KR100327582B1 - 반도체 소자의 층간절연막 형성방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 소자의 제조공정 중 금속배선간의 층간 절연을 위한 절연막의 증착방법에 관한 것으로 더 상세하게는 금속배선간의 층간 절연막으로서 FSG(Fluoro Silicate Glass)증착 공정시 SiH3F 또는 SiH2F2가스를 사용함으로써 플루오르의 농도를 균일하게 유지시키며 유전상수의 극소화를 가능하게 하여 반도체 소자의 속도를 향상시킬 수 있도록 하는 층간절연막의 형성방법에 관한 것이다.본 발명에 따른 저유전막의 형성방법에 의할 경우 기존의 방법에 의하여 저유전막을 형성하는 경우보다 유전상수를 획기적으로 낮출 수 있어 소자 동작속도를 향상시킬 수 있으며 상분리 현상을 억제하여 공정마진을 확보할 수 있다. 또한 기존의 증착장비를 이용하여 증착이 가능하므로 추가적인 비용의 부담이 없으며 폴리머계 저유전물질과 달리 무기계 저유전물질이므로 안정성이 우수하여 배리어(Barrier) 및 캡핑레이어(Capping Layer)가 불필요하여 공정의 단순화에 따른 비용의 절감을 기대할 수 있다.
Description
본 발명은 반도체 소자의 제조공정 중 금속배선간의 층간 절연을 위한 절연막의 증착방법에 관한 것으로 더 상세하게는 금속배선간의 층간 절연막으로서 FSG(Fluorinated Silicate Glass)증착 공정시 SiH3F 또는 SiH2F2가스를 사용함으로써 플루오르의 농도를 균일하게 유지시키며 유전상수의 극소화를 가능하게 하여 반도체 소자의 속도를 향상시킬 수 있도록 하는 층간절연막의 형성방법에 관한 것이다.
반도체장치의 금속배선(Metal Layer)은 반도체 장치의 속도, 수율 및 신뢰성에 큰 영향을 주기 때문에, 반도체장치의 금속배선 형성공정은 반도체장치 제조공정 중에 매우 중요한 위치를 차지하고 있다. 반도체장치는 일반적으로 다수의 회로소자들을 집적한 장치로서, 다수의 회로소자들을 보다 효과적으로 집적하기 위하여 다층구조(Multi Layer)가 점차 많이 사용되고 있다.
다층(Multi Layer) 구조를 갖는 반도체 장치는 다수의 회로소자를 서로 다른 층들에 형성된 구조를 일컫는 것으로서, 이들의 상호 연결을 위해 배선구조 역시 다층화된다. 다층 배선구조란 금속배선층과 금속층간절연막이 상호 교대로 반복되는 구조로서, 금속배선층에서의 단락이나 금속층간절연막의 불량에 기인하는 금속배선층간의 단선을 방지하는 것이 요구된다.
따라서 반도체 소자를 형성하기 위하여서는 상·하부에 다수의 금속배선(Metal Line)을 형성시킨 후 상·하부층의 금속배선을 서로 절연하기 위하여 층간절연층(Inter Metal Dielectric)을 형성하여야 한다. 상기 층간절연층으로는 여러 가지 물질이 사용되고 있으나 기존에는 주로 USG(Undoped Silicate Glass)막이 사용 되어왔다.
그러나 반도체 소자의 집적도가 고도화됨에 따라 금속배선간의 간격도 점점 좁아지면서 보다 저유전상수를 갖는 절연물질을 필요로 하게 되었다. 이에 따라 기존의 USG 막에서의 산소원자 대신 불소원자를 치환 첨가한 FSG (Fluorinated Silicate Glass)막을 증착하여 유전상수를 기존의 4.0 에서 약 3.5 정도로 낮추기에 이르렀다.
따라서 최근에는 주로 FSG를 금속배선층간 절연막으로 사용하는데 이 때 FSG막의 증착시 플루오르의 소스(source)로 사용되는 가스는 플라즈마 인핸스드 화학기상증착방법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition; PECVD)을 이용할 경우 주로 SiF4, CF4및 C2F6등의 가스이며, 고밀도 플라즈마 화학기상증착방법(HighDensity Plasma Chemical Vapor Deposition; HDPCVD)에 의할 경우는 SiF4가스가 주로 사용된다. 그러나 플루오르가 글래스에 첨가될 경우 자기들끼리 응집되는 현상, 즉, 상분리(Phase Separation)현상이 발생하게 되고 이에 따라 막내의 플루오르 농도가 불균일하게 되며 이로 인해 치환 첨가될 수 있는 플루오르 농도가 제한되어 유전상수를 3.5 이하로 낮추는 것이 거의 불가능한 실정이다.
본 발명의 목적은 금속배선간의 층간 절연막으로서 FSG를 증착함에 있어서, 플루오르 농도의 균일화 및 이로 인한 플루오르의 다량 도핑으로 유전 상수의 극소화를 이루어 반도체 소자의 속도를 향상시킬 수 있는 금속배선간의 층간절연막 형성방법을 제공하는 데에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 반도체 제조공정에 있어서 금속배선간의 층간 절연막으로서 FSG 막의 증착시 플루오르의 소스(source)가스로 SiH3F 또는 SiH2F2가스를 사용하는 것을 특징으로 이루어져 있다.
저유전 층간절연물질로 기존의 USG(Undoped Silicate Glass) 막과 같은 방법을 사용하여 증착할 수 있는 FSG(Fluorinated Silicate Glass) 막을 플라즈마 인핸스드 화학기상증착방법(PECVD) 혹은 고밀도 플라즈마 화학기상증착방법(HDPCVD) 방법을 이용하여 증착하여 사용하고 있다.
이 때 유전상수(κ)값 상승의 주된 원인이 되는 산소원자를 플루오르로 치환 시키기 위한 플루오르 가스로 주로 SiF4를 사용하는데 이 때 상분리 현상으로 인한 헤이즈(Haze) 현상이 발생하고 유전 상수가 3.5 이하가 되는 것이 불가능하므로 본 발명에서는 SiF4가스 대신에 SiH3F 혹은 SiH2F2가스를 플루오르의 소스 가스로 기존의 SiF4가스양 만큼 주입하여 사용함으로써 해결하려 하는 것이다.
일 실시예로, 상기 SiH3F 혹은 SiH2F2가스는 AMAT(Applied Material)장비를 사용할 경우 10∼500sccm 정도의 가스양을 주입하여 플라즈마 인핸스드 화학기상증착방법(PECVD) 혹은 고밀도 플라즈마 화학기상증착방법(HDPCVD)을 이용함으로써 FSG(Fluorinated Silicate Glass)막을 증착한다.SiH3F 혹은 SiH2F2가스를 플루오르의 소스 가스로 사용하여 금속배선간의 층간 절연막을 형성하는 경우 Si-H의 결합력(Bond Strength)( 299.2 kJ/mol 이하 )은 Si-F의 결합력( 552.7±2.1 kJ/mol )보다 작은 점을 이용하여 Si-H 간의 결합만을 해리(Dissociation)시킨 후 산소와 반응시킴으로써 산소원자가 수소원자로 치환되도록 하는 것이다.
따라서 플루오르의 특성인 상분리(Phase Separation)현상을 원천적으로 억제할 수 있으며 이로 인해 플루오르의 농도는 상승된다. 즉, SiF4가스를 사용할 경우 플루오르의 농도가 최고 15 a/o(atomic percent) 정도(XPS 측정 결과)였으나, SiH3F 가스를 사용할 경우는 최고농도가 20 a/o 이고 SiH2F2가스를 사용할 경우는 최고농도가 40 a/o 정도까지 첨가될 수 있기 때문에 획기적으로 유전상수를 낮출 수 있다.
또한 상기한 방법에 의하여 금속배선간의 층간절연막을 형성할 경우 기존의 장비를 그대로 이용할 수 있기 때문에 추가의 비용 상승이 필요없으며 또한 폴리머 계통의 저유전물질과 달리 안정성이 우수하기 때문에 배리어 및 캡핑 레이어(Capping Layer)가 필요없으므로 공정의 단순화가 가능하다.
상기한 바와 같은 방법에 의한 절연막의 증착 방법은 금속배선간의 층간 절연막에서 뿐만 아니라 패시베이션(Passivation)공정에서도 적용할 수 있으며 층간절연막뿐만 아니라 층내에서의 저유전물질의 형성에서도 이용할 수 있으며 동일한 결과를 얻을 수 있다.
또한 본 발명은 유전상수의 변화없이 폴리머계 저유전물질 표면을 안정화시킬 목적으로 FSG막을 증착하는 경우에도 사용할 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명에 따른 저유전막의 형성방법에 의하여 반도체 소자 제조공정에 있어서의 저유전막을 형성하는 경우 기존의 방법에 의하여 저유전막을 형성하는 경우보다 유전상수를 획기적으로 낮출 수 있어 소자의 동작속도를 향상시킬 수 있다
또한 본 발명에 따르는 저유전막의 형성방법에 의하여 반도체 소자 제조공정에 있어서의 저유전막을 형성하는 경우 상분리 현상(Phase Separation)을 억제하여 공정마진(Margin)을 확보할 수 있다.
또한 본 발명에 따르는 저유전막의 형성방법에 의하여 반도체 소자 제조공정에 있어서의 저유전막을 형성하는 경우 기존의 증착장비를 이용하여 증착이 가능하므로 추가적인 비용의 부담이 없고 폴리머계 저유전물질과 달리 무기계 저유전물질이므로 안정성이 우수하여 배리어(Barrier) 및 캡핑레이어(Capping Layer)가 불필요함에 따라 공정의 단순화에 따른 비용의 절감을 기대할 수 있다.
Claims (1)
- 반도체 제조공정 중 층간 절연막을 형성함에 있어서의 FSG(Fluorinated Silicate Glass)막의 증착시 플루오르의 소스가스로 SiH3F 또는 SiH2F2가스를 10∼500sccm 주입하여 플라즈마 인핸스드 화학기상증착방법(PECVD) 혹은 고밀도 플라즈마 화학기상증착방법(HDPCVD)을 이용함으로써 증착하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조공정에 있어서의 층간 절연막의 형성방법.
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