KR100536178B1 - 계면활성제를 함유하는 용액으로부터 제조된 메소다공성실리카 필름 및 그 제조방법 - Google Patents

계면활성제를 함유하는 용액으로부터 제조된 메소다공성실리카 필름 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 저 유전상수를 갖는 메소다공성 실리카 필름에 관한 것이며, 또한 계면활성제를 실리카 전구물질 용액에 합하는 단계, 이 용액 혼합물로 필름을 스핀 코팅하는 단계, 부분적으로 히드록실화된 메소다공성 필름을 형성하는 단계, 및 히드록실화된 필름을 디히드록실화시켜서 메소다공성 필름을 수득하는 단계를 포함하는 저 유전상수를 갖는 메소다공성 실리카 필름의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 개시된 바와 같은 스핀-코팅된 필름에서 사용되는 작은 폴리옥시에틸렌 에테르 계면활성제는 평균적으로 약 20nm보다 작은 미세한 기공을 제공한다. 생성되는 메소다공성 필름은 3 미만의 유전상수를 가지며, 이 유전상수값은 소정의 습도를 갖는 다습한 공기 중에서 안정한 것이다. 본 발명은 필름 두께 및 두께 균일성을 코팅된 웨이퍼 전체에 걸쳐서 탁월하게 제어하는 방법, 및 저 유전상수를 갖는 필름을 제공한다. 본 발명은 실리카 표면을 실리콘 유기 화합물과 디히드록실화 기체에 각각 노출시키는 단계를 포함하는, 히드록실화된 실리카 표면을 디히드록실화시키는 방법을 제공한다. 실리콘 유기 화합물에의 노출에서 실리콘 유기 화합물은 액상, 기체상 또는 용액상일 수 있으며, 디히드록실화 기체에의 노출은 일반적으로 승온에서 이루어진다. 일 구현예에 있어서, 디히드록실화 공정의 개선방법은 침액과 디히드록실화 기체로의 노출을 반복하는 것이다. 다른 구현예에 있어서, 이 개선방법은 수소를 거의 포함하지 않는 불활성 기체를 사용하는 것이다. 또 다른 구현예에 있어서, 본 발명은 2단계의 디히드록실화 방법을 메소다공성 필름을 제조하는 계면활성제 성형 방법과 병행하는 것이다.

Description

계면활성제를 함유하는 용액으로부터 제조된 메소다공성 실리카 필름 및 그 제조방법{Mesoporous silica film from a solution containing a surfactant and methods of making same}
본 발명은 미국 에너지부의 협정서(Contract) DE-AC0676RLO1830에 따라서 정부의 지원하에 이루어졌다.
관련 발명에 대한 상호 참증관계
본 출원은 1998년 12월 23일자로 출원된 09/220,882호, 1999년 6월 17일자로 출원된 09/335,210호, 1999년 7월 23일자로 출원된 09/361,499호, 1998년 12월 28일자로 출원된 09/222,569호 및 1999년 10월 4일자로 출원된 09/413,062호에 대한 우선권을 주장한다. 본 출원은 1999년 10월 4일자로 출원되어 현재 계류중인 09/413,062호의 부분계속출원 (Continuation-In-Part)이며, 상기 09/413,062호는 1999년 7월 23일자로 출원되어 현재 계류중인 09/361,499호의 부분계속출원이고, 상기 09/361,499호는 1999년 6월 17일자로 출원되어 현재 계류중인 09/335,210호의 부분계속출원이며, 상기 09/335,210호는 1998년 12월 28일자로 출원되어 현재 계류중인 09/222,569호의 부분계속출원이고, 상기 09/222,569호는 1998년 12월 23일자로 출원되었고 현재는 포기된 09/220,882호의 부분계속출원이다.
발명의 기술분야
본 발명은 용액 전구물질로부터 제조되며 나노미터 규모의 기공을 가지고 있는 다공성 실리카 필름에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 본 발명은 계면활성제를 포함하는 용액으로부터 제조된 (계면활성제-성형된(surfactant-templated)) 메소다공성 실리카 필름과, 소정의 계면활성제를 이용하여 기공 크기가 계면활성제 미셸 크기로 특정되는 다공 구조를 갖도록 성형하는 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 계면활성제-성형된 메소다공성 실리카 필름에 디히드록실화 공정을 부가하여 주변 습도 조건하에서 3 미만의 유전상수를 제공하는 방법에 관한 것이기도 한다.
본 명세서에서 사용된 용어 "실리카"는 실리콘(Si)과 산소(O), 및 가능하게는 다른 원소들을 갖는 화합물을 의미한다.
또한, 용어 "메소다공성"은 1 nm보다는 크지만 마이크로미터보다는 현저하게 작은 크기 범위를 의미한다. 통상, 이 용어는 1.0nm (10옹스트롬) 내지는 수십 나노미터 범위를 의미한다.
용어 "안정한"이란 절대적 안정성, 상대적 안정성 및 그의 조합을 의미한다. 상대적 안정성이란, 계면활성제로 성형된 메소다공성 필름이 0.0% 상대 습도 또는 진공에서 50% 상대 습도의 평형 조건에 놓여질 때 유전율의 증가가 약 20%를 넘지않는 것을 의미한다. 절대적 안정성이란, 상대 습도가 40% 이상인 다습한 조건을 포함하여 어떠한 조건 하에서도 유전상수가 3 미만으로 유지되는 것을 의미한다.
용어 "히드록실화"는 부분적 히드록실화와 완전 히드록실화를 모두 포함한다. 용어 "디히드록실화"는 계면활성제로 성형된 메소다공성의 실리카 필름의 표면으로부터 히드록실기를 일부 또는 전부 제거하는 것을 의미한다.
다공성 실리카 필름은 반도체 소자에서 저 유전상수를 갖는 금속간 물질 (intermetal material)로서, 섬유 및 기타 구조물 상의 저 유전상수 코팅으로서, 그리고 촉매 지지체로서 매우 유용하다. 대부분의 미국 반도체 업체에서는 현재 (1998년) 다공율이 25% 미만이거나 제로이고 유전상수(k')가 3.0 내지 4.0인, 실리카 필름, 실리카와 실리케이트의 유도체 또는 폴리머 필름으로 된 층간 절연막을 구비하는 과정에 있다. 또한, 반도체 소자의 작동 속도를 향상시키고 반도체 소자의 전력 소모량을 감소시키며 필요한 금속층 갯수를 감소시켜 반도체 소자의 전반적인 원가를 절감하기 위해서도 유전상수를 감소시키는 것이 바람직하다.
공기는 유전상수가 1.0이기 때문에 다공구조의 도입은 필름의 유전상수를 낮추는 효과적인 방법이다. 또한, 실리카 유전체는 마이크로전자 장치에서 표준이었기 때문에 저 유전상수 물질을 필요로 하는 고급 장비를 생산하는 반도체 산업 분야에서 다공구조를 갖는 실리카 필름은 매우 매력적이다. 반도체의 상호접속에 있어서 형태 크기와 디자인 룰을 보면 초대형급 집적소자에서는 서브-150nm 전구물질 용액이며; 저 유전상수 (k<3)를 달성하기 위한 기공 크기는 금속간 간격보다도 현저하게 작아야 한다.
다공성 필름의 유전상수는 물질과 기공 구조에 따라 달라진다. 마이크로전자 소자에서 사용되는 다공성 실리카 필름에 있어서, 물질과 기공 구조로 인해 웨이퍼 전체에 걸쳐서, 그리고 웨이퍼 상의 여러방향에서 유전상수가 균일하다. 통상, 등방성 물질과 기공 구조는 이방성 물질과 기공 구조에 비해 필름 유전상수에 소정의 균일성을 제공할 것으로 예상된다.
또한, 상업적으로 사용되는 저 유전율의 메소다공성 필름은 반소체 소자의 제조 공정 라인과 호환성이 있는 방법, 예를 들면 스핀 코팅법에 의해 제조되어야 한다. 대면적의 원형 웨이퍼에 있어서 딥 코팅과 같은 다른 코팅 기법은 오염 방지를 위한 이면 마스킹을 필요로 하기 때문에 보편적으로 사용되지 않는다.
멀티레벨의 상호접속 구조를 구축하기 위해서는 표면 형상(topology)도 매우 중요하다. 반도체 칩 상에 초대형 규모로 집적하기 위한 구리 연결배선용 "다마신" 공정에서는, 각 절연층을 에칭한 다음, 구리를 증착시키고 화학기계적 연마 (CMP)로 표면을 평탄화한다. 각 레벨의 상호접속에서 평탄도를 유지하는데 있어서는 초기 평탄도와 저 유전상수 필름의 표면 조직의 부재가 매우 중요하다.
다공성 절연막에 있어서 다른 중요한 논점은 기계적 보존성 (mechanical integrity)이다. 다공성 필름은 쉽게 손상되기 때문에 통상의 화학기계적 연마 (CMP) 장비로 직접 연마하는 일이 있을 것 같지는 않지만, 저 유전상수를 갖는 다공성 필름 상의 실리카 또는 다른 물질로 된 조밀한 "캡"층이 평탄화되는 일은 있을 것이다. 그러나, 캡층을 가지고 있더라도 저 유전상수의 다공성 물질은 적절한 강성 (stiffness), 압축강도 및 전단강도를 가지고 있어서 CMP 공정과 관련된 스트레스를 견딜 수 있어야 한다.
나노미터 규모의 기공을 갖는 (또는 메소다공성) 실리카 필름은 용액 전구물질로부터 제조될 수 있으며, (1) 알콜계 용매를 제어하에 제거하여 무작위 또는 불규칙한 다공구조가 도입된 "에어로겔 또는 크세로겔" 필름 (에어로겔 / 크세로겔) 및 (2) 계면활성제를 제거하여 기공이 규칙적 다공구조로 형성된 "메소다공성" 계면활성제-성형 실리카 필름의 두가지 유형으로 대별될 수 있다. 지금까지는 유전상수가 3.0 또는 그 미만인 저 유전상수의 실리카 필름을 가장 잘 설명하는 예가 아에로겔 / 크세로겔형 다공성 실리카 필름이었다. 그러나, 이 에어로겔 / 크세로겔 필름의 문제점은 (1) 에어로겔 / 크세로겔 필름을 증착하기 위해서는 다공구조의 형성시에 알콜을 조심스럽게 제거 (예를 들면, 제조시에 용매 또는 겔화제를 포함하는 제어된 분위기를 유지함)하여야 하고, (2) 에어로겔 / 크세로겔 필름에서 통상적으로 가능한 가장 작은 기공 크기가 10 - 100nm 범위에 속하여야 하며, (3) 조밀한 실리카 필름에 비하여 기계적 강도가 제한된다. 이러한 문제점들은 반도체 소자에서 에어로겔 / 크세로겔 다공성 실리카 필름을 형성하는데 장애가 된다.
임의의 방법에 의해 임의의 물질로 만들어진 저 유전상수의 다공성 필름을 얻기 위해서는, 구조 중에, 특히 기공 표면에 있는 히드록실기의 갯수를 최소화해야할 필요가 있다. 다습한 공기중에서도 전기적 특성이 안정하도록 절연막을 소수성으로 만들어야 한다. 다공성 실리카 필름의 히드록실화 표면으로 인해 유전상수가 조밀한 실리카의 유전상수를 초과하는 (약 4.0) 결과가 초래된다. 물 분자가 히드록실화된 표면에 의해 물리적으로 흡착하면 메소다공성 실리카 필름의 유전상수와 유효 캐패시턴스가 더 증가할 수도 있다. 다습하지 않은 분위기 또는 진공 조건에서 필름을 취급하거나 필름이 다습한 조건에 노출되는 일이 최소화되도록 함으로써 물 분자의 물리적 흡착을 회피할 수 있다. 히드록실기와 물리적으로 흡착된 물 분자는 매우 높은 온도에서 실리카 표면으로부터 제거될 수 있다. 참고문헌 [C.J.Brinker 및 G.W.Scherer, in Sol-Gel Science, Academic Press, New York, NY(1990)(Brinker et al. 1990)]에는 실리카를 800℃ 이상의 매우 높은 온도에 노출시키는 실리카의 열적 디히드록실화 (theremal dehydroxylation)가 개시되어 있다. 그러나, 절연막과 금속 라인이 구비된 반도체 소자는 통상 약 500℃ 이상에서 처리되어서는 안된다. 따라서, 반도체 상에 다공성 실리카 필름을 형성하려면 다른 디히드록실화 방법이 필요하다.
참고문헌 [E.F. Vansant, P.Van der Voort 및 K.C.Vrancken, in Characterization and Chemical Modification of the Silica Surface, Vol. 93 of Studies in Surface Science and Catalysis, Elsevier, New York, NY(1995), 및 Brinker et al., 1990]에는 불소화시키거나 실란 용액으로 처리하여 실리카 표면을 히드록실화하는 공정이 개시되어 있다. 에어로겔 / 크세로겔형 필름은, (a) 불소화 처리, 및 (b) (1) 초기의 실란 용액 처리 단계 (예를 들면, 용매 중의 트리메틸클로로실란 또는 헥사메틸디실라잔 (HMDS)) 및 (2) 용액 처리후, 300 내지 450℃의 적당한 고온에서 수소-함유 기체 (예를 들면, 질소 중의 10% 수소) 중에서 처리하는 후속 단계를 포함하는 2단계 디히드록실화 방법 모두중 어느 것에 의해서도 디히드록실화된다. 이러한 실란 / 발포 기체 (H2 함유 N2 기체) 처리가 미국 특허 제5,504,042호 및 몇몇 다른 관련 특허들 (Smith 등)에 개시되어 있는데 그 내용이 본 명세서에 포함되어 있다.
계면활성제-성형 필름 (surfactant-templated films)에서, 기공은 기공 크기가 계면활성제 미셸 크기에 의해 특정되는 규칙적 (예를 들면 6방형) 배열을 형성한다. 계면활성제를 이용한 성형 경로에 의하면 계면활성제의 특성 및 실리카종과의 상호작용을 이용하여 다공율, 기공 크기 및 기공 형태를 제어할 수 있다. 소정의 기공율에 있어서, 기공 크기와 기공벽의 구조와 골격을 제어하면 우수한 기계적 특성을 얻을 수 있다. 보다 구체적으로는, 기공이 더 작고 균일하면 기공이 크고 균일하지 않은 경우에 비해 기계적 강도가 더 우수하다. 제조하기는 더 쉽지만 (기공 형성 분위기를 제어할 필요가 없음), 메소다공성 계면활성제-성형된 실리카 필름이 저 유전상수와 함께 설명되지 않았다.
1997년 8월 26일자로 미국 특허출원 08/921,754로서 출원되어 현재는 미국특허 제5,922,299호로서 등록된 특허 (Bruinsma et al.)에는 스핀 코팅에 의해 규칙적 다공구조를 갖는 계면활성제-성형 메소다공성 실리카 필름을 제조하는 방법이 개시되어 있다. 사용된 계면활성제는 양이온성 암모늄계 계면활성제였다. 이 연구의 목적은 마이크로전자 소자의 저 유전율 층간 절연막이 있었다.
미국 특허 제5,858,457호 (Brinker et al.)는 사용된 계면활성제가 암모늄계 계면활성제인 경우에 규칙적인 다공구조를 갖는 계면활성제-성형 메소다공성 실리카 필름을 제조하는 딥 코팅 방법도 개시한다. 브링커 등은 수은 도트 전극을 이용하여 필름 상의 유전상수를 측정하여 그 값이 2.37이라고 보고하였다.
그러나, 암모늄 계면활성제로 제조된 다음 상기 계면활성제의 분해 (열 제거) 이후에 테스트된 계면활성제-성형된 메소다공성 실리카 필름은 다습한 주변 조건 하에서 수분을 흡수하며, 따라서 통상적인 반도체 소자 제조 및 작동 조건인 다습한 주변 조건 하에서 저 유전상수를 나타내지 않는 것으로 밝혀졌다. 브루인스만 등의 특허 또는 브링커 등의 특허에는 디히드록실화 단계가 개시되어 있지 않다.
논문 [Continuous Mesoporous Silica Films With Highly Ordered Large Pore Structures, D.Zhao, P.Yang, N.Melosh, J.Feng, BF Chmelka, 및 GD Stucky, Advanced Materials, vol.10 No.16, 1998, pp1380-1385]에는 비이온성 폴리(알킬렌 옥사이드)트리블록 코폴리머와 저분자량 알킬(에틸렌 옥사이드) 계면활성제를 포함하는 실리카계 용액을 딥 코팅하여 필름에 방향성이 있거나 정렬된 커다란 기공 구조를 형성하는 방법이 논의되어 있다. 이 필름을 하소 (calcination)한 후에 측정한 결과 이들 필름에 대해서는 저 유전상수 (1.45 - 2.1)가 보고되었다. 그러나, 규칙적인 다공구조, 예를 들면 6방형 다공구조의 단점은 대면적 웨이퍼 상의 서로 다른 방향에서 유전상수가 균일한지가 확실하지 않다는 것이다. 또한, 자오 등 (Zhao et al.)의 논문에도 유전상수를 낮게 유지하는데 유용한 디히드록실화 방법이 개시되어 있지 않다.
따라서, 유전상수가 3 미만이며, 필름 두께와 두께 균일성, 최소의 표면 조직 (surface texture) 및 기계적 보존성의 제어를 포함하는 (그러나 이로써 한정되지는 않는) 기술적 요구조건에 부합하는 계면활성제-성형 메소다공성 실리카 필름과 그의 제조방법이 요구된다. 유전상수는 실온의 다습한 공기를 포함하는 통상의 작동 조건하에서 상대적으로 안정하여야 하며 대면적 웨이퍼 전체에 걸쳐서 균일해야 한다.
도 1은 CxEO10 폴리옥시에틸렌 에테르 계면활성제 계열에 대한 핵반응 분석 (NRA)에 의해 필름 디공율을 측정하여 폴리옥시에틸렌 에테르 계면활성제를 함유하는 스핀 코팅 용액중의 계면활성제 / TEOS 비율의 함수로서 나타낸 것이다.
도 2는 C12EO10 폴리옥시에틸렌 에테르 계면활성제로 제조된 계면활성제 성형 메소다공성 필름의 유전상수 (다습한 공기에서 주변 조건하에 실온에서 측정함)를 디히드록실화 공정의 함수로서 나타낸 것이다.
도 3은 C16O10 폴리옥시에틸렌 에테르 계면활성제로 제조된 계면활성제 성형 메소다공성 필름의 유전상수 (다습한 공기에서 주변 조건하에 실온에서 측정함)를 디히드록실화 공정의 함수로서 나타낸 것이다.
도 4a는 C12EO10 폴리옥시에틸렌 에테르 계면활성제로 제조된 메소다공성 실리카 필름에 대한 저각(low angle) x선 회절 스펙트럼을 나타낸다. x선 빔은 원형 웨이퍼의 반경 방향이었다.
도 4b는 C16EO10 폴리옥시에틸렌 에테르 계면활성제로 제조된 메소다공성 실리카 필름에 대한 저각 x선 회절 스펙트럼을 나타낸다. x선 빔은 원형 웨이퍼의 접선 방향이었다.
도 5는 C12EO10 폴리옥시에틸렌 에테르 계면활성제로 제조된 메소다공성 실리카 필름의 미세 구조를 나타내는 투과 현미경 그래프이다.
도 6a는 C12EO10 폴리옥시에틸렌 에테르 계면활성제로 제조된 메소다공성 실리카 필름의 표면 등고선도이다.
도 6b는 C12EO10 폴리옥시에틸렌 에테르 계면활성제로 제조된 메소다공성 실리카 필름의 표면 프로파일이다.
도 7은 피코압입법으로 측정된 메소다공성 실리카 필름의 탄성율을 압입 하중의 함수로 나타낸 그래프이다.
도 8a는 C12EO10 폴리옥시에틸렌 에테르 계면활성제로 제조된 메소다공성 실리카 필름에 대한 저각 x-선 회절 스펙트럼을 나타낸다. 계면활성제 / TEOS 몰비는 0.19였다. x선빔은 원형 웨이퍼의 반경 방향이었다.
도 8b는 C12EO10 폴리옥시에틸렌 에테르 계면활성제로 제조된 메소다공성 실리카 필름에 대한 저각 x-선 회절 스펙트럼을 나타낸다. 계면활성제 / TEOS 몰비는 0.19였다. x선빔은 원형 웨이퍼의 반경 방향이었다.
도 9a는 C12EO10 폴리옥시에틸렌 에테르 계면활성제로 제조된 메소다공성 실리카 필름에 대한 저각 x-선 회절 스펙트럼을 나타낸다. 계면활성제 / TEOS 몰비는 0.30이었다. x선빔은 원형 웨이퍼의 반경 방향이었다.
도 9b는 C12EO10 폴리옥시에틸렌 에테르 계면활성제로 제조된 메소다공성 실리카 필름에 대한 저각 x-선 회절 스펙트럼을 나타낸다. 계면활성제 / TEOS 몰비는 0.30이었다. x선빔은 원형 웨이퍼의 접선 방향이었다.
도 10a는 C12EO10 및 C12EO4 폴리옥시에틸렌 에테르 계면활성제의 혼합물로 제조된 메소다공성 실리카 필름에 대한 저각 x-선 회절 스펙트럼을 나타낸다. 전체 계면활성제 / TEOS의 몰비는 0.20이었다. x선빔은 원형 웨이퍼의 반경 방향이었다.
도 10b는 C12EO10 및 C12EO4 폴리옥시에틸렌 에테르 계면활성제의 혼합물로 제조된 메소다공성 실리카 필름에 대한 저각 x-선 회절 스펙트럼을 나타낸다. 전체 계면활성제 / TEOS의 몰비는 0.20이었다. x선빔은 원형 웨이퍼의 접선 방향이었다.
도 11a는 C16EO10 폴리옥시에틸렌 에테르 계면활성제로 제조된 메소다공성 실리카 필름에 대한 저각 x-선 회절 스펙트럼을 나타낸다. 계면활성제 / TEOS 몰비는 0.20이었다. x선빔은 원형 웨이퍼의 접선 방향이었다.
도 11b는 C16EO10 폴리옥시에틸렌 에테르 계면활성제로 제조된 메소다공성 실리카 필름에 대한 저각 x-선 회절 스펙트럼을 나타낸다. 계면활성제 / TEOS 몰비는 0.20이었다. x선빔은 원형 웨이퍼의 반경 방향이었다.
도 12a는 C18EO10 폴리옥시에틸렌 에테르 계면활성제로 제조된 메소다공성 실리카 필름에 대한 저각 x-선 회절 스펙트럼을 나타낸다. 계면활성제 / TEOS 몰비는 0.20이었다. x선빔은 원형 웨이퍼의 반경 방향이었다.
도 12b는 C18EO10 폴리옥시에틸렌 에테르 계면활성제로 제조된 메소다공성 실리카 필름에 대한 저각 x-선 회절 스펙트럼을 나타낸다. 계면활성제 / TEOS 몰비는 0.20이었다. x선빔은 원형 웨이퍼의 접선 방향이었다.
도 12c는 C18EO10 폴리옥시에틸렌 에테르 계면활성제로 제조된 메소다공성 실리카 필름에 대한 저각 x-선 회절 스펙트럼을 나타낸다. 계면활성제 / TEOS 몰비는 0.20이었다. x선빔은 원형 웨이퍼의 반경 방향이었다. 스캐닝된 영역은 도 12a 및 12b에서 스캐닝된 영역으로부터 90도 (회전) 떨어져 위치해 있었다.
도 12d는 C18EO10 폴리옥시에틸렌 에테르 계면활성제로 제조된 메소다공성 실리카 필름에 대한 저각 x-선 회절 스펙트럼을 나타낸다. 계면활성제 / TEOS 몰비는 0.20이었다. x선빔은 원형 웨이퍼의 접선 방향이었다. 스캐닝된 영역은 도 12a 및 12b에서 스캐닝된 영역으로부터 90도 (회전) 떨어져 위치해 있었다.
도 13은 여러가지 메소다공성 물질에 대한 유전상수 대 시간의 그래프이다.
따라서, 본 발명의 목적은 3 미만의 유전상수, 0.1㎛ 내지 약 1.5㎛의 두께, +/- 5% 이하의 두께 표준편차, 약 20nm 이하의 평균 기공 크기, 저 유전상수 및 이들이 조합된 특성을 가지고 있으나 이로써 한정되지는 않는 계면활성제-성형 메소다공성 실리카 필름을 제공하는 것이다.
본 발명은 미국 특허출원번호 제08/921,754호로 함께 계류중이다가 현재는 미국 특허 제5,922,299호로써 허여된 특허 (발명의 명칭: 증발에 의해 제조된 메소다공성 실리카 필름, 섬유 및 분말) 문헌에 개시된 바와 동일한 일반적인 단계를 갖는 계면활성제 성형 메소다공성 필름의 제조방법을 포함한다. 즉, 본 발명은 계면활성제를 실리카 전구물질 용액에 합하는 단계; 필름을 스핀 코팅하는 단계; 상기 필름을 가열하여 계면활성제를 제거함으로써 적어도 일부가 히드록실화된 메소다공성 필름을 형성하는 단계; 및 상기 부분적으로 히드록실화된 필름을 디히드록실화하여 메소다공성 필름을 수득하는 단계를 포함하는 메소다공성 필름의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 계면활성제의 선택, 실리카 전구물질 용액 성분의 농도 선택 및 이들의 이들의 조합에 따라서 전술한 바와 같은 특징을 하나 이상 가지고 있는 필름을 제공한다.
주변의 다습한 조건에서 안정한 저 유전상수 (k<3)의 잇점은 전자 부품 가공 온도 범위의 온도에서 히드록실기를 부분적으로 또는 완전히 제거하는 것과 관련된 디히드록실화와 함께 본 발명에 따라서 달성된다. 디히드록실화 중에 계면활성제 성형 메소다공성 필름의 내부 기공 표면과 외부 표면 상의 히드록실기는 유기 알킬기, 실록산 (-Si-O-Si-) 결합 또는 이들의 조합과 같은 소수성 기로 대체될 것이다.
본 발명에 개시된 바와 같은 스핀 코팅된 계면활성제-성형 메소다공성 필름에 사용된 계면활성제를 이용하면 약 20nm 이하의 미세한 기공이 형성된다는 점에서 유용하다. 계면활성제를 이용하면 평균 기공 크기가 대체로 약 1 내지 약 20nm 범위에 있게 된다. 이러한 기공의 크기 범위는 반도체 소자의 금속화 배선을 분리하는 층간 절연막에서 반복적인 열처리시 금속 종의 확산을 최소화한다는 점에서 바람직하다. 본 발명의 다른 잇점은 안정한 저 유전상수를 갖는 필름의 두께 및 두께의 균일성을 코팅된 웨이퍼 전체에 걸쳐서 탁월하게 제어하는 방법과, 대면적 웨이퍼 상의 서로 다른 방향에서 유전상수 균일성에 대한 신뢰도를 증가시키는 불규칙성 다공구조에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 저 유전상수를 얻을 수 있도록 히드록실화된 실리카 표면을 디히드록실화하는 방법을 제공한다.
본 발명의 또 다른 목적은 저 유전상수를 갖도록 하며 분위기 제어가 필요없는 스핀 코팅법을 적용할 수 있는 메소다공성 실리카 필름의 제조방법을 제공한다. 이러한 메소다공성 실리카 필름의 제조방법은 필름 두께 및 5nm 이하의 평균 기공 직경을 제어하는데 탁월하다. 본 발명은 소정의 계면활성제 분자를 이용하여 스핀 코팅된 필름에 기공을 성형하는 에어로겔 방법과는 다른 것이다.
따라서, 본 발명은 실리카 표면을 실리콘 유기 화합물 및 디히드록실화 기체에 각각 노출시키는 단계를 포함하는 히드록실화 실리콘 표면의 디히드록실화 방법에 관한 것이다. 실리콘 유기 화합물은 실릴화제로도 알려져 있다. 실리콘 유기 화합물은 액체상, 기체상 또는 용액상일 수 있으며 디히드록실화 기체에 노출되는 공정은 보통 고온에서 실시된다. 본 발명은 경시 안정성을 갖는 저 유전상수의 실리콘 물질로 된 메소다공성 필름을 제공한다는 잇점이 있다. 본 발명의 또 다른 잇점은 대규모에 적용할 때 개선된 안전성 및 낮은 원가를 제공한다는 것이다.
일 구현예에 있어서, 디히드록실화 공정의 개선 방안은 용액에 침액하고 디히드록실화 기체에 노출하는 공정을 반복하는 것이다. 다른 구현예에 있어서, 개선 방안은 수소가 거의 포함되어 있지 않은 불활성 기체를 이용하는 것이다.
다른 구현예에 있어서, 본 발명은 2단계 디히드록실화 방법 및 메소다공성 필름을 제조하는 계면활성제 성형방법을 조합한 것이다. 메소다공성 실리카 필름의 제조방법은 계류중이며 본 명세서에 참고자료로서 통합되어 있는 미국 특허출원번호 제08/921,754호에 개시된 것과 같은 일반적인 단계를 포함하는데, 즉 계면활성제를 실리콘 전구물질 용액에 합하는 단계, 필름을 스핀-코팅하는 단계, 및 상기 필름을 가열하여 계면활성제를 제거함으로써 적어도 부분적으로 히드록실화된 메소다공성 필름을 형성한 다음 이 히드록실화 필름을 디히드록실화하여 메소다공성 필름을 수득하는 단계를 포함한다. 본 발명에 따르면, 개선방안은 히드록실화 필름을 실리콘 유기 화합물과 디히드록실화 기체에 각각 노출시키는 2단계 방법으로 히드록실화시켜서 저 유전상수를 갖는 메소다공성 필름을 수득하는 히드록실화 필름의 디히드록실화 방법을 포함한다.
다른 개선방안은 계면활성제로서 폴리옥시에틸렌 에테르를 이용하여 전술한 구현예들중 어느 하나를 구현하는 것이다.
본 발명에 개시된 바와 같은 스핀-코팅된 필름에서 사용된 작은 폴리옥시에틸렌 에테르 계면활성제를 이용하면 약 5nm 미만의 미세 기공이 형성된다는 점에서 유용하다. 보다 흔하게는, 계면활성제를 이용하여 평균 기공 직경이 약 2 내지 약 5nm가 되도록 할 수 있다. 이러한 평균 기공 직경 범위는, 반복된 열처리시, 반도체 소자에서 금속화 배선을 분리하는 층간 절연막에서 금속 종의 확산을 최소화한다는 점에서 바람직하다. 이러한 작은 폴리옥시에틸렌 에테르 계면활성제는 5nm를 초과하는 기공을 갖는 섬유를 제조하는데 사용되는 커다란 폴리알킬렌 옥사이드 "블록 공중합체" 계면활성제와는 다른 것이다. 본 발명의 또 다른 잇점은 저 유전상수를 갖는 필름 두께와 그 두께를 코팅된 웨이퍼 전체에 걸쳐서 균일하게 유지하는데 탁월한 방법, 및 분위기 제어가 필요 없는 스핀 코팅기법에 있다.
본 발명의 주제는 본 명세서의 결론 부분에서 구체적이고 명확하게 청구되어 있다. 그러나, 본 발명의 구성 및 작동 방법은 물론 그의 추가의 잇점 및 목적은 첨부하는 도면과 관련하여 하기 개시내용으로부터 가장 잘 이해될 수 있을 것이다. 첨부도면에서 유사한 부재를 동일한 부재 번호로서 표시한다.
바람직한 구현예에 대한 설명
본 발명은 계면활성제 함유 용액 (계면활성제-성형 메소다공성 실리카 필름)으로부터 제조되며, 3 미만의 유전상수; 약 0.1㎛ 내지 약 1.5㎛, 또는 약 0.2㎛ 내지 약 1.5㎛의 필름 두께; +/-5% 이하의 필름 두께 표준 편차; 약 20nm 이하, 보다 바람직하게는 약 10nm 이하, 보다 바람직하게는 약 5nm 이하의 평균 기공 크기; 규칙적이거나 불규칙한 다공구조 및 그의 조합된 특성을 갖지만 이러한 특성으로만 한정되지는 않는 메소다공성 실리카 필름에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 기공율은 30% 이상, 바람직하게는 40% 이상, 더 바람직하게는 50% 이상이다.
본 발명은 계면활성제를 포함하는 실리카 전구물질 용액을 스핀 코팅하여 히드록실화 필름을 형성 (함께 계류중이며 본 명세서에 참고자료로 통합되어 있는 특허출원 제08/921,754호에 개시된 바와 동일한 단계임)한 다음, 히드록실화 필름을 화학적으로 디히드록실화하여 메소다공성 실리카 필름을 형성하는 메소다공성 실리카 필름의 제조방법을 포함한다. 따라서, 본 발명은 계면활성제를 실리카 전구물질 용액에 합하는 단계, 스핀 코팅에 의해 필름을 형성하는 단계, 상기 필름을 열처리하여 계면활성제를 제거하는 단계 및 히드록실화된 메소다공성 필름을 형성한 다음 히드록실화된 필름을 화학적으로 디히드록실화하여 저 유전상수를 갖는 메소다공성 실리카 필름을 수득하는 단계를 포함하는 메소다공성 실리카 필름의 제조방법에 관한 것이다.
실리카 전구물질 용액은 실리카 전구물질, 수성 용매, 촉매 및 계면활성제를 포함한다. 필름은 실리카 전구물질 용액과 계면활성제의 혼합물을 스핀 코팅한 다음, 열처리하여 수성 용매, 촉매 및 계면활성제를 제거함으로써 히드록실화된 메소다공성 실리카 필름을 형성하는 방법에 의해 만들어진다. 히드록실화된 필름을 화학적으로 디히드록실화하면 저 유전상수를 갖는 메소다공성 필름이 얻어진다. 화학적 디히드록실화는, 바람직하게는 히드록실화된 필름을 순수한 액체, 순수한 증기 또는 용액이거나 캐리어 기체 또는 기체 혼합물 중의 증기 상태인 실리콘계 유기 화합물 (예: 실란)과 디히드록실화 기체에 각각 노출시킴으로써 이루어진다. 생성되는 메소다공성 필름은 3 미만의 유전상수를 가지며 다습한 환경에서도 3 미만으로 유지한다.
본 발명의 다른 바람직한 구현예에 따르면, 저 유전상수 (k<3)의 메소다공성 계면활성제-성형 필름은, 메소다공성 물질의 표면으로부터 히드록실기들을 제거하는 단계를 포함하는 하나 이상의 디히드록실화 단계(들)을 이용함으로써 얻을 수 있다. 이러한 구현예에 있어서, 계면활성제는 비이온성 계면활성제, 양이온성 계면활성제, 음이온성 계면활성제, 양성 계면활성제 및 이들의 조합과 같은 임의의 계면활성제일 수 있으나, 이들로써 한정되지는 않는다.
전구물질 용액은 다른 계면활성제, 친수성 분자 화합물, 유기 공용매 및 이들의 조합과 같은 (그러나 이들로써 한정되지는 않는) 화학 제제를 포함할 수 있다. 다른 계면활성제는 비이온성 계면활성제, 양이온성 계면활성제, 음이온성 계면활성제, 양성 계면활성제 및 이들의 조합일 수 있는데, 이들로써 한정되지는 않는다. 친수성 분자 화합물은 글리세롤, 프로필렌, 글리콜, 에틸렌 글리콜 및 그의 조합을 포함하는데, 이로써 한정되지는 않는다. 유기 공용매는 메시틸렌, 옥탄 및 이들의 조합을 포함하는데, 이로써 한정되지는 않는다.
실리카 전구물질은 테트라에틸 오르토실리케이트 (TEOS), 테트라메틸 오르토실리케이트 (TMOS), 메틸 트리에톡시실란, 페닐 트리에톡시실란, 디메틸 디메톡시실란, 에틸 트리에톡시실란 및 이들의 조합을 포함하는데, 이로써 한정되지는 않는다.
바람직한 구현예에 있어서, 수성 용매는 에탄올을 포함한다.
촉매는 염산, 질산, 황산과 같은 (그러나 이로써 한정되지는 않는) 무기산; 카르복실산, 아미노산 및 이들의 조합과 같은 (그러나 이로써 한정되지는 않는) 유기산; 및 이들의 조합을 포함하는데, 이들로써 한정되지는 않는다. 카르복실산은 메탄산 (포름산), 에탄산 (아세트산), 에탄디온산 (옥살산), 부탄산 (부티르산) 및 이들의 조합을 포함하는데, 이들로써 한정되지는 않는다. 아미노산은 글리신, 니트로메탄 및 이들의 조합이 포함되는데, 이로써 한정되지는 않는다.
바람직한 비이온성 계면활성제는 폴리옥시에틸렌 에테르 계면활성제이다. 용어 "비이온성"은 양이온종 (예를 들면, 암모늄 이온 또는 나트륨 이온) 또는 음이온종 (예를 들면, 설포네이트, 설페이트 또는 할라이드)이 존재하지 않는 계면활성제를 의미한다. 본 명세서에 개시된 비이온성 폴리옥시에틸렌 에테르 계면활성제는 탄소, 수소 및 산소를 포함하며 폴리머의 친수기 말단에 히드록실기 (-OH)만을 가지고 있는 작은 분자들이다. 이러한 계면활성제를 디히드록실화 공정과 더불어 사용하면 단순한 합성 및 가공 조건으로 저 유전상수 (예를 들면, 필름에서 낮은 캐패시턴스)가 얻어진다. 또한, 이러한 계면활성제를 사용함으로써 보다 우수한 필름 두께 균일성, 최소의 표면조직, 및 유전상수 안정성이 얻어진다.
폴리옥시에틸렌 에테르 계열의 계면활성제는 C12EO10 또는 10 라우릴 에테르로 알려진 C12H25(CH2CH2O)10OH; C16EO10 또는 10 세틸 에테르로 알려진 C16H33(CH2CH2O)10OH; C18EO10 또는 10 스테아릴 에테르로 알려진 C18H37(CH2CH2O)10OH; C12EO4 또는 4 라우릴 에테르로 알려진 C12H25(CH2CH2O)4OH; C16EO2 또는 2 세틸 에테르로 알려진 C16H33(CH2CH2O)2OH; 또는 그의 조합을 포함하는데, 이들로써 한정되지는 않는다.
또한, 폴리옥시에틸렌 에테르 계면활성제는, 다른 계면활성제, 수성 용매에 존재하는 에탄올 및 물과 혼화성이 있는 친수성 분자 화합물, 계면활성제(들)와 혼화성이 있는 유기 공용매 및 이들의 조합을 포함하는 (그러나, 이로써 한정되지는 않는) 화학 제제와 함께 사용될 수 있다. 계면활성제들은 세틸 트리메틸 암모늄 클로라이드와 같은 암모늄계 양이온성 계면활성제를 포함하는데, 이로써 한정되는 것은 아니다. 유기 공용매는 메시틸렌, 옥탄 및 그의 조합을 포함하는데, 이들로써 한정되는 것은 아니다. 친수성 분자 화합물은 글리세롤, 프로필렌 글리콜, 에틸렌 글리콜 및 이들의 조합을 포함하는데, 이들로써 한정되지는 않는다. 친수성 분자 화합물은 물과 에탄올에 비해 비등점이 더 높을 뿐 아니라 증기압이 낮다. 친수성 분자 화합물은 스핀 코팅 및 건조시에 계면활성제 미셸 주변에 형성된 실리카-풍부 벽 내에 함유물로써 잔류하기 쉬우며, 이 함유물들은 하소시에 실리카 벽의 미세한 기공 뒤에 남아있게 된다.
실리카 전구물질 용액은, (1) 실리카 전구물질, 바람직하게는 테트라에틸 오르토실리케이트 (TEOS); (2)수성 용매, 예를 들면 에탄올, 물 및 그 조합; (3) 실리카 전구물질 가수분해용 촉매, 바람직하게는 질산이나 염산 같은 산; 및 (4) 계면활성제의 4종류의 용액 화합물로 이루어져 있다. TEOS는 물만으로는 용해되지 않기 때문에, 공용매, 바람직하게는 에탄올을 가한다. 바람직한 용액 혼합물은 TEOS 1.0; 물 5; 에탄올 5; HCl 0.05; 및 계면활성제 0.17 (숫자는 몰비)를 포함하며, 계면활성제 / TEOS의 몰비를 변화시켜서 최종 필름 중의 기공 용적율을 제어하고 기공 구조를 변화시킬 수 있다. 또한, 당업자는 작은 폴리옥시에틸렌 에테르 부류에서 계면활성제 크기와 양이 크게 달라짐에 따라 용매의 양이 달라질 수 있다는 것을 인식할 것이다. 스핀 코팅하기 전에 실리카 전구 물질이 용액에 침전되지 않도록 하는 것이 중요하다. 공용매인 알콜을, 바람직하게는 주용매로서 사용하고 산성 pH로 하면 실리카 전구물질이 침전되는 것을 막을 수 있다. 다른 방법으로는, 물과 TEOS의 몰비만을 조절하거나, 상기 몰비의 조절과 함께 pH 조절, 알콜 첨가 또는 pH 조절과 알콜 첨가를 병행하면 실리카 전구물질이 침전되는 것을 막을 수 있다.
성형 필름은 실리카 전구물질 용액을 스핀 코팅함으로써 제조된다. 이 용액을 기판의 표면 상에서 분배하고 스핀 코팅기로, 예를 들면 약 2000rpm에서 약 30초간 회전시킨다. 기판은 실리콘 웨이퍼 또는 알루미늄-코팅 실리콘 웨이퍼인 것이 바람직하지만 이로써 한정되는 것은 아니다.
본 발명에서 사용된 스핀 코팅 기법은 계면활성제-함유 용액을 이용하는 경우에는 분위기 제어가 필요하지 않으며, 마이크로전자 부품 제조시에 쉽게 적용가능한 것이어야 한다. 이 기법에 의하면 소형 웨이퍼에서 대형 웨이퍼에 이르기까지 웨이퍼 전체에 걸쳐 두께가 균일한 필름을 얻을 수 있다. 본 발명의 방법에 의해 제조된 필름은 약 0.2㎛ 내지 약 1.5㎛의 필름 두께를 가지면서 그 표준편차가 +/-5% 이하로 유지된다. 예를 들어, 약 0.8㎛의 두께를 갖는 필름의 경우, 4-인치 웨이퍼에서 표준편차가 25nm (0.3%) 미만인 두께 변화값을 갖는다. 용액 화합물의 상대적 조성비를 조절하고 침적시 회전율을 변화시켜서 필름 두께를 제어할 수 있다.
스핀-코팅후, 계면활성제-성형 필름은 수성 용매, 산, 및 계면활성제를 제거함으로써 히드록실화 메소다공성 필름으로 형성된다. 수성 용매 제거는 보통 스핀 코팅된 필름을 가열함으로써 이루어진다. 예를 들어, 스핀 코팅된 필름을 115℃에서 1시간 동안 노출시키면 건조되고 실리카의 밀도가 증가한다. 필름을, 예를 들면 475℃에서 5시간 동안, 또는 N2 기체에서 400℃의 뜨거운 플레이트 상에서 5분 동안 추가로 열처리 (하소)하면 계면활성제가 제거되고 부분적으로 히드록실화된 메소다공성 필름이 형성된다.
부분적으로 히드록실화된 필름을 순수 액체나 순수 증기 또는 용액이거나, 또는 캐리어 기체 또는 기체 혼합물 중의 증기인 실리콘계 유기 화합물 (예: 실란)과 디히드록실화 기체에 각각 노출시키면 부분적으로 히드록실화된 필름이 디히드록실화되어 메소다공성 실리카 필름이 형성된다. 실란은 트리메틸 요오도실란, 트리메틸 클로로실란, 디메틸 디메톡시실란, 헥사메틸 디실라잔, 디메틸 디클로로실란 헥사페닐 디실라잔 및 디페닐 테트라메틸 실라잔으로부터 선택될 수 있는데, 이들로써 한정되는 것은 아니다. 또한, 실란에 노출된 필름을 히드록실화 기체에 더 노출시키거나 열처리할 수 있다. 실란 처리를 먼저 실시한 다음, 진공 처리법, 불활성 기체 또는 발포 기체중에서의 처리법 또는 이 방법들을 조합하여 실시한다. 바람직하게는, 유기 용매 중에 헥사메틸 디실라잔을 용해시켜 제조한 용액에서 침액 처리하고 승온에서 N2 중의 H2 기체에 노출시키는 2단계 방법을 이용하여 부분 히드록실화된 필름을 디히드록실화한다. 더 바람직하게는, 초기의 진공 처리, 후속의 증기상 실란 처리 및 후속의 제2 진공 처리를 포함하는 고온에서의 다단계 방법을 이용하여 부분적으로 히드록실화된 필름을 디히드록실화시킨다. 동일한 실란이나 서로 다른 실란을 이용하여 실란 / 진공 처리 단계를 반복한 다음 불활성 기체 또는 발포 기체를 이용한 고온 처리를 실시하는 것이 바람직하다.
예를 들어, 히드록실화 필름을 톨루엔 중의 10% 헥사메틸 디실라잔 용액에 24시간 동안 담근 다음 400℃에서 2시간 동안 2% H2 함유 N2 기체에 노출시키면 메소다공성 필름의 효과적인 디히드록실화가 일어나고 다습한 공기 중에서 안정한 유전율 특성을 나타낸다. 이러한 일련의 디히드록실화 단계들을 1회 이상 반복하는 것이 바람직하다. 생성되는 메소다공성 필름은 주변의 다습한 조건 하에서 통상 2.5 미만의 유전상수를 가지며 이 유전상수는 다습한 분위기에서도 장기간에 걸쳐서 안정하다.
실시예 1
본 실시예의 실험은 본 발명의 바람직한 일 구현예의 효과를 설명하기 위하여 실시하였다. 세종류의 서로 다른 폴리옥시에틸렌 에테르계 계면활성제에 대하여 조사하였다: (1) C12EO10 또는 10 라우릴 에테르라고 알려진 C12H25 (CH2CH2O)10OH; (2) C16EO10 또는 10 세틸 에테르라고 알려진 C16H33(CH2CH 2O)10OH; 및 (3) C18EO10 또는 10 스테아릴 에테르라고 알려진 C18H37(CH2CH2O)10OH. 몰비가 하기, 즉 TEOS : H2O : 에탄올 : 염산 = 1 : 5 : 5: 0.05인 용액을 이용하여 전술한 바와 같은 계면활성제들을 갖는 필름들을 모두 제조하였다.
계면활성제 / TEOS 몰비는 약 0.10 내지 0.50이었다. 균질한 용액이 얻어질 때까지 TEOS를 제외한 모든 성분을 혼합하였다. 계면활성제 / TEOS 몰비가 약 0.2보다 크고, TEOS : H2O : 에탄올의 비가 약 1 : 5 : 5라면, 특히 폴리옥시에틸렌 에테르 계면활성제의경우에는, 용액을 약 40℃ 내지 약 50℃로 가열하는 것에 의해 용이하게 균질화된다. 더 희석된 용액이라면 가열할 필요가 없다.
이어서, TEOS를 가하고 용액을 교반하였다. TEOS 첨가후, 용액을 20시간 동안 실온에서 숙성시켰다. 이러한 용액 조건하에서는 침전물이 형성되지 않았다.
숙성 용액을 스핀 코팅기로 2000rpm에서 30초 동안 스핀 코팅하여 연마된 4인치 크기의 Si 웨이퍼 표면 상에 분배하였다.
생성되는 계면활성제-성형 필름으로부터 수성 용매, 산 및 계면활성제를 제거하여 상기 필름을 메소다공성 필름으로 전환시켰다. 이 제거 공정은 성형 필름을 115℃의 온도에서 1시간 동안 가열함으로써 이루어졌다. 475℃에서 5시간 동안 하소 (열처리)하여 계면활성제를 필름으로부터 완전히 제거하였다.
전기적 / 캐패시턴스 측정을 실시하기 전에, 하소된 필름을 핵반응 분석 (NRA)하여 기공율을 측정하고 프로필측정장치 (profilometry)를 이용하여 두께를 측정하였다. NRA 기공율 데이타는 정확한 기공율 측정값으로서 사용되기보다는 어떤 필름을 추가의 전기 측정 / 캐패시턴스 측정용으로 선택할 것인지를 결정하는데 도움을 주는 가이드라인으로서 사용되었다.
도 1은 CxEO10 폴리옥시에틸렌 에테르계 계면활성제들에 대하여 NRA로 측정한 기공율을 나타낸다. 이 그래프는 서로 다른 계면활성제를 이용하는 경우의 기공율값을 소정의 계면활성제 / TEOS 값으로서 나타낸다. 보다 높은 계면활성제 / TEOS 비율을 나타내는 몇몇 경우에는 필름의 전기적 성질에 대한 평가 결과 필름 품질이 수용가능하지 않았으며, 그러한 비율로 형성된 필름에 대해서는 더 조사하지 않았다. 반도체 소자의 절연막으로서 고려하려면 필름 두께가 약 0.5 내지 약 1.2㎛의 범위에 있어야 한다. 또한, 필름의 두께가 균일하여야 하며 무균열 특성을 가져야 하고 주요 결점이나 표면 결함이 없어야 한다. 비습윤 섬(island), 크랙, 고리형 구조, 톱니모양의 패턴 또는 불투명한 삽입물 등을 가지고 있는 필름에 대해서는 전기적 평가를 하지 않았다. 다른 균일한 필름 상에 있는 (웨이퍼 상의 분진 입자에 의한) 코멧트와 같은 결함은 고유 용액 특성에 기인한 것이 아닐 수 있으므로 이러한 결함들은 허용가능한 것으로 간주하였다. 표 E1-1은 이들 계면활성제의 농도가 서로 다른 필름의 품질 평가 결과를 나타낸다.
표 E1-1 : CxEO10계 필름에 대한 필름 품질
계면활성제>>>>계면활성제 / TEOS 몰비 (이하) 필름 품질C12EO10 필름 품질C16EO10 필름 품질C18EO10
0.10 양호 허용가능 허용가능
0.17 양호 불량 불량
0.24 불량 허용가능 불량
0.30 불량 허용가능 불량
0.40 불량 불량 불량
0.50 불량 불량 불량
표 1에 나타낸 NRA 기공율 데이타와 필름 품질 관찰결과에 근거하여 전기적 측정용으로 두 종류의 필름을 선택하였다. 표 1에 나타낸 바와 같은 두 종류의 필름을 (1) C12EO10, 0.17의 계면활성제 / TEOS 몰비; 및 (2) C16EO10, 0.3의 계면활성제 / TEOS 몰비를 갖는 용액을 이용하여 제조하였다.
정밀 LCR 메터를 이용하여 이들 하소된 필름의 캐패시턴스에 대한 초기 전기 테스트를 실시한 결과 다공성 필름의 예상치보다 훨씬 더 높은 유전상수 (즉, 캐패시턴스)를 얻었는데, 이는 필름이 여전히 상당량의 히드록실기 (-OH)를 함유하기 때문이다.
따라서, 이들 히드록실화된 두 종류의 필름들을 실란과 디히드록실화 기체에 각각 노출시켜서 디히드록실화시켰다. 필름을 톨루엔 중의 10% 헥사메틸 디실라잔 용액에 24시간 동안 담근 다음 400℃에서 N2 중의 2% H2 기체에 노출시켜서 필름을 디히드록실화시켰다. 이러한 디히드록실화 공정 단계들을 각 필름에 1회 이상 반복 실시하고 이들 단계들을 실시한 후에는 매번 유전상수를 측정하였다.
캐패시턴스 측정은 하기와 같이 실시하였다. 웨이퍼의 이면을 스크래치 / 에칭하여 실리콘 표면과 금층을 노출시킨 다음, 스퍼터-침적시켰다. 섀도우 마스크를 이용한 스퍼터링 기법에 의해 필름의 최상단면에 직경 약 2.8㎜의 금 도트 배열을 형성하였다. 실온 및 주변 조건하에서 각 샘플마다 4개의 도트에 대하여 캐패시턴스를 측정하고 필름 두께와 도트 직경을 이용하여 유전상수를 산출하였다. 이 방법으로 얻어진 서로 다른 두개의 필름에 대한 유전상수 데이타를 도 2 및 도 3으로 나타내었다.
도 2에 나타낸 데이타는 C12EO10 계면활성제로 합성한 필름에 대하여 1.80의 유전상수가 얻어질 수 있음을 나타낸다. 도 3의 데이타는 C16EO10 계면활성제로 합성한 필름에 대하여 1.85의 유전상수가 얻어질 수 있음을 나타낸다. 이처럼 낮은 유전상수는 폴리옥시에틸렌 에테르 계면활성제로 제조된 메소다공성 실리카 필름이 반도체 소자에 적용될 수 있는 충분한 가능성이 있음을 시사한다. 이들 필름으로 얻어진 저 유전상수는 상대적으로 안정해서 20 - 22℃의 온도 및 40 - 65%의 상대 습도의 주변 실험실 조건 하에서 1일 동안 증가율이 5% 미만이었다. 유전상수값은 그 이후에도 증가하지 않았다.
계면활성제 성형 메소다공성 필름의 기공 구조는 저각 x-선 회절 (XRD)과 투과 전자 현미경 (TEM)에 의해 판명되었다. 두개의 서로 다른 방향, 즉 반경 방향과 접선 방향에 대하여 웨이퍼상 필름의 XRD 스펙트럼을 도 4a 및 4b에 나타내었다. 스펙트럼은 2 내지 6도 2-쎄타 범위에서 전혀 피크를 나타내지 않았는데, 이는 다공구조가 규칙적이지 않다는 것을 의미한다. 도 5에서 필름 단면에 대한 TEM 마이크로그래프로부터 기공이 등방성의 나노다공성 구조로 무질서한 상태인 것을 알 수 있다. 급속 분무 건조과정에 의해 용액으로부터 제조된 분말의 질소 흡착/탈착 분석 및 TEM 마이크로그래프로부터 기공 크기가 3nm 미만인 것으로 추정되었다.
필름 평활도 및 표면 등고도를 광학 프로필측정장치로 측정하였다. 최소 조선형 (minimal striation-type) 표면 조직이 이 필름에서 관찰되었다. 필름 표면의 등고도를 도 6a에 나타내었다. 조도 (roughness)는 십수 마이크론의 길이에 걸쳐서 통상 ±50 옹스트롬 미만이다 (도 6b).
메소다공성 실리카 필름의 탄성율을 버코위치 다이아몬드 팁 (Berkowich diamond tip)을 이용하는 히시트론 피코압입기 (Hysitron Picoindenter TM)로 측정하였다. 계수가 70GPa인 조밀한 실리카 표준물질 상에서 장치와 팁을 보정하였다. 압입 하중 (50 - 300μN) 및 최대 하중에서의 체류 시간 (50 - 900s) 범위에서 시험하였다. 사용된 측정 파라메터에 있어서, 압입 깊이는 필름 두께의 10% 미만이었으며, 따라서 기판 효과가 측정값에 영향을 미칠 것으로 예상되지 않았다. 300s의 체류 시간 동안에 측정된 탄성율값에 대한 압입 하중의 효과를 도 7에 나타낸다. C12EO10 폴리옥시에틸렌 에테르 계면활성제로 제조된, 기공율이 55%인 고도의 다공성 필름에 대한 탄성율은 14 - 17GPa이다. 조밀한 실리카에 대한 다공성 실리카 필름의 상대적 탄성율은 폐쇄 기공 또는 개방 기공을 근거로 하는 다공성 고체에 대한 산출법과 논리적으로 일치한다. 다공성 필름에 대한 상당히 높은 탄성율은 층간 배선구조 제조시 CMP에 견딜 수 있도록 한다.
실시예 2
본 실시예의 실험은 여러가지 폴리옥시에틸렌 에테르 계면활성제를 이용하며, 이와 함께 저 유전상수를 갖는 메소다공성 실리카 필름의 제조방법과 병행하는 방법을 설명하기 위하여 실시하였다. 각 용액에 사용한 계면활성제의 종류와 사용량을 포함하여 스핀 코팅 용액의 성분, 및 선택된 필름의 유전상수를 하기 표 E2-1에 나타내었다. 균일한 용액이 얻어질 때까지 TEOS를 제외한 모든 성분들을 혼합하였다. 이 실험에서, 성분들은 다음의 순서, 즉 계면활성제, 에탄올, 물 및 산의 순서로 첨가였다. 계면활성제가 실온에서 고체상인 경우에는 다른 용액 성분들을 가하기 전에 계면활성제를 30 내지 40℃로 가열하여 계면활성제를 용융시켰다. 계면활성제의 가열이 항상 필요한 것은 아니지만 이 과정을 실시함으로써 균일한 용액을 보다 쉽게 얻을 수 있다. 이어서, TEOS를 가하고 용액을 교반하였다. TEOS를 첨가한 다음, 용액을 실온에서 20시간 동안 숙성하고 스핀 코팅기를 이용하여 2000rpm에서 30초 동안 연마된 4인치 Si 웨이퍼의 표면에 분배하였다.
생성되는 계면활성제-성형 필름을 3개 일련의 핫 플레이트 상에서 가열하여 메소다공성 필름으로 전환시켰다. 가장 뜨거운 핫 플레이트 온도는 약 400℃였다. 이러한 셋트로부터 선택된 필름을 전술한대로 헥사메틸 디실라잔 용액과 2% H2 / N2에 순차적으로 노출시키는 공정을 포함하는 디히드록실화 공정으로 처리하고 필름의 유전상수를 측정하였다. 이 표로부터, 1종 이상의 계면활성제를 사용하면 2.25 미만의 필름 유전상수가 얻어짐을 알 수 있다.
표 E2-1
샘플 조성 : 몰비
# TEOS H2O ETOH HNO3 계면활성제 1 계면활성제 2 k'
CC24 1 5 10 0.05 0.1 C12EO10 0.1 C16EO10
CC25 1 5 10 0.05 0.13 C12EO10 0.13 C16EO10
CC26 1 5 10 0.05 0.15 C12EO10 0.15 C16EO10 2.16
CC27 1 5 5 0.05 0.06 C12EO10 0.06 C18EO20
CC28 1 5 5 0.05 0.1 C12EO10 0.1 C18EO20 2.11
CC29 1 5 5 0.05 0.1 C12EO10 0.1 C12EO4
CC30 1 5 5 0.05 0.13 C12EO10 0.13 C12EO4
CC31 1 5 5 0.05 0.15 C12EO10 0.15 C12EO4 2.23
실시예 3
폴리옥시에틸렌 에테르 계면활성제로 제조된 불규칙한 기공 구조의 필름을 저각 x-선 회절에 의해 보다 철저하게 관찰하여 이들 필름의 x-선 스펙트럼에서 임의의 특징적인 특성을 평가하였다. 각 용액에 사용된 계면활성제의 종류 및 사용량을 포함하여 스핀 코팅 용액의 성분을 하기 표 E3-1에 나타낸다. 균일한 용액이 얻어질 때까지 TEOS를 제외한 모든 성분을 혼합하였다. 이 실험에서는, 성분들을 다음의 순서, 즉 계면활성제, 에탄올, 물 및 산의 순서로 첨가하였다. 계면활성제가 실온에서 고체상인 경우에는 다른 용액 성분을 가하기 전에 계면활성제를 약 30 내지 40℃에서 가열하여 계면활성제를 용융시켰다. 계면활성제를 항상 가열할 필요는 없지만 균일한 용액을 보다 쉽게 얻기 위해서 계면활성제를 가열할 수 있다. TEOS를 가하고 용액을 교반하였다. TEOS를 첨가한 후 용액을 실온에서 20시간 동안 숙성시키고 스핀 코팅기를 이용하여 2000rpm에서 30초 동안 4인치 Si 웨이퍼의 표면에 분배하였다.
표 E3-1
조성 : 몰비
샘플 # TEOS H2O EtOH HCl HNO3 계면활성제
144-3-I-D 1 5 5 0.05 0.19 C12EO10
CC22C 1 5 10 0.05 0.3 C12EO10
CC29A 1 5 5 0.05 0.1 C12EO10 0.1 C12EO4
CC81-1B 1 5 20 0.05 0.2 C16EO10
CC83-1B 1 5 20 0.05 0.2 C18EO10
생성되는 계면활성제-성형 필름을 일련의 3개의 핫 플레이트에서 가열하여 메소다공성 필름으로 전환시켰다. 가장 뜨거운 핫 플레이트의 온도는 약 400℃였다. 이러한 셋트로부터의 두 종류의 필름, 143-3-I-D 및 CC22C을 전술한대로 헥사메틸 디실라잔 용액 및 2% H2 / N2에 차례로 노출시켜서 디히드록실화 처리하였다.
이 필름을 하기의 실험 파라메터를 이용하여 x-선 회절 분석하였다. 중심궤적이 웨이퍼의 중심으로부터 약 3.5㎝에 위치해 있는 약 1㎝ X 1㎝ 크기의 스캐닝 영역에 대하여 x-선 스펙트럼을 얻었다. 원형 웨이퍼에 대하여 x-선 빔의 반경 방향 및 접선 방향 모두에서 원형 웨이퍼에 대한 스펙트럼을 얻었다.
스캔 범위 ; 1.00 - 6.00deg (2Theta)
스캔 속도 : 0.05deg / 10초
스캔 유형 : 연속식 (즉, 스탭-스캔이 아님)
회절분석기 : 필립스사의 X'Pert MPD (Model PW3040/00)
X-선 광원 : 실드 세라믹 튜브, 롱-파인 포커스 (LFF) Cu 애노드 (Cu K 알파 방사선)
X-선 전력 : 40kV, 50mA (2000W)
고노이메터(Gonoimeter) 직경 : 250㎜.
입사빔광:
ㆍ 0.04 라드 솔러 슬릿트
ㆍ 프로그램가능한 자동 발산 슬릿 (스팟 길이: 10㎜)
ㆍ 10㎜ 빔 마스크 (스팟 폭: 10㎜)
수신광 :
ㆍ 0.04 라드 솔러 슬릿트
ㆍ 프로그램가능한 자동 방사 방지 슬릿 (스팟 길이: 10㎜)
ㆍ 프로그램가능한 수신 슬릿 (0.2㎜)
ㆍ 곡면형 그래파이트 모노크로메이터
검출 : Xe 비례계수기
144-3-I-D : 반경 방향과 접선 방향에 상응하는 x-선 스펙트럼을 도 8a와 8b에 각각 나타내었다. 입사빔과 반사빔의 경로에 대하여 시스템 인자의 배열과 샘플 높이의 제어가 조심스럽게 이루어지더라도 보다 높은 퍼센트의 직사빔이 검출기에 도달하기 때문에 저각에 도달할 때 회절 또는 반사빔의 강도는 증가한다. 이러한 강도 증가에도 불구하고 두개의 스펙트럼 모두에서 1.1도 2-쎄타 부근에서 피크를 나타낸다. 이러한 필름의 얇은 부분의 투과 전자 현미경 사진으로부터는 다공구조가 규칙적이라는 증거가 없다. 연구된 필름 영역에서는 정규의 기하학적 기공 배열, 특히 긴 기하학적 배열이 나타나지 않았다.
CC22C : 반경 방향과 접선 방향에 상응하는 x-선 스펙트럼을 각각 도 9a 및 9b에 나타내었다. 접선 방향에서는 약 1.1도에서 피크의 증거가 있지만, 반경 방향에서는 뚜렷한 피크가 나타나지 않는다. 저각의 강도 증가만이 관찰된다.
CC29C : 반경 방향과 접선 방향에 상응하는 x-선 스펙트럼을 각각 도 10a 및 10b 나타내었다. 반경 방향과 접선 방향 모두에서 약 1.1 내지 1.2도 2-쎄타에서 피크의 증거가 나타난다.
CC81-1B : 반경 방향과 접선 방향에 상응하는 x-선 스펙트럼을 각각 도 11a 및 11b에 나타내었다. 반경 방향과 접선 방향 모두에서 약 1.1 내지 1.2도 2-쎄타에서 피크의 증거가 나타난다.
CC83-1B : 이 샘플상에서 얻어진 2 셋트의 x-선 스펙트럼이 도 12a 및 12b에 나타나 있다. 한 셋트 (반경 방향 및 접선 방향)는 다른 웨이퍼로부터 이격된 1/4-웨이퍼 (웨이퍼의 약 90도 회전)에 대하여 얻어졌다. 도 12a, 12b에서, 한 영역에서 반경 방향반경 방향방향에서 얻은 스펙트럼에서는 저각에서 피크가 발생하는 명백한 증거를 나타내지 않는다. 그러나, 샘플 상의 다른 영역으로부터 얻은 도 12c 및 12d의 각 스펙트럼은 1.1-1.2도 2-쎄타 부근에서 단일 피크를 포함한다. 이 필름의 얇은 부분의 투과 전자 현미경 사진은 기공이 규칙적이라는 아무런 증거가 없다. 연구된 필름 영역은 어떠한 정규의 기하학적 기공 배열, 특히 넓은 범위에 걸친 기하학적 기공 배열을 나타내지 않았다.
실시예 1에서의 x-선 반사와, TEM으로 관측한 미세 구조에 대한 관찰결과와 조합한 본 실시예의 저각에서의 x-선 반사 및 투과 전자 현미경 사진에 관한 관찰결과는 임의의 규칙적인 기하학적 "결정" 배열, 특히 긴 배열을 갖지 않는 기공 구조와 일치한다. 이러한 불규칙한 다공구조는 저각 (약 0.75 내지 약 2도 2-쎄타)에서의 x-회절 피크에 의해 특징지워진다. 이러한 피크가 불규칙한 다공구조에 대하여 매번 100% 관찰되는 것은 아니라는 점을 명심해야 한다.
실시예 4
실온에서 증기상의 실란을 이용하여 메소다공성 실리카 필름을 디히드록실화하면 2.5 미만의 유전상수를 제공할 수 있다. 실리콘 웨이퍼 상의 메소다공성 필름을 내부 용적이 ~0.081㎤인 스테인레스강 반응 용기에 넣었다. (입구 및 출구용 고온 밸브가 장착된) 반응 용기를 진공 튜빙을 통해 고진공 라인에 연결하였다. 반응기를 모래욕에 넣고 반응기 주변에 균일하게 배치한 열전대를 이용하여 온도를 모니터링하였다. 고진공 (~10-5)하에 있는 챔버에서 초기 가열 단계 (0분에서 2시간)를 실시하였다. 반응 챔버가 소정 온도에 도달하면 반응 챔버를 증기상의 실란에서 개방하였다. 실란 증기의 증기압은 비등점 또는 비등점 부근에서의 실란 증기압에 따라 달라졌다. 소정 시간이 경과한 후에 챔버를 진공 하에 놓았다. 메소다공성 필름의 처리공정은 진공 처리, 1회 이상의 증기상 실란 처리 및 298 내지 723K (25℃ 내지 450℃) 범위의 온도에서 실시되는 1회 이상의 진공 처리를 필수적으로 포함한다. 진공 처리 및 실란 처리 시간은 5분 내지 2시간 범위에서 변경시킬 수 있다. 이 공정은 도 E4-1에 기재된 샘플에 대한 싸이클수를 반복하였다. 냉각하면 웨이퍼를 반응 용기로부터 꺼내고 그 표면에 금 전극을 증착시킨 다음 튜브로에 넣고 673K (400℃)에서 2시간 동안 발포 기체 (2% H2/N2)로 처리하였다. 필름의 캐패시턴스를 주변 조건하에서 측정하였다. 필름을 건조 질소 기체의 흐름에 넣고 필름 캐패시턴스를 측정하였다. 마지막으로, 웨이퍼를 물이 들어있는 비이커를 포함하고 있는 밀봉된 유기 용기에 넣고 1 내지 3일 동안 상대 습도가 100%가 되도록 한 다음 샘플을 꺼내어 실내 공기중에서 다시 캐패시턴스를 측정하였다. 트리메틸 요오도실란, 트리메틸 클로로실란, 디메틸 디메톡시실란 및 헥사메틸 디실라잔을 포함하여 여러가지 서로 다른 실란을 조사하였다. 트리메틸 요오도실란과 헥사메틸 디실라잔을 이용한 실험 결과를 표 E4-1에 열거하였다. 이 결과로부터, 사용된 실란과 처리 조건에 따라 메소다공성 실리카 필름을 실란에 노출시키는 과정을 포함하는 공정을 이용하면 메소다공성 실리카 필름 상에서의 저 유전상수 (<2.5)를 얻을 수 있다. 이러한 노출 과정은 높은 습도 조건에서 일어날 수 있다. 이 결과로부터, 다공성 필름 중의 기체상 또는 물리적 흡착종을 실란 처리 단계 전 및/또는 후에 제거하는 과정을 포함하는 공정을 이용하면 실란에 의한 디히드록실화가 가장 효과적일 수 있음을 알 수 있다. 기체상 또는 물리적 흡착종을 진공하에 처리하거나 유동성 발포 기체 중에서 처리하여 제거하였으나 고순도의 질소 또는 아르곤과 같은 다른 유동성 불활성 기체중에서 처리하더라도 제거할 수 있다.
표 E4-1
샘플 번호 실란 (압력, torr) 실란의 총 mmole 온도 (℃) 시간 (분) (실란 처리) 싸이클 수 K'(공기중) K' (유동 질소중) K'(공기중, 100% 습도 이후)**
JB-3 (CH3)3SiI 36torr 0.16 275 60 1 1.66 1.57 1.91
JB-6 (CH3)3SiI 30torr 0.17 400 10 3 1.73 1.65 1.72
JB-8 HMDS*** 19 torr 0.17 350 10 5 1.77 1.67 1.86
* 실란 처리 시간 (분), 통상 진공 시간은 동임함.
** 100% 습도에서 ~15시간 동안 노출, 이후 주변 공기 중에서 캐패시턴스를 즉시 측정함.
*** 헥사메틸 디실라잔.
이러한 처리는 필름 온도 조절이 가능한 챔버에서 가장 잘 이루어질 수 있는데, 소정 기체를 적절한 순서로 챔버에 공급하는 경우에는 실란에 노출하기 전 및/또는 후에 챔버의 공기를 빼서 진공 상태로 만들었다. 본 발명자들은 실리콘 웨이퍼 상에 지지된 메소다공성 실리카 필름의 디히드록실화에 사용되는 실험 반응 챔버를 고안하였는데, 이 챔버는 독립 챔버이거나 일체화된 스핀-트랙 툴의 일부일 수 있다. 스테인레스강 챔버는 4, 6, 8 및 12인치를 고정하는 구조를 갖는다. 고 진공하에서는 챔버를 1기압의 외부 압력을 지탱하며 전면 개방 도어상의 냉각 실은 10-5torr의 진공을 유지할 것이다. 내부의 자체가열 선반을 500℃로 가열하고, 송풍기를 이용하여 내부 순환시킨다. 초기 진공 처리후, 기체상의 실란을 챔버에 집어넣어 소정 압력으로 가압한후 다시 진공 상태가 되도록 하였다. 이 싸이클을 필요한 횟수만큼 반복하여 소정의 디히드록실화가 이루어지도록 한다. 마지막 진공 처리후, 발포 기체 또는 불활성 기체를 챔버 내에 주입한다.
실시예 5
유전상수가 <2.5인 저 유전상수의 메소다공성 실리카 필름을 제조하는데 사용되는 계면활성제-함유 스핀 코팅 용액에서 추가의 실리카 전구물질로서 모노- 및 디-알킬 치환 알콕시실란을 사용할 수 있다. 트리에톡시실란 및 디메틸 디메톡시실란을 1몰비의 테트라에톡시실란에 첨가하는 것을 제외하고는 일련의 용액들을 실시예 1에 기재된 대로 제조하였다. TEOS : 알킬-에톡시실란의 몰비가 0.95 : 0.05 내지 0.25 : 0.75가 되도록 제조하였다. 사용된 계면활성제는 10 라우릴 에테르였다. 실리카 전구물질에 대한 계면활성제의 몰비는 0.17이었다. 실시예 2에 기재된 대로 실리콘 웨이퍼를 이들 용액으로 스핀 코팅한 다음 열처리하였다. 선택된 코팅 웨이퍼를 다음과 같이 디히드록실화시켰다. 코팅된 실리콘 웨이퍼를 내부 용적이 ~0.081㎤인 스테인레스강 반응용기에 넣었다. (입구 및 출구용 고온 밸브가 구비된) 반응 용기를 진공 튜빙을 통해 고압 라인에 연결하였다. 반응기를 모래욕에 넣고 반응기 주변에 균일하게 배치된 열전대를 이용하여 온도를 모니터링하였다. 초기 가열 단계 (0분 내지 2시간)는 고압 (~10-5torr) 챔버 내에서 실시되었다. 반응 챔버가 소정 온도에 도달하면 반응 챔버를 증기상의 실란에서 개방하였다. 실란 증기의 압력은 비등점 또는 비등점 부근에서의 실란의 증기압에 따라 달라진다. 소정 시간 경과후, 챔버를 진공하에 두었다. 메소다공성 필름의 처리 과정은 진공 처리하는 단계, 증기상에서 실시하는 1회 이상의 실란 처리 단계 및 298 내지 723K (25℃ 내지 450℃) 범위의 온도에서 실시되는 1회 이상의 진공 처리 단계를 필수적으로 포함한다. 냉각후 웨이퍼를 반응 용기에서 꺼내고 표면 상에 금 전극을 증착하였다. 필름의 캐패시턴스를 주변 조건 하에서 측정하였다. 또한, 필름을 건조 질소 기체에 놓고 필름 캐패시턴스를 측정하였다. 하나의 웨이퍼에 대한 결과를 표 E5-1에 나타낸다.
표 E4-1
샘플 번호 실록산몰비 디히드록실화 실란 (압력) 실란의 전체몰 시간 (분) 온도 (℃) 싸이클 수 K'(공기중) K' (유동 질소중)
JB-21 0.85 TEOS0.15 메틸트리에톡시드 (CH3)3SiI17torr 0.23 10 390 5 2.24 2.23
또한, 본 발명은 히드록실화된 실리카 표면을 디히드록실화시키는 2단계 방법의 개선방안을 포함한다. 기본적인 2단계 디히드록실화 방법은 실리카 표면을 (1) 실리콘 유기 화합물 및 (2) 디히드록실화 기체에 각각 노출시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 개선방안은 (a) 기본적인 2단계 방법을 반복하여 2.25 미만의 유전상수를 달성하는 방법, (b) 수소가 거의 없는 불활성 기체를 디히드록실화 기체로 이용하여 안전한 디히드록실화 방법을 달성하는 방법, (c) 상기 2단계 방법을 메소다공성 필름을 제조하는 계면활성제 성형화 방법과 함께 이용하는 방법 및 (d) 이들을 조합한 방법이다.
히드록실화 필름을 실리콘 유기 화합물, 바람직하게는 실란과 디히드록실화 기체에 노출시켜서 히드록실화 필름을 디히드록실화시킨다. 실란에의 노출에서 실란은 실란 증기, 실란 액체, 실란 용액이거나 이들의 혼합물일 수 있다. 실란 용액에 있어서, 용매는 바람직하게는 비수성, 예를 들면 톨루엔이다. 실란은 트리메틸클로로실란, 헥사메틸 디실라잔 또는 이들의 조합일 수 있다. 디히드록실화 기체에의 노출은 바람직하게는 승온에서 실시된다. 디히드록실화 기체는 불활성 기체이거나 수소를 포함하는 불활성 기체의 혼합물일 수 있다. 불활성 기체는 실질적으로 수소를 포함하지 않는데, 즉 이는 본 명세서에서 정의한 바에 따르면 수소를 전혀 포함하지 않거나 디히드록실화에 효과를 미치지 않는 정도 분량의 수소만을 포함하는 것을 의미한다. 검출가능량 미만의 수소는 디히드록실화에 실질적으로 영향을 미치지 않는다.
폴리옥시에틸렌 에테르 계면활성제-기반의 필름을 디히드록실화하는 것은 바람직한 구현예이다. 그러나, 이러한 디히드록실화 공정에 의한 저 유전상수는 다른 계면활성제로 제조된 필름들 (즉, 암모늄 (CTAC) 계면활성제-기반 필름을 예로 들 수 있으나 이로써 한정되지는 않는다) 에서도 얻을 수 있는 것이다.
실시예 6
본 명세서에 개시된 실시예들에서는, 계면활성제로서 C12H25(CH2CH2 O)10OH (C12EO10 또는 10 라우릴 에테르)를 이용하여 필름에 기공을 도입하였다. 하기 개시된 디히드록실화 처리중 일부를 이용하여 동일한 계열의 다른 계면활성제인 C16H33(CH2CH2O)10OH (C16EO10 또는 10 세틸 에테르)로부터 제조한 필름에 대한 데이타를 얻었다.
하기 몰비, 즉 TEOS : H2O : 에탄올 : 염산 = 1 : 5 : 5 : 0.05인 용액을 이용하여 모든 필름을 제조하였다. 계면활성제 / TEOS 몰비는 0.17이었다. 균일한 투명 용액이 얻어질 때까지 TEOS를 제외한 모든 성분들을 혼합한 다음, TEOS를 가하고 용액을 교반하였다. 이어서, TEOS를 첨가하고 용액을 실온에서 ~20시간 동안 숙성시킨 다음 연마된 4-인치 Si 웨이퍼 상에서 스핀 코팅하였다. 스핀 코팅후, 필름을 115℃에서 적어도 1 시간 동안 두어 건조시키고 실리카 응축을 증진시킨 다음 475℃에서 5시간 동안 하소하였다.
하소된 필름에 대하여 하기의 디히드록실화 공정에 1회 이상 실시하였다:
a) 톨루엔 중의 10% HMDS 용액에 20 내지 24시간 동안 담근 다음 이소프로필알콜에서 초음파 처리한 후 유동 질소 중에서 실온에서 건조시킨다. 이 공정을 "HMDS(L)"이라고 하기로 한다.
b) 400℃에서 유동 2% H2 / 98% N2 기체 중에서 2시간 동안 열처리하였다. 이 공정을 "2% H2"라 하기로 한다.
c) 400℃에서 유동 아르곤에서 2시간 동안 열처리하였다. 이 공정을 "Ar"이라 하기로 한다.
d) 필름을 2000rpm으로 회전시키면서 15초 동안 필름에 순수 HMDS를 흘린 다음, 다시 필름을 2000rpm으로 회전시키면서 15초 동안 필름에 이소프로필 알콜을 흘린다.
다음과 같이 캐패시턴스를 측정하였다. 필름 증착 및 처리 후, 웨이퍼 이면을 스크래치 / 에칭하여 실리콘 표면이 드러나도록한 다음 금막을 스퍼터링-증착시켰다. 새도우 마스크를 이용하여 스퍼터링하는 방법으로 필름 상면 상에 직경이 약 2.8㎜인 금 도트 배열을 형성하였다. 각 샘플상에 있는 4개의 금 도트에 대하여 캐패시턴스를 측정하고 필름 두께와 도트 직경을 이용하여 유전상수를 산출하였다.
이 방법으로 얻은 평균 유전상수를 표 E6-1에 나타낸다. 수소-함유 기체 또는 아르곤 중에서 최종적으로 열처리한 샘플중 일부에 있어서는 최종 열처리하기 전에 먼저 금으로 전극을 형성하였다. 열처리 전과 후에 캐패시턴스를 측정하였다. 표 E6-1은 열처리후 필름 상의 물방울 접촉각을 나타낸다.
표 E6-1
디히드록실화 처리가 C12EO10 폴리옥시에틸렌 에테르 계면활성제로 제조된 메소다공성 실리카 필름의 유전상수에 미치는 영향
히드록실화 공정에 대한 설명 샘플 번호 물의 접촉각_ "소수성 측정" 유전상수
2% H2 103-2-1-B1 12° 2.67
HMDS(L) XL-92-2 3.34
HMDS(L)>>2% H2 XL-92-2 2.41
HMDS(L)>>2% H2>>HMDS(L) 103-2-1-A1-112-1-Ⅲ-D1 75° 2.142.56
HMDS(L)>>2% H2>>HMDS(L)>>2% H2 103-2-1-A2-112-1-Ⅲ-D1 72° 1.742.12
HMDS(L)>>Ar 103-2-1-B2 42° 1.95
HMDS(L)>>Ar>>HMDS(L) 112-1-Ⅲ-D2 2.55
HMDS(L)>>Ar>>HMDS(L)>>Ar 112-1-Ⅲ-D2 2.24
HMDS 스핀코팅>>2% H2>>HMDS 스핀코팅 103-2-1-C1 2.48
HMDS 스핀코팅>>2% H2>>HMDS 스핀코팅>>2% H2 103-2-1-C1 2.10
표 E6-1로부터, 두가지 결론을 내릴 수 있다. 먼저, 미처리된 실리카 필름에 비하여 처리된 필름은 그 유전상수가 낮다는 것이다. 두번째로는, 실란 용액으로 처리한 다음, 불활성 기체 또는 수소-함유 기체에서 약간 승온에서 처리하면 ~2.50의 유전상수가 얻어질 수 있다는 것이다. 하나의 필름 (103-2-1A2)에서, 실란에서 2회 처리 및 2% H2/N2에서 2회 처리한후 1.74의 낮은 유전상수가 얻어졌다. 다른 필름 (103-2-1B2)에서는, 실란 용액에서 1회 처리 및 아르곤에서 1회 처리만 하여도 1.95의 낮은 유전상수가 얻어졌다.
표 E6-1에 열거한 샘플중 여러 샘플에 대하여 금 전극을 스퍼터-증착한 직후 또는 열처리 이후 전극 샘플을 로에서 꺼낸 직후에 캐패시턴스를 시간의 함수로서 측정하였다.
2-3일까지의 기간 동안의 숙성 시간의 함수로서 유전상수를 도 13에 나타내었다. 400℃에서 2% H2 중의 처리만 실시한 필름을 제외한 모든 샘플은 실온에서 시간에 따른 캐패시턴스 (유전상수)에서 탁월한 안정성을 나타냈다. 숙성 중에 실시한 주변 분위기의 상대 습도는 ~40 - 65%였다. HMDS 용액에서 처리하고 약 400℃로 가열된 디히드록실화 기체에 노출된 필름에서 얻어진 유전상수는 장시간에 걸쳐서 매우 안정하였는데, 25℃의 온도 및 40-65%의 상대 습도를 갖는 주변 실험실 조건하에서 일주일에 걸쳐 5% 이하였다. 숙성 연구중에 일어나는 약간의 유전상수 변화는 실험 중의 습도 변화와 비례한다. 예를 들어, 실험에서 가장 다습한 상대습도에서 측정된 캐패시턴스는 가장 낮은 상대습도에서 측정된 캐패시턴스보다 약간 높다.
결론
본 발명의 바람직한 구현예를 들어 설명하였으나 본 발명의 광범위한 범위를 벗어나지 않는 범위에서 여러가지 변화 및 수정이 만들어질 수 있다는 것이 당업자에게는 분명하다. 따라서,첨부된 청구범위는 본 발명의 진정한 정신 및 범주 내에 있는 변화 및 수정 사항들을 망라하는 것이다.

Claims (84)

  1. 계면활성제 함유 용액으로부터 제조되며, 다습한 분위기에서 상대적 안정성과 절대적 안정성을 모두 가지도록 하는 3 미만의 유전상수, 0.1㎛ 내지 1.5㎛의 두께 및 20nm 이하의 평균 기공 직경을 갖는 메소다공성 실리카 필름.
  2. 제1항에 있어서, 상기 평균 기공 직경이 10nm 이하인 것을 특징으로 하는 메소다공성 실리카 필름.
  3. 제1항에 있어서, 상기 두께가 +/- 5% 미만의 표준편차를 갖는 것을 특징으로 하는 메소다공성 실리카 필름.
  4. 제1항에 있어서, 상기 메소다공성 실리카 필름이, 2 내지 6도 2-쎄타 범위에서의 x선 회절 피크 부재로서 나타나는 바와 같이 불규칙한 다공구조를 갖는 것을 특징으로 하는 메소다공성 실리카 필름.
  5. 두께가 0.1㎛ 내지 1.5㎛이고 상기 두께에 대한 표준 편차가 +/- 5% 미만인 것을 특징으로 하는 메소다공성 실리카 필름.
  6. 제5항에 있어서, 유전상수가 3 미만인 것을 특징으로 하는 메소다공성 실리카 필름.
  7. 제5항에 있어서, 상기 유전상수가 상대적 안정성과 절대적 안정성을 갖는 것을 특징으로 하는 메소다공성 실리카 필름.
  8. 제5항에 있어서, 평균 기공 크기가 20nm 이하인 것을 특징으로 하는 메소다공성 실리카 필름.
  9. 제5항에 있어서, 2 내지 6도 2-쎄타 범위에서의 x선 회절 피크 부재로서 나타나는 바와 같이 불규칙한 다공구조를 갖는 것을 특징으로 하는 메소다공성 실리카 필름.
  10. 2 내지 6도 2-쎄타 범위에서의 x선 회절 피크 부재로서 나타나는 바와 같이 불규칙한 다공구조를 가지며 평균 기공 직경이 20nm 이하이고 필름 두께가 0.1㎛ 내지 1.5㎛인 것을 특징으로 하는, 계면활성제 함유 용액으로부터 제조된 메소다공성 실리카 필름.
  11. 제10항에 있어서, 유전상수가 3 미만이며 이 유전상수가 상대적 안정성과 절대적 안정성을 모두 가지고 있는 것을 특징으로 하는 메소다공성 실리카 필름.
  12. (a) 실리카 전구물질을 수성 용매, 촉매 및 계면활성제와 합하여 전구물질 용액을 형성하는 단계;
    (b) 상기 전구물질 용액을 성형 필름(templated film)에 스핀 코팅하는 단계;
    (c) 상기 수성 용매, 촉매 및 계면활성제를 상기 성형 필름으로부터 제거하여 불규칙한 다공구조를 갖는 히드록실화 필름을 형성하는 단계; 및
    (d) 상기 히드록실화 필름을 디히드록실화하여 메소다공성 필름을 수득하는 단계를 포함하는 메소다공성 필름의 제조방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 계면활성제가 폴리옥시에틸렌 에테르 계면활성제인 것을 특징으로 하는 제조방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 폴리옥시에틸렌 에테르 계면활성제가 C12EO10 또는 10 라우릴 에테르로 알려진 C12H25(CH2CH2O)10OH; C16EO10 또는 10 세틸 에테르로 알려진 C16H33(CH2CH2O)10OH; C18EO10 또는 10 스테아릴 에테르로 알려진 C18H37(CH2CH2O)10OH; C12EO4 또는 4 라우릴 에테르로 알려진 C12H25(CH2CH2O)4OH; C16EO2 또는 2 세틸 에테르로 알려진 C16H33(CH2CH2O)2OH; 또는 그의 조합인 것을 특징으로 하는 제조방법.
  15. 제12항에 있어서, 상기 계면활성제가 하나 이상의 다른 계면활성제, 친수성 분자 화합물 및 유기 공용매로 이루어진 군으로부터 선택된 화학제제와 병용되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 다른 계면활성제가 비이온성 계면활성제, 양이온성 계면활성제, 음이온성 계면활성제, 양성 계면활성제 및 그의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 제조방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 양이온성 계면활성제가 암모늄계 계면활성제인 것을 특징으로 하는 제조방법.
  18. 제15항에 있어서, 상기 친수성 분자 화합물이 글리세롤, 프로필렌 글리콜 및 에틸렌글리콜로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 제조방법.
  19. 제15항에 있어서, 상기 유기 공용매가 메시틸렌, 옥탄 및 그의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 제조방법.
  20. 제12항에 있어서, 상기 실리카 전구물질이 테트라에틸 오르토실리케이트 (TEOS), 테트라메틸 오르토실리케이트 (TMOS), 메틸 트리에톡시실란, 페닐 트리에톡시실란, 디메틸 디메톡시 실란, 에틸 트리에톡시실란 및 그의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 제조방법.
  21. 제12항에 있어서, 상기 수성 용매가 에탄올과 물을 포함하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  22. 제12항에 있어서, 상기 촉매가 무기산, 유기산 및 그의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 제조방법.
  23. 제12항에 있어서, 상기 전구물질 용액이 하나 이상의 다른 계면활성제를 포함하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  24. 제12항에 있어서, 상기 전구물질 용액이 하나 이상의 친수성 분자 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  25. 제12항에 있어서, 상기 전구물질 용액이 하나 이상의 유기 공용매를 포함하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  26. 제23항에 있어서, 상기 하나 이상의 다른 계면활성제가 비이온성 계면활성제, 양이온성 계면활성제, 음이온성 계면활성제, 양성 계면활성제 및 그의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것임을 특징으로 하는 제조방법.
  27. 제24항에 있어서, 상기 하나 이상의 친수성 분자 화합물이 글리세롤, 프로필렌 글리콜, 에틸렌 글리콜 및 그의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것임을 특징으로 하는 제조방법.
  28. 제25항에 있어서, 상기 하나 이상의 유기 공용매가 메시틸렌, 옥탄 및 그의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것임을 특징으로 하는 제조방법.
  29. 제12항에 있어서, 상기 디히드록실화가 증기상에서 실리콘계 유기 화합물의 존재하에 일어나는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  30. 제29항에 있어서, 상기 실리콘계 유기 화합물이 실란인 것을 특징으로 하는 제조방법.
  31. 제30항에 있어서, 상기 실란이 트리메틸 요오도실란, 트리메틸 클로로실란, 디메틸 디메톡시 실란, 디메틸 디클로로실란, 헥사페닐 디실라잔, 디페닐 테트라메틸 실라잔 및 헥사메틸 디실라잔으로 이루어진 군으로부터 선택된 것임을 특징으로 하는 제조방법.
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  55. 제12항에 있어서,
    안정한 3.0 미만의 유전상수;
    0.1㎛ 내지 1.5㎛의 필름 두께; 및
    20nm 이하의 평균 기공 직경을 포함하는 메소다공성 실리카 필름.
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  75. 제12항에 있어서, 상기 필름의 디히드록실화가 상기 필름을 진공과 기체상의 실란에 번갈아 노출시킴으로써 실시되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
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