KR101002124B1 - 반도체 소자 및 상기 반도체 소자의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 소자에 대한 것으로서, 반도체 소자내의 RC 딜레이를 낮출 수 있는 반도체 소자 및 이의 제조 방법에 대한 것이다.
본 실시예의 반도체 소자는 반도체 기판 상에 형성된 제 1 층간 절연층; 상기 제 1 층간 절연층 내에 형성된 컨택 플러그; 상기 컨택 플러그와 연결되고, 상기 제 1 층간 절연층 상에 형성된 제 1 금속 배선층 및 제 2 금속 배선층; 상기 제 1 및 제 2 금속 배선층 상에 형성된 제 2 층간 절연층; 및 상기 제 1 및 제 2 금속 배선층 사이에 형성되는 상변화 물질막;을 포함한다.
반도체 소자
Description
본 발명은 반도체 소자에 대한 것으로서, 반도체 소자내의 RC 딜레이를 낮출 수 있는 반도체 소자 및 이의 제조 방법에 대한 것이다.
반도체 기술이 점점 발전함에 따라 다양한 형태의 문제점이 발생되고 있다.
반도체 소자의 극 소형화됨에 따라 반도체 소자의 전기적인 물성은 점점 단단하게 바뀌고 있으며, 이러한 문제점을 해결하기 위하여 새로운 공정이나 디자인의 변경이 요구되고 있는 현실이다.
반도체 소자의 사이즈가 작아짐에 따라 두드러지게 나타나는 문제점 중의 하나는, 외부의 전기적인 신호를 트랜지스터까지 전달하는 과정에서의 RC 딜레이(delay)라 할 수 있다.
RC 딜레이는 반도체 소자를 만드는 제조공정중에 자연스럽게 발생할 수 있는데, 기생 저항(parasitic resistance)나 기생 커패시턴스(parasitic capacitance)를 그 예로 들 수 있다. 이러한 기생 저항과 기생 커패시턴스는 옥사이드(oxide)와 메탈을 사용하는 반도체 소자에 있어서는 필수 불가결하게 발생되곤 하는데, 이러 한 기생 저항과 기생 커패시턴스를 줄이기 위한 연구가 부단히 진행중이다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 방안으로서, 구리(Cu)를 이용한 배선 공정과 Ultra low-k 물질을 사용하는 공정들이 제안되고 있다. 그러나, 이러한 물질 역시도 기생 저항과 기생 커패시턴스를 가지고 있는 것으로서, 근본적인 해결책을 제안하지는 못하고 있다.
도 1은 반도체 소자에서의 RC 딜레이를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 소정의 레이어에는 복수의 금속 배선층(11,12,13)이 형성되어 있으며, 상기 금속 배선층 각각의 사이에는 층간 절연층으로서 IMD가 형성되어 있다.
이러한 경우, 반도체 소자의 전기적인 신호 전달에 있어서, 상기 금속 배선층(11,12,13) 각각은 저항특성을 나타내고, 상기 IMD는 커패시턴스 특성을 나타낸다. 따라서, 저항과 커패시턴스 각각이 연결된 구조를 나타내기 때문에, 전기적인 신호의 전달이 지연되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기되는 문제점을 해결하기 위하여 제안되는 것으로서, 기생 커패시턴스를 줄이기 위하여 금속 배선층간의 사이에 공기층이 형성된 반도체 소자 및 이의 제조 방법을 제안하는 것을 목적으로 한다.
각각의 금속 배선층 사이에 상변화 물질을 형성한 다음, 상기 상변화 물질의 상 변화를 유도하기 위한 열처리 공정을 수행함으로써, 소정의 공기층이 금속 배선층 사이에 형성되는 반도체 소자 및 이의 제조 방법을 제안한다.
본 실시예의 반도체 소자는 반도체 기판 상에 형성된 제 1 층간 절연층; 상기 제 1 층간 절연층 내에 형성된 컨택 플러그; 상기 컨택 플러그와 연결되고, 상기 제 1 층간 절연층 상에 형성된 제 1 금속 배선층 및 제 2 금속 배선층; 상기 제 1 및 제 2 금속 배선층 상에 형성된 제 2 층간 절연층; 및 상기 제 1 및 제 2 금속 배선층 사이에 형성되는 상변화 물질막;을 포함한다.
다른 측면에 따른 실시예의 반도체 소자의 제조 방법은 반도체 기판 상에 제 1 층간 절연층을 형성하는 단계; 상기 제 1 층간 절연층 상에 복수의 금속 배선층을 형성하는 단계; 상기 제 1 층간 절연층 및 상기 금속 배선층 상에 상변화 물질을 증착시키는 단계; 상기 상변화 물질을 평탄화함으로써, 상기 금속 배선층 사이에 상변화 물질막을 형성하는 단계; 상기 상변화 물질막 및 금속 배선층 상에 제 2 층간 절연층을 형성하는 단계; 및 상기 상변화 물질막의 상변화를 유도하기 위한 열처리 공정을 수행하는 단계;를 포함한다.
제안되는 실시예에 의해서, 금속 배선층 사이의 영역에 상변화 물질의 상변화에 따른 에어 갭이 형성되도록 함으로써 유전 상수를 줄일 수 있고, 결국 반도체 소자의 RC 딜레이를 감소시킬 수 있는 효과를 달성할 수 있다.
이하에서는, 본 실시예에 대하여 첨부되는 도면을 참조하여 상세하게 살펴보도록 한다. 다만, 본 실시예가 개시하는 사항으로부터 본 실시예가 갖는 발명의 사상의 범위가 정해질 수 있을 것이며, 본 실시예가 갖는 발명의 사상은 제안되는 실시예에 대하여 구성요소의 추가, 삭제, 변경등의 실시변형을 포함한다고 할 것이다.
그리고, 이하의 설명에서, 단어 '포함하는'은 열거된 것과 다른 구성요소들 또는 단계들의 존재를 배제하지 않는다. 그리고, 첨부되는 도면에는 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 그 두께가 확대되어 도시된다. 그리고, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 층, 막, 영역, 판등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에"있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
도 2 내지 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
먼저, 도 2를 참조하면, 반도체 기판(100)내에 불순물 주입 공정을 실시하여 제 1 불순물 영역(예컨대, 소스 영역)(101)과 제 2 불순물 영역(예컨대, 드레인 영역)을 형성하고, 상기 반도체 기판(100) 상에 게이트 전극(110)을 형성한다.
본 발명의 실시예는 도시된 도면과 같은 반도체 소자에 한정되는 것이 아님을 미리 밝혀두며, 금속 배선층과 층간 절연층을 형성하는 반도체 소자들에는 적용될 수 있다.
상기 반도체 기판(100)내에 불순물 영역(101,102)을 형성하는 공정과, 게이트 전극(110)을 형성하는 공정을 공지의 다양한 기술들에 의해 수행될 수 있다.
한편, 상기 반도체 기판(100)상에 층간 절연을 위한 제 1 층간 절연층(120)을 형성하고, 상기 제 1 층간 절연막(120) 내에 컨택홀을 형성한 다음 상기 컨택홀 내에 컨택 플러그(133,134,135)를 형성한다. 상기 제 1 층간 절연층(120)은 후술되는 제 2 층간 절연층과의 구별을 위하여, PMD(Pre-Metal Dielectric)으로 불리기도 한다.
그 다음, 상기 제 1 층간 절연층(120) 상에 상기 컨택 플러그(133,134,135)와의 전기적인 연결을 위한 금속 배선층(130,131,132)을 형성한다.
상기 금속 배선층(130,131,132)들 각각이 컨택되는 것을 방지하기 위하여, 소정 간격을 두고 패터닝되어 있다.
그 다음, 도 3을 참조하면, 상기 제 1 층간 절연층(120) 및 상기 금속 배선층(130,131,132) 상에 상변화 물질막(140)을 형성한다. 여기서, 상기 상변화 물질막(140)은 CVD 또는 PVD와 같은 통상적인 방법에 의해 형성될 수 있다.
그리고, 상기 상변화 물질막(140)은 2개의 원소를 화합한 GaSb, InSb, InSe, Sb2Te3, GeTe, 3개의 원소를 화합한 GeSbTe, GaSeTe, InSbTe, SnSb2Te4, InSbGe, 4개의 원소를 화합한 AgInSbTe, (GeSn)SbTe, GeSb(SeTe), Te81Ge15Sb2S2등 다양한 종류의 물질을 사용할 수 있으나, 열이 인가되면 그 부피가 축소되는 특성을 갖는 물질로 이루어진다.
그리고, 도시된 바와 같이, 상기 금속 배선층(130,131,132)의 수직상방에 위치한 상변화 물질막(140)의 높이가 상기 제 1 층간 절연층(120)상에 형성된 상변화 물질막(140)의 높이보다 높게 형성될 수 있다.
그 다음, 도 4를 참조하면, 상기 상변화 물질막(140)을 평탄화하는 공정이 수행되며, 상기 상변화 물질막(140)의 식각 공정은 통상의 건식 식각방법을 이용할 수 있으며, 예컨대, Cl2 가스나 CxHyFz와 같은 불소계 가스를 사용할 수도 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
따라서, 도시된 바와 같이, 상기 상변화 물질막(140)과 금속 배선층(130,131,132)간의 높이가 대략 일치하도록 상기 상변화 물질막(140)이 평탄화된다.
그 다음, 도 5를 참조하면, 상기 금속 배선층(130,131,132) 및 상변화 물질막(140) 상에 제 2 층간 절연막(150)을 형성한다.
상기 제 2 층간 절연막(150)은 상기 제 1 층간 절연막(120)과 구별하기 위하여, IMD(Inter Metal Dielectric)로 불리기도 한다.
그 다음, 도 6을 참조하면, 상기 금속 배선층(130,131,132) 각각의 사이 영 역에 형성되어 있는 상기 상변화 물질막(140)을 상변화시키기 위한 열처리 공정이 수행된다.
상기의 열처리 공정에 의하여, 상기 상변화 물질막(140)은 그 부피가 축소되고, 이로 인하여 도시된 바와 같이 진공의 에어 갭(air gap)(160)이 형성된다.
즉, 제 1 금속 배선층(130)과 제 2 금속 배선층(131) 사이에 소정의 에어 갭(160)이 발생하게 되는 것이다. 제 2 금속 배선층(131)과 제 3 금속 배선층(132)사이에도 에어 갭이 형성된다.
종래에 금속 배선층 사이에 층간 절연막이 형성되는 경우에는, ε=4.0이라는 값을 갖게 되는데 반하여, 본 발명의 실시예와 같이 에어 갭을 형성할 경우에는 대략 1.0에 가까운 수치가 나타난다.
참고로, 커패시턴스(C)는 εε0A/d 값을 갖게 되므로, 유전 상수에 비례하고 거리(d)에 반비례한다. 즉, 물질이 가지고 있는 유전 상수가 작으면 작을수록, 면적이 작으면 작을수록, 거리가 멀면 멀수록 커패시턴스 값이 줄어들게 되고, RC 딜레이 또한 줄어들게 된다. 따라서, ε의 값이 작아지는 본 발명에서는 그 RC 딜레이가 현저히 감소하게 되는 효과가 있다.
따라서, 금속 배선층 사이의 영역에 상변화 물질의 상변화에 따른 에어 갭이 형성되도록 함으로써, 반도체 소자의 RC 딜레이를 감소시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 반도체 소자에서의 RC 딜레이를 설명하기 위한 도면.
도 2 내지 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 도면.
Claims (7)
- 반도체 기판 상에 형성된 제 1 층간 절연층;상기 제 1 층간 절연층 내에 형성된 제1 컨택 플러그 및 제2 컨택 플러그;상기 제1 컨택 플러그 및 제2 컨택 플러그와 각각 연결되고, 상기 제 1 층간 절연층 상에 형성된 제 1 금속 배선층 및 제 2 금속 배선층;상기 제 1 및 제 2 금속 배선층 상에 형성된 제 2 층간 절연층; 및상기 제 1 및 제 2 금속 배선층 사이에 형성되는 상변화 물질막;을 포함하는 반도체 소자.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 1 층간 절연층과 제 2 층간 절연층 사이에는 상기 상변화 물질막의 상변화에 따른 에어 갭(air gap)이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 1 금속 배선층과 제 2 금속 배선층은 빈 공간을 사이에 두고 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
- 제 1 항에 있어서,상기 상변화 물질막은 GaSb, InSb, InSe, Sb2Te3, GeTe, GeSbTe, GaSeTe, InSbTe, SnSb2Te4, InSbGe, AgInSbTe, (GeSn)SbTe, GeSb(SeTe), Te81Ge15Sb2S2중에서 선택되는 어느 하나의 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
- 반도체 기판 상에 제 1 층간 절연층을 형성하는 단계;상기 제 1 층간 절연층 상에 복수의 금속 배선층을 형성하는 단계;상기 제 1 층간 절연층 및 상기 금속 배선층 상에 상변화 물질을 증착시키는 단계;상기 상변화 물질을 평탄화함으로써, 상기 금속 배선층 사이에 상변화 물질막을 형성하는 단계;상기 상변화 물질막 및 금속 배선층 상에 제 2 층간 절연층을 형성하는 단계; 및상기 상변화 물질막의 상변화를 유도하기 위한 열처리 공정을 수행하는 단계;를 포함하는 반도체 소자의 제조 방법.
- 제 5 항에 있어서,상기 상변화 물질을 평탄화함으로써 상기 상변화 물질막을 형성하는 단계는, 상기 금속 배선층의 두께와 상변화 물질막의 두께가 동일하게 형성되도록 하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조 방법.
- 제 5 항에 있어서,상기 상변화 물질은 GaSb, InSb, InSe, Sb2Te3, GeTe, GeSbTe, GaSeTe, InSbTe, SnSb2Te4, InSbGe, AgInSbTe, (GeSn)SbTe, GeSb(SeTe), Te81Ge15Sb2S2중에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조 방법.
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