• 마이크로전자및패키징학회지
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• 제27권3호
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• pp.41-47
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• 2020

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.

• Journal of Welding and Joining
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• 제24권2호
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• pp.64-70
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• 2006

The 3-dimensional (3D) chip stacking technology is a leading technology to realize a high density and high performance system in package (SiP). There are several kinds of methods for chip stacking, but the stacking and interconnection through Cu filled through-hole via is considered to be one of the most advanced stacking technologies. Therefore, we studied the optimum process of through-hole via formation and Cu filling process for Si wafer stacking. Through-hole via was formed with DRIE (Deep Reactive ion Etching) and Cu filling was realized with the electroplating method. The optimized conditions for the via formation were RE coil power of 200 W, etch/passivation cycle time of 6.5 : 6 s and SF6 : C4F8 gas flow rate of 260 : 100 sccm. The reverse pulsed current of 1.5 A/dm2 was the most favorable condition for the Cu electroplating in the via. The Cu filled Si wafer was chemically and mechanically polished (CMP) for the following flip chip bumping technology.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2012년도 제42회 동계 정기 학술대회 초록집
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• pp.256-256
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• 2012

Cu가 기존 배선물질인 Al을 대체함에 따라 resistance-capacitance delay와 electromigration (EM) 등의 문제들이 어느 정도 해결되었다. 그러나 지속적인 배선 폭의 감소로 배선의 저항 증가, EM 현상 강화 그리고 stability 악화 등의 문제가 지속적으로 야기되고 있다. 이를 해결하기 위한 방법으로 Cu alloy seed layer를 이용한 barrier 자가형성 공정에 대한 연구를 진행하였다. 이 공정은 Cu 합금을 seed layer로 사용하여 도금을 한 후 열처리를 통해 $SiO_2$와의 계면에서 barrier를 자가 형성시키는 공정이다. 이 공정은 매우 균일하고 얇은 barrier를 형성할 수 있고 별도의 barrier와 glue layer를 형성하지 않아 seed layer를 위한 공간을 추가로 확보할 수 있는 장점을 가지고 있다. 또한, via bottom에 barrier가 형성되지 않아 배선 전체 저항을 급격히 낮출 수 있다. 합금 물질로는 초기 Al이나 Mg에 대한 연구가 진행되었으나, 낮은 oxide formation energy로 인해 SiO2에 과도한 손상을 주는 문제점이 제기되었다. 최근 Mn을 합금 물질로 사용한 안정적인 barrier 형성 공정이 보고 되고 있다. 하지만, barrier 형성을 하기 위해 300도 이상의 열처리 온도가 필요하고 열처리 시간 또한 긴 단점이 있다. 본 실험에서는 co-sputtering system을 사용하여 Cu-V 합금을 형성하였고, barrier를 자가 형성을 위해 300도에서 500도까지 열처리 온도를 변화시키며 1시간 동안 열처리를 실시하였다. Cu-V 공정 조건 확립을 위해 AFM, XRD, 4-point probe system을 이용하여 표면 거칠기, 결정성과 비저항을 평가하였다. Cu-V 박막 내 V의 함량은 V target의 plasma power density를 변화시켜 조절 하였으며 XPS를 통해 분석하였다. 열처리 후 시편의 단면을 TEM으로 분석하여 Cu-V 박막과 $SiO_2$ 사이에 interlayer가 형성된 것을 확인 하였으며 EDS를 이용한 element mapping을 통해 Cu-V 내 V의 거동과 interlayer의 성분을 확인하였다. PVD Cu-V 박막은 기판 온도에 큰 영향을 받았고, 200도 이상에서는 Cu의 높은 표면에너지에 의한 agglomeration 현상으로 거친 표면을 가지는 박막이 형성되었다. 7.61 at.%의 V함량을 가지는 Cu-V 박막을 300도에서 1시간 열처리 한 결과 4.5 nm의 V based oxide interlayer가 형성된 것을 확인하였다. 열처리에 의해 Cu-V 박막 내 V은 $SiO_2$와의 계면과 박막 표면으로 확산하며 oxide를 형성했으며 Cu-V 박막 내 V 함량은 줄어들었다. 300, 400, 500도에서 열처리 한 결과 동일 조성과 열처리 온도에서 Cu-Mn에 의해 형성된 interlayer의 두께 보다 두껍게 성장했다. 이는 V의 oxide formation energy가 Mn 보다 작으므로 SiO2와의 계면에서 산화막 형성이 쉽기 때문으로 판단된다. 또한, $V^{+5}$이온 반경이 $Mn^{+2}$이온 반경보다 작아 oxide 내부에서 확산이 용이하며 oxide 박막 내에 여기되는 전기장이 더 큰 산화수를 가지는 V의 경우 더 크기 때문으로 판단된다.

• 마이크로전자및패키징학회지
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• 제14권3호
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• pp.43-49
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• 2007

웨이퍼 레벨 솔더범핑시 under bump metallurgy (UBM)의 종류와 리플로우 시간에 따른 Sn 솔더범프의 평균 금속간화합물 층의 두께와 UBM의 소모속도를 분석하였다. Cu UBM의 경우에는 리플로우 이전에 $0.6\;{\mu}m$ 두께의 금속간화합물 층이 형성되어 있었으며, $250^{\circ}C$에서 450초 동안 리플로우함에 따라 금속간화합물 층의 두께가 $4\;{\mu}m$으로 급격히 증가하였다. 이에 반해 Ni UBM에서는 리플로우 이전에 $0.2\;{\mu}m$ 두께의 금속간화합물 층이 형성되었으며, 450초 리플로우에 의해 금속간화합물의 두께가 $1.7\;{\mu}m$으로 증가하였다. Cu UBM의 소모속도는 15초 리플로우시에는 100 nm/sec, 450초 리플로우시에는 4.5 nm/sec이었으나, Ni UBM에서는 소모속도가 15초 리플로우시에는 28.7 nm/sec, 450초 리플로우시에는 1.82 nm/sec로 감소하였다.

• 마이크로전자및패키징학회지
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• 제21권1호
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• pp.45-50
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• 2014

반도체 미세구리배선 적용을 위하여 구리배선의 습식 표면처리 및 열 사이클에 따른 구리 박막과 실리콘질화막 도포층 사이의 계면접착에너지를 4점굽힘시험을 통해 정량적으로 평가하였다. 구리배선을 화학적 기계적 연마한 후 습식 표면처리를 통하여 구리 박막과 실리콘질화막의 계면접착에너지는 $10.57J/m^2$에서 $14.87J/m^2$로 증가하였다. $-45{\sim}175^{\circ}C$범위에서 250사이클 후, 표면처리를 하지 않은 시편의 계면접착에너지는 $5.64J/m^2$으로, 표면처리를 한 시편은 $7.34J/m^2$으로 감소하였으며, 모든 시편의 박리계면은 구리 박막과 실리콘질화막 계면으로 확인되었다. X-선 광전자 분광법으로 계면 결합 상태를 분석한 결과, 화학적 기계적 연마 공정 후 구리배선의 표면 산화물이 습식표면처리에 의해 효과적으로 제거된 것을 확인하였다. 또한, 열 사이클 처리동안, 구리 박막과 실리콘질화막의 큰 열 팽창 계수 차이로 인한 열응력으로 인하여 구리 박막과 실리콘질화막 계면이 취약해지고, 계면을 통한 산소유입에 따른 구리 산화층이 증가하여 계면접착에너지가 저하된 것으로 판단된다.

• 마이크로전자및패키징학회지
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• 제25권3호
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• pp.7-12
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• 2018

차세대 초미세 Cu 배선 적용을 위한 원자층증착법(atomic layer deposition, ALD)을 이용하여 증착된 Ru확산 방지층과 Cu 박막 사이의 계면 신뢰성을 평가하기 위해, Ru 공정온도 및 $200^{\circ}C$ 후속 열처리 시간에 따라 4점굽힘시험으로 정량적인 계면접착에너지를 평가하였고, 박리계면을 분석하였다. 225, 270, $310^{\circ}C$ 세 가지 ALD Ru 공정온도에 따른 계면접착에너지는 각각 8.55, 9.37, $8.96J/m^2$로 유사한 값을 보였는데, 이는 증착온도 변화에 따라 Ru 결정립 크기 등 미세조직 및 비저항의 차이가 적어서, 계면 특성도 거의 차이가 없는 것으로 판단된다. $225^{\circ}C$의 공정온도에서 증착된 Ru 박막의 계면접착에너지는 $200^{\circ}C$ 후속 열처리시 250시간까지는 $7.59J/m^2$ 이상으로 유지되었으나, 500시간 후에는 $1.40J/m^2$로 급격히 감소하였다. 박리계면에 대한 X-선 광전자 분광기 분석 결과, 500시간 후 Cu 계면 산화로 인하여 계면접착 에너지가 감소한 것으로 확인되었다. 따라서 ALD Ru 박막은 계면신뢰성이 양호한 차세대 Cu 배선용 확산방지층 후보가 된다고 판단된다.

• 한국재료학회:학술대회논문집
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• 한국재료학회 2012년도 춘계학술발표대회
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• pp.84-84
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• 2012

소자가 고집적화 됨에 따라, 비저항이 낮고 electro migration (EM), Stress Migration (SM) 특성이 우수한 구리(Cu)를 배선재료로서 사용하고 있다. 그러나, 구리는 Si과 $SiO_2$의 내부로 확산이 빠르게 일어나, Si 소자 내부에 deep donor level을 형성하고, 누설 전류를 증가시키는 등 소자의 성능을 저하시킬 수 있는 문제점을 가지고 있다. 그러나, electroplating 을 이용하여 증착한 Cu 박막은 일반적으로 확산 방지막으로 쓰이는 TiN, TaN, 등의 물질과의 접착 (adhesion) 특성이 나쁘다. 따라서, Cu CMP 에서 증착된 Cu 박막의 벗겨지거나(peeling), EM or SM 저항성 저하 등의 배선에서의 reliability 문제를 야기하게된다. 따라서 Cu 와 접착 특성이 좋은 새로운 확산방지막 또는 adhesion layer의 필요성이 대두되고 있다. 본 연구에서는 이러한 Cu 배선에서의 접착성 문제를 해결하고자 Metal organic chemical vapor deposition (MOCVD)을 이용하여 제조한 코발트(Co) 박막을 $Cu/TaN_x$ 사이의 접착력 개선을 위한 adhesion layer로 적용하려는 시도를 하였다. Co는 비저항이 낮고, Cu 와 adhesion이 좋으며, Cu direct electroplating 이 가능하다는 장점을 가지고 있다. 하지만, 수소 분위기에서 $C_{12}H_{10}O_6(Co)_2$ (dicobalt hexacarbonyl tert-butylacetylene, CCTBA) 전구체에 의한 MOCVD Co 박막의 경우 탄소, 산소와 같은 불순물이 다량 함유되어 있어, 비저항, surface roughness 가 높아지게 된다. 따라서 구리 전착 초기에 구리의 핵 생성(nucleation)을 저해하고 핵 생성 후에도 응집(agglomeration)이 발생하여 연속적이고 얇은 구리막 형성을 방해한다. 이를 해결하기 위해, MOCVD Co 박막 증착 시 수소 반응 가스에 암모니아를 추가로 주입하여, 수소/암모니아의 분압을 1:1, 1:6, 1:10으로 변화시켜 $Co/TaN_x$ 박막의 특성을 비교 분석하였다. 각각의 수소/암모니아 분압에 따른 $Co/TaN_x$ 박막을 TEM (Transmission electron microscopy), XRD (X-ray diffraction), AES (Auger electron spectroscopy)를 통해 물성 및 조성을 분석하였고, AFM (Atomic force microscopy)를 이용하여, surface roughness를 측정하였다. 실험 결과, $Co/TaN_x$ 박막은 수소/암모니아 분압 1:6에서 90 ${\mu}{\Omega}-cm$의 낮은 비저항과 0.97 nm 의 낮은 surface roughness 를 가졌다. 뿐만 아니라, MOCVD 에 의해 증착된 Co 박막이4-6 % concentration 의 탄소 및 산소 함량을 가지는 것으로 나타났고, 24nm 크기의 trench 기판 위에 약 6nm의 $Co/TaN_x$ 박막이 매우 균일하게 형성된 것을 확인 할 수 있었다. 이러한 결과들은, 향후 $Co/TaN_x$ 박막이 Cu direct electroplating 공정이 가능한 diffusion barrier로서 성공적으로 사용될 수 있음을 보여준다.

• 한국전기전자재료학회:학술대회논문집
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• 한국전기전자재료학회 2008년도 하계학술대회 논문집 Vol.9
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• pp.546-546
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• 2008

Copper (Cu) Chemical mechanical polishing (CMP) has been an essential process for Cu wifing of DRAM and NAND flash memory beyond 45nm. Copper has been employed as ideal material for interconnect and metal line due to the low resistivity and high resistant to electro-migration. Damascene process is currently used in conjunction with CMP in the fabrication of multi-level copper interconnects for advanced logic and memory devices. Cu CMP involves removal of material by the combination of chemical and mechanical action. Chemicals in slurry aid in material removal by modifying the surface film while abrasion between the particles, pad, and the modified film facilitates mechanical removal. In our research, we emphasized on the role of chemical effect of slurry on Cu CMP, especially on the effect of amine functional group on removal rate selectivity between Cu and Tantalum-nitride (TaN) film. We investigated the two different kinds of complexing agent both with amine functional group. On the one hand, Polyacrylamide as a polymer affected the stability of abrasive, viscosity of slurry and the corrosion current of copper film especially at high concentration. At higher concentration, the aggregation of abrasive particles was suppressed by the steric effect of PAM, thus showed higher fraction of small particle distribution. It also showed a fluctuation behavior of the viscosity of slurry at high shear rate due to transformation of polymer chain. Also, because of forming thick passivation layer on the surface of Cu film, the diffusion of oxidant to the Cu surface was inhibited; therefore, the corrosion current with 0.7wt% PAM was smaller than that without PAM. the polishing rate of Cu film slightly increased up to 0.3wt%, then decreased with increasing of PAM concentration. On the contrary, the polishing rate of TaN film was strongly suppressed and saturated with increasing of PAM concentration at 0.3wt%. We also studied the electrostatic interaction between abrasive particle and Cu/TaN film with different PAM concentration. On the other hand, amino-methyl-propanol (AMP) as a single molecule does not affect the stability, rheological and corrosion behavior of the slurry as the polymer PAM. The polishing behavior of TaN film and selectivity with AMP appeared the similar trend to the slurry with PAM. The polishing behavior of Cu film with AMP, however, was quite different with that of PAM. We assume this difference was originated from different compactness of surface passivation layer on the Cu film under the same concentration due to the different molecular weight of PAM and AMP.

• 마이크로전자및패키징학회지
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• 제30권4호
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• pp.8-16
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• 2023

디바이스 소형화의 한계에 다다르면서, 이를 극복할 수 있는 방안으로 차세대 패키징 기술의 중요성이 부각되고 있다. 병목 현상을 해결하기 위해 2.5D 및 3D 인터커넥트 피치의 필요성이 커지고 있는데, 이는 신호 지연을 최소화 할 수 있도록 크기가 작고, 전력 소모가 적으며, 많은 I/O를 가져야 하는 등의 요구 사항을 충족해야 한다. 기존 솔더 범프의 경우 미세화 한계와 고온 공정에서 녹는 등의 신뢰성 문제가 있어, 하이브리드 본딩 기술이 대안책으로 주목받고 있으며 최근 Cu/SiO₂ 구조의 문제점을 개선하고자 SiCN에 대한 연구 또한 활발히 진행되고 있다. 해당 논문에서는 Cu/SiO₂ 구조 대비 Cu/SiCN이 가지는 이점을 전구체, 증착 온도 및 기판 온도, 증착 방식, 그리고 사용 가스 등 다양한 증착 조건에 따른 SiCN 필름의 특성 변화 관점에서 소개한다. 또한, SiCN-SiCN 본딩의 핵심 메커니즘인 Dangling bond와 OH 그룹의 작용, 그리고 플라즈마 표면 처리 효과에 대해 설명함으로써 SiO₂와의 차이점에 대해 기술한다. 이를 통해, 궁극적으로 Cu/SiCN 하이브리드 본딩 구조 적용 시 얻을 수 있는 이점에 대해 제시하고자 한다.

• 마이크로전자및패키징학회지
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• 제12권1호
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• pp.53-58
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• 2005

구리 배선에서의 신뢰성 평가를 위해 직류전류와 교류전류를 각각 인가하였을 때의 파손 발생을 분석해 보았다. 직류 전류에서는 electromigration 현상이 발생하는데, 높은 전류 밀도와 온도에서 더욱 빠르게 파손이 진행되었으며, 실험을 통해 구한 활성화 에너지와 전류밀도 의존지수는 각각 0.96eV와 4의 값을 갖는 것으로 나타났다. 교류 전류에서는 열 피로 현상이 발생하였는데, 높은 주파수와 ${\Delta}$T가 클수록 파손이 심하게 진행되었다. 집합 조직에 따른 failure morphology분석 결과, (100)grains에서는 결함이 넓게 성장하여 facetted grains가 되지만 (111)에서는 배선의 두께 방향으로 성장하여 빠르게 단선을 유발하는 것으로 나타났다.