초고 집적회로에서 층간 절연막으로 사용하기	위한

저 유전체 박막물질 증착

김 동선

공주대학교  화학공학과

Deposition of Low Dielectric Constant Material

for Intermetal Dielectric Applications in ULSI Circuits

Dong S. Kim

Dept. of Chemical Engineering, Kongju National University

182 Sinkwandong, Kongju, Chungnam, 314-701, Korea

Ⅰ. Introduction

현대 사회가 발전하여 고도 사회가 됨에 따라 인류는 편리성을 추구하고 있기 때문에 반도체 및 광 디바이스의 고속화, 대용량화 및 소형화를 요구하고 있어,  DRAM, Microprocessor, ASIC과 같은 집적회로(IC)의 미세화 및 다층배선을 가속화시키고 있다. 이런 고 집적회로에서는 미세화와 다층배선으로 인한 금속 선 층간 야기 된 (1) power 손실 증가, (2) 디바이스 속도를 지배하는 RC 지연 시간 증가, 그리고 (3) Cross-talk 간섭 등을 막기 위해 새로운 층간 절연막(Intermetal Dielectric(IMD)) 물질의 개발의 중요성이 크게 대두되면서, 유전체 박막으로 갖추어야 할 조건들, 즉  1) 저 유전 상수, 2) Low stress, 3) Good Step coverage, 4) Good gap-filling capability 5) Surface Planarity, 그리고 6) 열적 그리고 화학적 안정성 등이 점점 더 엄격하여지고 있다(1-2).

현재 유전상수가 3.9인 SiO2가 주로 층간 절연막으로 사용되고 있으나, 최근 기존의 증착 장비를 그대로 사용 할 수 있다는 장점 때문에 규소 산화물(a-SiO2)에 불소를 첨가한 불소화된 규소 산화물(a-SiOF)에 대한 연구가 많이 진행되고 있으나, 유전 상수가 3.0∼3.6으로 그다지 많이 하락하지 않고 결합되어 있지 않은(unbound) 불소 때문에 열과 수분에 대한 박막의 안정성 등의 많은 문제점들을 가지고 있다(3).

그러나, 0.25 □m이하의 초고 집적화 반도체(ULSI)인 256 Mega 및 Giga 규모 메모리   나 고속 microprocessor의 디바이스를 만들기 위해서는 ∼3.0이하의 보다 더 낮은 유전 상수의 물질 개발을 요구하나, 무기 세라믹 박막에는 한계가 있다. 따라서 spin coating, vapor phase deposition등의 방법에 의해 불소화 된 polyimide, parylene, 과 fluorocarbon등의 고분자 박막이 많은 연구가 진행되고 있으나, 이들 물질들은 구조적인 안정성, 열 및 수분에 대한 안정성, 미세한 구조를 패턴하기 위해 사용한 감광물질(photoresist)을 제거하기 위해 O2 플라즈마을 이용하여 ashing하기 때문에 O2 plasma에 대한 저항성을 가지고 있어야 하며, 또한 층간 절연막을 증착한 후 후공정에서 450 oC이상의 온도에서 처리 또는 운전되기 때문에 450 oC이상 온도에서 견뎌야 한다(4).

차세대 반도체에 적용하기 위해 지금 사용하고 있는 규소 산화물 박막(유전상수 = 3.9)을 대체 하기 위해 현재 개발 중인 여러 고분자 및 세라믹 박막들 중에서 미국 듀퐁사에서 개발 중인 비정질 테프론이 유전 상수가 ∼2.0 이하로 가장 이상적인 물질이나, Spin Coating방법으로 액상에서 제조되어 지기 때문에 차세대 반도체에 적용하기에는 휘발되지 않은 솔벤트 때문에 구조상 안정성, 기판의 오염원 제공, 열과 수분에 대한 안정성과 가공에 대한 취약성, 그리고 여러 기판에 대한 좋지 않은 접착력 등의 많은 문제점들을 가지고 있다(5).   최근 플라즈마를 이용한 불소화돤 비정질 탄소(Fluorinated amorphous carbon) 박막의 증착에 많은 연구가 진행 중에 있다(6).

본 발표에서는 이런 저 유전체 박막 개발의 중요성을 감안하여 현재 사용되고 있는 SiO2박막을 대체 해야 할 새로운 저 유전체 박막 물질의 개발이 절실히 요구되어 지므로 저 유전체 박막 물질의 개발에 대한 최근 경향과 고분자 박막의 열에 대한 안정성을 해결하기 위해 불소화돤 비정질 탄소에 규소산화물(a-SiO2)을 소량 첨가한 복합 재료 박막을 공급원료의 양의 비를 변화시키면서 증착하여 열에 대한 안정성을 보여줌으로써 새로운 저유전체 박막으로 사용 타당성을 제시하려고 한다.

Ⅱ. Experimental

본인이 여러 특허와 문헌(7)을 참고로 설계 제작한 평판형 안테나를 가진 유도 결합형  플라즈마 화학 증착 반응기를 이용하여 300Watt RF Power, 증착온도 200 oC, 그리고 Bias전압 -200V, 압력 100mTorr에서 동반가스로써 일정한양의 알곤과 산소가스를 사용하면서 불소화탄소 원료원((Perfluoro- benzene(C6F6))과 SiO2원료원(hexamethyldisiloxane (HMDSO))의 비를 변화시키면서 불소화탄소/ SiO2 복합 박막 재료를 증착하여 결합구조, 유전상수, 열에 대한 안정성등의 박막 특성을 분석함으로써 이 복합박막이 저유전상수를 갖지면서 열적인 안정성을 갖는 유전체 절연막으로 사용 가능성을 조사하였다. 박막의 결합 구조는 KBr Disk에 증착 된 박막을 Fourier Transform Infrared Spectroscopy(FTIR)를 이용하여 흡수도를 측정함으로써 조사하였고. 박막의 유전 상수는 C-V Meter을 이용하여 1 MHz 주파수에서 증착 된 박막 위에 전극으로 Au을 증착한 MIS구조를 형성하여 인가 전압을 -100V에서 +100V까지 변화 시켜 최대 전기용량으로 부터 산출하였다. 또한 증착 된 박막의 열에 대한 안정성은 증착 된 박막을 반응기에서 Ar분위기하의 진공상태에서 일정 시간 동안, 일정 온도에서 유지 한 뒤 결합 구조, Water Content, 두께 변화, 및 유전상수 변화를 측정함으로써 조사하였다. 증착 된 박막의 두께와 열처리에 의한 두께 변화는 Thickness profilometer로 대략 측정한 후 Ellipsometer를 이용하여 정확하게 측정하였다.

III.  Results and Discussion

Optical Emission Spectroscopy(OES)로 측정한 아르곤 플라즈마 특성은 RF Power가 300 Watt에 도달하였을 때 갑자기 플라즈마가 밝아지면서 OES의 강도(Intensity)가 급상승하였다. 이는 Langmuir Probe을 이용하여 전자밀도를 측정함으로써 얻어진 다른 연구자(8)의 결과와 비슷한 결과로써 플라즈마가 E-mode(용량 결합형)에서 H-mode(유도 결합형)으로 전환되는 것으로 생각되므로 본 실험은 RF power를 300Watt에서 수행하였다.

증착한 박막 특성에 대한 HMDSO/(HMDSO+C6F6)의 원료량의 비의 영향은 0.0, 0.2, 0.33, 1.0으로 증가하면서 시행하였다. Fig. 1 & 2에 나타낸 봐와 같이 그 비를 증가함에 따라 증착속도 및 유전상수는 거의 직선적으로 증가하였고,  FTIR으로 측정한 비정질 PTFE( ~740 cm-1)과 SiO2( ~1070 cm-1)의 결합 구조의 비가 정성적으로 거의 같은비로 증가함을 FTIR의 흡수율을 deconvolution하여 얻었다. 그 결과는 Fig. 3에 제시하였다. 또한 실리콘기판에 매우 좋은 접착력을 보였다.(Scotch Tape Test 통과) 그러나, 그 원료량 비가 0.0일 때 즉 C6F6와 수소를 사용하여 증착된 박막은 증착한 후 24시간이 지나지 않아서 박막이 벗겨짐을 알 수 있었다. 이는 증착 시에 가해진 ion bombardment에 의해 생긴 박막스트레스 때문으로 사료된다. 그러므로 HMDSO/(HMDSO+C6F6)의 원료량의 비가 0.2에서 증착한 박막(유전상수=2.5)을 대상으로 300, 400, 그리고 500 oC로 온도를 상승하면서 열에 대한 안정성 실험을 수행하였다. Fig. 4는 온도가 300 oC로 증가함에 따라 중량 및 유전상수의 감소는 -5%내에서  감소하였고 400 oC로 보다 더 증가함에 따라 거의 변화가 없음을 알 수 있었고, 유전상수의 변화는 오히려 2.5에서 2.2에로 감소하였다. 이는 Fig. 5에 보여 준봐와 같이 FTIR로 측정한 물분자(H-OH)의 피크(~3300 cm-1)가 300 oC에서 감소하다가 400 oC이상 온도에서는 거의 변화가 없는 것으로 보아 300 oC에서 박막속에 함유되어 있던 물분자가 증발함으로써 얻어진 결과라 생각된다. 또한 이 원료량의 비에서 증착 된 박막의 두께에 대한 박막의 안정성을 보기 위해 2□m까지 증착 하여 보았으나 벗겨짐이 없이 안정하였으며, 박막의 스트레스는 오히려 박막의 두께가 증가함에 따라 감소함을 알았다.

IV. Conclusions

결론적으로, 이런 결과들로 미루어 보아 본실험에서 증착된 불소화탄소/SiO2의 복합박막은 초고 집적회로에서 층간 절연막으로 사용 가능성을 가지고 있다는 결론에 도달하였다. 그러나, 미세화 된 금속 층간에 높은 aspect ratio에서의 우수한 매립 특성, 우수한 층덮게율(step coverage), 두께의 균질성(film Uniformity), 평탄화(planarization)등에 대한 보다 더 자세한 실험을 수행하여야만 될 것이다.

V. 감사의 글

본 연구는 한국과학재단 핵심전문과제 지원 연구비(과제번호 981-1106-030-2)와 공주대학교 자체 연구비에 의해 수행되었으며, 이에 감사를 드립니다.

VI. References

1.	Tetsuya Homma, Materials Science and Engineering, R23, No 6,	243(1998)

2.	S. P. Murarka, Materials Science and Engineering, R19, Nos. 3-4,	87(1997)

3.	Sang M. Han, and Eray S. Aydil, J. Vac. Sci. Technol. A 15(6),	2893(1997)

4.	S. P. Murarka, Solid State Technol., 39, 83(1996)

5.	A. K. Tasaka, U. Yoshiharu, I. Minoru, and O. J. of Po, I.	Minoru, and O. J. of	Polymer Science: Part A: Polymer	Chemistry, 34, 193(1996)

6.	A. Weber, R. Pockelmann, and C.-P. Klages, J. Vac. Sci. Technol.	A 16(4), 2120(1998)

7.	M. A. Lieberman and R. A. Gottscho, Physics of Thin Films, Vol	18, Chap. 1, Academic Press, New York (1994)

8.	U. Kortshagen, N. D. Gibson, and J. E. Lawler, J. Phys. D; Appl.	Phys. 29, 1224(1996)

Fig. 1 Effects of feed monomer ratio (HMDSO/(HMDSO+ C6F6) on deposition rate and refractive index

Fig. 2 Effects of feed monomer ratio (HMDSO/(HMDSO+ C6F6) on deposition rate and refractive index

Fig. 3 FTIR spectra of films obtained at feed monomer ratios(HMDSO /(HMDSO+C6F6) of:(a) 0.0, (b) 0.2, (c) 0.33, (d) 1.0

Fig. 4 Effect of annealing temperature on thickness, refractive index, and dielectric constant for the film deposited with a feed monomer ratio (HMDSO/(HMDSO +C6F6) of 0.2

Fig 5. Effect of Annealing Temperature on the change H-OH Peak observed by FTIR Spectrum