KR100331272B1 - 반도체 소자의 층간절연막 형성방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 소자의 제조 공정 중 층간 절연막의 형성방법에 관한 것으로 반도체 제조 공정에 있어서의 층간 절연막의 형성과정 중 절연막 증착 공정시 베릴륨(Be)을 첨가함으로써 수분에 대한 투과성 및 반도체 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 층간 절연막의 형성방법을 제공한다. 본 발명에 따라 층간절연막 및 패시베이션(passivation) 단계에 베릴륨(Be)을 첨가해 줌으로서 금속배선이전의 층간절연막의 증착시는 우수한 배리어(Barrier) 효과를 나타내게 되고 금속배선간의 층간절연막의 증착시는 물성이 안정하며 또한 저유전물질의 단점인 아웃개싱(out-gassing)으로 인한 문제도 해결할 수 있어 후속공정의 용이함 및 공정마진의 확보 효과를 얻을 수 있으며, 이러한 효과에 의하여 반도체 소자의 품질 향상과 수율향상 및 신뢰성 향상의 효과를 기대할 수 있다.
Description
본 발명은 반도체 소자의 제조 공정 중 층간 절연막의 형성방법에 관한 것으로 반도체 제조 공정에 있어서의 층간 절연막의 형성과정 중 절연막 증착 공정시 베릴륨(Be)을 첨가함으로써 수분에 대한 투과성 및 반도체 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 층간 절연막의 형성방법에 관한 것이다.
반도체 제조공정에 있어서 층간절연막은 크게 폴리실리콘막과 금속배선층간의 절연막 즉 금속배선이전의 층간절연막과 금속배선층간의 층간절연막으로 나눌 수 있다.
우선 금속배선 이전의 층간 절연막인 폴리실리콘층과 금속배선 층간의 절연을 위해서는 주로 BPSG(Boro Phospho Silicate Glass)가 사용된다. 이러한 절연막을 증착할 때 외부 불순물로부터 폴리실리콘을 보호해 주기 위해 포스포러스(phosphorus)를 첨가하여 게터링(gettering)역할을 하도록 하며, 800℃이하의 온도에서 플로우하여 평탄화 시키기 위하여 보론(boron)을 첨가한다.
그러나 이 때 보론의 첨가에 따른 수분 및 이동성 이온(Mobile Ion)의 투과로 이하여 반도체 소자의 열화(Deterioration)의 문제가 발생한다. 따라서 이 때 보론의 첨가로 인한 열화를 완화시키기 위하여 포스포러스를 다량 첨가할 경우 포스포러스의 상분리(phase separation)로 인한 헤이즈(haze)현상이 발생하기 때문에 통상 5중량퍼센트를 넘지 않도록 해야 한다.
이러한 문제를 해결하기 위해 최근에는 폴리실리콘층과 금속배선층간의 절연(Pre Metal Dieletric; 이하 PMD 라 한다.)을 위한 물질로 보론을 제외한 PSG(Phosphorus Silicate Glass)물질을 단지 화학기계적 연마(CMP)만 사용하여 진행하려고 하는 연구가 진행되고 있다.
그러나 PSG물질 또한 800℃ 이하의 온도에서는 전혀 플로우되지 않아 CMP공정을 진행한다고 해도 전체적인(Global) 평탄화는 우수하겠지만 국부적(Local) 평탄화는 좋지 못하게 되는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 고밀도플라즈마(High Density Plasma; 이하 HDP라 한다.) 장비를 이용하여 PSG막을 증착하기도 하나 이럴 경우 HDP장비가 고가이며 또한 고밀도 플라즈마에 인한 데미지(Demage)가 발생하는 문제점이 있다.
금속배선층간의 절연을 위한 물질로는 USG(Undoped Silicate Glass)막이 주로 사용되고 있으나 최근에는 RC 지연(RC Delay)문제로 즉, 반도체 소자의 속도향상을 위하여 상기 USG 막 대신에 저유전율(Low κ)을 갖는 물질을 사용하고 있다. 그러나 저유전물질은 폴리머 계통이기 때문에 물성이 취약할 수 밖에 없다.
따라서 이러한 문제점을 해결하기 위하여 저유전율 물질의 상부와 하부에 수분 등에 대한 배리어(Barrier)의 효과가 뛰어난 나이트라이드 혹은 옥시나이트라이드막 등을 증착하여 사용하고 있다. 그러나 이럴 경우 나이트라이드 및 옥시나이트라이드막의 유전상수(κ)값이 USG 막보다도 2배 정도 높기 때문에 저유전물질 사용의 효과가 반감된다. 그리고 배리어(Barrier)막 혹은 게터링(Gettering)막을 사용할 경우 비아에치(Via Etch)후의 프로파일(Profile)의 불량으로 인해 반도체 소자의 품질 및 수율 저하의 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 저유전물질에 베릴륨(Be)을 첨가하는 방법을 사용하여 유전상수 등의 물성의 변화는 없으면서 소자 특성의 열화(Deterioration)를 방지할 수 있도록 하는 층간 절연막의 형성방법을 제공하고자 하는 데에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 반도체 제조공정에 있어서, 층간절연막의 증착시 베릴륨 또는 플루오르화 베릴륨을 첨가하는 것을 특징으로 이루어진다.
본 발명에 따른 절연막의 증착 공정에 있어서, 층간절연막은 폴리실리콘층과 금속배선간의 절연막으로서의 BPSG(Boron Phosphorus Silicate Glass)막으로 하거나 또는 상기 층간 절연막은 금속배선간의 절연막인 저유전 물질막으로 하는 것이 적합하다.
이하 본 발명의 적절한 실시예를 통하여 본 발명의 구성을 좀 더 상세히 살펴보기로 한다.
층간절연물질 중 금속배선 이전의 절연막으로서 폴리실리콘층과 금속 배선층간의 층간절연막으로 주로 사용되는 BPSG는 산화막의 증착시에 보론이나 포스포러스를 함유하는 반응물을 첨가하여 증착된 SiO2-B2O3-P2O5혼합 산화막이다.
SiO2에 B2O3나 P2O5가 게재되면 글래스(glass)의 퓨전(fusion)온도가 낮아지기 때문에 900℃ 부근의 온도에서 리플로우(reflow)처리를 해주게 되면 BPSG막의 설피스에너지(surface energy)에 의하여 비스코스 플로우(viscous flow)가 일어나 산화막이 평탄화 되므로써 차후 배선 재료의 증착, 노광 및 식각 공정을 용이하게 만들어 준다.
BPSG막의 증착법은 사용 반응물에 따라 SiH4계 BPSG와 TEOS계 BPSG가 있으며 리플로우 공정 후의 평탄도의 조정은 BPSG내의 보론 또는 포스포러스의 농도나 리플로우 온도의 조절을 통하여 이루어진다. 이 때, B, P의 농도가 높을수록, 리플로우의 온도가 높을수록 평탄도는 우수해진다.
BPSG의 증착시의 반응은 하기 식과 같다.
SiH4+ PH3+ B2H6+ O2SiO2+ P2O5+ B2O3+ by-product
SiO2+ P2O5+ B2O3+ by-product
상기 식에서 TEOS = Si(OC2H5)4, TMB = (CH3O)3B, TMP = (CH3O)3P를 각각 나타낸다．
현재는 주로 상압 화학기상 증착방법(AP-CVD; Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition) 또는 준상압 화학기상 증착방법(SA-CVD; Sub-Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition)을 이용하여 BPSG막을 증착하고 있는데 본 발명에 따른 절연막의 증착방법은 상기 BPSG막의 증착시 보론 대신 베릴륨을 첨가 하는 것이다. 이 때 베릴륨의 소스(Source)로는 주로 베릴륨 아세테이트가 사용된다. 이때 첨가되는 베릴륨의 양은 Si가 3 slm(standard liter minute) 일때 0.1~4 slm이다.
BPSG막에 보론 대신 베릴륨이 첨가될 경우 [BeO]4사면체로 된 글래스의 형태가 되고 이로 인해 기존의 [BO]3형태에 비해 BPSG막의 치밀화로 인하여 구조가 강화된다. 이에 따라 수분 및 이동성 이온의 침투시 막을 보호하게 되는 효과 즉 배리어 효과와 게터링 효과가 향상된다. 상기한 바와 같은 효과는 기존의 보론원자가 3배위(Coordinate Number)원자임에 의하여 발생했던 반도체 소자의 열화(Deterioration)를 4배위수를 갖는 베릴륨원소를 사용함으로써 해결하려 하는 것이다.
또한 현재 저유전물질로 사용되는 금속배선층간의 유전물질이 플루오르가 첨가된 실리케이트 글래스(Fluorinated Silicate Glass; FSG)를 제외하고는 대부분 폴리머계통이기 때문에 막의 안정성(stability)에 문제가 있어 왔는데 본 발명에서는 이러한 문제점을 해결하고자 저유전물질에 베릴륨(Be)을 첨가하여 증착 또는 코팅을 한다.
이 때 베릴륨의 소스(Source)로는 BeF2가 주로 사용되며 저유전물질의 솔벤트(solvent)인 이소프로필알코올(Iso Prophyl Alcohol)을 같이 사용할 수 있기 때문에 추가의 솔벤트는 필요하지 않다.
상기 방법에 의하여 원자간 결합 중 가장 강한 공유결합(Covalent bond)을 갖는 Be-F가 첨가되므로 물성이 상당히 안정하게 되어 저유전물질의 단점인 안정성의 문제를 해결 할 수 있다.
또한 분극율(polarizability)이 커서 유전상수(κ)값의 상승에 가장 큰 영향을 미치는 산소가 플로오르로 치환되기 때문에 유전상수 값이 떨어지게 된다. 따라서 저유전물질에 플루오르화 베릴륨이 첨가되면 저유전물질의 물성이 안정화 될 뿐 아니라 추가적인 저유전 특성의 향상을 가져오게 된다.
BPSG막에 BeF2를 첨가할 경우에도 금속배선층간의 절연물질에서와 동일한 효과를 나타낸다.
또한 패시베이션단계에서 베릴륨을 첨가할 경우에도 상기한 바와 같은 효과를 얻을 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명에 따라 반도체 제조공정에 있어서의 층간 절연막및 패시베이션 단계에 베릴륨을 첨가해 줌으로서 금속배선이전의 층간절연막의 증착시는 우수한 배리어 효과를 나타내게 되고 금속배선간의 층간절연막의 증착시는 물성이 안정하며 또한 저유전물질의 단점인 아웃개싱(out-gassing)으로 인한 문제도 해결할 수 있어 후속공정의 용이함 및 공정마진의 확보등의 효과를 얻을 수 있다.
또한 상기한 효과에 의하여 반도체 소자의 품질 향상과 수율향상 및 신뢰성 향상의 효과를 기대할 수 있다.
Claims (3)
- 반도체 제조공정 중 층간 절연막을 형성함에 있어서, 베릴륨 또는 플루오로베릴륨을 첨가하여 증착함을 특징으로 하는 반도체 제조공정에 있어서의 층간절연막의 형성방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 층간 절연막은 폴리실리콘층와 금속배선간의 절연막으로서의 BPSG(Boron Phosphorus Silicate Glass)막임을 특징으로 하는 반도체 제조공정 중에 있어서의 층간 절연막의 형성방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 층간 절연막은 금속배선간의 절연막인 저유전 물질막임을 특징으로 하는 반도체 제조공정에 있어서의 층간 절연막의 형성방법.
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