KR100328144B1 - 고밀도 플라즈마-화학적 증착 기법을 사용하여 낮은 유전상수를 갖는 박막을 형성하는 방법 - Google Patents
고밀도 플라즈마-화학적 증착 기법을 사용하여 낮은 유전상수를 갖는 박막을 형성하는 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 저압의 HDP-CVD 챔버에서 고밀도 플라즈마 - 화학적 증착 ( High Density Plasma-Chemical Vapor Deposition ; HDP-CVD ) 기법을 사용하여 미세하게 분산된 탄소 도우핑된 박막을 기판 표면상에 데포지트시키는 방법을 제공한다. 상기 방법은 산화제 가스, 불활성 가스 및 탄소, 실리콘, 및 산소를 포함하는 하나 또는 그 이상의 반응물 종들을 포함하는 HDP-CVD 챔버에서 10E16 이온/m3이상의 바람직한 밀도를 갖는 고밀도 플라즈마를 형성하는 단계들을 포함한다. 상기 하나 또는 그 이상의 반응물 종들은 (1) 메탄 ( CH4) 및 실란 ( SiH4), (2) 테트라에틸오소실리케이트 ( TEOS 또는 Si(OC2H5)4), (3) 메틸 - 트리메톡시실란 ( MTMS 또는 SiCH3( OC2H5)3), 및 (4) 페닐 - 트리메톡시실란 ( PTMS 또는 SiC6H5(OC2H5)3) 으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것이 바람직스럽다. 상기 방법은 상기 반응물 종의 해리된 성분들을 기판 표면으로 순환시키는 단계를 더 포함한다. 상기 반응물 종들의 해리된 성분들중 몇몇의 성분들이 상기 기판 표면에 흡착된 후에, 박막을 형성하는 반응이 일어난다. 상기 박막은 낮은 유전 상수를 갖는 SiOXCy와 같은 미세하게 분산된 탄소 도우핑된 실리콘 옥사이드 박막이다.
Description
기술분야
본 발명은 낮은 K 유전체 박막을 형성하는 데포지션 기법에 관한 것이며, 구체적으로 기술하면, 탄소를 함유하는 반응가스 종들을 가지고서 고밀도 플라즈마 - 화학적 증착 ( High Density Plasma-Chemical Vapor Deposition ; HDP - CVD ) 기법을 사용하여 낮은 유전상수를 갖는 미세하게 분산된 탄소도우핑된 실리콘 옥사이드 유전체 박막을 형성하는 데포지션 기법에 관한 것이다.
관련기술의 설명
1. 개괄적 설명
집적회로 (IC) 구조는 기술적 발전이 허용되는 한 급속하게 감소되어 왔으며 현재에도 계속 감소추세에 있다. 간단히 기술하면, 보다 작은 전자 장치가 거래될 수 있도록 보다 작은 전자 부품을 만들어 내는 것이 바람직한 데, 이러한 장치가 개인용 컴퓨터를 포함한다는 점에서는 적지 않게 중요하다. IC 사이즈 감소에 관한 제약은 트랜지스터들을 상호 접속시키는 배선과 관련된 기생효과가 보다 신속한 디지탈 회로를 형성하고자 하는 경쟁적인 기술적 욕구를 저해한다는 것이다. 보다 신속한 디지탈 회로는 배선 ( 상호 접속부분이라 한다 ) 또는 그의 트랜지스터들 모두의 RC 시정수를 낮춤으로써 형성될 수 있다. 이들 부품과 관련된 RC 시정수는 그들의 구조적 사이즈가 감소됨에 따라 증가한다. 그와 동시에, 보다 양호한 스트레스 ( stress ) 제어 및 열 안정성 그리고 보다 낮은 습기 흡착성을 갖는 신규한 유전체 막을 만들어 내는 것이 바람직스럽다.
본원 명세서의 구체적인 주제는 상호 접속부분들을 서로 분리시키는데 사용되는 유전체와 관련된 캐패시턴스의 감소를 해결하는 데 있다. 현시점에서의 기술적 수준의 기법에 있어서, 여러 레벨의 상호 접속 부분들이 수백만개의 회로 요소들을 서로 접속시키는 데 필요하다. SiO2와 같은 절연체 재료들을 사용한 분리는 지난 40 년동안 한 레벨 및 레벨과 레벨사이에서 와이어들을 분리시키는 데 사용되어 왔다. 그러나, 배선이 더욱 조밀해짐에 따라, 용량성 결합에 기인하는 기생효과는 디바이스 성능에 부정적인 영향을 주어 보다 낮은 유전상수를 갖는 절연체를 필요로 한다.
2. 실리콘 디옥사이드 ( SiO2) 도우핑
순수한 SiO2박막은 대략 K = 4 인 유전상수를 지닌다. SiO2는 O2또는 H2O 가스를 사용하여 순수한 실리콘을 산화시킴으로써 성장될 수 있거나, 반응물들로서 SiH4/Ar/N2O, SiH4/Ar/NO, 및/또는 SiH4/Ar/O2가스 혼합물과 같은 반응물들을 사용하여 화학적 증착 ( Chmical Vapor Deposition ; CVD ) 기법, 또는 플라즈마 증강된 화학적 증착 ( Plasma Enhanced-Chemical Vapor Deposition ; PE-CVD ) 기법에 의해 데포지트된다. 상호 접속 유전체들에 대하여, CVD 공정이 주로 사용된다. 반응물 가스 종들의 해리된 성분들로부터 생성되는 데포지션 전구물질은 SiH4및 산화제(oxidant)의 전자 충격 해리에 의해 만들어지는 SiH3, SiH2및 0 기를 포함할 수 있다. 그러나, 비등각 데포지션은 무의미한 표면 확산과 결부된 실란방전에서 SiH3및 SiH2전구물질들이 격심하게 들러붙을 가능성때문에 이러한 기법을 사용할 경우에 문제가 있다.
SiO2유전체층이 상기 층의 유전상수를 낮추고 산화물 층의 다른 성질들을 개선시키도록 도우핑되어져 왔던 상당한 연구가 행해져 왔다. 가스 전구물질을 사용하는 한 도우핑 기법은 대체로 FxSiOy 를 포함하는 층들을 만들어내도록 SiO2매트릭스에서 플루오르를 치환하는 것을 포함한다. 일반 화학식 FxSiOy 를 갖는 박막을 만들어 내는 데 사용되는 CVD 기법은 상기에 언급한 전형적인 실란 ( SiH4) 및 산화 가스 혼합물중 하나와 함께, 반응물 가스로서 SiF4를 부가적으로 사용한다. 전형적인 플루오르화된 실리콘 옥사이드 필름의 유전상수는 SiO2에 대한 유전상수보다 낮지만, 막 안정성 및 습기 흡착문제에 기인하여 기껏해야 대략 K = 3.5 인 유전상수를 지닌다.
스핀 피복 ( spin coating ) 기법은 유전상수 @ K = 3.0 인 탄소함유 SiO2스핀 온 글라스 ( spin on glass ; SOG ) 막을 만들어 내는 데 사용되어 왔다. SOG 막은 상호 접속부분 유전체를 처리하는 것을 포함하는 대단히 많은 용도에 적합할 수 있다. 그러나, SOG 공정은 많은 제조 단점을 지닌다. 예를들면, SOG 공정은 액체의 사용을 포함하고 폐기될 필요가 있는 재료낭비를 야기시킨다. SOG 공정은 종종 높은 OH-농도를 갖는 막을 만들어 낸다. 그 이외에도, SOG 공정은 온도 불안정성, 신장 내력 ( tensile stress ) 및 습기 흡착/탈착문제에 종종 직면한다. 스핀 - 온 막 및 장치와 관련된 문제때문에, 몇몇의 제조업자들은, 입수가능하다면, SOG 기법의 편으로 조치를 강구하는 대신에 그들의 장치세트의 유용성을 연장시키는 것을 허용하는 낮은 K CVD 공정을 선호할 것이다.
과거에는, 유기적으로 도우핑된 SiO2층이 CVD 공정을 사용하여 또한 데포지트되어 왔다. 한가지 기법은 SiH4전구물질에 대한 치환물로서 메틸 실란 ( CH3-SiH3) 또는 페닐 실란 ( C6H5-SiH3) 과 같은 대체 전구물질을 사용한다. 이러한 기법에 대하여, 메틸 그룹은 단지 부분적으로만 해리되며 몇몇 메틸 성분은 산화물층내의 실리콘 원자와 결합된 상태에 있다. 결과로서 생기는 CH3-도우핑된 산화물층은 대략 K = 3 인 유전상수를 지닌다. 또 한가지 기법은 반응물종으로서 CH3-SiH3및 H2O2를 사용하여 왔다. 그 이외에도, 종래의 CVD 공정에 의해 만들어지는 유기적으로 도우핑된 실리콘 옥사이드 막은 종종 점착, 습기 흡착 및 온도 안정성 문제에 직면한다.
3. 도우핑 또는 비도우핑된 SiO2를 포함하지 않는 유전체층
상기에 주지된 목적을 만족시키는 재료들을 발견하는 다른 한가지 방안은 SiO2를 치환적으로 도우핑하는 대신에 산화물층에 대하여 총체적으로 신규한 재료를 사용하는 것이다. 유기 중합체 ( 즉, 폴리미드,폴리에틸에테르등 ) 를 포함하는 이들 재료의 박막은 극히 낮은 유전상수 @ K = 2.5 를 지닌다. 이러한 K 가 매력적이지만, 유기 중합체를 기재로한 유전체층은 IC 내로 광범위하게 도입되지 않는다. 이는 상기 유전체층이 현재로는 단지 대다수의 집적화 요건을 만족시켜야 하는 연구단계에서만 존재하기 때문이다. 그러나, 이러한 중합체 재료와 관련한 연구가 계속 행해지고 있다.
4. 플라즈마 증강된 CVD
플라즈마 증강된 CVD ( PE-CVD ) 기법은 유전체로서 실리콘 옥사이드층을 데포지트시키는 데 사용되어 왔다. PE-CVD 챔버에서, 반응물 가스종은 플라즈마내의 전자 및 다른 분자 그리고 기와의 충돌 결과로서 부분적으로 해리된다. 플라즈마내에서 부분적인 해리가 생기지만, 많은 탄소 원자들은 데포지션 공정을 통해, 산소, 실리콘, 수소 및 다른 탄소원자와 결합된 상태에 있다. 바람직스럽지 않게도, 이들 탄소원자들 대부분은 기판에의 흡착 및 SiO2막내로의 합체후에 이들 성분과 결합된 상태에 있다. 상기 탄소 원자들은 SiO2매트릭스내에 미세하게 분산되지 않으며 분리되어 있지 않아서, 결과적으로는 막의 품질이 최적화되지 않는다.
PE-CVD 는 테트라에틸오소실리케이트 ( TEOS 또는 Si ( OC2H5)4), 메틸 - 트리메톡시실란 ( MTMS 또는 SiCH3(OC2H5)3), 및 페닐 - 트리메톡시실란 ( PTMS 또는 SiC6H5(OC2H5)3) 을 포함하는 여러 반응물 가스 종을 사용하여 이행되어 왔다. n = 0-3 일 경우 Si(OC2H5)n(OH)4-n및 Si (OC2H5)nO4-n과 같은 전구물질을 갖는 짙게 희석한 TEOS/O2를 사용하는 산화물 데포지션은 양호한 데포지션 등각성을 만들어 내었다. 이는 SiO2가 들러붙을 수 있는 확률에 대해 관찰할 것보다 상당히 더 TEOS 데포지션 전구물질이 들러붙을 수 있는 확률에 최소한 부분적으로 기인한다. PE CVD 는 또한 유사한 결과로 인해 PTMS 를 데포지트하는 데에도 사용되어 왔다. 상기에 언급한 바와같이 어느한 PE CVD 를 사용하여 탄소를 SiO2내로 도입하는 것은 결과로서 생기는 바람직하지 못한 하이드로카본 ( C-H 결합 ) 파편 및 불량한 막 스트레스 성질의 산화물 층의 존재를 갖는 결함을 지닌다.
PE-CVD 공정은 본 발명의 방법에서 사용되는 고밀도 기법과 비교해서 비교적 낮은 밀도의 플라즈마를 사용한다. 플라즈마는 플라즈마의 밀도를 증가시킴에 따라 증가하는 속도로 플라즈마에 내재하는 전자 및 다른 종과 충돌하는 이동성을 갖는 이온화된 반응물을 함유한다. 이러한 충돌은 반응물들을 분해하고 그들을 보다 작보 보다 간단한 성분으로 해리시킨다. 해리 속도는 충돌 속도에 따라 증가하고 결과적으로는 플라즈마의 밀도에 따라 마찬가지로 증가한다.
종래의 PE-CVD 는 바람직한 미세하게 분산된 탄소 도우핑된 실리콘 옥사이드 막들을 만들어 내는 데 불충분한 해리도를 야기시킨다. 만들어 지는 막들은 보다 많은 원자들이 실리콘 옥사이드 매트릭스에서 충분하게 분리되는 적합한 탄소 분포를 지니지 못한다.
도 1 및 2 는 종래의 CVD 및 SOG SiOxCy 막들의 FTIR 스펙트럼들을 각각 보여준다. 각각의 FTIR 스펙트럼은 781cm-1및 1027cm-1에서의 현저한 첨두값을 보여준다. 781cm-1에서의 첨두값은 C-H 굽힘 ( bend ) 주파수를 나타내고 2974cm-1에서의 첨두값은 C-H 신장 ( stretch ) 주파수를 나타낸다. 그 각각은 바람직스럽지 못한 다수의 C-H 결합위치가 연구되는 산화물 막내에 존재한다는 것을 보여준다. 이러한 데이타는 탄소원자들이 필요한 만큼 SiO2매트릭스에서 분리되지 않는다는 것을 나타낸다. 그 대신에, 많은 탄소 원자들은 데포지션 공정중에 해리되지 않았던 수소 원자들에 결합된다.
본 발명의 한 목적은 SiO2막들의 유전상수를 낮추도록 SiO2막들을 탄소도우핑하는 것이다. 본 발명의 다른 한 목적은 스트레스 제어 및 열 안정성과 같은 보다 양호한 막 성질을 촉진시키도록 SiOxCy 에 내재하는 위치들에서의 탄소원자들에 결합하는 H-및 OH-의 수 및 댕글링본드 ( dangling bond ) 의 수를 감소시키는 것이다.
도 1 은 종래의 CVD SiOxCy 막의 FTIR 스펙트럼을 보여주는 도면.
도 2 는 종래의 스핀 - 온 - 글라스 SiOxCy 막의 FTIR 스펙트럼을 보여주는 도면.
도 3 은 본 발명에 따른 HDP - CVD 의 개략적인 도면.
본 발명은 HDP-CVD 챔버내에서의 고밀도 플라즈마-화학적 증착 ( High Density Plasma-Chemical Vapor Deposition ; HDP-CVD ) 기법을 사용하여 기판 표면상에 낮은 유전상수 ( 예컨대, K = 2.9 내지 3.2 ) 를 갖는 탄소 도우핑된 실리콘 옥사이드 박막을 데포지트시키는 제 1 방법을 제공함으로써 이들 목적을 달성하며 상기에 언급한 문제들을 해결한다. 상기 방법은, 최소한 하나의 반응물 종들이 성분요소로서 탄소를 지니며 하나 또는 최소한 하나의 다른 반응물 종들이 성분요소로서 실리콘을 지니고 이들중 하나 또는 최소한 하나의 다른 반응물 종들이 성분요소로서 산소를 지니는 하나 또는 그 이상의 반응물 종들을 상기 HDP-CVD 챔버내로 도입시키는 단계들을 포함한다. 상기 방법은, 복수개의 반응물 종들의 해리된 성분들을 포함하는 HDP-CVD 챔버에서 10E 16 보다 높은 밀도, 바람직스럽게는 10E 16 내지 10E 22 의 범위에 있는 밀도, 및 구체적으로는 10E 17 내지 10E 19 이온/m3의 범위에 있는 밀도를 갖는 고밀도 플라즈마를 만들어 내고, 반응물 종들이 HDP-CVD 챔버에서 고도로 해리될 수 있게 하며, 기판 표면과 인접하도록 상기 해리된 성분들을 순환시키는 단계들을 부가적으로 포함한다. 반응물 종들의 몇몇 성분들이 기판 표면상에 흡착된후에, 바람직스러운 유전체 성질을 갖는 기판 표면상에 SiOxCy 를 포함하는 탄소 도우핑된 SiO2박막을 만들어 내는 반응들이 일어난다.
HDP-CVD 챔버에서의 HDP-CVD 기법을 사용하여 기판 표면상에 낮은 유전상수를 갖는 박막을 데포지트시키는 제 2 방법이 제공된다. 상기 방법은,
(1) 메탄 및 실란,
(2) 테트라에틸오소실리케이트 (TEOS),
(3) 메틸 - 트리메톡시실란 (MTMS), 및
(4) 페닐 - 트리메톡시실란 (PTMS)
으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 또는 그 이상의 반응물 종을 HDP-CVD 챔버내로 도입시키는 단계들을 포함하는 데, 이 경우, 산소는 반응물종들중 하나의 반응물 종의 성분으로서나, 메탄 및 실란이 단지 도입되는 다른 반응물들만인 경우에서와 같은 개별 도입된 산화제 가스 종으로서 포함된다. 상기 방법은, 밀도가 반응물 종들의 해리된 성분들을 포함하는 HDP-CVD 챔버에서 ~ 10E 14 내지 10E 16 이온/m3이고 10E 16 보다 높은 것이 바람직스러우며 바람직스럽게는 10E 16 내지 10E 22 이온/m3의 범위에 있고 구체적으로는 10E 17 내지 10E 19 이온/m3의 범위에 있는 경우, PE-CVD 의 이온 밀도보다 휠씬 큰 이온 밀도를 갖는 고밀도 플라즈마를 만들어내고, 기판 표면과 인접하도록 반응물 종들의 성분들을 순환시키는 부가적인 단계들을 포함한다. 상기 해리된 성분들중 몇몇 성분들이 기판 표면상에 흡착된 후에는, 바람직한 유전체 성질을 갖는 기판 표면상에 박막을 만들어 내는 반응들이 일어난다.
HDP-CVD 반응 챔버에서의 고밀도 플라즈마 화학적 증착 ( HDP-CVD ) 기법을 사용하여 저압에서 에너지를 공급받은 기판상에 낮은 유전상수를 지니는 박막을 데포지트시키는 제 3 방법은,
(1) 메탄 ( CH4) 및 실란 ( SiH4), 바람직스럽게는 산화제,
(2) 테트라에틸오소실리케이트 ( TEOS, Si(OC2H5)4),
(3) 메틸 - 트리메톡시실란 ( MTMS, SiCH3(OC2H5)3), 및
(4) 페닐 - 트리메톡시실란 ( PTMS, SiC6H5(OC2H5)3)
으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 최소한 하나의 반응물 가스를 HDP-CVD 반응 챔버내로 도입시키고, HDP-CVD 반응 챔버내로 최소한 하나의 불활성 가스를 도입시키며, 반응물 종들의 해리된 성분들을 포함하는 HDP-CVD 챔버에서 고밀도 플라즈마를 만들어내고, 상기 성분들중 몇몇 성분들이 기판 표면상에 흡착될 정도로 기판에 인접하도록 상기 해리된 성분들을 순환시키며, 상기 기판상에 낮은 유전상수를 갖는 탄소 도우핑된 SiO2박막을 만들어내도록 반응물 종들의 흡착 성분들을 함유하는 화학 반응들이 일어날 수 있을 정도로 상기 기판에 에너지를 공급하고, 상기 HDP-CVD 챔버로부터 탈착된 가스 부산물들을 제거하는 단계들을 포함한다.
본 발명의 반도체 디바이스는 고밀도 플라즈마 - 화학적 증착 ( HDP-CVD ) 챔버내에서 상부에 박막을 데포지트시키도록 구성된 표면을 지니는 반도체 기판, 상기 HDP-CVD 챔버내에서 상기 기판 표면상에 데포지트되어 있으며 SiOxCy 를 포함하는 상기 기판 표면상의 박막을 포함한다. 바람직하게는, 상기 HDP-CVD 챔버는,
(1) 메탄 ( CH4) 및 실란 ( SiH4),
(2) 테트라에틸오소실리케이트 ( TEOS, 또는 Si(OC2H5)4),
(3) 메틸 - 트리메톡시실란 ( MTMS, 또는 SiCH3(OC2H5)3), 및
(4) 페닐 - 트리메톡시실란 ( PTMS, 또는 SiC6H5(OC2H5)3)
으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 또는 그 이상의 반응물 종들을 포함하는 고밀도 플라즈마를 함유한다.
실시예
본 발명의 방법을 실시하는 바람직한 목적은 탄소 도우핑된 실리콘-옥사이드를 포함하는 박막을 만들어내는 것이다. 이러한 박막은 종래의 SiO2막보다 낮은 유전상수를 지니고 양호한 스트레스 제어 및 열안정성을 갖는다. 이러한 박막은 여러 용도를 지니며 특히 상호 접속 레벨들사이 및 또한 MOS 구조형 트랜지스터를 기초로한 디바이스 또는 집적회로에서의 금속 접점 및 실리콘 기판사이의 유전체층으로서 사용된다. 비정질 실리콘 옥사이드 매트릭스내에 미세하게 분포된 탄소가 존재하는 것은 재료의 유전상수 (K) 가 순수한 SiO2막에 대하여 대략 K = 4.0 인 것으로 부터 보다 낮은 값으로, 바람직스럽게는 K = 2.5 내지 3.5 인 범위에 있는 값으로, 구체적으로는 K = 2.9 내지 3.2 인 범위에 있는 값으로 상당히 감소하게 한다. 상기 박막은 댕글링 본드의 최소 수 및 H-및 OH-결합위치의 최소 양으로 만들어지는 것이 바람직스러우며 유리하다.
도 3 을 참조하면, 본 발명을 실시하는 바람직한 방법은 고밀도 플라즈마 - 화학적 증착 ( HDP-CVD ) 시스템을 사용한다. HDP-CVD 시스템은 중앙 챔버 (2) 를 지니고, 상기 중앙 챔버 (2) 내에는 기판과 대립하지도 않고 불순물들이 기판내에 도입되지 않게 하는 보트 ( boat ; 6 ) 상에 반도체 또는 절연체 기판 (4) 이 얹혀 있다. 상기 보트 (6) 는 흑연 또는 석영을 포함하는 것이 바람직스럽다. 상기 중앙 챔버 (2) 는, 1 밀리토르나 그 이하만큼 낮은 압력을 견딜 수 있으며, 최소한 그러한 압력에서 배기되고 불순물이 상기 챔버의 내부나 기판 또는 그 상부의 박막으로 도입되지 않게 하는 재료로 구성되어 있다. 상기 챔버는 세라믹 재료로 구성되는 것이 바람직하지만, 스테인레스 강 또는 알루미늄과 같은 금속일 수 있다. 중앙 HDP 챔버 (2) 는 종래의 CVD 나 PE-CVD 챔버에 대한 작동 압력보다 더 낮은 작동 압력을 지닌다. HDP-CVD챔버에 내재하는 압력은 5 밀리토르인 것이 바람직스럽다. 상기 HDP 챔버 (2) 에 내재하는 대략 5 밀리토르 압력은 전형적인 작동 PE-CVD 챔버의 대략 2 토르 압력보다 더 낮다. 상기 HDP 챔버 (2) 에 내재하는 플라즈마 밀도는 종래의 CVD 또는 PE-CVD 에 대한 플라즈마 밀도보다 더 높으며, 바람직하게는 10E 16 보다 높고, 10E 16 내지 10E 22 의 범위에 내재하는 것이 바람직스러우며, 특정 범위로서는 10E 17 내지 10E 19 이온/m3이다. 그러한 밀도는 이들의 바람직한 범위중 어느 한 범위보다 높을 수 있다. PE-CVD 챔버의 전형적인 작동압력은 대략 10E 14 내지 10E 16 이온/m3의 범위에 있다.
전자 (電磁) 에너지는 바람직스럽게는 선형이거나 선형에 가까운 전계 또는 자계 (B) 의 형성을 통해 상기 챔버 (2) 에 가해진다. 전자계는 중앙 HDP-CVD 챔버 (2) 내에서의 반응물 및 산화제 가스들의 해리를 현저하게 향상시키는 데 충분하다. 이와 같이 가해진 전자계는, 상기 챔버 (2) 내에서 고 에너지 플라즈마를 만들어내기 때문에 이와 같이 향상된 해리를 야기시킨다. 상기 전자계 및 상기 챔버 (2) 내에서의 전자 및 이온들의 급속한 이동, 그와 아울러 플라즈마 자체의 조밀한 성질에 의해 야기되는 높은 해리 에너지는 초기에 상기 챔버 (2) 로 도입되는 반응물 가스의 성분인 분자, 이온, 원소 및/또는 기들을 만들어 내는 더 많은 충돌을 초래시킨다.
구체적으로 기술하면, 상기 HDP 챔버 (2) 에 내재하는 플라즈마의 높은 이온 밀도 및 전자계는 이온 및 분자들사이의 더 성공적인 해리 반응을 야기시킨다. 비록 평균자유 행정이 압력에 의해 고정된다고는 하지만, 전형적으로는 자계의 사용에 의해 제공되는 향상은, 이온이 전극에서 포획되기전에 이온의 보다 긴 행정길이에 의해 야기된다. 따라서, 본 발명의 플라즈마의 높은 이온 밀도는 자계와 함께 보다 많은 총체적인 충돌이 플라즈마에 내지하는 반응물, 성분 및 이온들사이에서 생기게 한다. 반응물 및 성분 종들의 플라즈마내에서의 해리도는 그리하여 증가되는 데, 그 이유는 각각의 이온이 기판 (4) 에의 흡착이전에 이온의 행정길이를 따라 더 많은 충돌에 직면하기 때문이다.
구체적으로 기술하면, 총체적인 충돌수는, 가해진 자계에 기인하여, 반응물 및 성분종이 원형, 나선형 또는 소용돌이 형태의 방식으로 이동하기 때문에 본 발명의 바람직한 실시예의 HDP-CVD 챔버 (2) 내에서 향상된다. 이러한 나선형 방식은 반응물 및 성분종들의 행정길이를 증가시킴으로써, 총체적인 충돌수를 증가시켜서 상기 챔버 (2) 내에서의 해리도를 극적으로 향상시킨다.
바람직하게는, 자계는, 예컨대 선형 및 동질성인 전류전송용 도전 코일에 의해 발생되며 상기 챔버 (2) 의 길이를 따라 유도된다. 이와 같은 바람직한 실시예에서, 전자 에너지가 운동에너지로 변환되기 때문에 대전된 전자, 이온 및 기들은 나선형으로 진행된다. 이어서, 이와 같이 신속하게 이동하는 대전된 종들은, 상기 챔버 (2) 내로 도입되는 경우 반응물 종 및 산화제 가스와 충돌하여 분열함으로써, 보다 간단한 이온 및 기들을 만들어 낸다. 최적하고 바람직한 상태하에서. 대부분의 종들이 그들의 행정길이에 걸쳐 플라즈마 상태에 직면한 후에 기판 (4) 에 있는 반응물 종의 원소 및 전자 성분일 정도로 HDP 챔버내에서는 극히 심하게 해리된다.
상기 기판 (4) 은 실리콘 웨이퍼인 것이 바람직하지만, 어느 반도체 또는 절연체 재료로도 구성될 수 있다. 실리콘 웨이퍼는 여러 농도의 도우펀트로 비도우핑 또는 도우핑된 P-형 또는 n 형일 수 있다. 상기 웨이퍼는 폴리싱 또는 비폴리싱 처리될 수 있다.
바람직한 방법은 중앙 HDP 챔버 (2) 내로 반응물 가스를 유입시키는 단계를 포함한다. 본 발명의 몇몇 실시예에서는 단지 하나의 반응물종이 작동 HDP-CVD 챔버내로 유입된다. 기타 실시예에서는, 여러 반응물 가스종들이 하나 또는 그 이상의 흡기 구멍 (8) 을 통해 작동 HDP 챔버 (2) 내로 유입된다. 각각의 반응물은 가스 유입 밸브 (10) 에 의해 제어받으면서 개별 유입됨으로써 반응물들의 특정 혼합물이 데포지션 상태를 최대화시키도록 상기 챔버 (2) 내로 도입될 수 있다. 각각의 반응물 가스는 개별적으로 밸브 제어받고 중앙챔버 (2) 는 적절한 가스 혼합물이 중앙 HDP 챔버 (2) 내에서 달성되도록 밸브제어 받는다.
본 발명의 바람직한 방법에서 사용되는 몇몇의 바람직한 반응물들은 (1) 메탄 ( CH4) 및 실란 ( SiH4), (2) 테트라에틸오소실리케이트 ( TEOS, 또는 Si(OC2H5)4), (3) 메틸트리메톡시실란 ( MTMS 또는 SiCH3(OC2H5)3), 및 (4) 페닐트리메톡시실란 ( PTMS, 또는 SiC6H5(OC2H5)3) 이다. 이들 반응물사이의 공통점은 그들 모두가 탄소 및 실리콘을 함유하고 있다는 것이다. 탄소 및 실리콘을 포함하거나 또는 이들 원소중 한 원소를 포함하는 기타 반응물 가스는 사용될 수도 있지만, 바람직한 방법은 한 반응물종이나 또는 결합 반응물종을 사용하며, 이는 모두 탄소 및 실리콘을 포함하고 있다. 상기 바람직한 그룹에서의 첫번째 반응물 종이 산소를 포함하지 않은 것처럼, 상기 반응물종이 산소를 포함하지 않는 경우, 산소 가스는 상기 반응물 종과 함께 HDP-CVD 챔버내로 개별 유입되는 것이 바람직하다. 몇몇의 바람직한 산화제는 O2및 H2O2를 포함한다. 플라즈마내에서의 반응물들의 해리후에, 본 발명의 방법은 기판 표면에 있는 실리콘 및 산소의 비정질 매트릭스내로 탄소를 도입시킨다. 방금 언급한 바람직한 반응물들과 함께, 산화제 및 희석가스는 중앙챔버 (2) 내로 유입되는 것이 바람직스럽다.
전형적으로는, 비반응물 가스도 또한 챔버 (2) 내로 유입되고 반응물가스의 플라즈마내에서의 이온화 및 해리를 용이하게 하고 이를 추진시키도록 개시제로서 작용한다. 바람직하게는, 단지 아르곤과 같은 불활성 가스만이 사용되는 데, 그 이유는 종래의 CVD 또는 플라즈마 증강된- CVD ( PE-CVD ) 기법과는 달리, H2또는 O2와 같은 2가의 희석제가 중앙 HDP 챔버내에서 용이하게 해리되고, 탄소와 결합되거나, 또는 기판상의 박박내에서 결합될 수 있기 때문이다. PE-CVD 챔버내에서보다 HDP 챔버내에서 더 큰 해리도, 즉 상기 2 가지 경우를 구별하여 HDP-CVD 가 본 발명의 바람직한 기법이게 하는 특성이 존재하는 것이 전형적이다.
상기 반응물이 중앙챔버 (2) 에 내재하고 가해진 자계 및/또는 전계와 아울러, 챔버 (2) 내에서의 전자 및 기타 이온 및 기에 의한 일정한 포격을 받는 경우, 챔버 (2) 및 기판 (4) 은 플라즈마의 뜨거운 종들의 흡착때문에 극히 뜨거워진다. 400℃ 이상 정도로 높은 온도는 중앙 HDP 챔버 (2) 내에서 및 기판 (4) 에서 야기될 수 있다. 이와 같이 자연적으로 야기되는 높은 온도때문에, 표면 반응성을 향상시키도록 기판 (4) 을 더 가열하는 것이 종종 필요치 않다. 그러나, 본 발명의 다른 실시예에서는, 기판 (4) 이 노 ( furnace ; 12 ) 내에 기판 (4) 을 배치시키는 것과 같은 종래의 수단에 의해, 또는 전자 또는 광자로 상기 기판을 포격함으로써 가열된다.
주어진 반응물 가스가 혼합된 후, 산화제 가스 및 희석가스는, 전자계를 사용하여 고밀도 플라즈마가 만들어지는 중앙 HDP 챔버 (2) 내로 도입되고, 다음 단계는 반응물종의 해리된 성분들을 기판 (4) 의 표면으로 순환시키는 것이다. 가스 반응물 및 그들의 해리된 성분들이 기판 표면에 도달하는 속도는 플라즈마의 물질 전달 성질에 의존하며 미약하게 나마 온도에 의존한다. HDP-CVD 기법은 유인 가스 - 상 집속 및 결과로서 생기는 막을 제공하는 유리한 데포지션 기법이다.
반응물 가스의 해리된 성분은 기판과 인접하도록 순환된다. 그러한 성분들은 흡착이 용이하게 일어날 수 있는 경우에 기판과 인접해 있다. 흡착이 생기기전에, 상기 성분들은 이들 성분들이 표면에 결합될 수 있을 정도로 상당한 확률을 갖는 기판 표면을 구성하는 원자 및 성분들사이에서 쌍극자-쌍극자 또는 이온의 상호작용이 생길 수 있도록 기판에 충분히 인접한 기판에의 인접한 위치를 점유한다. 이는 성분들 및 기판 표면사이에서의 충돌을 수반할 수도 있거나 그러하지 않을 수도 있다.
플라즈마 - 기판 경계부분에서, 반응물 가스 종, 및 산화제 가스의 가스성분의 흡착은 챔버 (2) 내로 도입되는 경우에 생긴다. 흡착은, 원자 또는 분자가 한 표면에 충돌하여 그 표면의 성분이 결합될 정도로 충분한 에너지를 상실한 경우에 생기는 것이 일반적이다. 여기에서 흡착은 전자들이 교환되고 이온력이 원자 또는 분자를 유지하는 경우에 생긴다.
일단 흡착되는 경우, 흡착 원자 및 흡착 이온은 표면을 따라 이동하여 기판 표면상에 박막을 형성하도록 반응한다. 바람직한 실시예에서, 고도의 원소 흡착은 고밀도 플라즈마내에서 일어나는 고도의 해리때문에 생기는 것으로 생각된다. 이러한 방식으로는, 소수의 탄소결합위치는 H-및 OH-와 같은 바람직스럽지 못한 기로 점유되는 데, 그 이유는 탄소원자가 표면상에 흡착될때까지 이와 같이 결합된 기를 대단히 제거하기 때문이다. 막내에서 댕글링 본드의 수를 감소시키는 바람직한 효과는 또한 본 발명의 방법을 사용한 결과이다. 이리하여, 탄소 원자들은, 달리 순수한 비정질 SiO2내의 실리콘 원자에 의해 점유될 수 있는 글라스 매트릭스내의 한 위치를 점유한다. 즉, 탄소 원자들은 4 개의 결합 위치각각에 결합되는 산소 원자들을 지니는 위치를 점유하는 것이 바람직스럽다. 흡착 및 반응공정에 이어서, 표면 반응의 가스 부산물은 HDP 챔버 (2) 로 부터 흡수 제거된다.
종래의 방법에 비해 본 발명의 방법의 중요한 이점은 많지만 2 가지 주요한 범주로 분류된다. 제 1 이점의 범주는 PE-CVD 또는 스핀 - 코팅과는 반대로 HDP-CVD 기법을 사용하는 것과 관련된 것들을 포함한다. 제 2 범주는 CH4/SiH4, TEOS, PTMS 및 MTMS 로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 또는 그 이상의 반응물들을 사용함으로써 달성되는 그러한 이점들을 포함한다.
HDP-CVD 기법을 사용하는 것은 중앙챔버 (2) 가 극히 조밀한 이온 플라즈마를 포함하기 때문에 극히 유리하다. 챔버내에서의 낮은 압력 상태하의 전자 에너지 및 이러한 고밀도의 플라즈마는 결과적으로 챔버내로 유입되는 플라즈마를 포함하는 고도의 반응물 해리를 야기시킨다. 구체적으로 기술하면, 반응물을 구성하는 탄소 및 실리콘 원자들은 이하 2 가지 결과로 이전에 부착된 기로 부터 이탈된다. 첫째로, 가스 상 집속은 결과적으로 생기는 얇은 유전체 막의 보다 양호한 스트레스 제어 및 열 안정성을 초래시킨다. 둘째로, 유리된 실리콘, 산소 및 탄소 원자들은 기판 표면에 흡착되어 부착된 기들이 제거되게 그들과 반응함으로써, 결과로서 생기는 얇은 유전체 막내에서의 보다 적은 C-H 결합 위치, 보다 적은 총체적인 수소 함유량 및 보다 적은 실란올 함유량을 초래시킨다.
반응물 가스로서 메탄/실란, TEOS, PTMS 및/또는 MTMS 를 사용하는 것은 그 각각이 탄소를 함유하기 때문에 극히 유리하다. 탄소 원자들은 HDP 챔버에 내재하는 반응물의 기타 분자 성분으로부터 해리된다. 그리하여, 탄소 원자들은 산화물 박막에서의 중요한 성분으로 된다. 사실상, 결과로서 생기는 막내에 탄소 원자들이 존재하는 것은 막의 유전상수를 대략 K = 2.9 내지 K = 3.2 로 낮춘다. 더욱이, 상기 막은 고도의 스트레스 제어기능을 지니며 열적으로 안정된다. 더군다나, 탄소 원자들은 양성의 흡착층 종들이며 수소와 결합되든, 그러하지 않든, 박막의 성분들 또는 기판을 침범 및 침식하지 않는다.
탄소 도우핑된 SiO2막들은 또한 HDP-CVD 기법을 사용하여 만들어진SiOXFy막에 비해 유리하며 또한 전형적인 SiO2막들보다 낮은 유전 상수들을 지닌다. 상이한 점으로서는, 본 발명의 탄소 원자들과는 대조적으로 플루오르 원자들이 차후의 상승 온도 공정에서 상호 접속 재료들을 침범하여 이들에 악영향을 주는 조악한 흡착층 종이라는 것이다.
요약하면, PE-CVD 기법과는 반대로 HDP-CVD 기법을 사용하는 것은 챔버내에서의 고도의 해리에 기인하여 H-및 OH-와 같은 바람직스럽지 않은 첨가 종들이 거의 없는 양호한 막을 만들어 낸다. 필요한 경우 플라즈마에서 적합한 산화제와 함께 반응물 종들로서 메탄/실란, TEOS, PTMS 및/또는 MTMS 또는 광범위한 유기 재료들중 어느 하나를 사용하는 것은 플라즈마 및 결과로서 생기는 박막의 매트릭스내로 탄소를 도입시키고, 하부 기판에 악영향을 주지 않고서 막의 유전상수를 낮춘다.
Claims (4)
- 고밀도 플라즈마-화학적 증착 ( HDP-CVD ) 챔버에서 HDP-CVD 기법을 사용하여 기판 표면상에 미세하게 분산된 탄소 도우핑된 실리콘 옥사이드 박막을 데포지트시키는 방법에 있어서,탄소, 실리콘 및 산소를 포함하는 하나 또는 그 이상의 반응물 종들을 상기 HDP-CVD 챔버내로 도입시키는 단계 ;상기 하나 또는 그 이상의 반응물 종들의 복수개의 해리된 성분들을 포함하는 HDP-CVD 챔버내에서 10E 16 이온/m3보다 높은 밀도를 갖는 고밀도 플라즈마를 형성하는 단계 ; 및상기 기판 표면으로 상기 성분들을 순환시키는 단계로서, 성분들 중 일부가 상기 기판 표면에 흡착하여 상기 기판 표면상에 SiOxCy를 포함하는 박막을 만들어 내도록 반응하는 순환 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 하나 또는 그 이상의 반응물 종들중 최소한 하나의 반응물 종은,(1) 메탄 및 실란,(2) 테트라에틸오소실리케이트 ( TEOS ),(3) 메틸-트리메톡시실란 ( MTMS ), 및(4) 페닐-트리메톡시실란 ( PTMS )으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 고밀도 플라즈마 - 화학적 증착 ( HDP-CVD ) 챔버에서 HDP-CVD 기법을 사용하여 기판 표면상에 미세하게 분산된 탄소 도우핑된 박막을 데포지트시키는 방법에 있어서,하나 또는 그 이상의 반응물 종들을 상기 HDP-CVD 챔버내로 도입시키는 단계로서, 상기 하나 또는 그 이상의 반응물 종들 중 최소한 하나는,(1) 메탄 및 실란,(2) 테트라에틸오소실리케이트 ( TEOS ),(3) 메틸-트리메톡시실란 ( MTMS ), 및(4) 페닐-트리메톡시실란 ( PTMS ) 으로 이루어진 군에서 선택되는 단계;상기 하나 또는 그 이상의 반응물 종들의 해리된 성분들을 포함하는 HDP-CVD 챔버에서 10E 16 이온/m3보다 높은 밀도를 지니는 고밀도 플라즈마를 형성하는 단계 ; 및상기 기판 표면으로 상기 성분들을 순환시키는 단계로서, 성분들 중 일부가 상기 기판 표면에 흡착하여 상기 기판 표면상에 박막을 만들어 내도록 반응하는 순환 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 고밀도 플라즈마 - 화학적 증착 ( HDP-CVD ) 반응 챔버에서 HDP-CVD 기법을 사용하여 에너지를 공급받은 기판 표면상에 낮은 유전상수를 갖는 미세하게 분산된 탄소 도우핑된 박막을 데포지트시키는 방법에 있어서,상기 HDP-CVD 반응 챔버내에서 상부에 박막을 데포지트시키도록 구성된 표면을 지니는 기판을 제공하는 단계 ;(1) 메탄 및 실란,(2) 테트라에틸오소실리케이트 ( TEOS ),(3) 메틸 - 트리메톡시실란 ( MTMS ), 및(4) 페닐 - 트리메톡시실란 ( PTMS )으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 또는 그 이상의 반응물 종들을 상기 HDP-CVD 챔버내로 도입시키는 단계 ;상기 HDP-CVD 반응 챔버내로 최소한 하나의 불활성 가스 및 산화제 가스를 도입시키는 단계 ;상기 하나 또는 그 이상의 반응물 종들의 해리된 성분들을 포함하는 HDP-CVD 챔버에서 10E 16 이온/m3보다 높은 밀도를 갖는 고밀도 플라즈마를 형성하도록 상기 HDP-CVD 챔버에 전자계를 가하는 단계 ;상기 성분들 중 일부가 상기 기판 표면상에 흡착되도록 기판에 인접하게 상기 성분들을 순환시키는 단계 ;기판상에 얇은 탄소 도우핑된 SiO2막을 만들어내기 위해 상기 흡착된 반응물 종들이 관여하는 화학 반응들이 일어날 수 있도록 상기 기판 표면에 에너지를 공급하는 단계 ; 및상기 HDP-CVD 챔버로부터 탈착된 가스 부산물들을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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