본 실험에서는 반응성 스퍼터링법으로 $N_2$/Ar 유속비를 달리하여 약 200 과 650 두께의 비정질 Ti-Si-N막을 증착한 후 Cu (750 )와 Si사이의 barrier 특성을 면저항측정, XRD, SEM, RBS 그리고 Ti-Si-N막에서 질소 함량의 영향에 초점을 둔 ABS depth profiling 등의 분석방법을 통해 조사되었다. 질소 함량이 증가함에 따라 처음에는 불량 온도가 46%까지 증가하다가 그 이상에서는 감소하는 경향을 보였다. 650 의 Ti-Si-N barrier막을 80$0^{\circ}C$에서 열처리 후에는 Cu$_3$Si 피크만 관찰될 뿐 Cu피크는 거의 완전히 사라졌으므로 Barrier 불량기구는 Cu$_3$Si상을 형성하기 위해 Si 기판내로의 Cu의 확산에 의해 일어난 것으로 보인다. 본 실험에서 Ti-Si-N의 최적 조성은 $Ti_{29}$Si$_{25}$N$_{46}$이었다. 200 과 650 두께의 $Ti_{29}$Si$_{25}$N$_{46}$ barrier 층의 불량온도는 각각 $650^{\circ}C$와 $700^{\circ}C$이었다.이었다.
본 실험에서는 반응성 스퍼터링법으로 $N_2$/Ar 유속비를 달리하여 약 200 과 650 두께의 비정질 Ti-Si-N막을 증착한 후 Cu (750 )와 Si사이의 barrier 특성을 면저항측정, XRD, SEM, RBS 그리고 Ti-Si-N막에서 질소 함량의 영향에 초점을 둔 ABS depth profiling 등의 분석방법을 통해 조사되었다. 질소 함량이 증가함에 따라 처음에는 불량 온도가 46%까지 증가하다가 그 이상에서는 감소하는 경향을 보였다. 650 의 Ti-Si-N barrier막을 80$0^{\circ}C$에서 열처리 후에는 Cu$_3$Si 피크만 관찰될 뿐 Cu피크는 거의 완전히 사라졌으므로 Barrier 불량기구는 Cu$_3$Si상을 형성하기 위해 Si 기판내로의 Cu의 확산에 의해 일어난 것으로 보인다. 본 실험에서 Ti-Si-N의 최적 조성은 $Ti_{29}$Si$_{25}$N$_{46}$이었다. 200 과 650 두께의 $Ti_{29}$Si$_{25}$N$_{46}$ barrier 층의 불량온도는 각각 $650^{\circ}C$와 $700^{\circ}C$이었다.이었다.
Amorphous Ti-Si-N films of approximately 200 and 650 thickness were reactively sputtered on Si wafers using a dc magnetron sputtering system at various $N_2$/Ar flow ratios. Their barrier properties between Cu (750 ) and Si were investigated by using sheet resistance measurements, XRD, ...
Amorphous Ti-Si-N films of approximately 200 and 650 thickness were reactively sputtered on Si wafers using a dc magnetron sputtering system at various $N_2$/Ar flow ratios. Their barrier properties between Cu (750 ) and Si were investigated by using sheet resistance measurements, XRD, SEM, RBS, and AES depth profiling focused on the effect of the nitrogen content in Ti-Si-N thin film on the Ti-Si-N barrier properties. As the nitrogen content increases, first the failure temperature tends to increase up to 46 % and then decrease. Barrier failure seems to occur by the diffusion of Cu into the Si substrate to form Cu$_3$Si, since no other X- ray diffraction intensity peak (for example, that for titanium silicide) than Cu and Cu$_3$Si Peaks appears up to 80$0^{\circ}C$. The optimal composition of Ti-Si-N in this study is $Ti_{29}$Si$_{25}$N$_{46}$. The failure temperatures of the $Ti_{29}$Si$_{25}$N$_{465}$ barrier layers 200 and 650 thick are 650 and $700^{\circ}C$, respectively.ely.
Amorphous Ti-Si-N films of approximately 200 and 650 thickness were reactively sputtered on Si wafers using a dc magnetron sputtering system at various $N_2$/Ar flow ratios. Their barrier properties between Cu (750 ) and Si were investigated by using sheet resistance measurements, XRD, SEM, RBS, and AES depth profiling focused on the effect of the nitrogen content in Ti-Si-N thin film on the Ti-Si-N barrier properties. As the nitrogen content increases, first the failure temperature tends to increase up to 46 % and then decrease. Barrier failure seems to occur by the diffusion of Cu into the Si substrate to form Cu$_3$Si, since no other X- ray diffraction intensity peak (for example, that for titanium silicide) than Cu and Cu$_3$Si Peaks appears up to 80$0^{\circ}C$. The optimal composition of Ti-Si-N in this study is $Ti_{29}$Si$_{25}$N$_{46}$. The failure temperatures of the $Ti_{29}$Si$_{25}$N$_{465}$ barrier layers 200 and 650 thick are 650 and $700^{\circ}C$, respectively.ely.
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제안 방법
DC magnetron sputtering 장비를 사용하여 N2/Ar 유 속비를 변화시키면서 반응성 스퍼터링법으로 Si기판 위에 약 200A과 650A 두께의 비정질 Ti-Si-N막을 중착한 후, Cu의 확산에 대한 barrier 특성을 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
DC magnetron sputtering 장비를 이용해 Nz/Ar 유속 비룔 달리하면서 약 200A과 650A 두께의 Ti-Si-N막을 중착하였다. 이때 기본 진공은 7xlOTTorr로 유지하였으며 TisSia 타겟(순도 99.
5%)의 sputtering power와 공정 압력은 각각 160W와 3mTorr로 일정하게 유지하였다. 또한 Na/Ar 유속 비룔 5, 10, 15, 20%로 변화시켰다.
240 MeV4He2+ Rutherford backscatterir&(RBS) 법으로 분석하였다. 박막의 표면형상은 energy dispersive spectroscopy (EDS)가 장착된 scanning electron microscopy (SEM)으로 관찰하였고, 깊이에 따른 성분의 변화는 Auger Electron Spectroscopy (AES) 분석을 통해 조사하였으며, 열처리에 따른 박막의 결정구조와 생성된 화합물은 X-ray source 로 Cu KoS- 사용하여 20-100° 범위와 40KV, 40mA 의 조건에서 X-ray diffractometer (XRD) 분석을 통해 확인 하였다.
99%인 Cu 타겟을 이용하여 sputtering power는 200W, 공정압력은 3mTorr로 고정시킨 채 챔버를 열지 않고 연속적으로 Ar스퍼터링법으로 약 750A 두께의 Cu막을 중 착한 후, 열처리온도의 변화에 따른 확산 방지막으로서의 특성을 조사하기 위하여 ixlOfTorr 이하의 진공 열처리로에서 온도를 500-800℃5. 변화시키면서 30분간 진공 열처리를 실시하였다. 본 실험에서의 Cu의 증착 속도는 200W의 sputtering power 에서 약 450 A/min, Ti-Si-N 의 중착속도는 160W의 sputtering power에서 약 120-130A/min 정도였다.
본 실험에서는 반응성 스퍼터링법으로 Nz/Ar 유속비를 달리하여 약 200A과 650A의 비정질 Ti-Si-N막을 중착한 후 RBS, AES, SEM, XRD, 면저항 측정 등의 분석 방법 을 통해 Cu에 대한 Ti-Si-N의 열적 안정성을 연구하였다.
이렇게 준비된 Ti-Si-N/Si 시 편들 위에 순도 99.99%인 Cu 타겟을 이용하여 sputtering power는 200W, 공정압력은 3mTorr로 고정시킨 채 챔버를 열지 않고 연속적으로 Ar스퍼터링법으로 약 750A 두께의 Cu막을 중 착한 후, 열처리온도의 변화에 따른 확산 방지막으로서의 특성을 조사하기 위하여 ixlOfTorr 이하의 진공 열처리로에서 온도를 500-800℃5. 변화시키면서 30분간 진공 열처리를 실시하였다.
이론/모형
이렇게 완성된 시편의면저항은 four point probe로 측정하였으며, Ti-Si-N막의 조성과 두께는 2.240 MeV4He2+ Rutherford backscatterir&(RBS) 법으로 분석하였다. 박막의 표면형상은 energy dispersive spectroscopy (EDS)가 장착된 scanning electron microscopy (SEM)으로 관찰하였고, 깊이에 따른 성분의 변화는 Auger Electron Spectroscopy (AES) 분석을 통해 조사하였으며, 열처리에 따른 박막의 결정구조와 생성된 화합물은 X-ray source 로 Cu KoS- 사용하여 20-100° 범위와 40KV, 40mA 의 조건에서 X-ray diffractometer (XRD) 분석을 통해 확인 하였다.
성능/효과
1) 질소 함량이 중가함에 따라 불량 온도는 질소 함량 46 %까지 증가하다가 그 이상에서는 감소하였다. Ti-Si-N막 은 Nz/Ar 유속비가 15%일 때 가장 우수한 barrier 특성을 나타내었다.
2) 본 실험에서 Ti-Si-N barrier막의 최적 조성은 TLgSi25N46이었다.
3) Ti-Si-N barrier막의 불량은 Cu원자들이 Ti-Si-N barrier층을 통해 Si기판으로 확산, 반응하여 Ti-Si-N/Si계면에서 CuaSi상을 생성함으로써 우선적으로 발생한다.
4) 200A과 650A의 Ti-Si-N barrier막의 불량 온도는 가각 65010와 70010이었으며 또한 Ti-Si-N barri&;.막은 결정화 온도보다 더 낮은 온도에서 불량이 발생되었다.
EDS 분석 결과 A 로 표시된 밝은 입자 (bright particle)는 대부분 Cu로 이루어져 있는 반면, B로 표시된 벗겨진 부분(denuded zone)은 주로 Ti와 Si로 구성되어져 있으며 Cu는 거의 발견되지 않았다. 또한 열처리온도를 75CTC로 중가시킴에 따라 이 벗겨진 부분의 밀도와 크기는 급격히 증가하여, Cu가 Ti-Si-N막을 통해 Si기판으로 확산하여 시편 상부에서 고갈되었음을 명확히 보여주고 있다.
그러나 불량 온도 이상에서는 급격한 면저항의 중가를 보였으며, 시편들의 불량 온도는 Ti-Si-N막내 질소의 함량이 중가함에 따라 불량 온도 또한 중가하는 경향을 보이다가, 질소 함량이 46% 이상에서는 다시 감소하였다. 한편 불량온도에서 열처리한 후에 시편의 색깔 또한 황금색 (gold yellow) 에서 어두운 회색 (dark gray) 으로 변하였으며, 이는 Cu, Ti-Si-N 및 Si 웨이퍼간의 심각한 화학반응이 일어나 CthSi상이 생성되었음을 간접적으로 설명해주고 있다.
표 1은 여러 Nj/Ar 유속비에서 중착된 Ti-Si-N막의 조성과 원자 밀도를 보여주고 있으며, RBS분석(그림 2)을 통해 유추되었다. 대체로 N/Ar 유속 비가 중가함에 따라 Ti-Si-N막내에 N함량과 원자 밀도는 증가하였고, Ti와 Si 의 함량은 감소하는 경향을 보였다.
Cu와 CujSi 피크의 비로 판단해보면 이들 네 종류의 Ti-Si-N barrier 막 중에 상대적인 열적 안정성은 Ti2SSi25N<6>Ti31Si27N42>Ti3 aSiaoN3S>Ti2sSia4NsiT 이었으며 이러한 XRD 분석 결과는 그림 2 (a)에 나타난 면저항 데이터와 일치한다. 따라서 본 실험을 통해 얻은 Ti-Si-N막의 최적 조성은 TizSizsN”이 었으며, 두께 650A의 Ti29Si25N36막은 적어도 650P에서 30분간의 열처리 조건에서도 Cu에 대한 확산 방지막으로서 의 역할을 수행하는 것으로 볼 수 있다.
650r 이하의 온도서 열처리한 시 편의 X-선 회절 패턴에서는 단지 Cu피크의 강도가 약간 높아졌을 뿐 어떠한 변화도 보이지 않지만, 700E에서 열처리 후에는 비록 아주 작긴 하지만 CihSi 피크가 관찰되어 barrier 충이 불량이 발생되기 시작함을 보여준다. 또한 열처리온도가 75g로 상숭함에 따라 CiHSi 피크가 점점 중가함을 보이다가 800P에서 30분간 열처리 후에는 CuaSi 피크만 관찰될 뿐 Cu 피크는 거의 완전히 사라졌으며, 이는 많은 양의 Cu원자들이 Ti- Si-N막을 통해 확산, Si기판과 반응하여 CuaSi상이 생성되었음을 의미한다.
보통 삼원계 비정질박막의 경우, 그 결정화 온도가 매우 높고 또한 Cu확산의 주요 경로가 되는 결정립의 부재로 인해 매우 우수한 barrier 특성을 보이는 것으로 알려져 있으나, 본 실험을 롱해 barrier막의 불량온도는 barrier막의결정화 온도와 반드시 일치하는 것은 아니며, 결정화 온도보다 낮은 온도에서도 충분히 barrier 불량이 발생할 수 있음을 확인할 수 있었다.
후속연구
그 중 Ti-Si-N의 경우, Sun 둥이 반응성 스퍼터링법으로 약 1000A 두께의 Ti-Si-N막을 증착하여 30분간 진공 열처리 후에도 최고 850℃에서 Cu에 대해 우수한 열적 안정성울 보임을 발표하였고, Smith 등은 화학기상중 착법으 로 Ti-Si-N막을 중착하기도 하였으나, 이들을 제외한 Ti- Si-N barrier 특성에 관한 연구는 거의 없는 실정이므로 더 연구할 필요가 있다.'"
참고문헌 (19)
J. Musil, A.J. Bell, and M. Cepera, Czchoslovak Journal of Physics, 45, 249 (1995)
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