CuMn 시드층을 이용한 자가형성 Cu 확산 방지막의 특성에 관한 연구

Abstract

반도체 산업에 있어서 소자 크기의 축소를 통한 기기 성능의 향상을 도모하는 방안은 과거로부터 지속적으로 연구되어 왔다. 최근 양산을 바라보고 있는 기기의 경우 22 nm 공정을 뛰어넘어 14 nm 혹은 그 이하의 공정을 가능케 하기 위한 연구를 진행 중에 있다. 소자 크기의 감소는 제품 양산에 있어서 성능적인 부분만이 아닌 제품 수율의 증대를 기대할 수 있기에 가격적인 면에 있어서도 매력적으로 여겨지는 사항이다. 하지만 소자의 크기 감소는 interconnection 영역에서의 RC(resistance-capacitance) delay, cross talk noise와 같은 문제점을 야기하였다. 이를 해결하기 위해 종래에 이용 되어 왔던 Al(Aluminum)배선의 경우 Cu(Copper)배선으로 대체하여 전체적인 배선의 저항을 낮춤으로써 소자의 신호전달속도의 향상을 꾀하였다. 또한 기존 dielectric 물질로 이용되어 왔던 SiO2를 보다 낮은 유전 상수를 지니는 저 유전체 물질(low-k)로 변화를 주어 좁은 배선간격에 의한 기생 용량(parasitic capacitance)과 같은 문제의 해결을 시도하고 있다. Cu 배선의 도입의 경우 그 저항 값이 1.69 μΩ·cm로 2.82 μΩ·cm인 Al 배선에 비하여 낮은 값을 지니므로 소자 속도에 있어서 이점이 존재한다. 하지만 Cu 배선을 사용할 경우 기존의 공정방법과 다른 damascene 공정을 적용해야 하며 Cu의 dielectric 물질로의 확산을 예방하기 위한 Cu 확산 방지막이 요구된다. 더불어 Cu의 electro plating이 쉽게 이루어 질 수 있도록 하는 시드층의 도입 역시 필요로 한다.대표적으로 이용된 확산 방지막 물질로는 Ta(Tantalum), Ti(Titanium) 등이 존재하며 이들은 단독으로 사용되기보다는 Ta/TaN, Ti/TiN 등의 형태로 복합하여 사용되어 왔다. 이들의 경우 비결정질인 나이트라이드계 물질을 확산 방지막으로 활용함으로써 Cu가 공정과정 중 유전층으로 확산되는 것을 확산 경로를 차단하는 방법을 통해 해결하였으며 Ta 및 Ti를 동시에 적용함으로써 Cu와의 adhesion 문제도 해결하였다. 하지만 앞선 사례들의 경우 추후 배선 폭 감소에 따른 한계가 명확하게 드러남에 따라 더 얇은 확산 방지막을 얻는 방법에 관한 연구가 필요로 하게 되었다. 그 중 self-forming barrier에 관한 연구는 기존 확산 방지막의 한계를 극복하기위한 좋은 대안으로 여겨진다. 이는 시드층과 확산 방지막을 하나로 합치는 개념으로부터 출발하였으며 주로 CuMn합금을 이용한 시드층에 관한 연구가 많이 진행 되었다. Self-forming barrier의 기본 원리는 열처리를 통하여 Cu 내부의 합금물질을 Cu alloy와 dielectric layer사이의 계면으로 확산시킴으로써 SiO2와의 반응을 유도하여 확산 방지막을 형성하는 원리이다. 이는 얇은 확산 방지막을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 형성된 박막의 균일성 및 via contact resistance 감소 측면에 있어서도 우수한 성능을 얻을 수 있음이 확인 되었다. 더불어 추가적인 시드층의 증착이 필요 없다는 점과 열처리 공정만으로 확산 방지막의 형성이 가능하기 때문에 비용적인 측면에 있어서도 상당한 이점이 존재한다. 하지만 low-k 물질과의 공존에 있어서 self-forming barrier 형성을 위한 열처리 과정 중 Cu의 dielectric으로의 확산이 문제점으로 여겨지고 있으며 이는 미래를 바라볼 때 해결되어야 할 필요가 있는 중요한 문제이다. 본 연구에서는 CuMn합금을 기반으로 하여 self-forming barrier 의 형성을 시도하였으며 확산 방지막의 특성 및 배선의 특성을 분석하였다. 기판의 경우 SiO2와 low-k를 사용하여 각각의 경우에 따른 확산 방지막의 형성 여부 및 self-forming barrier 형성 공정 중 Cu의 확산 여부를 분석하였다. 기초실험을 통하여 확산 방지막 형성에 적합한 합금조성 및 증착 시간, 온도 등을 설정하였으며 이를 토대로 본격적인 self-forming barrier 형성 공정을 수행하였다. 완성된 샘플은 TEM(Transmission electron microscopy)분석을 통하여 확산 방지막의 형성 및 Cu의 확산 여부, 형성된 확산방지막의 균일성을 파악하였으며, 추가적인 EDS(Energy dispersive spectroscopy) 분석을 통하여 Cu 및 Mn의 분포를 확인하였다. 이들의 결합상태를 확인하기 위하여 XPS(X-ray photoelectron spectroscopy) 분석을 진행하였으며, 이를 토대로 형성된 확산 방지막의 상태를 예측할 수 있었다. 이와 같은 확산 방지막의 형성 및 특성과 관련된 분석과 더불어 interconnection 물질로의 도입에 적합한지 판단하기 위해 4-point-probe를 통한 박막의 저항을 측정하였으며 leakage current test를 함으로써 신뢰성에 관한 분석도 이루어졌다. 샘플은 SiO2기판과 low-k기판을 사용한 것으로 나뉘어졌으며 각각의 기판에 따른 확산 방지막 형성을 비교분석 하였다. 두 경우 모두 확산 방지막이 형성됨을 확인 가능하였으나 low-k 기판을 적용하였을 경우 그 신뢰성 및 재현성에서의 문제점을 발견하였다. 특히 self-forming barrier 를 형성 하기 위한 과정에서 Cu의 dielectric layer로의 확산이 자주 관찰됨으로써 이에 따른 원인을 분석하기 위한 연구를 진행하였다. 앞선 결과로부터 low-k 물질을 적용함에 있어서 가장 큰 문제점은 porous한 기판의 특성 때문이라 판단하여 이를 극복하고자 Ta을 sub-layer로 도입함으로써 pore sealing 효과 및 신뢰성 증가 효과를 기대한 연구를 수행하였다. 샘플의 경우 AFM(Atomic force microscopy)를 통하여 Ta의 적정 증착 조건을 파악한 후 Cu/CuMn/Ta/low-k의 형태로 제작 되었으며 분석은 앞서 언급한 내용과 동일하게 수행되었다. 분석 결과 sub-Ta layer를 도입함으로써 재현성이 상당히 개선된 것을 확인 하였을 뿐만 아니라 Ta가 지니는 성질에 의하여 신뢰성 또한 향상된 것을 확인 할 수 있었다. 상기의 결과를 통해 Cu 배선에 있어서 매력적인 공정이라 보여지는 self-forming barrier 공정의 경우 기존의 확산 방지막과 비교하여도 손색 없는 성능을 보여줌을 확인 할 수 있었으며, low-k dielectric의 도입에 있어서도 그 가능성을 확인 할 수 있었다. 특히 sub-Ta를 도입할 경우 self-forming barrier 공정만으로는 아쉽게 여겨졌던 부분인 재현성 및 신뢰성의 부분에 있어서 상당한 개선이 가능하였다. 다만 점점 축소되어가는 배선 간격의 경향에 있어서 sub-layer의 도입이라는 역행하는 방법을 선택한 점에 있어서 pore sealing을 위한 다른 방안을 모색하는 연구의 진행이 필요하다고 생각된다. |Until a recent day, developments of device performance by chip size shrinkage have been continuously researched. Reduction of the electronic device has many advantages such as yield rate increment and enhancement of signal transmission speed. However, RC delay and cross talk noise problems are occurred due to device size reduction. It is related to the interconnection line as well as gate region and influence of interconnection line is continuously increase compared to gate region. Therefore, conventional interconnection material, Al, is substituted to Cu to get low resistivity metal line. Cu interconnection has merits for fast signal transmission speed but it causes the introduction of dual-damascene process and the seed/barrier layer deposition before Cu electroplating. In this trends, many researcher have been studied that various diffusion barrier layer to effectively prevent the Cu diffusion into the dielectric layer. Ta, Ti and Ru have been studied and its nitride material also apply the diffusion barrier layer. However, feature size shrinkage demands the thin seed/barrier layer to get large volume fraction of Cu. From this requirements, Cu deposition process without barrier layer deposition is investigated which is called self-forming barrier process. Self-forming barrier can be formed uniform and thin diffusion barrier between Cu alloy and inter-metal dielectric. Furthermore, it is simple compared to the conventional diffusion barrier formation because it is just seed layer deposition process without barrier layer deposition, many researchers have been studied various materials to use self-forming barrier process. Nowadays, Mn is regarded as the most suitable material to use the barrier layer process because it has similar oxide formation energy, high diffusivity and low resistivity increment in Cu. Actually we were investigated that Mn based seed layer forms MnSiOx barrier layer by post annealing process after it is deposited on dielectric layer. However, when it deposited on low-k dielectric layer we could find that reproducibility problems occurred. During annealing process to barrier layer formation, Cu diffused into the low-k dielectric. In this respect, we thought requirement of sub layer as a role of surface pore sealing to prevent Cu diffusion. Ta was chosen as a sub layer because we considered that its good adhesion with Cu have several advantages. Fabricated samples were analyzed by various method such as TEM, XPS, AFM, 4-point-probe and I-V test to verify thin film properties and electrical property. From the results, we could find that sub-Ta layer fulfills the role of barrier layer. Mn atoms diffused into the Ta layer and then it blocked diffusion path. On this account, Cu cannot diffuse into the dielectric layer during annealing. Introduction of sub-Ta layer deposition between CuMn film and low-k dielectric is successful results, but it causes total thickness of seed/barrier layer increment eventually. Therefore, further study of the interconnection will be performed to find other method related to pore sealing of low-k.; Until a recent day, developments of device performance by chip size shrinkage have been continuously researched. Reduction of the electronic device has many advantages such as yield rate increment and enhancement of signal transmission speed. However, RC delay and cross talk noise problems are occurred due to device size reduction. It is related to the interconnection line as well as gate region and influence of interconnection line is continuously increase compared to gate region. Therefore, conventional interconnection material, Al, is substituted to Cu to get low resistivity metal line. Cu interconnection has merits for fast signal transmission speed but it causes the introduction of dual-damascene process and the seed/barrier layer deposition before Cu electroplating. In this trends, many researcher have been studied that various diffusion barrier layer to effectively prevent the Cu diffusion into the dielectric layer. Ta, Ti and Ru have been studied and its nitride material also apply the diffusion barrier layer. However, feature size shrinkage demands the thin seed/barrier layer to get large volume fraction of Cu. From this requirements, Cu deposition process without barrier layer deposition is investigated which is called self-forming barrier process. Self-forming barrier can be formed uniform and thin diffusion barrier between Cu alloy and inter-metal dielectric. Furthermore, it is simple compared to the conventional diffusion barrier formation because it is just seed layer deposition process without barrier layer deposition, many researchers have been studied various materials to use self-forming barrier process. Nowadays, Mn is regarded as the most suitable material to use the barrier layer process because it has similar oxide formation energy, high diffusivity and low resistivity increment in Cu. Actually we were investigated that Mn based seed layer forms MnSiOx barrier layer by post annealing process after it is deposited on dielectric layer. However, when it deposited on low-k dielectric layer we could find that reproducibility problems occurred. During annealing process to barrier layer formation, Cu diffused into the low-k dielectric. In this respect, we thought requirement of sub layer as a role of surface pore sealing to prevent Cu diffusion. Ta was chosen as a sub layer because we considered that its good adhesion with Cu have several advantages. Fabricated samples were analyzed by various method such as TEM, XPS, AFM, 4-point-probe and I-V test to verify thin film properties and electrical property. From the results, we could find that sub-Ta layer fulfills the role of barrier layer. Mn atoms diffused into the Ta layer and then it blocked diffusion path. On this account, Cu cannot diffuse into the dielectric layer during annealing. Introduction of sub-Ta layer deposition between CuMn film and low-k dielectric is successful results, but it causes total thickness of seed/barrier layer increment eventually. Therefore, further study of the interconnection will be performed to find other method related to pore sealing of low-k.