KR20110129401A - 플라즈마 처리 방법 - Google Patents

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KR20110129401A
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도쿄엘렉트론가부시키가이샤
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Abstract

플라즈마 반응 프로세스를 이용하여 불화탄소층을 형성하는 본 발명에 따른 방법은, 마이크로파 전력 및 RF 바이어스를 인가하는 단계를 포함한다. 마이크로파 전력 및 RF 바이어스는 20 mTorr 내지 60 mTorr 범위의 압력하에서 인가된다.

Description

플라즈마 처리 방법{PLASMA PROCESSING METHOD}
본 출원은 2009년 2월 17일자로 출원된 발명의 명칭이 "플라즈마 처리 방법"인 미국 가출원 제61/207,973호를 우선권으로 주장하며, 이 가출원의 내용은 그 전체가 본원에 참조로 인용되어 있다.
본 출원은 반도체 디바이스와 그 제조 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 불화탄소(CFx)층의 유전율을 낮은 값으로 유지하면서 CFx층의 다른 금속 혹은 절연층과의 접착성을 향상시키는 불화탄소(CFx) 형성 프로세스에 관한 것이다.
최근에는 반도체 디바이스의 고속 동작 및 소형화를 달성하기 위해, 다층 배선 구조가 이용되고 있다. 그러나, 이러한 다층 배선 구조에서는, 배선층의 전체 배선 저항 및 기생 용량의 증가로 인한 배선 지연의 문제가 야기되었다.
상호접속체로서 예컨대 구리(Cu) 등의 저저항 배선 재료를 사용하는 것을 통해, 배선 저항을 감소시킨다. 한편, 기생 용량을 감소시키기 위해, 저유전율 혹은 저유전상수(low-k) 재료가 사용될 수 있다. 특히, 기생 용량을 감소시켜 반도체 디바이스의 동작 속도를 향상시키기 위해, 불소가 첨가된 탄소(불화탄소: CFx)가 절연층으로서 사용될 수 있다.
저유전율의 불화탄소(CFx)층을 형성하기 위해, 통상의 플라즈마 반응 프로세스가 사용된다. 외부의 마이크로파 공급원으로부터의 마이크로파를 이용하여, 예컨대 아르곤(Ar) 또는 크립톤(kr) 등의 플라즈마 가스를 여기시킴으로써 플라즈마를 생성하는, 마이크로파 플라즈마 처리 장치를 이용하여, 플라즈마 반응 프로세스를 행한다. 약 50 mTorr 이상의 압력을 받는 상태로 유지된 플라즈마 영역에 CF 계열의 프로세스 가스, 예컨대 C5F8 또는 C6F6 등의 가스를 도입하는 플라즈마 향상 화학 기상 증착(PE-CVD)법을 이용하여, 증착 프로세스를 실시한다. 이로써, 불화탄소(CFx)층을 형성하는 에칭 속도와 관련하여 성막 속도가 빨라진다.
그러나, 단 하나의 에너지 공급원, 예컨대 마이크로파 플라즈마를 플라즈마 여기원으로 이용하여, 전술한 조건하에서 형성된 불화탄소(CFx)는, CFx층의 절연 특성 및 가스 탈착 특성과 관련하여 바람직하지 못한 결과를 낼 수 있다. 그 결과, CFx층의, 예컨대 금속 혹은 절연층 등의 다른 층의 표면과의 접착성이 증착시에 악화될 수 있다.
본 발명은 전술한 문제를 고려하여 고안되었다. 본 발명은, 유전율을 낮은 값으로 유지하면서 우수한 절연 특성 및 가스 탈착 특성을 갖는 불화탄소(CFx)층을 형성하는 프로세스를 제공한다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 불화탄소(CFx) 절연층을 형성하는 방법이 제공된다. 이 방법은, 20 mTorr 이상 60 mTorr 이하의 압력하에서 마이크로파 전력 및 RF 바이어스를 인가하는 단계를 포함한다.
본 발명의 제2 양태에 따르면, 불화탄소(CFx) 절연층을 형성하는 방법이 제공된다. 이 방법은, RF 바이어스를 인가하지 않으면 불화탄소층이 증착되지 않는 압력하에서 마이크로파 전력 및 RF 바이어스를 인가하는 단계를 포함하며, 상기 압력은 20 mTorr 이상이다.
본 발명의 제3 양태에 따르면, 불화탄소층을 절연층으로서 구비하는 반도체 디바이스의 제조 방법이 제공된다. 이 방법은, 플라즈마 반응 프로세스를 이용하여 기판 상에 불화탄소층을 형성하는 단계를 포함한다. 상기 불화탄소층 형성 단계는, 20 mTorr 내지 60 mTorr의 압력하에서 마이크로파 전력 및 RF 바이어스가 인가되는 경우에 행해진다.
본 발명의 제4 양태에 따르면, 플라즈마 반응 프로세스를 이용하여 불화탄소층을 형성하는 방법이 제공된다. 이 방법은, 마이크로파 전력 및 RF 바이어스를 인가하는 단계; 및 플라즈마 여기 가스 및 CF 계열 프로세스 가스에 더하여 산소(O)를 처리 챔버에 도입하는 단계를 포함한다.
본 발명의 프로세스를 이용하면, 유전율을 낮은 값으로 유지하면서 우수한 절연 특성 및 가스 탈착 특성을 갖는 불화탄소(CFx)층을 형성할 수 있다.
도 1은 플라즈마 반응 프로세스에서의 증착 속도의 예를 압력의 함수로서 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 2는 불화탄소(CFx)층의 유전상수 곡선을 압력의 함수로서 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 3은 절연층 형성 장치의 실시형태의 개략도이다.
도 4는 타겟 구조와 실험 샘플의 평면도를 보여주는 도면으로서 스트레스 시험 결과를 함께 보여준다.
도 5는 CFx4 샘플의 두께 및 굴절률을 측정하는 데 사용되는 등고선도를 보여준다.
도 6은 CFx 실험 샘플의 표면 모폴로지를 평가하는 데 사용되는 CFx 실험 샘플의 단면도를 보여준다.
도 7은 여러 실험 샘플에 대하여 누설 전류를 인가전계의 함수로서 보여주는 도면이다.
도 8은 여러 실험 샘플의 TDS 강도를 보여주는 도면이다.
도 9는 여러 실험 샘플의 TDS 강도를 보여주는 도면이다.
도 10은 여러 실험 샘플에 대하여 누설 전류를 RF 바이어스의 함수로서 보여주는 도면이다.
도 11은 여러 실험 샘플에 대하여 누설 전류를 불화탄소층의 두께의 함수로서 보여주는 도면이다.
도 12는 여러 실험 샘플에 대하여 비유전율을 압력의 함수로서 보여주는 도면이다.
도 13은 여러 실험 샘플에 대하여 평균 비유전율을 압력의 함수로서 보여주는 도면이다.
도 14는 다른 실시형태의 등고선도를 보여준다.
도 15는 여러 실험 샘플의 비유전율을 굴절률의 함수로서 보여주는 도면이다.
이하에서는, 본 발명의 바람직한 예시적인 실시형태를 도시하는 첨부 도면을 참조하여, 본 발명을 설명한다. 이하의 설명은 본 개시 내용의 범위, 적용성, 또는 구성을 한정하려는 것이 아니다. 오히려, 바람직한 예시적인 실시형태에 대한 이하의 설명은, 본 개시 내용에서의 바람직한 예시적인 실시형태를 실시할 수 있게 하는 설명을 당업자에게 제공한다. 본 발명은 첨부된 청구범위에 명기된 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않는 다양한 형태로 실시될 수 있음을 유의하라.
본 개시 내용은 일반적으로 반도체 디바이스와 그 제조 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, CFx층의 유전율을 낮은 값으로 유지하면서 CFx층의 다른 금속 혹은 절연층과의 접착성을 향상시키는 새로운 불화탄소(CFx) 형성 프로세스에 관한 것이다.
본 발명의 실시형태는, 유전율을 낮은 값으로 유지하면서(k: 약 2.3 미만) CFx층의 접착성을 향상시키기 위해 절연 특성 및 가스 탈착 특성을 강화한 불화탄소(CFx) 절연층을 형성하는 프로세스를 대상으로 한다. 이는, 마이크로파 플라즈마 전력과 RF 바이어스를 인가하지 않으면 불화탄소(CFx)층이 증착될 수 없는 소정의 프로세스 조건을 선택함으로써 달성된다. 이렇게 하여, 불화탄소 증착 프로세스의 형성 속도를 증가시키면서, 프로세스의 에칭 속도를 감소시킨다.
상기 소정의 프로세스 조건을 선택함으로써, 반응 부산물, 즉 마이크로파 플라즈마 전력에 의해 생성된 통상의 불화탄소(CFx)의 조성비가 최소화될 수 있다. 또한, 상기 소정의 프로세스 조건을 통해, 마이크로파 플라즈마의 대부분이, 플라즈마 가스, 예컨대 아르곤(Ar) 가스를 여기시킬 수 있게 되고, 플라즈마 상태를 유지할 수 있게 된다. 한편, 상기 RF 바이어스가 수백 와트 이내로 인가된다면, RF 바이어스의 존재가 불화탄소(CFx) 절연층의 비유전율에 악영향을 미치지는 않는다.
또한, 불화탄소(CFx) 절연층을 형성하기 위해 고주파(RF) 바이어스를 인가하는 경우, 탄소 대 불소의 조성비(C/F)는 약 0.9 내지 1.0이다. 이는, 고주파(RF) 바이어스를 인가하지 않고서 불화탄소(CFx)층을 형성하여 탄소 대 불소의 조성비(C/F)가 약 1.1 내지 1.2인 통상의 결과와는 다르다. 금속 원소, 예컨대 티타늄(Ti) 등으로 주로 구성된 배리어층과 불화탄소(CFx) 절연층의 접착성을 고려하면, 본 발명의 불화탄소(CFx) 형성 프로세스를 사용하는 것이 더 바람직하다.
먼저, 플라즈마 반응 프로세스에서의 증착 속도의 예를 압력의 함수로서 개략적으로 보여주는 도 1을 참조해 본다. 도 1에 도시된 바와 같이, 증착 속도는 두 가지 에너지 공급원, 즉 1) 플라즈마 여기원(예컨대, 마이크로파 전원) 및 2) 고주파(RF) 전원에 대해서 압력의 함수로서 도시되어 있다. 플라즈마 여기원, 즉 마이크로파 전원이 유일한 에너지 공급원으로서 사용되는 경우, 플라즈마 가스의 압력이 약 30 mTorr 이상으로 유지되면 증착이 일어난다. 그러나, 전술한 바와 같이, 상기한 조건 하에서 형성된 불화탄소(CFx)층은 그 유전율이 낮음(k<~2.3)에도 불구하고 CFx층의 절연 특성 및 가스 탈착 특성에 관해서는 바람직한 결과를 보여주지 못한다.
마이크로파 전원에 더하여 고주파(RF) 전원을 인가함으로써, 플라즈마 가스의 압력이 약 20 mTorr 내지 약 60 mTorr의 범위의 압력으로 유지될 때, 증착이 일어날 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 이러한 압력 영역은 대략 2개의 서브 영역, 즉 1) 20 mTorr 내지 30 mTorr 범위의 압력을 갖는 제1 서브 영역과, 2) 30 mTorr 내지 60 mTorr 범위의 압력을 갖는 제2 서브 영역으로 나누어진다. "에칭 플라즈마 영역"이라고도 하는 제1 서브 영역은, 고주파(RF) 전력을 마이크로파 전원과 함께 인가하여야만 증착이 일어날 수 있는 영역이다. 제2 서브 영역은, 고주파(RF) 전력을 인가하지 않고 마이크로파 전원을 유일한 에너지 공급원으로서 인가함으로써, 증착이 일어날 수 있는 영역이다. 그러나, 고주파(RF) 전력을 추가하면, 유전율을 낮은 값으로 유지하면서 우수한 절연 특성 및 가스 탈착 특성을 갖는 불화탄소(CFx)층을 형성할 수 있게 된다. 이와 같은 유리한 결과는, 에칭 플라즈마 영역(20 mTorr 내지 30 mTorr의 압력)에서 불화탄소(CFx)층을 형성하는 경우에도 제공된다.
전술한 압력 영역에서 불화탄소(CFx)층을 형성할 때, 불화탄소(CFx) 에칭 속도가 감소될 뿐만 아니라, 불화탄소 형성 속도가 증가된다. 상기 플라즈마 반응 프로세스에서의 형성 속도 및 에칭 속도는 마이크로파 전원과 직접 관련되어 있으므로, 마이크로파 전원은 주파수 2.45 GHz에서 약 1 kW 내지 3.5 kW 범위의 마이크로파 전력을 발생시키도록 설정된다.
또한, 전술한 바와 같이, 상기한 압력 범위에서 형성된 불화탄소(CFx)층은 바람직한 절연 특성 및 가스 탈착 특성을 제공한다. 이와 같은 바람직한 결과를 얻기 위해, RF 전원은 주파수 약 400 kHz에서 약 20 W 내지 120 W 범위의 RF 전력을 인가한다.
본 발명의 일 양태에 따르면, RF 바이어스 공급원의 존재가 불화탄소(CFx)층의 비유전율에 악영향을 미치지 않는다. 그러나, 이하에서 더 설명하는 바와 같이, 압력 영역이 소정 범위로 한정된 경우에, 약 2.3 미만의 비유전율을 갖는 불화탄소(CFx)층을 얻을 수 있다.
이어서, 불화탄소(CFx)층의 유전상수 곡선을 압력의 함수로서 개략적으로 보여주는 도 2를 참조해 본다. 플라즈마 가스의 압력이 60 mTorr 이하로 유지되는 경우, 마이크로파 전원에 더하여 RF 전원을 인가함으로써, 본 발명의 실시형태에 따른 불화탄소(CFx) 절연층이 증착될 수 있다. 그러나, 도 2에 도시된 바와 같이, 압력이 너무 낮아지면, CFx층의 비유전율이 증가되는 경향이 있다. 이는 주로, 플라즈마 가스의 압력과 마이크로파 전력이 낮은 경우에, 발생된 플라즈마와 반응하는 프로세스 가스, 예컨대 CF-계열 가스의 양이 상대적으로 증가된다는 사실에 기인한다. 그 결과, 플라즈마 가스의 압력이 너무 낮아지면, 불화탄소(CFx)층의 비유전율이 증가된다.
본 발명의 프로세스에 따라 형성된 CFx 절연층에서의 비유전율의 증가를 막기 위해, 플라즈마 가스의 압력을 소정 범위 내로 유지하는 것이 바람직하다. 바람직한 실시형태에서, 압력의 소정 범위는 20 mTorr 내지 60 mTorr의 범위 내로 설정되는데, 이 압력 범위는 우수한 절연 특성 및 가스 탈착 특성을 갖는 불화탄소(CFx)층을 얻기 위해 사용되는 압력 범위와 동일하다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 불화탄소(CFx) 절연층은 절연층 형성 장치를 사용하여 형성된다. 도 3은 절연층 형성 장치(30)의 실시형태의 개략도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 절연층 형성 장치(30)는 프로세스 용기(50), 방사선형 슬롯 안테나(62) 및 장착 테이블(51)을 포함한다.
프로세스 용기(50)의 내부는, 방사선형 슬롯 안테나(62)측의 플라즈마 발생 영역(R1)과 장착 테이블(51)측의 성막 영역(R2)으로 분할된다. 외부의 마이크로파 공급원(66)이 방사선형 슬롯 안테나(62)에 소정 주파수, 예컨대 2.45 GHz의 마이크로파 전력을 제공한다. 마이크로파 공급원(66)으로부터의 마이크로파는, 가스 공급 포트(70)로부터 플라즈마 발생 영역(R1)으로 방출된 플라즈마 가스, 예컨대 아르곤(Ar) 가스의 여기를 일으킨다. 플라즈마 가스는 플라즈마 가스 공급원(71)으로부터 가스 링(72)을 경유하여 가스 공급 포트(70)에 공급된 후, 플라즈마 발생 영역(R1)으로 방출된다.
절연층 형성 장치(30)는 샤워 플레이트(80)라고도 하는 프로세스 가스 공급 구조(80)를 더 구비한다. 도 3에는 프로세스 가스 공급 구조(80)의 평면도도 또한 도시되어 있다. 프로세스 가스 공급 구조(80)는, 플라즈마 발생 영역(R1)과 성막 영역(R2)의 사이에 격자 형태로 배치되며 장착 테이블(51)에 장착된 기판(W)에 면하는 프로세스 가스 공급 파이프(81)를 구비한다. 프로세스 가스 공급 파이프(81)는 환형 파이프(81a)와 격자형 파이프(81b)를 구비한다. 환형 파이프(81a)는 프로세스 가스 공급 구조(80)의 외주부에 환형으로 배치되어 있다. 격자형 파이프(81b)는, 복수의 매트릭스 파이프가 서로 직교하도록 환형 파이프(81a)의 내측에 배치되어 있다.
프로세스 가스 공급 구조(80)의 하면에는, 기판(W)의 위에 다수의 프로세스 가스 공급 포트(83)가 균일하게 형성되어 있다. 프로세스 가스 공급 파이프(81)에는 가스 파이프(85)를 통해 프로세스 가스 공급원(84)이 연결되어 있다. 본 실시형태에서, 프로세스 가스 공급원(84)은 CF-계열 프로세스 가스, 예컨대 C5F8과 아르곤(Ar) 가스의 혼합물을 희석 가스로 하여 가스 파이프(85)를 통해 프로세스 가스 공급 파이프(81)에 제공한다. 그 후, 희석 가스는 각 프로세스 가스 공급 포트(83)로부터 성막 영역(R2)을 향해 하향 방출된다. 가스, 예컨대 CF-계열 가스의 유량은, 샤워 플레이트(80) 상에서의 프로세스 가스 공급 포트(83)의 위치에 따라 두 유량, 즉 1) "sh-c" 유량과 2) "sh-e" 유량으로 나누어질 수 있다. "sh-c" 유량은 샤워 플레이트(80)의 중앙에 위치한 프로세스 가스 공급 포트(83)와 관련이 있다. 한편, "sh-e" 유량은 샤워 플레이트(80)의 가장자리부에 위치한 프로세스 가스 공급 포트(83)와 관련이 있다.
실험 샘플:
불화탄소(CFx) 절연층의 절연 특성, 접착성 및 사용 신뢰성을 평가하기 위해, 본 개시 내용에 기술된 프로세스에 따라 몇몇 실험 샘플을 제작한다. 그 후에, 상기한 특성을 평가하기 위해 실험 샘플에 여러 시험을 행하였다. 각 실험 샘플에서, 불화탄소(CFx4) 절연층은 고주파(RF) 전원 및 마이크로파 전원을 인가함으로써 형성된다. 이하에서 달리 기술하지 않는 한, 다음 설정 조건을 이용하여 다음 불화탄소층을 형성한다: 1) CFx4층; 2.45 GHz 주파수에서 약 1 kW 내지 3.5 kW 범위의 마이크로파 전력, 400 kHz 주파수에서 약 20 W 내지 120 W 범위의 고주파(RF) 전력, 2) CFx2층; 2.45 GHz 주파수에서 약 1.5 kW의 마이크로파 전력, 고주파(RF) 바이어스를 인가하지 않으며 30 mTorr 미만의 낮은 압력하에서 형성, 및 3) CFx층; 2.45 GHz 주파수에서 약 3 kW의 마이크로파 전력, 고주파(RF) 바이어스를 인가하지 않으며 약 50 mTorr의 압력하에서 형성. 서로 다른 불화탄소(CFx, CFx2 및 CFx4) 절연층을 갖는 모든 실험 샘플을 약 330℃ 내지 400℃의 기판 온도에서 형성한다. 이하에서는, 이러한 평가의 결과를 상세히 설명한다.
스트레스 시험, 테이프 시험 및 블리스터 시험을 행하는 데 사용되는 실험 샘플의 평면도와 타겟 구조를 보여주는 도 4를 참조해 본다. 이들 평가에 사용되는 구조는 제1 비정질 탄소층, 불화탄소(CFx4)층, 제2 비정질 탄소층 및 밀봉 캡층을 포함한다. 제1 비정질 탄소층은 벌크 실리콘(Si) 기판 상에 형성되는 반면에, 제2 비정질 탄소층은 불화탄소(CFx4)층 상에 형성된다. 두 비정질 탄소층 모두 약 10 nm의 두께를 갖고 상기 에칭 플라즈마 영역에서 형성되는데, 이 영역은 외부 RF 전원(53)(도 3 참조)으로부터의 고주파(RF) 바이어스가 절연층 형성 장치(30)의 장착 테이블(51)에 장착된 기판(W)에 인가되는 영역이다. RF 바이어스는 400 kHz의 주파수와 약 120 W의 RF 전력을 갖는다. 또한, 상기 에칭 플라즈마 영역에서 동일한 형성 조건하에 불화탄소(CFx4)층이 형성된다. 따라서, 비정질 탄소층을 형성하는 데 사용된 것과 동일한 RF 바이어스 공급원이 기판(W)에 인가된다. 밀봉 캡층은 CFx4층으로부터 발생된 탈착 가스와 반응하도록 형성된다.
그 후에, 약 350℃의 온도에서 24시간 동안 사전 평가 어닐링을 행한다. 사전 평가 어닐링을 행한 후에는, 실험 샘플에 스트레스 시험, 블리스터 시험 및 테이프 시험을 각각 행한다. 약 400℃의 온도에서 2시간 동안 스트레스 시험을 행한다. 이러한 실험 샘플은 증착층, 비정질 탄소층 및 CFx4층 모두에 있어서 스트레스 시험을 통과하였다. 도 4에는 표면에 스카치 테이프를 부착한 이후의 실험 샘플의 평면도도 도시되어 있다. 스트레스 시험과 마찬가지로, RF 바이어스가 인가된 에칭 플라즈마 영역에 형성되는 모든 층은 블리스터 시험과 테이프 시험을 통과하였다. 이는 이 샘플에서 층의 박리나 블리스터가 관찰되지 않았음을 의미한다.
이하에서, 본 발명의 프로세스에 따라 형성된 불화탄소(CFx4)층의 굴절률 및 두께를 살펴본다. 이러한 목적으로 몇몇 실험 샘플을 제작하였으나, 현재 최고의 CFx4 샘플만이 이 평가에 사용되도록 선택되었다. 도 5는 불화탄소(CFx4)층의 두께 및 굴절률을 측정하는 데 사용된 현재 최고의 실험 샘플의 등고선도를 보여준다. 표 1에는 상기 등고선도에서 얻어낸 실험 샘플의 두께 및 굴절률과 관련된 평균값, 최소값, 최대값 및 불균일성 값이 요약되어 있다.
Figure pct00001
도 5에 도시되어 있고 표 1에도 요약되어 있는 바와 같이, 불화탄소(CFx4) 샘플의 두께 및 굴절률과 관련된 불균일성 문제는 새로운 불화탄소 형성 프로세스에서도 여전히 존재한다. 그러나, 불화탄소(CFx4) 실험 샘플의 전체에 걸쳐서, 굴절률이 낮게 유지되어 비유전율이 낮게(k<~2.3) 유지된다.
이하에서는, 본 발명의 프로세스에 따라 형성된 불화탄소(CFx) 절연층의 표면 모폴로지를 살펴본다. 이러한 목적으로, 벌크 실리콘 기판 상에 서로 다른 불화탄소(CFx 및 CFx4)층을 갖는 두 실험 샘플을 형성한다. CFx 샘플과 CFx4 샘플 모두, 상기한 실험 샘플 단락에 기술된 것과 동일한 설정 조건으로 절연 형성 장치(30)를 사용하여 형성된다.
이어서 각 웨이퍼의 중심의 단면과 서로 다른 지점에서 취한 두 실험 샘플의 단면을 비교하여 보여주는 도 6을 참조해 본다. 두 실험 샘플의 단면이 도 6의 상측과 하측에 도시되어 있다. CFx 실험 샘플에 대해서는 다음 좌표, 즉 1) A(0, 0)과 2) B(-135, 0)를 갖는 두 지점에서 단면을 취한다. 한편, CFx 실험 샘플의 단면은 세 지점에서 취하는 데, 세 지점 중의 두 지점은 CFx 실험 샘플에서 사용된 것과 동일한 좌표를 갖고[A(0, 0), B(-135, 0)], 제3의 지점은 다음 좌표, 즉 C(-150, 0)를 갖는다. 도 6에 도시된 바와 같이, CFx4 절연층을 갖는 실험 샘플이 CFx 절연층을 갖는 실험 샘플에 비해 덜 울퉁불퉁하다. 따라서, CFx4 절연층의 표면 모폴로지는 CFx 절연층에 비해 향상된다. 그 결과, CFx4 절연층에서 보다 매끄러운 표면이 얻어진다.
여러 실험 샘플에 대하여 누설 전류를 인가전계의 함수로서 보여주는 도 7을 참조해 본다. 약 400℃의 온도에서 2시간 동안 열처리를 행한 열응력의 지점에서 누설 전류를 측정한다. 이 평가를 위해 세 가지 실험 샘플, 즉 CFx, CFx2 및 CFx4를 형성한다. CFx 절연층과 CFx2 절연층은 모두 고주파(RF) 바이어스를 인가하지 않고서 형성된다는 것을 유의하라. CFx 절연층은 약 50 mTorr의 압력하에서 형성되고, CFx2 절연층은 낮은 압력(30 mTorr 미만)하에서 형성된다. 상기한 실험 샘플 단락에 기술된 것과 동일한 조건하에서, 고주파(RF) 바이어스를 인가하여 CFx4 절연층 실험 샘플을 형성한다.
도 7에 도시된 바와 같이, 인가 전압이 약 -2 MV/cm 내지 -0.5 MV/cm의 범위 내에 있는 경우, CFx4 절연층을 갖는 실험 샘플은 누설 전류가 낮다. 표 2에는 인가 전계를 약 1.5 MV/cm로 하였을 때의 각 실험 샘플에 대한 누설 전류(Jg@1.5 MV/cm)가 요약되어 있다. 표 2에 나타내어진 바와 같이, CFx4 절연층은 1.5 MV/cm에서의 누설 전류가 낮다.
Figure pct00002
본 발명의 불화탄소 형성 프로세스에 따라 세 가지 실험 샘플(CFx, CFx2 및 CFx4)을 형성한 후, 열 탈착 분광법(TDS) 측정을 행하였다. 이 실험은 각 실험 샘플의 불소(F) 분자량 또는 원자량을 검사하기 위해 실시된다. 각 샘플을 열 탈착 분광 측정하고 그 결과를 도 8에 도시한다. 세로축은 원자량 19(M/z=19)의 불소(F) 가스의 측정값 강도이고, 가로축은 온도가 소정 속도로 증가되고 있는 처리 시간이다. 이 실험에서는, 원자량 19의 불소(F) 가스를 검사한다. 도 8에 도시된 스펙트럼들에는, 두 피크(P1과 P2)가 있다. 표 3에는 각 실험 샘플의 두 피크의 강도가 요약되어 있다. 도 8에 도시되어 있고 표 3에도 나타내어진 바와 같이, CFx4 절연층은 원자량 19(M/z=19)의 불소의 탈기 속도가 낮다.
Figure pct00003
다음 실험에서는, 분자량 85(M/z=85)의 SiF3에 의해 일어난 탈기 혹은 가스 탈착을 검사한다. 이러한 목적으로, 세 가지 샘플(CFx, CFx2 및 CFx4)을 열 탈착 분광 측정하고 그 결과를 도 9에 도시한다. 도 8에 도시된 이전 실험과 유사하게, 세로축은 분자량 85(M/z=85)의 SiF3 가스의 측정값 강도이고, 가로축은 온도가 소정 속도로 증가되고 있는 처리 시간이다. 이 실험에서는, 분자량 85의 SiF3 가스를 검사한다. 도 9의 스펙트럼에서는 하나의 피크가 관찰된다. 표 4에는 각 실험 샘플의 피크 강도가 요약되어 있다. 도 9에 도시되어 있고 표 4에도 나타내어진 바와 같이, CFx4 절연층에서는 SiF3 피크가 관찰되지 않았다. 따라서, CFx4층의 SiF3에 속하는 탈기량은 세 개의 실험 샘플 중에서 가장 작은 양이다.
Figure pct00004
이하에서는, 현재 최고의 불화탄소(CFx4) 실험 샘플을 형성하는 데 사용되는 설정 조건을 상세히 설명한다. 표 5에는 현재 최고의 CFx4 샘플을 형성하기 위한 설정 조건이 요약되어 있다.
Figure pct00005
또한, 표 6에는 현재 최고의 CFx4 절연층에 대한 실험 결과가 요약되어 있다.
Figure pct00006
이어서, 네 개의 실험 샘플에 대하여 누설 전류를 RF 바이어스의 함수로서 보여주는 도 10을 참조해 본다. 상기한 실험 샘플 단락에 기술된 설정 조건으로 본 발명의 성막 프로세스를 이용하여 모든 실험 샘플을 제작하였다. RF 바이어스를 다음 전력, 즉 0 W, 60 W 및 120 W로 각각 설정하고서, CFx4 절연층을 갖는 세 개의 실험 샘플을 형성하였다. 제4의 실험 샘플은 절연층으로서 CFx층을 포함하며, 이 예에서는 RF 전력을 0 W로 설정하였다. 도 10에 도시된 바와 같이, RF 바이어스 전력이 증가할 때, 누설 전류는 감소되는 경향이 있다. 인가 전압을 1 MV/cm로 하였을 때의 누설 전류값(Jg@1 MV/cm)을 측정하였음을 유의하라.
도 11은 누설 전류를 불화탄소(CFx4)층의 두께의 함수로서 보여준다. 이러한 목적으로 실험 샘플을 3세트 제작하였다. 각 세트에는, 거의 동일한 두께의 불화탄소(CFx4)층을 갖는 5개의 실험 샘플이 형성되어 있다. 제1, 제2, 제3 세트의 실험 샘플에 대한 불화탄소(CFx4) 절연층의 평균 두께는 각각 85.49 nm, 137.11 nm, 190.26 nm이다. 도 11에 도시된 바와 같이, 불화탄소(CFx4) 절연층이 두꺼울수록, 누설 전류의 값이 낮다. 인가 전압을 1 MV/cm로 하였을 때의 누설 전류값(Jg@1 MV/cm)을 측정하였음을 유의하라.
이어서, 여러 실험 샘플에 대하여 불화탄소(CFx4)층의 비유전율을 압력의 함수로서 보여주는 도 12를 참조해 본다. 이 평가를 위해, 절연층 형성 장치(30)를 사용하여 실험 샘플을 두 세트 형성하였다. 각 세트에는, 다음 압력, 즉 25 mTorr, 30 mTorr, 35 mTorr 하에서, 3개의 실험 샘플이 형성되어 있다. 제1, 제2 세트에서의 RF 바이어스는 각각 90 W, 120W로 설정된다. 비유전율의 측정 결과가 도 12에 도시되어 있다. 도 12에 도시된 바와 같이, 압력에 대한 설정 조건이 높을수록, 비유전율의 값이 높다. 선형 회귀법을 이용하여, 각 데이터 세트에 대해 가장 적합한 선형 근사치를 산출한다. 도 12에 도시된 바와 같이, 각 실험 샘플의 세트에 대해서 매우 양호한 상관 관계(RF 바이어스: 90 W→R2=0.97, RF 바이어스: 120 W→R2=0.98)가 얻어진다.
도 13에서는 여러 실험 샘플에 대한 평균 비유전율이 압력의 함수로서 도시되어 있다. 도 13에 도시된 바와 같이, 22 mTorr의 압력에서 2.38의 최소 평균값이 얻어지며, 28 mTorr의 압력에서 2.62의 최대 평균값이 얻어진다. 이 결과에 따르면, 22 mTorr의 압력값이 가장 낮은 비유전율값을 제공한다. 이는, 불화탄소(CFx4) 절연층의 형성에 사용하기에 가장 좋은 압력값이 약 22 mTorr이다는 것을 의미한다.
이하에서는, 불화탄소(CFx4) 절연층의 특성을 더 향상시키기 위한 다른 실시형태를 평가한다. 이 다른 실시형태에서는, 가스 링(72)을 통해 절연층 형성 장치(30)의 프로세스 용기(50)에 산소(O)를 도입한다. 이 다른 실시형태의 효과를 평가하기 위해, 산소(O) 가스를 제외한 설정 조건을 정확히 똑같이 하고서 두 실험 샘플(#1, #2)을 제작한다. 표 7에는 두 실험 샘플의 설정 조건이 요약되어 있다. 전술한 바와 같이, "sh-c", "sh-e"는 각각 샤워 플레이트(80)의 중앙과 가장자리에서의 가스의 유량을 나타내며, "gr"은 가스 링(72)에서의 가스의 유량을 나타낸다.
Figure pct00007
굴절률을 측정하는 데 사용되는 두 실험 샘플의 등고선도가 도시되어 있는 도 14를 참조해 본다. 도 14에 도시된 바와 같이, 프로세스 용기(50)의 분위기에 산소(O) 가스를 첨가한 실험 샘플 #2에 대한 굴절률의 최대값, 최소값, 평균값이 더 낮다. 이로써 제2 실험 샘플에 대한 유전율이 낮아진다. 표 8에는 두 실험 샘플의 두께, 굴절률 및 비유전율(k)이 요약되어 있다. 표 8에 나타내어진 바와 같이, 산소가 분위기에 첨가된 경우에 두께값 및 비유전율(K)도 더 낮다. 이러한 평가를 통해, 산소(O)를 사용하면 보다 낮은 유전율의 값을 얻을 수 있다는 것이 확인된다.
Figure pct00008
이하에서는, 불화탄소(CFx, CFx2, CFx4) 절연층의 사용 신뢰성을 살펴본다. 이러한 목적으로, 서로 다른 불화탄소(CFx, CFx2, CFx4) 절연층을 각각 갖는 3세트의 실험 샘플을 제작한다. 각 세트에서는, 벌크 실리콘(Si) 기판 상에, 유사한 불화탄소(CFx, CFx2, 또는 CFx4) 절연층을 갖는 3개의 동일 샘플이 형성되어 있다. 각 실험 샘플의 세트에서 불화탄소(CFx, CFx2, CFx4) 절연층을 형성하는 설정 조건이 표 9에 요약되어 있다.
Figure pct00009
불화탄소(CFx, CFx2, CFx4) 절연층의 사용 신뢰성을 평가하기 위해, 각 세트의 실험 샘플에 대해 "미스트 욕"이라고도 하는 평가용 가속 시험을 행한다. 따라서, 각 세트의 불화탄소(CFx, CFx2, 또는 CFx4) 절연층을 형성한 후, 각 세트의 실험 샘플을, 항온(예컨대 80℃) 고습도[예컨대 85%(H20)]의 욕에 넣는다. 실험을 행하기 위해, 각 세트의 제1 샘플에 대해서는 가속 시험을 행하지 않는다. 그리고 나서, 실험 샘플을 1 내지 10분 동안 미스트 욕에 넣음으로써, 각 세트의 제2 샘플에 대해 가속 시험을 행한다. 또한, 각 세트의 마지막 샘플에 대해서도 100분 동안 가속 시험을 행한다.
도 15는 실험 샘플의 각 세트에 대하여 비유전율(k-값)을 굴절률의 함수로서 보여주는 도면이다. 고습도 환경에서 고온으로 유지시켰을 때, 절연층의 굴절률의 변화가 작을수록, 그 절연 특성과 그에 따라 전체적인 신뢰성이 좋다는 것은 알려져 있다.
도 15에 도시된 바와 같이, 실험 샘플의 제3 세트에서 굴절률의 변화가 가장 작고, 그에 따라 비유전율의 변화가 가장 작다. 표 9에 나타내어진 바와 같이, 실험 샘플의 제3 세트의 불화탄소(CFx4) 절연층은, RF 바이어스를 인가하고 분위기에 질소(N2) 가스도 첨가함으로써 형성된다. 분위기에 질소(N2) 가스를 첨가함으로써, 질소(N2) 원자가 여기되어, CFx4 절연층의 표면을 향해 광을 발한다. 이로써 불화탄소(CFx) 절연층이 경화되거나 개질되며, 그 결과 결국에는 굴절률의 변동 및 그에 따른 비유전율의 변동이 작아진다.
본 개시 내용의 원리를 특정 장치 및 방법과 관련하여 전술하였지만, 이는 단지 예로서 기술된 것이며 본 발명의 범위를 한정하려는 것이 아님은 물론이다.

Claims (20)

  1. 플라즈마 반응 프로세스를 이용하여 불화탄소층을 형성하는 방법으로서,
    20 mTorr 이상 60 mTorr 이하의 압력하에서 마이크로파 전력 및 RF 바이어스를 인가하는 단계
    를 포함하는 불화탄소층 형성 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 RF 바이어스의 전력은 20 W 이상 120 W 이하인 것인 불화탄소층 형성 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 마이크로파 전력은 1.0 kW 이상 3.5 kW 이하인 것인 불화탄소층 형성 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 마이크로파의 주파수는 약 2.45 GHz인 것인 불화탄소층 형성 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 RF 바이어스의 주파수는 약 400 kHz인 것인 불화탄소층 형성 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 불화탄소층은 CFx4를 포함하는 것인 불화탄소층 형성 방법.
  7. 플라즈마 반응 프로세스를 이용하여 불화탄소층을 형성하는 방법으로서,
    RF 바이어스를 인가하지 않으면 불화탄소층이 증착되지 않는 압력하에서 마이크로파 전력 및 RF 바이어스를 인가하는 단계
    를 포함하며, 상기 압력은 20 mTorr 이상인 것인 불화탄소층 형성 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 RF 바이어스의 전력은 20 W 이상 120 W 이하인 것인 불화탄소층 형성 방법.
  9. 제7항에 있어서, 상기 압력은 30 mTorr 이하인 것인 불화탄소층 형성 방법.
  10. 제7항에 있어서, 상기 마이크로파 전력은 1.0 kW 이상 3.5 kW 이하인 것인 불화탄소층 형성 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 마이크로파의 주파수는 약 2.45 GHz인 것인 불화탄소층 형성 방법.
  12. 제7항에 있어서, 상기 RF 바이어스의 주파수는 약 400 kHz인 것인 불화탄소층 형성 방법.
  13. 제7항에 있어서, 상기 불화탄소층은 CFx4를 포함하는 것인 불화탄소층 형성 방법.
  14. 불화탄소층을 절연층으로서 구비하는 반도체 디바이스의 제조 방법으로서,
    플라즈마 반응 프로세스를 이용하여 기판 상에 불화탄소층을 형성하는 단계
    를 포함하며, 이 불화탄소층 형성 단계 동안에, 20 mTorr 내지 60 mTorr 범위의 압력하에서 마이크로파 전력 및 RF 바이어스가 인가되는 것인 반도체 디바이스 제조 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 RF 바이어스의 전력은 20 W 이상 120 W 이하인 것인 반도체 디바이스 제조 방법.
  16. 제14항에 있어서, 상기 마이크로파 전력은 주파수 약 2.45 GHz에서 1.0 kW 이상 3.5 kW 이하인 것인 반도체 디바이스 제조 방법.
  17. 제14항에 있어서, 상기 RF 바이어스의 주파수는 약 400 kHz인 것인 반도체 디바이스 제조 방법.
  18. 플라즈마 반응 프로세스를 이용하여 불화탄소층을 형성하는 방법으로서,
    마이크로파 전력 및 RF 바이어스를 인가하는 단계; 및
    플라즈마 여기 가스 및 CF 계열 프로세스 가스에 더하여 산소(O)를 처리 챔버에 도입하는 단계
    를 포함하는 불화탄소층 형성 방법.
  19. 제18항에 있어서, 상기 RF 바이어스의 전력은 20 W 이상 120 W 이하인 것인 불화탄소층 형성 방법.
  20. 제18항에 있어서, 20 mTorr 이상 60 mTorr 이하의 압력하에서 상기 마이크로파 전력 및 상기 RF 바이어스가 인가되는 것인 불화탄소층 형성 방법.
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