KR100552856B1 - 반도체 소자의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 목적은 고집적 소자의 배선 사이의 기생 캐패시턴스 증가를 억제하여 신호지연을 최소화함으로써 고속 소자를 용이하게 구현하는 것이다.
본 발명의 목적은 상부에 하부 절연막이 형성되고, 하부 절연막 상에는 서로 이격되어 배선이 형성된 반도체 기판을 준비하는 단계; 배선 사이의 하부 절연막 및 배선 상부 표면에 제 1 및 제 2 워터마크를 형성하는 단계; 제 1 및 제 2 워터마크를 에어버블로 변형시키는 단계; 기판 전면 상에 저유전율의 제 1 절연막을 형성함과 동시에 제 1 및 제 2 에어버블을 성장시켜 배선 사이의 간격 및 배선 상부에 제 1 및 제 2 에어갭을 형성하는 단계; 제 2 에어갭이 노출되도록 상기 제 1 절연막의 상부를 제거하는 단계; 및 제 2 에어갭을 매립하도록 제 1 절연막 상에 저유전율의 제 2 절연막을 형성하여 층간절연막을 완성하는 단계를 포함하는 반도체 소자의 제조방법에 의해 달성될 수 있다.
배선, 에어갭, 기생 캐패시턴스, 층간절연막, PE-CVD, SOG, 유전율
Description
도 1은 종래 반도체 소자를 나타낸 단면도.
도 2a 내지 도 2f는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 제조방법을 설명하기 위한 순차적 공정 단면도.
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
20 : 반도체 기판 21 : 하부절연막
22 : 제 1 Ti/TiN막 23 : Al막
24 : 제 2 Ti/TiN막 25a, 25b : 워터마크
26a, 26b : 에어버블 27a, 27b : 에어갭
28 : 제 1 절연막 29 : 제 2 절연막
200 : 배선 300 : 층간절연막
본 발명은 반도체 소자의 제조방법에 관한 것으로, 특히 배선 사이를 절연하는 층간절연막 형성방법에 관한 것이다.
일반적으로, 배선 기술은 집적회로(Intergated Circuit; IC)에서 트랜지스터 의 상호 연결회로, 전원공급 및 신호전달의 통로를 구현하는 기술을 말한다.
최근, 반도체 소자의 고집적화에 따른 선폭 감소로 인해 배선 사이의 간격은 점점 더 좁아지는 반면 높이는 상대적으로 더 증가하면서, 배선 사이의 간격(gap) 매립 공정이 문제로 대두되고 있다.
배선 사이를 절연하는 층간절연물질로 종래에는 갭매립 특성이 우수한 비피에스지(BoroPhospho-Silicate Glass; BPSG)막을 사용하였으나, 고온 공정의 문제로 인해 고밀도 플라즈마(High Density Plsma; HDP)를 이용한 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition; CVD)에 의한 실리콘산화막(SiO2)을 주로 사용하고 있다.
도 1은 종래 반도체 소자의 단면도로서, 도 1에 도시된 바와 같이, 트랜지스터 등의 하부구조물(미도시)이 형성된 반도체 기판(10) 상에 하부절연막(11)이 형성되어 있고, 하부 절연막(11) 상에는 배선(100)이 서로 이격되어 형성되어 있다.
여기서, 배선(100)은 접착층으로서의 제 1 티타늄/티타늄나이트라이드(Ti/TiN)막(12), 배선금속막으로서의 알루미늄(Al)막(13) 및 난반사코팅(Anti-Reflective Coating; ARC)막으로서의 제 2 Ti/TiN막(14)이 순차적으로 적층된 구조로 이루어질 수 있다.
배선(100) 상에는 배선(100) 사이의 간격을 매립하도록 HDP-CVD에 의한 SiO2막으로 이루어진 층간절연막(15)이 형성되어 있다.
한편, 신호의 전파속도는 배선(100)의 저항(R)과 배선(100) 사이의 기생 캐패시턴스(C)에 의해 결정되고, 신호지연(T)는 일반적으로 하기의 식(1)로 표현된 다.
T ∝ RC ‥‥‥‥‥‥‥‥식(1)
그런데, 고집적화가 가속화되면서 배선(100) 사이의 간격(d)이 예컨대, 0.2㎛ 이하로 감소함에 따라, 하기의 식(2)를 통해 알 수 있는 바와 같이, 배선(100) 사이의 기생 캐패시턴스(C)가 증가하는 경향이 있다.
C =εS/d ‥‥‥‥‥‥‥‥‥식(2)
여기서, ε는 층간절연막의 유전율, S는 배선 면적, d는 배선 간격이다.
따라서, 기생 캐패시턴스(C)를 감소시키기 위해서는 배선면적(S) 및 유전율(ε)을 감소시켜야 한다.
그러나, 상술한 종래 반도체 소자에서는 층간절연막(15)이 SiO2막(ε= 3.7∼4)으로 이루어지고, 배선(100)의 저항(R)을 고려할 때 배선면적(S)을 증가시키기가 어렵기 때문에, 고집적화에 따른 신호지연(T) 증가는 피할 수 없으므로 고속 소자 구현에 어려움이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 고집적 소자의 배선 사이의 기생 캐패시턴스 증가를 억제하여 신호지연을 최소화함으로써 고속 소자를 용이하게 구현하는데 그 목적이 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 목적은 상부에 하부 절연막이 형성되고, 하부 절연막 상에는 서로 이격되어 배선이 형성된 반도체 기판을 준비하는 단계; 배선 사이의 하부 절연막 및 배선 상부 표면에 제 1 및 제 2 워터마크를 형성하는 단계; 제 1 및 제 2 워터마크를 에어버블로 변형시키는 단계; 기판 전면 상에 저유전율의 제 1 절연막을 형성함과 동시에 제 1 및 제 2 에어버블을 성장시켜 배선 사이의 간격 및 배선 상부에 제 1 및 제 2 에어갭을 형성하는 단계; 제 2 에어갭이 노출되도록 상기 제 1 절연막의 상부를 제거하는 단계; 및 제 2 에어갭을 매립하도록 제 1 절연막 상에 저유전율의 제 2 절연막을 형성하여 층간절연막을 완성하는 단계를 포함하는 반도체 소자의 제조방법에 의해 달성될 수 있다.
이하, 본 발명이 속한 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 보다 더 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예를 소개하기로 한다.
먼저, 도 2f를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자에 대하여 설명한다.
도 2f에 도시된 바와 같이, 트랜지스터 등의 하부 구조물(미도시)이 형성된 반도체 기판(20) 상에는 하부 절연막(21)이 형성되어 있다.
하부 절연막(21) 상에는 배선(200)이 서로 이격되어 형성되어 있다.
여기서, 배선(200)은 접착층으로서의 제 1 Ti/TiN막(22), 배선금속막으로서의 Al막(23) 및 ARC막으로서의 제 2 Ti/TiN막(24)이 순차적으로 적층된 구조로 이루어질 수 있다.
배선(200) 사이의 간격에는 공기로 이루어져 유전율이 1인 제 1 에어갭(air gap; 27a)이 형성되어 있다.
제 1 에어갭(27a) 및 배선(200) 상에는 종래 SiO2 보다 낮은 약 2 내지 3 정도의 저유전율을 가지는 층간절연막(300)이 형성되어 있다.
여기서, 층간절연막(300)은 배선(200)을 노출시키는 제 2 에어갭(27b)을 구비하고 제 1 에어갭(27a)을 유지하면서 제 1 에어갭(27a) 및 배선(200) 상에 형성된 저유전율의 제 1 절연막(28)과, 제 2 에어갭(27b)을 매립하면서 제 1 절연막(28) 상에 형성된 저유전율의 제 2 절연막(29)으로 이루어진다.
제 1 절연막(28)은 제 1 에어갭(27a) 유지가 용이하도록 플라즈마강화(Plasma-Enhanced; PE)-CVD에 의해 형성된 것으로, 예컨대 플로린이 첨가된 실리카 글래스(Fluorinated Silica Glass; FSG)막 또는 실리콘탄화산화(SiOC)막으로 이루어질 수 있다.
제 2 절연막(29)은 제 2 에어갭(27b) 매립이 용이하도록 스핀온글래스(Spin On Glass; SOG)에 의해 도포 후 어닐링된 것으로, 예컨대, 플로린이 도핑된 폴리이미드(F doped polyimide)막, 나노-다공성 실리콘(Nano-porous Si)막 또는 방향족 탄화수소 폴리에테르(Aromatic hydrocarbon, poly ether)막으로 이루어질 수 있다.
다음으로, 상술한 반도체 소자의 제조방법을 도 2a 내지 도 2f를 참조하여 설명한다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 트랜지스터 등의 하부 구조물(미도시)이 형성된 반도체 기판(20) 상에 하부 절연막(21)을 형성한다.
그 다음, 하부 절연막(21) 상에 접착층으로서 Ti/TiN막(22)을 증착하고, Ti/TiN막(22) 상부에 배선금속막으로서 Al막(23)을 증착한 후, Al막(23) 상부에 ARC막으로서 제 2 Ti/TiN막(24)을 증착한다.
그 후, 포토리소그라피 및 식각 공정에 의해 제 2 Ti/TiN막(24), Al막(23) 및 제 2 Ti/TiN막(22)을 서로 이격되도록 패터닝하여 배선(200)을 형성한다.
도 2b에 도시된 바와 같이, 배선(200)이 형성된 기판(20)을 HCl 용액에 의해 세정하고, 세정된 기판(20)을 스핀건조(spin dry)에 의해 건조시킨 후, 건조된 기판(20)을 공기 중에 노출시켜, 배선(200) 사이의 하부 절연막(21) 및 배선(200) 상부 표면에 제 1 및 제 2 워터마크(water mark; 25a, 25b)를 형성한다.
이때, 스핀건조는 1000rpm 이하로 속도를 다단계 감속하여 수행하고, 공기 중 노출 시간은 약 4시간 이상으로 조절하는 것이 바람직하다.
도 2c에 도시된 바와 같이, 인-시튜(in-situ)로 제 1 및 제 2 워터마크(25a, 25b)가 형성된 기판(20)을 300 내지 500℃, 바람직하게 400℃의 온도에서 Ar, He, Xe, Kr, Ne 등의 불활성 가스 분위기로 어닐링(annealing)하여, 워터마크(25a, 25b)를 제 1 및 제 2 에어버블(26a, 26b)로 변형시킨다.
도 2d에 도시된 바와 같이, 인-시튜로 제 1 및 제 2 에어버블(26a, 26b)이 형성된 기판 전면 상에, 종래 SiO2 보다 낮은 약 2 내지 3 정도의 저유전율을 가지는 제 1 절연막(28)을 형성함과 동시에, 제 1 및 제 2 에어버블(26a, 26b)을 성장시켜 제 1 및 제 2 에어갭(27a, 27b)을 형성한다.
이때, 배선(200) 사이에서는 모세관 현상에 의해 제 1 에어버블(26a)이 더 크게 성장하므로 배선(200) 사이의 간격이 대부분 제 1 에어갭(27a)으로 채워지게 된다.
또한, 제 1 절연막(28)은 PE-CVD에 의해 형성된 것으로, 예컨대 플로린이 첨가된 실리카 글래스(Fluorinated Silica Glass; FSG)막 또는 실리콘탄화산화(SiOC)막으로 이루어질 수 있다.
도 2e에 도시된 바와 같이, 화학기계연마(Chemical Mechanical Polishing; CMP)에 의해 배선(200) 상부 표면의 제 2 에어갭(29b)이 노출되도록 제 1 절연막(28)의 상부를 제거한다.
도 2f에 도시된 바와 같이, 노출된 제 2 에어갭(29b)을 완전히 매립하도록 제 1 절연막(28) 상에 종래 SiO2 보다 낮은 약 2 내지 3 정도의 저유전율을 가지는 제 2 절연막(29)을 형성하여 층간절연막(300)을 완성한다.
이때, 제 2 절연막(29)은 SOG에 의해 도포 후 어닐링된 것으로, 예컨대 플로린이 도핑된 폴리이미드(F doped polyimide)막, 나노-다공성 실리콘(Nano-porous Si)막 또는 방향족 탄화수소 폴리에테르(Aromatic hydrocarbon, poly ether)막으로 이루어질 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에서는 고집적 소자의 배선 사이 간격은 유전율이 매우 낮은 에어갭으로 채우고 저유전율을 가지는 절연막으로 층간절연막을 형성하 기 때문에, 배선 사이의 유전율 및 기생 캐패시턴스를 현저하게 감소시킬 수 있다.
이에 따라, RC에 의해 유도되는 신호지연(T)을 최소화할 수 있으므로, 고속 소자 구현이 용이해진다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
Claims (8)
- 상부에 하부 절연막이 형성되고, 하부 절연막 상에는 서로 이격되어 배선이 형성된 반도체 기판을 준비하는 단계;상기 배선 사이의 하부 절연막 및 상기 배선 상부 표면에 제 1 및 제 2 워터마크를 형성하는 단계;상기 제 1 및 제 2 워터마크를 에어버블로 변형시키는 단계;상기 기판 전면 상에 저유전율의 제 1 절연막을 형성함과 동시에 상기 제 1 및 제 2 에어버블을 성장시켜 상기 배선 사이의 간격 및 배선 상부에 제 1 및 제 2 에어갭을 형성하는 단계;상기 제 2 에어갭이 노출되도록 상기 제 1 절연막의 상부를 제거하는 단계; 및상기 제 2 에어갭을 매립하도록 제 1 절연막 상에 저유전율의 제 2 절연막을 형성하여 층간절연막을 완성하는 단계를 포함하는 반도체 소자의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 워터마크를 형성하는 단계는.상기 배선이 형성된 기판을 HCl 용액으로 세정하는 단계;상기 세정된 기판을 스핀건조에 의해 건조시키는 단계; 및상기 건조된 기판을 공기 중에 노출시키는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조방법.
- 제 2 항에 있어서,상기 스핀건조는 1000rpm 이하로 속도를 다단계 감속하여 수행하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조방법.
- 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,상기 공기 중 노출 시간은 약 4시간 이상으로 조절하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 에어버블은 상기 워터마크가 형성된 기판을 300 내지 500℃의 온도에서 불활성 가스 분위기로 어닐링하여 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조방법.
- 제 5 항에 있어서,상기 불활성 가스는 Ar, He, Xe, Kr, Ne 중 선택되는 하나인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 1 절연막은 플라즈마강화-화학기상증착(PE-CVD)에 의해 플로린이 첨가된 실리카 글래스(Fluorinated Silica Glass; FSG)막 또는 실리콘탄화산화(SiOC)막으로 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 2 절연막은 스핀온글래스(SOG)에 의해 플로린이 도핑된 폴리이미드(F doped polyimide)막, 나노-다공성 실리콘(Nano-porous Si)막 또는 방향족 탄화수소 폴리에테르(Aromatic hydrocarbon, poly ether)막을 도포 후 어닐링하여 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조방법.
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