[논문]미세 Cu 배선 적용을 위한 SiNx/Co/Cu 박막구조에서 Co층이 계면 신뢰성에 미치는 영향 분석

이현철; 정민수; 김가희; 손기락; 박영배

doi:10.6117/kmeps.2020.27.3.041

[국내논문] 미세 Cu 배선 적용을 위한 SiNx/Co/Cu 박막구조에서 Co층이 계면 신뢰성에 미치는 영향 분석
Effect of Co Interlayer on the Interfacial Reliability of SiNx/Co/Cu Thin Film Structure for Advanced Cu Interconnects 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.27 no.3, 2020년, pp.41 - 47

이현철 ((주)제이셋스태츠칩팩코리아) , 정민수 ((주)앰코테크놀로지 코리아) , 김가희 (안동대학교 신소재공학부 청정에너지소재기술연구센터) , 손기락 (안동대학교 신소재공학부 청정에너지소재기술연구센터) , 박영배 (안동대학교 신소재공학부 청정에너지소재기술연구센터)

초록
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비메모리 반도체 미세 Cu배선의 전기적 신뢰성 향상을 위해 SiN_x 피복층(capping layer)과 Cu 배선 사이 50 nm 두께의 Co 박막층 삽입이 계면 신뢰성에 미치는 영향을 double-cantilever beam (DCB) 접착력 측정법으로 평가하였다. DCB 평가 결과 SiN_x/Cu 구조는 계면접착에너지가 0.90 J/㎡이었으나 SiN_x/Co/Cu 구조에서는 9.59 J/㎡으로 SiN_x/Cu 구조보다 약 10배 높게 측정되었다. 대기중에서 200℃, 24시간 동안 후속 열처리 진행한 결과 SiN_x/Cu 구조는 0.93 J/㎡으로 계면접착에너지의 변화가 거의 없는 것으로 확인되었으나 SiN_x/Co/Cu 구조에서는 2.41 J/㎡으로 열처리 전보다 크게 감소한 것을 확인하였다. X-선 광전자 분광법 분석 결과 SiN_x/Cu 도금층 사이에 Co를 증착 시킴으로써 SiN_x/Co 계면에 CoSi₂ 반응층이 형성되어 SiN_x/Co/Cu 구조의 계면접착에너지가 매우 높은 것으로 판단된다. 또한 대기중 고온에서 장시간 후속 열처리에 의해 SiN_x/Co 계면에 지속적으로 유입된 산소로 인한 Co 산화막 형성이 계면접착에너지 저하의 주요인으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

The effect of Co interlayer on the interfacial reliability of SiNx/Co/Cu thin film structure for advanced Cu interconnects was systematically evaluated by using a double cantilever beam test. The interfacial adhesion energy of the SiNx/Cu thin film structure was 0.90 J/㎡. This value of the SiNx/Co/Cu thin film structure increased to 9.59 J/㎡.Measured interfacial adhesion energy of SiNx/Co/Cu structure was around 10 times higher than SiNx/Cu structure due to CoSi2 reaction layer formation at SiNx/Co interface, which was confirmed by X-ray photoelectron spectroscopy analysis. The interfacial adhesion energy of SiNx/Co/Cu structure decreased sharply after post-annealing at 200℃ for 24 h due to Co oxidation at SiNx/Co interface. Therefore, it is required to control the CoO and Co3O4 formation during the environmental storage of the SiNx/Co/Cu thin film to achieve interfacial reliability for advanced Cu interconnections.

주제어

표/그림 (7)

그림 Fig. 1. Schematics of SiN_x/Co/Cu thin film multilayer sandwiched structure between Si wafers for DCB adhesion test.
그림 Fig. 2. The changes in interfacial adhesion energies of SiN_x/Cu and SiN_x/Co/Cu structures before and after post-annealing at 200°C for 24 h.
그림 Fig. 3. Optical microscope images, SEM images and EDS results of the delaminated upper and lower surfaces in (a) SiN_x/ Cu and (b) SiN_x/Co/Cu structures before and after post-annealing at 200°C for 24 h.
그림 Fig. 4. XPS wide-scan spectra of the delaminated SiN_x/Cu interfaces before and after post-annealing at 200°C for 24 h: (a) upper side and (b) lower side.
그림 Fig. 5. XPS wide-scan spectra of the delaminated SiN_x/Co interfaces after post-annealing at 200°C for 24 h: (a) upper side and (b) lower side.
그림 Fig. 6. XPS Gaussian peak fitting of Si 2p and Cu 2p peaks of the delaminated SiN_x/Cu interface before and after post-annealing at 200°C for 24 h: (a) upper side and (b) lower side.
그림 Fig. 7. XPS Gaussian peak fitting of Si 2p and Co 2p peaks of the delaminated SiN_x/Co interface after post-annealing at 200°C for 24 h: (a) upper side and (b) lower side.

AI 본문요약
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문제 정의

¹²⁾ 하지만 SiN x 피복층과 Cu 배선 사이 Co 박막 적용 유무 및 후속 열처리가 정량적인 계면접착에 너지에 미치는 영향 및 계면결합 기구 규명에 대한 체계 적인 연구는 거의 없는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 SiN_x 피복층과 Cu 박막 사이 50 nm Co 박막 적용 및 대기중 200℃, 24시간 후속 열처리가 계면접착에너지에 미치는 영향을 double cantilever beam (DCB) 실험을 통해 정량적으로 평가하고 파면에 대한 X-선 광전자 분광법 (X-ray photoelectron spectroscopy, XPS) 분석을 통해 그 원인을 규명하고자 하였다.

제안 방법

41 J/m² 으로 열처리 전보다 급격히 감소한 것을 확인할 수 있다. DCB 실험 후 SEM 및 EDS 장비를 통해 박리된 파면의 미세구조 관찰 및 조성을 분석 하였다. Fig.
DCB 실험을 위해 SiNx/Cu, SiNx/Co/Cu 구조의 웨이퍼와 100 nm 두께의 SiO2가 형성된 웨이퍼를 10 mm×40 mm 크기로 다이싱 한 후 에폭시 레진(Epo-Tek 353ND)을 도포하여 120℃에서 2시간 열처리를 진행하여 시편을 접합하였다.
이 때 도출된 계면접착에너지의 단위는 J/m² 이다. DCB 실험이 완료된 모든 시편은 주사전자현미경 (scanning electron microscope, SEM)과 에너지 분산형 분광기(energy dispersive spectroscopy, EDS)로 파면의 미세 구조 및 조성을 분석하였고, XPS를 통해 박리 경로 및 화학 결합에 대해 분석하였다.
그 후 스퍼터링 공정으로 30 nm의 Cu 씨앗층을 형성한 직후 Cu를 전해도금 진행한 후 CMP 공정으로 평탄화를 하여 최종적으로 1.5 µm 두께의 Cu 도금층을 형성하였다.
59 J/m 2 이상이라고 판단되며 SiN_x/Cu 구조에 Co 박막을 적용함으로써 계면접착에너지가 약 10배 이상 향상되었다. 그리고 SiN_x/Cu, SiN_x/Co/Cu 구조의 두 가지 시편 모두 대기 분위기에서 200℃, 24시간 동안 후속 열처리를 진행하였다. 24시간 후속 열처리 후 계면접착에너지 측정 결과 SiN_x/Cu 구조의 경우 열처리 전 0.
Co의 두께가 50 nm로 매우 얇기때문에 Co가 소량 검출되었으며 이로 인해 정확한 박리 경로 확인이 불가하였다. 따라서 정확한 박리경로 확인을 위해 파면에 대한 XPS 분석을 실시하였다. SiN_x/Cu와 SiN_x/Co/Cu 구조에서 박리된 상, 하부의 wide-scan spectra 결과를 Fig.
DCB 실험을 위해 SiN_x/Cu, SiN_x/Co/Cu 구조의 웨이퍼와 100 nm 두께의 SiO₂가 형성된 웨이퍼를 10 mm×40 mm 크기로 다이싱 한 후 에폭시 레진(Epo-Tek 353ND)을 도포하여 120℃에서 2시간 열처리를 진행하여 시편을 접합하였다. 접합시 초기 균열 진전을 유도하기 위해 약 5 mm 이상의 초기균열을 형성할수 있도록 에폭시 레진을 다이싱한 Si 웨이퍼의 3/4만큼만 도포하여 접합하였다. 접합 후 Fig.

대상 데이터

SiN_x 피복층과 Cu 박막 사이 Co 박막 유무 및 후속 열처리가 계면접착에너지에 미치는 영향을 평가하기 위해 SiN_x/Cu, SiN_x/Co/Cu 구조의 샌드위치 박막 시편을 Fig. 1과 같이 제작하였다. 시편은 웨이퍼 레벨 공정으로 제작 되었으며 725 µm 두께의 8인치 Si 웨이퍼에 tetraethyl orthosilicate를 이용한 화학 기상 증착(chemical vapor deposition, CVD) 공정으로 100 nm의 SiO₂를 형성하였다.
시편은 웨이퍼 레벨 공정으로 제작 되었으며 725 µm 두께의 8인치 Si 웨이퍼에 tetraethyl orthosilicate를 이용한 화학 기상 증착(chemical vapor deposition, CVD) 공정으로 100 nm의 SiO2를 형성하였다.

데이터처리

1과 같이 접착된 초기 균열을 생성한 부분의 Si 웨이퍼 양쪽에 접착제(DP-420)를 사용하여 로딩 탭(loading tap)을 접착시킨 후 80℃에서 30분간 경화하였다. 경화가 완료된 시편은 DCB 실험을 위해 Si 웨이퍼 양쪽에 접착시킨 로딩탭을 지그에 고정시킨 후 인장과 압축 모드를 반복적으로 진행하여 정량적인 계면접착에너지를 측정하였으며 시편의 표준편차를 확인하기 위해 각 조건당 5개의 샘플을 평가하여 평균값과 표준편차를 도출하였다.

이론/모형

비메모리 반도체의 미세 Cu배선 신뢰성 향상을 위해 SiN_x 피복층과 Cu 배선 사이에 Co 박막 적용 효과 및 후속 열처리 영향 평가를 위해 SiN_x 피복층/Cu 박막 계면에 대한 정량적 계면접착에너지를 DCB 평가법으로 측정하 였다. 50 nm 두께의 Co 박막을 증착한 SiN_x/Co/Cu 구조가 SiN_x/Cu 구조보다 계면접착에너지가 약 10배 높게 측정되었으며 이는 SiN_x 피복층/Co 사이 계면에 형성된 CoSi₂반응층이 강한 결합력을 가지는데 기인한 것으로 판단된다.

성능/효과

3에서 확인한 결과 Co 박막 유무 및 열처리에 상관없이 박리된 상, 하부 웨이퍼의 양 파면 모두 매끈한 표면 형상을 보였으며 Fig. 3(b)와 같이 열처리 전 SiN_x/Co/Cu 구조의 경우 광학 현미경으로 확인하였을 때상부 웨이퍼에는 DCB 실험을 위해 Si 웨이퍼에 도포한 에폭시 레진이 남아있었으며 하부 웨이퍼에는 SiN_x이 존재하는 것을 확인하였다. 에폭시 레진과 SiN_x 계면에서 박리되어 SEM 및 EDS 장비를 통해 박막 계면의 파면 분석을 진행할 수 없었다.
¹⁾ 하지만 Cu 배선을 형성하기 위해서는 기존의 Al 배선 식각 기술 적용이 어렵기 때문에 이중 상감공정(dual damascene process)이 개발되었다.¹⁾ 상감공정 중 화학적·기계적 연마(chemical-mechanical polishing, CMP) 후 외부에 노출된 Cu 도금층 표면은 후속 공정 중에 쉽게 산화될 수 있다.^2,3) 이에 따라 Cu 배선/상부 피복층(capping layer) 계면의 낮은 계면접착에너지로 인해 Cu 배선의 EM 및 SM 신뢰성이 매우 저하 된다고 보고되고 있다.
⁷⁾ 그리고 CoWP 박막 적용이 SiN_x , SiC 피복층을 적용하였을 때보다 향상된 EM과 TDDB의 높은 신뢰성을 가지며⁹⁾ Co 박막 두께에 따른 EM 신뢰성 향상 연구 결과 등, Co 및 CoWP 박막과 관련하여 많은 연구가 활발히 이루어지고 있다.¹⁰⁾ Cu 배선의 경우 EM 실험 시 표면으로 확산을 하여 보이드가 형성되며 Cu 배선에 CoWP 박막을 적용하였을 시 Co 박막의 확산에 대한 활성화 에너지가 높기 때문에 SiC, SiN_x 피복층을 적용한 경우보다 더 높은 계면접착에너지와 더 낮은 보이드 성장률을 가지며 EM 신뢰성 향상과 계면접착에너지 증가가 관련 있다는 연구결과를 확인 할 수 있었다.^7,8,11) 특히 Cu 배선에 Co 박막을 선택적으로 증착한 경우 EM 수명이 10배 이상 향상되었으며 Co 박막에 SiN x 피복층을 적용한 경우 Co 박막을 적용하지 않은 SiN x 피복층 구조보다 TDDB 신뢰성이 향상되었다는 연구 결과도 확인할 수 있었다.
6(a)와 7(a) 에 나타내었다.^15,16) SiN_x /Cu 구조의 상부 박리파면은 열처리 전부터 모두 SiO₂가 형성되었지만 SiN_x /Co/Cu 구조의 상부 박리파면에서는 Si, SiO₂, SiO_xN_y가 혼재하는 것을 확인하였다. 그러므로 SiN_x /Cu와 SiN_x /Co/Cu 구조의 상부 박리파면은 열처리 전부터 모두 산화가 진행된 것을 확인할 수 있다.
그리고 SiN_x/Cu, SiN_x/Co/Cu 구조의 두 가지 시편 모두 대기 분위기에서 200℃, 24시간 동안 후속 열처리를 진행하였다. 24시간 후속 열처리 후 계면접착에너지 측정 결과 SiN_x/Cu 구조의 경우 열처리 전 0.90 J/m²에서 24시간 후속 열처리후 0.93 J/m²으로 변화가 거의 없는것을 확인하였으며 SiN_x /Co/Cu 구조의 경우 열처리 전 9.59 J/m²에서 24시간 후속 열처리 후 2.41 J/m² 으로 열처리 전보다 급격히 감소한 것을 확인할 수 있다. DCB 실험 후 SEM 및 EDS 장비를 통해 박리된 파면의 미세구조 관찰 및 조성을 분석 하였다.
³⁾ 또한 Cu 박막 표면의 CuO의 품질 및 두께가 SiN_x 피복층과 Cu 배선의 계면접착에너지와 밀접한 연관이 있는 것으로 판단된다.³⁾ 기존의 연구결과에서 SiN_x의 경우 대기에서 10분, 3일, 1달 간 노출되었을 경우 10분만에 SiO₂가 급격하게 생기며 이 후 산화막이 점점 두꺼워진다고 보고하였으며,¹⁵⁾ 본 연구에서 SiO₂ , CuO 결합이 초기부터 생성된 것은 DCB 실험 시편 제작 시 Si 웨이퍼 접착과정 중 120 ℃에서 2시간 동안 대기에서 열처리하여 에폭시 레진을 경화시키는 과정에서 시편의 산화가 발생한 것으로 판단된다. Co 2p 피크의 경우 778.
기존 연구 결과에 따르면 CMP 공정 후표면처리 및 열 사이클에 따른 SiN_x 피복층과 Cu 박막 사이의 계면접착에너지 측정 결과 SiN_x 피복층과 Cu 박막 계면이 취약해지고 계면을 통한 산소 유입에 따른 Cu 산화층 증가로 계면접착에너지가 저하된다는 연구 결과도 보고되었다.³⁾ 또한 Cu 박막 표면의 CuO의 품질 및 두께가 SiN_x 피복층과 Cu 배선의 계면접착에너지와 밀접한 연관이 있는 것으로 판단된다.³⁾ 기존의 연구결과에서 SiN_x의 경우 대기에서 10분, 3일, 1달 간 노출되었을 경우 10분만에 SiO₂가 급격하게 생기며 이 후 산화막이 점점 두꺼워진다고 보고하였으며,¹⁵⁾ 본 연구에서 SiO₂ , CuO 결합이 초기부터 생성된 것은 DCB 실험 시편 제작 시 Si 웨이퍼 접착과정 중 120 ℃에서 2시간 동안 대기에서 열처리하여 에폭시 레진을 경화시키는 과정에서 시편의 산화가 발생한 것으로 판단된다.
피복층/Cu 박막 계면에 대한 정량적 계면접착에너지를 DCB 평가법으로 측정하 였다. 50 nm 두께의 Co 박막을 증착한 SiN_x/Co/Cu 구조가 SiN_x/Cu 구조보다 계면접착에너지가 약 10배 높게 측정되었으며 이는 SiN_x 피복층/Co 사이 계면에 형성된 CoSi₂반응층이 강한 결합력을 가지는데 기인한 것으로 판단된다. 대기중 200℃에서 24시간 동안 후속 열처리 진행한 결과 SiN_x/Cu 구조는 0.
¹⁰⁾ Cu 배선의 경우 EM 실험 시 표면으로 확산을 하여 보이드가 형성되며 Cu 배선에 CoWP 박막을 적용하였을 시 Co 박막의 확산에 대한 활성화 에너지가 높기 때문에 SiC, SiN_x 피복층을 적용한 경우보다 더 높은 계면접착에너지와 더 낮은 보이드 성장률을 가지며 EM 신뢰성 향상과 계면접착에너지 증가가 관련 있다는 연구결과를 확인 할 수 있었다.^7,8,11) 특히 Cu 배선에 Co 박막을 선택적으로 증착한 경우 EM 수명이 10배 이상 향상되었으며 Co 박막에 SiN x 피복층을 적용한 경우 Co 박막을 적용하지 않은 SiN x 피복층 구조보다 TDDB 신뢰성이 향상되었다는 연구 결과도 확인할 수 있었다.¹²⁾ 하지만 SiN x 피복층과 Cu 배선 사이 Co 박막 적용 유무 및 후속 열처리가 정량적인 계면접착에 너지에 미치는 영향 및 계면결합 기구 규명에 대한 체계 적인 연구는 거의 없는 실정이다.
2에 나타내었다. DCB실험 결과 접합 직후의 SiN_x/Cu 구조에서는 계면접착에너지가 0.90 J/m² 으로 평가되었다. Co 박막을 적용한 SiN_x/Co/Cu 구조에서는 9.
에폭시 레진과 SiN_x 계면에서 박리되어 SEM 및 EDS 장비를 통해 박막 계면의 파면 분석을 진행할 수 없었다. EDS 분석 결과 SiN_x/Cu 구조의 경우 열처리 전, 후 모두 상부 웨이퍼에는 Si, C 스펙트럼이 다량으로 검출되었고 N, O 스펙트럼이 소량으로 검출되었다. 하부 웨이퍼에서는 Cu 스펙트럼이 다량으로 검출되었고 C, O 스펙트럼이 소량으로 검출된 것으로 보아 SiN_x 와 Cu 계면에서 박리된 것으로 생각된다.
^15,16) SiN_x /Cu 구조의 상부 박리파면은 열처리 전부터 모두 SiO₂가 형성되었지만 SiN_x /Co/Cu 구조의 상부 박리파면에서는 Si, SiO₂, SiO_xN_y가 혼재하는 것을 확인하였다. 그러므로 SiN_x /Cu와 SiN_x /Co/Cu 구조의 상부 박리파면은 열처리 전부터 모두 산화가 진행된 것을 확인할 수 있다. 또한 SiN_x /Cu 구조의 하부 박리파면의 Cu 2p 피크는 932.
50 nm 두께의 Co 박막을 증착한 SiN_x/Co/Cu 구조가 SiN_x/Cu 구조보다 계면접착에너지가 약 10배 높게 측정되었으며 이는 SiN_x 피복층/Co 사이 계면에 형성된 CoSi₂반응층이 강한 결합력을 가지는데 기인한 것으로 판단된다. 대기중 200℃에서 24시간 동안 후속 열처리 진행한 결과 SiN_x/Cu 구조는 0.93 J/m²으로 계면접착에너지의 변화가 거의 없으나 SiN_x/Co/Cu 구조에서는 2.41 J/m²으로 열처리 전보다 매우 큰 폭으로 감소하였다. 이는 대기중 고온에서 장시간 열처리에 의해 SiN_x 피복층과 Co 박막 계면에 지속적으로 유입된 산소로 인한 Co산화막 형성이 주 요인인 것으로 판단된다.
59 J/m²으로 평가되었으나 에폭시 레진과 SiN_x 계면에서 박리가 발생하였다. 따라서 SiN_x/Co/ Cu 구조의 계면접착에너지는 최소한 9.59 J/m 2 이상이라고 판단되며 SiN_x/Cu 구조에 Co 박막을 적용함으로써 계면접착에너지가 약 10배 이상 향상되었다. 그리고 SiN_x/Cu, SiN_x/Co/Cu 구조의 두 가지 시편 모두 대기 분위기에서 200℃, 24시간 동안 후속 열처리를 진행하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Cu 배선에서 확산은 어디에서 지배적인가?	Cu 배선은 주로 입계에서 확산을 하는 Al 배선과 달리 표면에서 확산이 지배적으로 이루어진다. 그러므로 Cu 배선에 많이 상용화되고 있는 SiNx 피복층과 Cu 배선 사이의 낮은 계면접착에너지로 인해 확산이 용이하여 EM, 절연파괴(time dependent dielectric breakdown, TDDB) 신뢰성에 좋지 않은 영향을 미친다.
	Cu 배선의 전기적, 열적 신뢰성 문제를 개선시키기 위해 사용하는 합금원소는?	그러므로 Cu 배선에 많이 상용화되고 있는 SiNx 피복층과 Cu 배선 사이의 낮은 계면접착에너지로 인해 확산이 용이하여 EM, 절연파괴(time dependent dielectric breakdown, TDDB) 신뢰성에 좋지 않은 영향을 미친다. 이와 같이 Cu 배선의 전기적, 열적 신뢰성 문제를 개선시키기 위해 Al, Mn, Co, CoWP 등을 SiNx /Cu 계면 또는 합금으로 적용하여 전기적 신뢰성을 평가한 여러 기존 연구들이 보고되고 있다.6-12) Cu 배선에 CoWP 또는 Ta/TaN 박막을 적용할 경우 SiNx 또는 SiCx NyHz 피복층을 적용한 구조보다 Cu/ 피복층 계면에서의 확산이 감소하여 EM 수명이 증가한 결과도 보고되었다.
	상감공정 중 외부에 노출 된 Cu 도금층 표면은 후속 공정 중에 쉽게 산화되는데 이에 따른 문제점은?	1) 상감공정 중 화학적·기계적 연마(chemical-mechanical polishing, CMP) 후 외부에 노출된 Cu 도금층 표면은 후속 공정 중에 쉽게 산화될 수 있다.2,3) 이에 따라 Cu 배선/상부 피복층(capping layer) 계면의 낮은 계면접착에너지로 인해 Cu 배선의 EM 및 SM 신뢰성이 매우 저하 된다고 보고되고 있다.4,5) 이에 Cu CMP 공정 후 다양한 표면 처리를 통해 Cu 박막 표면의 결함, 산화, 또는 오염 층 등을 효과적으로 제거하면 Cu 배선과 상부 피복층 사이의 계면접착에너지가 증가하여 EM, SM 등 전기적 신뢰성이 향상 된다는 연구가 보고되었다.

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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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