반도체 제작기술의 발전으로 통신기술과 전자기술이 크게 성장할 수 있었다. 이런 반도체의 발전에 크게 이바지한 것이 알루미늄배선을 대체한 구리배선이다. 식각 (etching)이 어려운 구리배선의 도입은 패턴형성 (patterning), 전해도금 (electrodeposition), 평탄화 (planarization) 단계로 이루어진 다마신 공정 (damascene process)을 통해서 가능하였다. 본 연구에서는 위 단계 중에서 전해도금에 관하여 다루었다. 특히 전해도금 중에서도 직접 전해도금 (direct electrodeposition)이라는 구리 씨앗층 (seed layer)이 없는 공정을 채택하여 초미세패턴에 응용할 수 있도록 하였다. 초미세패턴에서 전해도금 시 발생하기 쉬운 결함형태인 틈 (...
반도체 제작기술의 발전으로 통신기술과 전자기술이 크게 성장할 수 있었다. 이런 반도체의 발전에 크게 이바지한 것이 알루미늄배선을 대체한 구리배선이다. 식각 (etching)이 어려운 구리배선의 도입은 패턴형성 (patterning), 전해도금 (electrodeposition), 평탄화 (planarization) 단계로 이루어진 다마신 공정 (damascene process)을 통해서 가능하였다. 본 연구에서는 위 단계 중에서 전해도금에 관하여 다루었다. 특히 전해도금 중에서도 직접 전해도금 (direct electrodeposition)이라는 구리 씨앗층 (seed layer)이 없는 공정을 채택하여 초미세패턴에 응용할 수 있도록 하였다. 초미세패턴에서 전해도금 시 발생하기 쉬운 결함형태인 틈 (seam), 공공 (void)이 없는 구리채움을 하기 위해 수용액 내에서는 리간드 (ligand)를 생성하는 착화제 (complexing agent)를 세가지 사용하였다. 구리도금에서는 글리신 (glycine), 시트르산 (citric acid)을 사용하였고, 구리-은 합금 도금에서는 시트르산 암모늄 (ammonium citrate), 에틸렌디아민사아세트산 (EDTA, ethylenediaminetetraacetic acid)를 사용하였다. 전해도금에서 일반적으로 많이 사용되는 억제제 (inhibitor), 가속제 (accelerator), 평탄제 (leveler)와 같은 복잡한 첨가제 (additive) 없이 위와 같은 세가지 착화제만을 사용하여서도 수십 나노미터 크기의 균일한 구리 또는 차세대 배선재료 중 하나인 구리-은 합금 박막을 형성할 수 있다. 이때 균일한 박막을 얻기 위해서는 금속과 리간드의 반응을 형성하는 것이 중요하다. 왜냐하면 금속과 리간드의 반응에 따라서 증착형태가 달라지기 때문이다. 그러므로 화학평형상태도 (chemical equilibrium diagram)와 안정도 상수 (stability constant)를 통해 금속과 리간드의 반응에 대한 종류와 친밀도 (affinity)를 참고하였다. 그리고 전위 훑기법 (potential sweep methods)과 정전위 (potentiostatic deposition) 실험을 통해서 글리신, 시트르산, 시트르산 암모늄은 pH 7에서 가장 균일한 증착형태을 보이고, EDTA는 pH 10에서 균일한 증착막을 얻을 수 있었다. 그리고 이러한 결과는 금속과 리간드의 반응에 의한 것이다. 모든 실험에서 사용한 전해질의 조성은 기본적으로 500 ml 용량에 황산구리 (CuSO4)를 기반으로 한 수용액으로 구성하였으며, 구리-은 전해도금에서는 황산구리와 질산은 (AgNO3)을 사용하였다. pH 조절은 암모니아수 (NH4OH), 황산 (H2SO4), 수산화나트륨 (NaOH)을 사용하였다. 구리 씨앗층이 없는 직접 전해도금에서는 확산방지막(diffusion barrier layer)의 역할이 중요하다. 그 이유는 구리가 실리콘으로 확산되는 것을 효과적으로 방지하며, 동시에 전극으로써 적절한 전기전도도를 가져야 하는 두 가지 역할을 수행하기 때문이다. 확산방지막으로 다양한 재료들을 사용하지만 본 실험에서는 차세대 확산방지막으로 꼽히는 50 nm 두께의 텅스텐 (W), 10~15 nm 두께의 질화텅스텐 (WNx)을 사용하여서 증착하는 실험을 진행하였다. 전기화학적 기법인 전위 훑기법은 기본적이고도 근본적인 해석방법으로 다양한 정보를 얻을 수 있다. pH 따른 금속-리간드 착화물 형성, 이온의 농도, 적절한 증착전위, 전극표면에서 금속 이온의 확산계수까지 알 수 있는 유용한 도구가 전위 훑기법이다. 본 연구에서 사용한 전위 훑기법으로는 순환 전압전류법 (CV, cyclic voltammetry), 선형 훑기 전압전류법 (LSV, linear sweep voltammetry)을 사용하였다. 그리고 증착시에는 정전위와 펄스 전위증착 (pulse potentiostatic deposition)을 사용하였다. 증착물의 주요특성은 FE-SEM (field emission scanning electron microscope), 원자간력현미경 (AFM, atomic force microscope)을 통해서 분석한 표면 모폴로지 (morphology)와 면저항 측정을 통한 전기적 특성을 분석했다. 위와 같이 세가지 착화제와 전기화학적 실험을 통해서 50~100 nm 두께의 균일한 구리 및 구리-은 합금 박막을 성공적으로 형성할 수 있었다. 그리고 이전 연구에 없었던 질화텅스텐 확산방지막 트렌치 구조에 구리 전해증착을 통해 미래의 반도체 산업에 기여할 수 있는 연구를 실시하였다.
반도체 제작기술의 발전으로 통신기술과 전자기술이 크게 성장할 수 있었다. 이런 반도체의 발전에 크게 이바지한 것이 알루미늄배선을 대체한 구리배선이다. 식각 (etching)이 어려운 구리배선의 도입은 패턴형성 (patterning), 전해도금 (electrodeposition), 평탄화 (planarization) 단계로 이루어진 다마신 공정 (damascene process)을 통해서 가능하였다. 본 연구에서는 위 단계 중에서 전해도금에 관하여 다루었다. 특히 전해도금 중에서도 직접 전해도금 (direct electrodeposition)이라는 구리 씨앗층 (seed layer)이 없는 공정을 채택하여 초미세패턴에 응용할 수 있도록 하였다. 초미세패턴에서 전해도금 시 발생하기 쉬운 결함형태인 틈 (seam), 공공 (void)이 없는 구리채움을 하기 위해 수용액 내에서는 리간드 (ligand)를 생성하는 착화제 (complexing agent)를 세가지 사용하였다. 구리도금에서는 글리신 (glycine), 시트르산 (citric acid)을 사용하였고, 구리-은 합금 도금에서는 시트르산 암모늄 (ammonium citrate), 에틸렌디아민사아세트산 (EDTA, ethylenediaminetetraacetic acid)를 사용하였다. 전해도금에서 일반적으로 많이 사용되는 억제제 (inhibitor), 가속제 (accelerator), 평탄제 (leveler)와 같은 복잡한 첨가제 (additive) 없이 위와 같은 세가지 착화제만을 사용하여서도 수십 나노미터 크기의 균일한 구리 또는 차세대 배선재료 중 하나인 구리-은 합금 박막을 형성할 수 있다. 이때 균일한 박막을 얻기 위해서는 금속과 리간드의 반응을 형성하는 것이 중요하다. 왜냐하면 금속과 리간드의 반응에 따라서 증착형태가 달라지기 때문이다. 그러므로 화학평형상태도 (chemical equilibrium diagram)와 안정도 상수 (stability constant)를 통해 금속과 리간드의 반응에 대한 종류와 친밀도 (affinity)를 참고하였다. 그리고 전위 훑기법 (potential sweep methods)과 정전위 (potentiostatic deposition) 실험을 통해서 글리신, 시트르산, 시트르산 암모늄은 pH 7에서 가장 균일한 증착형태을 보이고, EDTA는 pH 10에서 균일한 증착막을 얻을 수 있었다. 그리고 이러한 결과는 금속과 리간드의 반응에 의한 것이다. 모든 실험에서 사용한 전해질의 조성은 기본적으로 500 ml 용량에 황산구리 (CuSO4)를 기반으로 한 수용액으로 구성하였으며, 구리-은 전해도금에서는 황산구리와 질산은 (AgNO3)을 사용하였다. pH 조절은 암모니아수 (NH4OH), 황산 (H2SO4), 수산화나트륨 (NaOH)을 사용하였다. 구리 씨앗층이 없는 직접 전해도금에서는 확산방지막(diffusion barrier layer)의 역할이 중요하다. 그 이유는 구리가 실리콘으로 확산되는 것을 효과적으로 방지하며, 동시에 전극으로써 적절한 전기전도도를 가져야 하는 두 가지 역할을 수행하기 때문이다. 확산방지막으로 다양한 재료들을 사용하지만 본 실험에서는 차세대 확산방지막으로 꼽히는 50 nm 두께의 텅스텐 (W), 10~15 nm 두께의 질화텅스텐 (WNx)을 사용하여서 증착하는 실험을 진행하였다. 전기화학적 기법인 전위 훑기법은 기본적이고도 근본적인 해석방법으로 다양한 정보를 얻을 수 있다. pH 따른 금속-리간드 착화물 형성, 이온의 농도, 적절한 증착전위, 전극표면에서 금속 이온의 확산계수까지 알 수 있는 유용한 도구가 전위 훑기법이다. 본 연구에서 사용한 전위 훑기법으로는 순환 전압전류법 (CV, cyclic voltammetry), 선형 훑기 전압전류법 (LSV, linear sweep voltammetry)을 사용하였다. 그리고 증착시에는 정전위와 펄스 전위증착 (pulse potentiostatic deposition)을 사용하였다. 증착물의 주요특성은 FE-SEM (field emission scanning electron microscope), 원자간력현미경 (AFM, atomic force microscope)을 통해서 분석한 표면 모폴로지 (morphology)와 면저항 측정을 통한 전기적 특성을 분석했다. 위와 같이 세가지 착화제와 전기화학적 실험을 통해서 50~100 nm 두께의 균일한 구리 및 구리-은 합금 박막을 성공적으로 형성할 수 있었다. 그리고 이전 연구에 없었던 질화텅스텐 확산방지막 트렌치 구조에 구리 전해증착을 통해 미래의 반도체 산업에 기여할 수 있는 연구를 실시하였다.
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