본 발명에 따른 반도체 소자의 배선 구조는 반도체 기판; 상기 반도체 기판상에 복수개의 전도층 패턴; 상기 반도체 기판과 상기 전도층 패턴상에 절연막; 상기 전도층 패턴과 상기 전도층 패턴사이의 상기 절연막내에 형성된 한 개 이상의 보이드를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하고, 본 발명에 따른 반도체 소자의 배선 형성 방법은 반도체기판을 제공하는 공정; 상기 반도체 기판상에 복수개의 전도층 패턴을 형성하는 공정; 상기 반도체 기판과 상기 전도층 패턴상에, 상기 전도층 패턴과 상기 전도층 패턴 사이의 상기 절연막내에 한 개 이상의 보이드를 가지는 절연막을 형성하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 따른 반도체 소자의 배선 구조 및 형성 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 반도체 소자의 구조 단면도이고, 도 5a내지 도 5e는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 반도체 소자의 공정 단면도이다.
본 발명의 반도체 소자의 배선 구조는 서로 분리되어 구성되는 전도성 라인들 사이에 형성되는 절연막에 의한 기생 커패시턴스의 발생을 억제하기 위한 것이다.
즉, 전도층 패턴들 사이에 절연막으로만 채워질 경우보다 유전율을 낮게하여 기생 커패시턴스의 발생을 억제한 것으로 본발명에 따른 제 1 실시예의 경우 그 구성은 다음과 같다.
도 4에서와 같이, 셀 트랜지스터등이 형성된 반도체 기판(40)상에 형성되는 제 1 절연막(41)과, 제 1 절연막(41)상에 형성되는 전도층 패턴(42)과, 상기 전도층 패턴(42)을 포함하는 전면에 형성되어 반도체 기판(40)의 표면에 접하는 부분을 제외한 부분에서 부피가 상대적으로 증가하여(전도층 패턴의 측면의 피복성이 떨어지는) 전도층 패턴(42)과 그에 이웃하는 전도층 패턴(42)간에는 오버행(overhang) 형태로 구성되어 내부에 보이드(44)를 갖고 형성되는 제 2 절연막(43)과, 제 2 절연막(43)상에 평탄화되어 형성되는 제 3 절연막(45)으로 구성된다.
여기서, 상기 오버행 구조의 제 2 절연막(43)에 의해 전도층 패턴(42)들간의 제 2 절연막(43) 내부에 형성되는 보이드(44)에는 공기가 채워져 있다.
이와 같은 배선 구조를 갖는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 반도체 소자의 배선 형성 공정은 다음과 같다.
먼저, 도 5a에서와 같이, 셀 트랜지스터들 또는 다른 도전층들이 형성된 반도체 기판(40)의 전면에 절연 물질층(41a)을 형성한다.
이어, 상기 절연 물질층(41a)상에 금속 라인을 형성하기 위한 도전성물질층(42a)(DRAM등에서의 비트 라인)을 형성한다.
그리고 도 5b에서와 같이, 상기 도전성 물질층(42a)과 절연 물질층(41a)을 선택적으로 식각하여 전도층 패턴(42)과 제 1 절연막(41)을 형성한다.
이어, 도 5c에서와 같이, 상기 전도층 패턴(42)과 그 하측의 제 1 절연막(41)이 형성된 반도체 기판(40)의 전면에 산화막 등의 물질을 사용하여 제 2 절연막(43)을 형성한다.
이때, 제 2 절연막(43)을 전도층 패턴(42)과 그에 이웃하는 전도층 패턴(42)사이에 보이드(44)가 발생하도록 오버행(overhang) 형태로 형성한다.
여기서, 상기 보이드(44)에는 공기가 채워지게 된다.
그리고, 상기 제 2 절연막(43)은 산화막을 사용한 델타(Delta)-N2O 공정으로 측면 단차 피복성(side step coverage)이 악화되도록 공정을 진행시킨다.
델타-N2O 공정은 0.35㎛ 이하의 디바이스에서 층간 절연막의 평탄성을 개선하기 위한 공정으로, 금속배선의 측면 피복성(coverage)이 나쁘도록 오버행 형태로 절연막을 형성한후 SOG(Spin On Glass)와 같이 유동성이 우수한 물질로 금속배선 사이의 공간을 채우는 것을 말한다.
이는 금속배선 라인간의 간격이 넓을 경우 금속배선간의 중간부분에 형성되는 SOG층의 오목현상을 방지하여 평탄성을 향상시키는데 주로 이용된다.
이와 같은 델타-N2O 공정은 일반적으로 배선 라인상의 산화막 형성공정에 사용하던 TEOS(Tetra-Ethyl-Ortho-Silicate)/O2대신에 TEOS/O2/N2O를 이용한 열분해공정으로 산화막을 형성하는 공정이다.
이와같이 TEOS/O2/N2O를 이용한 열분해 공정으로 산화막을 형성하면 N2O 가스 때문에 측면 피복성이 좋지않아 홀의 상측면에서는 오버행이 발생하기 쉬운데 본 발명에서는 그와 같은 현상을 이용하는 것이다.
결국, 홀의 상측면에서 오버행이 발생하기 때문에 제 2 절연막(43)내부에 보이드(void)(44)가 생기게 되고 그와 같은 보이드(44)에는 유전율이 1인 공기가 존재한다.
이와 같은 공정으로 내부에 보이드(44)를 갖는 제 2 절연막(43)을 형성한후에 도 5d에서와 같이, 전면에 제 3 절연 물질층(45a)을 도전상 라인(42)들 사이를 충분히 채울 수 있는 두께로 형성한다.
그리고 도 5e에서와 같이, 상기 제 3 절연 물질층(45a)을 이방성 식각하여 제 2 절연막(43)상의 오목한 부분(주로 제 2 절연막이 오버행된 부분)을 매립하도록 평탄화하여 제 3 절연막(45)을 형성한다.
이와 같은 공정에서 제 2 절연막(43)을 형성할 때 델타-N2O공정 대신에 틸트(tilt)증착법을 이용하여 형성할 수 있다.
그리고 본 발명에 따른 반도체 소자의 제 2 실시예에 관하여 설명하면 다음과 같다.
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 반도체 소자의 구조 단면도이고, 도 7a내지 도 7f는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 반도체 소자의 공정 단면도이다.
본 발명의 제 2 실시예에 따른 반도체 소자는 HSG(Hemi Spherical Grain)공정을 이용하여 전도층 패턴들 사이의 절연막내에 공기가 채워진 보이드를 형성한 것이다.
그 구조는 다음과 같다.
도 6에서와 같이, 셀 트랜지스터등이 형성된 반도체 기판(60)상에 형성되는 제 1 산화막(62a)과, 제 1 산화막(62a)상에 형성되는 전도층 패턴(61)과, 상기 전도층 패턴(61)을 포함하는 전면에 형성되는 제 2 산화막(62b), 질화막(63)과, 수직으로 관통하는 복수개의 보이드(65)(도7f 참조)를 갖고 상기 질화막(63)이 형성된 전도층 패턴(61)들 사이에 매립 구성되는 제 3 산화막(62c)과, 제 3 산화막(62c)을 포함하는 전면에 형성되는 평탄화용 제 4 산화막(62d)를 포함하여 구성된다.
상기 제 3 산화막(62c)은 위치 및 크기가 불규칙적인 수직 관통홀이 복수개 형성되어 수직 관통홀의 하부 입구는 질화막(63)에 의해 밀폐되고 상부 입구는 제 4 산화막(62d)에 의해 밀폐되고 내부에는 공기가 채워져 있다.
이와 같이 구성되는 보이드(65)의 너비(지름)는 250 ~ 1000Å정도이다.
이와 같은 구조를 갖는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 반도체 소자의 제조 방법은 다음과 같다.
먼저, 도 7a에서와 같이, 셀 트랜지스터들 또는 다른 도전층들이 형성된 반도체 기판(60)의 전면에 제 1 산화막(62a)을 형성한다.
이어, 상기 제 1 산화막(62a)상에 금속 라인을 형성하기 위한 도전성 물질층(DRAM등에서의 비트 라인)을 형성한다.
그리고 상기 도전성 물질층과 제 1 산화막(62a)을 선택적으로 식각하여 전도층 패턴(61)을 형성한다.
이어, 도 7b에서와 같이, 상기 전도층 패턴(61)과 그 하측의 제 1 산화막(62a)이 형성된 반도체 기판(60)의 전면에 제 2 산화막(62b),질화막(63)을 차례로 형성한다.
그리고 도 7c에서와 같이, 질화막(63)이 형성된 전도층 패턴(61)을 포함하는 전면에 전도층 패턴(61)과 그에 이웃하는 전도층 패턴(61)사이를 매립할 수 있는 충분한 두께로 제 3 산화막(62c)을 형성한다.
이어, 도 7d에서와 같이, 상기 제 3 산화막(62c)을 전도층 패턴(61)의 상부 표면에 형성된 질화막(63)이 노출되도록 이방성 식각하여 전도층 패턴(61)들 사이에만 남도록 평탄화한다.
그리고 도 7e에서와 같이, 상기 평탄화된 전면에 증착온도를 550 ~ 600℃로하여 500 ~ 2000Å의 두께로 HSG 실리콘층(64)을 형성한다.
이어, 도 7f에서와 같이, 상기 HSG 실리콘층(64)이 형성된 전면을 이방성 식각한다.
HSG 실리콘층(64)은 불규칙적으로 반구가 반복되는 형태의 구성을 갖는데, 이를 마스크로 하여 이방성 식각 공정을 진행하게 되면 HSG 실리콘층(64)의 오목 부분과 볼록 부분의 식각 속도차에 의해 하부의 제 3 산화막(62c)은 HSG 실리콘층(64)의 오목한 부분만 식각되어진다.
식각 공정시에 질화막(63)이 식각 종말 검출점 역할을 한다.
이후에 상기 오목한 부분만 식각되어 일정간격 격리된 HSG 실리콘층(64)을 마스크로 질화막(63)이 노출될때까지 제 3 산화막(62c)을 식각하여 완전 수직 관통되는 홀들을 복수개 형성한다. 이후에 HSG 실리콘층(64)을 제거한다.
다음에 전면에 CVD(Chemical Vapour Deposition) 공정으로 제 3 산화막(62c)을 포함한 전면에 제 4 산화막(62d)을 형성한다.
이때 식각된 HSG 실리콘층을 마스크로 수직형성된 홀들은 그 종횡비가 크기 때문에 제 4 산화막(62d)를 증착한다고 해도 홀들이 채워지지 않고 홀이 그대로 비어서 보이드(void)가 형성된다.
즉, 질화막(63)이 노출되는 홀들을 갖는 제 3 산화막(62c), 그리고 제 4 산화막(62d)에 의해 전도층 패턴(61)들 사이의 절연층에는 내부에 공기가 채워진 보이드(65)가 형성된다.
여기서, 보이드(65)의 폭은 250 ~ 1000Å이다.
이와 같은 본 발명의 제 1,2 실시예에 따른 반도체 소자는 동작중에 발생하는 기생 커패시턴스 값 Cb를이 아닌로 나타낼 수 있다.
이는 공기의 유전율이 1이기 때문이다.
전도층 패턴들 사이를 산화막 등의 절연 물질로 채웠을 경우와 비교하면 다음과 같은 차이를 갖는다.
산화막으로 채웠을 경우, 산화막의 유전율은 3.85 이므로 기생 커패시턴스값 Cb =이다.
여기서, 본 발명에 따른 기생 커패시턴스를 Cb' 이라 하고 신호 전압값을 Vs'라하면, 본 발명에 따른 신호전압값 Vs'와 종래의 기술에 따른 신호전압값 Vs는 다음과 같은 차이를 갖는다.
즉, 본 발명에 따른 신호전압값 Vs' =과 종래 기술의 신호전압값 Vs =를 비교해보면,
-1= -2= -1≒=≒()-1이 된다.
이때, Cb의 값은 3.85이고 Cb'의 값은 1이므로 본 발명에 따른 신호전압값 Vs'이 Vs보다 3.85배 정도 큰값을 갖게되어 소자의 데이터 리드 동작에서 센싱 능력이 향상됨을 알 수 있다.