Mo-Ti 합금 접착층을 통한 유연 기판 위 구리 배선의 기계적 신뢰성 향상 연구 Bending Fatigue Reliability Improvements of Cu Interconnects on Flexible Substrates through Mo-Ti Alloy Adhesion Layer원문보기
유연 기판에 증착된 구리 박막과 구리 배선의 기계적 피로 현상에 대해 조사하고, 몰리브덴-티타늄 합금 접착 층을 이용해 피로 신뢰성을 향상시키는 연구를 진행하였다. 구리 배선의 경우 구리 박막에 비해 인장 굽힘 피로수명이 약 3배, 압축 굽힘 피로수명은 약 6배 가량 감소하는 것으로 측정되었으며, 기계적 균열 생성에 의한 파괴가 더욱 치명적으로 작용할 수 있다. 몰리브덴-티타늄 접착층이 있을 경우, 구리 배선의 피로수명이 인장과 압축 굽힘 조건 모두 향상되는 결과를 나타냈으며, 이는 접착층에 의한 계면 접착력 상승 효과와 더불어 구리층의 미끄럼 현상을 억제했기 때문으로 추측된다.
유연 기판에 증착된 구리 박막과 구리 배선의 기계적 피로 현상에 대해 조사하고, 몰리브덴-티타늄 합금 접착 층을 이용해 피로 신뢰성을 향상시키는 연구를 진행하였다. 구리 배선의 경우 구리 박막에 비해 인장 굽힘 피로수명이 약 3배, 압축 굽힘 피로수명은 약 6배 가량 감소하는 것으로 측정되었으며, 기계적 균열 생성에 의한 파괴가 더욱 치명적으로 작용할 수 있다. 몰리브덴-티타늄 접착층이 있을 경우, 구리 배선의 피로수명이 인장과 압축 굽힘 조건 모두 향상되는 결과를 나타냈으며, 이는 접착층에 의한 계면 접착력 상승 효과와 더불어 구리층의 미끄럼 현상을 억제했기 때문으로 추측된다.
Bending fatigue characteristics of Cu films and $8{\mu}m$ width Cu interconnects on flexible substrates were investigated, and fatigue reliability improvement was achieved through Mo-Ti alloy adhesion layer. Tensile bending fatigue reliability of Cu interconnects is 3 times lower than tha...
Bending fatigue characteristics of Cu films and $8{\mu}m$ width Cu interconnects on flexible substrates were investigated, and fatigue reliability improvement was achieved through Mo-Ti alloy adhesion layer. Tensile bending fatigue reliability of Cu interconnects is 3 times lower than that of Cu films, and even compressive bending fatigue reliability of Cu interconnects is 6 times lower than that of Cu films. From these results, mechanical crack formation could be fatal in Cu interconnects. With Mo-Ti adhesion layer, fatigue reliability of Cu films and interconnects were enhanced due to the increase of adhesion strength and the suppression of slip induced crack initiation.
Bending fatigue characteristics of Cu films and $8{\mu}m$ width Cu interconnects on flexible substrates were investigated, and fatigue reliability improvement was achieved through Mo-Ti alloy adhesion layer. Tensile bending fatigue reliability of Cu interconnects is 3 times lower than that of Cu films, and even compressive bending fatigue reliability of Cu interconnects is 6 times lower than that of Cu films. From these results, mechanical crack formation could be fatal in Cu interconnects. With Mo-Ti adhesion layer, fatigue reliability of Cu films and interconnects were enhanced due to the increase of adhesion strength and the suppression of slip induced crack initiation.
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문제 정의
구리 배선 시편의 경우, 30개의 배선이 병렬적으로 연결된 구조를 적용하여 하나의 전기적 신호로부터 동시에 여러 개의 배선의 기계적 파괴를 관찰하였다.14) 구리 배선과 기판 사이에 기존 실리콘 소자 기반 공정에서 구리 확산방지 및 접착층으로 사용되었던 몰리브덴-티타늄 합금층을 증착함으로써 접착층 유무에 따라 기계적 피로 신뢰성이 어떤 차이가 발생하는지 연구하였다.15)
본 연구에서는 실시간 저항 측정을 통해 유연 기판 위에 증착된 구리 박막과 구리 배선의 반복 굽힘에 따른 피로 특성평가를 진행하고, 몰리브덴-티타늄 합금 접착층을 이용해 피로 신뢰성을 향상시키는 연구를 진행하였다. 구리 배선의 경우 병렬구조를 통해 동시에 여러 개의 배선의 신뢰성 평가를 동시에 진행하는 방안을 제시하였고, 이를 통해 통계처리에 필요한 적절한 파괴 시편 수를 확보하여 피로 수명을 정량적으로 계산하였다.
본 연구에서는, 이러한 다중 병렬라인 구조를 통해 여러 개의 구리 배선의 고장 수명을 동시에 측정할 수 있었다. 구리박막과 구리배선의 피로 수명을 로그정규분포 분석을 통해 계산하였으며,16) 그 누적 파괴 분포도를 Fig.
이에 본 연구에서는 식각 공정을 거치지 않은 구리 박막과 8 µm의 선폭을 갖는 구리 배선의 굽힘 피로 안정성에 대한 평가를 진행하였다.
가설 설정
저항의 증가는 구리 박막 및 배선에서 Fig. 2(a), (b) 그래프 내의 광학 이미지와 같이 굽힘 방향에 수직하게 발생하는 균열의 생성 및 성장과 연관이 있다.9,10) 저항 변화 그래프에서 구리 배선이 구리 박막에 비해 가장 큰 차이는 보이는 점은 바로 두드러진 저항변화이다.
제안 방법
압축 굽힘 피로의 수명이 향상되는 이유는 계면 접착력의 향상으로 추측된다. 구리 배선에서 발생한 기계적 균열의 형상을 관찰하기 위해서, 각 실험 조건에서 N50회만큼 반복 굽힘이 진행된 시편들을 주사전자현미경을 통해 관찰하였으며, 이를 Fig. 4에 나타내었다.
본 연구에서는 실시간 저항 측정을 통해 유연 기판 위에 증착된 구리 박막과 구리 배선의 반복 굽힘에 따른 피로 특성평가를 진행하고, 몰리브덴-티타늄 합금 접착층을 이용해 피로 신뢰성을 향상시키는 연구를 진행하였다. 구리 배선의 경우 병렬구조를 통해 동시에 여러 개의 배선의 신뢰성 평가를 동시에 진행하는 방안을 제시하였고, 이를 통해 통계처리에 필요한 적절한 파괴 시편 수를 확보하여 피로 수명을 정량적으로 계산하였다. 관찰된 기계적 균열의 평균 길이는 유한한 선폭을 가지는 구리 배선을 완전히 절단할 수 있을 정도로 큰 값을 가짐을 확인하였으며, 실제 배선으로 사용될 경우 균열 핵 생성이 소자의 수명에 치명적인 영향을 줄 수 있을 것으로 예상할 수 있다.
일반적으로 균열 닫힘 모드에 해당하는 압축 굽힘의 경우에도 불구하고 수명이 인장 굽힘에 비해 작게 나오는 이유는 구리 배선과 폴리이미드 기판 사이의 접착력 문제로 추정되며, 이는 추후 표면 파괴 분석을 통해 논의하고자 한다. 기계적 피로 신뢰성을 향상시키는 방안으로, 구리 박막 및 구리 배선과 폴리이미드 기판 사이에 몰리브덴-티타늄 합금을 접착층으로 활용하였을 때의 굽힘 피로 평가를 진행해 보았으며, 그 결과는 Fig. 3에 나타내었다.
이에 본 연구에서는 식각 공정을 거치지 않은 구리 박막과 8 µm의 선폭을 갖는 구리 배선의 굽힘 피로 안정성에 대한 평가를 진행하였다. 신뢰성 통계 처리 분석을 통해 구리 박막과 구리 배선의 피로 수명을 정량적으로 계산하였다. 구리 배선 시편의 경우, 30개의 배선이 병렬적으로 연결된 구조를 적용하여 하나의 전기적 신호로부터 동시에 여러 개의 배선의 기계적 파괴를 관찰하였다.
반복 굽힘의 경우 1% 의 변형율로 진행되었으며, 반복 횟수는 30만 번까지 진행하였다. 하부 플레이트 층이 반복적으로 이동하는 거리는 10 mm이며, 인장 조건과(구리층이 곡률반경 바깥쪽으로 위치) 압축 조건(구리 층이 곡률반경 안쪽으로 위치)에서 굽힘 피로시험을 진행하였다.
대상 데이터
구리 박막 및 배선의 두께는 200 nm 이며, 17 µm 두께의 폴리이미드 기판 위에 스퍼터로 증착하였다.
성능/효과
18) 실험 결과로부터 측정된 비율의 값은 2.71 로, 링클링에 의한 박막 박리현상임을 알 수 있으며, 이는 균열 간 간격이 일정한 것으로부터도 확인할 수 있다.
30만 번의 반복 인장 굽힘 뒤에 구리 박막에서 생성된 균열의 평균 성장 길이는 약 76.69 µm로, 8 µm 선폭을 가지는 구리 배선의 경우 완전히 파단이 나기에 충분한 성장 길이임을 알 수 있다.
구리 배선의 경우 병렬구조를 통해 동시에 여러 개의 배선의 신뢰성 평가를 동시에 진행하는 방안을 제시하였고, 이를 통해 통계처리에 필요한 적절한 파괴 시편 수를 확보하여 피로 수명을 정량적으로 계산하였다. 관찰된 기계적 균열의 평균 길이는 유한한 선폭을 가지는 구리 배선을 완전히 절단할 수 있을 정도로 큰 값을 가짐을 확인하였으며, 실제 배선으로 사용될 경우 균열 핵 생성이 소자의 수명에 치명적인 영향을 줄 수 있을 것으로 예상할 수 있다. 구리 배선의 인장 굽힘 피로 수명은 구리 박막에 비해 약 3배가량, 압축 굽힘에서는 7배가량 감소하여 압축 굽힘에서의 신뢰성 문제가 더 큰 결과를 얻을 수 있었다.
관찰된 기계적 균열의 평균 길이는 유한한 선폭을 가지는 구리 배선을 완전히 절단할 수 있을 정도로 큰 값을 가짐을 확인하였으며, 실제 배선으로 사용될 경우 균열 핵 생성이 소자의 수명에 치명적인 영향을 줄 수 있을 것으로 예상할 수 있다. 구리 배선의 인장 굽힘 피로 수명은 구리 박막에 비해 약 3배가량, 압축 굽힘에서는 7배가량 감소하여 압축 굽힘에서의 신뢰성 문제가 더 큰 결과를 얻을 수 있었다.
구리 박막 시편에서 보았듯이, 접착층이 있는 경우 압축 굽힘 피로의 수명이 크게 향상되는 결과를 구리 배선에서도 확인할 수 있었다. 몰리브덴-티타늄 접착층이 있는 구리 배선의 경우 피로 수명이 약 48,100회로, 접착층이 없는 구리 배선에 비해 약 11배가량 수명이 향상되는 결과를 얻을 수 있었다. 압축 굽힘 피로의 수명이 향상되는 이유는 계면 접착력의 향상으로 추측된다.
각 실험 조건별 N50값을 Table 1에 나타내었다. 몰리브덴-티타늄 합금 접착층이 있는 구리 박막의 경우 인장 굽힘의 피로 수명이 140,100회로, 접착층이 없는 박막에 비해 약 7배가량 수명이 증가하였으며, 압축 굽힘의 피로 시험의 경우에는 30만 번의 반복 굽힘이 진행되었음에도 저항이 증가하지 않는 결과를 얻을 수 있었다. 8 µm의 유한 선폭을 갖는 구리 배선의 경우 구리 박막만큼의 신뢰성 향상을 보이지는 않았다.
압축 굽힘의 파괴 거동은 취약한 계면 접착력으로부터 기인한 계면 박리로 볼 수 있었다. 몰리브덴-티타늄 합금층을 사용할 경우, 인장 및 압축 굽힘 피로 신뢰성이 모두 향상되는 것을 확인할 수 있었으며, 특히 압축 굽힘 시험에서는 박리현상이 억제되는 것을 전자현미경 촬영을 통해 확인하였으며 평균 수명이 약 11배가량 증가하는 결과를 얻을 수 있었다. 합금층 내부의 티타늄이 폴리이미드 기판과의 화학적 결합작용을 통해 접착력이 향상되었을 것으로 예상할 수 있으며, 그 외 구리와 티타늄 간의 계면 형성을 통한 구리의 미끄럼 현상 억제를 통해 기계적 신뢰성을 향상시켰을 것으로 생각할 수 있다.
위 결과로부터, 실제로 사용되는 배선이나 전극의 경우 그 규모에 의한 영향으로 기계적 균열에 의한 파괴가 더 치명적임을 알 수 있다. 구리 박막의 인장 굽힘과 압축 굽힘의 피로 수명은 어느 정도 유사한 값을 얻을 수 있었다.
구리 박막의 경우 반복 굽힘에 따라 저항변화가 연속적으로 이루어지는 것을 확인할 수 있지만, 구리 배선의 경우 계단 형태의 불연속적인 저항 변화가 관찰됨을 그래프로부터 확인할 수 있다. 이론적으로 30개의 배선 중 하나가 끊어지게 되면 전체 시편의 저항은 약 3%가량 증가하게 되며, 이는 그래프로 얻어진 실험적 결과와 어느 정도 일치함을 확인할 수 있었다. 이러한 결과로부터, 구리 배선에서 불연속적인 저항 변화가 관찰되는 이유는 병렬로 연결된 배선들이 하나씩 끊어지게 되면서 저항이 순간적으로 증가하는 것으로 생각할 수 있으며, 각각의 불연속점에 해당하는 굽힘 횟수가 각 배선의 피로 수명이라고 생각할 수 있다.
후속연구
그러나, 구리 배선의 경우 인장 굽힘의 피로 수명이 압축 굽힘의 피로 수명보다 두 배가량 크게 측정되었다. 일반적으로 균열 닫힘 모드에 해당하는 압축 굽힘의 경우에도 불구하고 수명이 인장 굽힘에 비해 작게 나오는 이유는 구리 배선과 폴리이미드 기판 사이의 접착력 문제로 추정되며, 이는 추후 표면 파괴 분석을 통해 논의하고자 한다. 기계적 피로 신뢰성을 향상시키는 방안으로, 구리 박막 및 구리 배선과 폴리이미드 기판 사이에 몰리브덴-티타늄 합금을 접착층으로 활용하였을 때의 굽힘 피로 평가를 진행해 보았으며, 그 결과는 Fig.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
몰리브덴-티타늄 접착층이 있는 구리 배선의 압축 굽힘 피로 결과가 기존 인장 결과의 파괴 형상과 비슷한 이유는?
4(d)로부터 확인할 수 있다. 이는 몰리브덴-티타늄 접착층이 구리 배선의 박리현 상을 억제하고, 미끄럼 현상 지연시켜 주었기 때문으로 생각할 수 있다. 티타늄은 폴리이미드 내에 존재하는 카르보닐기의 산소와 우선적인 결합을 이루는 것으로 이미 보고된 바 있으며, 니켈 또는 크롬층과 같은 원리를 통해 접착력을 향상시키는 것으로 알려져 있다.
구리 박막에서 파괴 발생 시점은 언제일 때로 정의하였는가?
2(d)에 나타내었다. 전체 중 50%의 시편이 고장이 나는 시점을 피로 수명 N 50 으로 정의하였으며, 구리 박막의 경우 파괴 발생 시점은 초기 대비 저항 증가가 3% 이상일 경우로 정의하였다. 구리 박막의 인장 굽힘 피로 수명의 경우 약 20,000번으로 측정되는데 비해, 구리 배선의 경우 약 6,000회로 측정되었다.
유연 전자소자의 단점은?
유연 디스플레이나 배터리, 입을 수 있는 컴퓨터, 전자 피부 등 다방면으로의 전자소자의 활용을 위한 굽히거나 접을 수 있는 전자소자 제작 기술의 수요가 꾸준히 증가 하고 있다.1-5) 유연 전자소자는 기계적 변형에 쉽게 노출되기 때문에, 전자소자의 성능을 제대로 발휘하기 위해서는 우선 전자소자 및 소재의 기계적 안정성에 대한 신뢰성 평가가 필요하다. 특히 전극이나 배선물질로 가장 자주 쓰이는 금속재료는 소자의 성능에 가장 직접적으로 영향을 미칠 수 있기 때문에, 유연성 기판 위에 올려진 금 속 박막의 기계적 신뢰성에 대한 이해가 필수적이다.
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