KR20010106905A - 저유전율 ＳｉＯＣ 박막의 형성방법 - Google Patents

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KR20010106905A
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김형준
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Abstract

반도체 소자의 배선구조를 이루는데 사용되는 저유전율 SiOC 박막을 형성하는 방법에 관해 개시하고 있다. 본 발명의 SiOC 박막 형성방법은, CVD 반응챔버 내에 기판을 위치시키고, 실리콘과 탄소의 소스로서 비스-트리메틸시릴메탄을, 산소의 소스로서 산소함유가스를 상기 반응챔버 내에 각각 공급하여 CVD 공정을 진행하는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 방법과 같이 비스-트리메틸시릴메탄 소스를 이용하여 SiOC 박막을 형성할 경우, 형성된 SiOC 박막 내의 실리콘 원자 사이에 CH2가 강하게 결합되기 때문이 우수한 막질을 갖는 SiOC 박막을 형성할 수 있다. 따라서, 반도체 소자의 배선구조를 개선하여 우수한 특성의 반도체 소자를 제조하는 데 도움을 준다.

Description

저유전율 ＳｉＯＣ 박막의 형성방법 {Method of forming a SiOC thin film having low dielectric constant}
본 발명은 반도체 소자에 사용되는 박막을 형성하는 방법에 관한 것으로, 특히 반도체 소자의 배선구조를 이루는데 사용되는 저유전율 SiOC 박막을 형성하는 방법에 관한 것이다.
최근 급속한 발전을 거듭하고 있는 전자 및 정보통신 사업의 발전 원동력은 반도체 집적 소자의 발전에 기인한다고 해도 과언이 아니다. 이와 같이 산업 전반에 걸쳐 지대한 기여를 하는 반도체 소자는 그 성능 개선 및 수율의 향상을 위해 점차 고집적화 되고 있다. 소자의 집적화는 일차적으로 트랜지스터의 게이트 길이를 줄임으로써 트랜지스터의 스위칭 시간(switching time)을 단축시키는 요소로 작용한다. 하지만, 서브 마이크론(sub micron) 이하의 집적도를 가지는 소자에서는, 오히려 배선의 저항과 정전용량에 의해 발생되는 RC 신호지연(RC delay)이 게이트 길이의 감소에 의해 얻어지는 이득효과를 압도하게 된다. 뿐만 아니라, 상호 간섭(cross talk) 및 전력 소비(power consumption)가 증가한다는 문제도 발생하게 된다. 기존의 알루미늄(Al)/실리콘 산화막(SiO2막)배선구조를 사용할 경우, 상기한 소자특성의 저하는 1기가 비트 디램(Gb DRAM)의 디자인 룰인 0.18㎛에 가까운 약 200㎚ 이하의 반도체 소자에서부터는 큰 문제로 나타나며, 7개 이상의 금속배선층을 사용하는 로직(logic)에서는 더욱 심각하게 된다. 디램 소자 및 초고집적 로직소자의 디자인 룰이 100㎚ 이하로 향하고 있는 것을 고려하면, 상기한 배선 문제의 해결은 새로운 반도체 시대를 위한 시급한 과제라고 할 수 있다.
배선에 관련된 소자의 성능저하 문제를 해결하고자, 많은 연구자들이 낮은 유전율의 절연체 및 저 저항의 배선 금속을 사용하는 연구를 하고 있다. 배선 금속으로는 기존에 사용되던 알루미늄보다 낮은 비저항을 가지며 일렉트로마이그레이션(electromigration)에 대한 문제도 적은 구리(Cu)를 사용하려는 시도가 활발히 진행되고 있다. 또한, 새로운 절연막의 재료로서 기존의 SiO2보다 유전상수가 작은, 여러 유기물질 및 무기물질이 연구되고 있다.
1994년 세마테크(Sematech)사의 켄 모닝(Ken Monning)은 매우 흥미로운 통계치를 발표하였다. 그의 발표에 따르면, 현재 사용되고 있는 Al 합금/SiO2의 금속배선구조를 Cu/배리어 금속(barrier metal)/SiO2의 구조로 바꾸게 되면 약 50%의 소자특성 개선이 기대되는 반면 저유전율 물질이 SiO2를 대치할 경우에는 약 400%의 개선이 기대된다고 한다. Cu/저유전 물질 구조로의 급진적인 전환이 어려운 현 시점에서, 대부분의 연구자들은 Al 합금/저유전율 물질 구조의 금속배선 연구를 선행하고 있으며, 새로운 저유전율 박막의 개발 및 공정확립은 모든 반도체 소자에 걸쳐 지대한 영향을 미치리라 쉽게 예상할 수 있다.
현재까지의 저유전율 박막의 연구추세는 재료물질에 따라 크게 두 가지로 나뉠 수 있다. 첫째가 폴리머를 비롯한 유기물질로서, 이는 기존의 SiO2막에 비해50% 정도 낮은 유전율을 가지지만, 열적 안정성, 산소 플라즈마에 대한 저항성, 및 기계적 강도가 부족하다는 문제 때문에 후속 공정에 대한 적합성(compatibility)이 떨어진다. 반면에, 둘째로 분류되는 무기물질의 저유전 박막은 기존 SiO2막의 구조가 일부 변형된 형태로, 기존의 장비 및 공정을 크게 변화시키지 않고도 사용할 수 있으며 후속 공정에 대한 적합성도 우수한 장점을 가지고 있다. 하지만, SiO2막에 비해 유전상수의 감소가 그다지 크지 않으며, 대기 중의 수분에 약한 문제점을 가지고 있다. 지금까지의 저유전율 물질의 연구는 이러한 유기 또는 무기물질의 한 종류에 대해서만 집중되었으나, 최근 유기 및 무기물질들의 장단점을 서로 보완시키려는 연구가 시작되고 있다. 즉, 차세대 저유전율 절연막의 재질로서 각광을 받고 있는 하이브리드형(hybrid-type)의 물질로는 기존의 SiO2막에 다량의 탄소를 함유시킨 것(이하, "SiOC")이 있다. 저유전율을 갖는 이유는 실리콘과 탄소 사이에 이루어진 본드(Si-C bond)의 낮은 분극률(polarizability)과 막 내에 형성되는 공극(void) 때문인 것으로 알려져 있다.
이러한 SiOC 박막은 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition; CVD)에 의해서 형성될 수 있는데, 이 경우 그 소스로서 메틸실레인(methylsilane), 디메틸실레인(di-methylsilane), 트리메틸실레인(tri-methylsilane), 테트라메틸실레인(tetra -methylsilane) 등을 사용하고 있다. SiOC 박막이 저유전율을 가지는 이유를 더 구체적으로 설명하면, 두 가지 정도로 요약된다. 첫째, 박막 내에 CHn의 형태로 함유된 탄소가 망목구조를 이루고 있는 SiO2의 일부를 댕글링(dangling)시킴으로써 형성되는 나노미터 크기의 공극이 저유전율을 유발한다. 둘째, Si-CH3결합이 Si-O 결합에 비해 작은 이온분극률(ionic polarizability)을 가지기 때문인 것으로 생각되나 정확한 메커니즘은 밝혀지지 않았다.
상기 저유전 특성의 원인을 살펴보면, 저유전율의 박막을 얻기 위해 박막 내에 많은 탄소를 포함시키는 것이 중요하다. 하지만, 함유되는 탄소의 양이 증가할수록 열적, 기계적 특성이 저하되기 때문에 이 특성들을 고려한 증착공정의 확립이 필요하다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 함유되는 탄소의 양이 많더라도 그 특성이 저하되지 않는 저유전율 SiOC 박막을 형성하는 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 취급이 용이한 소스를 선택하여 저유전율 SiOC 박막을 형성하는 방법을 제공하는 데 있다.
도 1은 본 발명의 방법에서 사용되는 BTMSM의 구조도; 및
도 2는 본 발명의 실시예에 사용되는 박막형성 장치의 개략적 단면도이다.
* 도면 중의 주요부분에 대한 부호 설명 *
10 : 반응챔버
30 : 플라즈마 전극
40 : 서셉터
60 : RF(Radio Frequency) 파워 발생기
70a, 70b : 유량조절기
80 : 비스-트리메틸시릴메탄 소스
82 : 자동온도조절 버블러(thermostatic bubbler)
90a, 90b : 가스 공급관
92 : 인젝터
100 : 가스 포커스 링
상기 기술적 과제들을 달성하기 위한 본 발명의 SiOC 박막 형성방법은: 반응챔버 내에 기판을 위치시키는 단계와; 실리콘과 탄소의 소스로서 비스-트리메틸시릴메탄(bis-trimethylsilylmethane; 이하, "BTMSM")을, 산소의 소스로서 산소가스를 상기 반응챔버 내에 각각 공급하여 CVD 공정을 진행하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 CVD 공정 중에 상기 기판은 25∼400℃의 범위 내의 온도로 유지되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 CVD 공정 중에 상기 비스-트리메틸시릴메탄이 알곤 및 헬륨 이송가스에 의해 상기 반응챔버의 내부로 공급되는 것이 바람직하다.
상기 CVD 공정은 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)으로 진행하는 것이 더 바람직한데, 이 경우, 상기 반응챔버 내부에서 용량결합 플라즈마(Capacitively coupled plasma)가 발생하도록 상기 반응챔버에 전극이 설치되며, 상기 PECVD 공정의 진행시 상기 전극에 50∼500W의 플라즈마 파워가 인가된다.
상기 PECVD 공정의 진행시, 상기 기판을 정속 회전시키는 단계를 더 구비하여도 좋다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 방법에서 사용되는 BTMSM의 구조도이다. BTMSM의 분자식은 Si2(CH2)(C3H9)2로서, 도 1을 참조하면, 종래의 SiOC 박막증착용 소스들인 메틸실레인, 디메틸실레인, 트리메틸실레인, 테트라메틸실레인과는 달리 두 실리콘 원자 사이에 탄소, 엄밀히 말하면 CH2가 존재하고 있음을 알 수 있다. 이 탄소는 양쪽의 실리콘 원자에 공통적으로 결합되어 있어서 다른 탄소성분(CH3)에 비해 결합력이 강하다. 이는 BTMSM 내에서의 실리콘과 탄소의 결합이 안정적인 결합이라는 것을 의미하며, 상기한 다른 소스들과 비교하여 볼 때, 동일 공정조건에서 보다 많은 탄소량을 SiOC 박막에 포함하며, 박막 증착 후 후속 반도체 소자 제조공정이 진행되더라도 안정적인 SiOC 박막특성이 유지될 수 있는 가능성을 제시한다.
BTMSM의 또 다른 장점은 그 취급이 용이하다는 것이다. BTMSM은 그 끓는점이 132℃, 녹는점이 -71℃인 물질이기 때문에 상온에서는 액체상태이며, 불연성, 무독성일 뿐 아니라 공기에 대한 감응도(air-sensitivity)가 비교적 작아서 다루기 쉬운 물질로 알려져 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 사용되는 박막형성 장치의 개략적 단면도이다.
도 2를 참조하면, 상부 반응챔버(10a)와 하부 반응챔버(10b)로 이루어진 반응챔버(10)와 이들 사이에 위치한 O-링(20)이 서셉터(40)에 장착된 반도체 기판(50)에 대해 밀폐된 반응공간을 제공한다. 상부 반응챔버(10a)는 돔(dome)형으로 되어 있으며, 한국 특허출원 제1999-61858호에 개시한 바와 같이, 그 외벽에는 개구부(opening)를 갖는 플라즈마 전극(30)이 상부 반응챔버(10a)를 둘러싸도록 설치되어 있다. 플라즈마 전극(30)에는 RF(Radio Frequency) 파워를 인가하기 위한 RF 파워 발생기(60)가 연결되어 있다. 챔버(10)의 외벽 및 서셉터(40)의 내부에는 기판(50)의 온도를 조절하기 위한 히터(도시 생략)가 설치되어 있다. 한편, SiOC박막 형성에 있어서 산화가스인 O2를 반응챔버(10)의 내부로 공급하기 위한 제1 유량조절기(Mass Flow Controller; 70a), 제1 공급관(90a), 및 인젝터(injector; 92)가 일렬로 연결되어 있다. 제1 공급관 상에는 O2의 흐름을 개폐하기 위한 밸브들이 설치된다. SiOC 박막을 형성하기 위한 소스인 BTMSM(80)은 그 증기압을 일정하게 유지시키는 자동온도조절 버블러(thermostatic bubbler; 82) 내에 저장된다. BTMSM(80)을 반응챔버(10)의 내부로 공급하기 위한 제2 유량조절기(70b), 제2 공급관(90b), 및 가스 포커스링(100)은 일렬로 배치되는데, 제2 유량조절기(70b)와 제2 공급관(90b) 사이에는 자동온도조절 버블러(82)가 설치되어 있어, 그 사이의 밸브들의 선택적인 개폐에 의해 반응챔버(10)의 내부에 Ar 및 He 가스만 공급되거나, Ar 및 He 가스를 이송용 가스(carrier gas)로 이용한 BTMSM이 공급된다. 한편, 반응챔버의 하측부는 부스터펌프, 로터리펌프, 또는 터보 모레큘러 펌프 등의 진공펌프와 연결되어 있어서, 반응챔버 내부를 저압으로 유지할 수 있다.
상기한 바와 같은 박막형성 장치를 통해 본 발명의 실시예에 따른 SiOC 박막 형성방법에 대해 설명하기로 한다.
서셉터(40) 상의 기판(50)이 300℃의 온도로 유지된 상태에서, 가스 포커스링(gas focus ring; 100)을 통해 Ar 및 He 가스를 이송용 가스로 이용한 BTMSM을 기판(50)의 주변으로 분사시킨다. 여기서 가스 포커스링은 한국 특허출원 제1999-49526호에 개시된 것을 사용하여 기판(50)의 주변부로부터 중심까지 균일하게 BTMSM 소스가 공급되게 한다. 이와 동시에 산화반응가스인 O2를 인젝터(92)를 통해기판(50)의 상부로 분사시킨다. Ar 및 He 이송가스의 유량은 50∼500sccm 내에서 조절하며, O2의 유량은 50∼1000sccm 내에서 조절한다. 이 때의 반응챔버 내부 압력은 1∼수십 토르(torr)로 조절된다. BTMSM의 효과적인 분해 및 반응촉진을 위해 13.56㎒, 300W의 RF 파워가 플라즈마 전극(30)에 인가된다. 증착과정 중에서, 기판(50)을 회전시키면 균일한 두께의 박막을 형성할 수 있다.
본 실시예에서는 산화반응가스로서 O2가스를 이용하였으나, 그 외에도 오존(O3), N2O 가스, H2O2등이 이용될 수도 있다.
상기한 본 발명의 방법과 같이 BTMSM 소스를 이용하여 SiOC 박막을 형성할 경우, 형성된 SiOC 박막 내의 실리콘 원자 사이에 CH2가 강하게 결합되기 때문이 우수한 막질을 갖는 SiOC 박막을 형성할 수 있다. 따라서, 반도체 소자의 배선구조를 개선하여 우수한 특성의 반도체 소자를 제조하는 데 도움을 준다.
본 발명은 상기 실시예들에만 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 많은 변형이 가능함은 명백하다.

Claims (6)

  1. 반응챔버 내에 기판을 위치시키는 단계와;
    실리콘과 탄소의 소스로서 비스-트리메틸시릴메탄을, 산소의 소스로서 산소함유가스를 상기 반응챔버 내에 각각 공급하여 CVD 공정을 진행하는 단계를 구비하여 상기 기판 상에 SiOC 박막을 형성하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 CVD 공정 중에 상기 기판이 25∼400℃의 범위 내의 온도로 유지되는 것을 특징으로 하는 SiOC 박막 형성방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 CVD 공정 중에 상기 비스-트리메틸시릴메탄이 알곤 및 헬륨 이송가스에 의해 상기 반응챔버의 내부로 공급되는 것을 특징으로 하는 SiOC 박막 형성방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 CVD 공정이 PECVD 공정인 것을 특징으로 하는 SiOC 박막 형성방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 반응챔버 내부에서 용량결합 플라즈마가 발생하도록 상기 반응챔버에 전극이 설치되며, 상기 PECVD 공정의 진행시 상기 전극에 50∼500W의 플라즈마 파워를 인가하는 것을 특징으로 하는 SiOC 박막 형성방법.
  6. 제4항에 있어서, 상기 PECVD 공정의 진행시, 상기 기판을 정속 회전시키는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 SiOC 박막 형성방법.
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