 절연막(Intermetal Dielectric)의 불순물 측정 방법에 관한 것으로서, 좀 더 구체적으로는 구리배선 공정에서 금속층간 절연막으로 이용되는 저유전율(Low-K) 물질인 SiOC 막질 중에 존재하는 불순물을 측정할 수 있게 하는 금속층간 절연막의 불순물 측정 방법에 관한 것이다.
ULSI(Ultra Large Scale Integrated) 소자의 미세화, 고집적화 및 고속화 요구가 점차 증가하고 있고, 그러한 요구에 대응하기 위해서는 다층 배선 기술에 대한 신기술 개발이 필요하고, 특히 다층 배선 기술 중에서도 층간 절연막의 재료와 그 형성 기술이 소자의 특성을 향상 시켜주는 중요한 요소로 여겨지고 있다.
현재 금속층간 절연막의 재료로 주로 산화규소(SiO2) 박막이 사용되고 있다. 그러나 산화규소(SiO2) 박막은 유전율이 3.9 내지 4.2로서 너무 높아서 최소 선폭 0.13㎛급 이하의 소자의 금속층간 절연막 재료로는 적합하지 않다. 이처럼 유전율이 높은 재료를 금속층간 절연막으로 사용하지 못하는 이유는, 금속층간 절연막으로 저유전 물질을 사용하지 않으면 배선간의 기생 정전용량이 배선 사이에 발생하기 때문이다. 따라서, 현재 사용되고 있는 Al/SiO2 조합의 박막을 0.13㎛ 이하의 배선에 적용할 경우 지연 시간이 급격하게 증가한다. 그렇지만, Cu/Low-k조합의 박막을 0.13㎛ 이하의 배선에 적용할 경우에는 Al/SiO2 보다 지연 시간을 50% 정도 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 금속 배선층을 12층에서 6층으로 감소시킬 수 있어 서 복잡한 금속배선 공정을 간소화 할 수 있고, 또한 소자의 소모 전력이 30% 정도 감소하므로 공정 단가를 30% 줄일 수 있기 때문에, 차세대 반도체 소자 개발에 있어 층간 절연물질이 핵심 요소 기술로 대두되고 있다. 따라서, 배선간 기생 커패시턴스(Capacitance)를 더욱 감소시키기 위하여, 종래의 SiO2 막질의 유전율인 4.1보다 작은 유전율을 갖는 SiOF, SiOC 등의 절연막을 이용하는 것이 널리 알려져 있다.
도 1에는 SiOC 막질로 이루어지는 금속층간 절연막이 도시되어 있다.
웨이퍼(1) 표면에서 금속층간 절연막(2)으로 형성되는 SiOC 막질은 SiO2에 탄소를 함유시킨 물질로서 저유전(Low-k) 물질의 부피 유전율 상수(Bulk dielectric constant)인 k값이 2.6 내지 2.8을 가질 뿐만 아니라, 전기적, 기계적, 화학적 및 열적 특성이 우수한 저유전 재료이다.
한편, 도 2에는 종래의 기상분해법을 이용하여 금속층간 절연막의 불순물을 측정하는 과정을 나타내는 순서도가 도시되어 있다. 이러한 기상분해법은 기존의 층간 물질인 SiOF(FSG)/SiO2(USG) 막질들에 대해 사용되어 왔다.
도 2를 참조하면, 기상분해법은 금속층간 절연막에 대해 불산 증기로 막질을 분해한 후, 스캐닝 용액을 이용하여 웨이퍼 표면에 존재하는 금속 불순물들을 포집하고, GF-AAS 장치를 이용하여 막질 중에 존재하는 금속 불순물들을 측정하는 분석 방법이다.
그러나 새로운 층간 막질인 SiOC 막질의 경우, 막질 중의 금속 불순물에 대 한 전처리 방법이 현재까지 알려져 있지 않고, SiOC 막질에 대해서도 기존의 기상분해법(VPD)을 적용할 경우, SiOC 막질의 분해 과정에서 웨이퍼 표면에 흰색 성분들이 생성되어 잔류하게 된다.
도 3은 SiOC 막질로 이루어지는 금속층간 절연막을 나타내는 SEM 장비로 촬영한 사진을 나타내고, 도 4는 SiOC 막질로 이루어지는 금속층간 절연막을 AES 장비로 분석한 그래프를 나타낸다.
도 4에 도시된 바와 같이, 기상분해법(VPD)을 이용하여 SiOC 막질의 분해하는 과정에서 웨이퍼 표면에 생성되는 흰색 잔류 성분은, AES(Auger Electron Spectroscopy) 장비로 분석한 결과 주로 Si/C/O/F 성분들로 구성되어 있는 것을 관찰할 수 있다. 이러한 흰색 잔류 성분은, 스캐닝 용액(HCl+H2O2)에는 녹지 않기 때문에 웨이퍼 표면의 스캐닝 과정에서 방해 작용을 하게 된다. 따라서, 기상분해법으로 SiOC 막질을 가진 웨이퍼를 전처리할 경우 신뢰성 있는 분석 결과를 얻기 어렵고, 이러한 문제점을 해결할 수 있는 웨이퍼 전처리 방법이 요구된다.
본 발명의 목적은, 저유전율(Low-K) 물질인 SiOC 막질로 이루어지는 금속층간 절연막(Intermetal Dielectric)의 금속불순물 측정에 있어서 신뢰성 있는 분석 결과를 얻기 위한 것이다.
본 발명에 따른 SiOC 막질로 이루어지는 금속층간 절연막의 불순물 측정 방 법은, 박막분석법(TLA) 장치를 이용하여 SiOC 막질로 이루어지는 금속층간 절연막에 포함된 불순물을 측정하는 방법에 있어서, SiOC 막질로 이루어지는 금속층간 절연막이 표면에 형성된 웨이퍼를 박막분석법(TLA) 장치에 설치하는 로딩(loading) 과정과; SiOC 막질로 이루어지는 금속층간 절연막에 대해 전처리 용액(Pretreatment Solution)으로 SiOC 막질을 제거하고, 동시에 웨이퍼 표면에 존재하는 금속 불순물들을 포집하는 전처리 과정과; GF-AAS 장치를 이용하여 막질 중에 존재하는 금속 불순물의 농도를 측정하는 측정 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 전처리 용액에는, 5% 내지 10%의 HF와, 2% 내지 5%의 HCl, 10% 내지 15%의 H2O2가 함유되는 것이 바람직하다.
특히 상기 전처리 용액에는, 8%의 HF와, 2%의 HCl, 그리고 15%의 H2O2가 함유되는 것이 더욱 바람직하다.
구현예
이하 도면을 참조로 본 발명의 구현예에 대해 설명한다.
SiO2와 SiN 막질 분해에 자주 사용되고 있는 기존의 기상분해법(VPD법)을 SiOC막질 분해에 적용할 경우, 이미 기술한 바와 같이 SiOC 막질의 분해 과정에서 생성되는 잔류 성분들로 인해 웨이퍼 전처리의 신뢰성이 떨어진다. 따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위해 웨이퍼 표면의 막질 제거와, 금속 불순물 포집이 동시에 가능한 방법인 박막 분석법(TLA법)을 적용할 경우, 막질 분해 과정에서 생성되 는 잔류 성분의 발생을 거의 제거할 수 있고, 따라서 좀 더 신뢰성 있는 분석 결과를 얻을 수 있다.
도 5에는 SiOC 막질로 이루어지는 금속층간 절연막을 분석하기 위한 박막분석법(TLA) 장치가 개략적으로 도시되어 있고, 도 6에는 박막분석법(TLA) 장치를 이용하여 SiOC 막질로 이루어지는 금속층간 절연막의 불순물을 측정하는 박막분석법(TLA)의 과정이 도시되어 있다.
도 5를 참조하면, 박막분석법(TLA) 장치(3)는 테프론(Teflon) 재질의 웨이퍼 표면 전처리 기구에 SiOC 막질(2)을 가진 웨이퍼(1)를 장착한 후, 웨이퍼(1) 표면의 SiOC 막질(2) 위에 전처리 용액을 주입하여 전처리하는 장치이다.
도 6을 참조하면, 박막분석법(TLA)은, SiOC 막질로 이루어지는 금속층간 절연막이 표면에 형성된 웨이퍼를 박막분석법(TLA) 장치에 설치하는 로딩(loading) 과정과, SiOC 막질로 이루어지는 금속층간 절연막에 대해 전처리 용액(Pretreatment Solution)으로 막질을 전처리하여, SiOC 막질을 제거하고, 동시에 웨이퍼 표면에 존재하는 금속 불순물들을 포집하는 전처리 과정, 그리고 GF-AAS 장치를 이용하여 막질 중에 존재하는 금속 불순물들을 측정하는 측정 과정으로 이루어진다.
이하에서는 SiOC 막질로 이루어지는 금속층간 절연막에 대해, 종래의 기상분해법과 본 발명에 따른 박막분석법을 적용한 경우의 실시예를 비교하여 살펴본다.
우선, SiOC 막질로 이루어지는 금속층간 절연막을 종래의 기상분해법(VPD)을 적용하여 불순물을 측정한 경우, 그 분석 조건 및 측정 결과는 다음과 같다.
기상분해법을 적용한 경우의 분석 조건을 살펴보면, 분석 막질(Analysis film)의 재질은 5000ㅕ 두께의 SiOC 박막이고, 전처리(Pretreatment)는 불산 증기(HF Fume)에 의해 이루어지며, 스캐닝 용액(Scanning Solution)은 0.5% 내지 2%의 HCl와 2% 내지 5%의 H2O2가 합성된 용액이 사용되고, 그 스캐닝 용액량은 대략 0.5mL 정도 사용된다. 이와 같은 스캐닝 용액에 의해 포집된 금속 불순물 원소는, GF-AAS (Graphite Furnace-Atomic Absorption Spectroscopy)라는 분석 장비에 의해 분석되어 진다.
그리고 기상분해법을 적용한 경우의 불순물 측정 결과는 아래의 [표 1]과 같다.(단위 : atoms/cm2)
[표 1]
원소 Na Mg Al Ca Cr Fe Ni Cu
SiOC#1 웨이퍼 5E+08 5E+08 6.94E+09 3.67E+09 5E+08 1.31E +09 3.80E +09 2.46E +09
SiOC#2 웨이퍼 5E+08 5E+08 1.43E+09 2.71E+09 5E+08 5E+08 4.51E +09 5E+08
여기서 SiOC#1 웨이퍼에 대해서는 불산 증기(HF Fume)로 SiOC 막질을 제거한 후, 스캐닝 용액으로 금속 불순물들을 포집한 후 분석을 실시한 경우이고, SiOC#2 웨이퍼에 대해서는 SiOC 막질 제거 과정을 거치지 않고, 곧바로 스캐닝 용액으로 금속 불순물들을 포집한 후 분석을 실시한 경우이다.
SiOC#1 웨이퍼의 불순물 측정에 대한 분석 결과, SiOC 막질의 경우 불산 증기(HF Fume)에 의해 막질은 제거되지만, 웨이퍼 표면에 흰색 잔류성분(Residue)이 남아 새로운 막질을 형성하게 된다. 도 4에 도시된 바와 같이, 흰색 잔류(Residue) 성분을 AES(Auger Electron Spectroscopy) 장비로 분석하면, Si/C/O/F 원소들이 검출되고, 검출된 원소들은 산(Acid) 이나 초순수(DIW)에도 녹지 않으며, 반응성도 없는 것으로 나타난다.
SiOC#2 웨이퍼의 불순물 측정에 대한 분석 결과, Ni 원소를 제외한 대부분의 금속불순물 원소의 농도에 있어서, SiOC 막질 분해 후 스캐닝한 SiOC#1 웨이퍼의 경우보다 낮은 농도 값을 갖는 것으로 검출된다. 이는 금속 불순물들이 막질 표면에 존재하는 양보다 막질 중에 존재하는 양이 좀 더 많은 것을 의미하는 것이므로, 결국 SiOC 막질 중에 존재하는 금속 불순물의 농도를 측정해야, 웨이퍼 표면에 존재하는 금속불순물의 정확한 농도를 측정할 수 있다는 의미를 나타낸다.
다음으로, SiOC 막질로 이루어지는 금속층간 절연막을 본 발명에 따른 박막분석법을 적용하여 불순물을 측정한 경우, 그 분석 조건 및 측정 결과는 다음과 같다.
박막분석법을 적용한 경우의 분석 조건을 살펴보면, 분석 막질(Analysis film)의 재질은 5000ㅕ 두께의 SiOC 박막이고, 전처리 용액(Pretreatment Solution)은 볼륨%로 5% 내지 10%의 HF와, 2% 내지 5%의 HCl, 10% 내지 15%의 H2O2가 합성된 용액이 사용되고, 그 전처리 용액량은 대략 5mL 정도 사용된다. 이와 같은 스캐닝 용액에 의해 포집된 금속 불순물 원소는, GF-AAS (Graphite Furnace-Atomic Absorption Spectroscopy)라는 분석 장비에 의해 분석되어 진다.
그리고 박막분석법을 적용한 경우의 불순물 측정 결과는 아래의 [표 2]와 같 다.(단위 : atoms/cm2)
[표 2]
전처리 용액 Na Mg Al Ca Cr Fe Ni Cu
8%HF /15%HNO3 1.25E+11 4.92E+10 2.11E+10 7.86E+10 7.07E +09 7.34E +10 2.42E +10 8.58E +09
8%HF/2%HCl /15%H2O2 4.79E+11 4.00E+10 1.58E+10 2.10E+11 8.89E +09 8.36E +10 1.31E +10 1.06E +11
여기서 [표 2]의 측정 결과는, 동일한 조건으로 제조된 약 웨이퍼에 대해, 2가지의 다른 전처리 용액 사용에 따른 SiOC 막질 중에 존재하는 금속 불순물들의 포집 농도를 나타낸다.
박막분석법을 적용한 경우의 불순물 분석 결과, 박막분석법에 의하면, HF/HNO3과 HF/HCl/H2O2의 두 가지 전처리 용액에서 모두 SiOC 막질이 잘 분해되며, 약 1시간정도의 막질 분해 시간이 소요된다. 또한, 기상분해법(VPD)에서는 막질 분해 후 많은 흰색 잔류 성분이 웨이퍼 표면에 존재하였으나, 박막분석법에서는 잔류 성분이 미량 존재하는 것을 관찰할 수 있다. 특히 8%HF/2%HCl/15%H2O2 전처리 용액의 경우, 막질 분해 후 흰색 잔류성분이 거의 발생되지 않는 것을 관찰할 수 있다.
박막분석법에서 사용되는 전처리 용액은 이미 언급되었듯이 막질을 분해하고 금속불순물들을 포집하는 중요한 기능을 한다. 따라서 두 가지 전처리 용액에 따른 금속불순물 포집 능력을 비교하면, Cu 원소의 경우 HF/HCl/H2O2로 구성된 전처리 용액이 HF/HNO3로 구성된 전처리 용액보다 높은 포집 능력을 갖는 것을 관찰할 수 있다. 그러나, 다른 원소들은 큰 포집 농도 차이를 관찰할 수 없다.
위의 측정 결과로부터, 결국 8%HF/2%HCl/15%H2O2 전처리 용액을 사용할 경우, 흰색 잔류 물질이 거의 생성되지 않고, 금속불순물에 대한 포집이 이루어진다는 것을 알 수 있다.
한편, 또 다른 실시예에서는 SiOC 막질 두께에 따른 막질 분해 소요 시간을 박막분석법으로 측정하였다. 여기서, 웨이퍼의 표면 성질이 소수성에서 친수성으로 바뀌고, 막질이 완전 제거된 후에는 다시 소수성으로 막질의 표면 성질아 바뀌는 것을 확인할 수 있다. 한편, 전처리 용액으로는 8%HF/2%HCl/15%H2O2 용액을 사용하였다.
SiOC 막질의 두께가 대략 500??일 때, 막질 분해 소요 시간은 대략 10 내지 15분 정도가 소요되고, SiOC 막질의 두께가 대략 1000??일 때, 막질 분해 소요 시간은 대략 20 내지 25분 정도가 소요된다. 그리고, SiOC 막질의 두께가 대략 2000??일 때, 막질 분해 소요 시간은 대략 40 내지 45분 정도가 소요되고, SiOC 막질의 두께가 대략 4000??일 때, 막질 분해 소요 시간은 대략 65 내지 70분 정도가 소요되며, SiOC 막질의 두께가 대략 5000??일 때, 막질 분해 소요 시간은 대략 85 내지 90분 정도가 소요된다.
이러한 SiOC 막질 두께에 따른 막질 분해 소요 시간은, 전처리 과정에 필요한 예상 소요 시간을 예측하는 용도로 이용될 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, SiOC 막질 중의 금속불순물 측정을 위해 박막분석법을 사용함으로서, 종래의 기상분해법을 사용하는 경우에 웨이퍼 표면에 나타나는 잔류 물질이 형성되지 않는 효과가 있다.
또한 본 발명에 따르면, SiOC 막질 분해와 금속불순물 포집에 우수한 전처리 용액을 사용함으로서, SiOC 막질 중의 금속불순물 측정에 대한 분석 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

Claims (3)

  1. 박막분석법(TLA) 장치를 이용하여 SiOC 막질로 이루어지는 금속층간 절연막에 포함된 불순물을 측정하는 방법에 있어서,
    SiOC 막질로 이루어지는 금속층간 절연막이 표면에 형성된 웨이퍼를 박막분석법(TLA) 장치에 설치하는 로딩(loading) 과정과;
    SiOC 막질로 이루어지는 금속층간 절연막에 대해 전처리 용액(Pretreatment Solution)으로 SiOC 막질을 제거하고, 동시에 웨이퍼 표면에 존재하는 금속 불순물들을 포집하는 전처리 과정과;
    GF-AAS 장치를 이용하여 막질 중에 존재하는 금속 불순물의 농도를 측정하는 측정 과정;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 SiOC 막질로 이루어지는 금속층간 절연막의 불순물 측정 방법.
  2. 제1항에서,
    상기 전처리 용액에는, 5% 내지 10%의 HF와, 2% 내지 5%의 HCl, 10% 내지 15%의 H2O2가 함유되는 것을 특징으로 하는 SiOC 막질로 이루어지는 금속층간 절연막의 불순물 측정 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에서,
    상기 전처리 용액에는, 8%의 HF와, 2%의 HCl, 그리고 15%의 H2O2가 함유되는 것을 특징으로 하는 SiOC 막질로 이루어지는 금속층간 절연막의 불순물 측정 방법.
KR1020050040129A 2005-05-13 2005-05-13 ＳｉＯＣ 막질로 이루어지는 금속층간 절연막의 불순물측정 방법 KR20060117674A (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US10541178B2 (en) 2017-01-05 2020-01-21 Samsung Electronics Co., Ltd. Method and device for evaluating quality of thin film layer

Cited By (1)

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US10541178B2 (en) 2017-01-05 2020-01-21 Samsung Electronics Co., Ltd. Method and device for evaluating quality of thin film layer

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