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문제 정의
- Cu 박막과 SiO2 절 연막 사이에 reactive sputtering으로 증착한 TaNx 박막의 조성에 따른 접착특성 및 확산방지 막 특성을 연구하였다. TaNx 박막증착시 N2/(Ar+N2) 유량 비 가 0.
- 본 연구에서는 Cu 박막과 SiO2/Si 기 판 사이의 접착력을 증진시키고 Cu의 확산을 방지하기 위하여 TaNx 박막을 중간층으로 도입하였다. Reactive sputtering 법에 의한 증착 공정 중 질소의 부분압을 변화시켜 TaNx 박막의 조성을 변화시켰으며, TaNx조성에 따른 접착 및 확산방지 특성의 변화를 연구하였다.
제안 방법
- 25까지 증가함에 따라 Ta 타겟의 poisoning effect 로 인하여 TaN* 박막의 증착속도는 34%까지 감소하였으며, TaNx박막 내 N/Ta조성비는 14까지 증가하였다. 180° peel test 와 topple test 를 이용하여 Cu/TaNx 박막과 SiO2/ Si 기판 사이의 접착력을 정량적으로 측정하였다. Cu 박막의 Sit》절연막에 대한 접착력은 Ta 박막을 접착층으로 사용하였을 경우가 Ta 박막이 없는 경우에 비하여 우수하였으며, TaNx 박막을 접착층으로 사용한 경우가 Ta 박막보다 더욱 우수한 접착특성을 보였다.
- TaNx 박막 증착시 Ta 금속 타겟을 사용하였으며 증착압력은 】 mTorr로 유지 하였고 증착기 체는 Ar과 卬를 사용하였다. N2/(Ar+N2) 유량비 를 0~0.25로 변화시킴으로써 TaNx 박막 내 질소함량을 조절하였다. 증착된 박막의 조성은 WDS(wavelength dispersion spectroscopy)로 분석 하였으며 증착속도는 증착된 박막에 단차를 형 성 한 후 surface profilers.
- 중간층으로 도입하였다. Reactive sputtering 법에 의한 증착 공정 중 질소의 부분압을 변화시켜 TaNx 박막의 조성을 변화시켰으며, TaNx조성에 따른 접착 및 확산방지 특성의 변화를 연구하였다.
- Reactive sputtering1^ 으로 증착된 TaNx 박막의 Cu에 대한 확산방지 특성을 조사하기 위해 SiO2/Si 기판 위에 TaNx(30nm), Cu(100nm)를 차례로 증착한 후 진 공로에서 800~ 100VC의 온도범위에서 50℃ 간격으로 1시간 동안 열처리를 수행하였다. 열처리한 시편들에 대한 XRD 패턴을 Fig.
- Ta 타겟을 이용하여 reactive sputtering법으로 N2/ (Ar+N2) 유량비를 0~0.25로 변화시키며 TaNx 박막을 증착하였다. 이때 공정압력은 ImTorr로 일정하게 유지하였다.
- TaNx 박막은 reactive sputtering법 으로 체 임 버 내의 질소 부분압을 조절하여 여러가지 조성으로 증착하였으며, Cu 박막은 magnetron sputtering법으로 증착하였다. 각 조건마다 9개의 시 편을 제작하였으며 최 대하중 1000 N의 load cell을 이 용하여 0.5 mm/min의 loading rate 조건 하에서 topple test를 수행하였다. 모든 경우의 test시 TaNx 박막과 SiO2/ Si 기판 사이 에서 박리 가 일어났다.
- 5 um의 3M plastic tape를 Cu/TaNx 박막 위에 붙여 peel test를 수행함으로써 박막의 소성변형에 따른 기여를 최소화시키면서도 박막이 파열되지 않도록 하였다. 기판에 Cu/TaM 박막을 증착하기 전기 판의 한 쪽 부분에 ink를 칠하여 Cu/TaNx 박막의 일부를 미리 벗겨지게 함으로써 peel test시 grip을 용이하게 하였다. 각 조건마다 5개의 시편을 제작하였으며 최대하중 5 N의 load cell을 이용하여 1 mm/min의 loading rate 조건하에서 180。peel test 를 수행하였다.
- 이때 peeling force에 미치는 박막의 소성 변형의 영향을 줄이려면 가급적 박막의 두께를 감소시키는 것이 바람직하나, 박막의 두께가 너무 얇을 경우 작은 load에서도 쉽게 박막이 파열되어 접착력 측정이 어렵게 된다. 따라서 본 연구에서는 두께 62.5 um의 3M plastic tape를 Cu/TaNx 박막 위에 붙여 peel test를 수행함으로써 박막의 소성변형에 따른 기여를 최소화시키면서도 박막이 파열되지 않도록 하였다. 기판에 Cu/TaM 박막을 증착하기 전기 판의 한 쪽 부분에 ink를 칠하여 Cu/TaNx 박막의 일부를 미리 벗겨지게 함으로써 peel test시 grip을 용이하게 하였다.
- 증착된 박막의 조성은 WDS(wavelength dispersion spectroscopy)로 분석 하였으며 증착속도는 증착된 박막에 단차를 형 성 한 후 surface profilers. 박막의 두께 를 측정하여 구하였다.
- 16 呻의 Cu 박막을 증착한 후, Cu 박막 위에 3M tape를 붙여서 제작하였다. Peel test 는 이 3M tape를 180。방향으로 잡아당겨서 CwTaNx 박막을 SiCWSi 기 판으로부터 박리 시 킴 으로써 진행 하였 다. Peel test시 즉정 되는 peeling force는 박막과 기판 사이의 접착력을 이겨내어 박막을 기판으로부터 박리시키는데 필요한 힘과 박막을 소성변형시키는 데 필요한 힘의 합이다.
- 본 연구에서는 SiO2/Si 기판에 증착된 Cu/TaNx 박막의 접 착력 을 180° peel test와 topple test를 사용하여 정 량적으로 측정하였다. Cu 박막과 SiC>2 절연막 사이의 접착층으로써 두께 40nm의 여러 조성을 갖는 TaNx 박막을 SiO2/Si 기판 위에 형성시켰다.
- 증착된 시편에 대하여 진 공로에서 800~1000℃의 온도범위에서 50℃ 간격으로 1시간 동안 열처리를 해주었다. 열처리 후 확산방지막의 파괴로 인한 Cu-silicide 및 Ta- silicide의 형성 여부를 분석하기 위하여 XRD(X-ray diffraction)분석을 수행하였다. XRD분석은 tube voltage 40 kV, tube current 100 mA에서 20-50° 범위의 2。를 측정하여 분석하였으며, 이때 scan 속도는 37min, 그리고 step size는 0.
- 25로 변화시킴으로써 TaNx 박막 내 질소함량을 조절하였다. 증착된 박막의 조성은 WDS(wavelength dispersion spectroscopy)로 분석 하였으며 증착속도는 증착된 박막에 단차를 형 성 한 후 surface profilers. 박막의 두께 를 측정하여 구하였다.
대상 데이터
- 1에 180° peel test의 개 략도와 실험 결과 얻어진 전형적 인 peel curve를 나타내었다. 180° peel test용 시편은 폭 17mm의 길다란 SiO2/Si 기판 위에 reactive sputtering법과 magnetron sputtering법으로 두께 40nm의 TaNx 박막과 두께 1.16 呻의 Cu 박막을 증착한 후, Cu 박막 위에 3M tape를 붙여서 제작하였다. Peel test 는 이 3M tape를 180。방향으로 잡아당겨서 CwTaNx 박막을 SiCWSi 기 판으로부터 박리 시 킴 으로써 진행 하였 다.
- 측정하였다. Cu 박막과 SiC>2 절연막 사이의 접착층으로써 두께 40nm의 여러 조성을 갖는 TaNx 박막을 SiO2/Si 기판 위에 형성시켰다.
- Reactive sputtering법으로 증착된 TaNx 박막의 조성 에 따른 Cu에 대한 확산방지 막 특성을 조사하기 위해 Cu/ TaNx/SiO2/Si 구조의 시편을 제작하였다. Reactive sputtering법으로 여러 조성의 TaNx 박막을 30 run의 두께로 증착한 다음 magnetron sputtering 법 으로 두께 100 nm 의 Cu 박막을 증착하였다.
- 증착하였다. TaNx 박막 증착시 Ta 금속 타겟을 사용하였으며 증착압력은 】 mTorr로 유지 하였고 증착기 체는 Ar과 卬를 사용하였다. N2/(Ar+N2) 유량비 를 0~0.
- 이 방법은 pull test에 비하여 재 현성 이 우수하고 보다 작은 load로 측정 가능하다는 장점 이 있다. Topple test용 시 편은 20x20 mn? 크기의 SiO2/Si 기판 위에 두께 40nm의 TaNx박막과 두께 160nm의 Cu 박막을 연속증착한 후 박막윗면에 지름 15 mm의 원기둥 형태의 금속기등을 epoxy로 접착시켜 제작하였다. TaNx 박막은 reactive sputtering법 으로 체 임 버 내의 질소 부분압을 조절하여 여러가지 조성으로 증착하였으며, Cu 박막은 magnetron sputtering법으로 증착하였다.
- 본 연구에서 사용된 기판은 모두 동일한 SiC>2 절연막이며 박막증착은 같은 조건에서 조성만 다르게 하여 증착된 것이므로 기판의 morphology변화는 없다고 봐도 무방하다. Sit》절연막위에 TaNx 박막을 증착하는 경우 TaNx 박막과 SiO 절연막사이의 계 면에서 W3N4, TazSi나 TazQ 와 같은 계면반응물이 생성된다고 알려져 있다, .
- 이 방법은 pull test에 비하여 재 현성 이 우수하고 보다 작은 load로 측정 가능하다는 장점 이 있다. Topple test용 시 편은 20x20 mn? 크기의 SiO2/Si 기판 위에 두께 40nm의 TaNx박막과 두께 160nm의 Cu 박막을 연속증착한 후 박막윗면에 지름 15 mm의 원기둥 형태의 금속기등을 epoxy로 접착시켜 제작하였다. TaNx 박막은 reactive sputtering법 으로 체 임 버 내의 질소 부분압을 조절하여 여러가지 조성으로 증착하였으며, Cu 박막은 magnetron sputtering법으로 증착하였다.
데이터처리
- 기판에 Cu/TaM 박막을 증착하기 전기 판의 한 쪽 부분에 ink를 칠하여 Cu/TaNx 박막의 일부를 미리 벗겨지게 함으로써 peel test시 grip을 용이하게 하였다. 각 조건마다 5개의 시편을 제작하였으며 최대하중 5 N의 load cell을 이용하여 1 mm/min의 loading rate 조건하에서 180。peel test 를 수행하였다.
이론/모형
- Reactive sputtering법으로 여러 조성의 TaNx 박막을 30 run의 두께로 증착한 다음 magnetron sputtering 법 으로 두께 100 nm 의 Cu 박막을 증착하였다. 증착된 시편에 대하여 진 공로에서 800~1000℃의 온도범위에서 50℃ 간격으로 1시간 동안 열처리를 해주었다.
- Topple test용 시 편은 20x20 mn? 크기의 SiO2/Si 기판 위에 두께 40nm의 TaNx박막과 두께 160nm의 Cu 박막을 연속증착한 후 박막윗면에 지름 15 mm의 원기둥 형태의 금속기등을 epoxy로 접착시켜 제작하였다. TaNx 박막은 reactive sputtering법 으로 체 임 버 내의 질소 부분압을 조절하여 여러가지 조성으로 증착하였으며, Cu 박막은 magnetron sputtering법으로 증착하였다. 각 조건마다 9개의 시 편을 제작하였으며 최 대하중 1000 N의 load cell을 이 용하여 0.
- p-type(lOO) Si 기판에 두께 300mn의 SiO? 절연막을 열산 화법으로 형성시킨 후 TaNx박막을 reactive sputtering 법으로 증착하였다. TaNx 박막 증착시 Ta 금속 타겟을 사용하였으며 증착압력은 】 mTorr로 유지 하였고 증착기 체는 Ar과 卬를 사용하였다.
성능/효과
- 방법이 활발히 연구되고 있다.'2)TSV를 통하여 층간 연결길이를 최소화 할 수 있으며 보다 많은 input/ output 수를 가능하게 하므로 전자제품의 고속, 소형 화를 이룰 수 있다. TSV를 전도성 이 좋은 물질로 완벽히 채우는 것은 3차원 패키지에 있어서 가장 중요한 핵심기술 중하나이다.
- 180° peel test 와 topple test 를 이용하여 Cu/TaNx 박막과 SiO2/ Si 기판 사이의 접착력을 정량적으로 측정하였다. Cu 박막의 Sit》절연막에 대한 접착력은 Ta 박막을 접착층으로 사용하였을 경우가 Ta 박막이 없는 경우에 비하여 우수하였으며, TaNx 박막을 접착층으로 사용한 경우가 Ta 박막보다 더욱 우수한 접착특성을 보였다.
- Ta 또는 TaNx 박막을 접착층으로 도입 함으로써 Cu 박막과 SiO2/Si 기판 사이의 접착력을 증가시 킬 수 있었다. 접 착층으로써 Ta 박막보다는 TaNx 박막이 더 우수한 특성 을 나타내 었으며 TaNx 박막 내 N/Ta 조성 비 가 1.
- 해석된다. TaNx 박막 내 N/Ta 조성 비 가 증가할수록 보다 우수한 확산방지 특성을 보였다. 이는 TaNx 박막 내 질소함량이 높아짐에 따라 더 높은 온도에서 비정질상의 결정화가 이루어지기 때문으로 해석된다.
- Topple test에서 TaNx 박막 내 질소함량에 따른 접착력 특성은 180° peel test의 결과와 비슷한 경 향성을 보였다. TaNx 박막 내 질소 함량이 증가함에 따라 topple strength도 증가하였다. N/ Ta 조성 비 가 0.
- 6 N/m에 비하여 약 50% 향상된 값이다. TaNx 박막 내 질소함량이 증가함에 따라 peel strength는 증가하였으며 N/Ta 조성 비 가 0.9인 TaNe 박막을 접착층으로 사용한 경우의 peel strength는 Ta 박막을 사용하였을 경우보다 약 60% 증가하였다. N/Ta 조성 비가 1.
- 연구하였다. TaNx 박막증착시 N2/(Ar+N2) 유량 비 가 0.25까지 증가함에 따라 Ta 타겟의 poisoning effect 로 인하여 TaN* 박막의 증착속도는 34%까지 감소하였으며, TaNx박막 내 N/Ta조성비는 14까지 증가하였다. 180° peel test 와 topple test 를 이용하여 Cu/TaNx 박막과 SiO2/ Si 기판 사이의 접착력을 정량적으로 측정하였다.
- 온도에서 결정화되는 비정질이기 때문이다. 박막 내 질소 함량이 증가함에 따라 TaNx 박막의 확산방지특성 이 향상되는 것으로 나타났다. Reactive sputtering법으로 TaNx 박막증착시 박막 내 질소함량이 증가함에 따라 차례로 Ta?N과 TaN상의 형성비율이 증가하는 것으로 알려져 있다.
- 있었다. 접 착층으로써 Ta 박막보다는 TaNx 박막이 더 우수한 특성 을 나타내 었으며 TaNx 박막 내 N/Ta 조성 비 가 1.4까지 증가함에 따라 접착력도 증가하였다. 박막과 기 판 사이의 접착력에 영향을 미치는 주요인자로는 기판의 morphology, 계면에서 원자간 결합에 따른 결합 세기 및 결합 수 등이 있다.
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