[논문]전해 도금을 이용한 기가급 소자용 구리배선 공정

김수길; 강민철; 구효철; 조성기; 김재정; 여종기

doi:10.5229/jkes.2007.10.2.094

전해 도금을 이용한 기가급 소자용 구리배선 공정
Cu Metallization for Giga Level Devices Using Electrodeposition 원문보기

전기화학회지 = Journal of the Korean Electrochemical Society, v.10 no.2, 2007년, pp.94 - 103

김수길 (한국과학기술연구원 연료전지연구단) , 강민철 (서울대학교 화학생물공학부) , 구효철 (서울대학교 화학생물공학부) , 조성기 (서울대학교 화학생물공학부) , 김재정 (서울대학교 화학생물공학부) , 여종기 (LG화학)

초록
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반도체 소자의 고속화, 고집적화, 고신뢰성화에 대한 요구는 알루미늄 합금으로부터 구리로의 배선 물질의 변화를 유도하였다. 낮은 비저항과 높은 내열화성을 특징으로 하는 구리는 그 전기적, 재료적 특성이 알루미늄과 상이하여 배선 형성에 있어 새로운 주변 재료와 공법을 필요로 한다. 본 총설에서는 상감공정(damascene process)을 사용하는 다층 구리 배선 공정에 있어 핵심이 되는 구리 전해 도금(electrodeposition) 공정을 중심으로 확산 방지막(diffusion barrier) 및 도전층(seed layer), 바닥 차오름(bottom-up filling)을 위한 전해/무전해 도금용 유기 첨가제, 화학적 기계적 평탄화(chemical mechanical polishing) 및 표면 보호막(capping layer) 기술 등의 금속화 공정에 대한 개요와 개발 이슈를 소개하고 최근의 연구 결과를 통해 구리 배선 공정의 최신 연구 동향을 소개하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The transition of interconnection metal from aluminum alloy to copper has been introduced to meet the requirements of high speed, ultra-large scale integration, and high reliability of the semiconductor device. Since copper, which has low electrical resistivity and high resistance to degradation, has different electrical and material characteristics compared to aluminum alloy, new related materials and processes are needed to successfully fabricate the copper interconnection. In this review, some important factors of multilevel copper damascene process have been surveyed such as diffusion barrier, seed layer, organic additives for bottom-up electro/electroless deposition, chemical mechanical polishing, and capping layer to introduce the related issues and recent research trends on them.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 총설에서는 구리 배선 공정에 있어 확산 방지막, 도전층, 전해/무전해 도금, 화학적 기계적 연마, 보호막 형성 등의 금속화 공정에 대한 개요와 연구 개발 이슈를 소개하고 최근의 연구 결과를 통해 구리 배선 공정의 최신 연구 동향을 소개하고자 한다.

제안 방법

대표적 연구결과를 살펴보면, DeNardis 등은 H₂O₂ 산화제 존재 하에서의 산화 구리막의 성장을 H₂O₂ 처리 시간과 농도에 따라 고찰 하여 CuO, CuO₂, 및 Cu(OH)2 결정의 성장을 보고하였다. 負 Tsai 등은 쉽게 분해되는 田。2의 성질을 개선하기 위하여 요소를 슬러리에 첨가함으로써 足。2의 분해를 막고 보다 안정적인 산화제 특성을 확보하였다.62)Kondo 등은 CMP후 세척액에 BTA를 첨가함으로써 구리배선의 화학적 부식을 효과적으로 억제하였다는 연구를 보고하였다.
대표적인 논문들이 Lee 등에 의해 발표 되었으며, E9) 이들은 quartz crystal microbalance# 이용하여 SPS의 농도에 따라 증착량의 증가 또는 감소 효과가 있음을 확인하고 이를 바탕으로 해 농도에 따른 SPS의 이중효과(bifiinctional effect)를 언급하였다. 저농도 (2.0mg/L)의 SPS는 구리 환원에 있어 촉매 효과를 나타내어증착량의 증가를 가져오나 그 이상의 고농도에서는 과량의 SPS 가 오히려 억제제로 작용한다고 설명하였으며, 패턴의 위치에 따른 SPS의 농도차 형성을 초등각전착의 작용 기구로 해석하였다. 특히 이들은 SPS오+ 2, 2, -dipyridyl을 사용하여 초등 각 전착과 막질 개선을 동시에 구현하였으며, 이 이론을 SPS와 유사한 분자 구조를 가지며 구리 전해 도금의 가속제로 연구된 바 있는 DPS에도 확장하여 패턴 역전과 융기의 형성이 관찰되는 초등 각 전착을 구현하였다.
0mg/L)의 SPS는 구리 환원에 있어 촉매 효과를 나타내어증착량의 증가를 가져오나 그 이상의 고농도에서는 과량의 SPS 가 오히려 억제제로 작용한다고 설명하였으며, 패턴의 위치에 따른 SPS의 농도차 형성을 초등각전착의 작용 기구로 해석하였다. 특히 이들은 SPS오+ 2, 2, -dipyridyl을 사용하여 초등 각 전착과 막질 개선을 동시에 구현하였으며, 이 이론을 SPS와 유사한 분자 구조를 가지며 구리 전해 도금의 가속제로 연구된 바 있는 DPS에도 확장하여 패턴 역전과 융기의 형성이 관찰되는 초등 각 전착을 구현하였다. Fig.

성능/효과

69)Chang 등은 마찬가지로 DMAB를 이용하여 Pd 활성화 없이 Co-based alloy를 선택적으로 형성하여 그 특성을 Pd 활성화를 거쳐 형성한 박막과 비교하였다.加)DMAB를 이용해 Pd 활성화 없이 보호막을 형성한 경우 400℃ 30분간의 열처리에 도구리의 확산이나 결정 구조의 변화가 관찰되지 않은 반면 Pd 활성화를 이용한 보호막의 경우 Pd 입자의 구리 내부로의 확산으로 인해 약 8.6%의 면저항 증가를 보임을 관찰하였다. 이와는 약간 상반된 결과로 Hu 등은 CoWP, CoSnP, 및 Pd 보호막을 형성하여 구리/보호막 계면에서의 전자이동 열화 특성을 분석한 결과, 세 개의 보호막이 모두 우수한 전자이동 내성을 나타내고 있음을 확인 하였다") 보호막이 존재할 경우 대부분의 전자이동 열화에 의한 배선의 불량(failure)은 구리와 Ta 확산 방지막 계면에서 발생한다고 보고하였다.
비슷한 연구가 Wang 등에 의해서 이루어졌으며, %)이들은 SPS와 마찬가지로티올기를 가진 MACA(mercapto alkyl carboxylic acid)의 alkyl chain 길이에 따른 패턴 채움(pattern filling) 현상을 고찰하였다. 이들의 결과에 의하면 이러한 MACA 역시 구리 무전해 도금의 억제제로 작용하였으며, 탄소 체인의 길이가 길수록억제 효과가 크며 초등각전착 현상이 두드러지는 것으로 나타났다. 이들은 그 원인으로 탄소 체인이 길어질수록 분자크기가증가하여 패턴 내부로 확산되는 MACA의 양이 입구에 비해 상대적으로 감소함에 따른 입구에서의 선택적인 억제 효과를 들었다.

후속연구

4) 도전층/확산 방지막/표면 보호막 형성에 있어서 재료 및공정개발에 대한 부가적 연구 등을 필요로 한다.
5。)레벨러 첨가 시 패턴 내부에서의 초등 각 전착의 작용 기구는 크게 방해 받지 않으면서 패턴이 완전히 메워진 이후에도 과전착에 의한 융기의 형성이 나타나지 않고 균일한 막 두께를 나태나고 있음을 볼 수 있다. 이러한 3원계첨가제 조합의 경우 패턴내 구리막의 형성에 효과적이면서 동시에 후속 CMP 공정의 부담을 줄이는데 기여할 수 있을 것으로 판단된다.

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표제어: PCR

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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