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문제 정의
- 본 연구에서는 Cu 미세 배선의 확산 방지막으로 무전해 Ni-B 도금을 적용할 때, 제조 공정중 고온에 노출 시 발생하는 Cu의 확산 거동 및 Ni-B 확산 방지 막내에서 발생하는 상변태에 대해 기술하였으며, 어떠한 원인으로 인하여 확산 방지막으로써의 특성이 저하되는지에 대해 논하였다.
제안 방법
- 1 mm 사이즈의 글라스를 이용하였다. DC magnetron sputter를 이용하여 글라스 표면에 밀착력 향상을 위한 박막으로 Cr layer 1000A, 전기도금을 위한 전도성 박막으로 Cu layer IOOOA을 형성시켰다. 이때 박막 형성은 base pressure 5X 10-6Torr, working pressure 7.
- 이때 무전해 Ni-B 도금액은 60℃로 유지되었으며, 도금층의 두께는 100nm로 조절하였다. Ni- B 확산 방지막내 Cu 확산 거동을 조사하기 위하여 Cu 위에 Ni-B 확산 방지막을 형성시킨 시편을 300℃에서 800℃까지 100℃ 간격으로 30분간 열처리하였다. 이때 열처리는 Ar 가스를 이용한 불활성 분위기와 Ar 가스와 H, 가스를 2:1의 비율로 혼합한 환원 분위기에서 각각 이루어졌다.
- 또한 열처리에 따른 Ni-B 도금층의 상변태 거동을 조사하기 위하여 Ni-B 분말도 동일한 분위기에서 열처리 되었다. 그 뒤 열처리 온도에 따른 상변태 및 Cu 확산 거동 조사를 위하여 XRD(X-ray Diff- raction), DSC(Dififerential Scanning Calorimeter), AES (Auger Electron Spectroscopy) 분석이 이루어졌다.
- 그 뒤 800℃에 이를 때까지 열처리 초기에 형성된 NigB와 Nie 어떠한 상변태 발생 없이 유지되어 Cu에 도금 후 측정된 XRD와는 상이한 긑과를 보였다. 그리하여 B의 산화 방지를 위해 환원 분우기에서 Ni-B 확산 방지막을 열처리하였다. Fig.
- 이때 열처리는 Ar 가스를 이용한 불활성 분위기와 Ar 가스와 H, 가스를 2:1의 비율로 혼합한 환원 분위기에서 각각 이루어졌다. 또한 열처리에 따른 Ni-B 도금층의 상변태 거동을 조사하기 위하여 Ni-B 분말도 동일한 분위기에서 열처리 되었다. 그 뒤 열처리 온도에 따른 상변태 및 Cu 확산 거동 조사를 위하여 XRD(X-ray Diff- raction), DSC(Dififerential Scanning Calorimeter), AES (Auger Electron Spectroscopy) 분석이 이루어졌다.
- Ni- B 확산 방지막내 Cu 확산 거동을 조사하기 위하여 Cu 위에 Ni-B 확산 방지막을 형성시킨 시편을 300℃에서 800℃까지 100℃ 간격으로 30분간 열처리하였다. 이때 열처리는 Ar 가스를 이용한 불활성 분위기와 Ar 가스와 H, 가스를 2:1의 비율로 혼합한 환원 분위기에서 각각 이루어졌다. 또한 열처리에 따른 Ni-B 도금층의 상변태 거동을 조사하기 위하여 Ni-B 분말도 동일한 분위기에서 열처리 되었다.
대상 데이터
- ') 차 세대 집적 회로의 나노 사이즈화로 인하여 배선에 의한 신호 지연(RC delay)은 gale에 의한 지연 효과에 비해 그 중요성은 매우 크게 증대되었다2,3) 소자 사이즈의 감소에 따라 RC delay에서 배선 재료의 전기 저항이 미치는 영향이 크게 되므로 A1 보다 낮은 전기 저항을 갖는 배선 재료의 적용은 RC delay를 감소시키는데 꼭 필요하다. A1 보다 낮은 전기 저항을 갖는 금속 배선 후보 재료로는 Au, Ag 및 Cu 서가지로 한정된다.')이 중에서 Au는 부식과 electromigration에 대한 높은 저항성을 가지고 있으나, 비저항은 AI에 비해 미소한 차이를 보일 뿐이다.
- Cu 미세 배선을 형성시키기 위한 기판은 70X70X 1.1 mm 사이즈의 글라스를 이용하였다. DC magnetron sputter를 이용하여 글라스 표면에 밀착력 향상을 위한 박막으로 Cr layer 1000A, 전기도금을 위한 전도성 박막으로 Cu layer IOOOA을 형성시켰다.
성능/효과
- 지난 몇 세대 동안 반도체 제조에서 Ale 미세 배선 금속 재료로, SiO는 절연처 재료로 사용되어 왔다.') 차 세대 집적 회로의 나노 사이즈화로 인하여 배선에 의한 신호 지연(RC delay)은 gale에 의한 지연 효과에 비해 그 중요성은 매우 크게 증대되었다2,3) 소자 사이즈의 감소에 따라 RC delay에서 배선 재료의 전기 저항이 미치는 영향이 크게 되므로 A1 보다 낮은 전기 저항을 갖는 배선 재료의 적용은 RC delay를 감소시키는데 꼭 필요하다. A1 보다 낮은 전기 저항을 갖는 금속 배선 후보 재료로는 Au, Ag 및 Cu 서가지로 한정된다.
- Cu에 Ni-B 확산 방지막을 형성시킨 직후 측정된 Fig. 7(a)의 AES 분석 결과를 보면, 확산 방지막 표면에서부터 Cu와의 계면에 이르기까지 Ni과 B이 균일하게 분포하고 있음을 알 수 있었다. 이러한 분포는 열 처리 온도가 400℃에 이를 때까지 유지되고 있어 Ni-B 도금을 확산 방지막에 적용할 때 400℃ 이하의 범위에서 신뢰성을 가짐을 알 수 있었다.
- 6은 환원 분위기에서 Ni-B의 상변태 거동을 관찰하기 위해 각각의 온도에서 30분간 열처리 후 측정된 Ni- B 분말의 XRD 관찰 결과이다. Fig. 6에서 볼 수 있듯이, 최초의 Ni-B 분말은 비정질상을 유지하고 있으며, 30(TC에서 열처리 후 발열 반응에 의한 결정화로 인해 NisB가 형성되었음을 확인할 수 있었다. 환원 분위기에서 열처리한 Ni-B 분말은 불활성 분위기에서 열처리한 Ni-B 분말의 상변태 거동과 동일하게 800K에 이를 때까지 열처리 초기에 형성된 NiaB와 Nie 어떠한 상변태 발생 없이 유지되고 있어 Cu에 도금 후 측정된 XRD와 상이한 결과를 보임을 알 수 있었다.
- 결론적으로, Cu 배선의 확산을 방지하고 self passivation 특성을 지니지 못한 Cu의 산화 방지를 위한 목적으로 형성시키게 되는 확산 방지막은 중요한 기술적 요소가 된다.
- 이러한 결과를 볼 때, Ni-B가 단독으로 존재할 때에는 열처리 온도의 증가에도 불구하고 약 300℃ 부근에서의 발열 반응을 통해 형성된 NiaB가 어떠한 상변태 없이 유지되고 있음을 알 수 있었다. 그러나 Cu의 확산 방지막으로 적용되었을 때, 400℃ 이상에서 NiaB의 분해가 발생되는 것을 관찰할 수 있었으며 미량의 산소를 함유한 불활성 분위기에 분해된 B는 B2O3로 산화되었고, 환원 분위기에서는 산화되지 않고 확산 방지 막내에 분산되어 있는 것으로 생각되었다. 이때 분해된 Nie Cu 격자내에 고용되어 고용체을 이루는 것으로 생각되었다.
- 이러한 분포는 열 처리 온도가 400℃에 이를 때까지 유지되고 있어 Ni-B 도금을 확산 방지막에 적용할 때 400℃ 이하의 범위에서 신뢰성을 가짐을 알 수 있었다. 열처리 온도가 500℃ 에 도달되었을 때, Ni-B 확산 방지막으로 Cu의 확산이 발생하였음을 관찰할 수 있었고, 열처리 온도가 500℃ 이상으로 상승됨에 따라 Cu는 Ni-B 확산 방지막을 통과하여 표면까지 확산되었음을 알 수 있었다.
- 이러한 결과를 볼 때, Ni-B가 단독으로 존재할 때에는 열처리 온도의 증가에도 불구하고 약 300℃ 부근에서의 발열 반응을 통해 형성된 NiaB가 어떠한 상변태 없이 유지되고 있음을 알 수 있었다. 그러나 Cu의 확산 방지막으로 적용되었을 때, 400℃ 이상에서 NiaB의 분해가 발생되는 것을 관찰할 수 있었으며 미량의 산소를 함유한 불활성 분위기에 분해된 B는 B2O3로 산화되었고, 환원 분위기에서는 산화되지 않고 확산 방지 막내에 분산되어 있는 것으로 생각되었다.
- 6에서 볼 수 있듯이, 최초의 Ni-B 분말은 비정질상을 유지하고 있으며, 30(TC에서 열처리 후 발열 반응에 의한 결정화로 인해 NisB가 형성되었음을 확인할 수 있었다. 환원 분위기에서 열처리한 Ni-B 분말은 불활성 분위기에서 열처리한 Ni-B 분말의 상변태 거동과 동일하게 800K에 이를 때까지 열처리 초기에 형성된 NiaB와 Nie 어떠한 상변태 발생 없이 유지되고 있어 Cu에 도금 후 측정된 XRD와 상이한 결과를 보임을 알 수 있었다. Fig.
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