KR100399946B1 - 유동성 절연막의 열처리 방법 - Google Patents

유동성 절연막의 열처리 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 층간절연막 형성후 수행되는 열처리 공정에 관한 것으로 특히 열처리 초기시에는 산소등을 포함한 가스를 이용하고 고온에서는 N2가스를 사용하므로써 절연막의 안정성을 향상시키는 방법에 관한 것이다. 이를 위해 본 발명은 어닐 공정로의 램프-업 구간에서 O2를 포함하는 분위기로 상기 절연막을 어닐하는 제1단계; 상기 제1단계 후, 상기 공정로에서 N2분위기로 상기 절연막을 어닐하는 제2단계; 및 상기 제2단계 후, 상기 공정로를 N2분위기에서 냉각시키는 제3단계로 이루어 진다.

Description

유동성 절연막의 열처리 방법 {The method for annealing in flowable inter layer dielectrics}
본 발명은 반도체 제조 공정중 층간 분리막 형성후 수행되는 열처리 공정에 관한 것으로 특히, 사일렌(SiH4)과 과수(H2O2) 반응소스를 이용한 저압화학기상증착 (LP-CVD:Low Pressure Chemical Vapor Deposition) 방식의 절연막 형성 후에 진행되는 열공정에서 막 내부의 수분이 제거되면서 발생하는 인장응력을 최소화함으로서 막 안정성을 향상시킬 수 있는 열처리 방법에 관한 것이다.
반도체 소자에서 고밀도플라즈마 화학기상증착 (High Density Plasma-CVD 이하, HDP-CVD)방식 또는 상압화학기상증착 (Atmospheric Pressure-CVD 이하, AP-CVD)방식의 O2-TEOS 절연막이 층간 절연막으로 많이 쓰이고 있는데 이러한 절연막들은 반도체 소자의 집적도가 증가함에 따른 미세 패턴에서의 매립 특성에 한계를 보이고 있다.
반면에 사일렌(SiH4)과 과수(H2O2) 반응소스를 이용한 LP-CVD방식의 절연막을 사용하거나 유동성을 가진 SOD(Spin On Dielectric)절연막을 사용하는 경우에는 미세 패턴에서의 매립 특성은 우수하지만 막 내부에 존재하는 수분의 제거 및 절연막의 치밀화를 위해 후속의 열 공정을 필요로 한다.
치밀화가 되지 않은 경우에는 후속 식각공정 및 세정공정에서 절연막이 손실될 수도 있고, 또한 후속 공정을 진행하면서 받게 되는 열에 의해 절연막에서 outgassing 현상이 일어나 접착력이 감소하는 결점을 가지게 된다.
치밀화 공정은 일반적으로 공정로(Furnace)에서 고온 어닐(anneal)를 실시함으로서 이루어 진다. 이와 같은 열처리시에 온도가 상승할수록 막 내부에서 제거되는 수분이 많아지면서 막 내부의 인장응력이 증가한다.
따라서 높은 스트레스가 인가되면 절연막 자체에서 크랙(crack)이 발생할 수도 있고 하부층(under layer)의 산화에 의한 부피팽창으로 리프팅(lifting)이나 박리현상이 발생할 수도 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 인장응력을 최소화 시키며 언더레이어의 산화를 막는 장점을 가진 열처리 방법을 제공함을 그 목적으로 한다.
도1은 N2가스를 이용하여 열처리 공정을 수행한 경우의 막 내부의 인장응력의 변화를 보인 도면.
도2는 산소가 포함된 가스를 사용하여 열처리 공정을 수행한 경우의 막 내부의 인장응력의 변화를 보인 도면.
도3 내지 도5는 절연막의 치밀화 공정을 위한 열처리 진행시 온도별로 분위기를 바꾸는 단계를 도시한 도면.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 어닐 공정로의 램프-업 구간에서 O2를 포함하는 분위기로 상기 절연막을 어닐하는 제1단계; 상기 제1단계 후, 상기 공정로에서 N2분위기로 상기 절연막을 어닐하는 제2단계; 및 상기 제2단계 후, 상기 공정로를 N2분위기에서 냉각시키는 제3단계를 포함하여 이루어진다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.
반도체 기판상에 패턴이 형성되고 난 뒤, 후속 층간절연막을 형성하기 위해서는 여러가지 처리 공정이 뒤따르게 되는데 이를 본 발명의 바람직한 실시예와 연계하여 설명한다.
패턴위에 층간절연막을 형성하면 상기 층간절연막의 특성을 향상시키기 위해서 후속 열공정이 수행된다. 이와 같은 후속 열공정이 수행되면 층간절연막 내부에 존재하던 수분이나 수소 등이 하부 레이어로 침투해 들어가는 문제가 발생하는데 이를 방지하기 위하여 층간절연막 형성전에 보호막을 형성한다.
본 발명에서는 이러한 보호막으로 TEOS(Tetra Ethyl Ortho Silicate), SiH4, O2, O3, N2, N2O 또는 NH3반응가스를 이용한 산화막이나 질화막 또는 질화산화막을 사용한다.
이와 같이 보호막이 형성되면 접착력 향상과 갭-필 특성의 향상을 위하여 전처리가 실시되는데 본 발명에서는 CFxHy, SiCxHy, SiOxCy (0≤x≤4, 0≤y≤12), Ar, He, N2, N2O, H2O, H2O2, NH3또는 O2가스를 조합하여 사용하고 100 ~ 3000W 의 파워와 2초이상 10분이하의 시간에서 여러 플라즈마 처리를 실시하였다.
이와 같이 보호막이 형성된 후 전처리를 하게 되면 보호막 표면에 불순물이 남거나 기판 표면에 자연 산화막이 존재하게 되는데 이는 후속 공정에서 결함을 야기할 수도 있으므로 세정공정을 수행한다.
본 발명에서는 BOE(Bufferd Oxide Etchant)용액이나 H2SO4수용액 또는 H2O2수용액을 이용한 세정방법이나 SC-1(Standard Cleaning-1)세정 또는 SC-2(Standard Cleaning-2)세정을 복합적으로 이용하여 적어도 한가지 이상의 세정처리를 수행하였다.
이와같은 세정공정이 수행된 후에 층간절연막이 형성되는데 본 발명에서는 다양한 층간절연막을 이용한다.
먼저 O3, H2O, O2또는 TEOS 반응 소스를 이용하여 AP-CVD 또는 PECVD(Plasma Enhanced CVD) 방식으로 층간 절연막을 1000 ~ 20000Å의 두께로 형성한다.
또는 H20, H202와 SiH4또는 SiH3(CH3)등의 메틸사일렌 계열의 반응소스를 이용하여 -10 ~ 100℃ 사이의 저온에서 LPCVD 방식으로 유동성 절연막을 1000 ~ 20000Å의 두께로 형성하거나 SOD 계열의 절연막을 1000 ~ 20000Å의 두께로 형성하여 층간절연막으로 사용한다.
상기와 같이 층간 절연막이 형성되면 고온 열처리를 하기 전에 층간 절연막의 특성을 향상시키기 위한 후처리(Post Treatment)를 하게 된다.
본 발명에서는 Ar, He, N2, N2O, H2O, H2O2, NH3또는 O2가스를 조합하여 100 ~ 3000W의 파워와 2초이상 10분이하의 시간에서 플라즈마 처리를 실시한다.
또는 Ar, He, N2, N2O, H2O, H2O2, NH3또는 O2가스를 조합하여 사용하고 50 ~ 1000℃의 온도구간에서 2초에서 1시간사이의 시간동안 열처리를 실시한다.
이와 같은 후처리 공정이 수행되고 난 후에 층간절연막의 수분제거 및 치밀화 목적등을 위해 후속 열처리 공정이 수행된다.
도1은 N2 분위기에서 열처리를 수행하는데 900℃ 까지 열처리를 수행한 후에 냉각되는 경우에 막내부의 인장응력의 변화를 보인 도면이다.
도1을 참조하면 N2분위기에서 열처리를 하게 되면 500℃ 까지는 열 처리 온도에 비례하여 인장응력이 증가하는데 500℃에서 1 × 1010dyne/cm2의 최고 인장응력을 가지고 550℃ 이후부터는 층간 절연막의 치밀화가 이루어 지면서 인장응력이 감소함을 보이고 있다.
도2는 Air 분위기에서 900℃ 까지 열처리를 실시한 후 냉각되었을 때 막 내부의 인장응력의 변화를 보인 도면이다. 도시된 바와 같이 520℃ 까지는 열 처리 온도에 비례하여 인장응력이 증가됨을 보이고 있지만 이 때의 최고 인장응력은 5 × 109dyne/cm2에 불과하여 N2분위기의 최대 인장응력과 비교하면 절반에 불과함을 알수 있다. 그리고 550℃ 이후 부터는 N2분위기와 동일하게 인장응력이 감소 한다.
따라서 이와 같은 조건을 이용하여 어닐 공정로의 램프-업 구간에서는 O2또는 H2+O2분위기로 진행하여 막 내부의 수분이 제거되면서 발생하는 빈 자리를 산소가 채우게 하여 인장응력을 최소화 시키고 고온에서 열처리를 할 경우에는 N2분위기에서 열처리를 하여 언더 레이어가 산화되는 현상을 방지한다.
공정로의 램프-업 구간은 공정로가 가열되는 열처리 공정 초기를 말한다.
도3 내지 도5는 SOD 절연막이나 사일렌(SiH4)과 과수(H2O2) 반응소스를 이용한 LP-CVD 방식의 절연막에 대한 열처리 진행시 온도별로 분위기를 바꾸는 단계를 도시한 도면이다. 이와 같은 열처리 공정은 확산로에서 수행될 수도 있고 급속 열처리 공정을 통해 수행될 수도 있다.
본 발명에서는 3가지의 후속 열처리 실시예를 사용하였는데 이를 도3 내지 도5를 참조하여 각각 설명한다.
첫 번째 열처리 실시예는 도3에 도시된 바와 같이, 열처리 공정초기 즉, 어닐 공정로의 램프-업 구간에서는 산소를 포함하는 Air, O2, O3, N2O, H2+O2의 혼합가스를 사용하여 열처리를 수행하다가 600 ~ 1000℃ 온도 부근에서 N2가스로 분위기를 바꿔 열처리를 수행하며 차후에 냉각되는 경우에도 N2분위기에서 냉각되는 열처리 방법이다. 상기 램프-업 구간에서 산소를 포함한 가스를 이용하여 실행되는 열처리 공정은 500±200℃의 온도 구간에서 이루어진다.
두번째 열처리 실시예는 도4에 도시된 바와 같이, 열처리 공정초기 즉, 어닐 공정로의 램프-업 구간에서는 산소가 함유된 Air, O2, O3, N2O, H2+O2의 혼합가스를 사용하여 열처리를 수행하다가 600 ~ 1000℃ 온도 부근에서 N2가스를 사용한 후, 온도를 낮춰 냉각하는 경우에 다시 Air, O2, O3, N2O 또는 H2+O2의 분위기에서 냉각하는 방법이다. 상기 램프-업 구간에서 산소를 포함한 가스를 이용하여 실행되는 열처리 공정은 500±200℃의 온도 구간에서 이루어진다.
세번째 열처리 실시예는 도5에 도시된 바와 같이, 어닐 공정로의 램프-업 구간에서는 산소가 함유된 Air, O2, O3, N2O, H2+O2의 혼합가스를 사용하여 열처리를 수행하다가 600 ~ 1000℃ 온도 부근에서 1분 이상의 시간을 유지하고 다시 가열시에는 N2가스를 사용하는 방법이다. 상기 램프-업 구간에서 산소를 포함한 가스를 이용하여 실행되는 열처리 공정은 500±200℃의 온도 구간에서 이루어진다.
이와 같은 본발명의 실시예에 따르면 층간 절연막 형성 후 진행되는 열처리 공정에서 절연막의 안정성을 향상시켜 후속 공정을 용이하게 실시할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명이 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
층간 절연막 형성 후 수행되는 열처리 방법에 대해 본 발명을 적용하게 되면 절연막의 치밀화 온도를 낮출 수 있고 리프팅이나 박리현상을 줄일 수 있어 열처리 공정이 감소되며 또한 치밀하고 안정한 절연막을 형성할 수 있어 세정공정에서의 여유향상과 후속공정이 용이하게 수행될 수 있는 효과가 있다.

Claims (7)

  1. 유동성 절연막의 치밀화를 위한 어닐 방법에 있어서,
    어닐 공정로의 램프-업 구간에서 O2를 포함하는 분위기로 상기 절연막을 어닐하는 제1단계;
    상기 제1단계 후, 상기 공정로에서 N2분위기로 상기 절연막을 어닐하는 제2단계; 및
    상기 제2단계 후, 상기 공정로를 N2분위기에서 냉각시키는 제3단계
    를 포함하여 이루어진 유동성 절연막의 치밀화를 위한 어닐 방법.
  2. 유동성 절연막의 치밀화를 위한 어닐 방법에 있어서,
    어닐 공정로의 램프-업 구간에서 O2를 포함하는 분위기로 상기 절연막을 어닐함는 제1단계;
    상기 제1단계 후, 상기 공정로에서 N2분위기로 상기 절연막을 고온 어닐하는 제2단계; 및
    상기 제2단계 후, 상기 공정로를 O2를 포함하는 분위기에서 냉각시키는 제3단계
    를 포함하여 이루어진 유동성 절연막의 치밀화를 위한 어닐 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1단계는 산소 또는 산소 함유의 대기 또는 H2+O2분위기에서 실시하는 것을 특징으로 하는 유동성 절연막의 치밀화를 위한 어닐 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1단계는 500±200℃에서 이루어짐을 특징으로 하는 유동성 절연막의 치밀화를 위한 어닐 방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제2단계는 600∼1000℃의 온도에서 실시됨을 특징으로 하는 유동성 절연막의 치밀화를 위한 어닐 방법.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제3단계는 산소 또는 산소 함유의 대기 또는 H2+O2분위기에서 실시하는 것을 특징으로 하는 유동성 절연막의 치밀화를 위한 어닐 방법.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1단계는 500±200℃까지 램프-업하는 단계와, 상기 500±200℃에서 약 1분 정도 온도를 유지시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유동성 절연막의 치밀화를 위한 어닐 방법.
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