KR100884632B1 - 에스아이오씨 박막 제조용 프리커서와 박막 형성방법 - Google Patents

에스아이오씨 박막 제조용 프리커서와 박막 형성방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 SiOC 박막 제조용 프리커서와 박막 형성방법에 관한 것으로, 규소, 산소의 가스를 화학기상증착 반응 챔버 내에 공급하여 기판 상에 증착하여 SiOC 박막을 형성함에 있어서, 상기 SiOC 박막을 형성하기 위한 프리커서로 C=O 이중 결합을 가지는 치환기를 그 내부에 포함하는 것을 특징으로 하고, 이를 이용한 SiOC 박막 형성방법은 규소, 산소를 화학 기상 증착법에 의하여 반응 챔버 내에 공급하여 기판 상에 증착하는 단계; C=O 이중 결합을 가지는 치환기를 그 내부에 포함하는 SiOC 프리커서를 반응 챔버 내에 공급하는 단계; 및 상기 반응 챔버의 전극에 플라즈마 파워를 인가하여 기판 상에 SiOC 박막을 형성하는 단계를 포함하는 것으로 상기 프리커서는 유전상수가 낮아지는 SiOC 절연막을 만들 수 있으므로 상기 SiOC 박막은 층간절연막으로 할 수 있고 트래지스터를 만들 때 필요한 게이트 산화막으로 사용할 수 있는 효과가 있다.
SiOC 박막, 유전상수, 프리커서, 비정질결합구조, 기공, 친핵성반응

Description

에스아이오씨 박막 제조용 프리커서와 박막 형성방법{Precursor for manufacturing SiOC film and method of forming SiOC film}
본 발명은 SiOC 박막 제조용 프리커서와 박막 형성방법에 관한 것으로, 하이브리드 타입의 소스 가스를 이용하여 저유전 상수를 가지는 SiOC 박막 제조용 프리커서와 상기 프리커서를 이용하여 저유전 상수를 가지는 SiOC 박막 제조 방법에 관한 것이다.
반도체 집적회로 소자가 점점 더 소형화되면서 파생되는 문제점들이 많아지고 있다. 우선 크기가 작아짐에 따라 신호 간섭 혹은 신호 지연 등의 문제가 심각하게 대두되고 있다.
또한 메모리 소자의 초고집적화 기술에 가장 크게 기여한 기술은 패턴의 미세화와 이를 뒷받침하는 장비기술을 포함하는 플래너(planar) 공정기술이다. 패턴의 미세화는 나아가 단위 트랜지스터 혹은 셀(cell)의 고속화, 저손실화에 결정적인 도움을 주었다.
한편 고속화는 패턴의 미세화만으로는 극복할 수 없는 RC지연 같은 문제에 의해서 제한을 받는다. 이를 극복하기 위해서는 신호를 전송하는 알미늄 배선을 구 리배선으로 바꾸고 증가되는 정전용량을 감소하기 위하여 기존에 사용되어온 유전상수 k=4.0인 실리콘 다이옥사이드(SiO2)절연막 대신에 절연특성이 더 우수한 저유전 상수(low-k) 절연막을 사용해야 한다. 배선 절연층의 정전용량(C=A·ε／d, A: 배선면적, ε :배선절연막의 유전율, d : 절연층 두께)의 최소화는 공정기술면에서는 배선면적의 최소화로 접근할 수 있다.
한편 절연층 두께를 키우면 정전용량은 줄어들지만, 이 방법은 고집적화의 방해요소로 작용하므로 결코 좋은 해결책이 될 수 없다. 궁극적인 해결책은 재료기술, 즉 유전율의 최소화에서 찾을 수밖에 없다.
층간 절연막으로 잘 알려진 low-k 물질은 제조 방법에 따라 SOD(spin on deposition)벙법과 CVD(chemical vapor deposition)방법 2가지 종류가 있다. 평탄도나 균일성면에 있어서 CVD 방법에 의한 SiOC 박막이 차세대 절연물질이 될 것으로 주목받고 있다. SOC 용 프리커서는 SiLK, HSQ, MSQ 등이 알려져 있다. low-k는 구리 배선의 층 사이 물질로 기존 산화규소(SiO2)보다 저항을 줄여 유전율(k값)을 크게 낮출 수 있어 90㎚ 이하 공정에 본격적으로 적용될 신소재로 각광받고 있다.
low-k 물질에서 유전상수가 낮아지게 하는 원리를 보면 크게 2가지가 있다.
하나는 기공의 존재 그리고 나머지 하나는 분극을 없애서 비정질 결합구조를 형성하는데 있다.
SOD 방법과 CVD 방법에 사용되는 여러 가지 프리커서들 중에서도 평탄도나 균일성면에 있어서 CVD 방법에 의한 SiOC 박막이 차세대 절연물질이 될 것으로 주목받고 있다.
CVD 챔버 안에서 산소와 혼합된 상태에서 플라즈마 에너지에 의해서 해리가 되고 해리가 된 분자, 원자, 전자 혹은 이온들은 다시 재결합되면서 최종적인 SiOC 박막을 형성하게 된다. 이때 산소는 양이 작게 되면 기공의 형성에 의한 low-k 박막이 되기도 하지만 산소의 양이 적당하게 많게 되면 Si-CH3 결합이 친핵성 공격을 받고 CH 결합이 산소에 의해 늘어지는 효과가 나타난다. 이러한 효과는 절연막으로서 필수적인 비정질 구조를 만들게 되고 비정질도가 높은 박막에서 유전상수가 낮아지는 것은 당연한 원리이다. 그래서 얻은 SiOC 박막의 유전상수가 2.1로 조사 되고 보고된 바가 있다.
한편, SiOC 박막 형성 매커니즘에 있어서 알킬기는 말단에서의 결합반응이 일어나지 못하고, 일반적으로 절연물질내의 기공은 불평등 전계를 낳아 특성 열화를 가속시키는 치명적인 존재로 잘 알려져 있다.
따라서 기공을 갖는 유전체는 좋은 절연물질로는 한계가 있다. 공기는 뛰어난 단열재이므로 기공을 갖는 유전체의 방열특성은 나빠지게 된다.
또한 기체는 열팽창율이 매우 크므로 매트릭스 수지에 큰 기계적 응력을 일으키게 된다. 박막내의 기공의 불균일성은 특히 배선 가장 자리 전계가 집중되는 곳이라면 특성 열화는 더욱 심하게 일어나게 된다.
본 발명은 상기와 같이 종래의 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, SiOC 박막을 형성하는 데 있어서 친핵성 반응에 의하여 분극의 감소로 비정질 결합구조를 만들어 내는 방법에 의해서 유전상수가 낮아지는 SiOC 박막 제조용 프리커서와 상기 프리커서를 이용하여 저유전 상수를 가지는 SiOC 박막 형성 방법을 제공하기 위한 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 SiOC 박막 제조용 프리커서는, 규소, 산소의 가스를 화학기상증착 반응 챔버 내에 공급하여 기판 상에 증착하여 SiOC 박막을 형성함에 있어서, 상기 SiOC 박막을 형성하기 위한 프리커서로 C=O 이중 결합을 가지는 치환기를 그 내부에 포함하는 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명에 따른 SiOC 박막 제조용 프리커서에 있어서, 상기 프리커서로 Bis-trimethylsilylketon을 소스 가스로 상기 반응 챔버 내에 적용되는 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명에 따른 SiOC 박막 제조용 프리커서에 있어서, 상기 Bis-trimethylsilylketon는 Ar 혹은 He 수송가스에 의해서 상기 반응 챔버의 내부로 공급되는 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명에 따른 SiOC 박막 제조용 프리커서에 있어서, 상기 Bis-trimethylsilylketon는 Ar 혹은 He 수송가스에 의해서 상기 반응 챔버의 내부로 공 급되는 경우 수송 가스라인의 온도는 20℃ 내지 40℃ 범위내의 온도를 유지하는 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명에 따른 SiOC 박막 제조용 프리커서에 있어서, 상기 화학기상증착(CVD, chemical vapor deposition) 공정은 PE-CVD(plasma enhanced-CVD)인 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명에 따른 SiOC 박막 제조용 프리커서에 있어서, 상기 PE-CVD 공정의 진행에서 가스 공급은 샤워헤드 방식으로 공급되는 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명에 따른 SiOC 박막 제조용 프리커서에 있어서, 상기 PE-CVD 공정의 진행에서 반응 챔버의 전극에는 100W 내지 400W 의 플라즈마 파워가 인가되는 것을 특징으로 하는 것이다.
한편, 본 발명에 따른 SiOC 박막 형성 방법은 기판 상에 SiOC 박막을 형성하는 방법에 있어서, 규소, 산소를 화학 기상 증착법에 의하여 반응 챔버 내에 공급하여 기판 상에 증착하는 단계; C=O 이중 결합을 가지는 치환기를 그 내부에 포함하는 SiOC 프리커서를 반응 챔버 내에 공급하는 단계; 및 상기 반응 챔버의 전극에 플라즈마 파워를 인가하여 기판 상에 SiOC 박막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명에 따른 SiOC 박막 형성 방법에 있어서, 상기 SiOC 프리커서로 Bis-trimethylsilylketon를 산소와 혼합하여 상기 반응 챔버로 공급하는 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명에 따른 SiOC 박막 형성 방법에 있어서, 소스가스의 유량비, 기판 온도, RF 파워를 제어하여 SiOC 프리커서의 친핵성 반응을 유도하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 것이다
본 발명에 따른 SiOC 박막 제조용 프리커서와 SiOC 박막 형성 방법은 Bis-trimethylsilylketon 소스를 이용하여 SiOC 박막을 형성할 경우, 친핵성 반응에 의해 형성된 SiOC 박막의 비정질 구조는 이온 분극률(ion polarizability)에 의한 탄소원자의 전자밀도 감소로 인하여 낮은 유전상수를 갖게 되는 효과가 있다.
또한, 탄소원자의 전자밀도 감소는 SiOC 박막내에 탄소의 분포를 고르하며 표면에서의 에너지 분포가 낮아져서 평탄도가 우수해지는 효과까지 얻을 수 있게 된다.
따라서 낮은 유전상수를 갖는 SiOC 박막은 반도체 소자의 소형화 및 집적화에 따른 배선 문제와 평탄화의 문제 동시에 해결할 수 있는 차세대 반도체 절연막으로 활용될 수 있는 것이다.
이하, 본 발명에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 도면에 도시된 실시예에 대하여 더욱 상세히 설명한다.
도1은 본 발명에 따른 SiOC 박막 제조용 프리커서로서 사용되는 Bis-trimethylsilylketon의 구조도이다.
본 발명의 SiOC박막 형성 방법은 유기물의 탄소와 무기물의 Si, O 의 소스가 스를 상기 반응챔버 내에 각각 공급하여 CVD공정을 진행하는데 있어 유량비와 기판 온도, RF 파워에 따른 친핵성 반응에 의한 증착공정을 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 CVD 공정중에 Bis-trimethylsilylketon은 Ar 혹은 He 수송가스에 의해 상기 반응챔버의 내부로 공급되게 한다.
도1을 참조하여 SiOC 박막의 형성 메커니즘을 살펴보면, 상기 Bis-trimethylsilylketon는 산소와 혼합하여 공급되면,
[(CH3)3Si]2C=O + O2 ⇒ 1차적으로 [(CH3)3Si]2C=O 프리커서의 해리가 일어나고 산소와 재결합 반응이 일어나면서 Si-O 네트워크가 형성된다.
알칼기는 말단에서 결합반응이 일어날 수 없으므로 너무 많은 알킬기는 기공을 형성시키는 원인이 된다.
일반적으로 절연물질내의 기공은 불평등 전계를 낳아 특성 열화를 가속시키는 치명적인 존재로 잘 알려져 있다.
따라서 기공을 갖는 유전체는 좋은 절연물질로는 한계가 있다. 공기는 뛰어난 단열재이므로 기공을 갖는 유전체의 방열특성은 나빠지게 된다. 또한 기체는 열팽창율이 매우 크므로 매트릭스 수지에 큰 기계적 응력을 일으키게 된다. 박막내의 기공의 불균일성은 특히 배선 가장 자리 전계가 집중되는 곳이라면 특성 열화는 더욱 심하게 일어날 된다. 그러므로 SiOC 박막내의 기공이 형성되지 못하도록 하는 것이 중요하다.
박막내의 기공의 형성을 방지하기 위해서는,
[(CH3)3Si]2C=O + O2 ⇒ 1차적으로 일어나는 화학반응에서 [(CH3)3Si]2C=O 프리커서의 해리가 일어나는 동시에 친핵성 반응에 의한 재결합 반응이 일어나도록 유도될 필요가 있다.
그러므로, 프리커서가 해리되는 반응에서도 결합구조가 끊어지지 않는 단단한 결합을 갖고 있으면서도 친핵성 반응이 잘 이러날 수 있는 치환기를 만들어주는 일이 중요하게 된다.
그러므로 C=O 이중 결합을 갖는 치환기를 프리커서내부구조에 포함시켰다. C=O 이중결합은 유기화학에서 친핵성반응을 유도하는데 필수적으로 작용하고 있다.
종래의 SiOC 박막 증착용 소스들은 기공의 형성을 위해서 알킬기(CH3)를 많이 포함시킬 수 있는 구조식을 갖고 있었으나 본 발명에서 제시하는 Bis-trimethylsilylketon은 기공을 포함하지 않고 유전상수가 낮아지도록 비정질 구조를 갖는 SiOC 박막을 형성하는 방법과 연관되어 있다.
기공을 포함하지 않는 SiOC 박막을 만들기 위해서는 친핵성 반응이 요구된다. 이러한 반응을 하기 위해서는 기본적으로 C=C 혹은 C=O 이중결합을 하고 있는 사이트가 요구된다.
C=O 이중결합은 친핵성 반응을 유도해 내고 CH 결합의 늘어지는 효과에 의해 최대한 많은 탄소를 비정질 결합내로 유도해 내게 된다.
그러므로, 본 발명에서 제안하는 상기의 Bis-trimethylsilylketon은 친핵성 반응을 쉽게 일으킬 수 있는 구조식을 갖고 있다.
상기 CVD 공정 중에 Bis-trimethylsilylketon은 Ar 혹은 He 수송가스에 의해 상기 반응챔버의 내부로 공급되게 한다.
이때, 수송되는 가스라인의 온도는 20~40℃의 범위 내의 온도를 유지하는 것이 바람직하다.
상기 PE-CVD(plasma enhanced-CVD) 공정의 진행시 상기 전극에 100~400W의 플라즈마 파워가 인가된다.
또한, 상기 PE-CVD공정 진행 중 가스공급은 샤워헤드 방식으로 공급된다.
도2는 본 발명의 실시예에 사용되는 SiOC 박막 형성 장치의 개략적 단면도이다.
도2를 참조하여, 본 발명에 따른 SiOC 박막 형성 방법을 이하에서 설명한다.
도2를 참조하면, 반응챔버(10a, 10b) 사이에 위치한 O-링(20)이 진공펌프와 함께 반응공간을 진공상태로 만든다.
플라즈마 전극(30)에는 RF(Radio Frequency)파워를 인가하기 위한 RF 파워 발생기(60)가 연결되어 있다. 서셉터(40)의 내부는 기판의 온도를 조절할 수 있다.
SiOC 박막을 만들기위해 Bis-trimethylsilylketon 가스와 산소의 유량을 조절하기 위한 유량기(70a, 70b: Mass flow cnotroller)를 통하여 혼합가스가 인젝터(110)를 거쳐 샤워헤드(112)가 연결되어 있다.
본 발명에 따라서 기판 상에 SiOC 박막을 형성하는 과정은 규소, 산소를 화학 기상 증착법에 의하여 반응 챔버 내에 공급하여 기판 상에 증착하는 단계, C=O 이중 결합을 가지는 치환기를 그 내부에 포함하는 SiOC 프리커서를 반응 챔버 내에 공급하는 단계, 및 상기 반응 챔버의 전극에 플라즈마 파워를 인가하여 기판 상에 SiOC 박막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 프리커서로 Bis-trimethylsilylketon(80)은 자동온도조절기(90)속에 저장되어 있으며, Ar 혹은 He 수송가스에 의해 챔버 안으로 유입된다.
이때 가스라인(100a, 100b)은 20~40℃사이를 유지하게 되고, 반응챔버의 하부로 연결된 진공펌프는 로타리 펌프, 터보펌프와 연결되어 있다.
또한, 상기 프리커서로 적용되는 Bis-trimethylsilylketon와 O2 가스, 수송가스인 Ar, He는 유량조절기(70a, 70b)에 의해서 유량비가 조절되고, RF 파워 또한 100~400W 범위로 제어하여 SiOC 프리커서의 친핵성 반응을 유도하게 된다.
여기에서, 미설명부호 120은 기판높이 제어장치를 나타낸다.
이상에서 본 발명은 기재된 구체적인 실시예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.
도1은 본 발명에 따른 SiOC 박막 제조용 프리커서로서 사용되는 Bis-trimethylsilylketon의 구조도이다.
도2는 본 발명의 실시예에 사용되는 SiOC 박막 형성 장치의 개략적 단면도이다.
≪도면의 주요부분에 대한 부호의 설명≫
10a, 10b : 컨텐츠 제공 P2P 단말 20 : O-링
30 : 플라즈마전극 40 : 서셉터
60 : RF파워 발생기 70a, 70b : 유량조절기
80 : Bis-trimethylsilylketon 가스소스 90 : 자동온도 조절기
100a, 100b : 가스공급관 110 : 인젝터
112 : 샤워헤드 120 : 기판높이제어장치

Claims (10)

  1. 규소, 산소의 가스를 화학기상증착 반응 챔버 내에 공급하여 기판 상에 증착하여 SiOC 박막을 형성함에 있어서,
    상기 SiOC 박막을 형성하기 위한 프리커서로 C=O 이중 결합을 가지는 치환기를 그 내부에 포함하는 것을 특징으로 하는 SiOC 박막 제조용 프리커서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 프리커서로 Bis-trimethylsilylketon을 소스 가스로 상기 반응 챔버 내에 적용되는 것을 특징으로 하는 SiOC 박막 제조용 프리커서.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 Bis-trimethylsilylketon는 Ar 혹은 He 수송가스에 의해서 상기 반응 챔버의 내부로 공급되는 것을 특징으로 하는 SiOC 박막 제조용 프리커서.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 Bis-trimethylsilylketon는 Ar 혹은 He 수송가스에 의해서 상기 반응 챔버의 내부로 공급되는 경우 수송 가스라인의 온도는 20℃ 내지 40℃ 범위내의 온도를 유지하는 것을 특징으로 하는 SiOC 박막 제조용 프리커서.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 화학기상증착(CVD, chemical vapor deposition) 공정은 PE-CVD(plasma enhanced-CVD)인 것을 특징으로 하는 SiOC 박막 제조용 프리커서.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 PE-CVD 공정의 진행에서 가스 공급은 샤워헤드 방식으로 공급되는 것을 특징으로 하는 SiOC 박막 제조용 프리커서.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 PE-CVD 공정의 진행에서 반응 챔버의 전극에는 100W 내지 400W 의 플라즈마 파워가 인가되는 것을 특징으로 하는 SiOC 박막 제조용 프리커서.
  8. 기판 상에 SiOC 박막을 형성하는 방법에 있어서,
    규소, 산소를 화학 기상 증착법에 의하여 반응 챔버 내에 공급하여 기판 상에 증착하는 단계;
    C=O 이중 결합을 가지는 치환기를 그 내부에 포함하는 SiOC 프리커서를 반응 챔버 내에 공급하는 단계; 및
    상기 반응 챔버의 전극에 플라즈마 파워를 인가하여 기판 상에 SiOC 박막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 SiOC 박막 형성 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 SiOC 프리커서로 Bis-trimethylsilylketon를 산소와 혼합하여 상기 반응 챔버로 공급하는 것을 특징으로 하는 SiOC 박막 형성 방법.
  10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
    소스가스의 유량비, 기판 온도, RF 파워를 제어하여 SiOC 프리커서의 친핵성 반응을 유도하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 SiOC 박막 형성 방법.
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