[논문]기공형성에 의한 SiOCH 박막의 유전 특성

김종욱; 박인철; 김홍배

기공형성에 의한 SiOCH 박막의 유전 특성
Dielectric Characteristics due to the nano-pores of SiOCH Thin Flm 원문보기

반도체및디스플레이장비학회지 = Journal of the semiconductor & display equipment technology, v.8 no.3, 2009년, pp.19 - 23

김종욱 (청주대학교 전자공학과) , 박인철 ((주)퓨쳐하이테크) , 김홍배 (청주대학교 전자정보공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

We have studied dielectric characteristics of low-k interlayer dielectric materials was fabricated by plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD). BTMSM precursor was introduced with the flow rates from 24 sccm to 32 sccm by 2 sccm step in the constant flow rate of 60 sccm $O_2$. Then, SiOCH thin film deposited at room temperature was annealed at temperature of $400^{\circ}C$ and $500^{\circ}C$ for 30 minutes in vacuum. 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. With the result that FTIR analysis, as BTMSM flow rate increase, relative carbon content of SiOCH thin film increased from 29.5% to 32.2%, and increased by 32.8% in 26 sccm specimen after $500^{\circ}C$ annealing. Dielectric constant was lowest by 2.32 in 26 sccm specimen, and decreased more by 2.05 after $500^{\circ}C$ annealing. Also, leakage current is lowest by $8.7{\times}10^{-9}A/cm^2$ in this specimen. In the result, shift phenomenon of chemical bond appeared in SiOCH thin film that BTMSM flow rate is deposited by 26 sccms, and relative carbon content was highest in this specimen and dielectric constant also was lowest value

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 capacitive coupled plasma (CCP) 방식의 PECVD 증착 방법을 이용하여 프리커서의 미세한 유량 변화에 따른 SiOCH 박막의 특성을 조사하기 위하여 기판 온도, 전력, 증착 압력 그리고 반응 가스인 산소 가스의 유량은 고정시키고 bistrimetylsilylmethane(BTMSM) 프리커서의 유량을 2 sccm씩 변화시켜가며 SiOCH 박막을 증착하였다. 증착된 SiOCH 박막은 열적 특성을 조사하기 위하여 400 ℃와 500 ℃로 진공상태에서 30분간 열처리하였다.
증착된 SiOCH 박막은 열적 특성을 조사하기 위하여 400 ℃와 500 ℃로 진공상태에서 30분간 열처리하였다. 이러한 실험 결과들을 바탕으로 결합구조의 변화와 유전상수 그리고 누설 전류에 대한 상호 연관성을 조사하고자 한다.

제안 방법

FTIR (Fourier Transform Infrared) 흡수 스펙트럼을 이용하여 SiOCH 박막의 결합 구조 특성을 분석하였다. 그림 1은 BTMSM 유량 변화 (24~32 sccm, 2 sccm씩 증가)에 따라 상온에서 증착된 데이터로 500 cm^-1부터 4000 cm^-1의 영역에서의 의 FTIR 흡수 스펙트럼을 나타내고 있다.
Oxygen gas의 유량을 60 sccm으로 고정시키고 BTMSM 프리커서 유량을 24~32 sccm으로 변화시켜 가며 PECVD 방식을 이용하여 상온에서 SiOCH 박막을 형성하였다. 열처리 전과 열처리 후의 SiOCH 박막의 FTIR과 전기적 특성을 분석한 결과 BTMSM 유량이 26 sccm인 시료에서 SiOCH 박막의 전하수송기구가 절연특성이 양호해 지는 방향으로 변화됨을 확인하였으며, 이 경우 유전상수 값은 500°C 열처리 후 2.
화학세정 후에 탈 이온수 (DI water) 초음파 세척을 하였으며, 건조 질소를 이용하여 건조하였다. 박막 증착은 실온에서 실시하였으며, 작업 진공도는 3 Torr를 유지하였고, 증착에 필요한 에너지원으로 13.56 MHz의 RF를 450 W로 인가하였으며, 그리고 샤워 헤드 (showr head)와 기판과의 거리는 1 cm로 하였다. 증착 변수로 이용한 BTMSM 프리커서의 유량비를 24 sccm~32 sccm까지 2 sccm씩 변화시켜가며 증착하였으며, 반응 가스로 사용한 산소의 유량은 60 sccm으로 일정하게 유지하였다.
56 MHz의 RF를 450 W로 인가하였으며, 그리고 샤워 헤드 (showr head)와 기판과의 거리는 1 cm로 하였다. 증착 변수로 이용한 BTMSM 프리커서의 유량비를 24 sccm~32 sccm까지 2 sccm씩 변화시켜가며 증착하였으며, 반응 가스로 사용한 산소의 유량은 60 sccm으로 일정하게 유지하였다. 이러한 가스량은 유량 제어장치 (MFC : mass flow controller)를 이용하여 제어하였다.
본 연구에서는 capacitive coupled plasma (CCP) 방식의 PECVD 증착 방법을 이용하여 프리커서의 미세한 유량 변화에 따른 SiOCH 박막의 특성을 조사하기 위하여 기판 온도, 전력, 증착 압력 그리고 반응 가스인 산소 가스의 유량은 고정시키고 bistrimetylsilylmethane(BTMSM) 프리커서의 유량을 2 sccm씩 변화시켜가며 SiOCH 박막을 증착하였다. 증착된 SiOCH 박막은 열적 특성을 조사하기 위하여 400 ℃와 500 ℃로 진공상태에서 30분간 열처리하였다. 이러한 실험 결과들을 바탕으로 결합구조의 변화와 유전상수 그리고 누설 전류에 대한 상호 연관성을 조사하고자 한다.
이러한 가스량은 유량 제어장치 (MFC : mass flow controller)를 이용하여 제어하였다. 증착된 박막은 fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy를 이용하여 화학적 결합 구조를 분석하였으며, MIS (Al/SiOCH/p-Si) 구조를 제작하여 유전상수와 누설 전류 측정을 통하여 전기적 특성을 분석하였다.
그림 3은 열처리 전과 열처리 후의 SiOCH 박막내의 BTMSM 유량 변화에 따른 탄소 함량을 FTIR 스펙트럼을 이용하여 계산한 결과이다. 탄소 함량은 상대적인 값으로서 FTIR 스펙트럼의 950 cm^-1 에서부터 1,210 cm^-1까지의 영역을 가우시안 피크 피팅하여 디컨벌루션을 수행한 세 가지 결합 모드의 피크 면적을 이용하여 계산하였다. 각 결합 모드는 SiOCH 박막을 이루는 Si-C, O-C 그리고 Si-O 결합 모드로서 각각의 면적 대비 탄소 원자의 상대적인 함량을 식 (1)을 이용하여 계산하였다.
프리커서가 상온에서 액체 상태로 존재하므로 BTMSM이 담겨진 bubbler를 실리콘 bath에 담가 30°C 일정한 온도로 유지할 수 있도록 하였다.
박막 증착 시 사용한 기판은 ptype (100) Si 웨이퍼로서 반응 챔버에 로딩 전에 표면의 유기물 제거를 위하여 아세톤 보일링을 실시하였으며, 또한 자연 산화막의 제거를 위하여 10 : 1로 희석 시킨 불화수소 (HF) 용액을 이용하였다. 화학세정 후에 탈 이온수 (DI water) 초음파 세척을 하였으며, 건조 질소를 이용하여 건조하였다. 박막 증착은 실온에서 실시하였으며, 작업 진공도는 3 Torr를 유지하였고, 증착에 필요한 에너지원으로 13.

대상 데이터

프리커서는 아르곤(Ar) 가스를 이송가스로 사용하여 반응 챔버로 이동시켰으며 또한 SiOCH 증착시 반응가스로 산소 (O₂) 가스를 BTMSM 프리커서와 혼합하여 사용하였다. 박막 증착 시 사용한 기판은 ptype (100) Si 웨이퍼로서 반응 챔버에 로딩 전에 표면의 유기물 제거를 위하여 아세톤 보일링을 실시하였으며, 또한 자연 산화막의 제거를 위하여 10 : 1로 희석 시킨 불화수소 (HF) 용액을 이용하였다. 화학세정 후에 탈 이온수 (DI water) 초음파 세척을 하였으며, 건조 질소를 이용하여 건조하였다.
증착에 사용된 PECVD 시스템은 AMAT 6인치 웨이퍼용 (wafer type)의 P-5000 시스템이다. 증착에 사용된 프리커서는 실리콘 (Si) 원자와 탄소 (C) 원자를 함께 포함한 BTMSM이다.
증착에 사용된 PECVD 시스템은 AMAT 6인치 웨이퍼용 (wafer type)의 P-5000 시스템이다. 증착에 사용된 프리커서는 실리콘 (Si) 원자와 탄소 (C) 원자를 함께 포함한 BTMSM이다. BTMSM 프리커서는 무독성, 무색의 액체로서 대기압에서의 끓는점과 녹는점은 각각 137°C와 -41°C이다.
프리커서가 상온에서 액체 상태로 존재하므로 BTMSM이 담겨진 bubbler를 실리콘 bath에 담가 30°C 일정한 온도로 유지할 수 있도록 하였다. 프리커서는 아르곤(Ar) 가스를 이송가스로 사용하여 반응 챔버로 이동시켰으며 또한 SiOCH 증착시 반응가스로 산소 (O₂) 가스를 BTMSM 프리커서와 혼합하여 사용하였다. 박막 증착 시 사용한 기판은 ptype (100) Si 웨이퍼로서 반응 챔버에 로딩 전에 표면의 유기물 제거를 위하여 아세톤 보일링을 실시하였으며, 또한 자연 산화막의 제거를 위하여 10 : 1로 희석 시킨 불화수소 (HF) 용액을 이용하였다.

성능/효과

1 MHz C-V 측정으로부터 계산된 유전 상수 값이 BTMSM 유량이 26 sccm인 시료에서 가장 낮았으며, 열처리 전 2.32에서 500°C 열처리 후 그 값은 2.05로 감소하였다.
400°C와 500°C 열처리 후 상대적인 탄소함량은 BTMSM 유량이 적은 영역 (24~26 sccm)에서는 증가하였고, BTMSM 유량이 많은 영역 (28~32 sccm)에서는 감소하는 경향을 나타내었다.
상온 증착된 SiOCH 박막에서 BTMSM 유량 변화에 따른 1MHz 측정에 의한 유전 상수의 변화가 큰 반면, 굴절률의 제곱으로 표현되는 전자 분극에 의한 유전 상수 값은 거의 변화가 없었다. 이것은 유전 상수 변화에 주요인이 메틸 그룹들이 산소를 치환하면서 생기는 이온 분극 감소에 의한 것을 의미한다.
상온 증착된 SiOCH 박막에서 BTMSM 유량 증가에 따라 탄소 함량이 약 29.5%에서 32.2%까지 증가하였다. 그러나 탄소 함량이 선형적으로 증가하는 것이 아니라 유량에 따라 탄소함량의 변화가 보이고 있다.
열처리 전과 열처리 후의 SiOCH 박막의 FTIR과 전기적 특성을 분석한 결과 BTMSM 유량이 26 sccm인 시료에서 SiOCH 박막의 전하수송기구가 절연특성이 양호해 지는 방향으로 변화됨을 확인하였으며, 이 경우 유전상수 값은 500°C 열처리 후 2.05로 가장 낮았으며, 누설전류 또한 8.7 × 10-9 A/cm2로 가장 우수한 전기적 특성을 나타났다.
열처리 후의 SiOCH 박막의 Si-(CH₃)x=1,2,3 신축진동 모드와 CHx=1,2,3 결합 모드 관련 결합들의 피크 강도가 다소 감소하는 경향을 보이고 있으며, Si-OO(C) 결합 모드 또한 열처리 후 약간의 변화를 보이고 있다. 이러한 결과는 열처리에 따른 결합들의 분해와 재결합에 의한 것으로서 CHx나 (CH₃)x 결합들이 열처리 후에 박막에서 제거되어 C 원자나 CH₃ 형태로 SiO-Si bond에 결합되어 Si-O-C bond로 변하는 것으로 생각 되어진다[10].
유량이 증가하면서 많은 메틸 (-CH3) 그룹들의 기공 형성에 의해 누설전류가 미세하게 증가하는 특성을 보이고 있으며, 그 크기는 대략 2 × 10-8 A/cm2 (@1MV/cm) 수준이었으며, 1.4 MV/cm 정도까지는 SiOC 박막이 파괴되지 않는 항복전압특성을 보였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	소자의 고속화에 장애가 되는 요소는 무엇인가?	반도체 산업이 45 nm process 기술 node로 접근함에 따라 신호처리 반응시간(RC delay time)의 극단적 증가, 층 사이의 정전용량 증가, cross talk noise 및 사용 전력량의 증가 현상 등이 소자의 고속화에 장애가 된다[1]. 따라서 RC delay를 낮추고 chip 성능을 증가시키기 위해 copper interconnect의 capacitance가 감소해야 한다[2].
	층간 절연막 및 금속접촉면에서의 RC 결합에 의한 전력량 손실을 감소하기 위해 어떠한 방법을 사용해야 하는가?	층간 절연막 및 금속접촉면에서의 RC 결합에 의한 전력량 손실을 감소하기 위하여 금속배선용 물질을 Al 배선에서 보다 낮은 전기저항 값을 갖는 Cu 배선으로 대체하고, 층간 절연막에 의한 정전용량C의 증가로 금속배선 사이에서 발생될 수 있는 신호잡음발생 및 신호전달시간 지연을 억제하기 위하여 보다 낮은 유전상수를 갖는 층간 절연막 유전체(ILD: Interlayer Dielectric) 로 대체하는 것이 필요하다[3]. SiO2를 중심으로 발전된 저유전율 물질이 평탄화 특성은 우수하지만 불순물 잔류와 큰 유전상수 등의 문제점이 대두되어 유무기물 물질에 대한 연구가 본격적으로 진행되었다.
	유량에 따라 탄소함량의 변화가 나타나는 것은 무엇을 의미하는가?	그러나 탄소 함량이 선형적으로 증가하는 것이 아니라 유량에 따라 탄소함량의 변화가 보이고 있다. 이러한 탄소함량의 변화는 BTMSM 유량 변화에 따라 SiOCH 박막의 화학적 결합 구조가 다르다는 것을 의미하며, 또한 탄소의 함량이 SiOCH 박막의 유전상수와 밀접한 관련이 있으므로 SiOCH 박막의 유전 상수가 선형적으로 변하지 않는다는 것을 의미한다. 400°C와 500°C 열처리 후 상대적인 탄소함량은 BTMSM 유량이 적은 영역 (24~26 sccm)에서는 증가하였고, BTMSM 유량이 많은 영역 (28~32 sccm)에서는 감소하는 경향을 나타내었다.

참고문헌 (12)

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동의어: Packet Collision Rate

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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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