KR960013151B1 - 산화규소 막을 형성시키기 위한 화학 증착법 - Google Patents
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Abstract
없음.
Description
제1도는 본 발명의 제1실시태양에 따라 불소를 함유하는 산화규소막을 형성시키는데 사용되는 장치의 개략도.
제2도는 본 발명과 종래 기술의 푸우리에(Fourier) 변환 적외선 흡수를 비교하여 나타낸 그래프.
제3도는 본 발명의 제2실시태양에 따라 불소를 함유하는 산화규소막을 형성시키는데 사용되는 플라즈마 첨가한 화학 증착법용 장치의 개략도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10,305 : 반도체 기판102,304 : 가열기
103 : 서스셉터(susceptor)104 : 분산 헤드
105 : 오존 발생기
106,107,108,109,306,307,308 : 유량 조절기
110,111,309,310 : 버블러(bubbler)301 : 반응 챔버
302 : 양극 전극303 : 음극 전극
본 발명은 화학 증착법, 보다 상세하게는 산화규소막을 형성시키는 방법에 관한 것이다.
종래에는 원료 기체로서 테트라-에틸 오르토실리케이트 Si(OC2H5)4를 사용하여 이것을 대기압에서 분해시킴으로써 산화규소막을 형성시키는 화학 증착법이 사용되어 왔다. 예를 들면, 원료 기체인 테트라-에틸 오르토실리케이트 및 도핑(doping) 기체인 트리메톡시 포스페이트 PO(OCH3)3및 트리메톡시보론 B(OCH3)3을 챔버내에 도입시켜 오존 발생기에 의해 생성되는 오존 기체와 함께 혼합시키고, 분해시킴으로써 인 및 붕소로 도핑시킨 산화규소막을 형성시킨다. 별법으로는, 어떠한 도핑 기체도 사용하지 않고 산화규소막을 형성시킨다[Journal of Electronic Materials, Vol, 19. No. 1(1990) pp. 45-49 참조].
오존 기체 존재하에 산화규소막을 형성시키는 상기한 종래의 방법은 다음과 같은 문제점을 갖고 있다. 첫번째로, 350 내지 400℃의 높은 막 형성 온도에도 불구하고 형성된 막의 품질이 우수하지 못하다. 이것은 원료 기체의 분해 온도가 높아서 축합 중합 반응이 불충분하게 일어나기 때문으로, 따라서 상기 범위의 온도에서 조차 우수한 품질의 산화규소막을 형성시킬 수 없다. 두번째로, 종래 기술에 의해 생성되는 산화규소막은 약 1×109dyn/cm2의 강한 내부 인장 응력을 가지는데 막 형성 온도가 350 내지 400℃로 높기 때문에 형성된 두꺼운 막 또는 다층막은 열응력에 의한 균열을 일으키기 쉬워서 실용화에 부적합하다. 세번째로, 예를 들면 알루미늄 배선의 상부에 막을 형성시킬 때, 높은 막 형성 온도 때문에 알루미늄 배선 표면상에 돌출부, 소위 힐록(hillock)이 생성되어 배선과 그 위의 막 사이에 전기적 단락이 일어나 생산량을 현저하게 저하시킨다.
따라서, 본 발명의 목적은 종래의 화학 증착법에 의해 발생되는 상기한 문제점들을 극복할 수 있는 산화 규소막을 형성시키는 개선된 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 화학 증착법은, 원료 기체로서 알콕시실란 Si(OR)4(여기서, R은 알킬 라디칼기임) 또는 그의 중합체를 사용하고, 여기에 플루오로알콕시실란 Si(OR')nF4-n(여기서, r'은 알킬 라디칼기이고, n은 1 내지 3의 정수임)을 첨가시켜 저온에서 불소를 함유하는 산화규소막을 형성시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 한 실시태양에서는, 상기한 불소를 함유하는 산화규소의 증착 동안 유기인 및 유기 붕소 화합물과 같은 인 함유 화합물 및 붕소 함유 화합물중 1종 이상을 기화시켜 도핑 기체로 사용하여 불소를 합유하는 산화규소막에 인 및(또는) 붕소를 첨가시키는 것을 특징으로 하는 화학 증착법이 제공된다.
본 발명의 다른 실시태양에서는, 오존 기체 존재하에 또는 자외선 조사 또는 기체 플라즈마하에 불소를 함유하는 산화규소막을 형성시키는 것을 특징으로 하는 화학 증착법이 제공된다.
본 발명의 목적, 특징 및 잇점들은 하기 수반되는 도면을 참고로 한 본 발명의 바람직한 실시태양의 설명을 통해 명백하게 드러날 것이다.
본 발명을 수반되는 도면을 참고로 하여 설명하고자 한다. 제1도는 본 발명의 제1실시태양에 따라 불소를 함유하는 산화규소막을 형성시키는데 사용되는 장치의 개략도이다. 산소 기체의 흐름은 유량 조절기(106)에 의해 유속 10SLM으로 조절되어 오존이 약 20,000ppm의 농도로 생성되는 오존 발생기(105)로 들어가고, 이어서 분산 헤드(104)를 통해 반응 챔버로 들어간다. 동시에, 질소 기체 흐름은 유량 조절기(107)에 의해 유속 2SLM으로 조절된다. 질소 기체의 다른 흐름은 2부분으로 나누어져 이 중 하나는 유량 조절기(108)에 의해 유속 2SLM으로 조절되어 테트라에틸 오르토실리케이트 Si(OC2H5)4를 기화시키는 60℃의 온도로 유지되는 Si(OC2H5)4함유 버블러(110)중에서 버블링되고, 나머지 하나는 유량 조절기(109)에 의해 유속 2SLM으로 조절되어 플루오로트리에톡시실란 FSi(OC2H5)3을 기화시키는 60℃의 온도로 유지되는 FSi(OC2H5)3함유 버블러(111)중에서 버블링된다.
유량 조절기(107) 및 버블러로부터 나오는 질소 기체 흐름은 분산 헤드(104)를 통해 반응 챔버로 들어간다. 이들 기체들은 반응 챔버중에서 혼합되고, 분해되어 가열기(102)로 가열시켜 온도를 200℃로 유지시킨 서스텝터(103)상에 놓여 있는 반도체 기판(101)상으로 증착된다.
상기한 장치를 사용하여, 두께 약 1㎛의 불소를 함유하는 산화규소막을 규소 기판상에 형성시키고 그 특징을 관찰하였다. 먼저, X선 광전자 분광 측정으로 막 조성을 관찰하였던 바, 막은 SiO1.85F0.1 5의 조성을 가지고, 불소 원자가 두께 방향으로 거의 균일하게 분포되어 있다는 것을 알 수 있었다. 다음으로, 막의 물리적, 화학적 및 전기적 특성을 관찰하였다. 막의 굴절율은 약 1.425이었는데, 이는 종래의 막의 굴절율인 1.45보다 작은 값이다.
제2도는 본 발명의 한 실시태양과 선행 기술 사이의 푸우리에(Fourier) 변환 적외선 흡수를 비교하여 나타낸 그래프이다. 여기에서 (a)는 본 방법의 한 실시태양에 따라 200℃의 기판 온도에서 규소 기판상에 형성시킨 불소를 함유하는 산화규소막의 적외선 흡수 스펙트럼을 나타내고 (b)는 선행 기술에 따라 400℃의 기판 온도에서 형성시킨 불소를 함유하지 않는 산화규소막의 적외선 흡수 스펙트럼을 나타낸다. 도면으로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 실시태양의 불소를 함유하는 산화규소막의 경우에는 선행 기술에 의해 생성된 산화규소막의 Si-O 결합의 흡수 피크가 나타나는 파장인 약 1067cm-1보다 큰 파장인 약 1080cm-1에서 Si-O 결합의 흡수 피크가 나타난다. 이것은 본 실시태양에 따른 불소를 함유하는 산화규소막의 Si-O 결합이 선행 기술에 따라 형성된 산화규소막의 Si-O 결합보다 강하다는 것을 의미한다.
유사하게 제2도로부터, 3400cm-1부근의 파장에서 나타나는 OH기의 흡수 피크의 크기는 본 실시태양의 불소를 함유하는 산화규소막의 경우가 선행 기술의 산화규소막에서 보다 더 작다는 것을 알 수 있다. 이것은 본 실시예의 불소를 함유하는 산화규소막이 보다 낮은 수분 함량을 갖는다는 것을 의미한다. 따라서 적외선 흡수 스펙트럼으로부터 얻은 결과는, 본 실시태양에 따라 보다 낮은 온도인 200℃에서 형성시킨 불소를 함유하는 산화규소막의 품질이 보다 높은 온도인 400℃에서 형성시킨 선행 기술의 산화규소막보다 우수하다는 것을 나타낸다.
또한, 본 실시태양에 따른 불소를 함유하는 산화규소막의 에칭 속도를 1 : 30를 불화수소산의 완충 용액을 사용하여 측정하였다. 그 결과, 이것은 약 800Å/분의 에칭 속도를 나타낸 반면, 선행 기술의 산화규소막은 동일한 실험에서 약 1000Å/분의 에칭 속도를 나타냈다. 이것은 본 실시태양의 불소를 함유하는 산화규소막이 선행 기술에 의해 형성된 산화규소막보다 밀도가 높다는 것을 의미한다. 본 실시태양의 불소를 함유하는 산화규소막은 2×108dyn/cm2의 내부 응력을 갖는데, 이것은 선행 기술의 산화규소막의 내부 응력값인 1×109dyn/cm2보다 한 자리수 낮은 값이다.
막상에 형성시킨 면적 약 4mm2의 알루미늄 전극을 사용하여 막의 전기적 특성을 조사하였다. 전압 5V를 샘플상에 가하였을 때, 본 실시태양의 불소를 함유하는 산화규소막은 약 5×10-11A/cm2의 누출 전류 밀도를 나타냈는데, 이것은 선행 기술의 산화규소 막의 누출 전류 밀도값인 2×10-10A/cm2보다 낮은 것이다. 게다가, 본 실시태양의 불소를 함유하는 산화규소막은 주파수 1MHz에서의 용량-전압 측정치로부터 구한 유전상수값이 약 3.7로 낮은 반면, 선행 기술의 산화규소막의 유전 상수값은 4.1이었다.
이어서, 본 발명의 다른 실시태양을 도면을 참고로 하여 기술하고자 한다. 제3도는 본 발명의 제2실시태양에 따라 불소를 함유하는 산화규소막의 형성에 사용되는 플라즈마 첨가한 화학 증착법용 장치의 개략도이다. 이 도면에서, 반응 챔버(301)을 소정의 일정한 압력이 되도록 배기시키고, 유량 조절기(306)을 통해 산소 기체를 반응 챔버(301)내에 도입시켰다. 음극 전극(303)에 13.56MHz의 고주파 전력을 공급하였다. 양극 전극(302)를 접지시키고, 반도체 기판(305)를 가열기(304)로 소정의 온도로 유지시켰다. 반응 기체인 테트라-에틸 오르토실리케이트 Si(OC2H5)4및 프루오로트리에톡시실란 FSi(OC2H5)4을 버블러(309 및 310)중에서 각각 기화시켜 반응 챔버내로 도입시켰다. 질소 기체를 유량 조절기(307 및 308)을 통해 각각 버블러(309 및 310)내로 도입시켰다.
본 실시태양에서는, 기판 온도 200℃, 반응 챔버 내부 압력 0.3Torr 및 고주파 전력 밀도 0.5W/cm2의 막 형성 조건하에서 약 1㎛의 두께를 갖는 불소를 함유하는 산화규소막이 생성되었다. 이렇게 형성된 불소를 함유하는 산화규소막의 막 특성을 평가하였다. 그 결과, 제1실시태양에서와 동일한 결과를 얻었다.
제1실시태양 및 제2실시태양에서 모두 불소를 함유하는 산화규소막에 어떠한 도핑 기체도 도입시키지 않았지만, 필요에 따라 인 및 붕소중 1종 이상을 함유하는 유기 화합물, 예를 들면 트리메톡시 포스페이트 PO(OCH3)3또는 트리메톡시보론 B(OCH3)3을 유사하게 버블링으로 기화시켜 불소를 함유하는 산화규소막에 인 및 붕소중 1종 이상을 첨가시키는 도핑 기체로서 사용할 수 있다. 또한, 막 형성 온도는 200℃ 이상일 수 있고, 기타 막 형성 조건도 필요에 따라 변화시킬 수 있다.
본 발명은 실시태양중에 기재한 것 이외의 방법, 예를 들면 플라즈마 이용법, 열화학 증착법 및 자외선 조사를 이용하는 광화학적 증착법에 적용할 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명은 월등한 막 특성을 갖는 산화규소막을 플루오로알콕시실란을 첨가한 유기 원료를 사용하여 화학 증착법으로 저온에서 증착시킬 수 있다. 저온에서 형성됨에도 불구하고, 수분 함량은 감소시킬 수 있다. 따라서, 이 막을 반도체 장치중에 사용하는 경우에는 이들의 신뢰성을 두드러지게 향상시킬 수 있다.
막을 알루미늄 배선 등의 다층 배선의 층 사이의 절연막으로 사용하는 경우, 막이 저온에서 생성되고, 매우 고밀도이고, 응력이 작기 때문에 어떠한 균열도 야기시키지 않고, 또한 알루미늄 힐록이 형성되지 않는 두꺼운 막을 형성시킬 수 있다. 따라서, 본 발명은 다층 배선을 갖는 반도체 장치의 생산량을 증가시킬 뿐만 아니라 이들의 신뢰성도 향상시키는 잇점을 갖는다.
본 발명을 그의 바람직한 실시태양에 관하여 설명하였지만, 이것은 발명의 한정이라기 보다는 설명을 위한 것으로 본 발명의 넓은 의미에서의 영역 및 정신을 벗어나지 않고서 수반되는 청구 범위 내에 속하는 변형이 행해질 수 있다.
Claims (9)
- 원료 기체인 알콕시실란 또는 그의 중합체와 여기에 첨가되는 플루오로알콕시실란으로 이루어진 기체 혼합물을 반응 챔버내에 도입시키고, 상기 기체 혼합물을 분해시켜 불소를 함유하는 산화규소막을 기판상에 증착시키는 것을 특징으로 하는, 불소를 함유하는 산화규소막을 형성시키기 위한 화학 증착법.
- 제1항에 있어서, 상기 알콕시실란은 화학식 Si(OR)4(여기서, R은 알킬 라디칼기임)로 나타내어지는 것인 방법.
- 제2항에 있어서, 상기 알콕시실란은 테트라-에틸 오르토실리케이트인 것인 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 플루오로알콕시실란은 화학식 Si(OR')nF4-n(여기서, R'은 알킬 라디칼기이고, n은 1 내지 3의 정수임)으로 나타내어지는 것인 방법.
- 제4항에 있어서, 상기 플루오로알콕시실란은 플루오로트리에톡시실란인 것인 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 불소를 함유하는 산화규소막을 형성시키는 동안, 유기 인 화합물 및 유기 붕소 화합물과 같은 인 또는 붕소를 함유하는 화합물중 1종 이상을 기화시켜 상기 기체 혼합물내에 도입시킴으로써 인 및 붕소중 1종 이상을 상기 불소를 함유하는 산화규소막에 첨가시키는 것인 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 인 또는 붕소를 함유하는 화합물중 1종 이상이 트리메톡시 포스페이트 PO(OCH3)3및 트리메톡시보론 B(OCH3)3으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 기체 혼합물을 분해시켜 불소를 함유하는 산화규소막을 기판상에 증착시키는 것을 약 200℃의 온도에서 행하는 것인 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 기체 혼합물의 분해를 오존 기체 존재하에, 또는 자외선 조사 또는 기체 플라즈마하에서 행함으로써 상기 불소를 함유하는 산화규소막을 형성시키는 것인 방법.
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