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KR100996816B1 - 이산화규소 나노라미네이트의 증기증착 - Google Patents

이산화규소 나노라미네이트의 증기증착 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고체 기판상에 박막 증착을 하기 위한 물질 및 방법에 관한 것이다. 실리카/알루미나 나노라미네이트는 알루미늄-함유 화합물과 실란올의 반응에 의해 가열된 기판위에 증착된다. 나노라미네이트는 매우 균일한 두께 및 40:1의 영상비(aspect ratio)로 홀에서 우수한 스텝 커버리지(step coverage)를 갖는다. 필름은 투명하며, 양호한 전기적 절연체이다. 본 발명은 또한, 마이크로전자공학(microelectric) 장치에서 전기 전도체(conductor)의 절연에 사용되는 향상된 기공성 유전체 물질을 제공하기 위한 물질 및 방법에 관한 것으로, 특히, 내부 기공도는 전체 유전체 물질에 대하여 소망하는 낮은-k 값을 유지하도록 유지되지만, 표면 기공도는 매우 감소되거나 제거되는 반기공성(semiporous) 유전체 물질을 제공하기 위한 물질 및 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한, 낮은-k 유전체 물질로 좁은 트렌치를 선택적으로 충전하지만, 동시에 트렌치의 외부 표면적 위에는 유전체 물질을 증착시키지 않는데 사용될 수 있다.
실리카/알루미나 나노라미네이트, 이산화규소, 증기증착, 유전체 물질

Description

이산화규소 나노라미네이트의 증기증착{Vapor Deposition of Silicon Dioxide Nanolaminates}
연방정부로부터 후원받은 연구에 대한 진술(Statement as to Federally Sponsored Research)
본 발명은 NSF 승인 번호 제 ECS-9975504 호(National Science Foundation Grant No. ECS-9975504) 하에 미국 정보의 지원에 의해 만들어졌다. 미국이 본 발명에 대한 일정한 권리들을 가질 수 있다.
본 발명은 고체 기판 상의 박막 증착, 특히 선택적 박막 증착을 위한 물질들과 공정들에 관한 것이다.
본 발명은 또한 마이크로전자공학과 광학 분야의 장치의 제작을 위한 공형(conformal) 막들을 만들기 위한 방법들과 물질들에 관한 것이다.
본 발명은 또한 마이크로전자공학 장치들 내의 전기적 전도체들 내에 사용되는 개선된 다공성 유전체 물질을 제조하기 위한 물질들과 공정들에 관한 것이다.
원자층 증착(Atomic layer deposition)(원자층 에피탁시라고도 알려짐)은 두가지의 증기 전구체들로부터 고체 물질들의 박막들을 증착하는 과정이다. 막이 증착되는 기판의 표면을 하나의 전구체의 증기에 노출시켜 단층(monolayer)을 증착하고, 그 후 그 전구체에서 발생된 반응하지 않은 증기는 펌프로 빼낸다. 이어서, 제 2 전구체의 증기를 표면에 접촉시켜 제 1 전구체의 단층과 반응하도록 한다. 이런 단계들의 사이클은 더 두꺼운 막들을 만들기 위해서 반복될 수 있다. 본 과정의 한가지 특히 중요한 측면은 원자층 증착 반응들은 자가-제한적(self-limiting)이어서, 각 사이클에서 단지 일정 최대 두께만을 형성할 수 있고, 과도한 반응물이 남아 있더라도, 그 후 그 사이클 내에서 더 이상의 증착이 발생하지 않는다는 것이다. 이러한 자가-제한적 특성 때문에, 이러한 증착 반응들은 매우 균일한 두께를 갖는 코팅들을 낳을 수 있다. 원자층 증착막 두께들의 균일성은 평평한 기판 표면들 뿐만 아니라 좁은 홀들(holes)과 트렌치들(trenches)에 까지 확대된다. 원자층 증착이 공형(conformal) 막들을 만들 수 있는 능력을 "양호한 스텝 커버리지(good step coverage)"라고 칭한다.
현존하는 원자층 증착 과정의 한가지 단점은 느린 증착 속도, 특히 0.1nm/사이클 미만인 증착 속도이다. 원자층 증착 상태에 대해 일반적으로 수용되는 이론들에서 증착 속도는 대략 0.2nm/사이클보다 클 수 없다. 이러한 느린 속도는 매우 낮은 생산성을 의미하며, 이것은 원자측 증착이 가장 잠재성있는 적용들이 비용면에서 매우 비싸진다는 것을 의미한다. 실리카의 원자층 증착에 대해서 이전에 알려진 반응들은 특히 느려서 한 반응 사이클을 끝내는데 1분을 초과한다. S. M. George 외. , Appl. Surf. Sci. 82/83, 460(1994); W. Gasser, Y. Uchida, M.Matsumura, Thin Solid Films 250, 213(1994); S. Morishita, W. Gasser, K. Usami, M. Matusmura, J. Non-Crystalline Solids 187, 66(1995); K. Yamaguchi, S. Imai, N. Ishitobi, M. Takemoto, H. Miki, M. Matsumura, Appl. Surf. Sci. 130-132, 202(1998); J. W. Klaus, O. Sneh, A. W. Ott 및 S. M. George, Surface Review and Letters 6, 435(1999); J. D. Ferguson, A. W. Weimer 및 S. M. George, Applied Surface Science 162-163, 280(2000); J. D. Ferguson, A. W. Weimer 및 S. M. George, Chem. Mater. 12, 3472(2000); J. W. Klaus, S. M. George, Surf. Sci. 447, 81(2000) 참조.
현존하는 원자층 증착 과정들의 다른 단점은 증착된 막이 모든 노출된 표면 상에 무차별적으로 형성된다는 것이다. 기판의 일부 영역들 내의 증착을 피할 수 있을지는 몰라도, 제작 과정에 마스킹을 구성하는 것이 항상 편리한 것도 아니고 또한 항상 가능한 것도 아니다. 균일한 두께의 박막을 선택적으로 증착하는 능력은 많은 장치 제작 과정들에 있어서 상당히 매력적일 것이다.
실리카는 지난 40년 중 많은 기간 동안 마이크로 전자공학에 있어서 유전체 물질로 선택되어 왔다. 그러나, 마이크로 전자공학 장치들의 크기가 점차적으로 작아짐에 따라서, 집적회로들의 크기가 심하게는 서브-미크론 치수로까지 줄었고, 신호 전달 지연(signal propagation delay), 전도체들간의 전기적 혼선(electrical cross talk), 및 전력 소모가 와류 전기용량과 저항으로 인해 매우 증가하였다. 트랜지스터들이 작아지고 인터커넥트 배선(interconnect wiring)의 총량이 증가함에 따라서, 배선 내의 지연들이 회로 성능에 엄청한 영향을 준다. 전선들(wires)이 점점 가까워지고 작동 주파수가 올라감에 따라서, 인접 선들간의 혼선이 신호 집적도를 떨어뜨릴 수 있다. 전선들과 활성 장치 부위들 간에서 더 나은 절연체(insulator), 즉, 더 낮은 k 값을 갖는 것이 이 소음을 줄인다. 따라서, 종래의 실리카 대신에 낮은-k의 금속간 절연 물질들(low-k inter-metal dielectric materials)에 대한 강한 요구가 있어왔다. 게다가, 장래의 마이크로 전자공학 장치들의 장치 성능과 전력 소실 요건들(power dissipation requirements)을 충족시키기 위해 k 값들의 감소(대략 2.6 미만의 값)가 필요하다고 여겨지고 있다.
그러한 낮은-k 값들에 도달하기 위해서는 일반적으로 물질 밀도를 감소시키거나 또는 다공도를 도입함으로써 화학 결합들의 밀도를 감소시켜야 한다. 특히 대략 1 내지 대략 10 nm 범위 내에 있는 기공 직경들을 갖는 초-저 k 물질들(ultra-low k materials)을 만들기 위한 다양한 방법들이 현재 있다. 다공성 낮은-k 물질들의 예로는 하이드로젠 실세스퀴옥산(hydrogen silsesquioxane), 메틸 실세스퀴옥산(methyl silsesquioxane), 에어로겔(aerogels), 제로겔(xerogels), SiCxOHy,SiLKR(Dow Chemical), CORALR(Novellus), BlackDiamondR(Applied Materials), 및 CVD-증착된 메틸 실란 등을 포함한다. 이러한 물질들은 대략 1.2 그램/cc 이하의 밀도를 가진다.
이러한 낮은-k 다공성 유전체 물질들의 다공성 특성으로 인해, 이것들이 마이크로 전자공학 장치들 내에 구성될 때, 특별한 구조적 도전들을 나타낸다. 예를 들어, 기공들간의 인터커넥션들(interconnections)은 초-저-k 물질을 통해서 확산 경로들을 연다. 장벽 물질층과 전도성 인터커넥션들로부터 유래한 금속 원자들은 다공성 절연물질층으로 확산할 수 있다. 금속 원자들의 다공성 유전체 층으로의 그러한 확산은 다른 전도성 인터커넥션들간에 과도한 전류 누설을 가져올 수 있고 절연층의 절연특성의 붕괴를 가져올 수 있다. 전기적 전도성 확산 장벽에 낮은-k 또는 초-저-k 물질을 증착하는 원자층 증착과 같은 표준 증착 기술들은 기공들 내부에 전도성 물질을 증착할 수 있고 더 나아가 낮은-k 절연체를 통해서 전기적 단락 회로들을 도입할 수도 있다. 예를 들어, W. Besling, 외.의 "Atomic Layer Deposition of Barriers for Interconnect"(International Interconnect Technology Conference 2002) 참조. 게다가, 다공성 유전체 물질들의 사용으로부터 발생하는 다른 문제는 그러한 물질들 내에 형성된 구멍들(openings)은 절연성 물질의 다공성 특성때문에 비교적 거친 측벽들(sidewalls)을 가진다는 것이다. 이것은 구멍을 적당한 전도성 물질로 채우기 힘들게 하는데, 바람직스럽지 않은 공간들(voids), 간격들(gaps) 및 균열들(seams)이 유전체 측벽과 전도성 금속 간에 생길 수 있다.
그리하여, 다공성 구조들과 관련된 상술한 문제들의 일부 또는 전부를 줄이면서 다공성 절연성 물질들의 바람직한 낮은-k 특성들을 보존하기 위한 물질들과 방법들이 필요한 것이다.
마이크로 전자공학 장치들 중에서 낮은-k 절연성 물질들이 필요한 다른 곳은 전기적으로 활성인 영역을 인접한 다른 영역들로부터 분리하는 트렌치들 안이다. 현재 기술에서, 실리카는 고-밀도 플라즈마에 의해 유도된 화학적 기상 증착에 의해 이러한 트렌치들 내로 증착된다. 예를 들어, 6:1 미만의 영상비들(깊이/폭)(aspect ratios (depth/width))을 갖는 트렌치들에만 사용될 수 있는 증착법을 제시하고 있는 미국 특허 제 6,335,288 호 참조. 더 좁은 트렌치들(더 높은 영상비들)을 유전체, 더욱 유리하게는 실리카의 유전 상수보다 적은 유전상수를 가진 유전체로 채우는 방법들이 있었다면 장치들은 규소의 더 적은 영역 상에 만들어질 수 있었을 것이다.
분리 트렌치들을 채우는데 현재 사용되고 있는 방법들의 다른 문제점은 유전체가 트렌치들 사이의 평평한 표면 상부에도 증착된다는 것이다. 그 후 상부의 이 물질은 화학적-기계적 연마(chemical-mechanical polishing(CMP))라고 불리는 과정에 의해 제거되어야 한다. CMP는 트렌치 바로 위의 범위들 내에 있는 더 많은 물질을 제거하는 경향이 있어서, 최종 연마 표면은 비-평면이다("움푹들어간(dished)"). CMP 공정 동안에 발생하는 움푹패임(Dishing)은 추가적인 포토리소그래프 단계에 의해서 피할 수 있으나, 이 단계는 공정을 더 복잡하게 하고 비용을 더 들게 한다. 다른 방법으로는, 움푹패임을 피하기 위하여 추가적인 연마 방지 층들, 희생적 절연체 층들 및 에칭 단계들을 사용할 수 있다. 미국 특허 제 6,342,432 호 참조. 트렌치들의 외부 표면들 상에 유전체 물질들이 필요없는 부분에 증착되는 것을 피하면서 트렌치들을 채울 수 있는 것이 매우 바람직스러울 것이다.
내부 분리 트렌치들 내에 증착된 물질의 다른 기능은 유전체를 통해서 붕소 와 산소의 불필요한 확산을 막는 것이다. 이러한 성분들은 실리카를 통해서 쉽게 확산하기 때문에, 종종 질화규소 층이 트렌치 안의 확산 장벽으로써 필요하다. 확산을 막기 위한 추가적인 질화규소의 사용에 대한 기술은 미국 특허 제 6,339,004 호 및 미국 특허 출원 제 2002/0004281 호 참조. 낮은 k 유전체 그 자체가 붕소, 산소 또는 다른 바람직하지 않은 성분들의 확산을 막기에 충분한 장벽인 공정이 유리할 것이다.
[발명의 요약]
본 발명의 한 측면은 코팅물 증착을 위한 빠른 공정을 포함하는데, 1 이상의 구현예에서 구체적으로 고체 기판 상에 이산화규소를 주로 하여 형성되는 공형 코팅(conformal coating)에 관한 것이다. 이들 코팅물은 규소, 산소 및 상대적으로 소량의 제 2 금속 또는 준금속(metalloid)을 포함하고, 선택적으로 탄소 및 수소, 및 상대적으로 소량의 다른 성분(예를 들면, 도판트)을 포함할 수도 있다. 본원에 사용된 바와 같이, 본 발명의 코팅물은 "실리카" 또는 "실리카 나노라미네이트"를 의미한다.
본 발명의 방법 및 물질의 다른 측면은 극히 균일한 두께 및/또는 극히 매끄러운 표면을 갖는 실리카 층이 수득된다는 것이다. 일부 구현예에서, 반응은 홀 또는 트렌치를 포함할 수도 있는 기판 상에 필름을 형성하는 방법으로 수행될 수도 있다. 또한 코팅물은 분말, 와이어, 또는 복잡한 기계적 구조의 주변 및 내부에 존재할 수도 있다. 본 발명의 하나 이상의 구현예에서 실리카의 증착은 기판과 증착된 실리카 사이에 날카로운 계면을 형성한다. 본 발명의 다른 측면은 실질적으로 핀홀 또는 다른 기계적 결함이 없는 실리카 코팅물의 제조에 관한 것이다.
한 측면에서, 본 발명은 1 이상의 증착 사이클을 포함하는 연속 교호층(sequential alternating layer) 증착 공정을 제공하는데, 상기 공정에서 적어도 하나의 사이클은 형성될 박막의 성분 중 적어도 하나를 포함하는 제 1 반응 화합물의 증기에 기판을 노출시키는 것을 포함하고; 제 1 반응물의 적어도 일정 부분은 기판 표면에 흡착된다. 제 1 반응 화합물은 루이스 산의 성질을 갖는 금속 또는 준금속을 포함한다. 또한 상기 사이클은 이어서 형성될 박막에 적어도 규소 및 산소를 공급하면서 가열된 기판을 실란올-포함 반응물의 증기에 노출시키는 것을 포함하는데, 기판 표면에 흡착된 상기 제 1 반응 화합물은 실란올-포함 반응물과 반응하여 제 1 반응 화합물이 흡착된 위치에서 기판 표면을 코팅하는 물질을 형성한다. 또 다른 구현예에서, 상기 공정은 추가적으로 인산 화합물을 포함하는 제 3 반응물에 기판을 노출시키는 단계를 포함한다. 연속 교호층 증착 공정은 적어도 1회 증착 사이클에서 2nm 이상의 두께를 갖는 실리카 층을 증착한다.
본원에서 사용된 바와 같이, "실란올"은 하나 이상의 하이드록시(OH) 기에 결합한 규소 원자를 포함하는 화합물의 클래스를 의미하는데, 실란올은 알콕시실란올, 알콕시알킬실란올 및 알콕시실란디올을 포함한다.
본 발명의 하나 이상의 구현예에 따르면, 제 1 반응성 화합물은 루이스 산 성질을 갖는 금속 또는 준금속이다. 금속 또는 금속 화합물은 금속 아마이드, 금속 알킬, 금속 알콕사이드 또는 금속 할라이드를 포함할 수 있고, 금속 또는 준금속은 알루미늄, 붕소, 마그네슘, 스칸듐, 란타늄, 이트륨, 지르코늄 또는 하프늄을 포함할 수 있다.
하나 이상의 구현예에서, 루이스 산 금속 또는 준금속 화합물은 실란올 내에서 약산의 프로톤과 용이하게 반응하는 알루미늄 화합물을 포함한다. 이들 산성 프로톤은 실란올 내에서 산소와 직접 결합된 것이다.
이들 산성 프로톤과 일반적으로 반응하는 알루미늄 화합물은 대부분의 알루미늄 알킬 및 다른 유기알루미늄 화합물, 알루미늄 알킬아마이드, 알루미늄 알콕사이드 및 알루미늄 할라이드를 포함한다. 알루미늄 화합물은 알루미늄-질소 결합을 포함할 수도 있다. 선택적으로, 하나 이상의 구현예에서, 그 공정은 3원의 또는 도핑된 화합물을 형성하기 위해 추가적으로 (알킬)포스페이트 화합물을 포함하는 인산 화합물에 기판을 노출시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 하나 이상의 구현예에 따르면, 고도로 균일한 실리카 필름의 증기 증착은 반응물의 농도 및 반응기 내부에서의 기판의 위치와 같은 조건 범위를 넘어서 달성된다. 본 발명은 상대적으로 낮은 온도에서 기판에 대한 플라즈마 손상 없이 기판을 코팅하는 능력을 포함한다. 규소 소스는 공기 및 물에서 안정하고 상대적으로 무해하다.
본 발명의 하나 이상의 구현예에서, 실리카/알루미나 나노라미네이트 물질은 가열된 기판 상에서의 1 이상의 알루미늄 화합물 증기 및 실란올 화합물 증기의 다수회의 사이클에 걸친 연속적인 반응을 포함하는 교호층 증착 공정으로부터 제조된다. 각 사이클은 기판 표면에 공형의 균일한 두께의 실리카/알루미나 물질의 코팅물을 생산한다. 하나 이상의 구현예에서, 각 반응 사이클은 20 옴스트롱 이상의 두께를 갖는 물질의 코팅물을 생산한다.
본 발명의 하나 이상의 구현예에서, 기판 위의 공형 코팅물은 좁은 홀, 트렌치를 특징으로 하고 또한 다른 구조들도 제공된다.
통상 이 능력은 "양호한 스텝 커버리지(good step coverage)"로 알려져 있다. 하나 이상의 구현예에서, 기판은 깊은 홀 또는 좁은 트렌치와 같은 회선 상의 형상을 포함하고; 공정은 표면 특징의 측벽 및 바닥을 따라 균일한, 공형의 필름을 제공한다.
본 발명의 하나 이상의 구현예에서, 코팅물은 선택적으로 기판의 부분(portion), 상(feature) 또는 영역(region)에 증착된다. 코팅 물질의 선택적 증착은 기판 표면 내의 홀 또는 트렌치의 우선적인 보충을 위해서 이용되거나, 또는 전체 절연 물질의 원하는 낮은-k 값을 유지하기 위한 내부 기공도를 유지하는 한편 표면 기공이 현저하게 감소되거나 표면 기공이 없는 반-기공성 절연물질을 제공하기 위한 저유전(낮은 k) 물질의 증착을 위해 이용된다.
하나 이상의 구현예에서, 실리카 층은 교호층 증착 공정에서 기질에 선택적으로 증착된다. 선택적으로 알루미늄-함유 층을 증착하기 위해서 기판은 1 이상의 알루미늄 화합물의 증기에 노출된다. 선택적 증착은 마스킹 및, 그 뒤 마스크의 꼭대기에 있는 알루미늄을 따라 마스크를 선택적으로 에칭함으로써 달성될 수도 있다. 하나 이상의 구현예에서, 상기 방법은 실란올 화합물을 증착하는 단계에 앞서, 알루미늄-함유 물질이 홀 또는 트렌치에 이웃한 기판의 외부 표면에 증착되어 홀 또는 트렌치의 내부에 흡착된 채 남아있을 수 있는 알루미늄-함유 물질을 제거하는 단계를 포함한다. 그 뒤 기판은 실란올 화합물의 증기에 노출되고, 이는 알루미늄-함유 화합물과 반응하여 선택적으로 알루미늄-화합물이 증착되어 있는 영역 내에만 실리카/알루미나 층을 증착한다.
다른 구현예에서, 알루미늄 금속의 부분을 갖는 기판(그 표면에 대개 천연의 알루미늄 옥사이드를 가짐)을 실란올 증기에 노출시킴으로써 알루미늄 표면 상에는 실리카를 증착시키는 한편 이웃한 비-촉매 표면에는 증착시키지 않는다.
본 발명의 다른 측면에서, 다수의 근접한 활성 소자 영역을 포함하는 반도체 기판, 반도체 기판 내의 인접한 소자 영역 사이에 끼워져 있는 트렌치; 및 트렌치를 공형으로 보이드 없이 채우고, 약 2-15nm 범위의 두께를 갖는 실리카 및 약 0.1nm 이상의 두께를 갖는 알루미나의 교호층을 포함하는 실리카 나노라미네이트 물질을 포함하는 집적 회로를 제공한다.
본 발명의 다른 측면은, 기판의 표면 개구부, 측벽 및 내부 공간에 의해 한정되는 적어도 1 이상의 기공을 갖는 기판의 외부 표면에 존재하는 기공을 밀봉(sealing)하기 위한 방법을 제공한다. 상기 방법은 기판의 외부 표면상에 제 1 촉매 물질을 증착하는 단계, 제 1 촉매 물질 및 제 2 반응 화합물은 기공의 표면 개구부를 덮는 박막을 형성하기 위해 반응하도록 기판 및 촉매 물질을 제 2 반응 화합물 증기에 노출시키는 단계, 보이드 공간으로서의 기공 내부의 적어도 한 부분을 남겨두는 단계를 포함한다.
전형적으로, 기공은 약 5-10nm 이하의 직경을 갖는다. 그렇지만, 직경이 약 30nm에 달하는 기공이 본 발명의 하나 이상의 구현예에 따른 단일 증착 사이클 내에서 밀봉될 수 있다.
하나 이상의 구현예에서, 본 방법은 추가적으로 제 2 반응 물질의 증착 단계에 앞서, 기판의 외부 표면에 증착되어지는 촉매 물질을 제거하여 기공 개구부의 적어도 한 측벽의 최소한 한 부분에 촉매 물질이 남아있도록 하는 단계를 포함한다. 하나 이상의 구현예에서, 증착된 촉매 물질은 선택적으로 이온 에칭에 의해 제거된다.
하나 이상의 구현예에서, 제 1 촉매 물질은 알루미늄 화합물로서 이에 제한되지는 않지만 알킬아민, 알킬, 알콕사이드 또는 할라이드를 포함하고, 제 2 반응 화합물은 실란올이며, 증착된 필름은 실리카를 포함한다. 하나 이상의 구현예에서, 필름은 순수한 실리카와 같거나 더 낮은 유전상수를 갖는다.
하나 이상의 구현예에서, 제 1 촉매 물질은 증착 환경 하에서, 또는 불량한 스텝 커버리지를 가짐으로써 기공 기부에서 외부 표면까지의 영역이 제 1 촉매 물질에 의해 우선적으로 코팅되도록 하는 증착 기술을 이용하여 증착된다. 제 1 촉매 물질은 스퍼터링, 증발 및 화학 증기 증착을 포함하는 증착 방법을 이용하여 증착되나 이에 한정되지는 않는다.
본 발명의 다른 측면에서, 집적 회로 소자가 제공되는데, 적어도 하나의 측벽 및 내부 공간에 의해 한정되는 적어도 하나의 개구부를 포함하는 외부 표면을 갖는 제 1 기공성 절연층을 포함한다. 또한 소자는 제 1 절연층의 개구부와 접촉하도록 밀봉되어 있는 제 2 절연층을 포함하여, 보이드로서 제 1 절연층의 내부 공간의 적어도 한 부분을 남겨둔다. 최종적으로, 소자는 제 2 절연층에 증착되어 제 1 절연층의 외부 표면으로 노출된 전기전도성이 있는 상호연결(interconnection)을 포함한다.
본 발명의 다른 측면은 다수의 인접한 활성 소자 영역, 반도체 기판내에서 인접한 소자 영역들 사이에 끼워진 트렌치, 및 개구부를 공형으로 채우면서 보이드 영역이 없도록 하는 실리카 나노라미네이트 물질을 갖는 집적 회로를 포함하는데, 상기 실리카 나노라미네이트는 약 2-20 nm의 두께를 갖는 실리카 및 약 0.1nm 이상의 두께를 갖는 알루미나의 교호층을 포함한다.
본 발명의 수행은 마이크로전자소자 내의 트랜지스터 사이에 트렌치 절연체를 채우는 것, 반도체 메모리 내에서 딥 트렌치 커패시터의 컬러(collar)를 절연하는 것, 마이크로전자 소자 내의 금속 와이어 사이의 절연층을 형성하는 것, 전자 소자의 낮은-k 반기공성 절연체를 밀봉하는 것, 평면 웨이브가이드, 멀티플렉서/디멀티플렉서, 마이크로일렉트릭메카니컬 시스템(microelectricmechanical system; MEMS), 다층 광학 필터, 및 확산, 산화 또는 코로젼에 대한 보호층을 제조하는 것과 같은 다수의 소자 생산에서 유용하다.
발명 그 자체뿐만 아니라 본 발명의 전술한 다양한 측면, 특징 및 이점은 이하의 도면과 연계하여 고려할 때, 이하의 본 발명의 상세한 설명을 참조로 하여 보다 충분히 이해될 수 있다. 도면은 단지 설명을 위한 것이지 본 발명을 제한하려고 하는 것은 아니다.
[도면의 간단한 설명]
도 1은 본 발명의 적어도 한 구현예의 수행에서 사용된 교호층 증착 기구의 한 단면을 도시한 것이고,
도 2는 본 발명의 적어도 한 구현예의 수행에서 사용된 교호층 증착 기구의 한 단면을 도시한 것이다.
도 3a-3e는 홀 또는 트렌치를 갖는 규소 웨이퍼의 단면을 도시한 것으로, 실리카 층은 홀 또는 트렌치에 이웃하는 평평한 표면에 동시에 증착됨없이 홀 또는 트렌치 내에 증착된다.
도 4a-4c는 (A) 기공을 갖는 절연물질, 여기에 (B) 절연물질의 외부 표면의 부분 및 기공의 측벽에 증착된 얇은 촉매층이 퇴적되고, 이어서 (C) 상대적으로 낮은 절연상수를 갖는 물질이 증착되어 이것이 얇은 촉매층과 반응함으로써 기공의 개구부 및 절연 물질의 인접한 외부 표면 위로 밀봉를 형성하는 단면을 도시한 것이다.
도 5a-5b는 (A) 촉매 물질의 박막층이 증착된 기공을 갖는 절연 물질, 및 기공 개구부에 이웃한 절연 물질의 외부 표면에 증착된 촉매 물질이 제거되어 촉매 물질이 주로 기공의 측벽 상부 부분에 남아있고, 여기에 (B) 상대적으로 낮은 유전상수를 갖는 물질이 이어서 증착되어 촉매층과 반응함으로써 기공의 개구부 위로 밀봉를 형성하는 단면을 도시한 것이다.
도 6a-6b은 본 발명의 한 구현예를 이용하여 실리카/알루미늄 나노라미네이트로 균일하게 코팅된 규소 웨이퍼 내에 있는 홀의 단면 SEM(scanning electron micrograph) 사진이다.
도 7a-7g는 적어도 본 발명의 한 구현예를 실시하기 위해 제안되는 대표적인 화학반응을 도시한 것이다.
도 8은 사이클당 증착되는 층의 두께가 증착하는 동안의 기판의 온도에 의존한다는 것을 도시하는 그래프를 나타낸 것이다.
1. 실리카 나노라미네이트
본 발명은 규소, 산소 및 제 2 금속 또는 준금속(metalloid)을 포함하는 실리카 나노라미네이트를 제조하는 방법을 제공한다. 상기 방법은 가열된 기판 표면 상에서의 1 이상의 금속 또는 준금속 화합물과 실란올 증기의 반응을 포함한다. 혼합된 증기가 가열된 표면에 함께 닿으면, 화학 증기 증착 공정이 규소, 산소 및 제 2 금속 또는 준금속을 포함하는 균일한 층을 형성한다.
실리카 나노라미네이트 물질은 원자층 증착 공정(the atomic layer deposition process)의 채택을 통해 형성될 수도 있는데, 이하에서 교호층 증착 공정(the alternating layer deposition process)이라고 부르기로 한다. 본 발명의 공정은 "교호층 증착"이라고 불리는데, 이는 단일 "원자" 층보다 훨씬 두꺼운 층이 각 사이클마다 형성되기 때문이다. 교호층 증착 공정에서, 증기는 단일층 또는 그 이하로 화학적 흡착이 일어날 때까지 증기와 표면이 반응한다. 그 뒤 반응이 정지하는데, 즉 공정이 "자가-제한(self-limiting)"된다. 그 뒤 물질의 제 2 층을 증착하는 제 2 자가-제한 반응 내에서, 제 2 증기는 이 표면과 반응하여 제 1 층 위에 수 개 원자의 두께로 형성될 수도 있다. 이하에서 보다 상세하게 설명하는 것과 같이, 제 2 층은 수 나노미터 두께일 수 있다.
2nm 이상, 또는 5nm 이상, 또는 10nm 이상, 또는 12nm 이상, 또는 15nm 이상 두께의 층들이 단일 증착 사이클에서 형성될 수 있다. 또한 제 2 반응은 표면을 제 1 반응물과 반응을 시작하던 상태로 되돌려 놓는다. 그 뒤 2 성분 화합물층을 구축하기 위해 반응 사이클은 반복될 수 있다. 제 1 및 제 2 반응물의 증착을 번갈아 가며 교대로 공정이 진행되기 때문에, 라미네이트 구조가 제 1 반응물(및 또한 선택적으로 제 2 반응물)의 성분을 포함하는 교호층을 포함하도록 형성된다. 제 2층은 또한 제 1층보다 몇 배는 두껍다. 제 1 물질은 실질적으로 단일층으로 존재하기 때문에, 보다 두꺼운 제 2 층(40개까지의 단일층을 포함)의 증착을 촉진하는데, 여기서 제 1 물질을 "촉매" 물질 또는 층이라고 한다.
교호층 증착은 원자 수준에서의 화학량론(stoichiometry)의 조절뿐만 아니라 눈에 띠는 몇 가지 능력을 제공한다. 필름의 두께는 반응 사이클을 계수하는 것에 의해 디지털 방식으로 정해질 수 있고, 실질적으로 반응 구역에서 증기의 비균일한 분포에 의해 유발되는 변이성에 대해 면역을 갖고 있다. 균일한 두께의 층은 넓은 범위 및 내부가 매우 좁은 홀과 같은 회선의 구조에 걸쳐 용이하게 증착될 수 있다.
본 발명의 하나 이상의 구현예에서, 기판은 교대로 1 이상의 반응 촉매 화합물 및 그 뒤 알콕시실란올, 알콕시알킬실란올, 또는 알콕시실란디올에 노출된다. 반응성 화합물은 루이스 산 성질을 갖는 금속을 포함할 수도 있는데 알루미늄, 붕소, 마그네슘, 스칸듐, 란타늄, 이트륨, 지르코늄, 및 하프늄을 포함하나 이에 한정되지는 않는다. 하나 이상의 구현예에서, 알루미늄 포함 화합물은 반응성 화합물로서 제공된다. 본 발명은 놀랍게도 그러한 공정에 기판이 제공되면 현저히 두꺼운 실리카 필름이 형성되는 것을 발견하였다. 하나 이상의 구현예에서, 약 5 내지 15nm 범위의 두께를 갖는 실리카 필름이 1회의 교호층 증착 사이클에서 증착된다. 교호층 증착 반응은 각 사이클마다 다수의 단일층을 증착할 수 있다. 사이클 시간은 30초 이하일 수 있고, 기존에 알려진 실리카에 대한 원자층 증착 반응에서의 속도의 100배 이상의 증착 속도를 가져온다. 또한 비스(디알킬)포스페이트의 사용은 필름에 인 함량을 제공하기 때문에, 규소과 같은 인-도핑의 물질원으로서 유용성을 갖도록 한다. 나노라미네이트는 매우 균일한 두께를 갖는데, 40:1 이상의 비율로 표면 특성에서 우수한 스텝 커버리지를 갖는다. 이는 도 6a-6b에 나타나 있다.
이러한 필름의 조성물은 화학량론적으로 규소 디옥사이드인데, 낮은 농도의 알루미늄, 전형적으로 1 원자% 이하, 또는 약 0.6 원자% 이하이다. 탄소는 전형적으로 낮은 농도로 존재한다(0.3 원자% 이하). 필름은 x-레이 및 전자 회절에 의해 무정형으로 나타난다. 필름 밀도는 예를 들면, 벌크 융합된 (무정형) 실리카의 경우 90% 이상의 값을 갖는다. 이러한 공형의 필름의 구조는 나노라미네이트로 묘사될 수 있는데, 보다 두꺼운 실리카 층 사이에 매우 얇은 알루미나 층이 산재되어 있다. 실리카의 많은 광학, 전기 및 기계적 성질, 예를 들면 굴절율, 유전상수 및 누설전류가 소량의 알루미나 존재에 의해 거의 변하지 않는다. 그러나, 다른 실리카의 성질, 예를 들면 원자확산에 대한 저항 및 전기분해 전압(electrical breakdown voltage)은 추가적인 알루미나 존재에 의해 영향을 받는다. 만약 높은 농도의 알루미나를 원한다면, 각 투여량의 실란올 증기를 도입하기 이전에 하나 이상의 알루미나 증착 사이클(물 또는 알코올이 뒤따르는 제 1 알루미늄-함유 화합물)을 반복하는 것이 가능하다.
고농도의 알루미나는 불화수소산에 의한 에칭 속도를 낮출 수 있는데, 열적으로 산화된 규소의 에칭 속도에 필적하는 속도를 제공하는 것이다. 열적으로 산화된 층 및 실리카 나노라미네이트 층을 갖는 규소 반도체 구조에서, 이들 두 물질이 거의 같은 에칭 속도를 갖는 것은 불화수소산에서의 에칭에 이어 보다 매끄러운 표면을 제공할 수 있다. 알루미나의 보다 큰 함량은 열팽창 속도를 증가시킬 수 있고, 따라서 나노라미네이트 속도는 규소에 가까운 값으로 조정될 수도 있으며, 따라서 나노라미네이트/규소 구조 내에서 열에 의한 응력을 감소시킨다.
증착 반응은 표준 기구 및 기술을 이용하여 수행될 수 있다. 공정 환경에 따라서, 이하에서 보다 상세하게 설명될 교호층 증착 공정이 매우 공형인 필름을 제공하거나(넓은 범위의 적용에 바람직하여 양호한 스텝 커버리지를 제공하기 위함) 또는, 본 발명의 일부 구현예에서 바람직한 것과 같이, 기공정 물질의 외부 표면 및/또는 표면에 근접한 기공의 내부 표면, 또는 선택적으로 내부 홀 및 트렌치에 선택적 증착을 제공할 수도 있다.
2. 규소 및 산소 제공용 전구체
본 발명의 수행에 사용되기 위한 적합한 실란올 화합물은 국제공개번호 WO 02/27063호에 개시되어 있으며, 본원에 참조로서 포함된다.
적어도 일부 구현예에서, 본원에서 논의한 트리스(알콕시)실란올 화합물은 일반식 1을 갖는데, R1 내지 R9는 수소, 알킬기, 플루오로알킬기 또는 다른 비준금속 원자 또는 기로 치환된 알킬기를 나타내는데, 바람직하게는 화합물의 휘발성을 유지하기 위해 선택된 것으로, 임의의 R1 내지 R9는 서로 동일하거나 상이하다. 일부 구현예에서, R1 내지 R9는 1 내지 4개의 탄소를 포함하고 각각은 서로 동일하거나 상이하다.
일반식 1
Figure 112004043664281-pct00001
적어도 일부 구현예에서, 메틸기가 상기 일반식 1의 R1 내지 R9 각각을 위해 선택되고, 화합물 트리스(tert-부톡시)실란올(일반식2)를 얻는데, 보다 간략히 (ButO)3SiOH로 기재될 수도 있다.
일반식 2
Figure 112004043664281-pct00002
본 발명의 다른 화합물은 트리스(tert-펜틸록시)실란올인데, 또한 트리스(tert-아밀록시)실란올(일반식 3)으로 알려져 있으며, 보다 간략하게 (Amt0)3SiOH로 기재할 수도 있다.
일반식 3
Figure 112004043664281-pct00003
본 발명의 일부 구현예에서는 적어도 일부 적용에서는 비록 트리스(알콕시)실란올 화합물보다 덜 안정하였음에도 불구하고 (ButO)2Si(OH)2와 같은 디(알콕시)실란디올이 사용될 수 있다. 일반식 4를 갖는 디(알콕시)실란디올 화합물이 본 발명에 따라 사용될 수 있는데, 임의의 R1 내지 R6는 수소, 알킬기, 플루오르알킬기 또는 다른 비-준금속 원자 또는 기로 치환된 알킬기일 수 있고, 바람직하게는 휘발성 및 안정성을 향상시키기 위한 것이 선택되며 서로 동일하거나 상이할 수 있다.
일반식 4
Figure 112004043664281-pct00004
다른 구현예에서, 일반식 5를 갖는 디(알콕시)알킬실란올이 사용되는데, 특히 실리카보다 낮은 유전상수를 갖는 필름 제조에서 사용되는 것은 알킬기 R7이 증착된 필름에 남아있기 때문이다.
일반식 5
Figure 112004043664281-pct00005
적어도 일부 구현예에서, 일반식 1의 R1 내지 R9, 일반식 4의 R1 내지 R 6, 일반식 5의 R1 내지 R7는 수소, 메틸, 에틸, n-프로필, 또는 이소프로필기로 구성된 군으로부터 선택될 수 있다.
상기에서 언급한 화합물 중에서, 일반식 1의 알킬기 R1 내지 R9, 일반식 4의 R1 내지 R6, 또는 일반식 5의 R1 내지 R7은 예를 들면 아릴, 알케닐 또는 알키닐기와 같은 어느 정도의 불포화도를 갖는 탄화수소일 수도 있다.
실란올 및 실란디올 반응물은 상업적으로 사용가능한 것이고, 통상의 또는 알려진 기술을 이용하여 제조될 수도 있다. 하나의 규소 전구체, 트리스(tert-부톡시)실란올은 Aldrich Chemical Company (Milwaukee, WI) and Gelest, Inc. (Tullytown, PA)로부터 구매한 것이다. 트리스(tert-부톡시)실란올은 하기와 같이 제조될 수도 있다. 첫째, 트리스(tert-부톡시)클로로실란은 하기 두 반응에 의해 제조될 수도 있다:
(1) SiCl4 + 3ButOH → (ButO)3SiCl + 3HCl
(2) SiCl4 + 3NaOBut → (ButO)3SiCl + 3NaCl
그 뒤 트리스(tert-부톡시) 클로로실란이 반응식을 따라 가수분해된다.
(3) (ButO)3SiCl + H2O → (ButO)3SiOH + HCl
Backer et al., Rec. Trav.Chim ., 61: 500 (1942)를 참조할 수 있다. 이 가수분해된 화합물, 트리스(tert-부톡시)실란올은 상온에서 고체이고 약 66℃에서 녹는다. 약 10-4 Torr 압력하의 상온에서 승화하고, 약 20 Torr 압력하의 104℃에 서 증류될 수 있다. 메시틸렌 또는 테트라데칸트와 같은 유기 용매에서 고도로 용해성이 있어서, 그 용액의 플래쉬 증발을 통해 용이하게 그 증기가 형성된다.
본 기술 분야의 당업자가 이해하는 바와 같이, 다른 트리스(tert-알콕시)실란올은 tert-부탄올의 경우에 tert-펜틸 알코올(또한 tert-아밀 알코올)과 같은 다른 3차 알코올로 치환함으로써 동일한 반응에 의해 제조될 수 있다.
트리스(tert-아밀록시)실란올, (AmtO)3SiOH는 상온에서 액체이므로, 그 증기는 순수한 액체의 플래쉬 증발을 통해 용이하게 형성된다. 96℃에서 약 2 Torr의 증기압을 갖는다. Aldrich Chemical Company (Milwaukee, WI)로부터 구입가능하다.
트리스(tert-알콕시)실란올 또는 비스(tert-알콕시)실란디올 증기는 규소, 알루미늄 및 산소를 포함하는 고체 필름을 증착하기 위한 1 이상의 알루미늄 화합물의 적절하게 반응성있는 증기와 반응할 수도 있다. 일반적으로, 트리스(tert-알콕시)실란올 또는 비스(tert-알콕시)실란디올과 같은 (알콕시)실란올 및 (알콕시)실란디올을 "실란올"이라고 한다.
또한 "실란올"의 일반적인 클래스는 트리스(tert-알콕시)실란올 또는 비스(tert-알콕시)실란디올이 알킬기 또는 부분적으로 불소화된 알킬기와 같이 치환된 알킬기에 의해 대체된 화합물들도 포함한다.
규소에 직접 연결된 알킬기를 갖는 실란올은 증착된 필름내로 알킬기를 도입하여 낮은 유전상수, 낮은 굴절율 및 낮은 응력과 같은 일부 적용시에 바람직한 성 질을 가져온다. 예를 들면, 비스(tert-부톡시)알킬실란올은 이하의 두 반응 중 어느 것으로 시작하여 제조될 수 있다:
(4) RSiCl3 + 2ButOH + 2피리딘 → (But0)2RSiCl + 2 HCl피리딘
(5) RSiCl3 + 2NaOBut → (ButO)2RSiCl + 2 NaCl
염소(chloride)에 의한 가수분해가 뒤따른다:
(6) (ButO)2RSiCl+ H2O → (ButO)2RSiOH + HCl
이들 반응의 상세한 설명을 위해 「H. J. Holdt et al. , Z. Chem, 23: 252 (1983)」을 참조할 수 있다.
이러한 방법으로 제조된 비스(tert-부톡시)메틸실란올은 87℃에서 32 Torr의 증기압을 갖는다.
3. 알루미늄 또는 또는 다른 루이스 산을 포함하는 전구체들
적어도 일부 구현예에서, 알루미늄 아마이드는 본 발명의 수행에서 유용하다. 상업적 출처 및/또는 이들의 합성을 위한 참조 문헌의 리스트뿐만 아니라 알루미늄 아마이드의 몇가지 예가 표 1에 나타나 있다.
화합물 녹는점 증기압 참조 및/또는 상업적 출처
℃ ℃/Torr
Al(N(SiMe3)2)3 188 Wannagat, Organomet. Chem. 33, 1(1971)
Al2(NEt2)6 액체 S. Barry & R.G. Gordon, 2000
Al2(NEtMe)6 액체 100/25 S. Barry & R.G. Gordon, 2000
Al(N1Pr2)3 56-59 Brothers, Organometallics 13, 2792(1994)
Al2(NMe2)6 88-89 90/0.1 Ruff, JACS 83, 2835(1961); Aldrich
Al(N(Et)CH2CH2NMe2)(NMe2)2 액체 65-70/0.3 Barry, Gordon&Wagner, Mat.Res. SOc. Symp. Proc.606, 83-89(2000)
(몇몇의 휘발성 알루미늄 아마이드)
상기 표에서 Me=메틸; Et=에틸; 및 1Pr=이소프로필
적어도 일부 구현예에서, 알루미늄 알킬은 본 발명의 수행에서 유용하다. 상업적 출처 또는 이들의 합성에 관한 참조 문헌뿐만 아니라 일부 예들이 표 2에 주어져 있다.
화합물 녹는점 증기압 상업적 출처
℃ ℃/Torr
AlMe3 15.4 20/8 Albemarle, Aldrich, Strem
AlEt3 -50 129/50 Albemarle, Aldrich, Alfa, Strem
Al(1Bu)3 5 86/10 Albemarle, Aldrich, Alfa, Strem
(몇몇의 휘발성 유기알루미늄 화합물)
상기 표에서 Me=메틸; Et=에틸; 및 1Bu=이소부틸
적어도 일부 구현예에서, 알루미늄 알콕사이드는 본 발명의 수행에 사용될 수 있다. 상업적 출처뿐만 아니라 적합한 화합물이 표 3에 나열되어 있다.
화합물 녹는점 증기압 상업적 출처
℃ ℃/Torr
Al2Et3(O-sec-Bu)3 액체 190/0.1 Strem
Al(O1Pr)3 140 140.5/8 Aldrich, Alfa, Gelest, Strem
(몇몇의 휘발성 알루미늄 알콕사이드)
상기에서 Me=메틸; 1Pr=이소프로필; 및 sec-Bu=sec-부틸
알루미늄 클로라이드와 같은 알루미늄 할라이드가 본 발명의 수행에 사용될 수 있지만, 이들은 일부 할라이드 불순물이 필름에 남는 경향이 있고 기판 또는 기구에 코로젼을 유발하는 부작용의 가능성을 갖고 있다.
뿐만 아니라, 루이스 산 성질을 갖는 다른 금속이 본 발명의 수행에 사용될 수도 있다. 예를 들면, 마그네슘, 붕소, 스칸듐, 란타늄, 이트륨, 지르코늄 및 하프늄을 포함하나 이에 한정되지 않는 루이스 산 금속을 포함하는 화합물이 본 발명의 범위 내에 있다. 교호층 증착 공정은 알루미늄 대신에 란타늄, 지르코늄 및 하프늄을 이용하여 금속-도핑된 실리카를 형성하기 위해 사용된다.
4. 추가적인 산소-포함 전구체 및 다른 전구체들
적어도 일부 구현예에서, 보다 알루미늄이 풍부한 실리카/알루미나 나노라미네이트를 증착하기 위해 실란올 투여량의 일부는 물로 대체된다. CVD 반응기에서, 수증기는 기판 상의 필름보다는 분말을 생산하기 위해서 증기 개구부 가까이에 금속 전구체의 증기와 매우 빠르게 반응하는 경향이 있다. 교호층 증착 반응기에서, 그러한 미성숙 반응을 모범적으로 피하게 되는데, 반응물이 반응기에 교대로 도입되어 개구부 근처의 반응이 방지되고, 반응은 일반적으로 기판의 표면에 제한된다. 그러나, 물은 표면에 강하게 흡착되는 경향이 있기 때문에, 그 반응물의 펄스 사이에 교호층 증착 반응기의 긴 정화과정(lengthy purging)이 요구될 수도 있다. 물이 추가적인 산소 공급원으로 사용될 때, 수증기의 공급 라인은 수증기의 물리적인 흡착을 피하기 위해 적어도 약 120℃까지 가열된다.
선택적으로, 이소프로판올 및 tert-부탄올과 같은 알코올이 사용될 수도 있다. 알코올과 알루미늄 화합물의 반응은 물의 경우보다 느린데, 보다 휘발성 있는 알코올의 경우는 교호층 증착 반응기로부터 빠르게 주입될 수 있다.
이소프로판올 및 tert-부탄올과 같은 알코올은 상세하게는 열적으로 안정한 알루미늄 화합물을 포함하는 반응에 적합하다. 어떤 경우에, 기판 온도는 알코올을 분해하기 위해 상승되어지는데, 따라서 필름의 탄소 함량이 줄어든다.
본 발명의 다른 측면에서, 인 화합물의 증기, 예를 들면, 비스(알킬)포스페이트는 알루미늄 알킬아마이드, 알킬, 사이클로펜타디에나이드 또는 알콕사이드와 같은 반응성 알루미늄 화합물의 증기와 반응하여 알루미늄 포스페이트를 형성한다. 반응은 필름을 형성시키는 방법으로 수행될 수도 있다. 일부 투여량의 실란올 및 비스(디알킬)포스페이트를 이용하면, 반응성 알루미늄 화합물을 교대로 하여 규소, 산소, 알루미늄 및 인을 포함하는 필름을 생성한다.
예를 들면, 실란올 및 알루미늄 화합물에 노출된 후에, 기판은 추가적으로 하기 식을 갖는 비스(알킬)포스페이트에 노출될 수도 있다.
Figure 112004043664281-pct00006
상기식에서 R1 내지 R6는 수소, 알킬기, 플루오르알킬기 또는 다른 비금속 원자 또는 기로 치환된 알킬기를 나타내고, R1 내지 R6 중 임의의 하나는 같거나 다를 수 있다. 일부 구현예에서, R1 내지 R6는 1 내지 4개의 탄소를 포함하고, 다른 구현예에서는 R1, R3, R4, 및 R6는 메틸기이고, R2 및 R5기는 수소이다.
5. 반응물의 기화 및 생성물 증착
액체 전구체의 증기는 버블러(bubbler), 박막 증발기(thin-film evaporator)에서 가열하거나, 약 100 내지 200℃로 예비가열된 운반 기체(carrier gas) 내로 분무(nebulization)하는 것을 포함하는 통상의 방법으로 형성될 수 있다. 분무는 공기압(pneumatically), 초음파(ultrasonically) 또는 다른 적당한 방법에 의해서 실시될 수 있다. 고체 전구체는 에테르, 에스테르, 케톤 및 염소화 하이드로카본과 함께 데칸, 도데칸, 테트라데칸, 톨루엔, 크실렌 및 메시틸렌과 같은 하이드로카본을 포함하는 유기용매에 용해될 수 있다. 액체 전구체의 용액은 일반적으로 순수한 액체보다 낮은 점도를 갖기 때문에, 적어도 일부의 구체예는 순수한 액체 보다 용액을 더 분무하거나 증발시킨다. 액체 또는 용액은 또한, 박막 증발기 또는 가열영역에 액체를 직접주입하는 방법에 의해 증발될 수 있다. 액체를 증발시키는 상업적인 장치는 MKS 인스트루먼츠(Instruments)(Andover, Massachusetts), ATMI, Inc. (Danbury, Connecticut), 노벨러스 시스템 인크.(Novellus Systems, Inc.)(San Jose, California) 및 COVA 테크놀로지(Technologies)(Colorado Springs, CO)로부터 구입할 수 있다. 초음파 분무기(ultrasonic nebulizers)는 소노테크 코포레이션(Sonotek Corporation)(Milton, New York) 및 세택 테크놀로지(Cetac Technologies)(Omaha, Nebraska)로부터 구입할 수 있다.
본 발명의 규소 전구체는 표 1에 개시된 것과 같은 알루미늄 아마이드(aluminum amides)와 반응하여 실리카/알루미나 나노라미네이트(silica/alumina nanolaminates)를 형성할 수 있다. 예컨대, 트리스(tert-부톡시)실란올은 헥사키스(디메틸아미도)디알루미늄(hexakis (dimethylamido) dialuminum)(표 1)과 반응하여 실리카/알루미나 나노라미네이트를 형성할 수 있다(실시예 7). 일부 구체예에서, 본 발명의 규소 전구체는 표 2에 개시된 것과 같은 유기알루미늄(organoaluminum) 화합물과 반응하여 실리카/알루미늄 나노라미네이트를 형성할 수 있다. 다른 구체예에서, 본 발명의 규소 전구체는 표 3에 개시된 것과 같은 알루미늄 알콕시드와 반응하여 실리카/알루미나 나노라미네이트를 형성할 수 있다. 다른 구체예에서, 본 발명의 규소 전구체는 알루미늄 할라이드와 같은 다른 적당한 반응성 알루미늄 화합물과 반응하여 실시카/알루미나 나노라미네이트를 형성할 수 있다. 교호층(alternating layer) 증착(deposition)은 계량된 양의 제 1 반응물을 층 증착을 위한 기판을 갖는 증착 챔버에 도입한다. 제 1 반응물의 박막이 기판 위에 증착된다. 미리 선택된 시간이 경과한 후, 과량이 제 1 반응물이 챔버로부터 제거되는 동안 계량된 양의 제 2 반응물을 증착 챔버에 도입한다. 제 2 반응물은 기판 표면을 포화시키는 양으로 제공될 수 있다. 증착된 금속 또는 준금속 화합물을 함유하는 기판 표면을 포화시키는데 고량의 실란올이 필요하다. 알콕시실란올 또는 알콕시실란디올 증기의 양(몰/cm2)는 금속 또는 준금속 화합물(몰/cm2으로 측정)의 양보다 적어도 10배 이상이고, 100배 이하로 될 수 있다. 제 2 반응물은 증착되어 이미 증착된 제 1 반응물과 반응하게 된다. 제 1 및 제 2 반응물의 교호층은 증착 챔버에 도입되어 기판 위에 증착됨으로써 조절된 조성물 및 두께를 갖는 층을 형성한다. 반응물의 교호성은 수초(seconds) 내지 수분(minutes)의 순서일 수 있고, 반응물을 기판에 증착하고, 상기 기판의 상부로부터 과량의 기체를 제거하기 위해 적당한 시간이 제공되도록 선택될 수 있다. 표면 반응은 예측가능한 조성물로 구성된 재생층(reproducible layer)이 증착하도록 자가-제한(self-limiting)된다. 당업자에게 잘 알려져 있는 바와 같이, 2 이상의 반응물을 사용하는 증착공정은 본 발명의 범위에 속한다. 예컨대, 제 1 반응물은 산화제 소스(oxidant source)에 노출되어 금속 아마이드, 금속 알킬, 금속 알콕시드 또는 금속 할라이드가 메탈옥사이드 또는 메탈 하이드록사이드로 변환될 수 있다. 산화제 소스는 물 또는 유기 알코올일 수 있다.
본 발명의 일 구체예에서, 공정은 6-구(6-port) 시료밸브를 갖는 기구(Valco model EP4C6WEPH, Valco Instruments, Houston, TX)에서 실시되는데, 상기 기구는 액체 또는 용액을 적당한 기체 속으로 전달하는데 사용될 수 있는 기체 크로마토그래피에 시료를 주입하는데 사용된다. 밸브가 열릴 때마다, 용액이 튜브로 흘러들어가고, 그 용액은 튜브의 외부를 흐르는 뜨거운 오일에 의한 열로 기화된다. 운반기체는 튜브로부터 나온 증기를 교호층 증착 반응기 튜브로 운반한다.
다른 구체예에서, 층은 도 1에 도시된 바와 같은 기구를 사용하여 교호층 증착에 의해 증착된다. 적어도 일부의 구체예에 따르면, 일정량의 반응 증기(30)은 한 쌍의 공기-작용 판(air-actuated diaphragm) 밸브 (50) 및 (70)(Parker-Hannifin社, Richmond CA, 모델명: Titan II))을 사용함으로써 가열된 증착 챔버(110)에 도입된다. 밸브는 일정 부피 V를 갖는 챔버(60)에 의해 연결되고, 이 어셈블리(assembly)는 조절된 온도 T2로 고정된 오븐(80)의 내부에 위치된다. 전구체 저장기(10) 내의 반응 증기(30)의 압력은 주위 오븐(40)에 의해 측정된 온도 T1에서 고체 또는 액체 반응물(20)의 평형 증기 압력 Peq와 동일하다. 온도 T는 전구체 압력 Peq가 증착챔버 내의 압력 Pdep 보다 커지도록 높게 선택된다. 온도 T2 는 응결상(condensed phase)이 없이 단지 증기만 밸브(50) 및 (70) 또는 챔버(60)에 존재하도록 T1보다 높게 선택된다. 기체 반응물의 경우, 그의 압력은 그 압력이 전구체 기체 실린더(10) 내의 압력으로 감소되도록 압력 조절기(도시하지 않음)에 의해 조정될 수 있다.
유사한 배열이 각각의 반응성 전구체가 증착 챔버(110)에 도입되도록 제공된다. 따라서, 전구체 저장기(11)은 주위 노(furnace)(41)에 의해 유지된 온도 T1에서 증기압(31)을 갖는 고체 또는 액체 반응물(21)을 고정한다. 밸브(51) 및 (71)은 부피 V'를 갖는 챔버(61)에 의해 연결되고, 이 어셈블리는 온도 T2에서 오븐(81)에 수용된다.
운반기체(예를들어, 질소기체)는 증착 챔버 내로 들어가는 반응물의 흐름을 가속시키고, 반응 부산물과 비반응 반응증기의 제거속도를 증가시키기 위해 주입구(90) 및 (91)내로 조절된 속도로 흐른다.
고정 혼합기는 반응기에 연결되는 배관(tubing)(100)에 위치되어 노(120)에 의해 가열되고, 1 이상의 기판(130)을 포함하는 증착 챔버(110)로 운반기체가 들어가도록 전구체 증기의 농도를 더 균일하게 한다. 반응 부산물 및 미반응 반응물 증기는 증기펌프(150)내로 이동하기 전에 트랩(140)에 의해 제거된다. 운반기체는 배출구(160)로부터 배출된다.
작동시, 밸브(70)은 챔버(60) 내부의 압력이 증착챔버(110)의 압력에 근접하는 밸브 Pdep로 감소되도록 열린다. 이어서, 밸브(70)은 닫히고, 밸브(50)은 전구체 저장기(10)으로부터 나온 전구체 증기가 챔버(60) 내로 들어가도록 열린다. 이어서 밸브(50)은 챔버(60)의 부피 V가 압력 Peq에서 전구체 증기를 담도록 닫힌다. 마지막으로, 밸브(70)은 챔버(60) 내에 담긴 대부분의 전구체 증기가 증착챔버 내로 들어가도록 열린다. 이러한 사이클에 의해 전달된 전구체의 몰의 수 n은 증기 가 이상기체식을 따른다는 가정하게 계산할 수 있다:
n =(Peq-Pdep) (V/RTl) (7)
여기서, R은 기체상수이다. 이 방정식은 또한, 튜브(90)로부터 나온 운반기체가 전구체 증기를 방출하기 위해 열린 잠깐의 시간동안 밸브(70)를 통해 챔버(60)으로 들어가지 않는다는 것을 가정하고 있다. 만일, 밸브(70)가 열린 동안 운반기체가 전구체 증기와 혼합되지 않으면, 많은 양의 전구체 증기가 최대값까지 될 것이다.
n =(Peq)(V/RT1) (8)
만일 챔버(60) 내의 모든 잔류 전구체 증기가 운반기체에 의해 치환되면, 상대적으로 고증기압(Peq 〉〉Pdep)을 갖는 전구체에 있어서, 전구체 투여량의 두 값 사이에 큰 차이가 없다.
전달 전구체(20)의 이러한 사이클는 소정량의 전구체(20)이 반응 챔버 내로 절달될 때까지 필요에 따라 반복된다. 전형적으로, 교호층 증착공정에서 이러한 사이클(또는 많은 양을 제공하도록 반복된 몇 가지 그러한 사이클)에 의해 전달된 전구체(20)의 양은 표면반응이 완성(소위, "포화")되기에 충분하게 되도록 선택된다. 운반기체는 전구체 증기(60)가 전달된 후, 과량의 증기가 챔버로부터 제거될 때까지 전형적으로 수초(few seconds) 동안 계속 흐르게 된다.
이어서, 제 2 전구체(21)로부터 나온 증기(31)의 양이 제 1 전구체(20)을 위한 기구와 유사하게 번호가 매겨진 구성성분을 갖는 유사 기구에 의해 측정되고 전 달될 수 있다.
다른 방법으로, 전구체 양은 도 2에 도시된 증착영역으로 전달될 수 있다. 반응물(20)의 제 1 양은 상술한 바와 같이 밸브(50) 및 (70) 및 챔버(60)을 통해 저장기(10)로부터 전달된다. 제 2 전구체(202)는 저장기(201)에 담긴다. 그 증기는 3-웨이 밸브(217)를 통해 흘러서 혼합영역(210)으로 들어간 후, 가열영역(212) 내의 챔버(211) 내부의 기판(213) 위를 지나간다. 충분한 양이 전달될 때, 3-웨이 밸브(217)는 다른 위치로 회전함으로써 질소제거 가스가 매스플로우 조절기(mass-flow controller)(290)로부터 증착 챔버(211) 내로 흘러가고, 과량의 반응증기를 트랩(240) 내로 흘러가도록 하면서, 질소는 진공 펌브(250) 내로 들어간 후 배출구(260)로 나오도록 한다. 투여량의 크기는 3-웨이 밸브(217)가 전달 위치에서 고정되는 동안 시간길이에 의해 조절된다. 운반기체는 매스 플로우 조절기(291)로부터 연속적으로 흐른다.
등온 증착영역(211)에서, 물질은 일반적으로 전구체 증기에 노출된 기판 및 내부 챔버벽을 포함하는 모든 표면에 증착된다. 따라서, 기판 및 노출된 챔버벽의 전체 면적에 의해 나누어진 몰의 양으로 사용된 전구체의 양을 보고하는 것이 적당하다. 일부 예에서, 또한 증착은 기판의 뒷면의 일부분 또는 모든면에 발생하고, 그러한 경우 그 면적은 전체 면적에 포함되어야 한다.
알루미늄 전구체는 일반적으로 대기 공기 중의 산소 또는 습기와 반응하고, 순수한 질소 가스와 같은 불활성의 건조 대기 하에서 보관하여야 한다. 상기 규소 전구체는 일반적으로 안정하며, 공기 및 물에 비반응성이다.
6. 공형코팅 (Conformal Coating) 또는 홀(Holes) 및 트렌치 (Trenches)의 충전
실리카 나노라미네이트층은 또한 홀 및 트렌치 내에 증착되어 홀 또는 트렌치의 깊이 모두를 균일한 공형층으로 형성할 수 있다. 하나 이상의 구현예에서, 홀 또는 트렌치는 통상적으로 표면의 일부분을 마스킹하기 위해 포토리소그라피(photolithography)를 사용한 후, 포토리소그라피 마스크에 의해 보호되지 않는 면적 아래의 홀 또는 트렌치로부터 물질을 제거하기 위해 이방성 에칭(anisotropically etched)(예컨대, 반응성 이온빔에 의해)하여 형성된다. 마스크층은 기판 표면을 노출하기 위한 기판의 공정 전에 제거된다. 얇은 알루미늄 옥사이드층이 기판의 평평한 표면 뿐만 아니라 홀 또는 트렌치의 벽에 증착된다. 이러한 증착은 원자층 증착반응(atomic layer deposition reaction), 예컨대 트리메틸알루미늄 증기, 선택적으로 수증기로 추가 처리함으로써 실시될 수 있다. 알루미나-코팅된 기판표면 및 그 안에 내포된 홀과 트렌치는 이어서, 알루미늄 옥사이드층과 촉매적으로 반응하는 트리스(tert-부톡시) 실란올과 같은 실란올 증기에 노출되어 실리카/알루미나 나노라미네이트의 공형층을 형성한다. 이러한 증기의 교호적인 사이클은 두꺼운 공형 실리카 나노라미네이트층을 증착하도록 반복될 수 있다. 그 단면이 깊이로서 기능하도록 증가하지 않는 한 충분한 수의 층이 홀을 완전하게 채울 것이다.
다른 구현예에서, 얇은 실리카층이 이러한 홀 또는 트렌치 개구부와 인접한 평평한 표면은 동시에 증착하지 않고 홀 및 트렌치 내에 증착된다. 홀 또는 트렌치는 통상적으로 포토리소그라피에 의해 표면의 일부를 마스킹 한 후, 포토리소그라피 마스크에 의해 보호되지 않은 면적 아래의 홀 또는 트렌치로부터 물질을 제거하는 이방성 에칭(예컨대, 반응성 이온빔)에 의해 형성된다. 본 발명의 일 구현예에 따른 공정에서, 얇은 알루미늄 옥사이드층이 마스크층의 표면뿐만 아니라 홀 또는 트렌치의 벽에 증착된다. 이러한 증착은 트리메틸알루미늄 증기 및 이어서 수증기를 사용하는 것과 같은 원자층 증착반응(atomic layer deposition reaction)에 의해 실시될 수 있다.
이어서, 마스크는 증착된 알루미늄 화합물을 제거하지 않는 화학적 선택에칭(chemically selective etching)에 의해 제거된다. 마스크를 제거하는 동안, 그 표면 위의 알루미늄 옥사이드도 제거되지만, 알루미늄 옥사이드는 홀 또는 트렌치의 내부 표면에 잔류한다. 마지막으로, 그 구조는 알루미늄 옥사이드층과 촉매적으로 반응하는 트리스(tert-부톡시) 실란올과 같은 반응성 실란올의 증기에 노출된다. 결과물은 마스크층에 의해 커버되지만 현재는 노출된 기판인 상부의 평평한 표면이 아닌 홀 및 트렌치의 내부 표면에만 증착된 얇은 실리카층이다. 이 공정은 불필요한 물질을 상부표면에 증착하지 않고 홀 또는 트렌치의 내부 표면을 전기적으로 절연시키는데 사용될 수 있다. 매우 좁은 홀 또는 트렌치(약 30nm 폭 미만)에 대해서, 홀 또는 트렌치는 한번의 단계로 완전하게 충진될 수 있다.
도 3은 이러한 공정을 도시한다. 도 3a는 320과 같은 영역을 제거하기 위해 포토리소그라피 패턴화된 에칭-마스크층(310)에 의해 커버되는 규소 웨이퍼(300)의 단면도를 나타낸다. 반응성 이온 에칭은 도 3b에 나타낸 바와 같이 홀 또는 트렌치(330)로부터 규소를 제거한다. 이어서, 1 이상의 원자층 증착사이클(atomic layer deposition cycles)이 도 3c에 나타낸 바와 같이, 에칭 마스크(310) 뿐만 아니라, 홀 또는 트렌치의 내부를 커버하는 알루미늄 옥사이드(340)의 박막을 증착하는데 사용된다. 이어서, 에칭 마스크는 에칭에 의해 제거되고, 그 공정이 일어나는 동안 알루미늄 옥사이드 아래의 물질이 용해되기 때문에 에칭 마스크 위의 알루미늄 옥사이드도 제거된다. 이것은 홀 또는 트렌치(350)의 내부를 코팅함으로써 알루미늄 옥사이드만 남는 도 3d에 나타난 구조를 제공한다. 마지막 단계에서, 그 구조는 가열되고, 실란올 증기에 노출되어 실리카(360)가 상부 표면(470)이 아닌 홀 또는 트렌치의 내부에 증착되며, 실리카가 존재하지 않는 상태로 남는다(매우 얇은 자연적인 실리카층은 제외). 마스크층이 실리카의 증착 전에 제거되기 때문에 종래기술 방법을 이용하여 관측되는 "디싱(dishing)"효과는 없다.
그것은 트렌치를 채우는 물질이 규소에 잠재적으로 해로운 붕소, 산소 또는 다른 불순물의 확산을 막는 우수한 장벽이 되도록 하는데 유익하다. 알루미늄 옥사이드는 확산을 막는 우수한 장벽이다. 따라서, 실리카 또는 낮은-k(low-k) 물질로 채운 트렌치를 완성하기 전에 알루미나의 두꺼운층(단층 이상)을 증착하는 것이 유익할 수 있다. 확산 장벽은 트렌치를 완전히 충진하기 위해 실란올을 제공하기 전에 알루미늄 전구체를 물, 알코올 또는 오존과 같은 산소용 전구체와 교호로 사용하는 원자층 증착의 몇가지 사이클을 완성함으로써 제조될 수 있다.
추가의 알루미늄 옥사이드가 다음 실란올을 부가하기 전에 알루미나-증착 사이클(예컨대, 알루미늄 소스 이어서, 산소 소스)를 반복함으로써 나노라미네이트 물질에 부가될 수 있다. 추가의 알루미나를 위한 사이클은 예컨대, 트리메틸알루미늄 증기 및 수증기일 수 있다.
알루미늄 소스와 실란올을 교호로 증착하여 만든 나노라미네이트는 "열적 산화물"(thermal oxide)(즉, 단일-결정 규소를 가열하여 성장한 실리카) 보다 플루오르화수소산 용액에서 높은 에칭속도를 갖는다. 쉘로우 트렌치 아이솔레이션(shallow trench isolation)과 같은 적용에서, 증착된 절연체의 HF 에칭속도가 열적 산화물(thermal oxide), 즉 절연체에 의해 트렌치를 충진하기 전에 규소 위에 일반적으로 존재하는 층의 그것과 조화를 이루는데 바람직하다. 알루미나를 부가하면 플르오르화수소 내의 나노라미네이트의 에칭속도를 감소시킨다. 따라서, 알루미나 내의 풍부하게 많은 나노라미네이트는 열적 산화물의 그것과 유사한 에칭속도를 갖도록 조정될 수 있다. 고온 어닐링(annealing)은 또한 본 발명의 교호층 증착 나노라미네이트의 에칭속도를 감소시킨다는 것에 주목해야 한다. 따라서, 나노라미네이트의 에칭속도를 조정하도록 열적 어닐링과 함께 부가적인 알루미나가 사용될 수 있다.
쉘로우 트렌치 아이솔레이션(shallow trench isolation) 구조는 항상 마이크로전자공학(microelectronic) 장치를 제조하는 후반 단계에서 열적 어닐링을 한다. 나노라미네이트의 열적 팽장속도가 단일-결정 규소의 그것 보다 더 작기 때문에 어닐링이 규소와 나노라미네이트 사이에 열적 스트레스를 줄 수 있다. 나노라미네이트의 알루미나 함량 증가는 그것의 열적 팽창 속도를 증가시키기 때문에 알루미나의 양을 증가시키는 것이 어닐링하는 동안 열적 스트레스를 줄일 수 있다. 실리카 나노라미네이트를 채우는 트렌치는 기판의 열팽창계수(thermal coefficient of expansion)에 필적하도록 충분한 양의 알루미나를 포함할 수 있다.
7. 기공성 유전체 물질을 밀봉하기 위한 제 2 유전체의 증기증착 (vapor deposition)
본 발명은 유전체 물질의 기공성과 관련된 공정상 문제점을 갖지 않고 원하는 낮은 밀도 및 낮은-k 특성을 갖는 우수한 유전체 물질을 생산하는 물질 및 공정을 제공한다. 특히, 본 발명의 증착 공정을 사용하면, 내부 기공도가 전체 유전체 물질에 대해 원하는 낮은-k 값을 유지하면서 기공성 유전체 물질의 표면 기공도가 현저하게 감소되거나 제거된다.
이러한 구체에서 실시된 단계는 도 4를 참고로 하여 이해될 수 있다. 도 4a는 410으로 표시되는 것과 같은 기공을 갖는 물질(400)의 단면도를 나타낸다. 물질(400)은 하이드로젠 실세스퀴옥산(hydrogen silsesquioxane), 메틸 실세스퀴옥산(methyl silsesquioxane), 애로겔(aerogels), 케로겔(xerogels), SiCxOHy,SiLKR(Dow Chemical), CORALR(Novellus), Black DiamondR(Applied Materials) 및 CVD-증착된 메틸 실란(CVD-deposited methyl silanes) 등을 예로들 수 있으나, 이에 한정되지 않는 다수의 기공성 낮은-k 물질을 포함할 수 있다. 일반적으로, 이러한 기공성 유전체는 일부는 내부 벌크 물질(inner bulk material)로부터 유전체의 외부 표면으로 확장되고, 다른 것은 모두 벌크 물질 내에 포함되는 상호 연결된 기공 네트워크를 포함한다. 모든 기공은 물질의 밀도 및 유전상수를 감소시킨다. 이러한 기공은 전기적으로 전도성이 있는 물질이 원자층 증착(atomic layer deposition)또는 양호한 스텝 커버리지(step coverage)를 갖는 다른 증착방법을 이용하여 기공성 유전체에 적용될 때, 전기적으로 짧은 회로(electical short circuits)를 제공할 수 있기 때문에, 가장 불리한 효과를 갖는 기공은 물질의 외부표면(420)에 개구되는 것이다.
이러한 구체예를 실시함에 있어서, 기공성 유전체 물질의 표면 기공은 기공의 내부공간을 채우지 않고, 실리카 또는 다른 절연체 또는 낮은-k 물질과 같은 제 2 절연물질(450)로 밀봉된다. 기공성 유전체의 이러한 표면 기공을 밀봉하기 위해서, 얇은 촉매층(thin catalytic layers) 430 및 435가 표면에 근접하도록 기공 측벽 및 표면 위에 먼저 증착된다. 촉매물질은 "불량한" 스텝 커버리지("poor" step coverage)(예컨대, 기공 또는 트렌치의 측벽 및 내부공간 또는 표면의 비공형코팅)를 갖는 공정에서 증착되는 알루미늄-함유 물질일 수 있다. 여기서, 촉매층(430)은 기공성 물질의 외부 표면(420) 위에 증착되고, 기공의 내부 표면 위에 층(435)으로서 표면에 근접한다. 기공의 깊숙한 내부 표면(440)은 촉매 없이 존재한다.
당업자라면 "양호한 스텝 커버리지(good step coverage)" 또는 "불량한 스텝 커버리지(poor step coverage)"는 반응 조건 및 반응물의 반응성을 조절함으로써 쉽게 알아낼 수 있다. 예컨대, 원자층 증착(atomic layer deposition)은 기판 표면에 증기의 노출을 짧게 하고, 반응물의 투여를 제한하며, 반응 물질이 표면 근처의 기공부분으로 투과되는 것을 제한하기 위해 높은 진공 펌프 속도가 사용되는 조건(예컨대, 기공 또는 트렌치가 적어도 하나의 측벽 및 내부공간에 의해 한정되고, 측벽의 상부부분만 반응물로 코팅되도록 투과가 조절되는 것)하에서 사용될 수 있다. 대안으로, "불량한" 스텝 커버리지(poor step coverage)를 갖는 증착공정은 스퍼터링, 증발 또는 불량한 스텝 커버리지를 제공하는 조건 하에서 CVD 공정과 같은 물리적 증착방법일 수 있다.
특정 구현예에서, 본 발명은 특히 기공성 기판 위에 이산화규소(silicon dioxide)로 주로 구성된 증착 코팅(depositing coatings)에 관한 것이다. 특정 구현예에서, 이러한 코팅은 이산화규소(silicon dioxide), 상대적으로 적은 양의 알루미늄, 및 선택적으로 탄소 및 수소를 포함하고, 상대적으로 적은 양의 다른 원소(예컨대, 도판트)를 포함할 수 있다. 예컨대, 실란올 전구체가 도 4b와 같이 촉매로 미리 코팅된 기공성 기판에 도포된다. 이러한 공정은 표면기공을 채우기 위해 충분히 낮은-k 물질(450)을 형성하도록 하는 반면, 알루미늄 옥사이드 촉매를 결여하는 기공의 내부 표면에 낮은-k 물질이 형성되지 않도록 한다. 이러한 방법을 사용하면, 매우 큰 표면 기공이 실란올의 1회 투여에 의해 채워진다. 예컨대, 만일 트리스(tert-부톡시)실란올,(But0)3SiOH가 사용되면, 30nm 이하의 직경을 갖는 기공이 1회의 투여로 완전하게 채워질 수 있다. 전형적으로 매우 낮은-k 유전체 물질의 기공이 10nm 기공 이하이므로, 매우 큰 기공이 채워지는 안전한 장점이 있다. 메틸비스(tert-부톡시)실란올, Me(ButO)2SiOH은 표면 기공을 실리카 보다 낮은 유전상수를 갖는 물질로 채울 수 있다.
하나의 부가적인 스텝에 의하여, 기공-충전 유전체의 증착이 이전 구현예보다 적은 물질을 부가하여 수행될 수 있다. 부가적인 스텝은 이어서, 알루미나 촉매층 430 및 435를 증착한다. 알루미늄 옥사이드 촉매층(430)은 낮은-k 물질의 외부표면(420)으로부터 제거되지만, 촉매층(435)은 채워야 하는 기공의 외부표면 내부에 잔류한다. 얻어진 구조는 도 5a에 나타내었다. 하나의 구현예에서, 이것은 촉매의 가장 노출된 부분(430)만 에칭하는 조건 하에서 반응성 이온 에칭(reactive ion etching)에 의해 수행될 수 있다. 이어서, 실란올 증기에 노출시켜 도 5b에 나타낸 바와 같이, 표면의 면적(420)이 아닌 주로 기공의 외부 부분 내에 있는 낮은-k 물질(560)을 형성한다. 얻어진 구조는 촉매층(430)을 제거하지 않고 제공되는 도 4c에 나타난 것 보다 낮은 유전상수를 갖는다.
본 발명은 하기 실시예를 참고로 하여 더욱 이해될 것이며, 본 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 목적이고, 본 발명의 제한하고자 하는 것이 아니며, 하기의 청구범위는 본 발명의 범위 내에 속한다.
실시예 1: 실리카/알루미나 나노라미네이트의 교호층 증착
도 2의 장치를 실리카/알루미나 나노라미네이트 필름을 증착하는데 사용하였다. 트리스(tert-부톡시)실란올("실란올")을 스테인레스 스틸 콘테이너(201)에 넣고, 약 100 Torr의 증기압을 갖는 온도인 150℃로 가열하였다. 트리메틸알루미늄("TMA")을 20℃의 콘테이너(20)에 담고 증기압이 약 14 Torr가 되도록 하였다. 수 초 동안 희석된 플루오르화 수소산 용액(dilute hydrofluoric acid solution)에 넣음으로써 그의 자연 산화물을 용해시켜 7㎛ 깊이 및 0.1 내지 0.2㎛ 직경의 홀을 갖는 규소 기판(213)을 제조하였다. 이어서, 표면이 친수성이 될 때까지(약 2분) 기판을 공기 중에서 자외선(예컨대, UV 수은 램프)으로 조사하였다. 이어서, 기판(213)을 챔버(211)에 넣고, 250℃로 가열하였다.
TMA 증기의 펄스(pulse)를 전달하기 위해, 0.4mm 내부 직경의 내부 채널을 갖는 3-웨이 밸브(217)를 열어 1초 동안 TMA 증기가 1x10-6몰의 TMA 증기의 양으로 증착챔버 내로 흘러들어가게 하였다. 또한, 기판(213) 및 챔버(211)의 가열된 벽의 면적을 약 103 제곱 센티미터까지 증가시켰다. 따라서, TMA의 투여량은 1x10-9몰/㎠이었다. 이어서, 3-웨이 밸브(217)을 돌려 질소가스가 5초 동안 흐르도록 하여 챔버 내에 잔류하는 미반응 TMA 증기를 제거하였다. 이어서, 질소의 흐름을 막고, 증착챔버를 진공펌프(250)에 의해 15초 동안 배출시켰다. 실란올 증기를 전달하기 위해, 바닥 온-오프 밸브(bottom on-off valve)(50)를 1초 동안 개구하여 그의 평형증기압(equilibrium vapor pressure)에서 실란올 증기로 볼륨(volume)(60)을 채웠다. 이어서, 진공펌브(250) 및 증착챔버 사이의 바닥 온-오프 밸브(50) 및 밸브(280)를 닫았다. 이어서, 볼륨(60)의 상부에 있는 온-오프 밸브(70)를 즉시 열어 1x10-7몰/㎠의 실란올 증기가 증착챔버(211)로 들어가도록 하였다. 15초 후에, 상부 온-오프 밸브(70)를 닫고, 온-오프 밸브(280)를 진공펌프(250)까지 열고, 질소를 5초 동안 흘려보내 과량의 실란올 뿐만 아니라 휘발성의 반응 부산물을 제거하였다.
이러한 사이클을 3번 이상 반복하였다. 이러한 네 번의 사이클을 완료한 후, 기판(213)을 반응기에서 제거하였다. 기판을 엘립소메트리(ellipsometry)로 평가한 결과, 균일한 두께 49nm 및 굴절지수(refractive index) 1.46을 갖는 필름인 것으로 판명되었다. 규소 기판이 증착 전에 약 1nm의 두께를 갖는 자연적인 실리카 필름이라고 가정하면, 4 사이클의 각각은 약 12nm의 필름으로 증착되는 것으로 계산되었다. 필름의 평균적인 화학 조성물은 약 99몰%의 Si02 및 l몰%의 A1203인 것으로 판명되었다. 따라서, 각각의 사이클은 약 4x10-8몰/㎠의 Si02 및 4x10-10몰/㎠의 Al203을 증착하였다. 더 많은 투여량의 트리메틸알루미늄 또는 실란올을 사용하는 경우, 15nm 실리카/사이클까지 증착되었다.
상기 방법에 따라 현상된 필름은 매우 바람직한 부드러운 표면 특성을 가진다. 원자력 현미경(atomic force microscopy)은 증착층의 표면 평탄도(smoothness)가 증착된 기판의 평탄도와 동일하거나 매우 유사하다는 것을 확인하였다.
도 6에 실리카 코팅된 홀(silica-coated hole)의 단면도를 나타내기 위해서, 스캐닝 전자 마이크로그래프(scanning electron micrograph)(SEM)를 절단되고, 코팅된 웨이퍼를 취하였다. 도 6a는 완전하게 비코팅된 홀의 SEM을 도시한다. 도 6b는 약 46nm 두께의 균일한 실리카막(silica film)으로 코팅된 홀을 상부, 중간부 및 바닥부를 크게 확대한 SEM 이미지를 나타낸다. 이러한 데이타는 완전하게 공형코팅으로 커버된 매우 좁은 홀의 벽을 나타낸다. 그 바닥에서 홀의 가장 좁은 부분은 실리카로 완전하게 충전된다.
비록 본 발명이 작동(operation)의 이론 또는 방법(mode)에 의해 제한되지 않는다고 해도, 본 발명의 공정이 이루어지는 동안, 특정 화학반응이 발생한다고 여겨진다. 제 1 반-반응(half-reaction)에서, 트리메틸알루미늄은 도 7a에 나타낸 것과 같은 반응물에 의해 수산화된 표면(hydroxylated surface)과 반응하여 알루미늄의 화학흡착(chemisorption)을 발생시키고, 메탄가스 부산물을 제거한다. 제 2 반-반응(half-reaction)이 수행되는 동안, 트리스(tert-부톡시)실란올, (But0)3SiOH ("실란올"이라고 칭함)은 제 1 반-반응(half-reaction)에서 잔류하는 메틸알루미늄-함유 표면과 반응하고; 실란올은 표면에 화학적으로 결합하고, 도 7b에 나타낸 것과 같은 반응에 의해 메탄을 제거한다. 이어서, 부가적인 실란올 분자가 표면까지 확산되어 도 7c에 개시된 구체적인 메커니즘에 의해 알루미늄-산소 결합으로 삽입된다. 실란올이 Al-O 결합으로 반복적으로 삽입되어 도 7d에 나타낸 바와 같이 이러한 중합을 촉매작용하는 알루미늄을 통해 표면에 결합하는 실록산 중합체를 형성한다.
실록산 중합체는 강한 화학결합에 의해 표면에 부착되고, 따라서 비휘발성(non-volatile)이며; 따라서, 휘발성 실란올이 비휘발성 실록산 중합체로 변환되는 것이 비가역적인(irreversible) 화학흡착(chemisorption) 공정이라고 여겨진다. 왜냐하면, 실란올이 이러한 부드러운 표면-결합 실록산 중합체를 통해 확산할 수 있기 때문에 촉매성 알루미늄 원자는 더 많은 실란올 분자의 중합에 대해 촉매작용을 할 수 있도록 잔류한다. 이 공정에서 속도-제한 단계(rate-limiting step)는 실란올 증기의 농도가 촉매성 알루미늄 센터(center)가 충분히 채워진 채로 유지되기에 충분할 정도로 충분히 높다는 전제 하에, 실란올이 실록산으로 촉매적으로 변환하는 단계이고, 따라서, 화학흡착(chemisorption) 속도는 실란올이 실록산층의 표면에 도달하는 속도에 의존하지 않는다. 화학 동역학(chemical kinetics)적 언어로, 화학흡착 속도는 실란올의 증기 농도로 제로-오더(zero-order)이다. 이러한 조건은 표면 위로 실란올이 분포하는 동안 존재할 수 있는 임의의 비-균일성(non-uniformities)에 관계없이 또한 독립적으로 균일한 두께의 막을 형성하는데 중요하다.
실록산에서 tert-부틸기(tert-butyl groups)는 이소부텐(isobutene)의 β-수소 제거에 의해 열적으로 분해되어 도 7e에 나타낸 바와 같이 규소에 히드록시기(hydroxyl gorups)를 남긴다. 새로 형성된 히드록시기는 수소원자를 근처의 부톡시기에 전달하여, tert-부탄올을 제거하고, 도 7f에 나타낸 것과 같은 반응에 의해 산소원자에 의해 규소 원자를 교차결합(cross-linking)시킬 수 있다. 이러한 교차결합은 또한, 도 7g에 나타낸 바와 같이 두 개의 인접한 히드록시기 사이에 물을 제거함으로써 달성될 수 있다. 이러한 교차결합 반응은 실록산 중합체 사슬을 연결하여 중합체층이 겔화되고, 결과적으로 실리카(SiO2)로 고형화되도록 한다. 실란올은 고체 실리카를 통해 미미한 수준의 확산속도를 갖는다고 여겨지기 때문에, 부가적인 실란올은 촉매성 알루미늄 원자와 더 이상 반응할 수 없고, 따라서, 실란올의 화학흡착은 마침내 정지한다(자가 제한된다). 충분한 히드록시기는 실리카층의 표면에 잔류하기 때문에 사이클은 수산화된(hydroxylated) 표면을 갖는 트리메틸알루미늄을 이어서 투여하는 반응에 의해 다시 시작될 수 있다.
실시예 2
실란올 증기에 노출시키는 시간을 15초 내지 90초로 증가시키는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다. 동일한 결과가 얻어졌고, 실란올의 화학반응이 15초 내에 완성된것으로 나타났다.
실시예 3
4 사이클 대신 100 사이클을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다. 1.2㎛(1200nm)의 균일한 전체 두께를 갖는 필름이 수득되었다. 이러한 결과는 적어도 100 사이클 동안 사이클 당 12nm의 일정한 층이 증착된다는 것을 나타낸다.
실시예 4
두 반응물을 두 배로 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다. 필름 두께 및 그 물성이 실시예 1의 것과 다르지 않았다. 이러한 결과는 표면반응이 자가-제한(self-limiting)인 것을 나타낸다.
실시예 5
기판온도를 200℃ 내지 300℃의 범위내로 변화시키는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다. 얻어진 필름 두께는 도 8에 나타낸 바와 같이 온도에 따라 변하였다. 이러한 결과는 기판에 대해 가장 높은 필름 증착 속도가 225℃ 내지 250℃ 사이의 온도에서 발생된다는 것을 나타낸다.
실시예 6
트리스(tert-부톡시) 실란올 증기 대신 트리스(tert-펜틸옥시) 실란올 증기를 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다. 실시예 1과 유사한 결과가 얻어졌다.
실시예 7
트리메틸알루미늄 증기 대신 헥사키스(디메틸아미도)디알루미늄 증기를 사용하고, 도 2의 장치 대신 도 1의 장치를 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다. 실시예 1과 유사한 결과가 얻어졌다.
실시예 8
트리스(디메틸아미노)알루미늄 증기 및 트리스(tert-부톡시) 실란올 증기의 투여 사이에 수증기를 투여하여 실시예 7과 동일하게 실시하였다. 유사한 필름이 얻어졌다.
실시예 9
10번째 투여때 마다 트리스(tert-부톡시) 실란올 증기를 디-이소프로필 포스페이트 증기로 대체하여 실시예 3과 동일하게 실시하였다. 실시카/알루미나/포스페이트 나노라미네이트가 얻어졌다.
실시예 10
실리카, 소다-라임 유리(soda-lime glass), 글래시 탄소(glassy carbon), 스테인리스 스틸(stainless steel), 구리(copper), 알루미늄(aluminum) 및 백금(platinum)이 혼합된 기판을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다. 동일한 결과가 얻어졌다.
비교예 1
단지 규소 및 산소 전구체, 트리스(tert-부톡시) 실란올을 사용하고, 알루미늄 전구체를 사용하지 않는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다. 기판 표면에 필름이 증착되지 않은 것으로 관찰되었다.
비교예 2
단지 알루미늄 전구체, 트리메틸알루미늄을 사용하고, 규소 전구체를 사용하지 않은 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 실시하였다. 필름이 증착되지 않았다.
비교예 3
단지 알루미늄 전구체, 헥사키스(디메틸아미도)디알루미늄을 사용하고, 규소 전구체를 사용하지 않은 것을 제외하고는 실시예 7과 동일하게 실시하였다. 필름이 증착되지 않았다.
비교예 4
트리스(tert-부톡시) 실란올 대신 테트라키스(tert-부톡시) 실란을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다. 필름이 증착되지 않았다. 이러한 실시예는 규소 전구체의 반응성이 실란올(-OH)기에 의존한다는 것을 나타낸다.
당업자는 통상적인 실험을 사용하여 본 명세서에 구체적으로 개시된 구체예의 많은 동등물을 이해하거나 확인할 수 있다. 그러한 동등물은 하기 청구항의 범위 내에 속한다.

Claims (111)

  1. 루이스산(Lewis acid) 성질을 갖는 금속 또는 준금속 화합물을 함유한 영역을 포함하는 기판을 상기 기판의 산성영역(acidic regions) 상에 2nm 이상의 두께를 갖는 실리카층을 형성하도록 실란올 증기에 노출시키는 단계를 포함하는 기판 상에 실리카층을 형성시키는 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 실란올 증기가 기판의 산성영역(acidic regions)을 포화시키기에 충분한 양으로 노출되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 기판을 금속 또는 준금속 화합물의 증기에 노출시킴으로써 상기 금속 또는 준금속 화합물이 기판 위에 층으로 증착되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 기판이 알루미늄 금속 또는 알루미늄-함유 화합물을 포함하는 산성영역(acidic regions)을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 하기의 단계를 포함하는 복수 횟수의 증착 사이클을 기판에 적용시키는 단계를 포함하는, 기판 위에 실리카 나노라미네이트를 증착시키는 방법:
    (a) 기판의 적어도 일부 영역에 금속 또는 준금속 화합물로 구성된 층을 증착시키기 위해서, 기판을 루이스산 성질을 갖는 금속 또는 준금속 화합물의 증기에 노출시키는 단계; 및
    (b) 상기 기판을 실란올 증기에 노출시키는 단계로서, 상기 실란올 증기가 금속 또는 준금속 화합물층에 증착되어 실리카층을 형성하고, 적어도 하나의 사이클 동안 2nm 이상의 두께를 갖는 실리카층이 형성되는 단계.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 실리카 나노라미네이트가 2-15nm의 두께를 갖는 실리카 및 0.1nm 이상의 두께를 갖는 알루미나로 구성된 교호층(alternating layers)을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 5항에 있어서, 상기 실란올 증기가 금속 또는 준금속 화합물로 구성된 층을 포화시키기에 충분한 양으로 노출되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 1항 또는 제 5항에 있어서, 상기 방법은 적어도 하나의 사이클 동안 5nm 이상의 두께를 갖는 실리카층이 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 5항에 있어서, 상기 방법은 적어도 하나의 사이클 동안 10nm 이상의 두께를 갖는 실리카층이 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 5항에 있어서, 상기 방법은 적어도 하나의 사이클 동안 12nm 이상의 두께를 갖는 실리카층이 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 1항 또는 제 5항에 있어서, 상기 방법은 적어도 하나의 사이클 동안 15nm 이하의 두께를 갖는 실리카층이 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 5항에 있어서, 상기 증착 사이클이 하기를 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법:
    (c) 단계(a)에서 형성된 금속 또는 준금속층을 산소-함유 증기 또는 기체에 노출시키는 단계.
  13. 제 12항에 있어서, 상기 단계(a) 및 (c)가 단계(b) 이전에 한 번 이상 반복되는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제 5항에 있어서, 상기 산소-함유 기체가 물 및 알코올 중 하나인 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 제 1항 또는 제5항에 있어서, 상기 실란올이 하기의 화학식을 갖는 것을 특징으로 하는 방법:
    Figure 112008022204046-pct00008
    상기 식에서,
    Rl 내지 R6은 수소, 알킬기, 플루오로알킬기, 또는 비금속 원자 또는 기에 의해 치환된 알킬기이고,
    Rl 내지 R6은 서로 동일하거나 상이하다.
  19. 제 1항 또는 제5항에 있어서, 상기 실란올이 하기의 화학식을 갖는 것을 특징으로 하는 방법:
    Figure 112008022204046-pct00009
    상기식에서,
    Rl 내지 R7은 수소, 알킬기, 플루오로알킬기, 또는 비금속 원자 또는 기에 의해 치환된 알킬기이고,
    Rl 내지 R7은 서로 동일하거나 상이하다.
  20. 삭제
  21. 제 1항 또는 제 5항에 있어서, 상기 단계(b)의 노출 단계가 단계(a)에서 제공된 금속 또는 준금속 화합물의 몰/㎠의 투여량(dose)의 10배 이상의 알콕시실란올(alkoxysilanol) 또는 알콕시실란디올(alkoxysilanediol) 증기의 몰/㎠의 투여량을 제공하는 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제 21항에 있어서, 상기 알콕시실란올 또는 알콕시실란디올 증기의 투여량이 금속 또는 준금속 화합물의 투여량의 100배 이상인 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 벽 및 내부 공간을 갖는 적어도 하나의 오목한 부분(recess)을 포함하는 기판을 제공하는 단계; 및
    하기의 단계를 포함하는 하나 이상의 증착 사이클을 상기 기판에 적용시키는 단계를 포함하는 기판의 외부 표면 위의 홀 또는 트렌치를 채우는 방법:
    (a) 오목한 부분(recess)의 벽에 금속 또는 준금속 화합물로 구성된 공형층(conformal layer)을 증착시키기 위해, 루이스산 성질을 갖는 금속 또는 준금속 화합물의 증기에 상기 기판을 노출시키는 단계; 및,
    (b) 상기 기판을 실란올 증기에 노출시켜, 상기 실란올 증기가 금속 또는 준금속 화합물로 구성된 공형층에 증착되고, 적어도 하나의 사이클 동안 2nm 이상의 두께를 갖는 실리카층이 형성되며, 오목한 부분(recess)의 내부에 보이드의 형성 없이 오목한 부분의 내부 공간이 채워지는 단계.
  24. 제 23항에 있어서, 상기 단계(b)의 노출 단계가 단계(a)에서 제공된 금속 또는 준금속 화합물의 몰/㎠의 투여량(dose)의 10배 이상의 알콕시실란올(alkoxysilanol) 또는 알콕시실란디올(alkoxysilanediol) 증기의 몰/㎠의 투여량을 제공하는 것을 특징으로 하는 방법:
  25. 제 24항에 있어서, 상기 알콕시실란올 또는 알콕시실란디올 증기의 투여량이 금속 또는 준금속 화합물의 투여량의 100배 이상인 것을 특징으로 하는 방법.
  26. 제 23항에 있어서, 상기 방법은 2-15nm의 두께를 갖는 실리카 및 0.1nm 이상의 두께를 갖는 알루미나로 구성된 교호층(alternating layers)을 포함하는 상기 실리카 나노라미네이트가 오목한 부분(recess)을 채우는 것을 특징으로 하는 방법.
  27. 제 23항에 있어서, 상기 방법은 2 이상의 증착 사이클(deposition cycles)이 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  28. 제 23항에 있어서, 상기 증착 사이클이 하기의 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법:
    (d) 단계(a)에서 증착된 금속 또는 준금속 화합물층을 산소-함유 증기 또는 기체에 노출시키는 단계.
  29. 제 28항에 있어서, 상기 산소-함유 기체가 물 및 알코올 중 하나인 것을 특징으로 하는 방법.
  30. 삭제
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  32. 삭제
  33. 삭제
  34. 제 23항에 있어서, 상기 실리카층이 오목한 부분(recess) 내에 선택적으로 증착되는 것을 특징으로 하는 방법.
  35. 제 23항에 있어서, 상기 실리카층이 선택적으로 증착되고, 상기 선택적인 증착공정이 하기의 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법:
    (e) 단계(a)의 노출 이전에, 실리카 형성이 요구되는 기판의 적어도 일부 영역으로서, 적어도 하나의 오목한(recessed) 면적을 포함하고 있는 상기 영역을 노출시키기 위해 기판을 마스킹하는 단계;
    (f) 단계(a)의 노출 이후에, 금속 또는 준금속 화합물층의 상기 영역을 갖는 기판을 제공하기 위해 기판 마스크를 제거하는 단계; 및
    여기서, 단계(f)의 기판을 단계(b)에서 실란올 증기에 노출시키는 동안, 실란올층이 금속 또는 준금속 화합물층의 상기 영역에 우선적으로 증착되는 단계.
  36. 복수 개의 이웃하는 활성 소자 영역을 갖는 반도체 기판;
    이웃하는 활성 소자 영역 사이에 반도체 기판 내에 묻힌(embedded) 트렌치; 및
    2-15nm의 두께를 갖는 실리카 및 0.1nm 이상의 두께를 갖는 알루미나로 구성된 교호층을 포함하는 실리카 나노라미네이트로서, 보이드 없이 트렌치를 공형으로(conformally) 채우는 실리카 나노라미네이트 물질을 포함하는 집적회로.
  37. 제 36항에 있어서, 상기 실리카 나노라미네이트를 채우는 트렌치가 기판의 열팽창계수(thermal coefficient of expansion)에 맞는 충분한 양의 알루미나를 포함하는 것을 특징으로 하는 회로.
  38. 제 36항에 있어서, 상기 실리카 나노라미네이트를 채우는 트렌치가 규소에 열적으로 성장하는 실리카에 대한 플루오르화수소산(hydrofluoric acid) 에칭속도에 맞는 충분한 양의 알루미나를 포함하는 것을 특징으로 하는 회로.
  39. 기판의 외부 표면에 개구되는 측벽 및 내부 공간을 갖는 적어도 하나의 기공을 갖는 기판을 제공하는 단계;
    상기 기판을 하기의 단계를 포함하는 하나 이상의 증착 사이클을 적용시키는 단계를 포함하는 기판의 외부 표면에서 기공을 밀봉시키는 방법:
    (a) 상기 기판을 루이스산 성질을 갖는 금속 또는 준금속 화합물의 증기에 노출시키는 단계로서, 기판의 외부 표면에 근접한 기공의 일 부분(portion)이 금속 또는 준금속 화합물로 코팅되고, 내부 부분(portion)이 비코팅되는 단계;
    (b) 상기 기판을 알콕시실란올 및 알콕시실란디올 중 하나를 포함하는 실란올 증기에 노출시키는 단계로서, 상기 기판의 외부표면에 개구하고, 보이드로서 기공 내부의 적어도 일 부분(portion)을 남기는 기공을 닫는데 충분한 두께를 갖는 실리카층을 형성하도록 상기 알콕시실란올 또는 알콕시실란디올 증기가 우선적으로 금속 또는 준금속 화합물에 증착되는 단계.
  40. 제 39항에 있어서, 상기 증착 사이클이 1회 이상 반복되는 것을 특징으로 하는 방법.
  41. 제 39항에 있어서, 상기 기판의 외부 표면에 근접한 기공 부분(portion)이 불량한 스텝 커버리지(poor step coverage)를 갖는 증착공정을 이용하여 금속 또는 준금속 화합물로 코팅되는 것을 특징으로 하는 방법.
  42. 제 39항에 있어서, 상기 금속 또는 준금속 화합물이 상기 증기가 기공의 근위 부분(proximal portion)으로 침투하는 것을 제한하는 조건 하에서 화학기상증착(chemical vapor deposition)을 이용하여 증착되는 것을 특징으로 하는 방법.
  43. 제 39항에 있어서, 상기 단계(b)에서 기판을 실란올 증기에 노출시키기 이전에, 기판의 외부표면으로부터 증착된 금속 또는 준금속 화합물층을 제거하면서도, 기공의 근위 부분에 증착된 물질은 남겨두는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  44. 제 39항에 있어서, 상기 금속 또는 준금속 화합물이 물리적 증착(physical deposition)에 의해 증착되고 상기 방법은 코팅된 금속 또는 준금속 화합물을 산소-함유 기체 또는 증기에 노출시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  45. 제 39항에 있어서, 상기 단계(b)의 노출 단계가 단계(a)에서 제공된 금속 또는 준금속 화합물의 몰/㎠의 투여량(dose)의 10배 이상의 알콕시실란올(alkoxysilanol) 또는 알콕시실란디올(alkoxysilanediol) 증기의 몰/㎠의 투여량을 제공하는 것을 특징으로 하는 방법.
  46. 제 45항에 있어서, 상기 알콕시실란올 또는 알콕시실란디올 증기의 투여량이 금속 또는 준금속 화합물의 투여량의 100배 이상인 것을 특징으로 하는 방법.
  47. 제 39항에 있어서, 상기 증착 사이클이 하기의 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법:
    (d) 단계(a)에서 형성된 금속 또는 준금속 화합물층을 산소-함유 증기 또는 기체에 노출시키는 단계.
  48. 제 47항에 있어서, 상기 산소-함유 기체가 물 및 알코올 중 하나인 것을 특징으로 하는 방법.
  49. 삭제
  50. 삭제
  51. 삭제
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  53. 하기의 단계를 포함하는 기판의 외부 표면에 존재하는 기공을 밀봉시키는 방법:
    기판의 외부표면에 제 1 촉매물질을 증착시키는 단계; 및
    상기 기판 및 촉매물질을 제 2 반응성 화합물의 증기에 노출시키는 단계로서, 제 1 촉매물질이 제 2 반응성 화합물과 반응하여 실리카층을 포함하는 나노라미네이트를 형성하고, 상기 나노라미네이트는 기공의 개구부 표면을 덮고, 보이드 공간(void space)으로서 기공 내부의 일 부분(portion)을 남기는 단계.
  54. 유전상수(dielectric constant)가 4 미만인 층을 구비한 물품으로서, 상기 물품은 기공성 층을 그 위에 갖는 기판으로서, 상기 층이 기공의 기공성 층의 외부표면에 개구부를 차지하는 실리카 층을 포함하며, 보이드(void)로서 적어도 기공의 내부 부분(portion)을 남기면서 상기 기공의 개구부가 상기 실리카 층에 의해 밀봉되는 기판을 포함하는 물품.
  55. 제 54항에 있어서, 상기 실리카 층이 15nm 이하의 두께를 갖는 실리카를 포함하는 것을 특징으로 하는 물품.
  56. 제 54항에 있어서, 상기 실리카 층이 기판의 전체 표면에서 밀봉층(sealing layer)을 형성하는 것을 특징으로 하는 물품.
  57. 제 54항에 있어서, 상기 실리카 층이 층의 표면에서 기공의 개구부 내부에만 실질적으로 실(seal)을 형성하는 것을 특징으로 하는 물품.
  58. 2nm 이상의 두께를 갖는 적어도 하나의 실리카층 및 루이스산(Lewis acidic) 금속 또는 준금속(metalloid)를 포함하는 적어도 하나의 층을 포함하는 실리카 나노라미네이트로서, 표면의 적어도 일부가 상기 실리카 나노라미네이트 물질로 공형(conformally) 코팅된 비-평면(non-planar) 표면을 갖는 기판을 포함하는 코팅된 물품.
  59. 제 58항에 있어서, 상기 비-평면 표면이 내부 공간(interior space) 및 측벽을 포함하는 것으로서, 상기 측벽이 실리카 나노라미네이트 물질로 공형(conformally) 코팅된 상(feature)을 포함하는 것을 특징으로 하는 물품.
  60. 삭제
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  68. 2nm 이상의 두께를 갖는 적어도 하나의 에이엘디(ALD)-증착된 실리카층 및 루이스산(Lewis acidic) 금속 또는 준금속을 포함하는 적어도 하나의 에이엘디(ALD)-증착된 층을 포함하는 실리카 나노라미네이트 물질로 공형(conformally) 코팅된 기판을 포함하는 코팅된 물품.
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  76. 2nm 이상의 두께를 갖는 적어도 하나의 실리카층 및 루이스산 금속 또는 준금속을 포함하는 적어도 하나의 층을 포함하는 실리카 나노라미네이트층을 포함하는 코팅된 기판으로서, 상기 루이스산 금속 또는 준금속을 포함하는 상기 각각의 층은 루이스산 금속 또는 준금속의 원자 단일층을 포함하고, 상기 실리카 나노라미네이트층이 상기 기판에 하나 이상의 증착 사이클(deposition cycle)을 적용시켜 제조되고, 각각의 증착 사이클이 하기의 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판:
    (a) 기판 위에 금속 또는 준금속을 포함하는 층을 증착하도록 루이스 산 성질을 갖는 금속 또는 준금속 화합물 증기에 상기 기판을 노출시키는 단계; 및
    (b) 금속 또는 준금속층 위에 실란올 증기가 증착되도록 실란올 증기에 상기 기판을 노출시키는 단계.
  77. 제 76 항에 있어서, 상기 실리카 나노라미네이트가 2-15nm의 두께를 갖는 실리카 및 0.1nm의 두께를 갖는 알루미나로 구성된 교호층을 포함하는 것을 특징으로 하는 기판.
  78. 제 76 항에 있어서, 상기 기판은 적어도 하나의 사이클 동안 5nm 이상의 두께를 갖는 실리카층이 형성되는 것을 특징으로 하는 기판.
  79. 제 76 항에 있어서, 상기 기판은 적어도 하나의 사이클 동안 10nm 이상의 두께를 갖는 실리카층이 형성되는 것을 특징으로 하는 기판.
  80. 제 76 항에 있어서, 상기 기판은 적어도 하나의 사이클 동안 12nm 이상의 두께를 갖는 실리카층이 형성되는 것을 특징으로 하는 기판.
  81. 제 76항에 있어서, 상기 기판은 적어도 하나의 사이클 동안 15nm 이하의 두께를 갖는 실리카층이 형성되는 것을 특징으로 하는 기판.
  82. 표면을 구비한 기판, 및
    상기 표면의 적어도 일부를 코팅하는 실리카 나노라미네이트 재료를 포함하는 코팅된 물품으로서, 상기 실리카 나노라미네이트는 적어도 하나의 실리카층 및 루이스산 금속 또는 준금속을 포함하는 적어도 하나의 층을 포함하고, 루이스산 금속 또는 준금속을 포함하는 상기 각각의 층은 상기 루이스산 금속 또는 준금속의 원자 단일층을 포함하고,
    상기 기판은 표면에 개구부를 구비한 기공을 포함하고, 및
    상기 실리카 나노라미네이트 재료의 일부분은 표면에 일치하고, 실리카 나노라미네이트 재료의 다른 부분은 기공의 개구부를 밀봉(sealing)하는 플러그(plug)를 형성하고 보이드(void)로서 적어도 기공의 내부 부분(portion)을 남기는, 코팅된 물품.
  83. 제 82항에 있어서, 상기 표면은 비-평면 표면이고 내부 공간 및 측벽을 포함하는 특징을 포함하고, 측벽은 실리카 나노라미네이트 재료와 컨포멀하게(conformally) 코팅되는 물품.
  84. 제 82항에 있어서, 상기 실리카 나노라미네이트 재료는 4 미만의 유전상수(dielectric constant)를 갖는 물품.
  85. 제 82항에 있어서, 상기 플러그는 15nm 이하의 두께를 갖는 실리카를 포함하는 물품.
  86. 제 82항에 있어서, 상기 실리카 나노라미네이트 재료는 기판 전체 표면을 덮는 밀봉층을 형성하는 물품.
  87. 제 82항에 있어서, 적어도 하나의 실리카층은 2 nm 이상의 두께를 갖는 물품.
  88. 제 82항에 있어서, 적어도 하나의 실리카층은 ALD 증착되고, 루이스산 금속 또는 준금속을 포함하는 적어도 하나의 층은 ALD-증착되는 물품.
  89. 제 82항에 있어서, 실리카 나노라미네이트층은 물품에 하나 이상의 증착 사이클(deposition cycle)을 적용시켜 제조되고, 각각의 증착 사이클이 하기의 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 물품:
    (a) 물품 위에 금속 또는 준금속을 포함하는 층을 증착하도록 루이스산 성질을 갖는 금속 또는 준금속 화합물 증기에 상기 물품을 노출시키는 단계; 및
    (b) 금속 또는 준금속층 위에 실란올 증기가 증착되도록 실란올 증기에 상기 물품을 노출시키는 단계.
  90. 제 82항에 있어서, 상기 실리카층은 2-15nm 범위의 두께를 갖는 물품.
  91. 제 82항에 있어서, 알루미나층은 0.1nm 이하의 두께를 갖는 물품.
  92. 제 82항에 있어서, 실리카 나노라미네이트 재료는 1 at　% 이하의 알루미늄을 포함하는 물품.
  93. 제 82항에 있어서, 실리카 나노라미네이트 재료는 기판의 열팽창계수(thermal coefficient of expansion)에 맞는 충분한 양의 알루미나를 포함하는 물품.
  94. 제 1항, 제 5항, 제 23항 또는 제 39항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 또는 준금속 화합물이 금속 아마이드, 금속 알킬, 금속 알콕시드 및 금속 할라이드로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  95. 제 15항, 제 29항 또는 제 51항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 또는 준금속이 알루미늄, 붕소, 마그네슘, 스칸듐, 란탄, 이트륨, 지르코늄 및 하프늄으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  96. 제 1항, 제 5항, 제 23항 또는 제 39항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 실란올이 하기의 화학식을 갖는 것을 특징으로 하는 방법:
    Figure 112010040478468-pct00030
    상기 식에서,
    Rl 내지 R9는 수소, 알킬기, 플루오로알킬기, 또는 비금속 원자 또는 기(group)에 의해 치환된 알킬기이고,
    Rl 내지 R9는 서로 동일하거나 상이하다.
  97. 제 17항, 제 30항 또는 제 49항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 R1 내지 R9기가 1 내지 4의 탄소수를 갖고, 서로 동일하거나 상이한 것을 특징으로 하는 방법.
  98. 제 59항, 제 69항 또는 제 83항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 상(feature)이 홀(hole)을 포함하는 것을 특징으로 하는 물품.
  99. 제 59항, 제 69항 또는 제 83항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 상(feature)이 트렌치(trench)를 포함하는 것을 특징으로 하는 물품.
  100. 제 59항, 제 69항 또는 제 83항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 상(feature)이 6 이상의 영상비(aspect ratio)를 갖는 것을 특징으로 하는 물품.
  101. 제 59항 또는 제 69항에 있어서, 상기 상(feature)의 내부 공간이 실질적으로 보이드(void) 공간이 없는 것을 특징으로 하는 물품.
  102. 제 58항, 제 69항 또는 제 82항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 표면이 회선상 구조(convoluted geometry)를 포함하는 것을 특징으로 하는 물품.
  103. 제 58항, 제 69항 또는 제 82항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 표면이 복잡한 기계적 구조의 표면을 포함하는 것을 특징으로 하는 물품.
  104. 제 58항, 제 68항 또는 제 82항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 루이스산 금속 또는 준금속이 알루미늄, 붕소, 마그네슘, 스칸듐, 란탄, 이트륨(yttrium), 지르코늄 및 하프늄(hafnium)으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 물품.
  105. 제 58항, 제 68항 또는 제 82항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 루이스산 금속 또는 준금속을 포함하는 상기 층이 알루미늄을 포함하는 것을 특징으로 하는 물품.
  106. 제 82항에 있어서, 상기 실리카 나노라미네이트가 2-15nm의 두께를 갖는 실리카 및 0.1nm의 두께를 갖는 알루미나로 구성된 교호층을 포함하는 것을 특징으로 하는 물품.
  107. 제 82항에 있어서, 상기 물품은 적어도 하나의 사이클 동안 5nm 이상의 두께를 갖는 실리카층이 형성되는 것을 특징으로 하는 물품.
  108. 제 82항에 있어서, 상기 물품은 적어도 하나의 사이클 동안 10nm 이상의 두께를 갖는 실리카층이 형성되는 것을 특징으로 하는 물품.
  109. 제 82항에 있어서, 상기 물품은 적어도 하나의 사이클 동안 12nm 이상의 두께를 갖는 실리카층이 형성되는 것을 특징으로 하는 물품.
  110. 제 82항에 있어서, 상기 물품은 적어도 하나의 사이클 동안 15nm 이하의 두께를 갖는 실리카층이 형성되는 것을 특징으로 하는 물품.
  111. 제 68항에 있어서, 상기 비-평면 표면이 내부 공간(interior space) 및 측벽을 포함하는 것으로서, 상기 측벽이 실리카 나노라미네이트 물질로 공형(conformally) 코팅된 상(feature)을 포함하는 것을 특징으로 하는 물품.
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