[논문]열처리한 SiOCH 박막의 결합모드와 유전상수 특성

김종욱; 황창수; 박용헌; 김홍배

doi:10.4313/jkem.2009.22.1.047

열처리한 SiOCH 박막의 결합모드와 유전상수 특성
Properties of Dielectric Constant and Bonding Mode of Annealed SiOCH Thin Film 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.22 no.1, 2009년, pp.47 - 52

김종욱 (청주대학교 전자공학과) , 황창수 (공군사관학교 물리학과) , 박용헌 (공군사관학교 물리학과) , 김홍배 (청주대학교 전자정보공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

We studied the electrical characteristics of low-k SiOCH interlayer dielectric(ILD) films fabricated by plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD). BTMSM precursor was evaporated and introduced with the flow rates from 16 sccm to 25 sccm by 1 sccm step with the constant flow rate of 60 sccm $O_2$ in process chamber. The vibrational groups of SiOCH thin films were analyzed by FT!IR absorption lines, and the dielectric constant of the low-k SiOCH thin films were obtained by measuring C-V characteristic curves. The heat treatment on SiOCH thin films reduced the FTIR absorption intensity of the Si-O-$CH_3$ bonding group and Si-$CH_3$ bonding group but increased the intensity of Si-O-Si(C) bonding group. The SiOCH ILD films could have low dielectric constant $k\;{\simeq}\;2$ and also be reduced further by decreasing the $CH_3$ group density and increasing Si-O-Si(C) group density through annealing process.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

계속돤 연구에서는 유량 변화 및 열처리에 의해 SiCOH 박막의 결합 모드들의 세기변화가 기공생성을 억제하면서 박막 내 자유공간을 증가시켜 견고하면서도 2.0 이하의 저유 전상 수를 안정적으로 획득할 수 있는 최적 기구를 밝혀나갈 계획이다.
본 연구에서는 capacitive coupled plasma (CCP) 방식의 PECVD 증착 방법을 이용하여 프리커서의 미세한 유량 변화에 따른 SiOC 박막의 특성을 조사하기 위하여 기판 온도, 전력, 증착 압력그리고 반응 가스인 산소 가스의 유량은 고정시키고 bistrimetylsilylmethane (BTMSM) 프리커서의유량을 1 seem 씩 변화시켜가며 SiOCH 박막을 증착하였다. 증착된 SiOC 박막은 열적 특성을 조사하기 위하여 450 笆로 진공상태에서 30분간 열처리하였다.
전구체의 유량 변화에 따라 제작된 SiOCH 박막의 결합구조 및 유전 상수에 대한 열처리 후의 특성을 확인해 보았다. 메틸기와 관련된 결합그룹이열처리에 대하여 불안정함을 나타내고 있으며, 반면에 low-k를 주도하는 주된 요인으로 보이는 Si-O-Si(C)의 결합구조는 열적으로 안정되고, 열처리 이후에 증가하는 것을 확인할 수 있다.

제안 방법

(Al/SiOC/p-Si) .구조를 제작하여 유전 상수 특성을 분석하였으며, SE(Spectroscopic Ellipsometer)를 이용하여 두께 및 굴절률을 측정하였다.
증착된 박막과 후 열처리된 SiOC 박막은 엘립소미터를 이용하여 두께와 굴절률을 측정하였으며, fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy을 이용하여 화학적 결합 구조를 분석하였다. 또한 MIS (Al/SiOCH/p-Si) 구조를 제작하여 유전상수 특성을 분석하였으며, 전구체의 해리과정에서 발생될 수 있는 Si, O, C, H, 및 CH3 등의 복잡한 결합구조들을 통하여 낮은 유전율 형성 기구에 대하여 연구하였다.
사용하였다. 박막 증착은 실온에서 실시하였으며, 작업 진공도는 3 Torr를 유지하였고, 증착에 필요한 에너지원으로 13.56 MHz의 RF를 450 W 로 인가하였으며, 그리고 샤워 헤드 (showr head)와 기판과의 거리는 1 cm로 하였다. 증착 변수로 이용한 BTMSM 프리커서의 유량비를 16 seem ~ 25 seem까지 1 seem 씩 변화시켜가며 증착하였으며, 반응 가스로 사용한 산소의 유량은 60 seem으로 일정하게 유지하였다.
본 연구에서는 하이브리드 타입 (hybrid-type)의 SiOC 박막이 radio-frequency (RF:13.56 MHz) plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) 시스템을 이용하여 증착되었다. 증착에 사용된 PECVD 시스템은 AMAT 6" 웨이퍼용 (wafer type)의 P-5000시스템이다.
이러한 가스량은유량 제어장치 (MFC : mass flow controller)® 이용하여 제어하였다. 여러가지 BTMSM 프리커서 유량비로 증착된 SiOC 박막들은 열처리 효과를 연구하기 위하여 후 열처리하였으며, 열처리 온도는 450 ℃로 30분 동안 진공 상태에서 실시하였다.
SiCh막 중의。원자를 F와 C와 日등의 저분자극원자로 전환하여 추진했다. 댓) nm node 도입 이후로는 C를 추가해 밀도를 저감시킨 SiOC가 주류를 이루고 있다[2丄 기존의 층간 절연막인 SiO₂ 물질에 Tetramethylcyclotetrasiloxane(TMCTSX 이용한 SiCOH박막 형성에 따른 매우 낮은 유전상수 心8205)를 획득한 연구결과가 보고되었으며, Tetra或hoxysMne(TEOS)와 Bistrimethylsilyme … - 난 lang(BTMSM)을 이용하여 형성된 SiOF 및 SiOC 박막의 구조 분석을 통햔 저유전상수 형성기구도 보_고된 너卜 있다 3L
전구체 유량 비에 따른 SiOCH 박막 시편의 구성성분의 변화를 분석하기 위하여 퓨리에 변환 적외선 분광기 (FTIR : Fourier Transform Infrared spectroscopy)를 이용하였고, MIS (Al/SiOC/p-Si) .구조를 제작하여 유전 상수 특성을 분석하였으며, SE(Spectroscopic Ellipsometer)를 이용하여 두께 및 굴절률을 측정하였다.
증착에 사용된 PECVD 시스템은 AMAT 6" 웨이퍼용 (wafer type)의 P-5000시스템이다. 증착 공정 전부스터 펌프 (BP : booster pump), 드라이 펌프 (DP : dry pump) 그리고 미케니컬 펌프 (MP emechanical pump)를 이용하여 작업 챔버 내의 불순물을 제거하였으며 초기 진공도를 10-6 Torr까지 배기하였다. 증착에 사용된 프리커서는 실리콘 (Si) 원자와 탄소 (C) 원자를 함께 포함한 bistrimethylsilylmethane (BTMSM)이다.
증착된 SiOC 박막은 열적 특성을 조사하기 위하여 450 笆로 진공상태에서 30분간 열처리하였다. 증착된 박막과 후 열처리된 SiOC 박막은 엘립소미터를 이용하여 두께와 굴절률을 측정하였으며, fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy을 이용하여 화학적 결합 구조를 분석하였다.
증착된 SiOC 박막은 열적 특성을 조사하기 위하여 450 笆로 진공상태에서 30분간 열처리하였다. 증착된 박막과 후 열처리된 SiOC 박막은 엘립소미터를 이용하여 두께와 굴절률을 측정하였으며, fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy을 이용하여 화학적 결합 구조를 분석하였다. 또한 MIS (Al/SiOCH/p-Si) 구조를 제작하여 유전상수 특성을 분석하였으며, 전구체의 해리과정에서 발생될 수 있는 Si, O, C, H, 및 CH3 등의 복잡한 결합구조들을 통하여 낮은 유전율 형성 기구에 대하여 연구하였다.
의 액체로서 대기압에서의 끓는점과 녹는점은 각각 137 笆와 -41 ℃이다. 프리커서가 상온에서 액체 상태로 존재하므로 BTMSM이 담겨진 bubbler 를 실리콘 bath에 담가 30 ℃ 일정한 온도로 유지할 수 있도록 하였다. 프리커서는 아르곤(Ar) 가스를 이송가스로 사용하여 반응 챔버로 이동시켰으며 또한 SiOC 증착 시 반응가스로 산소 (02) 가스를 BTMSM 프리커서와 혼합하여 사용하였다.

대상 데이터

56 MHz) plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) 시스템을 이용하여 증착되었다. 증착에 사용된 PECVD 시스템은 AMAT 6" 웨이퍼용 (wafer type)의 P-5000시스템이다. 증착 공정 전부스터 펌프 (BP : booster pump), 드라이 펌프 (DP : dry pump) 그리고 미케니컬 펌프 (MP emechanical pump)를 이용하여 작업 챔버 내의 불순물을 제거하였으며 초기 진공도를 10-6 Torr까지 배기하였다.
박막 증착 시 사용한 기판은 p-type (100) Si 웨이퍼를 사용하였다. 박막 증착은 실온에서 실시하였으며, 작업 진공도는 3 Torr를 유지하였고, 증착에 필요한 에너지원으로 13.
증착 공정 전부스터 펌프 (BP : booster pump), 드라이 펌프 (DP : dry pump) 그리고 미케니컬 펌프 (MP emechanical pump)를 이용하여 작업 챔버 내의 불순물을 제거하였으며 초기 진공도를 10-6 Torr까지 배기하였다. 증착에 사용된 프리커서는 실리콘 (Si) 원자와 탄소 (C) 원자를 함께 포함한 bistrimethylsilylmethane (BTMSM)이다. BTMSM 프리커서는 무독성, 무색.
프리커서가 상온에서 액체 상태로 존재하므로 BTMSM이 담겨진 bubbler 를 실리콘 bath에 담가 30 ℃ 일정한 온도로 유지할 수 있도록 하였다. 프리커서는 아르곤(Ar) 가스를 이송가스로 사용하여 반응 챔버로 이동시켰으며 또한 SiOC 증착 시 반응가스로 산소 (02) 가스를 BTMSM 프리커서와 혼합하여 사용하였다. 또한 프리커서 이송 중의 재응축을 방지하기 위하여 가스 전송라인을 30 ℃로 일정하게 유지하였다.

성능/효과

이것은 박막 표면의 C 원자가 아직 박막 내의 Si-O-Si(C) cross link와 충분히 결합되지 않아서 높은 유전 상수가 측정되는 것이다. 그러나 열처리된 SiOCH 박막의 유전 상수는 BTMSM 유량이 18 seem인 시편에서 최고 2.34로 측정되었고 BTMSM 유량이 20 seem 인 시편에서 L67로 제일 낮은 유전 상수 값을 얻었다. 열처리 후 SiOCH 박막은 상온 증착된 막과는 달리 BTMSM 유량이 증가할수록 유전상수가 감소하는 경향을 보이며, 열처리된 박막의 유전 상수는 열처린 전의 SiOCH 박막에 비해 상대적으로 낮다.
BTMSM 유량 변화에 따라서 유전 상수는 비례적으로 증가하거나 감소하지 않는다. 그림 4에서 나타난 바와 같이 상온에서 증착한 SiOCH 박막의 유전상수는 BTMSM 유량이 22 seem인 시편일 때 최저 1.99로 측정되었고, BTMSM 유량이 24 seem인 시편일 때 최고 2.82로 측정되었다. 열처리 전의 SiOCH 박막의 유전 상수는 다소 높게 측정되었다.
이 보고 바와 일치한다[11, 12]. 따라서 SiOCH 박막의 유전 상수 감소는 이온성 결합그룹의 감소와 공간밀도 삭감으로 인한 평균 전기쌍극자의 줄어듬에 의한 것으로 볼 때 메틸기 관련룹의 축소가 저유 전상 수 형성기구의 중요한 원인이 될 것이라 판단된다. Si.
확인해 보았다. 메틸기와 관련된 결합그룹이열처리에 대하여 불안정함을 나타내고 있으며, 반면에 low-k를 주도하는 주된 요인으로 보이는 Si-O-Si(C)의 결합구조는 열적으로 안정되고, 열처리 이후에 증가하는 것을 확인할 수 있다. Si-O-Si(C) 결합구조의 증가는 메틸기가 해리되는과정에서 C와 H가 박막 내의 실리콘 원자와 2차결합에 의한 것으로 생각된다.
열처리 후 Si-O-Si(C) 결합 그룹과 Si-H 결합그룹의 면적이 증가하였고, Si-O-CHs 결합 그룹과 Si-CHs 그룹 그리고 CHx 결합 3룹의 면적이 감소하였다. 면적이 감소한 3그룹들은 메틸기와 관련된 결합그룹으로 열처리 이후에 메틸기가 해리되는 과정에서 소멸하는 경향성을 보이는 결과는 A.
34로 측정되었고 BTMSM 유량이 20 seem 인 시편에서 L67로 제일 낮은 유전 상수 값을 얻었다. 열처리 후 SiOCH 박막은 상온 증착된 막과는 달리 BTMSM 유량이 증가할수록 유전상수가 감소하는 경향을 보이며, 열처리된 박막의 유전 상수는 열처린 전의 SiOCH 박막에 비해 상대적으로 낮다. 이것은 열처리 후의 SiOCH 박막 내부에 메틸기의 해리에 의한 탄소 원자와 산소 원자의 재배열에 의해 link 구조가 변화되기 때문이다.

참고문헌 (15)

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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