[논문]용액 교반이 Damascene 공정의 무전해 구리 도금에 미치는 영향

이주열; 김덕진; 김만

용액 교반이 Damascene 공정의 무전해 구리 도금에 미치는 영향
The Effect of Solution Agitation on the Electroless Cu deposition of Damascene Process 원문보기

이주열 (한국기계연구원 부설 재료연구소, 표면기술연구부) , 김덕진 (선문대학교, 재료금속공학과) , 김만 (한국기계연구원 부설 재료연구소, 표면기술연구부)

Damascene 공정을 이용하여 80nm급의 trench 패턴 내에 구리 배선 형성을 위해 무전해 구리 도금법을 이용하였다. 화학 반응으로 진행되는 무전해 도금법에 의한 구리이온의 초미세 패턴 내 환원 과정에 구리 이온의 물질 전달과정이 구리 도금층의 표면 특성과 superconformality에 미치는 영향을 살펴보았다. 회전 전극에 고정된 칩의 회전 속도가 증가함에 따라 구리 도금층의 비저항이 감소하고, trench 내 균일 도금성이 향상되는 것으로 나타났다.

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문제 정의

본 연구에서는 무전해 구리 도금 공정을 사용하여 80nm급의 trench 패턴 내에 superconformal copper filling을 형성하였으며, 이 과정에 무전해 구리 도금욕에 용해되어 있는 구리 이온의 물질 전달 방식, 즉 용액의 교반 속도가 무전해 도금의 표면 특성과 trench 내 충진 특성에 미치는 영향을 관찰하였다.

제안 방법

80nm급의 trench 내에 구리 배선을 위해 SiO2 substrate상에 barrier layer 및 seed layer 역할을 하는 NiB 층을 형성한 후, 무전해 도금법에 의해 구리 도금층을 균일하게 형성하였다. NiB 층 제조를 위해, SiO2 substrate를 SPM 용액 내에서 전처리를 한 후, adhesion layer로써 APTES SAM 층을 형성하였고, SAM 층 상부에 NiB 층을 무전해 도금법을 이용하여 10-15nm 두께로 균일하게 형성하였다.
80nm급의 trench 내에 구리 배선을 위해 SiO2 substrate상에 barrier layer 및 seed layer 역할을 하는 NiB 층을 형성한 후, 무전해 도금법에 의해 구리 도금층을 균일하게 형성하였다. NiB 층 제조를 위해, SiO2 substrate를 SPM 용액 내에서 전처리를 한 후, adhesion layer로써 APTES SAM 층을 형성하였고, SAM 층 상부에 NiB 층을 무전해 도금법을 이용하여 10-15nm 두께로 균일하게 형성하였다. 이후 NiB seed layer 상에 무전해 도금법으로 구리 도금층을 형성하기 위한 도금액 조성은 0.
구리 무전해 도금 과정의 전기화학적 특성을 관찰하기 위해 open circuit potential을 측정하였고, 구리 도금층의 전기적 특성은 비저항 측정으로 비교되었는데, 이를 위해 SiO2 substrate 상에 Cu layer를 sputtering 법으로 약 100nm 두께로 증착을 하였다. 그리고, trench 패턴 내 구리 배선 형성의 균일도는 FIB/FE-SEM을 이용하여 trench의 단면을 관찰하였다.
구리 무전해 도금 과정의 전기화학적 특성을 관찰하기 위해 open circuit potential을 측정하였고, 구리 도금층의 전기적 특성은 비저항 측정으로 비교되었는데, 이를 위해 SiO2 substrate 상에 Cu layer를 sputtering 법으로 약 100nm 두께로 증착을 하였다. 그리고, trench 패턴 내 구리 배선 형성의 균일도는 FIB/FE-SEM을 이용하여 trench의 단면을 관찰하였다.
무전해 구리 도금층의 전기적 특성을 4-probe를 사용하여 비저항을 측정하였다. 표 1에 나타난 바와 같이 용액 교반속도가 증가할수록 비저항값이 대체로 감소하는 경향을 보였으며, 이는 SEM으로 관찰된 표면 형상의 치밀성과 일치하는 결과를 나타내었다.
용액 교반이 구리 무전해 도금 과정에 미치는 영향을 관찰하기 위해 회전 전극의 회전 속도를 0-1000rpm 구간에서 변화시켰다.

대상 데이터

그림 2는 전극 회전 속도에 따른 구리 배선의 균일성을 FE-SEM으로 단면 측정한 결과다. 구리 배선의 균일 도금성을 관찰하기 위해 시편은 130-80nm 크기의 일련의 trench로 가공되었다. 무전해 도금 과정 중에 무교반 환경에서 형성된 구리 배선층은 trench 내부에 void와 같은 defect가 상당 부분 존재하였다.

성능/효과

구리 무전해 도금에 의한 80nm급 trench 내 금속 배선형성에 적절한 속도의 용액 교반이 효과적임을 발견하였다. 이는 전극 상의 물질 전달을 어느 정도 저해함으로써 증착 과정의 에너지를 요구함으로써, 치밀한 구조의 도금층이 형성되게 한 것으로 예상된다.
무전해 구리 도금층의 전기적 특성을 4-probe를 사용하여 비저항을 측정하였다. 표 1에 나타난 바와 같이 용액 교반속도가 증가할수록 비저항값이 대체로 감소하는 경향을 보였으며, 이는 SEM으로 관찰된 표면 형상의 치밀성과 일치하는 결과를 나타내었다.

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