KR20020054720A - 반도체장치의 절연층 특성 개선방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체장치의 절연층 특성 개선방법에 관한 것으로, 특히, 반도체장치의 동작속도를 개선하기 위하여 금속배선절연층을 저유전상수값을 갖는 유기절연체로 형성하고 배리어막 대신 게터링막을 적용하여 Si-H 또는 Si-F의 비가교결합이나 P 또는 V 도핑 산화막의 댕글링 본드를 이용하므로 유기절연체의 아웃개싱을 방지하고 금속배선과 금속배선절연층의 접착력을 강화하여 소자의 신뢰성을 향상시키도록 한 반도체장치의 유기계열의 금속배선절연층 특성 개선방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 반도체장치의 절연층 특성 개선방법은 배선간의 절연을 위한 절연물질로 저유전상수값을 갖는 유기계열의 절연층을 갖는 반도체장치에 있어서, 상기 절연층의 구성성분의 아웃개싱을 방지하기 위하여 상기 절연층의 노출된 부위에 비가교 또는 댕글링 본드를 포함하는 게터링막을 형성하는 것을 포함하여 이루어진다. 바람직하게, 상기 게터링막은 실리콘이 풍부한 실리콘산화막, F 도핑된 실리콘산화막, P 도핑된 실리콘산화막, 또는, V 도핑된 실리콘산화막으로 형성한다.
Description
본 발명은 반도체장치의 절연층 특성 개선방법에 관한 것으로, 특히, 반도체장치의 동작속도를 개선하기 위하여 금속배선절연층을 저유전상수값을 갖는 유기절연체로 형성하고 배리어막 대신 게터링막을 적용하여 Si-H 또는 Si-F의 비가교결합이나 P 또는 V 도핑 산화막의 댕글링 본드를 이용하므로 유기절연체의 아웃개싱을 방지하고 금속배선과 금속배선절연층의 접착력을 강화하여 소자의 신뢰성을 향상시키도록 한 반도체장치의 유기계열의 금속배선절연층 특성 개선방법에 관한 것이다.
일반적으로 고속소자특성을 확보하기 위하여 금속배선으로 구리를 사용하고 저유전상수값을 갖는 절연체를 금속배선절연층(inter metal dielectric layer)으로 사용한다. HSQ와 같은 저유전상수 물질에 이어 더욱 낮은 유전상수를 갖는 절연물질로유기계열의 폴리머를 사용하고 있다.
고속소자를 제조하기 위해서는 RC 시간지연(time delay)문제를 해결하여야 한다. 즉, 가능하면 낮은 금속배선의 저항을 확보하고 금속배선간의 절연층에 의하여 생성되는 기생캐패시턴스를 낮추어야 하는 것이다.
따라서, 금속배선을 알루미늄 대신 구리로 대체하고 유전상수가 대략 4.1 정도되는 일반적인 산화막 대신 유전상수가 3.0 미만되는 저유전상수 절연물질(low k)을 사용하여 백-엔드(back end)의 RC 시간지연을 개선한다.
듀알 다마신 공정 등에서는 갭-필링을 위한 특정 금속배선절연층 형성 물질에 대한 요구는 없으나 유전상수의 감소는 지속적으로 요구되는 사항이고, 이를 충족시키기 위한 조건중의 하나가 절연층 내에 Si-H, Si-C 결합을 다량으로 형성하는 것이다.
따라서, Si-H 결합을 다량 함유하고 있는 HSQ(HydrogenSilsesQuioxane)나 Si-C 결합을 다량 포함하는 블랙 다이아몬드(black diamond) 또는 Si-F 결합을 포함하고 있는 HDP(high density plasma) FSG를 저유전막으로 채용한다. 즉, 기존의 Si-O 결합을 Si-H, Si-C, Si-F 등으로 결합으로 치환하여 저유전률을 구현하는 것이다.
유기계열의 폴리머들을 절연체로 사용하는 경우, 유기물질의 특성상 잦은 열공정 등으로 인한 아웃개싱(outgassing)으로 절연체의 특서이 열화되므로, 금속배선절연층 형성 후 이들 표면에 질화막 또는 카바이드(carbide) 계통의 배리어층을 형성하고 있다.
그러나, 질화막 또는 카바이드막을 금속배선절연층의 아웃개싱 방지를 위한 배리어층으로 사용할 경우, 이들의 유전상수가 7 이상이 되어 캐패시턴스를 증가시키게되고 금속배선절연물질의 아웃개싱으로 인해 저유전상수 절연물질과 배리어 물질간의 접착력(adhesion)이 불량해지는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 반도체장치의 동작속도를 개선하기 위하여 금속배선절연층을 저유전상수값을 갖는 유기절연체로 형성하고 배리어막 대신 게터링막을 적용하여 Si-H 또는 Si-F의 비가교결합이나 P 또는 V 도핑 산화막의 댕글링 본드를 이용하므로 유기절연체의 아웃개싱을 방지하고 금속배선과 금속배선절연층의 접착력을 강화하여 소자의 신뢰성을 향상시키도록 한 반도체장치의 유기계열의 금속배선절연층 특성 개선방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반도체장치의 절연층 특성 개선방법은 배선간의 절연을 위한 절연물질로 저유전상수값을 갖는 유기계열의 절연층을 갖는 반도체장치에 있어서, 상기 절연층의 구성성분의 아웃개싱을 방지하기 위하여 상기 절연층의 노출된 부위에 비가교 또는 댕글링 본드를 포함하는 게터링막을 형성하는 것을 포함하여 이루어진다.
바람직하게, 상기 게터링막은 실리콘이 풍부한 실리콘산화막, F 도핑된 실리콘산화막, P 도핑된 실리콘산화막, 또는, V 도핑된 실리콘산화막으로 형성한다.
도 1은 실리콘이 풍부하게 포함된 FSG 산화막의 비가교 결합(nonbridging bond)을 도시한 모식도
도 2는 P 또는 V가 도핑된 산화막의 댕글링 본드(dangling bond)를 도시한 모식도
본 발명은 유기계열의 저유전상수 절연물질의 아웃개싱으로 인한 특성 저하를 방지하기 위하여 종래 기술에서의 배리어막 대신 게터링막(gettering layer)를 채용하므로 금속배선과 절연층 사이에 발생하는 기생캐패시턴스를 감소시켜 반도체장치의고속동작을 가능하게 하고, 또한, 저유전상수 절연물질과 게터링막간의 접착력을 강화시켜 소자의 신뢰성을 향상시킨다. 이때, 게터링막으로 실리콘이 풍부한 산화막 또는 P, V, F 등이 각각 도핑된 산화막을 사용한다.
현재 반도체장치의 고속동작을 위한 구리 다마신공정에 사용되는 저유전상수 물질로 다우케미칼사의 SiLK, AMT사의 블랙다이아몬드(methylsilane 계열), Novellus사의 코랄(Coral, methylsilane 계열) 등 다양한 제품이 있으며, 이들의 공통점은 모두 유기계열의 유전물질인데 있다. 즉, 무기물질로는 유전상수가 3 이하인 유전체를 제조할 수 없기 때문에 유기계열의 절연체를 금속배선간의 절연체로 사용하는 것은 피할 수 없다.
따라서, 유기계열 절연물질의 특성인 아웃개싱을 방지하기 위하여 본 발명에서는 게터링 특성을 이용하는 게터링막으로 금속배선절연층을 덮어 캐패시턴스를 감소시키고 접착력을 강화한다.
본 발명에서는 상기한 게터링막으로 실리콘이 풍부한 산화막(Si-rich oxide), P, V 또는 F가 도핑된 산화막을 사용한다.
도 1을 참조하면, 실리콘이 풍부한 산화막으로 게터링막을 형성하는 경우, 실리콘산화막내에서 실리콘 원자의 과잉으로 산소원자가 부족하여 산소대신 수소가 시릴콘과 결합하므로 Si-H의 비가교(nonbridging)를 가져오므로 유기물질에서 아웃개싱되는 원소를 붙잡아(capture) 둘 수 있다. F가 도핑된 산화막의 경우에도 Si-F의 비가교가 게터링을 수행하는 것이다.
도 2를 참조하면, P 도핑된 산화막의 경우에는, 실리콘산화막에 실리콘 대신인(phosphorus)이 첨가되므로 인 원자와 산소원자간의 이중결합(P=O)이 댕글링 본드(dangling bond)를 형성하여 게터링 역할을 수행한다. V 도핑된 산화막의 경우에도 V 원자와 산소원자간의 이중결합(V=O)으로 인해 게터링 역할을 수행한다.
따라서, 상기한 물질로 게터링막을 유기계열의 저유전상수 절연층상에 형성하면, 유전상수 값을 질화막 또는 카바이드막으로 배리어막을 형성한 경우보다 현저히 감소시킬 수 있어 반도체장치의 고속동작을 확보할 수 있다. 참고로, 실리콘이 풍부한 산화막의 유전상수는 4.5이고, F 도핑된 산화막의 유전상수는 3.5 이며, P 또는 V 도핑된 산화막의 유전상수는 5.0이다.
게다가, 저유전상수 절연층의 아웃개싱을 방지하는 배리어막 대신 아웃개싱 물질을 캡쳐링하는 게터링막을 적용하므로 금속배선절연층과 게터링막간의 접착력을 강화하여 반도체장치 내지는 소자의 신뢰성을 향상시킨다.
또한, 본 발명은 패키지공정 등 외부불순물의 소자 침투를 방지하기 위한 패시베이션공정에 비가교 또는 댕글링본드의 물성을 이용하여 적용할 수 있다.
따라서, 본 발명은 배리어막 대신 게터링막을 적용하므로 배선간에 발생하는 기생캐패시턴스를 감소시켜 소자동작속도를 증가시키며, 또한, 저유전상수 절연층과 게터링막간의 접착력을 강화하여 소자의 신뢰성을 향상시키는 장점이 있다.
Claims (5)
- 배선간의 절연을 위한 절연물질로 저유전상수값을 갖는 유기계열의 절연층을 갖는 반도체장치에 있어서, 상기 절연층의 구성성분의 아웃개싱을 방지하기 위하여 상기 절연층의 노출된 부위에 비가교 또는 댕글링 본드를 포함하는 게터링막을 형성하는 것을 포함하여 이루어진 반도체장치의 절연층 특성 개선방법.
- 청구항 1에 있어서,상기 게터링막은 실리콘이 풍부한 실리콘산화막으로 형성하는 것이 특징인 반도체장치의 절연층 특성 개선방법.
- 청구항 1에 있어서,상기 게터링막은 F 도핑된 실리콘산화막으로 형성하는 것이 특징인 반도체장치의 절연층 특성 개선방법.
- 청구항 1에 있어서,상기 게터링막은 P 도핑된 실리콘산화막으로 형성하는 것이 특징인 반도체장치의 절연층 특성 개선방법.
- 청구항 1에 있어서,상기 게터링막은 V 도핑된 실리콘산화막으로 형성하는 것이 특징인 반도체장치의 절연층 특성 개선방법.
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