다마신 구리 배선에서의 동적인 전기장에 따른 절연체 파괴거동을 연구하였다. DC, 단극성, 및 이극성 펄스 조건 중에서 절연체의 수명은 이극성 펄스 조건에서 가장 길었다. DC 및 단극성 펄스 조건에서는 절연체에 가해지는 전기장의 방향이 바뀌지 않지만 이극성 펄스 조건에서는 전기장의 방향이 반복적으로 180도 바뀌기 때문에, 이극성 펄스 조건에서는 절연체의 구리오염이 억제되고, 이로 인해서 절연체 수명이 이극성 펄스 조건에서 가장 긴 것으로 판단된다. 단극성 펄스 조건에서 펄스 주파수가 커질수록 DC 조건보다 절연체의 수명이 증가하였다. 이는 절연체 수명에 구리오염 뿐만 아니라 내재적인 절연파괴현상이 상당한 영향을 미치며, 절연체 분자결합파괴가 일어날 확률은 펄스 폭이 좁아질수록 감소한다고 판단된다.
다마신 구리 배선에서의 동적인 전기장에 따른 절연체 파괴거동을 연구하였다. DC, 단극성, 및 이극성 펄스 조건 중에서 절연체의 수명은 이극성 펄스 조건에서 가장 길었다. DC 및 단극성 펄스 조건에서는 절연체에 가해지는 전기장의 방향이 바뀌지 않지만 이극성 펄스 조건에서는 전기장의 방향이 반복적으로 180도 바뀌기 때문에, 이극성 펄스 조건에서는 절연체의 구리오염이 억제되고, 이로 인해서 절연체 수명이 이극성 펄스 조건에서 가장 긴 것으로 판단된다. 단극성 펄스 조건에서 펄스 주파수가 커질수록 DC 조건보다 절연체의 수명이 증가하였다. 이는 절연체 수명에 구리오염 뿐만 아니라 내재적인 절연파괴현상이 상당한 영향을 미치며, 절연체 분자결합파괴가 일어날 확률은 펄스 폭이 좁아질수록 감소한다고 판단된다.
Effect of dynamic electric fields on dielectric breakdown behavior in Cu damascene interconnects was investigated. Among the DC, unipolar, and bipolar pulse conditions, the longest dielectric lifetime is observed under the bipolar condition because backward Cu ion drift occurs when the direction of ...
Effect of dynamic electric fields on dielectric breakdown behavior in Cu damascene interconnects was investigated. Among the DC, unipolar, and bipolar pulse conditions, the longest dielectric lifetime is observed under the bipolar condition because backward Cu ion drift occurs when the direction of electric field is changed by 180 degrees and Cu contamination is prohibited as a results. Under the unipolar pulse condition, the dielectric lifetime increases as pulse frequency increases and it exceed the lifetime under DC condition. It suggests that the intrinsic breakdown of dielectrics significantly affect the dielectric breakdown in addition to Cu contamination. As the unipolar pulse width decreases, dielectric bond breakdown is more difficult to occur.
Effect of dynamic electric fields on dielectric breakdown behavior in Cu damascene interconnects was investigated. Among the DC, unipolar, and bipolar pulse conditions, the longest dielectric lifetime is observed under the bipolar condition because backward Cu ion drift occurs when the direction of electric field is changed by 180 degrees and Cu contamination is prohibited as a results. Under the unipolar pulse condition, the dielectric lifetime increases as pulse frequency increases and it exceed the lifetime under DC condition. It suggests that the intrinsic breakdown of dielectrics significantly affect the dielectric breakdown in addition to Cu contamination. As the unipolar pulse width decreases, dielectric bond breakdown is more difficult to occur.
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문제 정의
80 eV at 100 kHz). 이러한 결과는 주파수 증가에 따라 내재적 파괴기구의 영향이 줄어듦에 따라서 TDDB 파괴기구가 변화한다는 주장을 뒷받침한다.
가설 설정
분자결합의 쌍극자 모멘트의 방향과 전기장의 방향이 평행일 때 분자결합에는 인장응력이 가해진다.11) 인장응력을 받는 분자결합은 끊어질 확률이 높아지며, 끊어진 결합들이 절연물질 내 전도성 경로를 형성한다. 우리는 thermochemical 모델을 기반으로 절연체 수명에 미치는 단극성 펄스 주파수의 영향을 고찰하였다.
우선 hole injection은 10 MV/cm 이상의 전기장이 가해졌을 때 발생하는 impact ionization 혹은 electron tunneling 에 의해서 유발되는 현상이다.18) 시편의 절연체 두께와 물질에 가해지는 전기장의 크기를 고려한다면 impact ionization 혹은 electron tunneling 현상이 발생하기 어렵기 때문에 hole injection은 일어나기 어렵다고 판단된다. Thermochemical 모델은 전기장과 절연물질 내 극성결합인 분자와 전기장의 상호작용을 기반으로 정립되었다.
제안 방법
11) 우리는 TTF를 시편의 누설전류가 급격히 증가하여 10-5 A로 도달했을 때의 시간으로 정의하였다.12) 단극성 펄스조건에서는 전압을 가한 시간만을 합하여 TTF를 계산하였다. 절연체 파괴기구는 weakest link model을 따르기 때문에, TDDB 결과는 와이블통계를 따른다고 알려져 있다.
1(a)). TDDB 실험 시 전기장을 가하기 위해서 serpentine 배선에 전압을 가하고 comb 배선에는 접지를 시켰다. 펄스전기장 주파수는 1~100 kHz로 조절하였다.
TDDB 실험 중 구리오염 여부를 알아내기 위해서 TDDB 실험을 중단하고 시편을 ACE 장비에서 꺼낸 뒤 100℃의 온도에서, Triangular voltage sweep (TVS) 실험을 실시하였다.14) TDDB 실험 중단시간은 통계적으로 t63.
Ta/TaN 및 SiNX 박막을 각각 확산방지막과 캐핑층으로 사용하였다. TDDB 실험은 Qualitau 사의 ACE 장비를 사용하여 패키지 레벨에서 진행하였다. 환경온도는 150~225℃로 설정했으며, 4.
3. TVS tests for the devices after TDDB tests under the DC condition and the bipolar pulse condition. TDDB test condition is a temperature of 225℃, an electric field of 6.
동적인 전기장에 의한 다마신 구리 배선의 절연파괴현상을 연구하기 위해서 65 nm DRAM 메모리 공정에서 TDDB 시편을 제작하였다. Figure 1(a)는 TDDB 시편의 모식도를 나타낸다.
본 연구에서는 동적인 전기장 극성 조건 및 펄스 주파수, 전기장의 크기를 조절하는 것뿐만 아니라 환경온도를 조절하며 TDDB 실험을 진행하였다. 절연체 수명의 활성화에너지 도출을 통해서 TDDB기구가 변화하는 것을 예측하였다.
11) 인장응력을 받는 분자결합은 끊어질 확률이 높아지며, 끊어진 결합들이 절연물질 내 전도성 경로를 형성한다. 우리는 thermochemical 모델을 기반으로 절연체 수명에 미치는 단극성 펄스 주파수의 영향을 고찰하였다. Thermochemical 모델에 의하면 전기장이 가해졌을 때 인장응력에 의해서 결합길이가 늘어난 Si-O 분자들은 전기장이 가해지지 않으면 결합이 이완된다.
절연체 수명의 활성화에너지 도출을 통해서 TDDB기구가 변화하는 것을 예측하였다. 이를 이용하여 동적인 전기장 조건에 따라서 절연체 수명이 변화하는 원인을 고찰하였다.
대상 데이터
절연물질로 SiO2를 플라즈마 강화 화학적 기상증착(PECVD)법을 이용하여 증착하였다. Ta/TaN 및 SiNX 박막을 각각 확산방지막과 캐핑층으로 사용하였다. TDDB 실험은 Qualitau 사의 ACE 장비를 사용하여 패키지 레벨에서 진행하였다.
데이터처리
절연체 파괴기구는 weakest link model을 따르기 때문에, TDDB 결과는 와이블통계를 따른다고 알려져 있다.13) 그러므로 와이블통계처리를 통해서 63.2%의 시편이 파괴되는 시간(t63.2)을 TDDB 실험 조건에 따라 비교하였다.13)
이론/모형
TDDB 구조는 comb-serpentine 이며, 배선 간 거리는 100 nm이다. 절연물질로 SiO2를 플라즈마 강화 화학적 기상증착(PECVD)법을 이용하여 증착하였다. Ta/TaN 및 SiNX 박막을 각각 확산방지막과 캐핑층으로 사용하였다.
성능/효과
14) TDDB 실험 중단시간은 통계적으로 t63.2 의 반으로 설정하였다. TVS 실험은 Agilent 4156C parameter analyzer 장비를 이용하였다.
실체 반도체 소자에 가해지는 펄스 주파수는 수 MHz이다.3) 그러므로 비록 본 연구에서는 분자결합과 단극성 펄스 주파수의 물리적인 관계를 정확하게 규명하지 못했지만, DC 조건에서 TDDB 신뢰성 평가를 하는 것은 절연체의 수명을 과소평가하는 것이며 소자의 작동 펄스 주파수가 커질수록 절연체의 수명이 증가한다고 제시할 수 있다.
1(c)에 나타내었다. DC, 단극성, 및 이극성 펄스 조건에서 이극성 펄스조건에서의 절연체 수명(t63.2-Bi)이 가장 길었고, DC 조건에서의 절연체 수명(t63.2-DC)이 가장 짧았다.
다마신 구리배선에서 동적인 전기장에 의한 TDDB 현상변화 고찰을 통해서 다음과 같은 결론을 얻었다. DC, 이극성, 및 양극성 펄스 조건에서, SiO2 절연체의 신뢰성은 양극성 펄스 조건에서 가장 우수한 것으로 나타났다. DC 및 이극성 펄스 조건에서는 절연체에 가해지는 전기장의 방향이 일정하지만, 양극성 펄스 조건에서는 전기장의 방향이 번갈아 바뀌기 때문에 절연체로의 구리오염을 억제하기 때문이다.
그러므로 6.5 MV/cm 전기장 하에서 펄스주파수가 1 kHz일때의 TDDB 결과(t63.2-Bi > t63.2-Uni ~ t63.2-DC)는 구리 오염이 절연체 파괴에 상당한 영향을 미친다는 것을 의미한다.
그러므로 우리의 결과는 SiO2 절연물질의 신뢰성에 구리 오염뿐만 아니라 내재적 파괴가 상당한 영향을 미친다는 것을 제시한다. 또한 내재적 파괴가 발생할 확률은 단극성 펄스주파수 증가에 따라서 감소한다고 판단할 수 있다.
2 값을 Arrhenius plot한 결과를 나타낸다. 단극성 주파수가 증가할수록 활성화 에너지 값은 감소하는 추세를 보였다. (1.
이는 절연체의 수명에 구리오염 현상뿐만 아니라 절연체의 내재적 파괴현상이 상당한 영향을 미치는 것을 의미한다. 또한 절연물질 내 분자결합 파괴가 일어난 확률은 펄스 폭이 줄어들수록 감소한다고 판단된다. 실체 반도체 소자에 가해지는 펄스 주파수는 수 MHz이다.
2(a)). 모든 환경온도 조건에서 이극성 펄스 조건에서 절연체의 수명이 가장 길었고, 단극성 펄스 조건 하에서의 절연체 수명(t63.2-Uni)이 DC 조건보다 비슷하지만 조금 더 긴 결과가 나왔다. DC, 단극성, 및 이극성 펄스조건에서의 활성화 에너지 값은 각각 1.
하지만 이극성 펄스 주파수가 1 kHz인 조건에서 TDDB 실험을 한 시편의 경우, TDDB 실험 시간이 80,000초가 넘었음에도 불구하고 TVS peak이 검출되지 않았다. 이 결과를 통해서 DC조건의 TDDB실험에서는 구리오염이 발생했지만, 이극성 펄스 조건에서는 구리오염이 거의 발생하지 않았다고 판단할 수 있다. 하지만 이전 연구결과에서는 TDDB 실험 시 구리오염이 발생한다면, 실험 도중에 시편의 누설전도도가 증가하는 경향을 보였지만12), 본 연구의 결과에서는 누설전류가 급격히 증가하는 현상만을 보였다(Fig.
DC 및 이극성 펄스 조건에서는 절연체에 가해지는 전기장의 방향이 일정하지만, 양극성 펄스 조건에서는 전기장의 방향이 번갈아 바뀌기 때문에 절연체로의 구리오염을 억제하기 때문이다. 이극성 펄스 조건에서 펄스주파수 크기가 특정 값을 넘어가면 DC 조건에서의 절연체 수명보다 증가하는 것으로 나타났다. 이는 절연체의 수명에 구리오염 현상뿐만 아니라 절연체의 내재적 파괴현상이 상당한 영향을 미치는 것을 의미한다.
59 eV 이다. 이러한 결과는 이극성 펄스 조건에서의 TDDB기구는 DC 및 단극성 펄스 조건에서의 TDDB 기구와 차이가 나고, DC 및 1 kHz의 단극성 펄스 조건에서는 TDDB 기구가 비슷함을 의미한다. 전기적 극성 조건에 따라 와이블 기울기(β)도 변화한다(Fig.
그러므로 본 연구의 다마신 구리배선에서 구리오염이 발생하더라도 SiO2로 침투하는 양이 시편의 누설전도도를 변화시킬 수 있을 만큼 많지 않다고 생각한다. 이러한 점은 본 연구의 TDDB 기구는 구리오염뿐만 아니라 절연물질의 내재적인 파괴가 절연체의 수명에 영향을 미친다는 것을 내포한다.
본 연구에서는 동적인 전기장 극성 조건 및 펄스 주파수, 전기장의 크기를 조절하는 것뿐만 아니라 환경온도를 조절하며 TDDB 실험을 진행하였다. 절연체 수명의 활성화에너지 도출을 통해서 TDDB기구가 변화하는 것을 예측하였다. 이를 이용하여 동적인 전기장 조건에 따라서 절연체 수명이 변화하는 원인을 고찰하였다.
후속연구
β값은 절연파괴방식을 나타내기 때문에13), 극성 조건 및 온도에 따른 β변화를 분석하는 추가적인 연구를 할 필요가 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
내재적 파괴 기구에는 어떤 것들이 있는가?
내재적 파괴 기구는 크게 hole injection16)과 thermochemical 결합파괴11,17)로 나눌 수 있다. 우선 hole injection은 10 MV/cm 이상의 전기장이 가해졌을 때 발생하는 impact ionization 혹은 electron tunneling 에 의해서 유발되는 현상이다.
SiO2 절연체의 신뢰성이 양극성 펄스 조건일때 가장 우수한 이유는?
DC, 이극성, 및 양극성 펄스 조건에서, SiO2 절연체의 신뢰성은 양극성 펄스 조건에서 가장 우수한 것으로 나타났다. DC 및 이극성 펄스 조건에서는 절연체에 가해지는 전기장의 방향이 일정하지만, 양극성 펄스 조건에서는 전기장의 방향이 번갈아 바뀌기 때문에 절연체로의 구리오염을 억제하기 때문이다. 이극성 펄스 조건에서 펄스주파수 크기가 특정 값을 넘어가면 DC 조건에서의 절연체 수명보다 증가하는 것으로 나타났다.
hole injection이란?
내재적 파괴 기구는 크게 hole injection16)과 thermochemical 결합파괴11,17)로 나눌 수 있다. 우선 hole injection은 10 MV/cm 이상의 전기장이 가해졌을 때 발생하는 impact ionization 혹은 electron tunneling 에 의해서 유발되는 현상이다.18) 시편의 절연체 두께와 물질에 가해지는 전기장의 크기를 고려한다면 impact ionization 혹은 electron tunneling 현상이 발생하기 어렵기 때문에 hole injection은 일어나기 어렵다고 판단된다.
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