KR101327640B1 - 유전체막 형성 방법 및 상기 방법을 실행하는 신규한전구체 - Google Patents

유전체막 형성 방법 및 상기 방법을 실행하는 신규한전구체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 특히 집적 회로 기판의 제조 동안 금속 상호접속부를 분리하는데 사용되는 (회로의 BEOL 부분의) 저유전율 유전체층에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 유전체층은 SiC 및/또는 SiOC를 포함하고, 1 이상의 -Si-Cn-Si-사슬(이 때 n은 1 이상임)을 함유하는 1 이상의 전구체로부터 얻어진다.
금속 상호접속부 분리, 저유전율 유전체층, 저유전율 필름

Description

유전체막 형성 방법 및 상기 방법을 실행하는 신규한 전구체{METHOD FOR FORMING A DIELECTRIC FILM AND NOVEL PRECURSORS FOR IMPLEMENTING SAID METHOD}
본 발명은 반도체의 제조에 사용될 수 있는 유전체막의 형성 방법 및 이 방법을 실행하는 신규한 전구체에 관한 것이다.
집적 회로, 예를 들어 시판품 또는 마이크로프로세서용 집적 회로의 제조 동안, 진공 하에 각종 조성물 층을 선택적으로 증착시키는 매우 많은 연속 단계가 수행되는데, 이러한 연속 단계들의 그자체는 연속층이 적층된 규소 웨이퍼(현재 300 mm의 입경을 가짐)을 세정하는 세정 단계와 분리되어 있다.
일반적으로, 연속적으로 증착된 층의 두가지 유형은 하기와 같이 구별될 수 있다:
- 제1 유형 증착 또는 FEOL 증착은 본질적으로 다수개의 연속층을 증착시켜 전계 효과 트랜지스터 유형의 능동 소자를 형성하는 것으로 이루어진다 (감광층의 증착, 마스킹, UV선에의 노출, 세정, 제조된 트랜지스터의 유형에 따른 단일-결정층의 도핑, 그 후 전극의 증착, 그 후 각각의 트랜지스터의 드레인(drain), 소스( source) 및 게이트(gate) 영역의 증착 등)
- 제2 유형 증착 또는 BEOL 증착은 각종 전기적 접촉부, 특히 제1 유형 증착 시의 여러 단계동안 제조된 반도체간의 전기적 상호접속부의 네트워크를 형성하는 것, 나아가 특히 랜덤-접속 메모리의 제조의 경우에는 정보를 디지탈 형태로 기록하는데 요구되는 콘덴서를 형성하는 것으로 구성된다. 이러한 두 유형의 용품에서의 목적은 본질적으로 금속 전도층 및/또는 전기 전도층의 증착, 이러한 전도층을 분리하는 매우 저유전율 유전체층의 증착, 및 선택적인 에칭이 바람직한 경우, 유전성 또는 전도성의 1 이상의 하부층을 액체 화학물질 또는 기체 조성물을 사용하여 에칭할 때 하부층 내로 또는 옆으로의 확산을 특히 방지하기 위한 배리어층의 증착에 있다.
본 발명은 본질적으로 상술한 제2 유형(BEOL) 증착에 있어서 유전체층의 제조에 관한 것이다.
보다 적은 부피에서 회로의 집적 밀도를 증가시키고 이와 상응하게 이들의 데이타 처리능을 증가시키기 위해서는, 상호접속 라인의 치수(두께 및 길이)를 감소시켜 이들이 서로 근접해 있을 수 있게 하여 부피를 감소(saving)시키는 것이 필요한데, 다만, 한편으로는 회로의 수직면으로 2개의 연속층의 전기적 접속부를 분리하는 유전체층(ILD(층간 유전체)층으로도 지칭됨) 및 다른 한편으로는 회로의 임의의 한 수평면에 놓여있는 금속 상호접속부를 분리하는 유전체층(IMD(금속간 유전체)로도 지칭됨)이 서로 보다 근접해 있는 2개의 접속 라인 사이에 충분한 전기 절연을 제공하기 위해 개선된 유전성(보다 낮은 유전율)을 가져야 하며, 무엇보다도 상호접속 회로의 시간 상수를 감소시켜야 한다(시간 상수의 용량성 요소의 값이 낮을수록, 유전체의 유전율을 낮아지지만, 이와는 대조적으로 그 값이 높을수록, 이 의 전극들은 서로 근접하게됨).
집적 회로의 상부 또는 BEOL 부분에서 전기적 상호접속 배선에 부여된 보다 증가된 제한(상기 참조)는 최근에 중요한 기술적 진보를 이끌었다.
구리는 이의 보다 우수한 전기 전도성으로 인해 상호접속 금속으로서 알루미늄을 대체하였다. 이에 따라 홈이 감광성 수지 또는 포토레지스트의 선택적 에칭에 의해 형성되고, 그 후 전착 공정을 사용하여 홈을 구리로 채우는 동안, "듀얼-다마신(dual-damascene)" 기법으로 불리는 공정을 사용하는 신규한 금속 증착 공정이 채택되었다.
더욱이, SiOC(즉, 탄소 도핑된 산화 규소) 필름은 현재 집적 회로의 층간 유전체층 및 금속간 유전체층에서 유전체로서 이미 사용되고 있는 이산화 규소에 대한 대체물로서 널리 사용된다.
마지막으로, 이러한 층들의 보다 낮은 유전율을 달성하기 위해, 추가로 다공성 구조를 갖는 유전체가 도입되었다. 화학 기상 증착(CVD)에 의해 증착된 규소와 산소의 화합물로부터의 SiO2 유전체막은 약 4.0의 유전율을 가진다. 상기 층들의 유전율을 감소시켜 우수한 절연성을 보유하면서도 두께를 감소시키는 것을 목적으로 한다. 저유전율막 또는 로우-k(low-k) 필름, 즉 유전율이 4 미만인 재료로 만들어진 필름은 많은 방법으로 제조될 수 있는데, 특히 산화 규소에 유기 리간드를 도핑시켜 약 2.7 내지 3.5 사이의 유전율을 갖는 필름을 얻음으로써 제조될 수 있다. 말단 유기 리간드, 즉, 최종 재료의 분자의 네트워크에 연결되지 않은 리간드 를 사용하는 이러한 접근법은 -Si-O-Si 유형인, 두개의 규소 원자 간의 산소 결합 (또는 "브릿지")의 수를 감소시켜, 사슬 구조의 응집성을 감소시키고, 결과적으로 SiO2와 비교하여 이러한 물질 유형의 기계적 성질을 감소시킨다. 하지만, 이러한 기계적 성질은 회로의 제조시 후속 단계로 수행되는 연마 공정(화학 기계 연마 또는 CMP) 동안 집적 회로의 연속층들이 분리(delaminate)되는 것을 막는데 중요하다. 유전체층의 제조에 고려되는 또다른 중요한 파라미터는 필름을 구성하는 재료의 구조에서 내부 인장 응력의 존재 가능성인데; 대부분의 전자 구조는 약 300 내지 450℃의 온도에서 형성된다. 어셈블리를 냉각시키면, 규소 기판, 구리 네트워크 및 유전체막을 포함하는 재료는 이들의 상이한 팽창 계수로 인해 상이하게 접촉된다. 이는 대부분의 취성(brittle) 층, 즉 로우-k SiOC 층을 분해하는 기계적 응력의 주요 근원이 된다.
이러한 로우-k SiOC 층을 증착시키기 위해, 현재 다음과 같은 2가지 공정이 존재한다.
- 디메틸디메톡시실란(DMDMOS), 테트라메틸실란(4MS), 테트라메틸시클로테트라실록산(TMCTS) 및 옥타메틸시클로테트라실록산(OMCTS) 유형의 전구체를 사용하는 화학 기상 증착 공정, 및
Figure 112008004528809-pct00001
- 적합한 용매 중에서 메틸실세스퀴옥산(MSQ) 또는 히드로겐 실세스퀴옥산(HSQ)과 같은 실록산을 사용하여 필름을 형성하는 스핀-온 증착(spin-on deposition) 공정.
금속 상호접속층 및 SiOC 층을 분리 및 절연(isolate)시키는 이들층의 증착 동안에, 증착된 층의 에칭 단계 동안에 에칭-정지층 상에의 후속적인 화학물질의 통과를 정지시키기 위해, SiC의 박층(소위 에칭-정지층)을 증착시키는 것이 또한 요구된다. 규소 카바이드는 약 5의 유전율을 갖는 내화성 절연재인데, 이는 유전체층의 평균 유전율을 두드러지게 증가시켜, 2개의 금속 상호접속층을 분리한다.
현재 이러한 에칭-정지층, 특히 SiC 층의 유전율을 감소시키려는 시도가 존재한다.
본 발명의 목적은 집적 회로 요소 중 상기 BEOL 전기적 상호접속에 있어 특히 층간 유전체층 또는 금속간 유전체층에 사용되는 유전체층, 특히 로우-k층의 기계적 성질을 특히 개선시키기 위한 것이다. 언급한 기술적 문제를 해결하기 위해, 본 발명은 1개 이상의 탄소 원자 및 2개 이상의 규소 원자를 함유하며, 이 때 탄소 및 규소 원자가 1개 이상의 탄소 원자가 2개의 규소 원자에 연결되어 있는 -Si-Cn-Si- 유형(이 때 n은 1 이상, 바람직하게는 5 이하임)의 사슬을 형성하는 유전체 재료의 층 전구체를 사용함으로써 이루어진다.
제1 실시태양에 따르면, 종래의 전구체로 제조된 층보다 실질적으로 개선된 유전율 및 기계적 성질을 갖는, 알콕시실릴알칸 (RiO)3Si(-CRi 2)n-Si(ORi)3 유형의 전구체(상기 화학식에서, 각각의 라디칼 Ri는 수소 또는 탄소 사슬, 예를 들어 탄소 원자수 1 내지 5, 바람직하게는 탄소 원자수 1 또는 2의 알킬, 아릴 등의 유형의 사슬로부터 선택될 수 있음), 예컨대 화학식 (EtO)3Si-CH2-CH2-Si(OEt)3의 BTESE(비스(트리에톡시실릴)에탄)(여기서 Et는 C2H5임)를 사용하는 것이 가능할 것이다.
또다른 실시태양에 따르면, 본 발명은 특히 고리를 함유하며 특히 하기 계열 중 하나로부터 선택되는 다공성 유전체층을 제조하는 것이 가능한 고리형 분자를 사용하는 것으로 이루어진다.
Figure 112008004528809-pct00002
(상기식에서, R, R1, R2는 수소, 선형 및/또는 고리형 탄소 사슬, 예컨대 알킬 사슬, 아릴 사슬 등 또는 알콕시드로부터 선택됨)
본 발명에 따르면, "이중(double)-DMDMOS"(R은 H이고 R1은 -O-CH3인 화학식 I)과 같은 분자를 선택하는 것이 바람직할 것이다. 더욱 바람직하게는, R은 H, -CH3 또는 일반적으로 알킬 기로부터 선택될 것이고, R1은 -O-CH3 또는 더욱 일반적으로 알콕시드 또는 아민으로부터 선택될 것이다. R1에 대한 다른 리간드, 예컨대 Cl, Me 또는 H가 또한 선택될 수 있다.
모든 상기 분자는 2개의 규소 원자 사이에 1개 이상의 탄소 원자를 함유한다. 바람직하게는, 이러한 분자는 1 이상의 Si-C-Si 사슬(2개의 Si 원자 사이에 수개의 탄소 원자가 있을 수 있음)을 함유하는 고리 또는 케이지(상기 분자 구조식 IV로 도시된 3차원 구조)를 형성한다. 이러한 유형의 3차원 분자는 얻어지는 필름의 공극 형성에 유리하며, 말단 알킬기를 갖는 분자보다 큰 구조적 응집성 뿐 아니라 매우 현저히 낮은 유전율을 보장한다.
이러한 다양한 전구체는 예를 들어 디클로로실릴렌: -SiCl2를 π 결합을 갖는 탄화수소 예컨대 아세틸렌 또는 부타디엔과 반응시킴으로써 합성될 수 있다. 디클로로실릴렌의 공급원은 헥사클로로디실란 또는 트리클로로실란일 수 있다. 이는 고온에서 헥사클로로디실란(HCD)의 증착을 통해서나 또는 저온에서 촉매로서 3급 아민(예컨대 트리메틸아민)을 함유하는 용액으로부터 형성될 수 있다. 화학식 I 분자의 합성은 예를 들면, 하기의 2 단계로 수행될 것이다.
제1 단계는 하기의 반응식을 따르는 모든 분자에 공통적인데, 아세틸렌, 부타디엔, 벤젠 등은 디클로로실릴렌: -SiCl2가 π 결합과 반응하는 공통된 원리에 따르는 이러한 반응 유형을 유발한다. 일반적으로, 모든 불포화 종들은 이러한 분자 유형을 합성하는데 있어 잠재적인 후보군이다.
Si2Cl6 (또는 폴리클로로실란의 혼합물) + 에틸렌 → Cl2Si-(CH=CH)2-SiCl2,
제2 단계는 당해 분자 유형에 특이적이다.
Cl2Si-(CH=CH)2-SiCl2 + MeOH → (MeO)2Si-(CH=CH)2-Si(OMe)2 (R1이 OMe인 분자 I의 경우);
Cl2Si-(CH=CH)2SiCl2 + LiAlH4 또는 NaBH4 → H2Si-(CH=CH)2-SiH2 (R1이 H인 분자 I의 경우); 및
Cl2Si-(CH=CH)2SiCl2 + 스파이어(Speyer) 촉매 → Me2Si-(CH=CH)2-SiMe2 (R1이 Me인 분자 I의 경우).
이러한 방법을 통해 불소화 등가물(예를 들어 F2Si-(CH-CH)2-SiF2)을 얻는 것이 또한 가능하며, 이 불소화 등가물을 로우-k 필름에 사용할 수 있다.
일반적으로, 당업자는 예를 들어 문헌 [Atwell and Weyenberg, J. Am. Chem. Soc., 3438, 90, 1968]에서 이러한 다양한 생성물의 합성에 필요한 모든 정보를 찾을 것이다.
본 발명에 따르는 공정 및 조성물은 당업자에 있어서 뛰어난 전기 및 기계적 성질을 가지면서도 높은 균일성을 갖는 절연 박층의 형성 요구를 충족시킨다. 본 발명에 따라 증착된 필름은 1 이상의 전구체로 이루어지는 로우-k 전구체의 공급원을 증발시켜 상기 전구체의 증기원을 생성하고, 이러한 전구체의 증기를 전구체가 열적으로 분해되고/되거나 플라즈마의 사용에 의해 분해되는 증착 챔버로 전달하여, 원하는 조성의 필름을 형성함으로써 제조된다. 필름은 후속적인 열처리가 필수적으로 요구되지 않는 단일 형성 단계에서 1 이상의 기판 상에 형성된다. 이로부터 형성된 로우-k 필름은 낮은 누설 전류를 갖는데 바람직한 조성을 가질 것이다. 일반적으로, 본 발명에서 바람직한 화학양론으로 필름 증착 공정에 사용되는 전구체는 액상, 예를 들어, 액체 전구체 또는 탄화수소와 같은 용매 중 전구체의 액체 용액일 것이다. 액상의 전구체를 미리 측정되고 조절된 증발 속도를 갖는 증발계로 주입된다. 이렇게 증발된 전구체를 증착이 1 torr의 크기 압력(일반적으로 200 파스칼 미만) 및 일반적으로 0℃ 내지 450℃, 바람직하게는 200℃ 내지 400℃의 온도에서 수행되는 증착 챔버로 도입시킨다. 임의적으로, 챔버는 증착 속도를 상당히 증가시키기 위한 플라즈마로 제공된다. 일반적으로, 바람직하게는 산화제(산소, 오존, 수증기, 과산화수소, 알콜 등)인 공반응물을 또한 증착 챔버에 도입시켜 전구체와 반응시키지만, 이것이 필수적인 것은 아니다.
본 발명에 따르면, 필름을 CVD(화학 기상 증착) 기법, 예컨대 PECVD 기법 또는 열 CVD 기법에 의해 증착시키는데, 이들은 당업자에게 주지되어 있으며, 1 이상의 전구체 그 자체로부터 출발하거나, 또는 반응물, 바람직하게는 산소원의 조합물로부터 출발한다. 일반적으로, 당업자는 유전율(k)이 기계적 성질의 허용가능한 수준을 여전히 유지하면서도 가능한 한 크도록 감소시킴으로써 전구체원을 최대한 활용할 것이다.
바람직하게는, 전구제는 2개의 규소 원자 사이에 1개 이상의 탄소 원자를 함유하는 분자이다. 더욱 바람직하게는, 이러한 분자는 고리형이다.
본 발명의 또다른 측면에 따르면, 분자는 로우-k 필름의 제조 동안 열 또는 플라즈마 자극에 의해 분해되고, 불포화 탄소 사슬(π 결합을 함유함)과 반응하여 -Si-C 결합을 함유하는 중간체 종을 형성하고, 바람직하게는 2개의 규소 원자에 연결된 탄소 또는 탄소 사슬(선형 또는 고리형)을 함유하는 중간체 종을 형성하는 디실란이다. 바람직하게는, 규소 원자를 연결하는 탄소 사슬을 형성하는 탄소는 1 이상의 이중 결합을 가질 것인데, 이는 C=C 이중 결합이 C-C 단일 결합보다 강하기 때문이다. 이는 단지 단일 결합만을 함유하는 탄소 원자의 사슬로부터 얻어진 필름보다 기계적 성질이 계선된 로우-k 필름을 얻을 수 있게 한다.
또한, 산소 원자를 함유하지 않는 상기 기술된 분자는 집적 회로의 BEOL 부분에서 에칭 정지제로서 사용되는 SiC의 박층을 증착하는데 매우 적합한 분자 구조를 갖는다.
바람직하게는, 로우-k SiC 전구체는 2개의 규소 원자에 연결된 1개 이상의 탄소 원자는 함유하지만, 산소는 함유하지 않는 분자이다. 더욱 바람직하게는, 분자는 고리형이다.
바람직하게는, 규소 원자를 연결하는 탄소 사슬을 형성하는 탄소 원자는 (C=C 이중 결합이 C-C 단일 결합보다 깨지기가 보다 어려운 한) 이중 결합을 가질 것이며, 이에 따라 생성된 필름에서 높은 기계적 성질을 보다 쉽게 달성할 수 있다.
본 발명의 또다른 측면에 따르면, 로우-k SiC 전구체는 SiC 필름의 제조 동안 열 또는 플라즈마 자극에 의해 분해되고, 불포화 탄소 사슬(π(파이) 결합을 함유함)과 반응하여 Si-C 결합을 함유하는 중간체 종을 형성하고, 바람직하게는 2개의 규소 원자에 연결된 탄소 원자 또는 탄소 사슬을 함유하는 중간체 종을 형성하는 산소 무함유 디실란이다.
다른 일 측면에 따르면, 본 발명은 상술한 전구체로부터 형성된 유전체층 및 로우-k 유전체층의 제조를 위한 이러한 전구체의 용도에 관한 것이다. 본 발명은 또한 특허청구범위 제8항의 신규한 화합물에 관한 것이다.
본 발명은 FEOL 및 BEOL 부분에서 각종 층을 갖는 집적 회로의 단면도를 나타내는 도면과 함께 비제한적인 예시로 주어지는 다음의 예시적 실시태양의 도움 하에 더욱 명확하게 이해될 것이다.
도면에서, 상호접속층 및 보호층을 갖는 다양한 MOS 트랜지스터가 제조되어 있는 단일-결정 규소 웨이퍼(1)은 집적 회로의 FEOL 부분을 나타내며, 정지층(8) 위의 모든 상부층들은 FEOL 부분의 각종 회로 사이의 전기적 상호접속부가 상기 설명한 바와 같이 제조되는 BEOL 부분을 나타낸다.
예를 들어 (2)로 표시된 집적 회로가 단일-결정 기판(1) 상에 제조되며, 그 위의 드레인 접촉부(3), 게이트 접촉부(4), 소스 접촉부(5) 및 회로의 수평 레벨의 (6)으로 표시되는 상호접속부가 개괄적으로 도시되어 있다. 도면에 나타난 단면도에서 텅스텐 또는 구리 접속부로 이루어진 수직 상호접속부(7)은 접속부(6)을 정지층(8)을 통해 상부 상호접속 레벨(9)로 접속시키며, 이 레벨(9)의 구리 접속부(10)(단면도로 도시됨)은 사실상 도면의 평면에서 수직적으로 연장되고 그 자체가 상부 레벨의 접속부(12)에 접속되고, 그 후 접속부(15)로 접속된 후, 접속부(15, 18, 28, 31, 34, 37)과 접속되고, 마지막으로 집적 회로의 상부 상호접속 부분에서의 중앙 접속부(38)에서 정지된다.
다양한 상호접속 레벨(9, 13, 16, 19, 29 등) 사이에는 (21, 22, 23, 24, 25, 26, 27)과 같은 ILD 유전체층을 통해 다양한 수평면에서 구리 금속 접속부를 서로 분리시키는 각각의 정지층(11, 14, 17, 20, 30, 33, 36, 41, 등)이 있다. 임의의 하나의 레벨의 세트, 예컨대 2개의 정지층(30) 및 (31) 사이에 놓여진 세트에는 하부 부분에 2개의 연속적인 수평 구리 상호접속층 사이의 절연 및 (44, 45, 46)과 같은 구리 접속 측벽 사이의 절연을 제공하는 ILD 유전체층이 있으며, (44) 및 (45)와 같은 구리 전기적 접속부를 전기적으로 절연시키기 위한 IMD 유전체층을 갖는다.
도면으로 나타낸 예에서, ILD 및 IMD 층은 예를 들어 동일한 SiOC 유전체를 사용하여 제조된다.
정지층은 일반적으로 SiC 또는 SiN 층이다.
본 발명은 이러한 층간 유전체층 또는 ILD의 형성 및 금속간 유전체층 또는 IMD의 형성에 관한 것이다.

Claims (11)

  1. SiC, SiOC 또는 둘 모두를 포함하고, 1 이상의 -Si-Cn-Si-사슬(이 때 n은 1 이상임)을 함유하는 1 이상의 전구체로부터 얻어지고, 1 이상의 전구체가 Si-Cn-Si 결합(이 때 n은 1 이상임)을 함유하는 고리형 분자를 포함하고, 고리형 분자가 하기 계열 중 하나로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 특히 집적 회로의 제조 동안 금속 상호접속부를 분리하는데 사용될 수 있는 저유전율(로우-k) 유전체층.
    Figure 112013028114857-pct00006
    (상기 식에서, R, R1, R2는 수소, 선형 또는 고리형 탄소 사슬, 또는 알콕시드로부터 선택됨)
  2. 제1항에 있어서, 고리형 분자가 화학식 I (식에서, R은 H이고, R1 및 R2는 -O-CH3임)의 이중(double) DMDMOS인 것을 특징으로 하는 유전체층.
  3. 제1항에 있어서, R이 알킬 라디칼이고 R1은 -O-CH3인 것을 특징으로 하는 유전체층.
  4. 제1항에 있어서, 규소 원자를 연결하는 탄소 사슬이 1 이상의 이중 결합을 함유하는 것을 특징으로 하는 유전체층.
  5. 전구체를 증발시켜 증발된 전구체의 공급원을 형성하고, 이를 온도 T에 미리 도달된 기판이 놓여진 진공 증착 반응기에 두어, 원하는 최종 조성을 갖는 유전체막을 형성하는 것을 특징으로 하는, 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 청구된 유전체층의 형성 방법.
  6. 제5항에 있어서, 질소, 또다른 비활성 가스 또는 둘 모두를 또한 반응기 내에 주입하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제5항에 있어서, 산소를 또한 반응기 내에 주입하여 SiOC 층을 형성하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제3항에 있어서, R이 -CH3인 것을 특징으로 하는 유전체층.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
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