Ti 또는 Ti/TiN underlayer가 Al 박막의 배향성 및 면저항에 미치는 영향 Effects of Ti or Ti/TiN Underlayers on the Crystallographic Texture and Sheet Resistance of Aluminum Thin Films원문보기
Underlayer의 종류 및 두께가 Al 박막의 배향성 및 면저항 변화에 미치는 영향을 연구하였다. Al의 underlayer로서 sputtering 방식으로 증착되는 Ti와 TiN이 적층된 구조인 Ti/TiN이 사용되었으며, 각각에 대해 두께를 변화시키면서 Al 박막의 배향성, 면저항을 조사하였고, $400^{\circ}C,\;N_2$ 분위기에서 열처리하면서 면저항의 변화를 조사하였다. Ti만을 Al의 underlayer로 사용한 경우, Ti두께가 10nm 이상이면 우수한 Al <111> 배향성을 나타냈으며 Al-Ti 반응 때문에 열처리 후 Al 배선의 면저항이 크게 상승하였다. Ti와 Al사이에 TiN을 적용함에 의해 Al <111> 배향성은 나빠지나 Al-Ti 반응에 의한 면저항의 증가는 억제할 수 있었다. Ti/TiN underlayer의 경우, 우수한 Al <111> 배향성을 확보하기 위한 Ti의 최소두께는 20nm이었고, Al-Ti 반응을 억제하기 위한 TiN의 최소두께는 20nm이었다.
Underlayer의 종류 및 두께가 Al 박막의 배향성 및 면저항 변화에 미치는 영향을 연구하였다. Al의 underlayer로서 sputtering 방식으로 증착되는 Ti와 TiN이 적층된 구조인 Ti/TiN이 사용되었으며, 각각에 대해 두께를 변화시키면서 Al 박막의 배향성, 면저항을 조사하였고, $400^{\circ}C,\;N_2$ 분위기에서 열처리하면서 면저항의 변화를 조사하였다. Ti만을 Al의 underlayer로 사용한 경우, Ti두께가 10nm 이상이면 우수한 Al <111> 배향성을 나타냈으며 Al-Ti 반응 때문에 열처리 후 Al 배선의 면저항이 크게 상승하였다. Ti와 Al사이에 TiN을 적용함에 의해 Al <111> 배향성은 나빠지나 Al-Ti 반응에 의한 면저항의 증가는 억제할 수 있었다. Ti/TiN underlayer의 경우, 우수한 Al <111> 배향성을 확보하기 위한 Ti의 최소두께는 20nm이었고, Al-Ti 반응을 억제하기 위한 TiN의 최소두께는 20nm이었다.
The effects of the type and thickness of underlayers on the crystallographic texture and the sheet resistance of aluminum thin films were studied. Sputtered Ti and Ti/TiN were examined as the underlayer of the aluminum films. The texture and the sheet resistance of the metal thin film stacks were in...
The effects of the type and thickness of underlayers on the crystallographic texture and the sheet resistance of aluminum thin films were studied. Sputtered Ti and Ti/TiN were examined as the underlayer of the aluminum films. The texture and the sheet resistance of the metal thin film stacks were investigated at various thicknesses of Ti or TiN, and the sheet resistance was measured after annealing at $400^{\circ}C$ in an nitrogen ambient. For the Ti underlayer, the minimum thickness to obtain excellent texture of aluminum was 10nm, and the sheet resistance of the metal stack was greatly increased after annealing due to the interdiffusion and reaction of Al and Ti. TiN between Ti and Al could suppress the Al-Ti reaction, while it deteriorated the texture of the aluminum film. For the Ti/TiN underlayer, the minimum Ti thickness to obtain excellent texture of aluminum was 20nm, and the minimum thickness of TiN to function as a diffusion barrier between Ti and Al was 20nm.
The effects of the type and thickness of underlayers on the crystallographic texture and the sheet resistance of aluminum thin films were studied. Sputtered Ti and Ti/TiN were examined as the underlayer of the aluminum films. The texture and the sheet resistance of the metal thin film stacks were investigated at various thicknesses of Ti or TiN, and the sheet resistance was measured after annealing at $400^{\circ}C$ in an nitrogen ambient. For the Ti underlayer, the minimum thickness to obtain excellent texture of aluminum was 10nm, and the sheet resistance of the metal stack was greatly increased after annealing due to the interdiffusion and reaction of Al and Ti. TiN between Ti and Al could suppress the Al-Ti reaction, while it deteriorated the texture of the aluminum film. For the Ti/TiN underlayer, the minimum Ti thickness to obtain excellent texture of aluminum was 20nm, and the minimum thickness of TiN to function as a diffusion barrier between Ti and Al was 20nm.
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문제 정의
Ti/TiN underlayer의 경우에는 TiN이 Ti와 A1사이에서 diffusion barrier로 작용할 것으로 기대되나, TiN의 두께가 얇은 경우에는 Ti-Al 반응을 효과적으로 막을 수 없을 것이다. 따라서, 본 연구에서는 Ti 및 Ti/TiN underlayer에 대해서 underlayer의 두께가 열처 리에 의한 배선저항의 증가에 미치는 영향을 조사해 보 고자 하였다. 그림 7에는 Ti 및 TiN 충의 두께를 변화시키 면서 준비된 metal stack의 중착직후 상태 및 400℃, 250 분 동안 열처리된 상태의 면저항 값을 비교해서 나타내었다.
따라서, 본 연구에서는 underlayer의 종류 및 두께에 따른 A1의 배향성의 변화와 열처리에 의한 배선저항의 변화를 조사하고, 그 결과를 바탕으로 underlayer 의 최소 필요 두께를 알아내고자 하였다. Underlayer로서는 sputtering 방식으로 증착되는 Ti와 Ti위에 TiN이 적충된 구조인 Ti/ TiN이 사용되었으며, 각각에 대해 두께를 5에서 20nm 범 위에서 변화시키면서 underlayer를 준비하고 동일한 조건 에서 A1 박막을 증착하여 특성을 조사하였다.
가설 설정
(b) XRD rocking curve of Al/TiN/Ti as a function of Ti thickness.
(b) XRD Al rocking curve of Al/Ti as a function of Ti thickness.
그림 1 (a) 에서 볼 수 있듯이 oxide, Ti, TiN, Ti/TiN의 모든 underlayer 위에서 Al 박 막은 peak의 크기는 Ti > > Ti/TiN > TiN~oxide의 순이었다. (b) 의 rocking curve에서는 특이한 점이 관찰되었는데, Ti underlayer의 경우를 제외하고는 모두 두 개의 peak이 나타난 것이다. 이는 (c) 에 나타낸 것과 같이 A1 결 정 면에 수직한 방향이 wafer 표면에 수직한 방향과 일치하 지 않고 약 5-6° 가량 tilt된 결정립들이 많기 때문으로 볼 수 있으며, 이 때문에 (a) 의 3- 2。scan에서도 A1 peak의 크기가 작게 나타난 것으로 판단된다.
제안 방법
Film의 두께는 X-ray fluorescence(XRF) 에 의해 측 정하였고 (5 points), Al의 반사율은 Tencor사의 UV1250을 이용하여 480nm파장에서 측정하였다 (9 points). 일반적으로 금속박막의 반사율은 박막 “quality” 롤 비교적 간단하고 비파괴적으로 in-line monitor하는데 이용되고 있는데, 이는 대개의 경우 박막표면의 거칠기가 작을수록, 배향성이 좋을수록 반사율이 높기 때문이다.
일반적으로 금속박막의 반사율은 박막 “quality” 롤 비교적 간단하고 비파괴적으로 in-line monitor하는데 이용되고 있는데, 이는 대개의 경우 박막표면의 거칠기가 작을수록, 배향성이 좋을수록 반사율이 높기 때문이다. Metal film stack의 면저항은 4-point probe를 이용하여 측정하였고, A1의 배향성 분석을 위해 X-ray diffraction(0-20 scan, rocking curve) 을 이용하였다.
Substrate로는 PETEOS가 증 착된 Si wafer를 사용하였다. Metal stack 증착은 cluster tool인 Applied Materials사의 Endura system을 사용하여 Ti 및 TiN 은 두께를 변화시키면서 중착하였다. A1 증 착은 각각의 underlayer 증착후 air break없이 실시되었 는데 system 의 substrate heater를 400 ℃ 로 하여 실제 wafer 온도가 380℃를 유지하도록 하였고, A1 두께는 500nm으로 고정하였다.
Sputtering법에 의해 증착되는 Ti 및 Ti/TiN underlayer에 대해서 각 layer의 두께를 변화시키면서 A1 박막의 반사율, 면저항 및 XRD pattern을 조사하여 그림 2부터 5까지에 나타내었다. 먼저, Al/Ti 구조에서 Ti underlayer의 두께를 변화시켰을 때 (그림 2) 에는 Ti 두께 10nm 이 상이면 반사율과 A1 방향의 배향성이 우수한 것으로 나타났다.
따라서, 본 연구에서는 underlayer의 종류 및 두께에 따른 A1의 배향성의 변화와 열처리에 의한 배선저항의 변화를 조사하고, 그 결과를 바탕으로 underlayer 의 최소 필요 두께를 알아내고자 하였다. Underlayer로서는 sputtering 방식으로 증착되는 Ti와 Ti위에 TiN이 적충된 구조인 Ti/ TiN이 사용되었으며, 각각에 대해 두께를 5에서 20nm 범 위에서 변화시키면서 underlayer를 준비하고 동일한 조건 에서 A1 박막을 증착하여 특성을 조사하였다. 또한 underlayer의 종류 및 두께를 달리하면서 만든 시편들에 대해 열 처리 시간에 따른 면저항의 변화를 측정하여 소자제조시 다 충배선공정에 의해 발생하는 Al-Ti 반응을 고찰하였다.
특히, 현재 사용하고 있는 Ti의 두께가 비교적 얇은 수 십 nm 내외이기 때문에 이와 같은 효과를 무시할 수 없다. 따라서, 본 실험에서는 dummy wafer 증착을 test wafer 증착과 교대로 반복하여 test wafer 중착을 시작할 때 Ti target의 표면이 깨끗하게 유지되도록 하였다.
Underlayer로서는 sputtering 방식으로 증착되는 Ti와 Ti위에 TiN이 적충된 구조인 Ti/ TiN이 사용되었으며, 각각에 대해 두께를 5에서 20nm 범 위에서 변화시키면서 underlayer를 준비하고 동일한 조건 에서 A1 박막을 증착하여 특성을 조사하였다. 또한 underlayer의 종류 및 두께를 달리하면서 만든 시편들에 대해 열 처리 시간에 따른 면저항의 변화를 측정하여 소자제조시 다 충배선공정에 의해 발생하는 Al-Ti 반응을 고찰하였다.
먼저, 대략적인 경향을 파악하기 위해 oxide, Ti, TiN, 그리고 Ti/TiN 위에 Al을 증착하고 XRD 분석을 통해 A1 박막의 배향성을 조사하였는데, 그 결과를 그림 1에 나타내었다. 이때 Ti 및 TiN의 두께는 10 nm로, A1 두께는 500nm으로 고정하였다.
대상 데이터
Metal thin film stack을 준비하기 위해 사용된 공정 step을 표 1에 정리하였다. Substrate로는 PETEOS가 증 착된 Si wafer를 사용하였다. Metal stack 증착은 cluster tool인 Applied Materials사의 Endura system을 사용하여 Ti 및 TiN 은 두께를 변화시키면서 중착하였다.
성능/효과
Al/TiN/Ti 구조에서 Ti 두께를 10nm으로 고정하고 TiN 두께를 변화시 켰을 때 （그림 3） 에는 TiN 두께가 증가할수록 반사율 및 배향성이 나빠지는 것으로 나타났다. 특히, TiN 두께가 5nm로 비교적 얇은 경우에도 여전히 A1의 rocking curve는 두 개의 peak을 보여주고 있다.
Al/TiN/Ti 구조에서 TiN 두께를 5nm으로 고정하고 Ti 두께를 변화시켰을 때 （그림 4） 에는 Ti 두께가 증가할수록 반사율 및 배향성이 좋아지는 것으로 나타났다. 또한, Ti 두께가 5, 10nm일 때에는 rocking curve가 두 개의 peak 을 보여주고 있으나, Ti 두께가 20 nm일 때는 TiN 이 없을때와 마찬가지로 rocking curve가 한 개의 peak을 나타내었다.
Ti만을 A1의 underlayere- 사용한 경우 underlayer를 사용하지 않은 경우에 비해 우수한 A1 배향성을 나타내었고, 후속열처리 과정에서 TiAL가 형성되어 A1 배 선의 면저항이 급격히 상승하였다. Sputtered Ti/TiN underlayei•의 경우, Ti가 두꺼울수록, TiN 이 얇을수록 A1의 배향성과 반사율은 우수해지나 열처리후 저항은 나빠지는 경향을 보여서 배향성과 열처리후 저항 사이에 trade-off 가 있음을 알 수 있었다.
A1 결정립 사이의 각도에 따라서 결정립계를 통한 원자의 확산 내지는 electromigration 속도가 결정되므로 결정립들이 일정한 방향으로 배열되어 있으면 결정립계를 통한 확산속도도 작 아지고 확산속도의 divergence 역시 작아지게 되어 electromigration 저항성이 향상된다. 따라서, rocking curve가 두 개의 peak으로 나타나는 현상은 electromigration 저항성 측면에서 치명적일 것으로 예상되며, TiN (10nm) 이나 Ti(10nm)/TiN (10nm) 은 Al의 underlayer 로 적합하지 않을 것으로 판단되었다.
Sputtering법에 의해 증착되는 Ti 및 Ti/TiN underlayer에 대해서 각 layer의 두께를 변화시키면서 A1 박막의 반사율, 면저항 및 XRD pattern을 조사하여 그림 2부터 5까지에 나타내었다. 먼저, Al/Ti 구조에서 Ti underlayer의 두께를 변화시켰을 때 (그림 2) 에는 Ti 두께 10nm 이 상이면 반사율과 A1 방향의 배향성이 우수한 것으로 나타났다. Ti 5nm 의 경우에는 underlayer 없이 oxide 위에 증착한 A1보다도 반사율이 나쁜 것으로 나타났고, 배향성도 그다지 좋지 않았다.
이상으로부터 sputtering에 의해 제조된 Ti, TiN 및 Ti/ TiN 중에서 TiNe Al의 underlayer로 사용하기 곤란하고 Ti의 경우 Ti 두께가 최소 10nm 이상, Ti/TiN 의 경우 A의 배향성 측면에서 고려하면 Ti의 두께가 최소 20nm 이 되어야 함을 알 수 있었다.
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