[논문]Al-Cu 금속 배선 부식 개선을 위한 공정조건 최적화에 관한 연구

문성열; 강성준; 정양희

doi:10.6109/jkiice.2012.16.11.2525

Al-Cu 금속 배선 부식 개선을 위한 공정조건 최적화에 관한 연구
A Study on the Process Conditions Optimization for Al-Cu Metal Line Corrosion Improvement 원문보기

한국정보통신학회논문지 = Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, v.16 no.11, 2012년, pp.2525 - 2531

문성열 , 강성준 (전남대학교 전기 및 반도체공학과) , 정양희 (전남대학교 전기 및 반도체공학과)

초록
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반도체에 사용되는 금속 배선으로써 Al-Cu 합금은 낮은 저항과 제조 공정의 용이성으로 인해 CMOS제조 공정에 있어 수년간 사용되어 왔다. 그러나 금속은 근본적으로 부식에 취약하기 때문에 금속 배선 제조 공정에 있어 부식은 오랜 숙제로 남아 있다. 부식은 칩의 신뢰성 문제를 유발하기 때문에 이를 제어할 보다 효과적인 방법이 요구 되고 있다. 부식을 유발하는 다양한 항목 중에 금속 배선 식각 후 PR 스트립과 후속 세정 조건은 조절 가능한 파라미터이며, 또한 부식을 방지할 수 있는 마진을 향상할 수 있는 요소이다. 본 연구는 부식을 방지하기 위해 PR 스트립 공정 조건 및 후속 세정 조건을 최적화함으로써 금속 배선 식각 후 염소 잔유물과 플라즈마 charge up을 제거해야 함을 제안 하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Al-Cu alloy has been used as a circuit material for its low resistance and ease to process for long years at CMOS technology. However, basically metal is very susceptible to corrosion and which has been a long pending trouble in various fields using metal. The defect causes the reliability concerns, so improved methods are necessary to reduce the defect. In the various corrosion parameters, PR strip process conditions after metal etch and optimal cleaning solutions are controllable and increase the process margin to prevent the metal corrosion. This study proposes that chlorine residue after metal etch as the source of metal corrosion, and charges should be removed by optimizing PR strip process condition and cleaning condition.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문에서는 금속 부식에 가장 치명적인 영향을 주는 제조 공정인 금속 식각 후 PR 스트립 및 그 후처리 세정 공정에서 부식에 영향을 주는 인자를 도출함은 물론, 이를 제어하기 위한 평가결과와 해법을 제시하도록 한다.
본 논문에서는 시스템 IC 칩의 신뢰성과 품질의 중요성이 더욱 강화된 금속 배선 식각공정 안정성 중, 가장 이슈가 되고 있는 문제 중의 하나인 부식의 저항성 확보를 위한 금속 식각 후 PR 스트립 및 후속 세정 공정평가를 통해 최적의 공정조건을 도출하였다. 금속 배선 회로 형성을 위한 제조과정에서 부식은 금속 식각 후 PR 스트립 및 세정 조건에 극히 민감한 영향을 받는다.

제안 방법

포토리소그래피 공정은 다음과 같은 과정을 통하여 진행되었다. 9300Å두께의 PR SR540을 도포하고, 110℃로 베이크 한 후 248nm의 KrF 파장을 이용하는 스테퍼로 노광을 진행하여, 110℃로 추가 베이크하고, 현상처리를 통해 필요 없는 PR을 제거하였다. 마지막으로 120℃의 베이크를 통하여 최소 선폭을 0.
마지막으로 120℃의 베이크를 통하여 최소 선폭을 0.18μm 테크놀러지의 0.2μm로 구현 하였다.
그림 3은 금속 배선 식각 직후 주사 전자현미경으로 관찰된 금속 배선의 모양을나타내었다. 부식 평가는 이러한 상태에서 PR 스트립과 세정이 진행되는 과정에서 실시되었으며, 부식의 주요 원인이 되는 염소농도 감소, 플라즈마 charge up감소를 위한 최적조건 도출의 방법으로 진행 되었다.
PR 스트립공정에서 영향을 주는 부식은 식각 부산물에 잔존하는 염소에 의한 Al부식과 금속 배선에 분포하는 charge up으로 인한 후속 세정에서의 galvanic 부식으로 구분할 수 있다. 우선, PR 스트립공정에서 각 조건 파라미터 변경에 따른 염소농도를 PR 스트립 후 비교하였으며, 이를 통해 염소농도를 최소화하기 위한 각 공정 조건별 최적 조건을 검증하였다.
8)으로 제거하는 단계, 다시 H₂O로 화학약품을 제거하는 단계, 마지막으로 웨이퍼를 건조하는 단계로 구성되어 있다. 이 과정에서 각 단계별 조건 변화에 따른 부식 경향 및 그 발생 매캐니즘을 분석 하였다.
이와 같은 부식 개선 평가 실험을 위하여 식각 부산물을 제거하는 화학 약품뿐만 아니라 순수 세정 및 후속 웨이퍼 건조 조건에 따른 영향을 평가하였으며, 주사 전자현미경과 KLA2138를 이용하여 그 효과를 검증하였다.

대상 데이터

Al-Cu 합금 증착 전 Ti를 100Å으로 증착하고 실제 금속 배선 역할을 하는 물질로서 Al-Cu 합금(Cu: 0.5%)을 스퍼터링 방식으로 350℃ 상태에서 4000Å 증착하였다. 다음으로 역시 Ti를 50Å을 증착 하는데 이때 Ti는 금속 배선의 전자이탈 억제가 목적이다.
본 실험에서는 비저항이 9～12 Ω㎝이고 결정면이(100)인 P형 실리콘 웨이퍼를 사용하였고, 부식을 평가하기 위해 다음과 같이 시료를 제작하였다.

성능/효과

1) 화학약품 처리 전 사전 H₂O 세정 : 화학약품 처리 전 H₂O로 세정하는 단계로 처리 시간이 증가할수록 금속 배선인 Al-Cu 합금과 접촉하는 그림 5와 같은 W 부식이 급격히 감소하였다. 특히, 이 불량은 웨이퍼 내에서 환형 형태의 불량으로 나타났으며, 상기 개선 항목을 적용함으로써, 특정 제품에서 수율 10% 이상의 향상효과를 나타내었다.
2) 화학약품처리: 실질적인식각부산물을제거하는 화학 약품 처리 단계에서는 그 처리 시간이 증가할수록 염소 침입형 부식이 급증하는 경향을 보였다. 그림 7은 화학 약품 처리 시간에 따른 부식경향을 KLA에서 측정한 웨이퍼 분포 변화를 보여준다.
3) 화학약품 처리 후 H₂O 린스처리 : 화학약품 처리로 부산물을 모두 제거 후 웨이퍼를 다시 H₂O로 세정하여 화학약품을 제거하는데, 이때의 처리 시간이 증가할수록 그림 8과 같이 Al-Cu 합금의 부식이 급격히 증가하였다. 이는 전해질 내에서 금속 합금 내 less noble metal인 Al로부터 more noble metal인 Cu로 galvanic 전류가 흐르면서 발생하는데, 전해질인 순수 내에 오래 담길수록 부식 발생 환경이 오래 지속되므로 취약해 질 수 밖에 없으며, 이는 화학약품 종류에 상관없이 동일하게 적용 된다[9-10].
4) 웨이퍼 건조 단계 : 세정 후 웨이퍼를 건조하는 단계로처리시간이길어질수록표1과같이염소침입성의부식발생이 감소한다. 이는 웨이퍼 상에 습도의 제거효율을 극대화함으로써 잔류하는 Cl-와의 반응을 억제, Cl- 침입성 부식을 제어하는 방안이다 [11-13].
또한, H₂O 증기는 금속 배선에 분포하는 전하를 제거하는데 효과적이기 때문에 증기양이나 처리 시간을 늘리면, 금속 배선의 galvanic 부식과 W plug 부식을 효과적으로 제어 할 수 있다. 또한 A세정의 경우는 화학약품 처리 시간을 부산물 제거에 필요한 최소한의 시간으로 하고 H₂O 린스 처리시간은 짧고 건조 시간은 길게 설정하는 것이 바람직함을 확인하였다.
또한 염소 잔류량은 H₂O량과 처리 시간이 증가할수록 감소경향을보였다. 이는 고온의 H₂O 증기가 PR 스트립 및 탄소가 다량 포함된 식각 부산물 제거효율에 촉매 역할을 하기 때문이다.
[6]. 전체적으로 염소농도를 감소하고자 하는 방향이 H₂O 증기량 증가와 처리시간 증가이며, 이는 금속의 전하를 제거하는데 바람직한 방향이므로, W 부식 제어에 있어서도 효과적인 방향인 것으로 판단된다.
O로 세정하는 단계로 처리 시간이 증가할수록 금속 배선인 Al-Cu 합금과 접촉하는 그림 5와 같은 W 부식이 급격히 감소하였다. 특히, 이 불량은 웨이퍼 내에서 환형 형태의 불량으로 나타났으며, 상기 개선 항목을 적용함으로써, 특정 제품에서 수율 10% 이상의 향상효과를 나타내었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	금속 배선으로 가장 널리 사용되고 있는 재료는?	금속 배선으로 가장 널리 사용되고 있는 재료는 Al-Cu 합금이다. Cu는 금속 배선의 기계적인 강도를 증가시켜 줄 뿐만 아니라, 전자이탈(electro- migration)을 제어하는효과가있으며, 고온어닐링 진행시 hill lock발생을 억제해 주는 효과가 있기 때문이다.
	Al-Cu 합금 배선에서 Cu를 함유한 이유는?	금속 배선으로 가장 널리 사용되고 있는 재료는 Al-Cu 합금이다. Cu는 금속 배선의 기계적인 강도를 증가시켜 줄 뿐만 아니라, 전자이탈(electro- migration)을 제어하는효과가있으며, 고온어닐링 진행시 hill lock발생을 억제해 주는 효과가 있기 때문이다. 이를 제어하기 위한 또 하나의 가장 일반적인 방법으로 그림 1과 같이 Al 위, 아래에 Ti를 증착함으로써 TiAl 화합물을 형성하는 방법을 사용한다.
	포토리소그래피 공정 과정은?	포토리소그래피 공정은 다음과 같은 과정을 통하여 진행되었다. 9300Å두께의 PR SR540을 도포하고, 110℃로 베이크 한 후 248nm의 KrF 파장을 이용하는 스테퍼로 노광을 진행하여, 110℃로 추가 베이크하고, 현상처리를 통해 필요 없는 PR을 제거하였다. 마지막으로 120℃의 베이크를 통하여 최소 선폭을 0.18㎛ 테크놀러지의 0.2㎛로 구현 하였다. 포토리소그래피 공정이 완료되면, 실질적인 금속 회로를 구성하는 식각 공정이 진행된다.

참고문헌 (13)

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상세보기
Belous, V.A., Nosov, G.I."The Effect of Argon Ion Implantation on the Corrosion Resistance of Zirconium" ISDEIV. XVIIIth Intern. Symp., pp. 634-636, 1998
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Abbott, W.H., "The Corrosion of Copper and Porous Gold in Flowing Mixed Gas Enviroments" Thirty Fifth Meeting of the IEEE Holm Conf., pp. 141-146, 1989
Barton, T.F., Tuck, D.I., Wells, D.B., "The Identification of Pitting and Crevice Corrosion Usin호 a Neural network" First New Zealand Int. Two-Stream Conf., pp.325-326, 1993

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

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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