KR100287930B1 - 응력조정된 절연막의 형성방법,반도체장치 및 그의 제조방법 - Google Patents

응력조정된 절연막의 형성방법,반도체장치 및 그의 제조방법 Download PDF

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가즈오 마에다
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Abstract

본 발명은, 3층이상의 금속배선을 적층하는 때에 각 배선의 사이에 개재시키는 응력조정된 절연막의 형성방법에 관한 것이다. 피퇴적 기판(21) 상에, 인장응력이 있는 절연막(23a∼23d)과 압축응력이 있는 절연막(22a∼22e)을 교호로 적층하여, 전체의 응력이 조정된 적층절연막을 형성한다.

Description

응력조정된 절연막의 형성방법, 반도체장치 및 그의 제조방법
본 발명은 응력조정된 절연막의 형성방법, 반도체장치 및 그의 제조방법에 관한 것이며, 더 상세하게는, 3층이상의 금속배선을 적층하는 때에 각 배선의 사이에 개재시키는 응력조정된 절연막의 형성방법, 반도체장치 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
근래, 반도체장치의 고밀도화에 따라, 3층이상의 다층 배선구조로 할 필요가 생기고 있다. 상하 배선간 및 인접 배선간을 절연하기 위해 층간 절연막을 개재시키고 있다. 그러나, 3층이상의 다층 배선구조에 있어서는 좁은 배선 사이를 극간없이 묻는 것과 그렇게 묻은 배선구역의 표면을 평탄화하는 것이 매우 중요하다.
한편, 각종의 절연막에 대하여는 표 1에 나타낸 바와 같은 성질 등이 알려져 있다.
표 1
절연막의 종류 묻음성 평탄성 막질
SOG 막TEOS/O3열CVD 막플라즈마 CVD 막고밀도플라즈마 CVD막 ○ ○ ×◎ ○ ○× × ○◎ × ◎
3층이상의 다층배선 간에 형성되는 층간절연막의 하나으로서는 막질이 좋은 막과 묻음성이 좋은 막으로 이루어지는 복수의 절연막의 조합이 사용된다. 예를 들어, 플라즈마 CVD 막과 TEOS/O3열 CVD 막이나 SOG 막과의 조합이 적절하다. 즉, 플라즈마 CVD 법에 의한 성막방법과 열 CVD 법에 의한 성막방법 또는 도포법(coating method)에 의한 성막방법이 조합으로 이용된다.
아울러, 플라즈마 CVD 막은 일반적으로 막질이 양호하기 때문에, CMP 법이나 에칭백 법(etching-back method) 등의 평탄화 기술과의 공용을 전제로 플라즈마 CVD 막 단일로 층간절연막으로 이용된다. 특히, 고밀도 플라즈마 CVD 막은 묻음성이 양호하여 층간절연막 용도에 적당하다. 즉, ECR, ICP, 헬리콘 플라즈마 등의 고밀도 플라즈마 CVD 법에 따라 층간절연막을 형성하여, CMP 법(화학기계 연마법)이나 에칭백 법에 의해 그 형성막을 평탄화한다.
층간절연막으로서 이용할 수 있는 상기 각종의 절연막의 조합을 요약하면 아래와 같다. 4층의 배선간의 층간 절연막으로서 이용한 예를 도 1A∼도 1D에 보인다:
1) 플라즈마 CVD 막 + SOG 막 (도 1A)
2) 플라즈마 CVD 막 + TEOS/O3열 CVD 막 (도 1B)
3) 플라즈마 CVD 막 단독 (도 1C)
4) 고밀도 플라즈마 CVD 막 (+ CMP) (도 1D).
상기의 것 중, 3)의 경우에 있어서는 통상의 플라즈마 CVD 막은 묻음 특성이 떨어지기 때문에, 층간절연막으로서 단일의 막으로 이용되는 일은 드물다.
한편, 층간절연막으로서 이용할 수 있는 상기 각종 절연막은 이하의 표 2에 보인 바와 같은 응력이 있다.
표 2
절연막의 종류 스트레스
SOG 막TEOS/O3열 CVD 막플라즈마 CVD 막고밀도플라즈마 CVD 막 인장응력인장응력압축응력압축응력
하지만, 층간절연막 전체의 응력은 일절 고려하고 있지 않아, 아래와 같은 문제가 생긴다. 즉, 1)이나 2)의 경우, 묻음성과 평탄성이 좋은 막, 말하자면 SOG 막 또는 열 CVD 막(TEOS/O3막 등)은 일반적으로 인장응력을 가지고 있어, 특히, 열 CVD 막의 경우, 막두께를 1.5 μm 이상 두껍게 하면 도 2A에 보인 바와 같이 크랙이 생긴다. 반대로, 절연막의 두께를 너무 얇게 하면 도 2B에 보인 바와 같이 배선층 사이가 절연막에 의하여 충분히 채워지지 않아 그에 예리한 리세스를 발생기키게 되기 때문에 배선용 도전막이 예리한 리세스에 잔류하거나 절연막의 평탄성이 방해되거나 한다. 따라서, 이들의 막을 그 단독으로 층간 절연막으로서 이용하는 데는 한계가 있다. 더구나, 3층이상의 다층 배선의 층간절연막으로서 이용하는 것은 불가능하다.
3)과 4)의 경우에 있어서는, 전체로서 극히 큰 압축응력이 걸린다. 배선의 힐럭(hillock), 등등의 발생이나 일렉트로마이그레이션의 발생을 억제하기 위하여는 압축응력이 있는 층간절연막으로 배선을 피복하는 것이 바람직하다. 그러나 압측응력이 너무 크면 웨이퍼 자신이 물리적으로 만곡하게 되어, 제조상 또는 장치의 특성상 문제가 된다.
또한, 배선폭이 좁아지고 칩 사이즈가 축소되게 되면, 장치의 작동시에 배선에 걸리는 응력을 원인으로 하는 스트레스 마이그레이션이 야기된다고 하는 문제가 생긴다. 즉, Al 막 등의 배선을 피복하는 절연막에 너무 큰 압축응력이 야기되면, 배선은 결정립계를 따라 인장응력을 받아 단선에 이른다. 다층 배선이 되면 될수록 단선의 가능성은 높아진다.
〈발명의 개요〉
본 발명은 층간절연막 전체의 묻음성과 평탄성을 유지함과 동시에, Al 배선의 일렉트로 마이그레이션이나 스트레스 마이그레이션, 웨이퍼의 굽음, 또는 층간 절연막의 크랙의 발생을 억제할 수가 있는 응력조정된 절연막의 형성방법, 장치 특성이 양호하고 신뢰성이 높은 반도체장치 및 그의 제조방법을 제공함을 목적으로 하는 것이다.
본 발명의 응력조정된 절연막의 형성방법에 의하면, 인장응력이 있는 절연막과 압축응력이 있는 절연막을 교호로 피퇴적 기판상에 적층하여 전체의 응력이 조정된 적층절연막을 형성하고 있다.
그러므로, 다층절연막 전체의 응력을 절연막의 크랙 한계의 응력치(실험에 의해 구한 +3×105dyne/cm)이하에 조정하는 것이 가능하고, 그렇지 않으면 응력에 따른 웨이퍼의 만곡, 반도체장치의 특성 열화 등이 야기되지 않는 응력치 이내에 조정하는 것이 가능하다.
또, 형성하는 절연막의 막두께의 조정, 성막가스의 종류나 성막조건(예를 들어 플라즈마 생성 전력의 주파수, 피퇴적 기판에의 바이어스 전력, 피퇴적 기판의 가열 온도, 가스의 종류 또는 가스의 유량 등)을 조정함에 의하여 절연막의 응력치를 조정할 수가 있다. 이 경우, 실험에 의해 정도(精度)가 좋은 것이 확인된 계산식을 이용하여 층간절연막 전체의 응력을 정확하게 계산하는 것이 가능하다.
본 발명의 반도체장치 및 그의 제조방법에 의하면, 상기의 응력조정된 절연막의 형성방법에 따라, 배선을 피복하여 응력이 조정된 층간절연막을 형성하고 있다.
이에 의해, 층간절연막의 응력을 적당한 정도로 조정하여 층간절연막의 크랙의 발생, 응력에 의한 웨이퍼의 만곡이나 반도체장치의 특성 열화 등을 방자함과 동시에, 배선 예를 들어 알루미늄 배선의 스트레스 마이그레이션이나 일렉트로 마이그레이션을 방지할 수가 있다.
또한, 층간절연막의 크랙 발생 등이나 배선의 마이그레이션 등을 방지하면서, 응력이 조정된 층간절연막을 통해 배선을 다층으로 적층하는 것이 가능해, 반도체장치의 고밀도화를 달성할 수가 있다.
본 발명의 타의 목적 및 특징은 첨부의 도면에 도시된 실시예 또는 그 밖의 청구항으로 명확해진다. 그리고, 당업자에 있어 명료한 효과는 기재하지 않았다.
도 1A∼도 1D는 종래예의 층간절연막 적층구조에 대하여 보이는 단면도들이다.
도 2A, 도 2B는 종래예에 따른 적층구조의 문제점에 대하여 보이는 단면도들이다.
도 3A∼도3F는 본 발명의 제 1의 실시양태에 따른 층간절연막의 형성방법에 대하여 보이는 단면도들이다.
도 4A 및 도 4B는 본 발명의 제 1의 실시양태에 따른 층간절연막의 형성방법에 의해 다층적층된 절연막의 적층 전체의 응력의 변화 양상에 대하여 나타내는 특성도이다.
도 5A 및 도 5B는 본 발명의 제 1의 실시양태에 따른 층간절연막의 형성방법에 의해 다층적층된 절연막의 적층 전체의 응력의 변화와 크랙의 발생의 양상에 대하여 나타내는 특성도이다.
도 6은 본 발명의 제 1의 실시양태에 따른 층간절연막의 형성방법에 의해 다층적층된 절연막의 적층 전체의 응력의 흡습전후에서의 변화 양상에 대하여 나타내는 특성도이다.
도 7A∼도 7E는 본 발명의 제 1의 실시양태에 따른 플라즈마 CVD 법에 있어서의 각종 성막조건에 따른 응력조정에 대하여 나타내는 특성도이다.
도 8A∼도 8C는 본 발명의 제 1의 실시양태에 따른 열 CVD 법에 있어서의 각종 성막조건에 따른 응력조정에 대하여 나타내는 특성도이다.
도 9A∼도 9C는 본 발명의 제 2의 실시양태에 따른 층간절연막의 적층구조에 대하여 보이는 단면도들이다.
도 10A는 본 발명의 제 3의 실시양태에 따른 반도체장치 및 그의 제조방법에 대하여 보이는 단면도들이다.
도 10B는 도 10A의 적층절연막의 누적 층두께와 누적 응력의 실측치 및 계산치와의 관계를 나타내는 특성도이다.
〈우선 실시양태의 설명〉
다음은, 도면을 참조하면서 본 발명의 실시양태를 설명한다.
도면을 통한 동일 또는 유사 부품과 구성요소에는 동일 또는 유사 참고번호를 적용하였으며 동일 또는 유사 부품과 구성요소에 대한 설명은 생략하거나 간략화한다는 사실에 특히 주의할 일이다.
다음, 도면을 참조하여 본 발명의 실시양태를 설명한다.
(1) 제 1의 실시양태
이하에, 본 발명의 응력보상 효과를 확인한 실험에 대하여 설명한다.
우선, 시험에 사용한 시료의 작성방법에 대하여 설명한다. 도 3A 내지 3F에 보인 일곱 종류의 시료(S1∼S7)를 이용하였다.
(S1의 작성)
도 3A에 시료 S1의 적층구조를 보인다. 표 3은 시료 S1의 각 층의 절연막의 종류, 막두께, 전체응력 및 크랙의 발생 따위의 특성을 가리키고 있다. 이하, 플라즈마 CVD 법에 의해 형성된 절연막을 PECVD 막(플라즈마 CVD 막)이라 칭하고, 열 CVD 법에 의해 형성된 절연막을 THCVD 막(열 CVD 막)이라 칭한다. 또 표 3에 기재한 ″전응력(total stress)″이란 각 적층상태에서의 절연막 전체의 응력이며, 실리콘 웨이퍼에 절연막을 적층하여 그의 굽음량에서 계산한 것이다. 계산방법은 문헌(J. Vac. Scl. Technol. A, Vol. 14, No. 3. May/Jun 1986, pp.654-649)에 의하였다. 마찬가지로, 표 4∼표 9의 전응력을 같은 계산방법에 따라 또한 계산하였다.
표 3
층 (부호) 절연막의 종류 막두께(μm) 전응력(×105dyne/cm) 크랙 발생
제1층 (22a)제2층 (23a)제3층 (22b)제4층 (23b)제5층 (22c)제6층 (23c)제7층 (22d)제8층 (23d)제9층 (22e) PECVD 막THCVD 막PECVD 막THCVD 막PECVD 막THCVD 막PECVD 막THCVD 막PECVD 막 0.20.51.01.450.41.450.41.450.4 -0.38+0.53-2.0-1.4-5.4-4.5-9.0-8.3≤-10.7 없음없음없음없음없음없음없음없음없음
상기의 표 3에서, 플라즈마 CVD 막의 성막시간 이외의 성막조건은 각층 공히 공통으로, 아래와 같다.
성막가스(유량 SCCM) TMS(15 sccm) + N2O(450 sccm)
압 력 0.7 Torr
플라즈마 생성 전력 150 W
주파수 13.56 MHz
바이어스 전력 150 W
주파수 380 kHz
기판 온도(성막온도) 330 ℃
성막 레이트 150 nm/분
상기의 성막조건으로, -3.3×109dyne/cm2의 압축응력이 있는 실리콘 산화막이 형성된다.
또, 열 CVD 막의 성막시간 이외의 성막조건도 각층 공히 공통으로, 아래와 같다.
성막가스(유량 SCCM) TEOS(1500 sccm) + O3(5% in O27.5 l)
기판 온도(성막온도) 400 ℃
성막 레이트 87 nm/분
상기의 성막조건으로, +2.2×109dyne/cm2의 인장응력이 있는 실리콘 산화막이 형성된다.
상기 플라즈마 CVD 법 및 열 CVD 법의 성막가스중 유기 실란으로서 TMS(trimethoxysilane: HSi(OCH3)3)나 TEOS(tetraethylorthosilicate: Si(OC2H5)4)를 이용하고 있으나 알킬실란 또는 알릴실란(일반식: RnSiH4-n(n=1∼4)), 알콕시실란(일반식: (RO)nSiH4-n(n=1∼4)), 쇄상 실록산(일반식: RnH3-nSiO(RkH2-kSiO)m
SiH3-nRn(n=1∼3; k=0∼2; m≥0), 쇄상 실록산의 유도체(일반식: (RO)nH3-nSiOSiH3-n(OR)n(n=1∼3), 또는 환상 실록산(일반식: (RkH2-kSiO)m(k=1, 2; m≥2))(다만, R은 알킬 기, 알릴 기, 또는 그의 유도체)중 어느 것을 이용할 수가 있다.
또, 산소함유 가스로서 산소(O2)나 오존(O3)을 이용하고 있으나, N2O, NO2, CO, CO2또는 H2O 중의 어느 것을 이용할 수도 있다.
(S2의 작성)
도 3B에 시료 S2의 적층구조를 보인다. 표 4에 시료 S2의 각 층의 절연막의 종류, 막두께, 전체응력 및 크랙의 발생 따위의 특성에 대하여 나타낸다.
표 4
층 (부호) 절연막의 종류 막두께(μm) 전응력(×105dyne/cm) 크랙 발생
제1층 (22f)제2층 (23e)제3층 (22g)제4층 (23f)제5층 (22h)제6층 (23g)제7층 (22i)제8층 (23h)제9층 (22j) PECVD 막THCVD 막PECVD 막THCVD 막PECVD 막THCVD 막PECVD 막THCVD 막PECVD 막 0.21.20.31.50.351.50.351.50.25 -0.58+2.0+0.92+4.0+2.4+5.8+4.0+6.7+4.7 없음없음없음없음없음없음발생있음있음
상기의 표 4에서, 플라즈마 CVD 막의 성막시간 이외의 성막조건은 각층 공히 공통으로, S1의 시료작성의 경우와 같다.
또, 열 CVD 막의 성막시간이외의 성막조건도 각층 공히 공통으로, S1의 시료의 작성의 경우와 같다.
(S3의 작성)
도 3B에 시료 S3의 적층구조를 보인다. 표 5에 시료 S3의 각 층의 절연막의 종류, 막두께, 전체응력 및 크랙 발생의 유무에 대하여 나타낸다.
표 5
층 (부호) 절연막의 종류 막두께(μm) 전응력(×105dyne/cm) 크랙 발생
제1층 (22f)제2층 (23e)제3층 (22g)제4층 (23f)제5층 (22h)제6층 (23g)제7층 (22i)제8층 (23h)제9층 (22j) PECVD 막THCVD 막PECVD 막THCVD 막PECVD 막THCVD 막PECVD 막THCVD 막PECVD 막 0.21.20.41.450.41.450.41.450.2 -0.69+2.3+0.6+3.7+1.5+5.1+2.6+5.3+3.4 없음없음없음없음없음없음없음없음없음
상기의 표 5에서, 플라즈마 CVD 막의 성막시간 이외의 성막조건은 각층 공히 공통으로, S1의 시료작성의 경우와 같다.
또, 열 CVD 막의 성막시간이외의 성막조건도 각층 공히 공통으로, S1의 시료의 작성의 경우와 같다.
(S4의 작성)
도 3C에 시료 S4의 적층구조를 보인다. 표 6에 시료 S4의 각 층의 절연막의 종류, 막두께, 전체응력 및 크랙 발생의 유무에 대하여 나타낸다
표 6
층 (부호) 절연막의 종류 막두께(μm) 전응력(×105dyne/cm) 크랙 발생
제1층 (22k)제2층 (23i)제3층 (22l)제4층 (23j) PECVD 막THCVD 막PECVD 막THCVD 막 0.11.50.11.6 -0.34+3.4-+6.8 없음없음없음있음
상기의 표 6에서, 플라즈마 CVD 막의 성막시간 이외의 성막조건은 각층 공히 공통으로, S1의 시료작성의 경우와 같다.
또, 열 CVD 막의 성막시간이외의 성막조건도 각층 공히 공통으로, S1의 시료의 작성의 경우와 같다.
(S5의 작성)
도 3D에 시료 S5의 적층구조를 보인다. 표 7에 시료 S5의 각 층의 절연막의 종류, 막두께, 전체응력 및 크랙 발생의 유무에 대하여 나타낸다.
표 7
층 (부호) 절연막의 종류 막두께(μm) 전응력(×105dyne/cm) 크랙 발생
제1층 (22m)제2층 (23k)제3층 (22n)제4층 (23l) PECVD 막THCVD 막PECVD 막THCVD 막 0.11.50.11.6 -0.34+3.4-+6.8 없음없음없음있음
상기의 표 7에서, 플라즈마 CVD 막의 성막시간 이외의 성막조건은 각층 공히 공통으로, S1의 시료작성의 경우와 같다.
또, 열 CVD 막의 성막시간이외의 성막조건도 각층 공히 공통으로, S1의 시료의 작성의 경우와 같다.
(S6의 작성)
도 3E에 시료 S5의 적층구조를 보인다. 표 8에 시료 S6의 각 층의 절연막의 종류, 막두께, 전체응력 및 크랙 발생의 유무에 대하여 나타낸다.
표 8
층 (부호) 절연막의 종류 막두께(μm) 전응력(×105dyne/cm) 크랙 발생
제1층 (22p)제2층 (23m)제3층 (22q)제4층 (23n) PECVD 막THCVD 막PECVD 막THCVD 막 1.11.20.11.7 -0.32-0.65-+2.7 없음없음없음있음
상기의 표 8에서, 플라즈마 CVD 막의 성막시간 이외의 성막조건은 각층 공히 공통으로, S1의 시료작성의 경우와 같다.
또, 열 CVD 막의 성막시간이외의 성막조건도 각층 공히 공통으로, S1의 시료의 작성의 경우와 같다.
(S7의 작성)
도 3F에 시료 S7의 적층구조를 보인다. 표 9에 시료 S7의 각 층의 절연막의 종류, 막두께, 전체응력 및 크랙 발생의 유무에 대하여 나타낸다.
표 9
층 (부호) 절연막의 종류 막두께(μm) 전응력(×105dyne/cm) 크랙 발생
제1층 (22p)제2층 (23m) PECVD 막THCVD 막 1.30.5 -3.9-0.17 없음없음
상기의 표 9에서, 플라즈마 CVD 막의 성막시간 이외의 성막조건은 각층 공히 공통으로, S1의 시료작성의 경우와 같다.
또, 열 CVD 막의 성막시간이외의 성막조건도 각층 공히 공통으로, S1의 시료의 작성의 경우와 같다.
이어서, 상기의 표 3∼표 5에 표시된 응력치로부터, 시료 S1∼S3에 대하여 다층 적층으로 한 때의 각 절연막의 적층후에 있어서의 응력의 변화양상을 정리한 결과에 대하여 도 4A, 도 4B에 나타낸다.
도 4A는 누적 적층 막두께를 나타내는 그림으로, 종축은 선형눈금으로 표시한 누적 적층 막두께(μm)를 나타내고, 횡축은 적층수를 나타낸다. 도 4B는, 각 절연막의 적층후에 있어서의 응력의 변화양상을 보이는 특성도로서, 종축은 선형눈금으로 나타낸 응력치(×105dyne/cm)를 나타내고, 횡축은 적층수를 나타낸다.
도 4A, 도 4B에 보인 바와 같이, PECVD 막 및 THCVD 막의 막두께를 조정함우로써 층간절연막 전체의 응력을 조정하는 것이 가능하다. 시료 S1과 같이, PECVD 막아 막두께가 두꺼운 경우, 전체로서의 압축응력이 우세해지며, 역으로 시료 S2, S3와 같이, THCVD 막의 막두께 쪽이 두꺼운 경우에는, 전체로서 인장응력이 우세해진다. S1, S3의 경우, 층간절연막 전체의 응력을 적절히 조정함에 의하여 막두께가 7 μm 이상이 되어도 크랙은 발생하지 않았다.
시료 S2에 있어서, 제6층의 THCVD 막 (23g)을 형성한 후 다시 제7층의 PECVD 막 (22i)를 형성한 때 크랙이 발생하였다. 크랙은 적층상태의 모든 절연막에 발생하였다. 실험은, 인장응력이 어느 한계를 넘으면 크랙이 발생하는 것을 보이고 있다. 실험에 의하면, 크랙 발생한계의 응력은 4∼6×105dyne/cm인 것으로 생각된다. 시료 S2에 있어서, 제6층의 성막후에 응력이 이미 5.8×105dyne/cm가 되어 있음에도 불구하고 크랙이 생기지 않고 제7층의 성막후에 응력이 저하하였음에도 불구하고 크랙이 생긴 이유는 다음과 같은 이유 때문이라고 보여진다. 즉, 제6층의 THCVD 막 (23g)는 흡습에 의해서 스트레스가 어느 정도 완화돼 있기 때문에 간신히 크랙이 발생하지 않고, 제7층의 PECVD 막 (22i)를 성막중에 플라즈마에 쐬인 THCVD 막 (23g)로부터의 탈수에 의해서 THCVD 막 (23g)의 스트레스가 부분적으로 증대한 때문이다.
또, 상기 표 6∼표 8에 보인 응력치로부터, 시료 S4∼S6에 대하여 다층 적층한 때의 각 절연막의 적층후에 있어서의 응력의 변화의 양상을 요약한 결과를 도 5A 및 5B에 보인다.
도 5A는 누적적층 막두께를 보이는 그림으로서, 종축은 선형 눈금으로 표시한 누적적층 막두께(μm)를 나타내고 횡축은 적층수를 나타낸다. 도 5B는 각 절연막의 적층후에 있어서의 응력의 변화의 양상을 보이는 특성도로서, 종축은 선형 눈금으로 표시한 응력치(×105dyne/cm)를 나타내고 횡축은 적층수를 나타낸다.
도 5A 및 도 5B에 보인 바와 같이, 셋의 시료 S4 내지 S6은 THCVD 막이 PECVD 막보다 두껍게 돼 있는 경우로, S4 및 S5에 크랙이 발생하였고 S6에는 크랙이 발생하지 않았다. 이 경우에도, 도 4A 및 4B의 경우와 같이, 크랙 발생한계의 응력은 4 내지 6×105dyne/cm로 생각된다. 또, 별도의 실험으로, 알루미늄 막 상에서는 절연막의 크랙이 생기지 않는 응력범위가 +2×105dyne/cm 이하임을 알았다.
아울러, 시료 S2∼S7에 대해 다층 적층한 때의 적층후에 있어서의 흡습 전후에 있어서의 응력의 변화의 양상에 대하여 조사한 결과를 도 6에 보인다.
도 6은 흡습 전후에 있어서의 응력의 변화의 양상을 보이는 특성도로서, 종축은 선형 눈금으로 나타낸 적층막의 평균 응력치(×109dyne/cm2)를 나나태고, 횡축은 흡습 전후의 때를 나타낸다. 상기의 실험에 있어서, 시료의 주위의 습도는 40% 정도이며 흡습하는 것은 모든 적층막중 주로 열 CVD 막인 것으로 보인다.
도 6에 보인 바와 같이, 최상층이 THCVD 막인 시료 S4∼S7에 있어서는, PECVD 막인 시료 S2, S3에 비해 흡습에 따른 응력변동이 크다는 것을 알수 있다. 시료 S4∼S7에 있어서는 흡습에 의해 압축응력 쪽으로 시프트돼 있다. 응력변동을 억제할 필요가 있는 경우에는, PECVD 막을 최상층으로 하는 것이 바람직하다. 달리, 별도의 실험에 의하면, 성막후에 플라즈마를 조사하는 것이 응력변동을 억제하는 데 유효하다는 것도 확인되고 있다.
이상의 실험 결과, 적층막 전체의 응력은 하기의 식에 의하여 계산할 수 있다는 것을 알았다. 즉,
n
적층막 전체의 응력(δT) = Σ (ti×δi)
i = 1
단, n은 전 층수, ti는 제i층의 절연막의 막두께(cm), δi는 제i층의 절연막의 응력(dyne/cm)이다. 절연막의 응력의 형태는, 인장응력의 경우를 정(正)으로 하고 압축응력의 경우를 부(負)로 한다.
플라즈마 CVD 막의 응력치 δ를 -3×109dyne/cm2로 하고, 열 CVD 막의 응력치 δ를 +2×109dyne/cm2으로 하여 상기 계산식으로 게산한 응력치는 표 3∼표9의 측정된 응력치와 정확히 일치한다는 것을 확인하였다.
또, 크랙이 생기지 않는 응력범위는 S2, S4, S5에서 대개 +3×105dyne/cm 임을 알 수 있다. 이는, 열 CVD 법에 따른 실리콘 산화막의 응력을 2×109dyne/cm2으로 하면, 열 CVD 법에 따른 실리콘 산화막의 막두께에 환산하여 거의 1.5 μm로 된다.
따라서, 계산식의 적층막 전체의 응력을 응력한계(Si막 층 상체서는 +3×105dyne/cm, 알루미늄막 층 상에서는 +2×105dyne/cm)에 설정하여 이 응력을 넘지 않도록 개별 절연막의 막두께와 응력을 결정하면, 층간절연막의 크랙의 발생을 방지할 수가 있다.
플라즈마 CVD 에 의한 절연막의 응력 및 열 CVD 법에 의한 절연막의 응력은 하기와 같이 성막방법과 성막조건에 의해서 조정할 수가 있다.
예를 들면, 플라즈마 CVD 법에 의한 절연막의 응력조정은 가스의 종류, 가스 유량, 플라즈마 생성전력의 주파수, 피퇴적 기판에의 바이어스 전력, 성막온도 등에 의해 가능하다. 그 실험예를 도 7A 내지 도 7E에 보인다. 실험예에서는 TEOS+O2계의 반응까스를 이용하고 있으나, TMS+NO2계의 반응가스를 이용한 때에도 마찬가지로 응력조정이 가능하다.
또한, 열 CVD 법에 의한 절연막의 응력조정은 가스의 종류, 가스 유량(산소중의 오존 농도를 포함), 성막온도, 성막 레이트, 등등에 의해 가능하다. 그 실험예를 도 8A 내지 도 8C에 보인다. 성막가스로서 TEOS/O3의 반응가스를 사용하고 있다.
통상, 열 CVD 법에 의해 형성된 절연막은 성막 후에 수분을 흡수함에 의해서 막의 응력이 가끔 압축응력쪽에 시프트돼 있다. 따라서, 플라즈마 조사로, 막중에서 수분을 제거하여, 막의 응력을 인장응력쪽으로 시프트시킬 수 있다. 이에 의해서 절연막의 응력을 안정화시키는 것이 가능하다.
(2) 제 2의 실시양태
도 9A 내지 도 9C는 본 발명의 제 2의 실시양태에 따른 층간절연막을 구성하는 절연막의 조합에 대하여 보이는 단면도이다.
도 9A는 피퇴적 기판 (101) 상에 플라즈마 CVD 법에 따른 절연막 (14a, 14b)와 열 CVD 법에 따른 절연막 (15a)가 교호로 적층된 구조를 보인다. 피퇴적 기판 (101)은 바도체 기판 (11) 사에 형성된 바탕 절연막 (12)와 그 위에 형성된 배선층 (13)으로 구성돼 있다.
상기의 구조에서는, PECVD 막 (14a, 14b)의 두께가 두껍기 때문에, 응력의 계산식에 의해 적층막 전체의 응력을 계산하면, 적층막 전체의 응력은 압축응력이 우세하게 된다. 에에 따라, 크랙의 발생을 방지할 수가 있다. 또, 압축응력의 절대치가 너무 커지지 않게 하려는 경우에는, 응력의 계산식의 적층막 전체의 응력의 상한(크랙 발생의 억제를 위한 인장응력의 상한치)과 함께 응력의 하한(압축응력의 하한)을 정하여 그 범위에 들도록 PECVD 막 (14a, 14b) 및 THCVD 막 (15a)의 막두께와 응력을 조정하여야 한다.
도 9B는 도 9A의 적층순서와는 역으로, 피퇴적 기판 (101) 상에 열 CVD 법에 따른 절연막 (15b, 15c)와 플라즈마 CVD 법에 따른 절연막 (14c)가 교호로 적층된 구조를 보이고 있다.
상기의 구조에서는 THCVD 막 (15b, 15c)의 막두께가 두껍기 때문에, 응력의 계산식에 의해 막전체의 응력을 계간하면, 막 전체의 응력은 인장응력이 우세하게 된다. 응력의 계산식의 적층막 전체의 응력을 크랙 발생을 억제하기 위한 인장응력의 상한치 이내가 되게 하여 PECVD 막 (14b) 및 THCVD 막 (15b, 15c)의 막두께와 응력을 조정한다. 이에 의해, 크랙의 발생을 방지할 수가 있다.
도 9C는 도 9A, 도 9B와는 적층절연막의 재료가 달라, 피퇴적 기판 (101) 상에 열 CVD 법에 따른 불순물을 함유하지 않는 실리콘 산화막(NSG 막) (15d)와, 열 CVD 법에 따른 적어도 인 및 보론의 어느 것인가를 함유하는 불순물함유 절연막 (16)이 교호로 적층된 구조를 나타내고 있다. 불순물함유 절연막 (16)으로서 PSG 막, BPSG 막, 또는 BSG 막은 대개 +5×108dyne/cm2의 인장응려이 있다.
응력의 계산식에 의해 적층막 전체의 응력을 계산하면, 인장응력이 되나, 불순물함유 절연막 (16)을 혼재시킴으로써, 불순물을 함유하지 않는 실리콘 산화막(NSG 막) (15d) 만을 적층한 경우와 비해 인장응력을 저감시킬 수가 있다. 따라서, 층간절연막의 막두께를 특히 두껍게 하고자 할 경우, 불순물함유 절연막 (16)을 적의 혼용함으로써, NSG 막 만의 경우에 비해 막두께를 두껍게 하는 것이 가능하다.상기의 구조에서 층간절연막을 구성하는 절연막은 3층이지만, 4층 이상의 층수로 요도 좋고, 2층이어도 좋다. 또, 배선은 1층이지만, 배선을 복수층으로 하여 각 배선간에 상기의 층간절연막을 개재시킬 수가 있다.
(3) 제 3의 실시양태
이하에, 본 발명의 제 3의 실시양태에 따른 반도체장치와 그의 제조방법에 대하여 도 10A를 참조하면서 설명한다. 도 10A는 4층의 배선을 혀엉한 예이다. 각 배선 간에는 본 발명의 층간 절연막 형성방법에 의헤 형성된 층간절연막이 개재돼 있다. 또, 하기의 플라즈마 CVD 법 및 열 CVD 법의 성막가스 및 성막조건은 제 1의 실시양태의 시료 S!의 작성에서 설명한 것과 같게 하였다.
도 10A에 보인 바와 같이, 피퇴적 기판 (31) 상에 막두께 0.7 μm의 알루미늄 막으로 이루어지는 배선 (33a, 33b)를 형성한다.
우선, 플라즈마 CVD 법에 의해 배선 (33a, 33b)를 피복하여 막두께 0.2 μm의 실리콘 산화막 (34a)를 형성한다.
이어서, 열 CVD 법에 의해 실리콘 산화막 (34a) 상에 막두께 0.5 μm의 실리콘 산화막 (35a)를 형성한다.
다음, 플라즈마 CVD 법에 의해 실리콘 산화막 (35a) 상에 막두께 0.9 μm의 실리콘 산화막 (34b)를 형성한다.
잇따라서, CMP 법(화학기계 연마법)에 의해 실리콘 산화막 (34b)를 연마하여 실리콘 산화막 (34b)의 표면을 평탄화한다. 이에 의해 제1층의 배선 (33a, 33b)를 피복하는, 막두께 1.6 μm의 제1층의 층간절연막 (1L)의 형성이 완료된다.
그 다음, 평탄화된 실리콘 산화막 (34b) 상에 막두께 0.95 μm의 알루미늄막으로 이루어지는 제2층의 배선 (33c, 33d)를 형성한다.
이어서, 상기의 공정을 반복하여 막두께 1.85 μm의 제2층의 층간절연막 (2L)을 형성한다. 제2층의 층간절연막 (2L)은 플라즈마 CVD 법에 따른 막두께 0.1 μm의 실리콘 산화막 (34c)와 열 CVD 법에 따른 막두께 0.45 μm의 실리콘 산하막 (35b)와, 플라즈마 CVD 법에 따른 막두께 1.3 μm의 실리콘 산화막 (34d)로 이루어져 있다.
다음, 제2층의 층간절연막 (2L) 상에 막두께 0.95 μm의 알루미늄 막으로 이루어지는 제3층의 배선 (33e, 33f)와, 1.85 μm의 두께의 제3층의 층간절연막 (3L)을 형성한다. 제3층의 층간절연막은 플라즈마 CVD 법에 따른 막두께 0.1 μm의 실리콘 산화막 (34e)와, 열 CVD 법에 따른 막두께 0.45 μm의 실리콘 산하막 (35c)와, 플라즈마 CVD 법에 따른 막두께 1.3 μm의 실리콘 산화막 (34f)로 이루어져 있다.
잇따라서, 제3층의 층간절연막 (3L) 상에 막두께 0.95 μm의 알루미늄 막으로 이루어지는 제4층의 배선 (33g, 33h)와, 제3층의 층간절연막 (3L) 상에 1.85 μm의 두께의 제4층의 피복 절연막 (4L)을 이 순서로 형성한다. 피복 절연막 (4L)은 플라즈마 CVD 법에 따른 막두께 0.1 μm의 실리콘 산화막 (34g)와, 열 CVD 법에 따른 막두께 0.45 μm의 실리콘 산하막 (35d), 및 플라즈마 CVD 법에 따른 막두께 1.3 μm의 실리콘 산화막 (34h)로 이루어져 있다.
이상에 의하여, 4층의 배선과 배선간에 개재하는 층간절연막 (1L∼3L)과 배선을 피복하는 제4층의 피복 절연막 (4L)이 형성된다. 도시돼 있지는 않으나, 각 층간 베선중의 소정의 배선 간은 도선층이 묻히는 층간절연막 (1L∼3L)에 형성된 비어홀(via hole)을 통하여 접속돼 있다.
이와 같이 형성된 반도체장치의 누적응력의 변화의 양상을 도 10B에 보인다.
도 10B는 도 10A에 따라 적층된 절연막의 누적 적층두께와 누적 응력의 실측치와 계산치와의 관계를 나타내는 특성도이다. 도 10B의 종축은 선형 눈금으로 표시한 누적 적층두께(μm)이고 횡축은 선형 눈금으로 표시한 응력치(×105dyne/cm)이다. 측정점이 층수와 일치하지 않는 것은 인접하는 플라즈마 CVD 법에 따른 실리콘 산화막 (34b와 34c), (34d와 34e), (34f와 34g)와를 각각 1점에 합쳤기 때문이다.
도 10B에 나타낸 결과에 의하면, 실제의 반도체장치와 같은 다층구조에 있어서도 절연막의 누적 적층막두께와 누적 응력의 관계는 실측치와 계산치가 거의 일치하였다. 누적 응력이 제 1의 실시양태에서 구한 응력한계 3×105dyne/cm를 초과하여도 크랙이 발생하지 않은 것은 이하의 이유에서이다. 즉, 실제의 응력한계 3×105dyne/cm 보다 더 크고, 절연막에 이상한 결함이 있은 경우에 보다 작은 응력한계가 되나, 이 경우에도 크랙이 생기지 않는 치로하고 있기 때문이다.
상기에 따라, 적층된 층간절연막 등 (1L∼4L) 전체의 응력이 응력한계(절연막 상에서는 3×105dyne/cm, 알루미늄 층 상에서는 2×105dyne/cm)를 넘지 않도록 막두께를 설정하면, 각 층간절연막에 크랙이 발생시키지 않고 임의의 층수의 배선을 적층하는 것이 가능하다.
또, 상기의 응력한계를 더 좁게 한정함에 의해, 크랙의 발생을 억함과 동시에 응력으로 인한 웨이퍼의 만곡, 반도체장치 특성의 열화를 방지하며, 또한 배선, 예를 들어 알루미늄 배선의 스트레스 마이그레이션 또는 일렉트로마이그레이션을 방지할 수가 있다.
또, 층간연막 등의 크랙의 발생 등과 배선의 바이그레이션 등을 방지하면서, 응력조정된 층간절연막을 통하여 배선을 다층으로 적층함으로써, 반도체장치의 고밀도화를 달성할 수가 있다.
한편, 상기에서는 배선 (33a 내지 33h)에 형성된 절연막의 응력은 실측도 계산도 하지 않고 있으나, 상기한 바와 같이 배선 (33a 내지 33h) 상과 배선 (33a 내지 33h)가 형성돼 있지 않은 부분에서는 절연막의 막두께와 응력한계가 다르기 때문에, 각 부분마다 제 1의 실시양태에서 두출한 계산식에 따라서 막두께에 대한 응력을 계산하여, 각 부분의 응력이 응력의 설정범위에 들도록 막두께를 결정하는 것이 필요하다.
이상과 같이, 본 발명의 층간절연막의 형성방법에 의하면, 상이한 응력이 있는 절연막을 혼재시키어 피퇴적 기판 상에 적층하여, 전체의 응력이 조정된 다층을 형성하고 있다.
따라서, 다층 절연막 전체의 응력을 절연막의 크랙한계의 응력치 이하에 조정하며, 또는 응력에 따른 웨이퍼의 만곡과 반도체장치의 특성 열화등이 일어나지 않는 응력치 이내에 조정하는 것이 가능하다.
또 형성하는 절연막의 막두께의 조정이나 성막가스의 종류 또는 성막조건을 조정함에 의하여 절연막의 응력치를 조정할 수가 있다. 이 경우, 실험에 의해 정밀함이 확인된 계산식을 이용하여 층간절연막 전체의 응력을 정밀하게 계산하는 것이 가능하다.
본 발명의 반도체장치 및 그의 제조방법에 의하면, 상기의 층간절연막의 형성방법에 따라, 배선을 피복하여 응력이 조정된 층간절연막을 형성하고 있다.
이에 따라, 층간절연막의 응력을 적당히 조정함에 의하여 층간절연막의 크랙의 발생, 응력으로 인한 웨이퍼의 만곡, 반도체장치의 특성 열화, 등등을 방지할 수 있는 동시에 배선, 예를 들어 알루미늄 배선의 스트레스 마이그레이션과 일렉트로마이그레이션을 방지할 수가 있다. 또, 층간절연막의 크랙의 발생, 배선의 마이그레션 등을 방지하면서, 응력이 조정된 층간절연막을 통하여 배선을 다층레 적층하는 것이 가능하여, 반도체장치의고밀도화를 달성할 수가 있다.
본 발명의 범위는 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 그들 이외에도 여러가지의 형태를 함유하는 것이다.

Claims (13)

  1. 인장력을 가지는 절연막과 압축력을 가지는 절연막을 기판 상에 교호로 적층하여 응력이 조정된 절연막을 형성하는 방법으로서.
    (a) 인장력을 가지는 상기 절연막을, 유기실란과 산소함유 가스를 포함하는 가스혼합물을 가열헤 의해 반응시켜 적충하고,
    (b) 인장력을 가지는 상기 절역막의 적층후 압축력을 가지는 절연막의 적층전에 인장력을 가지는 상기 절연막을 응력의 안정화를 위하여 플라즈마 조사함을 특징으로 하는 응력조정된 절연막의 형성방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 적층절연막 전체의 응력조정은,
    n
    적층막 전체의 응력(δT) = Σ (ti×δi)
    i = 1
    〔단, ti는 상기 응력조정된 절연막의 제i층의 절연막의 막두께이고, δi는 상기 응력조정된 절연막의 제i층의 절연막의 응력이다(인장응력은 정(正)이고 압축응력은 부(負)이다).
    에 따라 행해지는 응력조정된 절연막의 형성방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 적층절연막 전체의 응력(δT)은 +3×105dyne/cm 이하의 인장응력 또는 압측응력인 응력조정된 절연막의 형성방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연막은 실리콘 산화막과, 적어도 인 및 보론 중의 어느 것을 함유하는 실리콘함유 절연막인 응력조정된 절연막의 형성방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응가스는 불순물함유 가스를 더 포함하는 응력조정된 절연막의 형성방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 압축응력이 있는 절연막은 유기 실란과 산소함유 가스를 포함하는 혼합가스를 플라즈마화하여 반응시키어 퇴적시키는 응력조정된 절연막의 형성방법.
  7. 제 1항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 유기 실란은 알킬실란 또는 알릴실란(일반식: RnSiH4-n(n=1∼4)), 알콕시실란(일반식: (RO)nSiH4-n(n=1∼4)), 쇄상 실록산(일반식: RnH3-nSiO(RkH2-kSiO)m
    SiH3-nRn(n=1∼3; k=0∼2; m≥0), 쇄상 실록산의 유도체(일반식: (RO)nH3-nSiOSiH3- n(OR)n(n=1∼3), 및 환상 실록산(일반식: (RkH2-kSiO)m(k=1, 2; m≥2))(다만, R은 알킬 기, 알릴 기, 또는 그의 유도체)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것인 응력조정된 절연막의 형성방법.
  8. 제 1 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 산소함유 가스는 오존(O3), 산소(O2), N2O, NO2, CO, CO2및 H2O로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것인 응력조정된 절연막의 형성방법.
  9. 제 1 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 각 절연막이 가지는 절연특성을 조정하기 위한 각 절연막의 성막조건은 플라즈마 생성 전련의 주파수, 상기 피퇴적 기판에의 바이어스 전력, 성막온도, 가스의 종류 및 가스의 유량으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나인 응력조정된 절연막의 형성방법.
  10. 응력조정된 절연막을 배선 중 위에 그와 접하도록 가지고, 상기 응력 조정된 절연막은 인장응력을 가지는 절연막이 압축응력을 가지는 두 절연막의 사이에 샌드위치되는 구조를 가지는 반도체장치 제조 방법으로서,
    (a) 인장력을 가지는 상기 절연막을, 유기실린과 산소함유 가스를 포함하는 가스혼합물을 가열에 의해 반응시켜 형성하며,
    (b) 응력을 가지는 상기 절연막의 적층후 압축응력을 가지는 상기 절연막을 적층에, 인장력을 가지는 상기 절연막을 응력의 안정화를 위하여 플리즈마 조사하는 것을 특징으로 하는 반도체장치의 제조방법.
  11. 응력조정된 절연막을 배선 층들 사이에 그들과 접촉상태로 가지고, 상기 응력조정된 절연막은 인장응력을 가지는 절연막이 압축응력을 가지는 두 절연막의 사이에 샌드위치되는 구조를 가지는 반도체장치 제조방법으로서,
    (a) 인장력을 가지는 상기 절연막을, 유기실린과 산소함유 가스를 포함하는 가스혼합물을 가열에 의해 반응시켜 형성하며,
    (b) 응력을 가지는 상기 절연막의 적층후 압축응력을 가지는 상기 절연막을 적층에, 인장력을 가지는 상기 절연막을 응력의 안정화를 위하여 플리즈마 조사하는 것을 특징으로 하는 반도체장치의 제조방법.
  12. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
    상기 배선의 재료는 알루미늄인 반도체장치의 제조방법.
  13. 제 10 항 또는 제 11 항의 반도체장치의 제조방법에 따라 제조된, 반도체 장치
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