KR20190017324A - 절연막의 제조 방법, 및 이를 이용한 절연막 - Google Patents

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Abstract

챔버 내에 기판을 준비하는 단계, 상기 챔버 내에 실리콘(Si) 전구체를 제공하는 단계, 상기 챔버 내에 수소를 포함하는 가스 및 산소를 포함하는 가스를 제공함으로써, 상기 수소를 포함하는 가스 및 상기 산소를 포함하는 가스가 서로 반응하여 상기 챔버 내에 H2O 산화제가 생성되는 단계, 및 상기 실리콘 전구체와 상기 H2O 산화제 내의 산소가 반응하여 실리콘 및 산소를 포함하는 박막이 형성되는 단계를 포함하는 절연막의 제조 방법이 제공될 수 있다.

Description

절연막의 제조 방법, 및 이를 이용한 절연막{Method for manufacturing insulation film, insulation film using same}
본 발명은 절연막의 제조 방법 및 이를 이용한 절연막에 관련된 것으로, 보다 상세하게는 수소 및 산소를 포함하는 가스로부터 제조된 H2O 산화제를 이용한 절연막의 제조 방법, 및 이를 이용한 절연막에 관련된 것이다.
일반적으로 반도체 소자가 고집적화됨에 따라 이중 금속 배선을 비롯하여 다중 금속 배선 공정이 일반화 되어가고 있다. 이러한 다중 금속 배선 구조에서 금속 배선간 접속 및 평탄화 기능을 갖게하는 절연막 형성 기술은 소자의 수율 및 신뢰성을 결정하는데 있어서 중요한 요소이다. 종래의 금속층간 절연막은 SiH4 가스를 이용한 플라즈마 화학 기상 증착 방법(PECVD)으로 형성되며, 소자의 평탄화를 위한 SOG(Spin On Glass)막의 상하부에 적층되는 구조로 형성된다. 이와 같은 방법으로 절연막을 형성하는 경우, 복잡한 공정으로 인해, 소자의 수율 저하, 및 소자의 손상이 유발되고, 복잡한 구조의 반도체 소자 내에 절연막을 형성하는 데에 어려움이 있다. 이에 따라, 소자 내에 간소화된 공정으로 우수한 막 특성을 절연막을 형성하는 기술에 대한 요구가 증가하고 있다.
예를 들어, 대한민국 특허 등록 공보 KR1576639B1 (출원번호 KR20140124585A, 출원인: 주식회사 유진테크)에는, 특정 Si-N 결합을 가지는 아미노 실란 유도체를 플라즈마 원자층 증작 방법에 적용하여, 보다 낮은 파워와 성막온도 조건에서 고품질의 Si-N 결합을 포함하는 실리콘 질화 박막의 제조방법을 제공함으로써, 막질 저하 문제가 개선된 고품질의 절연막의 제조 기술이 개시되어 있다.
현재 절연막의 기계적 강도, 열적 특성, 막 균일도 등의 막 특성을 개선하기 위해, 종래 기술 대비 낮은 온도에서 고단차 피복성을 갖는 절연막의 제조 기술에 대한 연구가 필요한 실정이다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 저온 공정이 가능한 절연막의 제조 방법 및 이를 이용한 절연막을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 고단차 피복성을 갖는 절연막의 제조 방법 및 이를 이용한 절연막을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 기계적 강도 및 열적 특성이 향상된 절연막의 제조 방법 및 이를 이용한 절연막을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 저유전율을 갖는 절연막의 제조 방법 및 이를 이용한 절연막을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 계면 특성이 우수한 절연막의 제조 방법 및 이를 이용한 절연막을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 반도체 기반 소자 공정에서의 활용도가 높은 절연막의 제조 방법 및 이를 이용한 절연막을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다.
상술된 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 절연막의 제조 방법을 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 절연막의 제조 방법은, 챔버 내에 기판을 준비하는 단계, 상기 챔버 내에 실리콘(Si) 전구체를 제공하는 단계, 상기 챔버 내에 수소를 포함하는 가스 및 산소를 포함하는 가스를 제공함으로써, 상기 수소를 포함하는 가스 및 상기 산소를 포함하는 가스가 서로 반응하여 상기 챔버 내에 H2O 산화제가 생성되는 단계, 및 상기 실리콘 전구체와 상기 H2O 산화제에 포함된 산소가 반응하여 실리콘 및 산소를 포함하는 박막이 형성되는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 절연막의 제조 방법은, 상기 실리콘 전구체를 제공하는 단계에서, 도핑 전구체가 상기 챔버 내에 상기 실리콘 전구체와 함께 제공되는 것을 포함하되, 상기 도핑 전구체는 도핑 원소를 포함하고, 상기 도핑 원소는 탄소, 질소, 및 수소 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 절연막의 제조 방법은, 상기 실리콘 전구체를 제공하는 단계와 상기 수소를 포함하는 가스 및 상기 산소를 포함하는 가스를 제공하는 단계가 교대로 그리고 반복적으로 수행되어, 실리콘, 산소, 및 상기 도핑 원소를 포함하는 박막이 반복적으로 적층되는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 절연막의 제조 방법은, 상기 수소를 포함하는 가스 및 상기 산소를 포함하는 가스를 제공하는 단계 후, 탄소, 질소, 및 수소 중 적어도 어느 하나를 포함하는 도핑 원소를 갖는 도핑 전구체가 상기 챔버 내에 제공되는 단계, 상기 도핑 전구체가 상기 챔버 내로 제공된 후, 상기 챔버 내에 상기 수소를 포함하는 가스 및 상기 산소를 포함하는 가스를 제공함으로써, 상기 수소를 포함하는 가스 및 상기 산소를 포함하는 가스가 서로 반응하여 상기 챔버 내에 H2O 산화제가 생성되는 단계, 및 상기 H2O 산화제에 의해 상기 도핑 전구체와 산소가 반응하여 상기 도핑 원소 및 산소를 포함하는 박막이 형성되는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 절연막의 제조 방법은, 상기 실리콘 및 산소를 포함하는 박막, 및 상기 도핑 원소 및 상기 산소를 포함하는 박막이 교대로 그리고 반복적으로 적층되는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 절연막은, 제1 계면, 상기 제2 계면, 및 상기 제1 계면과 제2 계면 사이의 중심부를 포함하되, 상기 도핑 원소가 탄소인 경우, 상기 제1 및 제2 계면에서의 탄소 함유랑이 상기 중심부에서의 탄소 함유량보다 적은 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 절연막의 제조 방법은, 상기 중심부로부터 상기 제1 및 제2 계면으로 근접할수록, 상기 탄소함유량이 점차적으로 감소하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 절연막의 제조 방법은, 상기 제1 및 제2 계면에서의 기공도가, 상기 중심부에서의 기공도보다 작은 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 절연막의 제조 방법은, 상기 실리콘 전구체를 제공하는 단계는, 상기 기판 상에 실리콘 전구체를 제공하는 제1 펄스(pulse) 단계 및 상기 기판 및 실리콘 전구체의 반응 잔여물을 배출하는 제1 퍼지(purge) 단계를 포함하고, 상기 수소를 포함하는 가스 및 상기 산소를 포함하는 가스를 제공하는 단계는, 상기 기판 상에 상기 수소를 포함하는 가스 및 상기 산소를 포함하는 가스를 제공하는 제2 펄스 단계 및 상기 실리콘 및 산소를 포함하는 박막의 형성 반응에 참여하지 못한 상기 실리콘 전구체, 상기 H2O 산화제, 상기 수소 또는 산소를 포함하는 가스를 배출하는 제2 퍼지 단계를 포함할 수 있다.
상술된 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 절연막을 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 절연막은, 제1 계면, 제2 계면, 및 상기 제1 및 제2 계면 사이의 중심부를 포함하되, 상기 중심부로부터 상기 제1 및 제2 계면으로 근접할수록, 탄소 함유량이 감소하는 제1 박막을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 절연막은, 상기 제1 박막과 교대로 그리고 반복적으로 적층되고 실리콘 및 산소를 포함하는 제2 박막을 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 박막은 실리콘, 산소 및 탄소를 포함하고, 복수의 상기 제1 박막이 반복적으로 적층된 구조를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 절연막은, 상기 제1 및 제2 계면에서의 기공도가, 상기 중심부에서의 기공도보다 작은 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 챔버 내에 기판을 준비하는 단계, 상기 챔버 내에 실리콘 전구체를 제공하는 단계, 상기 챔버 내에 수소를 포함하는 가스 및 산소를 포함하는 가스를 제공함으로써, 상기 수소를 포함하는 가스 및 상기 산소를 포함하는 가스가 서로 반응하여 상기 챔버 내에 H2O 산화제가 생성되는 단계, 및 상기 실리콘 전구체와 상기 H2O 산화제에 포함된 산소가 반응하여 실리콘 및 산소를 포함하는 박막이 형성되는 단계를 통해, 계면 특성이 우수한 절연막의 제조 방법이 제공될 수 있다.
먼저, 본 발명의 실시 예에 따른 절연막은, 원자층 증착 공정에 의해 제조되므로, 집적도가 높은 소자 및 배선, 또는 복잡한 3차원 구조에서 높은 고단차 피복성을 가질 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 실시 예에 따른 절연막은, 수십 나노 단위의 반도체 소자 및 배선 구조로의 활용이 용이할 수 있다.
또한, 상기 챔버 내에 공급된 상기 수소를 포함하는 가스 및 상기 산소를 포함하는 가스가 열처리됨으로써, 상기 절연막의 형성에 요구되는 H2O 산화제가 상기 챔버 내에서 직접 생산될 수 있다. 원자층 증착 공정에 사용되는 H2O, O2, O3 등의 산화제를 상기 챔버 내에 공급하는 종래 기술과 달리, 본 발명의 실시 예에 따라, 상기 챔버 내에서 상기 H2O 산화제를 직접 생산하는 경우, 저온 공정이 가능하며, 제조되는 상기 절연막의 손상을 최소화시킬 수 있다. 또한, 상기 H2O 산화제의 공급이 용이하여 상기 챔버 내에서의 상기 실리콘 및 산소를 포함하는 박막의 생산 수율이 향상될 수 있다.
뿐만 아니라, 상기 챔버 내에 상기 실리콘 전구체와 함께 도핑 원소(탄소, 질소, 또는 수소)를 포함하는 도핑 전구체가 제공될 수 있다. 또한, 상기 수소를 포함하는 가스 및 상기 산소를 포함하는 가스를 제공하는 단계 후, 상기 챔버 내에 상기 도핑 전구체가 제공될 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 실시 예에 따르면, 실리콘 및 상기 도핑 원소를 포함하는 상기 절연막이 제조될 수 있다. 상기 도핑 원소가 탄소(C)인 경우, 실리콘 및 탄소를 포함하는 저유전율을 갖는 상기 절연막이 제조될 수 있다.
또한, 상기 절연막의 중심부로부터 제1 및 제2 계면으로 근접할수록 탄소 함유량이 감소하고, 기공도가 감소할 수 있다. 이에 따라, 표면 조도 등 계면 특성이 향상된 상기 절연막이 제조될 수 있다.
뿐만 아니라, 상기 실리콘 전구체를 제공하는 단계와 및 상기 수소를 포함하는 가스 및 상기 산소를 포함하는 가스를 제공하는 단계가 교대로 그리고 반복적으로 수행됨으로써, 상기 절연막의 두께가 용이하게 조절될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예들에 따른 절연막의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 절연막의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 절연막을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 3에 도시된 본 발명의 실시 예에 따른 절연막 내 A 및 A' 경로에 따른 탄소 함유량을 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 절연막의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 절연막을 설명하기 위한 도면이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 실시 예들에 따라 제조된 절연막의 활용 예(배선 구조, 반도체 소자)들을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예들에 따른 절연막의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 절연막의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 절연막을 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 도 3에 도시된 본 발명의 실시 예에 따른 절연막 내 A 및 A' 경로에 따른 탄소 함유량을 나타내는 그래프이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 챔버 내에 기판이 준비될 수 있다(S100). 상기 기판의 종류에 제한이 없을 수 있다. 예를 들어, 상기 기판은, 금속 기판, 유리 기판, 반도체 기판, 또는 플라스틱 기판일 수 있다.
상기 챔버 내에 실리콘(Si) 전구체가 제공될 수 있다(S200). 일 실시 예에 따르면, 상기 실리콘 전구체는, SiCl4, Si2Cl6, Si3Cl8, Si4C4H16O4(tetramethylcylotetrasiloxane, TMCTS) 중 어느 하나일 수 있다. 상기 실리콘 전구체를 제공하는 단계는, 상기 기판 상에 상기 실리콘 전구체가 제공되는 제1 펄스(pulse) 단계, 및 상기 기판 및 상기 실리콘 전구체의 반응 잔여물이 배출되는 제1 퍼지(purge) 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 펄스 단계에서, 상기 챔버 내에 상기 실리콘 전구체를 제공하기 위해, 상기 챔버 내에 상기 실리콘 전구체 및 불활성 기체(ex. Ar, N2)가 함께 공급될 수 있다. 또한, 상기 제1 퍼지 단계에서, 상기 기판 및 상기 실리콘 전구체의 상기 상기 반응 잔여물을 상기 챔버로부터 배출하기 위해, 상기 불활성 기체가 공급될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 실리콘 전구체를 제공하는 단계에서, 도핑(doping) 전구체가 상기 실리콘 전구체와 함께 상기 챔버 내에 제공될 수 있다. 다시 말해서, 상기 제1 펄스 단계에서, 상기 챔버 내에 상기 실리콘 전구체 및 상기 도핑 전구체가 함께 제공될 수 있다. 또한, 상기 제1 퍼지 단계에서, 상기 실리콘 전구체, 및 상기 도핑 전구체의 반응 잔여물이 상기 챔버로부터 배출될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 도핑 전구체는, 도핑 원소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 도핑 원소는, 탄소(C), 질소(N), 및 수소(H) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
또한, 일 실시 예에 따르면, 상기 실리콘 전구체를 제공하는 단계에서, 실리콘 및 탄소를 포함하는 전구체(Si-C)가 제공될 수 있다. 예를 들어, 상기 실리콘 및 탄소를 포함하는 전구체는, tetramethylsilane(TMS), 또는 Si((CH3)4)일 수 있다.
상기 챔버 내에 수소를 포함하는 가스 및 산소를 포함하는 가스를 제공함으로써, 상기 수소를 포함하는 가스 및 상기 산소를 포함하는 가스가 서로 반응하여 상기 챔버 내에 H2O 산화제가 생성될 수 있다(S300). 구체적으로, 상기 수소를 포함하는 가스 및 상기 산소를 포함하는 가스는, 상기 챔버 내에 제공되는 동시에, 상기 챔버 내의 열에 의해 열처리(thermal treatment)됨으로써, 상기 H2O 산화제가 생성될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 열처리 공정의 온도는, 400℃ 내지 600℃이고, 압력은, 0.1torr 내지 10torr일 수 있다.
상기 열처리 공정에 사용되는 가열기의 형태로는, 그 종류를 특별히 한정하지 않는다. 예를 들어, 상기 가열기는, 히터(heater), 핫 플레이트(hot plate), 또는 가열 코일(heating coil) 중에서 어느 하나일 수 있다.
상기 실리콘 전구체와 상기 H2O 산화제 내의 산소가 반응하여 실리콘 및 산소를 포함하는 박막이 형성될 수 있다(S400). 다시 말하면, 상기 챔버 내에서 형성된 상기 H2O 산화제(물 라디칼)와 상기 실리콘 전구체가 반응하여, 상기 실리콘 및 산소를 포함하는 박막이 형성될 수 있다.
또는, 일 실시 예에 따르면, 상기 H2O 산화제와 함께, 상기 챔버 내에 잔존된 상기 산소를 포함하는 가스로부터 생성된 산소 라디칼이 상기 실리콘 전구체와 반응하여, 상기 실리콘 및 산소를 포함하는 박막이 형성될 수 있다.
상술된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따라, 상기 챔버 내에서의 상기 열처리 공정에 의해 상기 H2O 산화제를 직접 생산하여 상기 실리콘 및 산소를 포함하는 박막을 제조하는 경우, 종래의 플라즈마 공정 대비 낮은 온도에서 상기 실리콘 및 산소를 포함하는 박막의 형성이 가능하며, 제조되는 상기 실리콘 및 산소를 포함하는 박막의 손상을 최소화시킬 수 있다. 또한, 산화제의 공급이 용이하여 상기 챔버 내에서의 상기 실리콘 및 산소를 포함하는 박막의 생산 수율이 향상될 수 있다.
S200단계에서 설명된 바와 같이, 상기 챔버 내에 상기 실리콘 전구체 및 상기 도핑 전구체가 함께 제공되는 경우, 상기 챔버 내의 상기 실리콘 전구체, 상기 도핑 전구체, 및 상기 H2O 산화제 내의 산소가 반응하여 상기 기판 상에 실리콘, 산소, 및 상기 도핑 원소를 포함하는 박막(30)이 형성될 수 있다.
상기 챔버 내에 상기 실리콘 전구체 및 상기 도핑 전구체가 함께 제공되는 경우, 상기 수소를 포함하는 가스 및 상기 산소를 포함하는 가스를 제공하는 단계는, 상기 기판 상에 상기 수소를 포함하는 가스 및 상기 산소를 포함하는 가스를 제공하여 상기 H2O 산화제를 형성하는 제2 펄스 단계, 및 상기 실리콘 및 산소를 포함하는 박막 또는 상기 실리콘, 산소, 및 상기 도핑 원소를 포함하는 박막의 형성 반응에 참여하지 못한 상기 실리콘 전구체, 상기 도핑 전구체, 상기 H2O 산화제, 상기 수소 또는 산소를 포함하는 가스 등의 반응 잔여물을 배출하는 제2 퍼지 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 실리콘 전구체를 제공하는 단계(S200), 및 상기 수소를 포함하는 가스 및 상기 산소를 포함하는 가스를 제공하여 상기 H2O 산화제를 형성하는 단계(S300)가 교대로 그리고 반복적으로 수행될 수 있다. 이에 따라, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 실리콘 및 산소를 포함하는 박막(30)이 반복적으로 적층된 구조의 상기 절연막(100)이 제조될 수 있다.
또한, 상술된 바와 같이, 상기 실리콘 전구체를 제공하는 단계에서, 상기 챔버 내에 상기 실리콘 전구체 및 상기 도핑 전구체가 함께 제공되는 경우, 상기 실리콘 전구체를 제공하는 단계, 및 상기 수소를 포함하는 가스 및 상기 산소를 포함하는 가스를 제공하여 상기 H2O 산화제를 형성하는 단계가 교대로 그리고 반복적으로 수행되어, 도 3에 도시된 바와 같이, 실리콘, 산소, 및 상기 도핑 원소를 포함하는 박막(30)이 반복적으로 적층된 구조의 본 발명의 실시 예에 따른 절연막(100)이 제조될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따라 제조된 절연막(100)은, 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 계면(101), 제2 계면(102), 상기 제1 및 제2 계면(101, 102) 사이의 중심부(100c)를 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 절연막(100)에 포함된 상기 도핑 원소가 탄소인 경우, 상기 제1 계면(101) 및 상기 제2 계면(102)에서의 탄소 함유량이 상기 중심부(100c)에서의 탄소 함유량보다 적을 수 있다. 구체적으로, 상기 절연막(100)의 상기 중심부로(100c)부터 상기 제1 계면(101) 및 상기 제2 계면(102)으로 근접할수록, 상기 탄소함유량이 점차적으로 감소될 수 있다. 또한, 상기 절연막(100)의 상기 제1 계면(101) 및 상기 제2 계면(102)에서의 기공도가 상기 중심부(100c)에서의 기공도보다 작을 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 실시 예에 따르면, 표면 조도가 감소되어 계면 특성이 향상된 상기 절연막(100)이 제조될 수 있다.
이하, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 절연막의 제조 방법이 설명된다.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 절연막의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 절연막을 설명하기 위한 도면이다.
도 5 및 도 6에 도시된 본 발명의 다른 실시 예에 따른 절연막의 제조 방법을 설명함에 있어서, 앞서 도 1 내지 도 4에 도시된 본 발명의 실시 예에 따른 절연막의 제조 방법에 대한 설명에 중복되는 부분에 대해서는 도 1 내지 도 4를 참조하기로 한다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 챔버 내에 기판이 준비될 수 있다(S110). 상기 기판의 종류에 제한이 없을 수 있다. 예를 들어, 상기 기판은, 금속 기판, 유리 기판, 반도체 기판, 또는 플라스틱 기판일 수 있다.
상기 챔버 내에 실리콘(Si) 전구체가 제공될 수 있다(S120). 일 실시 예에 따르면, 상기 실리콘 전구체는, SiCl4, Si2Cl6, Si3Cl8, Si4C4H16O4(tetramethylcylotetrasiloxane, TMCTS) 중 어느 하나일 수 있다. 구체적으로, 상기 실리콘 전구체를 제공하는 단계는, 상기 기판 상에 상기 실리콘 전구체를 제공되는 제1 펄스 단계, 및 상기 기판 및 상기 실리콘 전구체의 반응 잔여물이 배출되는 제1 퍼지 단계를 포함할 수 있다.
상기 챔버 내에 수소를 포함하는 가스 및 산소를 포함하는 가스가 제공될 수 있다(S130). 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명된 바와 같이, 상기 수소를 포함하는 가스 및 상기 산소를 포함하는 가스는, 상기 챔버 내에 제공되는 동시에, 상기 열처리됨으로써, 상기 H2O 산화제가 생성될 수 있다. 다시 말해서, 상기 챔버 내의 상기 실리콘 전구체와 상기 H2O 산화제 내의 산소가 반응하여 상기 기판 상에 실리콘 및 산소를 박막(10)이 형성될 수 있다.
상기 챔버 내에 도핑 전구체가 제공될 수 있다(S140). 구체적으로, 상기 수소를 포함하는 가스 및 상기 산소를 포함하는 가스를 제공하는 단계 후, 탄소, 질소, 및 수소 중 적어도 어느 하나를 포함하는 도핑 원소를 갖는 도핑 전구체가 상기 챔버 내에 제공될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 도핑 전구체는, CH4일 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 도핑 전구체를 제공하는 단계는, 상기 실리콘 및 산소를 포함하는 박막(10) 상에 상기 도핑 전구체를 제공하는 제2 펄스 단계, 및 상기 제1 박막 및 상기 도핑 전구체의 반응 잔여물이 배출되는 제2 퍼지 단계를 포함할 수 있다.
상기 도핑 전구체가 상기 챔버 내로 제공된 후, 상기 챔버 내에 수소를 포함하는 가스 및 산소를 포함하는 가스가 제공될 수 있다(S150). S150 단계는, 상기 챔버 내에 상기 실리콘 전구체를 제공하는 단계 후, 수행되는 상기 챔버 내에 상기 수소를 포함하는 가스 및 상기 산소를 포함하는 가스를 제공하는 단계(S130)와 동일할 수 있다.
상술된 바와 같이, 상기 수소를 포함하는 가스 및 상기 산소를 포함하는 가스는, 상기 챔버 내에 제공되는 동시에, 상기 열처리를 통해 서로 반응하여 상기 H2O 산화제가 생성될 수 있다. 상기 챔버 내의 상기 도핑 전구체와 상기 H2O 산화제 내의 산소가 반응하여 상기 실리콘 및 산소를 포함하는 박막(10) 상에 상기 도핑 원소 및 산소를 포함하는 박막(20)이 형성될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 실리콘 전구체를 제공하는 단계(S120) 및 상기 도핑 전구체를 제공하는 단계(S140)는, 상기 수소를 포함하는 가스 및 상기 산소를 포함하는 가스를 제공하는 단계(S130, 150)와 교대로 그리고 반복적으로 수행될 수 있다. 이에 따라, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 실리콘 및 산소를 포함하는 박막(10), 및 상기 도핑 원소 및 산소를 포함하는 박막(20)이 반복적으로 적층된 구조의 본 발명의 다른 실시 예에 따른 절연막(200)이 제조될 수 있다.
상술된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 상기 절연막(200)은, 상기 실리콘 및 산소를 포함하는 박막(10) 및 상기 도핑 원소 및 산소를 포함하는 박막(20)이 반복적으로 적층된 구조를 가질 수 있고, 상기 실리콘 및 산소를 포함하는 박막(10) 및 상기 도핑 원소 및 산소를 포함하는 박막(20)의 적층 횟수 및 비율이 조절될 수 있다. 이에 따라, 상기 절연막(200)이, 제1 계면(201), 제2 계면(202), 상기 제1 및 제2 계면(201, 202) 사이의 중심부(200c)를 포함하는 경우, 상기 중심부(200c) 및 그에 인접한 영역에서 상기 도핑 원소 및 상기 산소를 포함하는 박막(20)의 비율이, 상기 제1 및 제2 계면(201, 202) 및 그에 인접한 영역에서 상기 도핑 원소 및 산소를 포함하는 박막(20)의 비율보다 높을 수 있다. 이에 따라, 상기 절연막(200)에 포함된 상기 도핑 원소가 탄소인 경우, 상기 제1 계면(201) 및 상기 제2 계면(202)에서의 탄소 함유량이 상기 중심부(200c)에서의 탄소 함유량보다 적을 수 있다. 구체적으로, 상기 절연막(200)의 상기 중심부로(200c)부터 상기 제1 계면(201) 및 상기 제2 계면(202)으로 근접할수록, 상기 탄소 함유량이 점차적으로 감소할 수 있다. 또한, 상기 절연막(200)의 상기 제1 계면(201) 및 상기 제2 계면(202)에서의 기공도가 상기 중심부(200c)에서의 기공도보다 작을 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 표면 조도가 감소되어 계면 특성이 향상된 상기 절연막(200)이 제조될 수 있다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 실시 예들에 따라 제조된 절연막의 활용 예들을 설명하기 위한 도면이다.
도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예들에 따라 제조된 절연막(100, 200)은, 고단차 피복성을 가지므로, 수십 나노 단위의 복잡한 구조의 배선(3) 구조(도 7), 또는 반도체 소자층(5) 사이에(도 8)에 용이하게 적용될 수 있다.
상술된 본 발명의 실시 예들과 달리, 종래에는 솔겔(sol-gel)법, 물리적 기상증착법(physical vapor deposition, PVD), 화학적 기상증착법(chemical vapor deposition, CVD)을 이용하여 절연막을 제조하고 있다. 먼저, 물리적 기상증착법을 이용하여 절연막을 제조하는 경우, 단차비복성이 낮고, 균일도가 우수하지 못하며, 증착 과정에서의 플라즈마 형성, 및 고에너지로 입사되는 원자들에 의한 박막 손상으로 인해, 복잡한 3D 구조에서의 금속 배선 및 접착 능력에 한계가 있는 단점이 있다.
반면, 화학적 기상증착법을 이용하여 절연막을 제조하는 경우, 화학적 기상증착법과 달리, 단차피복성 및 균일도가 우수하여 활용범위가 광범위한 장점이 있다. 하지만, 반도체 소자 및 배선의 집적도가 증가함에 따라, 증착률이 높은 화학적 기상증착법을 이용하는데에 어려움이 있다.
최근 상술된 문제점을 개선하기 위해, 집적도가 높은 소자 및 배선, 또는 복잡한 3D 구조에서 높은 균일도 및 고단차 비복성을 갖는 원자층 증착법을 이용하여 절연막을 제조하는 기술이 광범위하게 활용되고 있다. 하지만, 원자층 증착법을 이용하여 절연막을 제조하는 경우, 원자층 증착 공정에 사용되는 H2O, O2, O3 등의 산화제의 반응성 향상을 위해 플라즈마를 인가하므로, 물리적 기상증착법과 마찬가지로, 막의 손상으로 인해 결함이 발생하거나, 챔버 자체의 부식으로 인한 파티클이 발생하는 문제점이 있다.
하지만, 본 발명의 실시 예에 따르면, 챔버 내에 기판을 준비하는 단계, 상기 챔버 내에 실리콘 전구체를 제공하는 단계, 상기 챔버 내에 수소를 포함하는 가스 및 산소를 포함하는 가스를 제공함으로써, 상기 수소를 포함하는 가스 및 상기 산소를 포함하는 가스가 서로 반응하여 상기 챔버 내에 H2O 산화제가 생성되는 단계, 및 상기 실리콘 전구체와 상기 H2O 산화제 내의 산소가 반응하여 실리콘 및 산소를 포함하는 박막이 형성되는 단계를 통해, 계면 특성이 우수한 절연막(100, 200)의 제조 방법이 제공될 수 있다.
먼저, 본 발명의 실시 예에 따른 절연막(100, 200)은, 원자층 증착 공정에 의해 제조되므로, 집적도가 높은 소자 및 배선, 또는 복잡한 3차원 구조에서 높은 고단차 피복성을 가질 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 실시 예에 따른 절연막은, 수십 나노 단위의 반도체 소자 및 배선 구조로의 활용이 용이할 수 있다.
또한, 상기 챔버 내에 공급된 상기 수소를 포함하는 가스 및 상기 산소를 포함하는 가스가 열처리됨으로써, 상기 절연막(100, 200)의 형성에 요구되는 H2O 산화제가 상기 챔버 내에서 직접 생산될 수 있다. 원자층 증착 공정에 사용되는 H2O, O2, O3 등의 산화제를 상기 챔버 내에 공급하는 종래 기술과 달리, 본 발명의 실시 예에 따라, 상기 챔버 내에서 상기 H2O 산화제를 직접 생산하는 경우, 저온 공정이 가능하며, 제조되는 상기 절연막(100, 200)의 손상을 최소화시킬 수 있다. 또한, 상기 H2O 산화제의 공급이 용이하여 상기 챔버 내에서의 상기 실리콘 및 산소를 포함하는 박막의 생산 수율이 향상될 수 있다.
뿐만 아니라, 상기 챔버 내에 상기 실리콘 전구체와 함께 도핑 원소(탄소, 질소, 또는 수소)를 포함하는 도핑 전구체가 제공될 수 있다. 또한, 상기 수소를 포함하는 가스 및 상기 산소를 포함하는 가스를 제공하는 단계 후, 상기 챔버 내에 상기 도핑 전구체가 제공될 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 실시 예에 따르면, 실리콘 및 상기 도핑 원소를 포함하는 상기 절연막(100, 200)이 제조될 수 있다. 상기 도핑 원소가 탄소(C)인 경우, 실리콘 및 탄소를 포함하는 저유전율을 갖는 상기 절연막(100, 200)이 제조될 수 있다.
또한, 상기 절연막(100, 200)의 중심부(100c, 200c)로부터 제1 계면(101, 201) 및 제2 계면(102, 202)으로 근접할수록 탄소 함유량이 감소하고, 기공도가 증가할 수 있다. 이에 따라, 표면 조도 등 계면 특성이 향상된 상기 절연막(100, 200)이 제조될 수 있다.
뿐만 아니라, 상기 실리콘 전구체를 제공하는 단계와 및 상기 수소를 포함하는 가스 및 상기 산소를 포함하는 가스를 제공하는 단계가 교대로 그리고 반복적으로 수행됨으로써, 상기 절연막(100, 200)의 두께가 용이하게 조절될 수 있다.
3: 배선
5: 소자층
10: 실리콘 및 산소를 포함하는 박막
20: 도핑 원소 및 산소를 포함하는 박막
30: 실리콘, 도핑 원소, 및 산소를 포함하는 박막
100, 200: 절연막
101, 201: 제1 계면
201, 202: 제2 계면
100c, 200c: 중심부

Claims (13)

  1. 챔버 내에 기판을 준비하는 단계;
    상기 챔버 내에 실리콘(Si) 전구체를 제공하는 단계;
    상기 챔버 내에 수소를 포함하는 가스 및 산소를 포함하는 가스를 제공함으로써, 상기 수소를 포함하는 가스 및 상기 산소를 포함하는 가스가 서로 반응하여 상기 챔버 내에 H2O 산화제가 생성되는 단계; 및
    상기 실리콘 전구체와 상기 H2O 산화제에 포함된 산소가 반응하여 실리콘 및 산소를 포함하는 박막이 형성되는 단계를 포함하는 절연막의 제조 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 실리콘 전구체를 제공하는 단계에서, 도핑 전구체가 상기 챔버 내에 상기 실리콘 전구체와 함께 제공되는 것을 포함하되,
    상기 도핑 전구체는 도핑 원소를 포함하고,
    상기 도핑 원소는 탄소, 질소, 및 수소 중 적어도 어느 하나를 포함하는 절연막의 제조 방법.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 실리콘 전구체를 제공하는 단계와 상기 수소를 포함하는 가스 및 상기 산소를 포함하는 가스를 제공하는 단계가 교대로 그리고 반복적으로 수행되어, 실리콘, 산소, 및 상기 도핑 원소를 포함하는 박막이 반복적으로 적층되는 것을 포함하는 절연막의 제조 방법.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 수소를 포함하는 가스 및 상기 산소를 포함하는 가스를 제공하는 단계 후, 탄소, 질소, 및 수소 중 적어도 어느 하나를 포함하는 도핑 원소를 갖는 도핑 전구체가 상기 챔버 내에 제공되는 단계;
    상기 도핑 전구체가 상기 챔버 내로 제공된 후, 상기 챔버 내에 상기 수소를 포함하는 가스 및 상기 산소를 포함하는 가스를 제공함으로써, 상기 수소를 포함하는 가스 및 상기 산소를 포함하는 가스가 서로 반응하여 상기 챔버 내에 H2O 산화제가 생성되는 단계; 및
    상기 도핑 전구체와 상기 H2O 산화제 내의 산소가 반응하여 상기 도핑 원소 및 산소를 포함하는 박막이 형성되는 단계를 더 포함하는 절연막의 제조 방법.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 실리콘 및 산소를 포함하는 박막, 및 상기 도핑 원소 및 산소를 포함하는 박막이 교대로 그리고 반복적으로 적층되는 것을 포함하는 절연막의 제조 방법.
  6. 제2 항 또는 제4 항에 있어서,
    상기 절연막은 제1 계면, 제2 계면, 및 상기 제1 계면과 상기 제2 계면 사이의 중심부를 포함하되,
    상기 도핑 원소가 탄소인 경우,
    상기 제1 및 제2 계면에서의 탄소 함유랑이 상기 중심부에서의 탄소 함유량보다 적은 것을 포함하는 절연막의 제조 방법.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 중심부로부터 상기 제1 및 제2 계면으로 근접할수록, 상기 탄소함유량이 점차적으로 감소하는 것을 포함하는 절연막의 제조 방법.
  8. 제6 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 계면에서의 기공도가, 상기 중심부에서의 기공도보다 작은 것을 포함하는 절연막의 제조 방법.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 실리콘 전구체를 제공하는 단계는, 상기 기판 상에 실리콘 전구체를 제공하는 제1 펄스(pulse) 단계 및 상기 기판 및 실리콘 전구체의 반응 잔여물을 배출하는 제1 퍼지(purge) 단계를 포함하고,
    상기 수소를 포함하는 가스 및 상기 산소를 포함하는 가스를 제공하는 단계는, 상기 기판 상에 상기 수소를 포함하는 가스 및 상기 산소를 포함하는 가스를 제공하는 제2 펄스 단계 및 상기 실리콘 및 산소를 포함하는 박막의 형성 반응에 참여하지 못한 상기 실리콘 전구체, 상기 H2O 산화제, 상기 수소 또는 산소를 포함하는 가스를 배출하는 제2 퍼지 단계를 포함하는 절연막의 제조 방법.
  10. 제1 계면, 제2 계면, 및 상기 제1 및 제2 계면 사이의 중심부를 포함하되, 상기 중심부로부터 상기 제1 및 제2 계면으로 근접할수록, 탄소 함유량이 감소하는 제1 박막을 포함하는 절연막.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 제1 박막과 교대로 그리고 반복적으로 적층되고 실리콘 및 산소를 포함하는 제2 박막을 더 포함하는 절연막.
  12. 제10 항에 있어서,
    상기 제1 박막은 실리콘, 산소 및 탄소를 포함하고,
    복수의 상기 제1 박막이 반복적으로 적층된 구조를 포함하는 절연막.
  13. 제10 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 계면에서의 기공도가, 상기 중심부에서의 기공도보다 작은 것을 포함하는 절연막.
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