Vapor Phase Synthesis of Mesoporous Organosilica Thin Film in Shallow Trenches and Its Applications for Low-k Materials

Abstract

최근 들어 반도체 기술이 발달함에 따라 비용 절감을 위한 공정 미세화가 10 nm 수준까지 진행되었고, 앞으로도 회로의 선폭은 더욱 더 줄어들 전망이다. 이에 따라 기존에는 예상하지 못했던 문제가 새로이 발생하거나, 과거에 해결된 문제들이 다시금 문제가 되는 경우가 있다. 이러한 문제 중 하나가 바로 회로 사이의 절연과 수동태화에 사용되는 저유전물질의 부족한 물성이다. 저유전물질은 낮은 유전상수, 높은 기계적 물성, 낮은 흡습성, 고온에서의 안정성 등을 두루 갖춰야 하며 무엇보다도 수십 nm 급까지 좁아진 트렌치 격리의 내부에 결함과 빈틈이 없이 채워져야만 한다.

이를 위해 현재 다양한 저유전물질이 개발되어 사용되고 있다. 기존의 수백 nm 급 공정에서는 단순한 실리카가 사용되었고 실리카의 상대 유전상수(이하 유전상수)는 4 정도였다. 하지만 공정의 발달에 따라 낮은 유전상수를 가지는 저유전물질의 필요성이 커졌고, 그에 따라 유전상수값이 3 혹은 그 이하인 저유전물질이 개발되었다. 대표적으로 저유전물질로, 고분자 계열로는 폴리이미드, 다우 케미컬에서 생산되는 SiLK등이 있고, 유기실리카 계열의 퍼히드로폴리실라잔 등이 있다. 먼저 폴리이미드는 유전상수값 3정도를 가지며 화학적 기상증착으로 상대적으로 쉽게 제조할 수 있다는 장점을 가지나, 수분을 잘 흡수하는 문제가 있으며 좁은 트렌치 격리용으로 사용하기는 힘들다는 단점이 있다. 다우 케미컬에서 생산되는 SiLK의 경우는 2 전후 정도로 매우 낮은 유전상수를 가지지만, 기계적 물성이 약하다는 문제점이 있다. 마지막으로 퍼히드로폴리실라잔은 현재 20 nm 급 공정에서 실제로 사용되고 있으며 다양한 물리적 물성이 우수하나 가장 중요한 유전상수가 3 정도로 높다는 단점을 가지고 있다. 따라서 새로운 공정과 전구체를 통해 우수한 저유전막을 제조하는 것은 매우 중요하다.

메조기공 실리카는 50 nm 이하의 공극을 가지는 실리카로써 계면활성제를 통해 만들 수 있다. 만들어진 메조기공 실리카는 높은 표면적과 낮은 밀도를 가지며, 공극의 크기와 밀도의 조절을 통해 굴절률, 기계적 성능, 투과성 등을 조절할 수 있다. 이를 통해 약물전달시스템, 흡습제, 복합재료용 혼합제, 화장품, 코팅 등에 다양하게 응용될 수 있다. 그 중에서도 메조기공을 채우고 있는 공기의 유전율이 1 인 것을 이용, 저유전물질로써의 응용이 가능하다.

본 논문에서는 메조기공 실리카를 좁은 트렌치 내부에 기상으로 합성하여 이를 반도체용 저유전물질로 응용하는 것에 초첨을 두고 있다. 기상증착중합을 통해 여러 가지 종류의 계면활성제와 다양한 전구체로 메조기공 실리카를 제조하였다. 만들어진 메조기공 실리카막은 저유전 물질로 응용되었고, 이를 통해 기계적 물성, 외형적 특성, 흡습성 등의 물성 변화 관찰과 최적화를 진행하였다.