후속열처리 및 고온고습 조건에 따른 Cu 배선 확산 방지층 적용을 위한 ALD RuAlO 박막의 계면접착에너지에 관한 연구 Effects of Post-annealing and Temperature/Humidity Conditions on the Interfacial Adhesion Energies of ALD RuAlO Diffusion Barrier Layer for Cu Interconnects원문보기
차세대 반도체의 초미세 Cu 배선 확산방지층 적용을 위해 원자층증착법(atomic layer deposition, ALD) 공정을 이용하여 증착한 RuAlO 확산방지층과 Cu 박막 계면의 계면접착에너지를 정량적으로 측정하였고, 환경 신뢰성 평가를 수행하였다. 접합 직후 4점굽힘시험으로 평가된 계면접착에너지는 약 $7.60J/m^2$으로 측정되었다. $85^{\circ}C$/85% 상대습도의 고온고습조건에서 500시간이 지난 후 측정된 계면접착에너지는 $5.65J/m^2$로 감소하였으나, $200^{\circ}C$에서 500시간 동안 후속 열처리한 후에는 $24.05J/m^2$으로 계면접착에너지가 크게 증가한 것으로 평가되었다. 4점굽힘시험 후 박리된 계면은 접합 직후와 고온고습조건의 시편의 경우 RuAlO/$SiO_2$ 계면이었고, 500시간 후속 열처리 조건에서는 Cu/RuAlO 계면인 것으로 확인되었다. X-선 광전자 분광법 분석 결과, 고온고습조건에서는 흡습으로 인하여 강한 Al-O-Si 계면 결합이 부분적으로 분리되어 계면접착에너지가 약간 낮아진 반면, 적절한 후속 열처리 조건에서는 효과적인 산소의 계면 유입으로 인하여 강한 Al-O-Si 결합이 크게 증가하여 계면접착에너지도 크게 증가한 것으로 판단된다. 따라서, ALD Ru 확산방지층에 비해 ALD RuAlO 확산방지층은 동시에 Cu 씨앗층 역할을 하면서도 전기적 및 기계적 신뢰성이 우수할 것으로 판단된다.
차세대 반도체의 초미세 Cu 배선 확산방지층 적용을 위해 원자층증착법(atomic layer deposition, ALD) 공정을 이용하여 증착한 RuAlO 확산방지층과 Cu 박막 계면의 계면접착에너지를 정량적으로 측정하였고, 환경 신뢰성 평가를 수행하였다. 접합 직후 4점굽힘시험으로 평가된 계면접착에너지는 약 $7.60J/m^2$으로 측정되었다. $85^{\circ}C$/85% 상대습도의 고온고습조건에서 500시간이 지난 후 측정된 계면접착에너지는 $5.65J/m^2$로 감소하였으나, $200^{\circ}C$에서 500시간 동안 후속 열처리한 후에는 $24.05J/m^2$으로 계면접착에너지가 크게 증가한 것으로 평가되었다. 4점굽힘시험 후 박리된 계면은 접합 직후와 고온고습조건의 시편의 경우 RuAlO/$SiO_2$ 계면이었고, 500시간 후속 열처리 조건에서는 Cu/RuAlO 계면인 것으로 확인되었다. X-선 광전자 분광법 분석 결과, 고온고습조건에서는 흡습으로 인하여 강한 Al-O-Si 계면 결합이 부분적으로 분리되어 계면접착에너지가 약간 낮아진 반면, 적절한 후속 열처리 조건에서는 효과적인 산소의 계면 유입으로 인하여 강한 Al-O-Si 결합이 크게 증가하여 계면접착에너지도 크게 증가한 것으로 판단된다. 따라서, ALD Ru 확산방지층에 비해 ALD RuAlO 확산방지층은 동시에 Cu 씨앗층 역할을 하면서도 전기적 및 기계적 신뢰성이 우수할 것으로 판단된다.
The effects of post-annealing and temperature/humidity conditions on the interfacial adhesion energies of atomic layer deposited RuAlO diffusion barrier layer for Cu interconnects were systematically investigated. The initial interfacial adhesion energy measured by four-point bending test was $...
The effects of post-annealing and temperature/humidity conditions on the interfacial adhesion energies of atomic layer deposited RuAlO diffusion barrier layer for Cu interconnects were systematically investigated. The initial interfacial adhesion energy measured by four-point bending test was $7.60J/m^2$. The interfacial adhesion energy decreased to $5.65J/m^2$ after 500 hrs at $85^{\circ}C$/85% T/H condition, while it increased to $24.05J/m^2$ after annealing at $200^{\circ}C$ for 500 hrs. The X-ray photoemission spectroscopy (XPS) analysis showed that delaminated interface was RuAlO/$SiO_2$ for as-bonded and T/H conditions, while it was Cu/RuAlO for post-annealing condition. XPS O1s peak separation results revealed that the effective generation of strong Al-O-Si bonds between $AlO_x$ and $SiO_2$ interface at optimum post-annealing conditions is responsible for enhanced interfacial adhesion energies between RuAlO/$SiO_2$ interface, which would lead to good electrical and mechanical reliabilities of atomic layer deposited RuAlO diffusion barrier for advanced Cu interconnects.
The effects of post-annealing and temperature/humidity conditions on the interfacial adhesion energies of atomic layer deposited RuAlO diffusion barrier layer for Cu interconnects were systematically investigated. The initial interfacial adhesion energy measured by four-point bending test was $7.60J/m^2$. The interfacial adhesion energy decreased to $5.65J/m^2$ after 500 hrs at $85^{\circ}C$/85% T/H condition, while it increased to $24.05J/m^2$ after annealing at $200^{\circ}C$ for 500 hrs. The X-ray photoemission spectroscopy (XPS) analysis showed that delaminated interface was RuAlO/$SiO_2$ for as-bonded and T/H conditions, while it was Cu/RuAlO for post-annealing condition. XPS O1s peak separation results revealed that the effective generation of strong Al-O-Si bonds between $AlO_x$ and $SiO_2$ interface at optimum post-annealing conditions is responsible for enhanced interfacial adhesion energies between RuAlO/$SiO_2$ interface, which would lead to good electrical and mechanical reliabilities of atomic layer deposited RuAlO diffusion barrier for advanced Cu interconnects.
14) 이를 극복하기 위해 Cu에 대한 확산방지층으로 사용되는 대표적인 전이금속들(Ta, W 등)에 비정질의 실리콘 질화막 또는 Al 질화막을 합성시켜 다결정/주상정 구조의 미세구조를 비정질 혹은 나노결정으로 변화시켜 Cu에 대한 확산방지층으로서의 성능을 향상시키고자 하는 연구도 보고되었다.15)이에 본 연구에서는, Cu의 전해도금을 위한 씨앗층으로서 우수한 특성을 보이는 Ru과 미세구조 관점에서 비정질 구조를 가지고 있어 Cu의 대해 우수한 확산방지층 성능을 가질 것으로 예상되는 Al 산화물(AlOx)의 합성을 통한 ALD RuAlO 박막을 형성시켜, 직접 전해 도금이 가능한 Cu 확산방지층으로서의 적용 가능성에 대해 계면신뢰성 관점에서 연구하였다. 확산방지층은 Cu 배선의 선폭 감소를 고려해 볼 때, 우수한 계단 도포성(step coverage)을 가져야 하는데, 이를 위해 RuAlO를 원자층 증착법(atomic layer deposition, ALD)을 이용하여 형성하였다.
제안 방법
16) 선행 연구에서 RuAlO의 비율에 따른 계면접착에너지를 평가한 결과, Ru과 AlOx를 40:6의 비율로 증착하였을 때 AlOx와 SiO2 사이에서 형성되는 Al-O-Si 결합이 증가하기 때문에 가장 높은 계면접착에너지를 갖는 것으로 확인되었다.5)이에 본 연구에서는 후속 고온 열처리 및 고온고습조건에 따른 Cu와 ALD RuAlO 확산방지층 계면의 정량적 계면접착에너지를 측정하였고, 파면에 대한 X-선 광전자 분광법 분석을 통해 계면결합 구조를 분석하였다.
대상 데이터
Ru을 증착하기 위한 ALD cycle (Ru sub-cycle)을 40 cycles 진행한 후, AlOx를 증착하기 위한 ALD cycles (AlOx subcycle)을 6 cycles 진행하는 것을 하나의 기본 super-cycle로 하여, 이러한 기본 super-cycle을 반복함으로써, 원하는 두께의 RuAlO 삼원계 박막을 원자층 증착법으로 형성시킬 수가 있었다. Ru막의 원자층 증착을 위한 선구체로서 C16H22Ru [(η6-1-isopropyl-4-methylbeenzene)(η4-cyclohexa-1,3-diene)Ruthenium]을 사용하였으며, Ru 선구체를 환원시키기 위한 반응체로서 O2 가스를 사용하였다. 또한 AlOx 막의 원자층 증착을 위한 전구체로는 Al(CH3)3(Trimethylaluminum, TMA)를 사용하였고 반응체로서 H2O를 사용하였으며, 모든 원자층 증착 공정 시 퍼지가스(purge gas)로는 99.
Ru막의 원자층 증착을 위한 선구체로서 C16H22Ru [(η6-1-isopropyl-4-methylbeenzene)(η4-cyclohexa-1,3-diene)Ruthenium]을 사용하였으며, Ru 선구체를 환원시키기 위한 반응체로서 O2 가스를 사용하였다. 또한 AlOx 막의 원자층 증착을 위한 전구체로는 Al(CH3)3(Trimethylaluminum, TMA)를 사용하였고 반응체로서 H2O를 사용하였으며, 모든 원자층 증착 공정 시 퍼지가스(purge gas)로는 99.9999% 순도의 N2 가스를 사용하였다. RuAlO의 원자층 증착 공정 방법은 기 보고된 연구에 자세히 나와 있다.
이론/모형
고온고습처리와 후속열처리가 각각 시편의 계면접착에너지에 미치는 영향을 확인하기 위해 고온고습처리는 85℃/85% 상대습도가 유지되는 항온항습 챔버에서 진행되었으며, 후속 열처리는 200℃의 고온에서 진행하였다. 제작된 시편을 고온고습과 후속 열처리 각각의 조건에서 24, 48, 100, 250, 500시간을 유지시키며, 각 분위기 및 시간에 따른 계면접착에너지를 평가하였다. 실험에 사용된 로드셀은 20 N, 로딩속도는 0.08 μm/s, 핀 간 거리는 5 mm로 설정하였으며, 인장시험기(LRX plus, Lloyd사)로 4점굽힘시험을 진행하였다. 4점굽힘시험은 단일 재료 내부에 균열이 진전할 때 필요한 에너지 해방률(G)을 선형파괴역학적 방법으로 측정하여 박막 간 계면접착에너지(또는 계면파괴인성치)를 측정하는 파괴역학 시험 방법이다.
성능/효과
반면, 적절한 후속 열처리 조건에서는, 공급되는 산소가 Al-O-Si 결합(cross-link bonds)을 생성하여, 계면접착에너지를 크게 향상시킨 것으로 판단된다. 따라서, ALD Ru 확산방지층에 비해 ALD RuAlO 확산방지층은 동시에 Cu 씨앗층 역할을 하면서도 전기적 및 기계적 신뢰성이 우수할 것으로 판단된다.
초미세 Cu 배선 확산방지층 적용을 위한 ALD RuAlO 확산방지층과 Cu 박막 계면의 계면접착에너지를 85℃/85% 고온고습 조건 및 200℃ 후속열처리 조건에 대해 4점굽힘시험으로 측정하였다. 접합 직후의 Cu/RuAlO 의 계면접착에너지는 약 7.60 J/m2이었고, 고온고습조건에서는 24시간 후 약간 감소한 후 500시간까지 거의 일정하게 5.65 J/m2 정도를 유지한 반면, 후속 열처리조건에서는 시간이 증가함에 따라 초반에 급격히 증가한 후, 100시간이후 500시간 까지는 약 24.05 J/m2의 높은 값을 유지하였다. 고온고습조건에서 다소 감소한 원인은 RuAlO/SiO2계면에 공급된 충분한 수분이 확산하여 계면의 안정된 Al-O-Si 화학결합을 방해하기 때문으로 생각된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
Ru의 특징은?
이렇게 제작된 Cu 배선 구조에서는 배선 선폭의 감소에 따라 배선의 저항이 증가하기 때문에 씨앗층(seed layer) 없이 Cu 직접 전해 도금이 가능한 확산방지층 증착법과 얇은 확산방지층을 형성할 수 있는 기술 개발은 고집적화 소자의 성능 향상을 위해 매우 중요하다.8-10) 확산방지층에 적용되는 재료 중, Ru은 2334℃의 융점과 ~7.1 μΩ-cm의 낮은 비저항을 가지며, Cu와의 접착력이 우수하기 때문에 씨앗층 없이 Cu를 도금할 수 있는 장점들로 인해 최근 많은 연구들이 이루어지고 있다.11-13) 하지만, Ru 박막은 증착 시에 다결정의 주상정 구조로 성장하여 Cu에 가장 짧은 확산 경로를 제공하기 때문에 확산방지층으로서 성능은 떨어진다는 연구결과가 보고되었다.
Ru 박막의 확산방지층으로 성능이 떨어지는 약점을 보완하기 위한 방법은?
11-13) 하지만, Ru 박막은 증착 시에 다결정의 주상정 구조로 성장하여 Cu에 가장 짧은 확산 경로를 제공하기 때문에 확산방지층으로서 성능은 떨어진다는 연구결과가 보고되었다.14) 이를 극복하기 위해 Cu에 대한 확산방지층으로 사용되는 대표적인 전이금속들(Ta, W 등)에 비정질의 실리콘 질화막 또는 Al 질화막을 합성시켜 다결정/주상정 구조의 미세구조를 비정질 혹은 나노결정으로 변화시켜 Cu에 대한 확산방지층으로서의 성능을 향상시키고자 하는 연구도 보고되었다.15) 이에 본 연구에서는, Cu의 전해도금을 위한 씨앗층으로서 우수한 특성을 보이는 Ru과 미세구조 관점에서 비정질 구조를 가지고 있어 Cu의 대해 우수한 확산방지층 성능을 가질 것으로 예상되는 Al 산화물(AlOx)의 합성을 통한 ALD RuAlO 박막을 형성시켜, 직접 전해 도금이 가능한 Cu 확산방지층으로서의 적용 가능성에 대해 계면신뢰성 관점에서 연구하였다.
Cu 배선을 결함 없이 형성하기 위해 어떤 공정을 이용하면 되는가?
특히, 배선 폭이 30nm 미만으로 감소하였을 때는 금속 배선에서의 신호 전달 속도는 전자 소자 전체의 속도를 느리게 하는 원인이 되는 것으로 보고되었다3) 신호 전달 속도를 증가시키기 위해 기존에 사용하던 Al에 비해 상대적으로 낮은 전기적 저항을 가지고 있으며 electromigration 현상에 대해 높은 저항을 가지고 있는 Cu를 금속 배선 재료로 대체하여 비메모리 소자 배선에 널리 사용하게 되었다.4-7) Cu 배선을 결함 없이 형성하기 위해, Al 배선 형성 공정과 달리 전해 도금으로 Cu를 증착하는 이중상감(dual damascene) 공정이 도입되었다. 하지만, Cu 배선을 형성하는 공정에서 Cu가 산화하거나 절연체로 확산하는 것을 막기 위해 피복층(capping layer)과 확산방지층(diffusion barrier layer)을 각각 형성해야 한다.
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