플라즈마 화학기상증착법을 이용한 저유전체 박막의 제조 및 특성

김태희, 홍주형, 한윤봉

전북대학교 화학공학부

Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition and

Characterization of Low-k Dielectric Thin Film

Tae-Hee Kim, Joo-Hyung Hong, Yoon-Bong Hahn

School of Chemical Engineering and Technology,

Chonbuk National Uninversity, Chonju 561-756, Korea

서론

최근 ULSI(Ultralarge Scale Integration)소자는 소형화, 고속화에 동반하여 집적도 향상이 중요한 과제가 되고 있다. 이에 따라 다층 배선 구조가 ULSI소자 제작에 있어 핵심 기술이 되고 있다. 그러나 배선 폭, 배선 간격의 감소로 인해 배선간 기생용량(parasitic capacitance) 및 배선 저항이 증가하여 고성능 ULSI소자의 고속 동작에 방해가 된다고 보고되고 있다. 이러한 배선간 지연을 해결하기 위해서는 배선 금속의 저항과 층간 절연막의 기생용량을 감소시키는 것이 필연적이다.1-3 이러한 이유로 배선 금속은 알루미늄에서 상대적으로 비저항이 작은 구리로 대체되고 있는 추세이다4.5.  이로 인하여 현재 층간 절연막으로 많이 이용되고 있는 SiO2보다 유전상수가 낮은 저유전체 박막에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.6-8

본 연구에서는 조성가스로 SiH4와 CF4를 사용한 플라즈마 화학기상증착법을 이용하여  SiCF(Fluorocabonated Silicon)박막을 제조하였다. 조성가스의 유량 및 증착온도, rf power와 같은 공정변수를 변화시키며 다양한 조건에서 증착된 박막의 증착속도, 유전상수 및 화학적 특성을 연구하였다.

실험

본 연구에서 사용된 기판은 B-doped Si(100)기판을 이e용하였으며, SiCF박막을 증착하기 위해 사용된 장비는 13.56MHz rf source를 이용하는 Vacuum Science PECVD(VSPS-120M)를 사용하였다. SiCF박막을 제조하기 위해 사용된 원료가스는 SiH4(20% in Ar)과 CF4(99.999%)를 사용하고 혼합관과 shower head를 통해 반응기로 유입하였다. 원료가스의 조성 변화 실험에서는 증착온도를  200℃, rf power를 80W, SiH4의 유량을 2sccm으로 고정한 후 CF4의 유량을 각각 10, 20, 30, 40sccm으로 변화 시켰다. 증착온도에 따른 박막의 특성을 조사하기 위해서 SiH4 2sccm, CF4 30sccm, rf power 80W에서 증착온도를 각각 50℃,

100℃, 200℃, 300℃로 변화시켰다. 또한 rf power 변화에 의한 실험에서는 원료가스의 유량을 각각 SiH4 2sccm, CF4 30sccm으로 고정하고, 증착온도 200℃에서 rf power를 40W, 60W, 80W, 120W로 변화시키며 실험하였다. 또한 공정 압력은 약 500∼600 mTorr이었다.

이러한 실험을 통해 증착된 박막의 두께는 □-step으로 측정하였다. 증착 온도 변화에 대한 표면의 거칠기를 알아 보기 위해 AFM(Atomic Force Microscope)을 이용하였으며, FT-IR(Fourier Transform Infrared Spectroscopy)로 증착된 박막의 화학적 결합 구조를 보고자 하였다.

* Author for all correspondence. E-mail: ybhahn@moak.chonbuk.ac.kr

유전 상수는 SiCF박막 위에 면적이 1.96×10-3cm2인 알루미늄 전극을 증착하여 MIS(metal-insulator-semiconductor)  구조를 만들어 HP4284 LCR meter로 1MHz의 고정 주파수에서 C-V(capacitance-voltage)측정을 통해 구할 수 있었다.

결과 및 토의

그림 1은 SiH4와 CF4의 유량, 증착온도를 각각 2sccm, 30sccm, 200℃로 고정하고 rf power를 40W에서 120W까지 상승시키며 실험하여 각각의 시료에 대해 □-step으로 박막의 두께를 측정하여 증착 속도를 구한 결과이다.  그림에서 보는 바와 같이 rf power가 80W까지는 증착속도가 증가되다가 120W에서는 감소하는 것을 알 수 있다.  이는 rf power가 증가할수록 플라즈마의 밀도가 증가하고 증착에 참여하는 반응종들이 많이 생성되기 때문이다.  그러나, 120W 이상의 rf power에서는  self bias가 증가하여 ion bombardment로 인해 반응종들의 증착이 방해되기 때문으로 생각된다.

그림 2는 증착 온도가 SiCF박막의 증착속도에 미치는 영향을 나타낸다. 그림에서 알 수 있는 바와 같이 rf power를 80W로 고정하고 반응기내로 유입되는 가스량을 고정했기 때문에 증착 속도는 증착온도가 증가함에 따라 거의 선형적으로 감소함을 알 수 있다.

그림 3은 CF4유량변화에 대한 SiCF박막의 증착속도를 나타내고 있다.  CF4의 유량이 30sccm에서 가장 높은 증착속도를 보이고 있다. CF4의 유량이 40sccm에서 증착속도가 감소하는 경향을 보이며 이러한 이유는 유량이 증가함에 따라 반응기내의 압력이 높아짐에 따라 플라즈마 이온 밀도는 증가하지만 상대적으로 증착에 참여하는 반응종들의 밀도가 감소하기 때문이다.

그림 4는 CF4 유량변화에 따른 SiCF 박막의 화학결합상태를 나타내는 FTIR spectra이다.  900cm-1부근에서 Si-F결합과, 1108cm-1부근에서 관찰되는 C-F결합에서 박막 내에 존재하는 화학적 결합상태를 알 수 있다. 또한 CF4의 유량을 10sccm에서 40sccm으로 증가함에 따라 1108cm-1에서의 C-F결합이 점차 증가하였다.

그림 5는 SiCF박막의 증착온도 변화에 대한 표면거칠기를 나타낸다. 표면의 거칠기는 증착온도가 증가함에 따라 1.161nm에서 0.48nm로 감소하였다. 이러한 결과들은 증착온도가 높을수록 증착속도는 감소하지만 더욱 치밀한 양질의 박막을 얻을 수 있음을 알 수 있다.

또한 가스유량, 증착온도, rf power변화에 따른 모든 시료에 대해 C-V 측정을 하여 구한 유전상수는 1.7∼2.0 이었다.

결론

원료가스로 SiH4과 CF4를 이용한 플라즈마 화학기상증착법으로 SiCF저유전체 박막을 증착하였다. SiCF박막의 증착속도는 80W rf power, 증착온도 50℃, CF4의 유량은 30sccm에서 가장 높은 증착속도를 나타냈다.  그러나 증착온도가 증가할수록 보다 치밀한 양질의 박막이 증착되었다.  다양한 조건에서 증착된 SiCF박막의 유전상수를 C-V를 통해 측정한 결과 1.7∼2.0의 매우 낮은 유전상수를 갖는 저유전체 박막을 증착하였다.

참고문헌

1. W. Lee and P. Ho, Mat. Res. Soc. Bulletin 22, 19 (1997).

2. N. Hacker, Mat. Res. Soc. Bulletin 22, 33 (1997).

3. M. Bohr, IEDM Tech. Digest, p. 241, (1995).

4. R. Kroger, M. Eizenberg, D. Cong, N. Yoshida, L.Y. Chen, S. Ramaswami, and D. Carl, J. Electrochem. Soc., 146, 9 (1999).

5. N. I. Cho, D. I. Park, C. K. Kim and Y. S. Kim, J. Kor. Association of Crystal Growth, 6, 3(1996)

6. K. Endo, T. Tatsumi, Appl. Phys. Lett. 68, 2864 (1996).

7. Kazuhiko Endo. Keisuke Shinda, and Toru Tatsumi, J. Appl. Phys., 86, 5 (1999)

8. T. W. Mountsier and D. Kumar, Mat. Res. Soc. Proc. 443, 41 (1996)

그림 1. rf power변화에 대한 SiCF 박막의 증착속도.

그림 2. 증착온도변화에 대한 SiCF박막의 증착속도.

그림 3. CF4유량변화에 대한 SiCF박막의 증착속도.

그림 4. CF4유량변화에 대한 FTIR spectra.

(A) rms = 1.161nm

(B) rms = 1.096nm

(C) rms = 0.521nm

(D) rms = 0.480nm

그림 5. 증착온도 변화에 대한 SiCF박막의 표면거칠기: (A)50℃, (B)100℃, (C)200℃, (D)300℃, SiH4 2sccm, CF4 30sccm, rf power 80W.