초록 ▼

IBM에서 1997년에 현재의 알루미늄 배선을 구리로 대체한다는 발표 후에 구리 도금에 대한 관심이 높아졌다. 구리는 알루미늄보다 전기전도도가 좋고 electromigration에 대한 내성이 우수하나 배선 형성이 어려워서 실용화되지 못 하였다. 그러나 Damascene 공정과 CMP 공정에 의하여 배선 형성이 가능해졌으며 구리 배선을 전기도금법을 이용하여 얻는다. 이때 전기 도금은 첨가제의 종류와 농도, 전류, 펄스를 조절함으로서 결함이 없는 구리 배선을 얻을 수 있다. 본 연구에서는 ULSI의 구리 배선에 응용할 수 있도록 첨가

IBM에서 1997년에 현재의 알루미늄 배선을 구리로 대체한다는 발표 후에 구리 도금에 대한 관심이 높아졌다. 구리는 알루미늄보다 전기전도도가 좋고 electromigration에 대한 내성이 우수하나 배선 형성이 어려워서 실용화되지 못 하였다. 그러나 Damascene 공정과 CMP 공정에 의하여 배선 형성이 가능해졌으며 구리 배선을 전기도금법을 이용하여 얻는다. 이때 전기 도금은 첨가제의 종류와 농도, 전류, 펄스를 조절함으로서 결함이 없는 구리 배선을 얻을 수 있다. 본 연구에서는 ULSI의 구리 배선에 응용할 수 있도록 첨가제와 조건을 변화시키면서 결함이 없는 구리 도금층을 얻으려 하였다. 도금층은 도금 조건에 따라 내부 응력과 기계적인 성질이 바뀌게 된다. 특히 잔류응력의 변화는 박막의 신뢰도와 전도도에도 직접 영향을 미치므로 잔류 응력을 측정하고 도금 조건을 변화시켜 도금층의 성능을 개선한다.
무전해 구리도금층은 도금층이 균일하고 전도도가 매우 낮아야 하므로 첨가제와 온도, pH등을 조절하여 최적의 조건을 얻었다. 무전해 도금은 barrier 층과 밀착력이 좋아야 하므로 밀착력을 향상 시킬 수 있는 표면 활성화 조건을 찾는다. 전해$\middot$무전해 도금법을 응용하여 MEMS의 미세 구조물을 전해?무전해 도금으로 제작하고 잔류응력과 기지 밀착성을 측정하여 신뢰도가 높은 MEMS 미세구조물을 얻는다. 1,2차년도의 전해 무전해 구리 도금 조건과 연구개발할 응력 및 기계적 특성의 측정법들을 이용하여 3차년도에는 구리 배선과 MEMS용 미세 구조물을 제작하였다. 실제 구조물 제작과 실험 조건, 잔류 응력과의 관계를 모두 고려하여 최적의 도금 공정 조건을 얻는다.
전해도금의 최적조건은 첨가제에 민감하게 반응하였다. 0.15M $CuSO_4$, 200ppmCl, 300ppm PEG, 5ppm MPSA 가 최적조건으로 나타났다. 펄스, 역펄스 도금을 한 경우 평활한 도금층을 얻을 수 있었다. 무전해도금은 5gpl Cu,, 10gpl HCHO, 40gpl EDTA, pH 12에서 최적의 도금이 이루어졌다. RDE와 혼합전위 이론을 이용하여 전해 무전해 도금의 속도론적 고찰을 하였다. 도금된 구리층의 부식특성을 측정하여 CMP 공정등에서 발생할 수 있는 부식조건에 대하여 연구하였다. 도금 조건 중 전류밀도와 첨가제등이 도금 된 구리박막의 잔류응력에 영향을 미친다는 게 판별되었다. 연구 결과 전류밀도가 15mA/$cm^2$ 이며 좀 더 많은 첨가제가 들어갔을 경우 다른 조건들 보다는 적은 잔류응력이 발생한다는 게 밝혀졌다. 이런 결과를 바탕으로 구리도금 된 마이크로 구조물을 제작하였다.

Abstract ▼

The attention on copper electroplating has been increased after IBM's announcement that aluminum interconnetions will be replaced by copper. Even copper shows higher electrical conductivity and higher electromigration resistance than aluminum, it had not been commercialized due to difficulties in me

The attention on copper electroplating has been increased after IBM's announcement that aluminum interconnetions will be replaced by copper. Even copper shows higher electrical conductivity and higher electromigration resistance than aluminum, it had not been commercialized due to difficulties in metallization process. However copper metallization is possible after combination of dual Damascine and CMP process. In this process copper is obtained by electroplating method. The defectless copper can be obtained by fine control of current, pulse, additives concentration. In this research copper is electrodeposited with varying bath conditions for the application of ULSI copper metallization. The residual stress and mechanical properties of deposits are changed with bath conditions. Especially residual stress affects on resistivity of copper deposits and then to obtain low resistivity relationship between bath condition/annealing and residual stress should be defined. Electroless copper plating is conducted to give conducting seed layer to electroplating copper. Electroless copper layer should be uniform and should have low resistivity. The stabilizer, pH and temperature should be precisely controlled to find optimum bath condition. Since electroless copper is deposited on barrier layer, adhesion of electroless copper on substrate is very important. The operating parameter and conditions of electro/electroless copper plating are also applied to MEMS to obtain very reliable microstructures. The goals of this study are finding optimum parameters and conditions for MEMS microstucture fabrication and understanding of additives effects.
The optimum electroplating conditions are 0.15M CuSO4, 200ppm Cl, 300ppm PEG and 5ppm of MPSA. The pulse and reverse pulse plating give the better uniformity on the surface. The uniform copper layer on TiN or Ta substrate was obtained at 5gpl cupric sulfate, 10gpl formaldehyde, 40gpl EDTA and pH 12. The deposition rate was 5nm/min with 2ppm stabilizer addition. Kinetics of electro and electroless plating were investigated using RDE and mixed potential theory. The effect of plating condition on the mechanical property of electroplated Cu film was observed to make a reliable Cu electroplated micro beam. Current density, the amount of the organic additives was found to affect the residual stress of electroplated copper film. The result show that, in the case of residual stress, the copper film deposited at higher additive result in lower residual stress and a plating current by 15mA/$cm^2$ induced a better result than any other ones. From this result, copper electroplated micro beams were made.

목차 Contents

• 1.요약문 ... 2
• 국문요약문 ... 2
• 영문요약문 ... 3
• 2. 연구목표 ... 4
• 3. 연구 결과 ... 5
• 3.1. 구리의 전기도금 ... 5
• 3.2. 무전해 구리 도금 ... 19
• 3.3. ULSI 배선용 전해도금 구리박막의 잔류응력, 기계적 특성 측정 및 분석 ... 32
• 3.4. MEMS 마이크로 구조물용 도금 구리후막의 기계적 특성 측정 및 분석 ... 40
• 3.5. MEMS용 구리 미세구조물 제작 ... 49
• 4. 참고문헌 ... 56