저유전체 SiCFO 박막의 PECVD 제조 및 특성

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

김태희, 한윤봉

전북대학교 화학공학부

Properties of Low-k SiCFO Films Prepared by

Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition

Tae-Hee Kim, Yoon-Bong Hahn

School of Chemical Engineering and Technology,

Chonbuk National Uninversity, Chonju 561-756, Korea

서론

반도체 공정기술의 발달로 반도체칩의 고집적화와 고속화의 추세가 급속하게 진행됨에 따라 배선 구조의 기하학적인 크기의 감소는 층간유전체(interlayer dielectrics)의 기생 축전용량(parasitic capacitance)을 증가시키는 결과를 초래하였다[1]. 소자의 최소 선폭이 0.25 □ 이하로 축소하게 됨에 따라 그 동안 사용되던 SiO2 산화막으로는 RC 지연을 억제하는 데 한계를 보이게 되었다. 이와 같은 이유로 SiO2보다 유전율이 작은 새로운 층간 유전체 재료를 도입해야 하는 필요성이 대두되었고, 새로운 물질의 개발을 위해 연구활동이 활발하게 이루어지고 있다.

본 연구에서는 화학적·열적 안정성이 우수한 저유전체 박막을 제조하기 위하여  PECVD법으로 SiCFO(fluoro-oxy-carbonated silicon)박막을 증착하고, 증착박막의 화학적·전기적 특성을 분석하였다. PECVD 공정변수가 증착속도와 특성에 미치는 영향과 제조된 박막의 열적 안정성에 관한 연구를 수행하였다.

실험

SiCFO 저유전체 박막을 성장하기 위해 사용한 PECVD 장치는 원료기체 공급라인, 진공시스템, 13.56 MHz RF(radio frequency) 발생장치 및 평행전극판이 있는 수직반응기로 구성되어 있다. 본 실험에 사용된 기판은 Boron doped p-type Si(100) 기판를 사용하였다. SiCFO 박막의 증착을 위해 사용한 원료기체는 20 % SiH4 (in Ar) 이 Si을 제공하는 원료로 사용되었으며 99.999 % 이상의 고순도 CF4 가 C, F을 제공하는 원료기체로 사용되었다. 또한 플라즈마를 안정화시키고 SiH4의 순도를 조절하기 위해 99.999 % 이상의 Ar 기체를 사용하였다.

결과 및 고찰

A. CF4 유량변화의 영향

SiH4 유량 2 sccm, 증착 온도 200 ℃, RF power 80 W로 일정하게 유지하면서 CF4 가스유량을 10, 20, 30 및 40 sccm으로 변화시키면서 박막의 증착 특성을 연구하였다.     Fig. 1은 CF4 유량에 따른 증착속도와 유전상수(top), FT-IR 스펙트라(middle) 및 SiCFO 박막의 조성(bottom) 변화를 나타낸 것이다. 유전상수는 1.3∼2.2정도를 나타내었다.  CF4 유량이 증가할 수록 증착속도가 증가하는 이유는 Si 라디칼과 반응하는 C와 F 라디칼의 농도가 증가하기 때문이다. 그러나 SiH4에 대한 CF4의 비가 너무 커지게 되면 F 라디칼에 의한 식각반응이 우세하게 되어 오히려 증착속도가 감소하게 된다. FT-IR 분석결과(Fig. 1의 middle)는 약 900 cm-1 근처에서 Si-F의 스트레칭 모드에 해당하는 피크가 나타났으며, 1100 cm-1 근처에 서 C-F의 모드에 해당하는 피크가 관찰되었다. 1450 cm-1 에서 CFx에 해당하는 모드와 1600 cm-1에서 Si-C, C=C에 해당하는 피크를 관찰할 수 있었다. 또한 840 cm-1 근처와 1100 cm-1 근처에서 Si-O-Si 결합의 벤딩모드와 스트레칭모드가 각각 관찰되었다. 이러한 결과로 볼 때 SiCFO 박막내에 Si, C, F 성분 및 O이 함께 포함되어 있음을 알 수 있다. EDS 분석을 통해 박막내에 존재하는 성분 원소들의 정량적인 분석을 실시하였으며, 그 결과를 Fig.1 (bottom)에 나타냈다. 30 sccm 까지는 Si:C = 1:1로 일정하게 유지됨을 알 수 있다.

B. RF Power 의 영향

RF power 변화에 대한 증착특성을 관찰하기 위하여 RF power를 40, 60, 80 및 120 W로 변화시키면서 박막을 증착하였다. Fig. 2는 RF power에 따른 증착 속도와 유전상수(top),FT-IR 스펙트라(middle) 및 SiCFO 박막의 조성(bottom) 변화를 나타낸 것이다. RF power 증가에 따라 증착속도가 증가하다가 80 W에서 최고치를 나타내었으며, 120 W에서는 증착속도가 감소하는 결과를 보였다. 이것은 RF power증가에 따라 플라즈마 활성화에 의해 박막의 증착 반응이 촉진되다가 120 W 이상의 높은 출력에서는 SiH4 와 CF4의 이온화율이 높아지고, 이온들의 전극에 대한 ion bombardment효과가 커져서 오히려 증착된 SiCFO 박막을 스퍼터링시키거나, 기판 표면에 흡착된 반응종들이 반응하기 전에 스퍼터링에 의해 탈착되기 때문으로 판단된다. RF Power 40 W와 120 W에서 증착한 박막의 유전율이 1.3으로 가장 낮은 값을 나타내었고, 60과 80 W에서 증착한 박막의 유전율은 1.6이었다. 이 값은 지금까지 보고된 SiO2 (k=3.9∼4.2)[2], SiOF(k = 3.0 ∼ 3.5)[2] 및 a-C:F (k = 2.0 ∼ 3.0)[3] 등의 저유전체 박막의 유전상수와 비교했을 때 상당히 낮은 유전상수이다. RF power 변화에 따른 FT-IR 스펙트라(Fig.2의 middle)는 RF power가 증가할 수록 900 cm-1 근처에 서 Si-F 피크와 1100 cm-1 근처에서 C-F의 피크가 증가하다가 120 W에서는 Si-F 피크와 C-F 피크가 크게 감소함을 나타냈다. 이것은 앞에서 설명한 바와 120 W 이상의 높은 출력에서는 이온들의 bombardment 효과때문에 휘발성이 큰 불화물이 탈착되었기 때문으로 판단된다. 이러한 결과는 EDS를 통한 SiCFO 박막내의 성분 분석결과(Fig.2 bottom)와도 잘 일치한다.

C. 증착온도의 영향

기판 온도가 증착에 미치는 영향을 알아보기 위하여 50∼300 ℃의 온도 범위내에서 변화시켰고, 나머지 공정 변수들은 2 sccm SiH4, 30 sccm CF4, 80 W RF power로 일정하게 유지하였다. Fig. 3은 증착온도 변화에 따른 증착속도와 유전상수(top), FT-IR 스펙트라(middle) 및 SiCFO 박막의 조성(bottom) 변화를 나타낸 것이다. 증착 온도가 증가할 수록 증착속도가 감소하는 것은 실온으로 공급되는 원료기체와 기판 표면간의 온도차로 인해 기판 상부 방향으로 일어나는 열전달 현상이 일어나서 반응종들의 실리콘 기판위에 부착할 확률이 온도가 높아질 수록 낮아지기 때문이다. 증착온도변화에 대한 FT-IR 스펙트라(Fig. 3의 middle)는 증착 온도가 증가할 수록 약 900 cm-1 근처 에서 Si-F의 피크의 강도가 약간씩 감소하는 경향을 나타냈다. 이것은 기판온도가 상승함에 따라 휘발성이 큰 불화물(fluoride)이 탈착되기 때문이지만, 박막의 물성이 변화될 정도로 불화물의 탈착이 일어나지 않는 것으로 판단된다. 기판온도변화에 대한 SiCFO 박막들의 EDS 분석 결과(bottom)에서도 알 수 있듯이 기판 온도가 상승함에 따라 휘발성이 큰 F 성분의 농도가 점차 감소함을 확인할 수 있었다.

D. Si 기판과의 접합성

Fig. 4는 2 sccm SiH4, 30 sccm CF4, 증착온도 200 ℃ 및 80 W RF에서 성장한 SiCFO 박막의 단면을 SEM으로 관찰한 결과이다. SEM 단면 사진에서 알 수 있는 바와 같이 증착된 SiCFO 박막은 Si기판과의 접합성도 상당히 우수하였다

E. 열적안정성

박막의 열적안정성을 측정하기위해 10-2 Torr정도로 감압한 후에 질소분위기에서 20분동안열처리를 실시하였다. 열처리 후에 박막내의 화학적 결합상태의 변화를 알아보기 위해 FT-IR 분석을 했다. Fig. 5는 2 sccm SiH4, 20 sccm CF4, 80 W RF, 200 oC에서 증착한

Fig. 1. Effect of CF4 flow rate on growth rate and dielectric constant (top), FT-IR spectra (middle), and stoichiometry (bottom).

Fig. 2. Effect of RF power on growth rate and dielectric constant (top), FT-IR spectra (middle), and stoichiometry (bottom).

박막을 400 oC 및 500 oC에서 20분 동안 열처리한 후 FT-IR로 측정한 결과를 비교한 것이다. 400 oC 열처리후에는 Si-F, C-F, Si-O의 결합은 잘 유지되고 있지만, 500 oC 열처리후에는 이들 결합이 약해지거나 없어졌음을 알 수 있다. Fig. 6은 CF4 유량을 변화 시키면서 증착한 박막들에 대해 열처리 전후의 유전상수를 비교하여 나타낸 것이다. 400 oC에서 열처리한 박막들의 유전상수는 0.1 정도의 차이로서 as-grown 박막과 비슷한 값을 나타냈는데, 이는 본 연구에서 제조한 박막이 400 oC에서도 상당히 열적으로 안정함을 나타낸다. 반면에 500 oC 열처리후에는 열처리 전과 비교하여 0.5 - 0.9 정도로 높은 값을 나타냈는데, 이는 열처리에 의해 박막 내에 존재하던 F 성분이 상당히 감소하여 분극율이 낮은 Si-F, C-F의 밀도가 감소하였기 때문으로 판단된다.

Fig. 4 SEM images of the as-grown SiCFO films.

Fig. 5 T-IR spectra of the as-grown and annealed at 400 and 500 oC for 20 min.

Fig. 3. Effect of growth temperature on growth rate and dielectric constant (top), FT-IR spectra (middle), and stoichiometry (bottom).

Fig. 6 ffect of annealing temperature on dielectric constant of the SiCFO films deposited at various CF4 flow rates.

결론

플라즈마 화학증착법을 이용하여 저유전체 SiCFO 박막을 저온에서 증착할 수 있는 가능성을 연구하였다. 공정변수들이 SiCFO 특성에 미치는 영향을 실험하였으며, 증착박막은 유전율이 1.3-2.7이고, 화학적·열적 안정성이 우수하여 지금까지 보고된 저유전체 박막보다 우수한 특성을 나타냈다.

참고문헌

[1] W. W. Lee and P. S. Ho, □Low-Dielectric-Constant Materials for ULSI Interlayer- Dielectric Applications□, Mater. Res. Bull. 22(10) (1997) 19.

[2] K. Endo and T. Tatsumi, "Deposition of Silicon dioxide films on amorphous carbon films by plasma enhanced chemical vapor deposition for low dielectric constant interlayer dielectrics", Appl. Phys. Lett. 70(1997) 1078.

[3] K. Endo, and T. Tatsumi, "Fluorinated amorphous carbon thin films grown by plasma enhanced chemical vapor deposition for low dielectric constant interlayer dielectrics", J. Appl. Phys. 78 (1995) 1370.