生命科学関連特許情報
| タイトル： | 特許公報(B2)_半導体装置の不良解析方法 |
| 出願番号： | 2000255686 |
| 年次： | 2006 |
| IPC分類： | H01L 21/66,H01L 21/3065,H01L 21/3205,G01N 1/28,G01N 1/32 |
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金子 守 板橋 厚 JP 3768082 特許公報(B2) 20060210 2000255686 20000825 半導体装置の不良解析方法 三洋電機株式会社 000001889 ▲角▼谷 浩 100131071 金子 守 板橋 厚 20060419 H01L 21/66 20060101AFI20060330BHJP H01L 21/3065 20060101ALI20060330BHJP H01L 21/3205 20060101ALI20060330BHJP G01N 1/28 20060101ALI20060330BHJP G01N 1/32 20060101ALI20060330BHJP JPH01L21/66 SH01L21/302 104ZH01L21/302 105BH01L21/88 BG01N1/28 GG01N1/32 B H01L 21/66 H01L 21/3065 H01L 21/3205 G01N 1/28-32 特開昭６４−０４６６６０（ＪＰ，Ａ） 3 2002076084 20020315 7 20021009 河本 充雄 【０００１】【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置の不良解析方法に関し、ＬＳＩの検査解析時のエッチング技術に関する。【０００２】【従来の技術】現状のＬＳＩの不良解析では、発見の困難な欠陥も数多く存在している。その故障原因の多くは電気配線の断線ショートに起因するものである。この欠陥の正体は、装置のチャンバー内で発生するダストによるものが多い。【０００３】微細化に伴ってクリーンルーム内のダスト、プロセス装置のチャンバー内で発生するダストの影響が確率的に増大するためである。【０００４】現在のＬＳＩの故障解析は、ＬＳＩテスター等により故障箇所を特定した後、薄膜を一層ずつ除去し、故障箇所を光学顕微鏡やＳＥＭ等で観察して、欠陥を見つける方法が主流である。【０００５】尚、メタル配線の除去は、熱した硫酸やリン酸、アルカリ水溶液等を使うウェットエッチング法により行っている。【０００６】【発明が解決しようとする課題】ＬＳＩの断線ショート故障は、現象は単純でありながら、原因を可視化し、明瞭に証明するのが困難である。なぜならば、一般に故障箇所の特定、あるいは推定を行った後、パッシベーション膜、メタル配線、層間絶縁膜等の薄膜を一層ずつ除去し、前記光学顕微鏡やＳＥＭ等で観察することで欠陥を特定するわけであるが、この処理に伴って上記欠陥が失われてしまうことが多いためである。【０００７】特に、メタル配線の除去では、ウェットエッチングを使わざるを得ない状況にあるが、ウェットエッチングはエッチングが等方的に進むため、エッチング制御が困難であるといった問題がある。例えば、２層目の配線を除去するとコンタクトホールから浸透したエッチャントが１層目の配線の一部まで溶解し、その後の解析に支障をきたす。即ち、コンタクトホールの形状や１層目の配線の観察ができなくなるためである。破壊検査とはいえ解析に伴ってサンプルを許容限界以上に壊すのは大きな欠点である。即ち、解析に必要なメタル配線を追いかけることができなくなるからである。【０００８】図４及び図５は、従来の２層メタル配線構造の半導体装置におけるメタル配線除去工程を説明するための図であり、図示したように半導体シリコン基板（図示省略）上にＢＰＳＧ膜等から成る下層の層間絶縁膜１１が形成され、当該下層の層間絶縁膜１１上に下層のメタル配線１２（Ａｌ−Ｓｉ，Ａｌ−Ｃｕ，Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ等）が形成され、当該下層のメタル配線１２上を被覆するように上層の層間絶縁膜１３が形成され、当該上層の層間絶縁膜１３に形成されたコンタクトホール１４を介して上層のメタル配線１５（Ａｌ−Ｓｉ，Ａｌ−Ｃｕ，Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ等）が形成されて成る半導体装置がある。【０００９】そして、図５に示すように２層目（上層）のメタル配線１５に対してウェットエッチング処理を施すと、当該上層のメタル配線１５と共に、コンタクトホール１４から浸透したエッチャントが１層目（下層）のメタル配線１２の一部まで溶解している。【００１０】このように上層のメタル配線１５と下層のメタル配線１２とは、同じ材質であるため、従来方法では選択的なエッチングが困難であった。【００１１】【課題を解決するための手段】そこで、本発明は半導体シリコン基板上に形成したメタル配線に起因する不良原因を解析する半導体装置の不良解析方法において、ウェットエッチング処理とドライエッチング処理とを組み合わせ、ウェットエッチング処理によりメタル配線の表面にダメージを与えておき、その状態でドライエッチング処理を施すことで、除去したいメタル配線のみを除去することを特徴とする。【００１２】これにより、従来のウェットエッチング処理した場合に発生していたコンタクトホールからのエッチャントの浸透が抑止される。【００１３】【発明の実施の形態】以下、本発明の半導体装置の不良解析方法に係る一実施形態について図面を参照しながら説明する。【００１４】ここで、本発明の特徴は、従来の解析手法であるウェットエッチング処理とは異なるドライエッチング方法によりメタル配線除去を可能にしたことである。即ち、従来のドライエッチングでは、一般的な装置の普通の条件で、イオンを数時間以上照射してもメタル配線は全く変化せず、ＣＶＤ酸化膜だけが損傷を受けるだけであった。【００１５】ここで、ドライエッチング処理におけるエッチングガスとして、例えばＣＨＦ3、ＣＦ4、ＳＦ6ガスあるいは不活性ガスであるＡｒガス等を用いて、メタル配線を通常のエッチング時の処理時間程度でエッチングしたが変化は見られなかった。尚、処理時間を（例えば、１０時間とか通常のエッチング処理時間として考えられない時間まで）延長してエッチングすれば変化が見られたかもしれないが、この場合では作業時間が長くなり、現実的ではない。また、臭素（Ｂｒ）を含んだＨＢｒ（臭化水素）ガス、更には塩素（Ｃｌ）を含んだＣＣｌ4（四塩化炭素）ガス等を用いるドライ・エッチングも考えられる。これらのガスは、ウエハプロセスにおけるメタル配線のエッチングにしばしば使われるガスであり、メタル配線除去の目的を達成するためには使用できる可能性が高い。しかし、このようなガスは、有害なガスであり、取り扱う上で危険が伴うと共に、大掛かりな安全装置が必要とされ、装置自体も高価なものであり、コスト面で不利である。【００１６】一方、ウェットエッチングでは数分間でメタル配線は、完全に溶解してしまう。【００１７】このように、ウェットエッチングだけでもドライエッチングだけでも、所望のエッチング状態は得られない。【００１８】そこで、本発明者は、ウェットエッチングとドライエッチング、それぞれの利点を生かしたプロセスを開発した。【００１９】先ず、図１において、１は半導体シリコン基板（図示省略）上に形成されたＢＰＳＧ膜等から成る下層の層間絶縁膜で、当該下層の層間絶縁膜１上に下層のメタル配線２（Ａｌ−Ｓｉ，Ａｌ−Ｃｕ，Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ等）が形成され、当該下層のメタル配線２上を被覆するように上層の層間絶縁膜３が形成され、当該上層の層間絶縁膜３に形成されたコンタクトホール４を介して上層のメタル配線５（Ａｌ−Ｓｉ，Ａｌ−Ｃｕ，Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ等）が形成されて成る半導体装置がある。【００２０】以下、このような２層メタル配線構造の半導体装置における不良解析を行うための、上層（２層目）のメタル配線の除去方法について説明する。【００２１】図２において、上層の層間絶縁膜３には損傷を与えずに、上層のメタル配線５（表面）だけをわずかに溶解する中間的な状態を得るために、ウェットエッチング処理でアンダーエッチング状態を作る（図２に示すように、上層のメタル配線５表面をエッチング除去し、表面にダメージを与える）。【００２２】本工程では、例えば、過酸化水素水と硫酸（Ｈ2Ｏ2：Ｈ2ＳＯ4の混合比＝３：１〜４：１として、今まで使用してきた通常のウェットエッチングに用いる際の混合比＝１：１に比して硫酸を減らすことで、エッチングレートを極端に低下させている。）との混合した直後の液体を用いて、数分間（およそ１〜２分程度）上層のメタル配線５の表面をライトエッチングしてダメージを与えている。即ち、過酸化水素水と硫酸を混合した直後には、化学反応により大量の発熱（およそ９０℃程度）が起こる。このときの化学反応で酸素が活性化している状態を利用し、この処理によりメタル配線のアルミ粒塊の結合力を弱める。尚、反応終了後の冷却したエッチャントには、ライトエッチング効果は見られない。【００２３】また、ライトエッチング用のウェットエッチャントとして、上記過酸化水素水と硫酸との混合液の他に、例えば、過酸化水素水と硝酸、過酸化水素水と塩酸、過酸化水素水とフッ酸、過酸化水素水とアンモニア水等の各混合液や後述する水酸化アンモニウム（ＮＨ4ＯＨ）や水酸化カリウム（ＫＯＨ）等のアルカリ水溶液でも同様にライトエッチング反応が起きることを確認している。【００２４】更に、ポジ型のホトレジスト膜用の現像液でも同様にライトエッチング反応が起きることを確認している。尚、このようなポジ型のホトレジスト膜用の現像液は、例えばＴＭＡ−ＯＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム溶液：Ｎ（ＣＨ3）4ＯＨ）が主成分の２．４％の水溶液である。このヒドロキシル基（−ＯＨ）がメタル配線の溶解に寄与しているものと推測する。更に言えば、このヒドロキシル基（−ＯＨ）がアルミニウムの溶解の主たる働きをしており、水酸化アンモニウム（ＮＨ4ＯＨ）や水酸化カリウム（ＫＯＨ）でもアルミニウムの溶解は可能である。【００２５】尚、現在では使用経験の長い過酸化水素水と硫酸との混合液や比較的エッチングレートの安定しているアルカリ水溶液を使用している。【００２６】続いて、完全異方性エッチング可能なＲＩＥ（Reactive Ion Etching）装置を用意する。この装置では、プラズマが一定の進行方向に揃うため、プラズマの運動エネルギーをメタル配線に集中的に向けることができる。【００２７】そして、上記ＲＩＥ装置をＯ2プラズマ・アッシング装置として流用する。【００２８】本工程では、エッチングガスとして酸素（Ｏ2）ガス流量を１０〜２０ＳＣＣＭ、ＲＦ出力を２００〜３００Ｗ、ＲＦ周波数を１３．５６ＭＨｚ、真空度２．６〜６．７Ｐａの各条件でドライエッチングを行う。【００２９】このとき、図３に示すように上層の層間絶縁膜３にダメージを与えることなく、除去したい上層のメタル配線５のみ（コンタクトホール４内のメタル配線５は残した状態で）除去することができる。ここでは、上述したウェットエッチング工程で上層のメタル配線５表面にダメージを与えておくことで、上記ドライエッチング工程において、従来のドライエッチング処理だけでは不可能であったメタル配線の溶解を可能にしている。【００３０】更に、上記ドライエッチング処理工程の改良として、酸素（Ｏ2）ガスにハロゲンガスを添加したエッチングガスを用いても良い。【００３１】この改良プロセスは、そのメタル配線の分解メカニズムは、上記酸素（Ｏ2）プラズマ・アッシャーと同様であるが、ＳＦ6やＣＦ4等のハロゲンガスを添加することで、ハロゲンガスによる高真空度、高出力のドライエッチング効果により、メタル配線の除去能力が増大し、メタル配線を除去すると共に、メタル配線の側壁のシリコン酸化膜（例えば、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）等）も除去することができる。【００３２】本工程では、エッチングガスとして酸素（Ｏ2）ガス流量を１０〜２０ＳＣＣＭ及びＳＦ6やＣＦ4等のハロゲンガス流量を１０〜２０ＳＣＣＭ、ＲＦ出力を２００〜３００Ｗ、ＲＦ周波数を１３．５６ＭＨｚ、真空度２．６〜６．７Ｐａの各条件でドライエッチングを行う。【００３３】尚、上述した各ドライエッチング工程では、アッシングの効果をより引き出すために、高真空度で高出力に設定している。【００３４】【発明の効果】本発明によれば、完全異方性エッチングを応用したウェットエッチング処理とドライエッチング処理とを組み合わせたプロセスにより、従来のウェットエッチング処理によるメタル配線除去の場合と異なり、コンタクトホールからのエッチャントの浸透が無くなり、除去したいメタル配線だけを選択的に除去することができるため、より確実な解析が行える。【図面の簡単な説明】【図１】本発明の一実施形態の半導体装置の不良解析方法を示す平面図である。【図２】本発明の一実施形態の半導体装置の不良解析方法を示す平面図である。【図３】本発明の一実施形態の半導体装置の不良解析方法を示す断面図である。【図４】従来の半導体装置の不良解析方法を示す断面図である。【図５】従来の半導体装置の不良解析方法を示す断面図である。 半導体シリコン基板上に形成されたＡｌ−Ｓｉ，Ａｌ−Ｃｕ，Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕから成る下層配線と、当該下層配線を被覆する層間絶縁膜に形成されたコンタクト孔を介して下層配線に接続されたＡｌ−Ｓｉ，Ａｌ−Ｃｕ，Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕから成る上層配線とを有する半導体装置の不良解析方法において、 前記上層配線をウエットエッチングすることで、その表面にダメージを与える工程と、 前記ダメージを受けた上層配線に対して、酸素ガスまたは酸素ガスにハロゲンガスを添加した混合ガスを用いて、ＲＦ出力が２００Ｗ〜３００Ｗで、真空度が２．６Ｐａ〜６．７Ｐａの条件でドライエッチング処理する工程と、を有することを特徴とする半導体装置の不良解析方法。 前記ウエットエッチング処理におけるウエットエッチャントが、過酸化水素水と硫酸、過酸化水素水と硝酸、過酸化水素水と塩酸、過酸化水素水とフッ酸、過酸化水素水とアンモニア水の各混合液であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の不良解析方法。 前記ウエットエッチング処理におけるウエットエッチャントが、アルカリ水溶液であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の不良解析方法。