KR100653978B1 - 반도체 소자의 금속배선간 절연막 형성방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 소자의 제조공정 중 금속배선간 절연막의 형성방법에 관한 것으로, 유기계 절연막을 코팅한 후 산소열처리하는 단계를 도입하여 에어 갭(air-gap)을 가지는 금속배선간의 절연막을 형성하는 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따라 금속배선간의 절연막을 형성하면, 기존장비를 이용하여 금속배선에 있어서의 RC-지연시간을 단축할 수 있으며, 또한 추가적인 장비의 투자없이도 향후 개발예정인 고집적 반도체 소자의 절연막 제조공정에 적용이 가능하여 우수한 제품 특성 및 신뢰성을 갖는 제품의 개발이 가능해 진다.

금속배선의 절연막 형성방법

Description

반도체 소자의 금속배선간 절연막 형성방법{FORMATION MATHOD OF ISOLATION LAYER BETWEEN METAL LINES IN SEMICONDUCTOR DEVICE}

하기 도 1a 내지 도 2c 는 본 발명에 따라 금속배선간의 절연막을 형성한 단면을 나타낸 도면이다.

* 도면의 주요부분의 부호의 설명 *

101: 금속배선

102, 104, 204: 캡핑 옥사이드 (Capping Oxide)

103: 유기계열의 절연막

105, 205: 에어 갭(air-gap)

본 발명은 반도체 소자의 제조공정 중 금속배선간 절연막의 형성방법에 관한 것으로, 유기계 절연막을 코팅한 후 산소열처리하는 단계를 도입하여 에어 갭(air- gap)을 가지는 금속배선간의 절연막을 형성하는 방법에 관한 것이다.

현재 반도체 소자의 금속배선간 절연막으로 사용되고 있는 것으로는 CVD방식의 실리콘 산화막(SiO₂)이 주류를 이루고 있다. 실리콘 산화막을 이용한 금속배선간의 절연막은 금속배선간 매립이 어려우며, 유전상수(4.0-4.6)가 크다는 문제가 있어 0.13㎛이하의 반도체 소자의 제조공정에 적용할 경우, 반도체 소자의 제픔특성에 악영향을 미치게 된다. 따라서, 향후 저유전특성을 나타내는 절연막 및 금속배선간의 매립특성이 우수한 절연막의 증착방법 및 새로운 절연막 구조의 형성방법등이 요청되고 있으며, 이의 활발한 연구가 진행되고 있으며, 대표적인 것으로 다마센(Damascene)구조등을 들 수 있다.

그러나 저유전상수를 갖는 절연막물질로 아직 실용화에 적합한 것은 보고되지 않고 있으며, 이러한 물질의 대부분이 2.0 ~ 3.5 정도의 유전상수를 가지고 있어 금속배선으로 쓰이는 물질과의 상관관계를 고려할 때 많은 문제점을 가지고 있다.

따라서, 추가적인 투자없이 향후의 고집적 반도체 소자의 절연막 제조공정에 적용이 가능하며, RC-지연 시간이 최소화되고, 우수한 동작특성을 갖는 금속배선구조의 절연막을 형성하여 반도체 소자의 제품특성을 향상시킬 수 있는 방법이 요구되고 있는 실정이다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결할 수 있는 신규한 금속배선간의 절연막형성방법을 제공하고자 한다.

상기한 바와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 금속배선이 형성된 반도체 기판을 유기계 물질의 절연막으로 코팅한 후 1 차 큐어링하는 단계; 및 이후 실리콘 산화막을 증착한 후 산소분위기 하에서 열처리하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 금속간 절연막의 형성방법을 제공한다.

본 발명은 또한 상기한 바와 같은 금속배선간의 절연막 형성방법에 있어서, 상기 큐어링단계 이후 산소열처리하는 단계 이전에 에치백공정을 진행하는 단계를 부가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.

상기 절연막의 형성방법에 있어서, 상기 유기계 물질로는 폴리아마이드, 폴리에테르, 아로마틱 하이드로카본 중 선택된 것을 사용하는 것이 바람직하며, 상기 큐어링 단계를 100 ~ 250℃의 온도에서 진행하는 것이 바람직하다.

또한 실리콘 산화막의 증착은 PECVD 방법으로 350 ~ 450℃의 온도에서 진행하는 것이 바람직하며, 상기 산소열처리의 과정은 400 ~ 500℃에서 진행하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 절연막의 제조방법을 좀 더 상세히 살펴보기로 한다.

본 발명은 유기계열의 절연막을 산소열처리 공정을 적용하여 절연막 내의 탄소를 CO₂ 의 형태로 절연막 외부로 외부확산시켜서 절연막 내에 에어-갭 (k≒ 1)을 형성함으로써 상기한 바와 같은 저유전특성을 나타내는 절연막을 형성하는 데에 그 목적이 있다. 상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 금속배선이 형성된 반도체 기판을 유기계열의 절연막으로 코팅한 후, 1차로 저온의 (100~250℃) 열처리로 에서 큐어링을 진행한다. 큐어링 진행후 500 ~ 1000Å정도의 실리콘 산화막을 증착하여 후속 산소열처리로에서 열처리를 시행하여 유기계 절연막 내에 함유되어 있는 탄소를 외부확산 시킴으로써 상기한 바와 같은 에어갭을 형성시키는 것이다. 이러한 절연막은 유전상수가 1 로서 향후 개발예정인 고집적 반도체 소자의 제조공정에서 적용이 가능하다. 또한 본 발명을 이용한 또다른 반도체 소자의 절연막 형성방법으로는 절연막이 증착된 반도체 기판을 코팅하고 캡핑막 및 CMP 배리어 막으로 실리콘 질화막을 형성한다. 그리고 이러한 절연막위에 다마센 구조를 형성한 후 금속배선을 형성한 후 산소열처리를 시행하여 절연막 내부에 에어갭을 형성할 수 있다.

이와 같이 에어갭을 갖는 절연막과 다마센 공법을 이용하여 향후 고집적 반도체 소자의 제조공정에의 적용이 가능하게 된다.

이하 본 발명에 따라 형성된 절연막을 첨부한 도면을 통하여 좀 더 상세히 살펴보기로 한다.

하기 도 1a 내지 도 1b 는 본 발명에 따라 에어갭이 포함되어 형성된 절연막을 보여주는 단면이다. 도 1a는 금속배선(101)이 형성된 반도체 기판상에 캡핑 옥사이드(102)를 증착하고, 이후 옥사이드계열의 절연막(103)을 형성한 후 그 상부에 다시 캡핑 옥사이드(104)를 증착한 단면이다. 상기 도 1a 와 같은 절연막(103)이 형성된 후, 이를 산소열처리과정을 거치면 도 1b 와 같이 에어 갭(air gap)(105)이 형성된다.

하기 도 2a 내지 도 2c 는 본 발명의 또 다른 방법에 의하여 형성된 금속배선간의 절연막을 보여주는 단면도이다. 도 2a 에서와 같이 우선 금속배선(101)이 형성된 실리콘기판의 상부에 캡핑 옥사이드 막(102)을 증착하고, 이후 유기계열의 절연막(103)을 형성하였다. 이후 에치백공정을 수행한 후 캡핑옥사이드(204)를 증착하면 도 2b와 같이 되며, 산소열처리 하는 단계를 거치면 하디 도 2c 와 같이 에어갭(205)이 형성된다.

본 발명에 따라 금속배선간의 절연막을 형성하면, 기존장비를 이용하여 금속배선에 있어서의 RC-지연시간을 단축할 수 있으며, 또한 추가적인 장비의 투자없이도 향후 개발예정인 고집적 반도체 소자의 절연막 제조공정에 적용이 가능하여 우수한 제품 특성 및 신뢰성을 갖는 제품의 개발이 가능해 진다.

또한 본 발명에 따른 절연막의 형성방법을 다마센 구조의 금속배선 형성방법에 적용할 경우 금속배선의 특성이 우수하여 신뢰성 및 수율이 향상된다.

Claims (6)

1. 금속배선이 형성된 반도체 기판을 유기계 물질의 절연막으로 코팅한 후 큐어링하는 단계; 이후 실리콘 산화막을 증착한 후 산소분위기 하에서 열처리하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 금속간 절연막의 형성방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 큐어링단계 이후 산소열처리하는 단계 이전에 에치백공정을 진행하는 단계를 부가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 유기계 물질로 폴리아마이드, 폴리에테르, 아로마틱 하이드로카본 중 선택된 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 큐어링은 100 ~ 250 ℃의 온도에서 진행하는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 실리콘 산화막의 증착시 PECVD 방법으로 350 ~ 450℃의 온도에서 진행하는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 산소열처리의 과정을 400 ~ 500℃에서 진행하는 것을 특징으로 하는 방법.

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