초록 ▼

현재의 반도체공정에서 배선금속으로 쓰이고 있는 Al-Cu 합금은배선재료로서 근본적인 문제들 (비교적 높은 비저항, 낮은 녹는점, electromigration에 대한낮은 저항성 등) 로 인하여 ULSI 시대의 배선재료로서 관심을 모으는 Cu에 대한 연구를하게 되었다. Cu는 낮은 비저항 (1.67μΩ-cm)을 갖고 Al보다 녹는점이 높으며(1084℃),electromigration 및 stress migration에 대한 큰 저항성을 갖고 있다. 이러한 장점에도 불구하고, Cu는 SiO2와의 밀착력이 나쁘며, 실리콘과

현재의 반도체공정에서 배선금속으로 쓰이고 있는 Al-Cu 합금은배선재료로서 근본적인 문제들 (비교적 높은 비저항, 낮은 녹는점, electromigration에 대한낮은 저항성 등) 로 인하여 ULSI 시대의 배선재료로서 관심을 모으는 Cu에 대한 연구를하게 되었다. Cu는 낮은 비저항 (1.67μΩ-cm)을 갖고 Al보다 녹는점이 높으며(1084℃),electromigration 및 stress migration에 대한 큰 저항성을 갖고 있다. 이러한 장점에도 불구하고, Cu는 SiO2와의 밀착력이 나쁘며, 실리콘과의 반응성이 크고 실리콘내 높은 확산속도를 가지며, 실리콘 내부로 확산시 'deep trap'을 형성하며, 식각의 어려움 등의 문제점으로 아직 Cu를 배선재료로서 사용하는 데에는 풀어야 할 많은 어려움이 있다. 특히 실리콘과 Cu간의 반응을 방지하기 위해서는 Cu와 Si사이에 확산방지막이 필요하며, 확산방지막으로는 전기전도성과 열적 안정성, 외부원자의 확산방지능력 등의 이유로 Ti, Ta, W과 같은transition metal이 연구되어져 왔다.본 실험에서는 transition metal의 한 원소인 molybdenum과 이 원소의 실리사이드 및실리콘 nitride를 확산방지막으로 택하여 실험하였다. Molybdenum은 높은 융점을 갖고우수한 열적 안정성과 비교적 낮은 비저항을 가지며 고온에서 Cu와 반응하지 않는 특성을지니고 있어 확산방지막으로 유력하다. 또한 실리콘과의 열팽창계수차이도 확산방지막 연구대상물질중 하나인 Ta과 W보다는 적어 stress도 또한 적을 것으로 예상되고 Mo-실리사이드는 비정질구조로 증착되어 결정립계를 통한 빠른 확산을 방지할 것으로 예상되며 질소의 첨가는 결정화후 결정립계에 채워져 Cu와 Si의 상호확산을 막을 것으로 예측된다. 따라서 본 연구에서는 이 Mo화합물에 대한 확산방지막으로서의 연구를 열처리온도를 변수로하여 magnetron sputtering 방법에 의해 증착한 Mo-(N) 및 Mo-Si-(N) 박막의 확산방지막으로서의 특성을 조사하였고 이를 XRD, 면저항측정, SEM, RBS, XPS등을 이용하여 분석하였다. 이와 함께 실제 소자제조 공정에 적용되기 위해서 확산방지막이 가져야 할 조건중의 하나인 건식식각특성을 조사하기 위하여 2차년도에는 차세대 반도체소자 식각장비로연구되고 있는 유도결합형 플라즈마 식각장비 (ICP)를 통한 이들 Mo 화합물의 식각실험도수행하였다. 본 실험에서 조사된 Mo 화합물 확산방지막들중 가장 우수한 특성을 지닌 것은 Mo-Si-N(20%)로서 700℃에서 확산방지막의 특성을 잃었고 Cl2+O2 플라즈마에 의해800Å/min 의 식각속도를 보였다.이 연구를 통하여 실제 반도체 공정에 적용시 발생되는 확산방지막의 특성 및 문제점을 이해할 수 있으며, 차세대 반도체 집적회로에 사용가능한 배선금속의 확산방지막재료에대한 기반기술 확립에 도움을 줄 것으로 기대된다.

Abstract ▼

Al-Cu alloy which is used for metallization of the currentsilicon integrated circuits can not meet the requirements for the next generationintegrated circuits due to the problems such as relatively high resistivity, low meltingpoint, low resistance to electromigration, etc., theref

Al-Cu alloy which is used for metallization of the currentsilicon integrated circuits can not meet the requirements for the next generationintegrated circuits due to the problems such as relatively high resistivity, low meltingpoint, low resistance to electromigration, etc., therefore, other metal such as Cu isstudied as the material for the next generation metallization. Cu possesses lowerresistivity (1.67μΩ-cm), higher melting point (1084℃), and higher resistance toelectromigration and stress migration compared to Au alloys. However, Cu hasdifferent problems such as bad adhesion on SiO2, high reactivity with silicon, highdiffusivity to silicon, and difficulty in patterning. Especially to prevent the reaction ofCu with silicon, diffusion barrier material is required between Cu and silicon, andcurrently transition materials such as Ta, Ti, and W are widely studied.In this experiment, Mo which is one of the transition metal, its silicide, and itssilicon nitride were studied as diffusion barrier materials. Due to the high meltingpoint, high thermal stability, relatively low resistivity, and low reacitivity with Cu at ahigh temperature, Mo and its compound can be a excellent candidate for the diffusionbarrier material between Cu and silicon. In this experiment, Mo, Mo-N, Mo-Si, andMo-Si-N were deposited using DC reactive magnetron sputtering, and its diffusionbarrier properties were investigated. To study the physical properties of the Mocompounds, XRD, sheet resistance, SEM, RBS, and XPS were used. To investigatethe etch properties of these compound, inductively coupled plasmas were used and itsetch characteristics were studied. Among the investigated Mo compounds,Mo-Si-N(20%) showed the best diffusion barrier properties which can prevent thediffusion between Cu and silicon at 700℃ for 30min. Also the etch rate was as highas 800Å/min with Cl2/O2 plasmas.From this experiment, characteristics and problems of diffusion barrier materialsapplied to the next generation silicon integrated circuits could be understood, and webeliee that the results obtained from our study on Mo compounds as diffusion barriermatierals can be used as an important reference in selecting a diffusion barrier materialfor the metallization of the next generation integrated circuits.

목차 Contents

• 목 차...6
• 1. 서론...7
• 2. 이론 및 연구 방법...8
• 2.1 이론...8
• 2.2 연구방법...17
• 3. 결과 및 고찰...21
• 3.1 Mo 화합물 / Si...21
• 3.2 Cu/ Mo화합물 / Si...25
• 3.3 식각 특성...37
• 4. 결론...40
• 4.1 Mo 화합물의 확산방지막으로서의 특성...40
• 4.2 Mo 화합물의 식각특성...40
• 5. 인용문헌...41
• 연구수행관련 논문발표목록서...43
• 자체평가서...44