KR100568419B1

KR100568419B1 - 반도체 소자의 인덕터 제조 방법

Info

Publication number: KR100568419B1
Application number: KR1020030091665A
Authority: KR
Inventors: 최경근
Original assignee: 매그나칩 반도체 유한회사
Priority date: 2003-12-15
Filing date: 2003-12-15
Publication date: 2006-04-05
Also published as: KR20050059940A

Abstract

본 발명은 반도체 소자의 인덕터 제조 방법에 관한 것으로, 인덕터 형성 공정 전단계까지 수행된 기판을 반응기에 로딩하고, 반응기에는 컴퓨터에 연결된 잉크젯 프린터 헤드가 구비되며, 반응기 내부 압력을 500 Torr 이하로 유지시키고, 기판 온도를 100 내지 300 ℃로 유지시키고, 잉크젯 프린터 헤드에 액상 구리 전구체를 넣고 컴퓨터에 인식된 패턴 형태에 따라 기판 표면에 프린팅하면 프린팅된 액상 구리 전구체는 열 분해 반응이 일어나 원하는 구조의 구리 인덕터가 제조된다.

구리 인덕터, 구리 전구체, 잉크젯 프린터 헤드

Description

반도체 소자의 인덕터 제조 방법{Method of manufacturing inductor in a semiconductor device}

도 1은 일반적인 RF CMOS 소자의 개략도;

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 인덕터 제조 방법을 설명하기 위한 반응기의 개략도; 및

도 3a 내지 도 3c는 도 2의 반응기를 사용하여 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 인덕터 제조 방법을 설명하기 위한 소자의 단면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

11: 반도체 기판 12: 캐패시터

13: 트랜지스터 14: 박막저항

15: 나선형 인덕터 200: 반응기

210: 컴퓨터 220: 잉크젯 프린터 헤드

230: 웨이퍼 척 240: 히터

250: 가스 공급관 260: 펌프

270: 가스 배출관 280: 액상 구리 전구체

300: 기판 310: 하부 금속배선

320: 층간 절연막 330: 콘택 플러그

340: 구리 인덕터 350: 보호막

본 발명은 반도체 소자의 인덕터 제조 방법에 관한 것으로, 특히 다마신 방식을 적용하지 않고 액상 구리 전구체를 이용한 프린팅 방식으로 구리 인덕터를 제조할 수 있는 반도체 소자의 인덕터 제조 방법에 관한 것이다.

CMOS RF 기술은 RF를 직접 변환 방식(direct conversion) 등으로 기저 대역 수준으로 낮게 떨어뜨려 일반적인 COMS 공정으로도 RF칩을 제조할 수 있게 하는 것이다. 이는 결국 베이스 밴드와 RF를 하나의 칩에 통합하는 핵심 기술로서 무선 통신 기기용 시스템 온 칩(SOC) 개발을 가능케 한다. 이를 위해 능동소자와 수동소자를 하나의 반도체 기판 위에 일괄공정으로 제작하는 고주파 집적회로로 미약한 신호의 증폭, 주파수 변환 등의 기능을 수행할 수 있는 부품으로 고주파 시스템의 소형 경량화는 물론 사용 부품의 수를 대폭 줄임으로써 생산 수율을 증가시킬 수 있다. 이 기술은 도 1의 일반적인 RF CMOS 소자의 개략도에 나타낸 바와 같이, 반도체 기판(11) 위에 트랜지스터(13)와 같은 능동소자와 캐패시터(12), 저항(14) 및 인덕터(15) 같은 수동소자 뿐만 아니라 단위소자의 연결까지도 일괄공정으로 동시에 제작하므로 종래의 고주파 회로 기판에 비해 크기가 작고 신뢰성이 높으며 특성이 균일하다. 또한 개별 부품의 패키지가 따로 필요 없으므로 개별부품을 사용하여 고주파 회로를 제작하는 경우에 비해 제작단가를 낮출 수 있어 무선통신기기의 시장 경쟁력을 높일 수 있는 것으로 알려졌다.

즉, 고주파 회로의 제작을 위해 종래에는 세라믹 기판 등에 개별 부품인 능동소자 및 수동소자를 장착한 고주파 회로 기판을 사용하였으나 무선 시스템이 소형화되고 대량 생산됨에 따라 이들 회로를 반도체 기판으로 대체하고 있다. RF CMOS 소자는 크게 능동소자와 수동소자로 구분되며 수동소자에는 저항, 인덕터, 캐패시터가 있으며, 능동소자와 수동소자 상호간의 배선도 포함한다. 그리고 수동소자의 특성은 정의된 구조와 크기의 표준소자로부터 RF 특성을 측정하고, 등가회로 파라미타를 추출하고 특성규칙을 도출하여 데이터로 제공된다. 이때 인덕터는 일반적으로 나선형 구조로 제작되는데, 금속의 선폭과 간격, 나선 수 등에 따라 특성이 변한다. 그리고 RF CMOS 소자에서 등가회로 파라미타를 추출하고 특성규칙을 도출하여 데이터로 제공된다. 이때 수동소자인 인덕터는 하이 큐(high Q; 여기서 Q는 quality factor를 나타낸다.)값을 얻기 위해 저항 감소가 필수적이며, 배선과 배선간의 캐패시턴스(capacitance)가 낮아야 한다. 현재 인덕터 구현 공정은 원하는 패턴을 구현하기 위해 배선 막이 구리일 때 다마신 공정을 일반적으로 수행한다. 그러나 다마신 공정은 산화막 증착 공정과 노광 공정, 식각 공정, 화학적 기계적 연마(CMP) 공정, 배선 증착 공정 등 여러 공정 조합으로 공정이 매우 복잡할 뿐만 아 니라, 이러한 복잡한 공정을 수행함에 따른 크랙(crack)이나 리프팅(lifting) 등의 문제가 발생할 가능성이 높다.

따라서, 본 발명은 단순 공정을 통해 원하는 구리 인덕터를 얻을 수 있는 반도체 소자의 인덕터 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 측면에 따른 반도체 소자의 인덕터 제조 방법은 컴퓨터에 연결된 잉크젯 프린터 헤드가 구비된 반응기에 기판을 로딩하는 단계; 잉크젯 프린터 헤드를 이용한 프린팅 공정으로 액상 구리 전구체를 상기 기판에 예정된 패턴 형태로 프린팅하는 단계; 프린팅된 액상 구리 전구체는 반응기 내에서 열 분해 반응되어 구리 인덕터로 되는 단계; 및 구리 인덕터가 형성된 상기 기판을 언로딩하고, 보호막을 형성하는 단계를 포함한다.

상기에서, 기판은 반응기의 히터가 구비된 웨이퍼 척에 로딩한다. 프린팅 공정은 N₂, Ar 또는 H₂ 가스 분위기에서 760 Torr 이하의 저압 상태로 유지하고, 상기 기판을 100 내지 300 ℃의 저온 상태로 유지시킨 상태에서 실시한다. 프린팅 공정은 한번 또는 그 이상 반복 실시하여 구리 인덕터의 두께를 조절한다. 액상 구리 전구체의 열 분해 반응은 기판에 가열되는 온도에 의해 일어난다. 액상 구리 전구 체는 hfacCu(I)ATMS, hfacCu(I)DMB, VTMS, MP 및 ACP중 적어도 어느 하나를 사용한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명의 범위는 본원의 특허 청구 범위에 의하여 이해되어야 한다.

한편, 어떤 막이 다른 막 또는 반도체 기판의 '상'에 있다라고 기재되는 경우에 상기 어떤 막은 상기 다른 막 또는 반도체 기판에 직접 접촉하여 존재할 수 있고, 또는 그 사이에 제 3의 막이 개재되어질 수도 있다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되어질 수도 있다. 도면 상에서 동일 부호는 동일 요소를 지칭한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 인덕터 제조 방법을 설명하기 위한 반응기의 개략도이고, 도 3a 내지 도 3c는 도 2의 반응기를 사용하여 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 인덕터 제조 방법을 설명하기 위한 소자의 단면도이다.

도 3a를 참조하면, 반도체 소자를 구성하는 단위 요소들(도시 않음) 예를 들 어, 웰 형성 공정 및 소자분리 공정 등이 실시된 반도체 기판에 트랜지스터, 캐패시터, 저항 등의 단위 소자들이 형성된 기판(300)이 제공되고, 배선 공정을 통해 기판(300) 상에 하부 금속배선(310)을 형성한다. 하부 금속배선(310) 상에 층간 절연막(320)을 형성하고, 콘택 공정으로 하부 금속배선(310)에 연결되는 콘택 플러그(330)를 형성한다. 이러한 하부 구조는 소자의 종류 및 특성에 따라 달라질 수 있으며, 도 3a에 도시된 것은 인덕터 형성 공정 전단계까지 완료된 상태를 의미한다.

도 3b를 참조하면, 인덕터 형성 공정 전단계까지 수행된 기판(300)을 도 2에 도시된 반응기(200)의 웨이퍼 척(230)에 로딩(loading)하고, 반응기(300) 구비되며 컴퓨터(210)에 연결된 잉크젯 프린터 헤드(inkjet printer head; 220)에 액상 구리 전구체를 넣고 컴퓨터(210)에 인식된 패턴 형태에 따라 층간 절연막(320) 상에 프린팅하고, 이로 인하여 콘택 플러그(330)에 연결되는 구리 인덕터(340)를 층간 절연막(320) 상에 형성된다. 이때 컴퓨터는 반응기(200) 안에 구비시켜 사용할 수 있다.

반응기(200)를 이용하여 구리 인덕터(340) 형성하기 위한 프린팅 공정을 상세히 설명하면 다음과 같다.

히터(240)가 구비된 웨이퍼 척(230)에 도 3a에 도시된 기판(300)을 로딩한다. 가스 공급관(250)을 통해 N₂, Ar 또는 H₂ 가스를 공급하고 가스 배출관(270)을 통해 가스를 배출시키며, 펌프(260)에 의해 반응기(200) 내부의 압력을 760 Torr 이하 예를 들어, 1 내지 760 Torr의 저압 상태로 유지시킨다. 히터(240)를 이용하여 기판(300)을 100 내지 300 ℃의 저온 상태로 유지시킨다. 잉크젯 프린터 헤드(220)에 액상 구리 전구체(280)를 채우고, 컴퓨터(210)에 인식된 명령에 따라 잉크젯 프린터 헤드(220)를 인덕터(340)가 형성될 위치의 기판(300) 상부로 이동시킨 후, 인식된 인덕터 패턴 형태에 따라 기판(300)의 층간 절연막(320) 상에 액상 구리 전구체(280)를 프린팅한다. 프린팅된 액상 구리 전구체(280)는 기판(300)의 온도에 의해 열 분해 반응이 일어나 도 3b에 도시된 구리 인덕터(340)가 형성된다.

액상 구리 전구체(280)는 1가 구리 전구체를 이용하고, 특히 열 분해 온도가 비교적 낮은 hfac(hexafluoroacetylacetonate)Cu(I)ATMS(allytrimethylsilane), hfacCu(I)DMB(3,3-dimethyl-1-butene), VTMS(vinyltrimethylsilane), MP(4-methyl-1-pentene), ACP(allycyclopentane) 등을 사용하는 것이 바람직하다. hfacCu(I)ATMS의 분해 온도는 약 54 ℃, hfacCu(I)DMB의 분해 온도는 약 88 ℃, VTMS의 분해 온도는 약 63 ℃, MP의 분해 온도는 약 80 ℃, ACP의 분해 온도는 약 82 ℃이다.

이러한 액상 구리 전구체의 열 분해 반응은 하기의 반응식 1과 같이 일어난다.

2hfacCu(I)L → Cu(0) + Cu(II)(hfac)2 + 2L

여기서, "L"은 ATMS, DMB 등의 중성 리간드이다.

이와 같이 형성되는 구리 인덕터(340)는 그 두께를 반복 프린팅 작업으로 조절할 수 있으며, 액상 구리 전구체(280)의 인젝트(inject)량의 조절과 히팅 온도의 조절로 배선의 폭을 조절할 수 있다.

도 3c를 참조하면, 프린팅 방식으로 구리 인덕터(340)를 형성한 후, 반응기(200)로부터 구리 인덕터(340)가 형성된 기판(300)을 언로딩(unloading) 시킨다. 구리 인덕터(340)를 포함한 층간 절연막(320) 상에 보호막(350)을 형성한다. 보호막(350)은 실리콘 러버(silicon rubber)를 스핀 코팅(spin coating) 방식을 이용하여 형성한다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 다마신 방식에서의 복잡한 공정 없이 단순 공정을 통해 구리 인덕터를 형성할 수 있고, 다마신 방식에서 CMP 공정으로 발생되는 저유전 절연막의 크랙(crack)이나 리프팅(lifting) 등의 문제점이 근본적으로 방지되고, 액상의 1가 구리 전구체를 이용하므로 300 ℃ 이하의 저온 공정을 가능하게 하고, 이러한 저온 공정으로 잉크젯 프린터 헤드에 영향을 주지 않고 용이하게 상용화할 수 있어, 소자의 신뢰성 및 수율을 향상시킬 수 있다.

Claims

컴퓨터에 연결된 잉크젯 프린터 헤드가 구비된 반응기에 반도체 기판을 로딩하는 단계;

상기 잉크젯 프린터 헤드를 이용한 프린팅 공정으로 액상 구리 전구체를 상기 반도체 기판에 예정된 패턴 형태로 프린팅하는 단계;

상기 프린팅된 액상 구리 전구체는 상기 반응기 내에서 열 분해 반응되어 구리 인덕터로 되는 단계; 및

상기 구리 인덕터가 형성된 상기 반도체 기판을 언로딩하고, 보호막을 형성하는 단계를 포함하는 반도체 소자의 인덕터 제조 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 반도체 기판은 상기 반응기의 히터가 구비된 웨이퍼 척에 로딩하는 반도체 소자의 인덕터 제조 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 프린팅 공정은 N₂, Ar 또는 H₂ 가스 분위기에서 500 Torr 이하의 저압 상태로 유지하고, 상기 반도체 기판을 100 내지 300 ℃의 저온 상태로 유지시킨 상태에서 실시하는 반도체 소자의 인덕터 제조 방법.
제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,

상기 프린팅 공정은 한번 또는 그 이상 반복 실시하여 구리 인덕터의 두께를 조절하는 반도체 소자의 인덕터 제조 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 액상 구리 전구체의 열 분해 반응은 반도체 기판에 가열되는 온도에 의해 일어나는 반도체 소자의 인덕터 제조 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 액상 구리 전구체는 hfacCu(I)ATMS, hfacCu(I)DMB, VTMS, MP 및 ACP중 적어도 어느 하나를 사용하는 반도체 소자의 인덕터 제조 방법.