KR20100054797A - 플라즈마 증진 화학 기상 증착에 의한 높은 기계적 성질을 지니는 초저­ｋ 필름을 제조하기 위한 실리콘 전구체 - Google Patents

플라즈마 증진 화학 기상 증착에 의한 높은 기계적 성질을 지니는 초저­ｋ 필름을 제조하기 위한 실리콘 전구체 Download PDF

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KR20100054797A
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    • C23C16/22—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
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    • C23C16/56—After-treatment

Abstract

기판상에 저유전상수 필름을 증착시키는 방법이 제공된다. 저유전상수 필름은 하나 이상의 유기실리콘 화합물과 포로겐을 반응시키고, 이어서, 필름을 후처리하여 필름에 기공을 생성시킴을 포함하는 공정에 의해서 증착된다. 하나 이상의 유기실리콘 화합물은 일반 구조식 Si-CX-Si 또는 Si-O-(CH2)n-O-Si 결합을 지니는 화합물을 포함한다. 본원에서 제공된 저유전상수 필름은 필름의 후처리 전 및 후 둘 모두에 Si-CX-Si 결합을 포함하는 필름을 포함한다. 저유전상수 필름은 양호한 기계적 성질 및 부착 성질, 및 바람직한 유전상수를 지닌다.

Description

플라즈마 증진 화학 기상 증착에 의한 높은 기계적 성질을 지니는 초저­Ｋ 필름을 제조하기 위한 실리콘 전구체{NOVEL SILICON PRECURSORS TO MAKE ULTRA LOW-K FILMS WITH HIGH MECHANICAL PROPERTIES BY PLASMA ENHANCED CHEMICAL VAPOR DEPOSITION}
본 발명의 구체예는 일반적으로 집적회로의 제조에 관한 것이다. 더욱 특히, 본 발명의 구체예는 집적회로를 위한 저유전상수 필름을 증착시키는 방법에 관한 것이다.
집적회로 기하구조는 그러한 장치가 처음 도입된 수십년 전 이래로 그 크기가 급속도로 작아지고 있다. 그 이래로, 집적회로는 일반적으로 2년/절반크기 규칙(때로는, 무어 법칙(Moore's Law)으로 일컬어짐)을 따르고 있으며, 이러한 규칙은 칩상의 장치의 수가 2년마다 두 배가 됨을 의미한다. 오늘날의 제작 설비는 통상적으로 90nm 및 또한 65nm 피처 크기(feature size)를 지닌 장치를 생산하고 있으며, 미래의 설비는 더 작은 피처 크기를 지니는 장치를 생산할 것이다.
장치의 기하구조의 계속된 감소는 낮은 유전상수(k) 값을 지니는 필름에 대한 수요를 발생시키고 있는데, 그 이유는 인접 금속 라인들 사이의 용량적 커플링(capacitive coupling)이 집적회로 상의 장치의 크기를 추가로 감소시키기 위해서 감소되어야 하기 때문이다. 특히, 저유전상수, 즉, 약 4.0 미만의 유전 상수를 지니는 절연체가 바람직하다. 저유전상수를 지니는 절연체의 예는 스핀-온 글래스(spin-on glass), 불소-도핑된 실리콘 글래스(fluorine-doped silicon glass : FSG), 탄소-도핑된 옥사이드(carbon-doped oxide), 및 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene : PTFE)을 포함하며, 이들 모두는 시중 구입할 수 있다.
더욱 최근에, 약 3.0 미만 및 또한 약 2.5 미만의 k 값을 지니는 저유전상수 유기실리콘 필름이 개발되었다. 저유전상수 유기실리콘 필름을 개발하는데 이용되는 한 가지 방법은 유기실리콘 화합물, 및 열에 불안정한 화학종 또는 휘발성 그룹을 포함한 화합물을 포함하는 가스 혼합물로부터 필름을 증착시키고, 이어서, 증착된 필름을 후처리하여 열에 불안정한 화학종 또는 휘발성 그룹, 예컨대, 유기 그룹을 증착된 필름으로부터 제거하는 것이다. 열에 불안정한 화학종 또는 휘발성 그룹을 증착된 필름으로부터 제거하면 필름내에 나노미터 크기 공극이 생성되며, 그러한 공극은 필름의 유전상수를 낮추는데, 그 이유는 공기가 약 1의 유전상수를 지니기 때문이다.
바람직한 저유전상수를 지니는 저유전상수 유기실리콘 필름이 상기된 바와 같이 개발되기는 했지만, 이들 저유전상수 필름중 일부는 덜 바람직한 기계적 성질, 예컨대, 불량한 기계적 강도를 나타내고, 그러한 기계적 강도는 필름이 후속 반도체 가공 단계 동안에 손상되는 것에 민감하게 한다. 저유전상수 필름을 손상시킬 수 있는 반도체 가공 단계는 저유전상수 필름을 패턴화시키는데 사용되는 플라즈마 기반 에칭 공정(etching process)을 포함한다. 유전 필름으로부터 포토레지스트 또는 바닥 반사방지 코팅(bottom anti-reflective coatings : BARC)을 제거하는 애싱 공정(ashing process) 및 습식 에칭 공정이 또한 필름을 손상시킬 수 있다.
따라서, 개선된 기계적인 성질 및 후속 기판 가공 단계로부터의 손상에 대한 내성을 지니는 저유전상수 필름을 제조하는 공정에 대한 요구가 존재하고 있다.
발명의 요약
본 발명은 일반적으로 저유전상수 필름을 증착시키는 방법을 제공한다. 한 가지 구체예에서, 본 발명의 방법은 하나 이상의 유기실리콘 화합물을 챔버내로 도입하는데, 상기 하나 이상의 유기실리콘 화합물이 다음 일반 구조식:
Figure pct00001
(여기서, 각각의 R1은 일반식 CnH2n +1, OCnH2n +1, 또는 CmH2m - 1를 지니고, m은 1 내지 3이며, n은 0 내지 3이고, R2는 (CH2)a, C=C, C≡C, C6H4, C=O, (CF2)b, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되고, 여기서, a 및 b는 독립적으로 1 내지 4이다), 또는 다음 일반 구조식:
Figure pct00002
(여기서, 각각의 R3은 일반식 CnH2n +1, OCnH2n +1, 또는 CmH2m - 1를 지니고, m은 1 내지 3이며, n은 0 내지 3이고, c 및 d는 독립적으로 1 내지 4이다)을 지니는 화합물을 포함하도록 하여, 하나 이상의 유기실리콘 화합물을 챔버내로 도입함을 포함한다.
이러한 방법은 또한 포로겐(porogen)을 챔버에 도입하고, RF 파워의 존재하에 하나 이상의 유기실리콘 화합물과 포로겐을 반응시켜 챔버내의 기판상에 저유전상수 필름을 증착시킴을 포함한다. 저유전상수 필름은 이어서 후처리되어 저유전상수 필름으로부터 포로겐을 실질적으로 제거한다. 후처리는 UV, e-빔, 또는 열 어닐링(thermal annealing) 처리를 포함할 수 있다. 후처리된 저유전상수 필름은 Si-Cx-Si 결합을 포함한다.
또 다른 구체예에서, 저유전상수 필름을 증착시키는 방법은 하나 이상의 유기실리콘 화합물을 챔버내로 도입하는데, 상기 하나 이상의 유기실리콘 화합물이 다음 일반 구조식:
Figure pct00003
(여기서, 각각의 R5는 일반식 CnH2n +1, OCnH2n +1, 또는 CmH2m - 1를 지니고, m은 1 내지 3이며, n은 0 내지 3이고, e는 1 내지 3이다), 또는 하기 일반 구조식:
Figure pct00004
(여기서, R6은 일반식 CnH2n +1, OCnH2n +1, 또는 CmH2m - 1를 지니고, m은 1 내지 3이며, n은 0 내지 3이고, f는 1 내지 4이다)을 지니는 화합물을 포함하도록 하여, 하나 이상의 유기실리콘 화합물을 챔버내로 도입함을 포함한다.
이러한 방법은 또한 포로겐(porogen)을 챔버에 도입하고, RF 파워의 존재하에 하나 이상의 유기실리콘 화합물과 포로겐을 반응시켜 챔버내의 기판상에 저유전상수 필름을 증착시킴을 포함한다. 저유전상수 필름은 이어서 후처리되어 저유전상수 필름으로부터 포로겐을 실질적으로 제거한다. 후처리는 UV, e-빔, 또는 열 어닐링 처리를 포함할 수 있다.
추가의 구체예에서, 저유전상수 필름을 증착시키는 방법은 하나 이상의 유기실리콘 화합물을 챔버내로 도입하는데, 그러한 하나 이상의 유기실리콘 화합물이 비스(트리에톡시실릴)메탄을 포함하도록 하여 하나 이상의 유기실리콘 화합물을 챔버내로 도입하고; 포로겐을 챔버에 도입하고; RF 파워의 존재하에 하나 이상의 유기실리콘 화합물과 포로겐을 반응시켜 챔버내의 기판상에 저유전상수 필름을 증착시키고; 이어서, 저유전상수 필름을 후처리하여 저유전상수 필름으로부터 포로겐을 실질적으로 제거함을 포함한다.
도면의 간단한 설명
본 발명의 상기된 특징이 상세히 이해될 수 있게 하기 위해서, 상기 간략하게 요약된 본 발명에 대한 더욱 특정된 설명이 구체예를 참조로 설명될 것이며, 이러한 설명중 일부는 첨부된 도면에 예시되어 있다. 그러나, 첨부된 도면은 단지 본 발명의 전형적인 구체예를 예시하고 있고, 그에 따라서, 본 발명의 범위를 제한하고자 하는 것이 아니며, 본 발명은 다른 동일한 효과를 내는 구체예도 허용됨을 주지해야 한다.
도 1은 본 발명의 구체예를 예시하는 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 또 다른 구체예를 예시하는 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 구체예에 따른 하나 이상의 유기실리콘 화합물과 포로겐의 유량의 그래프이다.
도 4는 본 발명의 구체예에 따라 제공된 후처리된 저유전상수 필름의 FTIR이다.
상세한 설명
본 발명은 저유전상수 필름을 증착시키는 방법을 제공한다. 저유전상수 필름은 실리콘, 산소 및 탄소를 포함한다. 필름은 또한 나노미터 크기의 기공을 포함한다. 저유전상수 필름은 약 3.0 또는 그 미만, 바람직하게는, 약 2.5 또는 그 미만, 더욱 바람직하게는 약 2.0 내지 2.5, 예컨대, 약 2.0 내지 2.2의 유전상수를 지닌다. 저유전상수 필름은 약 6 GPa의 탄성율을 지닐 수 있다. 저유전상수 필름은, 예를 들어, 금속간 유전층으로서 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 저유전상수 필름을 증착시키는 방법은 도 1과 관련하여 간단히 설명될 것이며, 이어서 이하 추가로 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 구체예를 요약하는 공정 흐름도이다. 단계(102)에서, 하나 이상의 유기실리콘 화합물이 챔버에 도입된다. 하나 이상의 유기실리콘 화합물은 일반 구조식 -Si-Cx-Si-(여기서, x는 1 내지 4 이다) 또는 일반 구조식 -Si-O-(CH2)n-O-Si-(여기서, x는 1 내지 4이다)를 지니는 화합물을 포함한다. 단계(104)에서, 포로겐이 챔버내로 도입된다. 단계(106)에서, 하나 이상의 유기실리콘 화합물과 포로겐이 RF 파워의 존재하에 반응되어 챔버내의 기판상에 저유전상수 필름을 증착시킨다. 단계(108)에서, 저유전상수 필름이 후처리되어 저유전상수 필름으로부터 포로겐을 실질적으로 제거한다.
하나 이상의 유기실리콘 화합물과 포로겐이 도입되는 챔버는 플라즈마 증진 화학 기상 증착(PECVD) 챔버일 수 있다. 증착 공정을 위한 플라즈마는 정주파(RF) 파워, 펄스형 RF 파워, 고주파 RF 파워, 이중 주파(RF) 파워, 또는 이들의 조합을 이용함으로써 생성될 수 있다. 사용될 수 있는 PECVD 챔버의 예는 미국 캘리포니아 산타클라라 소재의 어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드(Applied Materials, Inc.)로부터 구입할 수 있는 PRODUCER® 챔버이다.
단계(102)를 다시 검토하여 보면, 일반 구조식 -Si-Cx-Si-를 지니는 화합물은 다음 일반 구조식:
Figure pct00005
(여기서, 각각의 R1은 일반식 CnH2n +1, OCnH2n +1, 또는 CmH2m - 1를 지니고, m은 1 내지 3이며, n은 0 내지 3이고, R2는 (CH2)a, C=C, C≡C, C6H4, C=O, (CF2)b, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되고, 여기서, a 및 b는 독립적으로 1 내지 4이다), 또는 다음 일반 구조식:
Figure pct00006
(여기서, 각각의 R3은 일반식 CnH2n +1, OCnH2n +1, 또는 CmH2m - 1를 지니고, m은 1 내지 3이며, n은 0 내지 3이고, c 및 d는 독립적으로 1 내지 4이다)을 지니는 화합물을 포함한다.
본원에서 정의된 바와 같이, R기 및 독립적으로 선택되는 그 밖의 기에 대한 값은 동일하거나 다른 기와 상이할 수 있다. 일부 구체예에서, 각각의 R1과 R3은 CH3, OCH3, OC2H5, C=CH2, H, 및 OH로 이루어진 군으로부터 독립적으로 선택된다.
일반 구조식:
Figure pct00007
을 지니는 화합물의 예는 비스(트리에톡시실릴)메탄(C13H32O6Si2)이다.
일반 구조식:
Figure pct00008
을 지니는 화합물의 예는 테트라메틸-1,3-디실라시클로부탄(C6H16Si2)이다.
일반 구조식 -Si-Cx-Si-를 지니는 그 밖의 화합물은 일반 구조식:
Figure pct00009
(여기서, 각각의 R5는 일반식 CnH2n +1, OCnH2n +1, 또는 CmH2m - 1를 지니고, m은 1 내지 3이며, n은 0 내지 3이고, e는 1 내지 3이다)을 지니는 화합물을 포함한다.
그러한 화합물의 예는 테트라메틸-2,5-디실라-1-옥사시클로펜탄 테트라메틸디실라푸란(C6H16OSi2)이다. 일부 구체예에서, 각각의 R5는 독립적으로 CH3, OCH3, OC2H5, C=CH2, H, 및 OH로 이루어진 군으로부터 선택된다.
일반 구조식 -Si-O-(CH2)n-O-Si-을 지니는 하나 이상의 유기실리콘 화합물은 구조식:
Figure pct00010
(여기서, R6은 일반식 CnH2n +1, OCnH2n +1, 또는 CmH2m - 1를 지니고, m은 1 내지 3이며, n은 0 내지 3이고, f는 1 내지 4이다)를 지니는 화합물을 포함할 수 있다.
그러한 화합물의 예는 비스(트리메틸실옥시)에탄(C8H22O2Si2)이다. 일부 구체예에서, 각각의 R6은 독립적으로 CH3, OCH3, OC2H5, C=CH2, H, 및 OH로 이루어진 군으로부터 선택된다.
Si-Cx-Si 결합을 포함하는 유기실리콘 화합물 및 본원에 기재된 처리 조건을 이용함으로써, 후처리 전 및 후 둘 모두에 Si-Cx-Si 결합(여기서, x는 1 내지 4이다)을 포함하는 저유전상수 필름이 얻어질 수 있다. 사용된 유기 실리콘 화합물에 따라서, 필름은 또한 Si-O-Si 결합을 포함할 수 있다. Si-Cx-Si 결합을 포함하는 필름이 바람직한데, 그 이유는 높은 Si-Cx-Si/Si-CH3 비율을 지니는 필름이 더 많은 Si-CH3 결합을 지니는 필름에 비해서 개선된 애싱 내성, 부착성, 및 열 전도성을 지니는 것으로 관찰되었기 때문이다.
하나 이상의 유기실리콘 화합물은 또한 상기된 일반 구조식을 포함하지 않는 유기실리콘 화합물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 유기실리콘 화합물은 메틸디에톡시실란(MDEOS), 테트라메틸시클로테트라실록산(TMCTS), 옥타메틸시클로테트라실록산(OMCTS), 트리메틸실란(TMS), 펜타메틸시클로펜타실록산, 헥사메틸시클로트리실록산, 디메틸디실록산, 테트라메틸디실록산, 헥사메틸디실록산(HMDS), 1,3-비스(실라노메틸렌)디실록산, 비스(1-메틸디실록사닐)메탄, 비스(1-메틸디실록사닐)프로판, 헥사메톡시디실록산(HMDOS), 디메틸디메톡시실란(DMDMOS), 또는 디메톡시메틸비닐실란(DMMVS)을 포함할 수 있다.
단계(104)를 다시 검토하면, 포로겐은 열적으로 불안정한 그룹을 포함하는 화합물이다. 열적으로 불안정한 그룹은 시클릭 그룹, 예컨대, 불포화된 시클릭 유기 그룹일 수 있다. 본원에 사용된 용어 "시클릭 그룹"은 고리 구조를 나타내고자 한다. 고리 구조는 3개의 원자만큼 적게 함유할 수 있다. 그러한 원자는, 예를 들어, 탄소, 질소, 산소, 불소 및 이들의 조합물을 포함할 수 있다. 시클릭 그룹은 하나 이상의 단일 결합, 이중 결합, 삼중 결합, 및 이들의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들어, 시클릭 그룹은 하나 이상의 방향족, 아릴, 페닐, 시클로헥산, 시클로헥사디엔, 시클로헵타디엔, 및 이들의 조합물을 포함할 수 있다. 시클릭 그룹은 또한 바이-시클릭 또는 트리-시클릭일 수 있다. 한 가지 구체예에서, 시클릭 그룹은 선형 또는 분지형 작용기에 결합된다. 선형 또는 분지형 작용기는 바람직하게는 알킬 또는 비닐 알킬기를 함유하고, 1 내지 20개의 탄소원자를 지닌다. 선형 또는 분지형 작용기는 또한, 예를 들어, 케톤, 에테르 및 에스테르 중에 산소 원자를 포함할 수 있다. 포로겐은 시클릭 탄화수소 화합물을 포함할 수 있다. 사용될 수 있는 일부 예시적인 포로겐은 노르보르나디엔(BCHD, 바이사이클(2.2.1)헵타-2,5-디엔), 알파-테르피넨(ATP), 비닐시클로헥산(VCH), 페닐아세테이트, 부타디엔, 이소프렌, 시클로헥사디엔, 1-메틸-4-(1-메틸에틸)-벤젠(시멘(cymene)), 3-카렌(3-carene), 펜촌(fenchone), 리모넨(limonene), 시클로펜텐 옥사이드(cyclopentene oxide), 비닐-1,4-디옥시닐 에테르, 비닐 푸릴 에테르, 비닐-1,4-디옥신, 비닐 푸란, 메틸 푸로에이트, 푸릴 포르메이트, 푸릴 아세테이트, 푸르알데하이드, 디푸릴케톤, 디푸릴 에테르, 디푸르푸릴 에테르, 푸란 및 1,4-디옥신을 포함한다.
단계(106)에서 알 수 있는 바와 같이, 하나 이상의 유기실리콘 화합물과 포로겐은 RF 파워의 존재하에 반응하여 챔버내의 기판상에 저유전상수 필름을 증착시킨다. 하나 이상의 포로겐이 하나 이상의 유기실리콘 화합물과 반응할 수 있다. 포로겐은 하나 이상의 유기실리콘 화합물과 반응하여 그 내부에 열적으로 불안정한 그룹을 보유하는 필름을 증착시킨다. 단계(108)에 기재된 바와 같이, 필름을 후처리하면, 필름으로부터 포로겐 및/또는 열적으로 불안정한 그룹을 분해 및 제거시켜서, 필름내에 공극 또는 나노미터-크기 기공을 형성시킨다.
하나 이상의 유기실리콘 화합물은 약 10mgm 내지 약 5000mgm의 유량으로 챔버내로 도입될 수 있다. 포로겐은 약 10mgm 내지 약 5000mgm의 유량으로 챔버내로 도입될 수 있다. 임의로, 산화 가스, 예컨대, O2, N2O, CO2 또는 이의 조합물이 약 0 sccm 내지 약 10000sccm의 유량으로 챔버내로 도입될 수 있고, 하나 이상의 유기실리콘 화합물 및 포로겐과 반응할 수 있다. 희석 또는 캐리어 가스, 예컨대, 헬륨, 아르곤, 또는 질소가 또한 약 10 sccm 내지 약 10000 sccm의 유량으로 챔버내로 도입될 수 있다.
상기된 유량 및 본원 전체에 걸쳐서 기재된 유량은 두 개의 분리된 공정 영역을 지니는 300 mm 챔버, 예컨대, 미국 캘리포니아 산타클라라 소재의 어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드로부터 구입할 수 있는 PRODUCER® 챔버와 관련하여 제공되고 있다. 따라서, 각각의 기판 가공 영역당 실행된 유량은 챔버내로의 유량의 절반이다.
챔버 내로의 하나 이상의 유기실리콘 화합물의 도입과 포로겐의 도입이 단계(102)와 단계(104)로서 연속적으로 도시되어 있지만, 하나 이상의 유기실리콘 화합물의 도입과 포로겐의 도입이 동시에 수행될 수 있다. 그러나, 바람직한 구체예에서, 하나 이상의 유기실리콘 화합물은 포로겐전에 챔버내로 도입된다. 이러한 구체예에서, 하나 이상의 유기실리콘 화합물은 챕버내로 제 1 유량으로 도입되며, 이어서, 제 2 유량으로 램프업(ramp-up)된다. 포로겐은 제 3 유량으로 도입되고, 이어서 제 4 유량으로 램프업된다. 하나 이상의 유기실리콘 화합물은 포로겐이 제 4 유량으로 램프업되기 전에 제 2 유량으로 램프업된다.
도 2는 하나 이상의 유기실리콘 화합물이 포로겐 전에 챔버내로 도입되는 구체예에 따라서 저유전상수 필름을 증착하는 방법을 예시한 공정 흐름도이다. 단계(201)에서, 기판은 PECVD를 수행할 수 있는 공정 챔버내의 기판 지지체상에 정위된다. 단계(203)에서, 하나 이상의 유기실리콘 화합물과 임의로 하나 이상의 산화 가스를 포함한 조성물을 지니는 가스 혼합물이 챔버의 분배 플레이트, 예컨대, 샤워헤드(showerhead)를 통해서 챔버내로 도입된다. 챔버에 플라즈마 가공 조건을 제공하기 위해서, 라디오파(RF) 파워가 전극, 예컨대, 샤워헤드에 가해진다. 가스 혼합물은 RF의 존재하에 챔버에서 반응하여 밑에 있는 기판에 강하게 부착되는 실리콘 산화물 층을 포함한 개시층(initiation layer)을 증착시킨다.
단계(205)에서, 하나 이상의 유기실리콘 화합물의 유량은 RF 파워의 존재하에 약 100mg/min/sec 내지 약 5000mg/min/sec, 바람직하게는 약 1000mg/min/sec 내지 약 2000mg/min/sec의 램프업 속도로 증가되어, 소정의 유기실리콘 화합물 가스 혼합물이 도달될 때까지 제 1 전이층(first transition layer)을 증착시킨다. 유량 조건의 램프업은 가스 분배 플레이트의 DC 바이어스(bias)의 변화가 60볼트 미만, 바람직하게는 30볼트 미만이어서 플라즈마 유도된 손상(plasma induced damage : PID)을 피하도록 수행된다.
단계(207)에서, 소정의 유기실리콘 화합물 가스 혼합물을 일정하게 유지시키면서, 포로겐을 포함하는 조성물을 지닌 가스 혼합물이 가스 분배 플레이트를 통해서 챔버내로 도입된다. 단계(209)에서, 포로겐의 유량은 약 100mg/min/sec 내지 약 5000mg/min/sec, 바람직하게는 약 200mg/min/sec 내지 약 1000mg/min/sec의 램프업 속도로 상승되어 소정의 최종 가스 혼합물이 도달될 때까지 제 2 전이층을 증착시킨다.
단계(211)에서, 소정의 최종 가스 혼합물, 즉, 하나 이상의 유기실리콘 화합물과 포로겐을 포함하는 조성물을 지닌 최종 가스 혼합물이 RF 파워의 존재하에 챔버에서 반응하여 저유전상수 필름인 최종 층을 증착시킨다. 증착의 완료시에, RF 파워는 종료된다. 챔버 압력은, 예컨대, 챔버 트로틀 밸브를 개방하지 않음으로써 RF 파워 종료 동안 유지된다. 이론으로 한정하고자 하는 것은 아니지만, 유기실리콘 화합물과 포로겐 화합물의 램프업 속도들을 분리시킴으로써 더욱 안정하고 가공 가능한 공정이 얻어져서 결함 문제, 예컨대, 입자 애더(particle adder)가 덜한 유전 필름을 생성시킨다.
단계(213)에서, 저유전상수 필름은 후처리되어 저유전상수 필름으로부터 포로겐을 실질적으로 제거한다.
도 3은 본 발명의 구체예에 따른 시간에 대한 하나 이상의 유기실리콘 화합물 및 포로겐의 유량을 예시하는 그래프이다. 하나 이상의 유기실리콘 화합물과 임의의 하나 이상의 산화 가스를 포함하는 조성물을 지닌 가스 혼합물이 챔버내로 도입되어서, 도 2의 단계(203)와 관련하여 상기된 바와 같이, 개시층을 증착시킨다. 개시층 증착은 약 1초 내지 약 10초의 시간 범위를 지닐 수 있다.
하나 이상의 유기실리콘 화합물의 유량은 이어서 램프업 속도로 증가하여, 도 2의 단계(205)와 관련하여 상기된 바와 같이, 소정의 유기실리콘 화합물 가스 혼합물이 도달될 때까지 제 1 전이층을 증착시킨다. 제 1 전이층 증착은 약 1초 내지 약 10초의 시간 범위를 지닐 수 있다.
소정의 유기실리콘 화합물 가스 혼합물을 일정하게 유지시키면서, 하나 이상의 포로겐 화합물을 포함하는 조성물을 지닌 가스 혼합물이 챔버내로 도입되고, 하나 이상의 포로겐 화합물의 유량이 램프업 속도로 증가하여, 도 2의 단계(209)와 관련하여 상기된 바와 같이, 소정의 최종 가스 혼합물이 도달될 때까지 제 2 전이층을 증착시킨다. 제 2 전이층 증착은 약 1초 내지 약 180초의 시간 범위를 지닐 수 있다.
하나 이상의 유기실리콘 화합물과 포로겐을 포함하는 조성물을 지닌 소정의 최종 가스 혼합물은 RF 파워의 존재하에 챔버에서 반응하여, 도 2의 단계(211)와 관련하여 상기된 바와 같이, 저유전상수 필름인 최종 층을 증착시킨다. 최종 층 증착은 약 15초 내지 약 180초의 시간 범위를 지닐 수 있다.
도 2 및 도 3과 관련한 상기된 저유전상수 필름의 증착을 위한 개시 시퀀스(initiation sequence)는 저유전상수 필름과 하부층 사이의 계면에서 저유전상수 필름의 개선된 다공성 및 탄소 함량 제어를 제공함으로써 저유전상수 필름이 증착되는 기판상에서 하부층에 대한 저유전상수 필름의 부착을 개선시키는 것으로 사료된다.
도 1의 단계(106)를 다시 검토하여 보면, 하나 이상의 유기실리콘 화합물과 포로겐이 반응하여 챔버내의 기판상에 저유전상수 필름을 증착시키는 동안에, 기판은 전형적으로는 약 100℃ 내지 약 400℃의 온도로 유지된다. 챔버 압력은 약 1 Torr 내지 약 20 Torr일 수 있고, 기판 지지체와 챔버 샤워헤드 사이의 공간은 약 200 mil 내지 약 1500 mil일 수 있다. 300mm 기판에 대해서 약 100 W 내지 약 2000 W의 RF 파워 수준인 약 0.14 W/cm2 내지 약 2.8 W/cm2 범위의 파워 밀도가 이용될 수 있다. RF 파워는 약 0.01 MHz 내지 300 MHz, 예컨대, 약 13.56 MHz의 주파수로 제공된다. RF 파워는 혼합된 주파수, 예컨대, 약 13.56 MHz의 고주파와 약 350 kHz의 저주파로 제공될 수 있다. RF 파워는 사이클형이거나 펄스형이어서 기판의 열을 줄이고 증착된 필름내의 기공도를 더 크게 촉진할 수 있다. RF 파워는 또한 연속 또는 불연속일 수 있다.
저유전상수 필름이 증착된 후에, 필름은 단계(108)에 기재된 바와 같이 후처리된다. 이용될 수 있는 후처리는 전자빔(e-빔) 처리, 자외선(UV) 처리, 열 어닐링 처리(전자 빔 및/또는 UV 처리의 부재하에) 및 이들의 조합된 처리를 포함한다.
사용될 수 있는 예시적인 UV 후처리 조건은 약 1 Torr 내지 약 10 Torr의 챔버 압력 및 약 350℃ 내지 약 500℃의 기판 지지체 온도를 포함한다. UV 방사선은 어떠한 UV 공급원, 예컨대, 수은 마이크로파 아크 램프(mercury microwave arc lamp), 펄스형 제논 플래시 램프(pulsed xenon flash lamp), 또는 고효율 UV 발광 다이오드 어레이(high-efficiency UV light emitting diode array)에 의해서 제공될 수 있다. UV 방사선은, 예를 들어, 약 170nm 내지 약 400nm의 파장을 지닐 수 있다. 사용될 수 있는 UV 챔버 및 처리 조건에 대한 추가의 상세한 사항은 본원에 참조로 통합되는 2005년 5월 9일자 출원되고 공동 양도된 미국특허출원 제11/124,908호에 기재되어 있다. 어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드로부터의 NanoCure™ 챔버가 UV 후처리에 사용될 수 있는 시중 구입 가능한 챔버의 예이다.
이용될 수 있는 예시적인 전자 빔 조건은 약 200℃ 내지 약 600℃, 예를 들어 약 350℃ 내지 약 400℃의 챔버 온도를 포함한다. 전자 빔 에너지는 약 0.5 keV 내지 약 30 keV일 수 있다. 조사선량(exposure dose)은 약 1μC/cm2 내지 약 400 μC/cm2일 수 있다. 챔버 압력은 약 1 mTorr 내지 약 100 mTorr일 수 있다. 챔버내의 가스 환경은 다음 가스: 질소, 산소, 수소, 아르곤, 수소와 질소의 배합물, 암모니아, 제논, 또는 이들 가스의 어떠한 조합물중 어떠한 가스일 수 있다. 전자 빔 전류는 약 0.15 mA 내지 약 50 mA일 수 있다. 전자 빔 처리는 약 1 분 내지 약 15분 동안 수행될 수 있다. 어떠한 전자 빔 장치가 사용될 수 있지만, 사용될 수 있는 예시적인 전자 빔 챔버는 미국 캘리포니아 산타클라라 소재의 어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드로부터 구입할 수 있는 EBk™ 전자 빔 챔버이다.
예시적인 열 어닐링 후처리는 챔버내에서 약 200℃ 내지 약 500℃의 기판 온도에서 약 2초 내지 약 3시간, 바람직하게는 약 0.5 내지 약 2 시간 동안 필름을 어닐링함을 포함한다. 비-반응성 가스, 예컨대, 헬륨, 수소, 질소 또는 이들의 혼합물이 약 100 내지 약 10,000 sccm의 유량으로 챔버내로 도입될 수 있다. 챔버 압력은 약 1 mTorr 내지 약 10 Torr로 유지된다. 바람직한 기판 공간은 약 300 mil 내지 약 800 mil이다.
이하 실시예는 본 발명의 구체예를 예시하고 있다. 실시예에서의 기판은 300mm 기판이었다. 저유전상수 필름은 미국 캘리포니아 산타클라라 소재의 어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드로부터 구입할 수 있는 PRODUCER® 챔버내에서 기판상에 증착되었으며, 미국 캘리포니아 산타클라라 소재의 어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드로부터의 NanoCure™ 챔버내에서 UV 처리되었다.
실시예 1
저유전상수 필름은 약 7.5 Torr 및 약 300℃의 온도에서 기판상에 증착되었다. 공간은 300 mil이었으며, RF 파워는 13.56 MHz에서 300 W로 제공되었다. 하기 공정 가스 및 유량이 이용되었다: 비스(트리에톡시실릴)메탄 2000 mgm, 노르보르나디엔 300 mgm, 헬륨 1500 sccm. 필름은 UV 처리에 의해서 후처리되었다. 후처리 후에, 필름은 1.3702의 굴절지수, 2.44의 유전상수, 및 9.1 GPa의 탄성율, 1.2 GPa의 경도, 및 9.8%의 수축율을 지녔다.
실시예 2
저유전상수 필름은 약 7.5 Torr 및 약 225℃의 온도에서 기판상에 증착되었다. 공간은 400 mil이었으며, RF 파워가 13.56 MHz에서 450 W로 제공되었다. 하기 공정 가스 및 유량이 이용되었다: 비스(트리에톡시실릴)메탄 500 mgm, 알파-테르피넨 2000 mgm, 메틸디에톡시실란 500mgm, 산소 50 sccm, 및 헬륨 3500 sccm. 필름은 UV 처리에 의해서 후처리되었다. 후처리 후에, 필름은 1.3443의 굴절지수, 2.51의 유전상수, 11.1 GPa의 탄성율, 1.6 GPa의 경도, 및 15.70%의 수축율을 지녔다.
도 4는 UV 처리 후의 실시예 1의 저유전상수 필름상에 수행된 FTIR 분석의 결과를 나타내고 있다. FTIR 분석은 유기실리콘 화합물 비스(트리에톡시실릴)메탄에 의해서 제공된 Si-C-Si 결합(1630 cm-1에서의 Si-C-Si 피크)이 후처리된 필름에 보존되고, 그에 의해서, 후처리된 필름이 바람직한 Si-C-Si 네트워크 구조를 지님을 나타내고 있다.
Si-C-Si 결합을 지니는 전구체를 사용하여 더 높은 Si-C-Si/SiCH3 비율을 지니는 필름을 얻으면 유사한 유전상수 및 더 낮은 Si-C-Si/SiCH3 비율을 지니는 다른 필름에 비해서 후처리 후에 더 작은 기공 크기를 지니는 필름이 생성됨이 또한 밝혀졌다. 더 작은 기공 크기를 지니는 필름이 바람직한데, 그 이유는 이들이 더 큰 기공 크기를 지니는 필름에 비해서 더 강하며 추가의 공정 동안 덜 손상되기 때문이다.
본원에 제공된 유기실리콘 화합물이 포로겐을 함유하지 않는 가스 혼합물중에 사용되어 저유전상수 필름을 화학적으로 기상 증착시킬 수 있음이 인지되고 있다. 그러나, 본원에 기재된 유기실리콘 화합물을 포함하며 포로겐이 결여된 가스 혼합물로부터 증착된 필름이 다른 유기실리콘 화합물을 포함하는 무-포로겐 혼합물로부터 증착된 필름에 비해서 개선된 기계적 성질을 지니는 것으로 예상되지만, 전형적으로는 포로겐이 약 2.4 또는 그 미만의 요구된 저유전상수를 제공하도록 포함된다.
상기 설명은 본 발명의 구체예에 관한 것이지만, 본 발명의 그 밖의 구체예 및 추가의 구체예가 본 발명의 기본 범위를 벗어나지 않으면서 발명될 수 있으며, 본 발명의 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 결정된다.

Claims (15)

  1. 저유전상수 필름을 증착시키는 방법으로서,
    하나 이상의 유기실리콘 화합물을 챔버내로 도입하는데, 그러한 하나 이상의 유기실리콘 화합물이 하기 일반 구조식:
    Figure pct00011

    (여기서, 각각의 R1은 일반식 CnH2n +1 또는 CmH2m - 1를 지니고, m은 1 내지 3이며, n은 0 내지 3이고, R2는 (CH2)a, C=C, C≡C, C6H4, C=O, (CF2)b, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되고, 여기서, a 및 b는 독립적으로 1 내지 4이다), 또는 하기 일반 구조식:
    Figure pct00012

    (여기서, 각각의 R3은 일반식 CnH2n +1, OCnH2n +1, 또는 CmH2m - 1를 지니고, m은 1 내지 3이며, n은 0 내지 3이고, c 및 d는 독립적으로 1 내지 4이다)을 지니는 화합물을 포함하도록 하여, 하나 이상의 유기실리콘 화합물을 챔버내로 도입하고,
    포로겐(porogen)을 챔버내로 도입하고,
    RF 파워의 존재하에 하나 이상의 유기실리콘 화합물과 포로겐을 반응시켜 챔버내의 기판상에 저유전상수 필름을 증착시키고, 이어서,
    저유전상수 필름으로부터 포로겐을 실질적으로 제거시키기 위해서 저유전상수 필름을 후처리하는데, 그러한 후처리된 저유전상수 필름이 Si-Cx-Si 결합을 포함하도록 하여, 저유전상수 필름을 후처리함을 포함하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 포로겐이 노르보르나디엔 및 알파-테르피넨으로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 하나 이상의 유기실리콘 화합물이 테트라메틸-1,3-디실라시클로부탄을 포함하는 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 하나 이상의 유기실리콘 화합물을 챔버내로 도입함이 하나 이상의 유기실리콘 화합물을 제 1 유량으로 도입하고 제 2 유량으로 램프업(ramp-up)시킴을 포함하고, 포로겐을 챔버내로 도입함이 포로겐을 제 3 유량으로 도입하고 제 4 유량으로 램프업시킴을 포함하고, 포로겐이 제 4 유량으로 램프업되기 전에 하나 이상의 유기실리콘 화합물이 제 2 유량으로 램프업되는 방법.
  5. 제 4항에 있어서, 저유전상수 필름이 약 2.0 내지 약 2.5의 유전상수 및 약 6 GPa의 탄성율을 지니는 방법.
  6. 제 4항에 있어서, 포로겐이 시클릭 탄화수소 화합물을 포함하는 방법.
  7. 제 4항에 있어서, 산화 가스를 챔버내로 도입하고, 산화 가스를 하나 이상의 유기실리콘 화합물 및 포로겐과 반응시킴을 추가로 포함하는 방법.
  8. 저유전상수 필름을 증착시키는 방법으로서,
    하나 이상의 유기실리콘 화합물을 챔버내로 도입하는데, 하나 이상의 유기실리콘 화합물이 하기 일반 구조식:
    Figure pct00013

    (여기서, 각각의 R5는 일반식 CnH2n +1, OCnH2n +1, 또는 CmH2m - 1를 지니고, m은 1 내지 3이며, n은 0 내지 3이고, e는 1 내지 3이다), 또는 하기 일반 구조식:
    Figure pct00014

    (여기서, R6은 일반식 CnH2n +1, OCnH2n +1, 또는 CmH2m - 1를 지니고, m은 1 내지 3이며, n은 0 내지 3이고, f는 1 내지 4이다)을 지니는 화합물을 포함하도록 하여, 하나 이상의 유기실리콘 화합물을 챔버내로 도입하고,
    포로겐을 챔버내로 도입하고,
    RF 파워의 존재하에 하나 이상의 유기실리콘 화합물과 포로겐을 반응시켜 챔버내의 기판상에 저유전상수 필름을 증착시키고, 이어서,
    저유전상수 필름으로부터 포로겐을 실질적으로 제거시키기 위해서 저유전상수 필름을 후처리함을 포함하는 방법.
  9. 제 8항에 있어서, 후처리된 저유전상수 필름이 Si-Cx-Si 결합을 포함하는 방법.
  10. 제 8항에 있어서, 하나 이상의 유기실리콘 화합물이 테트라메틸-2,5-디실라-1-옥사시클로펜탄, 테트라메틸디실라푸란, 또는 비스(트리메틸실옥시)에탄을 포함하는 방법.
  11. 제 7항에 있어서, 하나 이상의 유기실리콘 화합물을 챔버내로 도입함이 하나 이상의 유기실리콘 화합물을 제 1 유량으로 도입하고 제 2 유량으로 램프업시킴을 포함하고, 포로겐을 챔버내로 도입함이 포로겐을 제 3 유량으로 도입하고 제 4 유량으로 램프업시킴을 포함하고, 포로겐이 제 4 유량으로 램프업되기 전에 하나 이상의 유기실리콘 화합물이 제 2 유량으로 램프업되는 방법.
  12. 저유전상수 필름을 증착시키는 방법으로서,
    비스(트리에톡시실릴)메탄을 포함하는 하나 이상의 유기실리콘 화합물을 챔버내로 도입하고;
    노르보르나디엔 및 알파-테르피넨으로 이루어진 군으로부터 선택된 포로겐을 챔버내로 도입하고;
    RF 파워의 존재하에 하나 이상의 유기실리콘 화합물과 포로겐을 반응시켜 챔버내의 기판상에 저유전상수 필름을 증착시키고, 이어서,
    저유전상수 필름으로부터 포로겐을 실질적으로 제거시키기 위해서 저유전상수 필름을 후처리함을 포함하는 방법.
  13. 제 12항에 있어서, 포로겐이 노르보르나디엔을 포함하는 방법.
  14. 제 13항에 있어서, 후처리가 UV 처리를 포함하는 방법.
  15. 제 14항에 있어서, 포로겐이 알파-테르피넨을 포함하는 방법.
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