KR19990057679A - 반도체 소자의 층간절연막 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

반도체 소자의 층간절연막 형성방법 및 이 방법에 의한 반도체 소자의 층간절연막을 개시한다. 이 방법에 따르면, 하부 금속배선이 형성된 반도체 기판을 준비하고, 상기 반도체 기판 상에 저유전물질로 이루어지는 하부 절연막을 스핀 코팅 방식으로 형성하고, 상기 하부 절연막 상에 저유전물질로 이루어지는 상부 절연막을 고밀도 플라즈마 화학기상증착법으로 형성한다. 상부 절연막은 평탄화를 위하여 CMP 공정을 진행한다.

Description

반도체 소자의 층간절연막 및 그 제조방법
본 발명은 반도체 소자에 관한 것으로서, 상세하게는 금속배선 위에 층간절연막을 형성하는 방법 및 이 방법에 의한 층간절연막 구조에 관한 것이다.
반도체 소자의 집적도가 증가할수록 그 동작속도 또한 빨라지게 된다. 이에 따라, 전기적인 신호를 전달하는 금속배선을 형성하는 기술이 매우 중요해지고 있다. 고집적 반도체 소자에 있어서, 집적도를 증가시키고 동작속도를 개선시키기 위한 금속배선 형성기술로 다층배선(multi-layered interconnection) 형성기술이 널리 사용된다. 이와 같은 다층 금속배선을 형성하기 위한 공정중에 서로 다른 금속층 사이에 절연층을 형성하는 공정은 매우 중요하다.
한편, 반도체 소자의 집적도가 증가함에 따라 금속배선과 금속배선 사이의 간격이 점점 좁아지고 있다. 이에 따라 금속배선과 금속배선 사이에서 발생되는 기생 커패시턴스가 점점 커지게 되고, 그 결과 반도체 소자의 동작속도를 저하시키게 되는 문제점이 발생한다. 따라서, 고집적 반도체 소자의 다층배선 기술에 있어서, 층간절연막, 즉 금속층간절연막(inter-metal dielectric film)은 다층 금속배선 구조에 의한 단차 증가에 따라 후속 사진공정을 진행하는 것이 곤란함을 극복하기 위하여 평탄도가 우수하여야 하고, 금속배선 사이의 좁은 공간을 채우는 특성이 또한 우수하여야 한다. 또한 서로 이웃한 금속배선 사이에서 기생 커패시턴스가 발생하는 것을 감소시키기 위하여 유전상수가 낮은 저유전 물질이 요구된다.
층간절연막으로 사용될 수 있는 대표적인 저유전 물질로는 스핀 코팅(spin coating) 방식으로 형성되는 HSQ(hydrogen silsesquioxane), 플루오린이 도핑된 SOG(Spin On Glass), 폴리머 계열 등과, CVD(chemical vapor deposition) 방식으로 형성되는 SiOF, CF, BN, SiCO 등이 있다.
이와 같은 저유전 물질에 있어서, 스핀 코팅 방식에 의해 형성되는 저유전 물질막은 금속배선 사이의 좁은 공간을 채우는 능력은 우수하나 평탄화를 위한 CMP(chemical mechanical polishing; 화학기계적 연마) 공정을 진행하는 것이 어렵다. 반면에, CVD 방식에 의해 형성되는 박막은 평탄화를 위한 CMP 공정의 진행에는 별 어려움이 없으나 스핀 코팅 방식에 의해 형성되는 저유전 물질막에 비해 금속배선 사이의 좁은 공간을 채우는 능력에 한계가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 스핀 코팅 방식에 의해 형성되는 저유전막과 상기 저유전막 위에 CVD 방식에 의해 형성되는 저유전막의 이중구조로 층간절연막을 형성함으로써, 금속배선 사이의 공간을 채우면서도 평탄화가 용이한 반도체 소자의 층간절연막을 형성하는 방법 및 이 방법에 의한 반도체 소자의 층간절연막을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1 내지 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 층간절연막 제조방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10:반도체 기판 12:금속배선
22:하부 절연막 32:상부 절연막
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 반도체 소자의 층간절연막 형성방법에 따르면, 하부 금속배선이 형성된 반도체 기판을 준비하고, 상기 반도체 기판 상에 저유전물질로 이루어지는 하부 절연막을 형성하고, 상기 하부 절연막 상에 저유전물질로 이루어지는 상부 절연막을 형성한다.
상기 하부 절연막은 스핀 코팅 방식에 의해 형성되는 HSQ인 것이 바람직하다.
상기 상부 절연막은 고밀도 플라즈마 CVD 방식에 의해 형성되는 SiOF막인 것이 바람직하다.
한편, 상기 상부 절연막을 형성한 후, 상기 상부 절연막의 평탄화를 위하여 CMP 공정을 진행한다.
본 발명의 방법에 의해 형성되는 반도체 소자의 층간절연막은, 하부 금속배선이 형성된 반도체 기판과, 상기 반도체 기판 상에 스핀 코팅 방식으로 형성되며 저유전물질로 이루어지는 하부 절연막과, 상기 하부 절연막 상에 고밀도 플라즈마 화학기상증착법으로 형성되며 저유전물질로 이루어지는 상부 절연막을 구비한다.
이와 같은 본 발명에 따른 반도체 소자의 층간절연막 형성방법은, 금속배선 사이의 공간을 채우는 능력이 우수한 스핀 코팅 방식에 의해 형성되는 저유전막과 상기 저유전막 위에 CMP 공정이 용이한 CVD 방식에 의해 형성되는 저유전막의 이중구조로 층간절연막을 형성한다. 따라서 고집적 반도체 소자에 있어서, 금속배선 사이의 공간을 채우면서도 평탄화가 용이하며, 또한 층간절연막이 저유전 물질막으로 이루어지기 때문에 금속배선 사이의 기생 커패시턴스의 발생을 감소시킬 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명이 하기 실시예에 국한되는 것으로 해석되어져서는 안된다. 또한, 도면에서 층이나 영역들의 두께는 설명을 명확하게 하기 위하여 과장된 것이다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 나타낸다. 또한 어떤 층이 다른 층 또는 기판의 "상부"에 있다고 기재된 경우, 상기 어떤 층이 상기 다른 층 또는 기판의 상부에 직접 접촉하면서 존재할 수도 있고, 그 사이에 다른 제3의 층이 개재될 수도 있다.
본 발명에 따른 반도체 소자의 층간절연막 형성방법은, 먼저 반도체 기판상에 하부 금속배선을 형성하고, 다음에 상기 반도체 기판 상에 하부 절연막을 형성하고, 이어서 상기 하부 절연막 상에 상부 절연막을 형성하게 된다.
도 1을 참조하면, 먼저 반도체 기판(10) 상에 통상의 방법으로 하부 금속층, 예를 들면 텅스텐층, 알루미늄층, 구리층 등과 같은 적당한 금속층을 형성한다. 이어서, 상기 금속층을 통상의 방법으로 패터닝하여 상기 반도체 기판(10)의 소정영역 상에 하부 금속배선(12)을 형성한다. 이때, 상기 반도체 기판 상에는 반도체 소자를 제조하기 위하여 소자분리 영역(미도시)에 의해 분리되는 활성영역들(미도시)이 정의되어 있을 수 있다. 여기서, 소자분리 영역은 통상의 선택적 산화에 의한 소자분리 방법 또는 트렌치를 이용한 소자분리 방법중 어느 것을 사용하여 형성되더라도 무방하다.
도 2를 참조하면, 상기 하부 금속배선(12)이 형성된 결과물의 전면에 스핀 코팅방식에 의해 표면이 편평한 하부 절연막(22)을 형성한다. 여기서, 상기 하부 절연막(22)은 상기 하부 금속배선(12)이 형성된 반도체 기판(10)을 회전시키고, 상기 회전하는 기판(12) 상에 디스펜서(미도시)를 이용하여 액체상태인 HSQ를 소정의 양만큼 떨어뜨려 형성한다. 또는, HSQ 대신에 예를 들면 SOG와 같은 스핀 코팅 방식에 의해 막이 형성될 수 있는 저유전 물질을 상기 회전하는 기판(12) 상에 떨어뜨려 형성할 수 있다. 이와 같은 스핀 코팅은 형성되는 하부 절연막(22)이 하부 금속배선 사이(12)의 공간을 채울 수 있도록 2회 이상 반복될 수 있다. 디스펜서에 의해 상기 반도체 기판(10) 상에 떨어지는 액체의 양은 하부 금속배선(12)의 두께에 따라 달라질 수 있다. 이와 같이 형성된 하부 절연막(22)은 하부 금속배선(12) 사이의 공간을 채우면서 편평한 표면을 갖는다. 다음에 상기 하부 절연막(22)을 소정의 온도에서 열처리함으로써, 고체상태의 절연막을 형성한다.
도 3을 참조하면, 하부 절연막(22)이 하부 금속배선 사이(12)의 공간에 채워져 있는 상기 기판(10)의 전면에 고밀도 플라즈마 CVD 방식으로 상부 절연막(32)을 형성한다. 여기서, 상기 상부 절연막(32)으로는 CMP 공정이 가능하고 유전율이 3.4-3.8 정도인 SiOF막이 바람직하다. SiOF막을 형성하기 위해 반응챔버(미도시) 내로 유입되는 가스로는 SiH4, SiF4, O2, Ar을 사용하며, 반응챔버 내로 유입되는 각 가스의 유량은 30-60 sccm, 20-40 sccm, 80-120sccm, 30-60 sccm이 바람직하다. 이 때, 반응챔버 내의 압력은 1-8 mTorr, RF 소스 파워는 1880-2400W, 바이어스 파워는 1500-2000W가 바람직하다. 또한, 기판(10)의 온도는 300-400℃가 바람직하다. 이와 같은 고밀도 플라즈마 CVD 방식에 의한 SiOF막의 형성에 있어서, SiH4, SiF4, O2가스는반응가스로 작용하며, O2, Ar 가스는 식각가스로 작용하게 된다. 따라서, 박막의 열적 안정성이 불량한 일반적인 플라즈마 CVD 방식에 의하여 형성되는 SiOF막에 비하여 본 발명에 따른 고밀도 플라즈마 CVD 방식에 의해 형성되는 SiOF막은 인시튜 증착/식각공정에 의해 형성되기 때문에 열적안정성이 우수하다. 상부 절연막(32)으로는 SiOF막뿐만 아니라 CF, BN, SiCO와 같은 유전율이 대략 2.2-2.5 정도인 저유전 물질막으로 대체될 수 있다.
도 4를 참조하면, 상기 상부 절연막(32)이 형성된 결과물의 전면에 층간절연막의 평탄화를 위하여 CMP 공정을 진행한다. CMP 공정이 완료된 후의 상부 절연막(32)의 두께는 대략 9000-15000Å이다. 본 발명과 같이 층간절연막을 이층구조로, 즉 하부에 스핀 코팅 방식에 의해 HSQ와 같은 저유전 물질을 형성하고, 그 위에 다시 플라즈마 CVD 방식에 의해 SiOF와 같은 저유전 물질을 형성하는 이유는 HSQ막이 슬러리 용액과 반응함으로써 층간절연막의 평탄화를 위하여 HSQ막에 CMP 공정을 진행하기 곤란하기 때문이다. 참조부호 32′은 층간절연막의 평탄화를 위한 CMP 공정이 완료된 후의 상부절연막을 나타낸다.
이하에서 상기 방법에 의해 형성되는 본 발명에 따른 층간절연막 구조를 설명한다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 반도체 소자의 층간절연막은 금속배선(12)이 형성된 반도체 기판(10)과, 상기 금속배선 사이의 공간을 채우는 하부 절연막(22)과 상기 하부 절연막(22) 상에 형성되는 상부 절연막(32′)을 구비한다.
상기 하부 절연막(22)은 스핀 코팅에 의해 형성되는 저유전 물질막이며, HSQ막이 바람직하다. 또한 상기 상부 절연막(32′)은 플라즈마 CVD에 의해 형성되는 저유전 물질막이며, 고밀도 플라즈마 CVD에 의해 형성되는 SiOF막이 바람직하다. 그리고 상기 상부 절연막(32′)은 단차로 인한 후속의 사진식각 공정 진행의 곤란함을 극복하기 위하여 통상의 CMP 공정을 진행하여 평탄화하는 것이 바람직하다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따른 반도체 소자의 층간절연막 형성방법은, 금속배선 사이의 공간을 채우는 능력이 우수한 스핀 코팅 방식에 의해 형성되는 저유전막과 상기 저유전막 위에 CMP 공정이 용이한 CVD 방식에 의해 형성되는 저유전막의 이중구조로 층간절연막을 형성한다. 따라서 고집적 반도체 소자에 있어서, 금속배선 사이의 공간을 채우면서도 평탄화가 용이하다. 또한 층간절연막이 저유전 물질막으로 이루어지기 때문에 금속배선 사이의 기생 커패시턴스의 발생을 감소시킬 수 있다.

Claims (8)

  1. 하부 금속배선이 형성된 반도체 기판을 준비하는 단계;
    상기 반도체 기판 상에 저유전물질로 이루어지는 하부 절연막을 스핀 코팅방식으로 형성하는 단계; 및
    상기 하부 절연막 상에 저유전물질로 이루어지는 상부 절연막을 고밀도 플라즈마 화학기상증착법으로 형성하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 층간절연막 형성방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하부 절연막은 HSQ(Hydrogen Silsesquioxane)막인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 층간절연막 형성방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 상부 절연막은 SiOF막인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 층간절연막 형성방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 상부 절연막을 형성한 후, CMP 공정을 진행하여 상기 상부 절연막을 평탄화하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 층간절연막 형성방법.
  5. 하부 금속배선이 형성된 반도체 기판;
    상기 반도체 기판 상에 스핀 코팅방식으로 형성되며, 저유전물질로 이루어지는 하부 절연막; 및
    상기 하부 절연막 상에 고밀도 플라즈마 화학기상증착방식으로 형성되며, 저유전물질로 이루어지는 상부 절연막을 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 층간절연막.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 하부 절연막은 HSQ막인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 층간절연막.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 상부 절연막은 SiOF막인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 층간절연막.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 상부 절연막은 CMP 공정을 통하여 평탄화되어진 것임을 특징으로 하는 반도체 소자의 층간절연막.
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