In a multilevel interconnection technology, propagation delay due to parasitic capacitance is one of the important issues to be solved. The delay becomes more serious in advanced integrated circuits (ICs) as interconnect dimensions are scaled down. To reduce the delay, various materials with low dielectric constant have been investigated.
SiOF thin film is fluorine doped silicon oxide. SiOF thin film is one of attractive materials for a low dielectric constant inter-metal dielectric layer. It has some strong points that the fabrication process is similar to that of $SiO_2$, which is currently used for the inter layer dielectric materials although its dielectric constant is slightly higher than those of other low-dielectric materials.
However, SiOF thin film easily absorbs water and its properties degrade when it is exposed to air. It is well known that the high reactivity of Si-F or $Si-F_2$ bond causes chemical reaction and results in the formation of Si-OH bond, which has high polarizability and makes the dielectric constant increase. There have been many researches on the chemical reaction of Si-F bond with water.
In this study, we measured the variation of residual stress to expect the water absorption behavior. The variation of residual stress is known to be very sensitive to the water absorption. SiOF film with high fluorine concentration shows instability of residual stress while it has lower dielectric constant than that of film with low fluorine concentration. It is also confirmed that there is no or little change of chemical bonding structure, Si-F and Si-OH, during the water absorption. We expected that the water absorption occur by physical adsorption. To clarify the reason of the water absorption, the film was dried after the water absorption. The residual stress returned to its initial value. We found that the water absorption occurs considerably although no chemical reaction occurs between Si-F and $H_2O$. It is suggested the water absorption be due to the physical adsorption that resulted from hydrogen bonding between F and H.
In order to inhibit the water absorption, several methods are suggested. Oxygen plasma treatment is one of the effective methods although the process is very simple. Many authors have reported the stabilization after the plasma treatment process however there is no work that shows stabilization mechanism clearly.
In our study, $N_2O$ plasma treatment followed the deposition process. The water absorption of SiOF thin film was drastically reduced after the plasma treatment for 4 min. The change caused by the treatment was investigated. It was found that the film surface has changed to a dense layer by measuring the etching rate in P-etch solution. We revealed that the layer is generated by oxidation of surface. It was confirmed that the $N_2O$ plasma treatment changed the surface of SiOF to silicon oxide. And the oxidized layer effectively suppressed the water absorption.
반도체 소자에서 다층배선기술에 있어서, 기생정전용량에 의해서 발생하는 신호 지연은 반드시 해결되어야 할 중요한 과제이다. 소자의 크기가 작아짐에 따라서 신호 지연은 점점 심각한 문제가 되고 있다. 이러한 신호 지연을 줄이기 위해서 다양한 저유전율 물질이 개발되고 있다.
SiOF 박막은 불소가 첨가된 실리콘 산화막으로 저유전율 절연막으로서 장점을 갖는 물질이다. SiOF박막은 다른 저유전율 물질에 비하여 유전율이 약간 높지만, 기존에 절연막으로 사용되어온 실리콘 산화막과 제조 공정이 유사하다는 장점을 갖는다.
그러나, SiOF 박막은 대기중에 노출시 수분을 쉽게 흡수하여 특성이 저하되는 특성을 갖는다. Si-F 와 $Si-F_2$ 결합은 높은 반응성으로 인하여 수분과 화학반응이 일어나 높은 분극성을 갖는 Si-OH 결합을 형성하여 유전율의 증가를 일으킨다고 잘 알려져 있다. 이러한 Si-F 결합의 화학반응에 관한 많은 연구가 이루어져 왔다. 그러나, 그 이외의 원인에 관한 연구는 이루어지지 않고 있다.
본 연구에서는 박막의 수분 흡수 거동을 알아보기 위하여 수분 흡수에 따른 잔류응력의 변화를 측정하였다. 잔류응력의 변화는 수분 흡수에 따라서 매우 민감하게 변화한다고 알려져 있다. 불소를 다량 포함한 SiOF 박막은 소량 포함한 박막에 비하여 수분 흡수에 따른 잔류응력의 변화가 크게 나타났다. 또한, 본 연구에서 증착된 SiOF 박막은 수분 흡수에 따른 Si-F 와 Si-OH 결합의 변화는 관찰 되지 않았다. 즉 수분 흡수에 따른 화학 반응이 일어나 않음을 보였다. 수분 흡수 현상은 물리적인 흡착에 의해서 일어난 것으로 예상되었다. 이를 확인하기 위하여 수분을 흡수한 박막을 건조 분위기에서 건조하며 잔류응력의 변화를 측정한 결과, 잔류 응력의 크기가 초기 상태로 완전히 돌아감을 알 수 있었다. 이상의 결과로부터 본 연구에서 증착한 SiOF 박막의 수분 흡수현상은 F 와 H 사이에 존재하는 수소 결합에 의한 물리적인 흡착에 의하여 발생함을 알 수 있었다.
SiOF 박막의 수분 흡수 현상을 개선하기 위한 많은 연구가 이루어져 왔다. 그 중 산소 플라즈마 처리는 공정은 매우 간단한데 반해 효과는 매우 뛰어나다고 알려져 있다. 많은 연구자들이 플라즈마 처리에 의한 안정화에 관하여 보고하고 있지만, 안정화의 원인에 관한 명확한 설명은 거의 이루어지지 않은 상황이다.
본 실험에서는 SiOF 박막의 안정화를 위해서 증착 직후, $N_2O$ 플라즈마를 이용하여 플라즈마 처리를 수행하였다. 박막의 수분 흡수 현상은 4 분 플라즈마 처리 후, 완전히 사라졌다. 플라즈마 처리에 의한 박막의 변화를 알아 보았다. P-etch 용액내에서 식각시간에 따른 박막의 두께 변화를 측정한 결과, 박막의 표면이 내부에 비하여 높은 밀도를 갖고 있음을 발견하였다. 조성 분석을 통하여 표면의 고밀도 층은 플라즈마 처리시 산화 반응에 의해서 형성된 실리콘 산화막 임을 알아냈다. $N_2O$ 플라즈마 처리는 수분에 취약한 SiOF 박막의 표면을 안정한 실리콘 산화막으로 바꾸어 줌을 확인하였고, 표면의 실리콘 산화막은 박막의 수분 흡수를 효과적으로 억제함을 알 수 있었다.
