미세 배선 적용을 위한 Ta/Cu 적층 구조에 따른 계면접착에너지 평가 및 분석
손기락1·김성태2·김철2·김가희1·주영창2,‡·박영배1,†1안동대학교 신소재공학부 청정에너지소재기술연구센터 2서울대학교 재료공학부
Effect of Ta/Cu Film Stack Structures on the Interfacial Adhesion Energy for
Advanced Interconnects
Kirak Son1, Sungtae Kim2, Cheol Kim2, Gahui Kim1, Young-Chang Joo2,‡, and Young-Bae Park1,†
1School of Materials Science and Engineering, Andong National University, 1375, Gyeongdong-ro, Andong-si, Gyeongsangbuk-do 36729, Korea 2Department of Materials Science and Engineering, Seoul National University, 1, Gwanak-ro, Gwanak-gu, Seoul 08826, Korea
(Received October 28, 2020: Corrected March 23, 2021: Accepted March 24, 2021)
초 록: Cu 배선(interconnect) 적용을 위한 다층박막의 적층 구조에 따른 최적 계면접착에너지(interfacial adhesion energy, Gc) 평가방법을 도출하기 위해, Ta, Cu 및 tetraethyl orthosilicate(TEOS-SiO2) 박막 계면의 정량적 계면접착에
너지를 double cantilever beam(DCB) 및 4-점 굽힘(4-point bending, 4-PB) 시험법을 통해 비교 평가하였다. 평가결과, Ta확산방지층이 적용된 시편(Cu/Ta, Cu/Ta/TEOS-SiO2)에서는 두 가지 평가방법 모두 반도체 전/후 공정에서 박리가 발
생하지 않는 산업체 통용 기준인 5 J/m2보다 높게 측정되었다. Ta/Cu 시편의 경우 DCB 시험에서만 5 J/m2보다 낮게
측정되었다. 또한, DCB시험 보다 4-PB시험으로 측정된 Gc가 더 높았다. 이는 계면파괴역학 이론에 따라 이종재료의
계면균열 선단에서 위상각의 증가로 인한 계면 거칠기 및 소성변형에 의한 에너지 손실이 증가 하는것에 기인한다. 4-PB시험결과, Ta/Cu 및 Cu/Ta계면은 5 J/m2이상의 높은 계면접착에너지를 보이므로, 계면접착에너지 관점에서는 Ta는 Cu배선의 확산방지층(diffusion barrier layer) 및 피복층(capping layer)으로 적용 가능할 것으로 생각된다. 또한, 배선 집적공정 및 소자의 사용환경에서 열팽창 계수 차이에 의한 열응력 및 화학적-기계적 연마 (chemical mechanical polishing)에 의한 박리는 전단응력이 포함된 혼합모드의 영향이 크므로 4-PB 시험으로 측정된 Gc와 연관성이 더 클 것
으로 판단된다.
Abstract: The quantitative measurement of interfacial adhesion energy (Gc) of multilayer thin films for Cu
interconnects was investigated using a double cantilever beam (DCB) and 4-point bending (4-PB) test. In the case of a sample with Ta diffusion barrier applied, all Gc values measured by the DCB and 4-PB tests were higher than 5 J/
m2, which is the minimum criterion for Cu/low-k integration without delamination. However, in the case of the Ta/ Cu sample, measured Gc value of the DCB test was lower than 5 J/m2. All Gc values measured by the 4-PB test were
higher than those of the DCB test. Measured Gc values increase with increasing phase angle, that is, 4-PB test higher
than DCB test due to increasing plastic energy dissipation and roughness-related shielding effects, which matches well interfacial fracture mechanics theory. As a result of the 4-PB test, Ta/Cu and Cu/Ta interfaces measured Gc values
were higher than 5 J/m2, suggesting that Ta is considered to be applicable as a diffusion barrier and a capping layer for Cu interconnects. The 4-PB test method is recommended for quantitative adhesion energy measurement of the Cu interconnect interface because the thermal stress due to the difference in coefficient of thermal expansion and the delamination due to chemical mechanical polishing have a large effect of the mixing mode including shear stress.
Keywords: Cu interconnect, interfacial adhesion energy, 4-point bending test, double cantilever beam test, phase angle
†Corresponding author
E-mail: [email protected]
‡Corresponding author
E-mail: [email protected]
© 2021, The Korean Microelectronics and Packaging Society
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40 손기락·김성태·김철·김가희·주영창·박영배
1.
서
론
전자기기의 고성능화를 위해 반도체 배선의 선폭 미 세화가 진행되고 있지만 RC 딜레이(resistive-capacitive delay, RC delay)가 신호지연에 미치는 영향이 크게 증가 하고 있다.1,2) RC딜레이를 줄이기 위해 배선의 소재가Al/SiO2에서 Cu/low-k 및 ultra low-k로 변화되고 있지만, Cu electromigration (EM) 및 low-k 절연파괴(dielectric breakdown)와 같은 신뢰성 문제가 지속적으로 제기되고 있다.3,4) 일반적으로 Cu/low-k 배선 구조에서 Cu의 확산 에 의한 손상기구는 유전체 내부확산(bulk diffusion)과 계 면확산(interfacial diffusion)으로 보고된다.5) 유전체 내부 로 Cu가 확산되어 필라멘트(filaments)형성에 의한 절연 파괴가 대표적인 내부확산의 사례이다. 반면, Cu와 피복 층(capping layer)계면 및 유전체 계면을 통한 Cu의 확 산으로 인한 손상은 EM, 시간의존성 절연파괴(time-dependent dielectric breakdown, TDDB)가 있다. 유전체 내 부확산에 의한 손상은 Ta, TaN과 같은 확산방지층 (diffusion barrier layer)의 적용으로 인해 발생 빈도가 낮 으므로, EM, TDDB와 같은 계면확산에 의한 손상이 반 도체 칩(chip)의 신뢰성을 좌우 한다고 보고된다.6-8) 이를 위해 Ti(N), Cr, Mn, Co 및 Ta(N)와 같은 재료를 증착 공 정 및 적층 구조를 달리하여 확산방지층 및 피복층에 적 용한 연구가 다수 보고 되었다.8-16) TaN은 우수한 Cu의 확산방지층 소재로 사용되었으나, Cu/TaN계면의 낮은 계 면접착에너지를 향상 시키기 위해 Ta을 Cu/TaN 사이에 적용한 Cu/Ta/TaN 구조가 반도체 배선의 신뢰성에 부합 하는 것으로 알려져있다.10,11) 최근 배선의 미세화에 따라 Cu의 확산방지층 두께를 줄이기 위해 플라즈마 화학기상 증착(plasma enhanced chemical vapor deposition, PECVD) 공정으로 증착된 1.5 nm의 매우 얇은 TaSx 확산방지층이
기존의 Ta/TaN에 상응하는 TDDB 신뢰성을 갖는다고 보 고 되었다.12) 기존 물리기상증착(physical vapor deposited,
PVD)으로 형성된 Ta/TaN확산방지층의 비저항을 낮추기 위해 원자층 증착법(atomic layer deposition, ALD) 으로 Ta 의 조성을 높인 Ta(N) 확산방지층은 계면접착에너지, 저 항, 신뢰성이 종래의 PVD Ta/TaN 보다 우수하다고 보고 되었다.13) 이와 같이 다양한 공정을 통해 Ta의 적층 구조 에 따른 신뢰성 평가를 진행한 연구들이 활발히 진행 되 고 있다. 전자산업 분야에서 박막의 정량적 계면접착에너지 (interfacial adhesion energy, Gc)를 평가를 위해 필 테스트,
double cantilever beam(DCB) 시험 및 4점 굽힘(4-point bending, 4-PB) 시험 등이 사용되고 있다. 먼저, 필 테스 트는 인쇄회로기판 및 패키징 분야에서 가장 많이 사용 되는 방법으로 측정이 간편하고, 재현성이 높으며, 높은 계면접착력 측정이 가능한 장점이 있으나, 얇은 박막의 측정이 곤란해 도금을 통해 박막 두께를 증가시켜야 하 는 단점이 있다. 또한, 측정된 필 강도에는 박막의 소성 변형 에너지가 포함되므로 실제 계면접착에너지를 도출 하기 위해서는 소성변형 에너지의 해석이 필요하다.17,18) 다음으로, 반도체 배선 및 패키지 재배선(redistribution layer)의 계면접착에너지를 평가시 많이 사용되는 DCB 및 4-PB 시험은 Si 웨이퍼(wafer), 유리(glass)와 같은 선 형 탄성재료의 기판상에 증착된 매우 얇은 다층박막의 계 면접착에너지 측정에 용이하다.19-24) 4-PB 시험은 계면접 착에너지의 해석방법이 쉬운 장점이 있으나, 박막이 증 착된 기판을 샌드위치(sandwich) 구조로 접합해야 하고, 노치(notch)를 형성하는 추가공정이 필요하며, 두꺼운 박 막구조나 계면접착력이 강한 구조의 평가가 어렵다는 단 점도 있다.19,20) DCB 시험도 4-PB 시험과 동일하게 선형 탄성재료의 기판 상에 박막을 증착하고 동일한 기판을 샌 드위치 구조로 접합하는 추가공정이 필요하고, 계면접착 에너지의 해석방법이 다소 어려운 단점이 있으나, 비교 적 두껍거나 강한 결합에너지를 갖는 박막 구조에서도 측 정이 가능하다는 장점이 있다.21-24) 이와 같은 선행 연구들에 따르면 배선 적용을 위한 Ta 확산방지층 공정 및 신뢰성에 대한 연구들은 보고되지 만, DCB 및 4-PB 시험을 통한 다층박막의 체계적인 계 면접착에너지 평가에 관한 연구 및 평가 방법의 비교에 대한 연구는 매우 미흡한 실정이다. 따라서, 본 연구에서 는 Cu 배선 적용을 위한 Ta 박막 적층 구조에 따른 Ta, Cu 및 tetraethyl orthosilicate(TEOS) 사이의 계면접착에너 지를 DCB 및 4-PB 시험을 이용하여 정량적으로 평가하 고 분석하였다.
2.
실험방법
Ta을 Cu 배선의 확산방지층 및 피복층 적용 가능성을 확인하기 위해 박막 적층 구조에 따른 Ta, Cu 및 TEOS-SiO2사이의 계면접착에너지에 미치는 영향을 분석 위해, Fig. 1과 같은 적층 구조로 박막을 증착하였다. 박막은 Si 웨이퍼 클리닝(cleaning) 후 증착 되었으며, TEOS-SiO2는PECVD 공정으로 형성하였다. Ta, Cu, Al 은 PVD 스퍼터 링(sputtering) 공정으로 증착하였다. Fig. 1(a)는 Si wafer 에 Al/Ta/Cu 구조로 증착하였고, Fig. 1(b)는 Al/Cu/Ta 구 조로 증착하였으며, Fig. 1(c)는 Al/Ta/TEOS-SiO2 구조로 증착하였다. 이때 Al 박막은 실제 Cu 배선구조에는 사용 되지 않으나, DCB 및 4-PB 시험 시편 제작시 에폭시 레 진(epoxy resin)과 접착력 향상을 위해 증착하였다.9) Fig. 2는 DCB 및 4-PB 시험 시편의 모식도 이다. DCB 시험을 진행하기 위해 박막이 증착된 웨이퍼와 박막이 증 착되지 않은 웨이퍼를 40 mm × 10 mm 크기로 다이싱 (dicing) 한 후, 에폭시 레진(Epo-Tek 353ND)을 도포하여 150oC에서 1시간 동안 경화하여 시편을 접합하였다. 접 합시 약 10 mm 이상의 초기균열을 형성하기 위해 소량 의 에폭시 레진을 다이싱된 웨이퍼의 3/4만 도포하여 접 합하였다. Fig. 2(a)와 같이 초기균열이 형성된 부분의 Si
웨이퍼 양쪽에 접착제(DP-420)를 사용하여 로딩 탭 (loading tab)을 접착한 후 80oC에서 30분간 경화하였다. 계면접착에너지 평가를 위해 Lloyd Instruments사의 LRX plus 만능재료시험기에 지그(jig)를 설치하여 DCB 시험을 실시하였다. 4-PB 시험을 진행하기 위해 박막이 증착된 웨이퍼에 접착제를 도포하고 박막이 증착되지 않은 웨이 퍼를 마주보게 정렬하여 경화시켰다. 이때, 사용된 접착 제와 경화조건은 DCB 시험시편 제작시 사용된 조건과 동일하다. 샌드위치 구조로 접합된 웨이퍼를 다이아몬드 블레이드를 이용하여 60 mm × 5 mm 크기로 다이싱을 진행하였다. Fig. 2(b)와 같이 4-PB 시험시 초기균열 유도 를 위해 박막이 증착된 웨이퍼에 두께의 80%인 620 μm 깊이의 노치를 형성하였다. 만능재료시험기에 지그를 설 치하여 4-PB 시험을 실시하였다. DCB 및 4-PB 시험 모 두 20 N의 로드셀(load cell)을 사용하여 계면접착에너지 를 평가하였다. 평가시 하중속도(loading rate)가 계면접착 에너지에 미치는 영향을 최소화 하기 위해 선행연구를 참 고 하였으며, DCB 및 4-PB 시험의 하중속도는 각각, 0.03 mm/min25,26) 및 0.0048 mm/min27,28) 로 진행하였다. 또한, DCB 및 4-PB 시험은 시편의 표준편차를 확인하기 위해 각 조건당 5개 이상의 샘플을 평가한 후 평균값과 표준 편차를 도출하였다. Ta/Cu 박막 적층 구조에 따른 Gc의 차이를 규명하기 위해 DCB 시험 후 TESCAN사의 VEGA II 주사 전자 현 미경(scanning electron microscope, SEM) 및 에너지 분산 형 분광기(energy dispersive X-ray spectroscopy, EDS)를 이용하여 박리 파면의 미세조직과 조성을 분석하였다. 또한, JEOL 사의 JEM-F200 전계 방출형 투과 전자 현 미경(field emission-transmission electron microscope, FE-TEM) 및 EDS를 이용하여 Ta/Cu박막의 단면 미세구조 분석하였다.
3.
결과 및 고찰
Ta 박막 적층 구조에 따른 Ta, Cu 및 TEOS-SiO2사이 의 정량적인 계면접착에너지를 측정하기 위해 DCB 및 4-PB 시험을 진행하였으며, 하중-변위 곡선을 Fig. 3에 나타내었다. DCB 및 4-PB 시험법은 파괴역학에서 선형 탄성 재료의 파괴 인성(fracture toughness, Kc)을 측정하 는 원리에서 파생되었으며, 시편을 선형탄성 빔(beam) 으로 가정하고 빔의 굽힘시 균열 전파에 필요한 에너지 해방율(energy release rate, G)을 선형탄성 파괴역학 (linear elastic fracture mechanics)이론을 바탕으로 해석Fig. 1. Schematics of multilayer thin film structures; (a) Al/Ta/ Cu, (b) Al/Cu/Ta, and (c) Al/Ta/TEOS-SiO2.
Fig. 2. Schematics of adhesion test sample structures; (a) DCB and (b) 4-PB test.
42 손기락·김성태·김철·김가희·주영창·박영배 하여 박막의 계면접착에너지를 평가하는 시험법이다. 19-22) 이와 같은 이론을 적용하기 위해 증착된 박막의 두께 가 기판의 두께보다 상대적으로 매우 얇아서 박막의 기 계적 성질은 무시하고 기판의 기계적 성질만 가정하여 해석한다.20)먼저, DCB 시험은 Fig. 2(a)와 같은 시편으 로 인장(loading)시 하중이 일정하게 증가하다 균열이 진 전될 때 하중이 감소하는데, 이후 압축(unloading)을 진 행한다. 이와 같은 압축-인장을 반복하여 Fig. 3(a)와 같 은 하중-변위 곡선을 얻은 후 식 (1)과 (2)를 이용하여 Gc를 도출하였다.21-24) (1) (2) 여기서, a는 균열길이, C는 시편의 컴플라이언스 (compliance)로 탄성계수의 역수이며, B는 시편의 폭(10 mm), h는 시편 두께의 절반(775 μm), Pc는 균열 진전에
필요한 하중이며, E'은 기판의 plane strain modulus(Si 웨 이퍼: 169 GPa), 이다. 식 (2)에 의해 도출된 Gc의 단위는 J/m2 이다. 4-PB 시험은 Fig. 2(b)와 같은 시편으로 상하 4개 핀(pin) 의 중심에 시편을 고정하고, 상부 핀에 하중을 가하여 Fig. 3(b)와 같은 하중-변위 곡선을 얻을 수있다. 상부 핀에 하 중이 가해지면 빔의 굽힘과 함께 하중이 증가하다가, 노 치에서 초기균열이 전파되는 순간 하중이 감소한다. 이 후, 하중이 거의 일정한 plateau구간에서 가장 취약한 계 면으로 박리가 진행되는데, 이때의 하중 값을 식 (3)에 대 입하여 Gc를 정량적으로 도출하였다.19,20) (3) 여기서, ν는 포아송비(Si 웨이퍼: 0.28), E는 탄성계수 (Si 웨이퍼:130 GPa), h는 시편 두께의 절반(775 μm), b 는 시편의 폭(5 mm), P는 하중-변위 곡선에서 plateau 구간의 하중 값, L은 핀 간 거리(14 mm)이며, M은 모 멘트로 PL/2이다. 식 (3)으로 부터 도출되는 Gc의 단위 는 J/m2이다. Ta박막 적층 구조에 따른 정량적 계면접착에너지를 DCB 및 4-PB 시험으로 평가한 결과를 Fig. 4에 나타내었 다. Al/Ta/Cu, Al/Cu/Ta 및 Al/Ta/TEOS-SiO2의 적층 순서
에 따른 계면접착에너지 평가결과, DCB 시험에서는 각 각 1.96, 11.25, 및 10.44 J/m2, 4-PB 시험에서는 각각 10.84, 39.92, 및39.45 J/m2으로 측정 되었으며 측정된 값 모두 오차 범위 내로 큰 차이를 보이지 않았다. 선행 연구에 따 르면, TaN/SiO2 계면에서 Ta2O5 및 Ta2Si층이 형성되어 계 면접착에너지가 향상된다고 보고된다.8) 그러나, TaN은 Cu와 계면접착에너지가 낮은 문제가 있는데, 이를 향상 시키기 Ta을 TaN과 Cu 사이에 적용한 Cu/Ta/TaN 구조가 반도체 배선에 사용되고 있다.10) Ta는 Cu와의 헤테로 에 피택셜(hetero-epitaxial)관계 및 Ta/Cu 계면에서 얇은 비 정질 층의 형성으로 인해 Cu와 계면접착에너지가 높다 고 보고 되었다.14) 따라서, 본 연구에서 Cu와 Si wafer 사 이에 Ta 확산방지층이 적용된 시편의 계면접착에너지가 높은 것은 Cu/Ta 계면에 헤테로 에피택셜 관계 및 비정 질 층의 형성과 Ta/SiO2(native SiO2) 계면에서 Ta2O5 및
Ta2Si층이 형성에 의한 것으로 생각된다. 또한, 4-PB 시험
을 통해 평가된 Gc가 5 J/m2 이상일 경우, 화학적-기계적
연마(chemical mechanical polishing, CMP)공정에서 박리
가 발생하지 않는다고 보고되었다.29) DCB 시험으로 도출된 Gc보다 4-PB 시험의 Gc가 더 큰 이유는 계면파괴역학 이론을 통하여 해석 가능하다. 기 보고된 관련 문헌에 따르면 계면접착에너지를 측정하면 식 (4)와 같이 측정된 계면접착에너지는 계면의 원자간 결합에너지 외에도 계면 상태 및 박막의 기계적 물성과 a CE'Bh3 8 ---⎝ ⎠ ⎛ ⎞1 3⁄ = Gc 12PC2a2 E'b2h3 --- 1 0.64h a ---+ ⎝ ⎠ ⎛ ⎞2 = Gc = 21(1− ν2)M2 = 21(1− ν 2)P2L2 4Eb2h3 16Eb2h3
Fig. 3. A typical load vs. displacement curve obtained from the adhesion test; (a) DCB test and (b) 4-PB test.
같은 추가 인자를 포함 한다고 보고 되었다.30) Γ = (ξ + χ + ζ)Γ0 (4) 여기서 Γ는 측정된 Gc, Γ0는 계면의 원자간 결합에너지 (work of adhesion), ξ는 계면 박리로 인해 생성되는 표면 특성, χ는 표면 거칠기, ζ는 박리되는 이종재료의 계면균 열 선단에서 소모되는 소성변형에너지이다. 이와 같이, 측정된 Gc는 이종재료 사이의 원자간 결합에너지와 계면 박리 시 손실되는 에너지를 포함한다. 여기서, 손실되는 에너지는 이종재료 계면의 거칠기와 계면 박리시 균열 선 단의 소성변형 에너지에 의한 물리적인 에너지 손실을 포 함한다.30) 따라서, 이종재료의 계면에 표면 개질을 통해 물리 화학적으로 Gc를 증가시킬 수 있다. 또한, 계면균열 선단의 응력상태를 정의하는 위상각(phase angle, Ψ)은 계 면균열 선단의 인장 응력집중계수(KI)와 전단 응력집중 계수(KII)의 비율로 정의되며 식 (5)을 이용하여 도출할 수 있다.31) Ψ = tan−1(Κ Ι⁄ΚΙΙ) (5) 계면파괴역학 이론 및 선행 연구결과에 의하면 위상각 이 클수록 Gc가 증가된다고 보고되며,30,31) 이는 위상각이 커질수록 이종재료 계면 거칠기 및 균열 선단 부근의 국 부적 소성변형에너지가 증가하여 결국 측정되는 Gc가 증 가되는 것으로 설명된다. DCB 시험시 계면균열 선단의 응력 상태는 거의 단순 인장모드이기 때문에 위상각이 거의 0o이고, 4-PB 시험 은 인장응력과 전단응력이 함께 작용하는 혼합모드 (mixed mode)로 위상각이 약 43o로 보고 되며,31,32) 두가 지 시험법으로 도출된 Gc의 차이는 약 3~5배라고 보고되 었다.32) 따라서, Fig. 4과 같이 4-PB 시험으로 측정된 G c 가 DCB 시험으로 측정된 Gc보다 큰 것은 계면의 원자간 결합에너지의 차이가 아닌, 시험법에 따른 위상각의 차 이에 기인 한것으로 판단된다. 4-PB 시험은 균열 선단의 응력 상태가 인장과 전단의 혼합모드(mixed mode)로 비 교적 약한 계면결합에너지(Γ0)를 측정하는데 유리하고, DCB 시험은 거의 단순 인장모드에서 강한 계면결합에너 지(Γ0)도 측정 가능한 장점이 있다고 보고되었다.32) 배선 집적공정 또는 소자의 사용환경에서 가열-냉각이 반복될 때, 열응력에 의한 박리 및 CMP 공정 중 박리현상은 전 단응력이 포함된 혼합모드의 영향을 받으므로, 4-PB 시 험으로 측정된 Gc가 반도체 배선의 박리현상과 연관성이 크다고 생각된다.32,33) DCB 시험 후 박리 경로를 확인하기 위해 분석한 SEM 및 EDS 분석결과를 Fig. 5에 나타내었다. 4-PB 시험의 경 우 Al/Ta/Cu 시편은 Cu/Si wafer 계면으로 박리되었고, Al/ Cu/Ta 및 Al/Ta/TEOS-SiO2시편은 초기 균열이 계면으로
전파되지 않고 상부 웨이퍼를 관통하여 박리 파면관찰이 불가능하여 DCB 시험 후 박리 파면을 분석하였다. Fig. 5(a)-(c)는 각각 Al/Ta/Cu, Al/Cu/Ta 및 Al/Ta/TEOS-SiO2 구
조의 DCB 시험 후 박리 파면이다. SEM, EDS 분석결과, Fig. 5(a)와 같이 Al/Ta/Cu 시편의 상·하부 파면은 균일한 단일 재료의 표면 형상을 보여주고 있다. EDS 분석결과, 상부 파면에는 다량의 Si 스펙트럼과 미량의 Cu, Ta 스펙 트럼이 검출되었고, 하부 파면에는 다량의 Si 스펙트럼과 미량의 O 스펙트럼이 검출되었다. 하부 파면에 Ta과 Cu 스펙트럼이 미량 검출된 것은 Ta/Cu 박막이 약 50 nm로 매우 얇아 EDS의 분해능으로 정량적인 조성분석이 어렵 기 때문이다. 따라서, Al/Ta/Cu 구조에서 Cu/Si wafer계면 이 가장 취약한 것으로 판단된다. 반면, Al/Cu/Ta, Al/Ta/ TEOS-SiO2 시편의 경우 Fig. 5(b),(c)와 같이 상·하부 파 면은 거친 입자가 불균일하게 분포하는 형상을 보인다. EDS 분석결과, 상부 파면에서 다량의 C 스펙트럼이 검 출된 영역과 다량의 Si 스펙트럼이 검출된 영역으로 나 누어져있다. 하부 파면에는 다량의 C 스펙트럼이 검출된 영역과 다량의 Al 스펙트럼이 검출된 영역으로 나누어져 있다. 상·하부 파면에 부분적으로 다량의 C 스펙트럼이 검출된 것은 시편 접합을 위해 사용된 접착제가 부분적 으로 응집파괴(cohesive failure)된 것으로 판단된다. 또한, 4-PB 시험의 경우, Al/Ta/Cu 시편은 Cu/Si wafer 계면에서 박리되었으며, Al/Cu/Ta, Al/Ta/TEOS-SiO2 시편은 노치에 서 전파된 초기균열이 상부 웨이퍼를 관통하여 박리 파 면 분석을 진행하지 못하였다. 따라서, Al/Cu/Ta, Al/Ta/ TEOS-SiO2 구조의 Gc는 매우 높아 DCB 및 4-PB 시험으 로 도출할 수 없는것으로 생각되며, Ta/TEOS-SiO2및 Ta/ Si wafer사이의 Gc는 DCB 시험에서 10.44 J/m2 , 4-PB 시 험에서는 39.45 J/m2 보다 클 것으로 판단된다.
Ta 박막 적층 구조에 따른 Ta, Cu, TEOS-SiO2및 Si wafer
계면의 단면 미세구조 확인을 위해 TEM 및 EDS 분석한 결과를 Fig. 6과 7에 나타내었다. Fig. 6(a)-(c)는 각각 Al/ Ta/Cu, Cu/Ta/Si wafer 및 Al/Ta/TEOS-SiO2계면의 TEM 이
Fig. 4. Effect of Ta film stack structures on the interfacial adhesion energies (Gc).
44 손기락·김성태·김철·김가희·주영창·박영배 미지 및 EDS mapping 결과이다. 3가지 시편 모두 박막이 균일하게 형성된 것을 관찰할 수 있으며, Cu/Ta/Si wafer 사이의 강한 결합력으로 인해 계면박리가 발생하지 않은 것으로 판단된다. 선행 연구에 따르면, Ta는 Ta/Cu 계면 에서 헤테로 에피택셜 관계 및 얇은 비정질 층의 형성으 로 인해 Cu와 계면접착에너지가 높으며14), Ta/SiO 2 계면 에서 Ta2O5및 Ta2Si층의 형성으로 인해 SiO2와 계면접착 에너지가 높다고 보고 되었다.8) 반면, Fig. 7과 같이 Cu/ Si wafer 계면에서 박리가 발생한 Al/Ta/Cu구조 시편의 경우 Cu가 산화되어 1.96 J/m2(DCB 시험)의 낮은 계면 접착에너지가 도출된 것으로 판단된다. 또한, Fig. 6(a)와 (b)에서 Cu가 Ta층을 통해 확산되어 Al/Ta계면 및 Ta/Si wafer 계면에서 관찰되었으며, 이는 PVD로 증착된 Ta 박막은 주상정(columnar) 구조를 가지므로 Cu의 확산을 완전히 차단하지 못하기 때문이다. 이와 같은 이유로 실 제 배선 구조에서는 Ta/TaN을 함께 사용한다고 알려져 있다.10,11,13,14) 따라서, Ta/Cu 및 Cu/Ta계면은 4-PB 시험으로 측정된 Gc가 5 J/m2 이상이므로, 계면접착에너지 관점에서는 Ta 는 Cu배선의 확산방지층 및 피복층으로 적용 가능할 것 으로 생각된다. 또한, 그에 대한 최적의 Gc도출을 위해서 는 집적공정 및 소자의 사용환경에서 받는 열응력 및 CMP 공정에 의한 박리현상은 전단응력이 포함된 혼합모 드의 영향이 크므로 Cu 배선 적용을 위한 다층박막의 계
Fig. 6. EDS profiles with FE-TEM: O, Al, Si, Cu, and Ta elements were analyzed at each interface; (a) Al/Ta/Cu, (b) Cu/Ta/Si wafer, and (c) Al/Ta/TEOS-SiO2 interface.
Fig. 5. Effect of Ta film stack structures on the SEM images of the delaminated surfaces after the DCB test; (a) Al/Ta/Cu, (b) Al/Cu/Ta, and (c) Al/Ta/TEOS-SiO2.
면접착에너지 평가에는 4-PB 시험법이 적합하다고 판단 된다.
4.
결
론
미세 Cu 배선 적용을 위한 Ta박막 적층 구조에 따른 Ta, Cu 및 TEOS박막의 정량적 계면접착에너지 평가 및 측정방법 비교 평가를 위해 DCB 시험 및 4-PB 시험을 실시하였다. Cu/Ta 구조의 경우 Cu/Ta, Ta/Si wafer 사이 의 강한 결합력으로 인해 계면접착에너지가 매우 높으 며, Ta/Cu구조의 경우 Cu/Si wafer 계면에서 Cu가 산화 되어 낮은 계면접착에너지가 도출 되었다. 두가지 방법 으로 계면접착에너지를 평가한 결과, 평가 방법에 따라 계면 균열선단의 응력상태에 따른 위상각의 차이로 인 해 DCB 시험보다 4-PB 시험에서 약 4~5배 높게 측정 되 었다. 따라서, Ta/Cu 및 Cu/Ta계면은 4-PB 시험으로 측 정된 Gc가 5 J/m2이상으로 Ta는 Cu배선의 확산방지층 및 피복층으로 적용 가능할 것으로 생각된다. 그리고, 배 선공정 또는 소자의 작동환경에서 실제 계면이 받는 응 력상태는 대부분 인장과 전단의 혼합모드이므로 최적의 계면접착에너지 도출을 위해 4-PB 시험이 적합할 것으 로 판단된다.Acknowledgments
본 연구는 삼성전자의 산학협력과제의 일환으로 수행 하였음. [차세대 로직 소자용 고신뢰성 배선 연구]References
1. ITRS, “International technology roadmap for semiconductors 2005 edition interconnect”, 2-8, (2005).
2. C. Wu, Y. Li, M. R. Baklanov, and K. Croes, “Electrical reli-ability challenges of advanced low-k dielectrics”, ECS J. Solid State Sci. Technol., 4, 3065 (2015).
3. H. Ceric, H. Zahedmanesh, and K. Croes, “Analysis of elec-tromigration failure of nano-interconnects through a combi-nation of modeling and experimental methods”, Microelectron. Reliab., 100 (2019).
4. F. Chen, M. Shinosky, B. Li, J. Gambino, S. Mongeon, P. Pokrinchak, J. Aitken, D. Badami, M. Angyal, R. Achanta, G.
Bonilla, G. Yang, P. Liu, K. Li, J. Sudijono, Y. Tan, T. J. Tang, and C. Child, “Critical ultra low-k TDDB reliability issues for advanced CMOS technologies”, Proc. IEEE Int. Reliab. Phys. Symp., IEEE, 464 (2009).
5. M. Gall, K. B. Yeap, and E. Zschech, “Advanced concepts for TDDB reliability in conjunction with 3D stress", Proc. Amer-ican Institute of Physics Inc (AIP)., 79, (2014).
6. Z. Tökei, Y. L. Li, and G.P. Beyer, “Reliability challenges for copper low-k dielectrics and copper diffusion barriers”, Microelectron. Reliab., 1436 (2005).
7. K. Boon Yeap, M. Gall, Z. Liao, C. Sander, U. Muehle, P. Jus-tison, O. Aubel, M. Hauschildt, A. Beyer, N. Vogel, and E. Zschech, “In situ study on low- k interconnect time-depen-dent-dielectric-breakdown mechanisms”, J. Appl. Phys., 115, 124101 (2014).
8. M. Lane, R. H. Dauskardt, N. Krishna, and I. Hashim, “Adhe-sion and reliability of copper interconnects with Ta and TaN barrier layers”, J. Mater. Res., 15, 203 (2000).
9. Y. Au, Y. Lin, H. Kim, E. Beh, Y. Liu, and R. G. Gordon, “Selective Chemical Vapor Deposition of Manganese Self-Aligned Capping Layer for Cu Interconnections in Microelec-tronics”, Journal of The Electrochemical Society, 157(6), 341 (2010).
10. D. Edelstein, C. Uzoh, C. Cabral, P. DeHaven, P. Buchwalter, A. Simon, E. Cooney, S. Malhotra, D. Klaus, H. Rathore, B. Agarwala, D. Nguyen, , “A High Performance Liner for Cop-per Damascene Interconnects”, Proc. Interconnect Technol. Conf., IEEE, 9 (2001).
11. W. L. Wang, C. T. Wang, W.C. Chen, K. T. Peng, M. H. Yeh, H. C. Kuo, H. J. Chien, J. C. Chuang, and T. H. Ying, “The Reliability Improvement of Cu Interconnection by the Control of Crystallized α-Ta/TaNx Diffusion Barrier”, J. Nanomater., 917935 (2015).
12. C. L. Lo, M. Catalano, A. Khosravi, W. Ge, Y . Ji, D. Y. Zem-lyanov, L. Wang, R. Addou, Y. Liu, R. M. Wallace, M. J. Kim, and Z. Chen, “Enhancing Interconnect Reliability and Performance by Converting Tantalum to 2D Layered Tanta-lum Sulfide at Low Temperature”, Adv. Mater., 31, 1902397 (2019).
13. A. Furuya, H. Tsuda, and S. Ogawa, “Ta-rich atomic layer deposition TaN adhesion layer for Cu interconnects by means of plasma-enhanced atomic layer deposition”, J. Vac. Sci. Technol. B, 23(3), 979 (2005).
14. S. S. Wong, C. Ryu, H. Lee, and K. W. Kwon, “Barriers For Copper Interconnections”, Proc. MRS., 514, 75 (1998). 15. J. Shang, J. Hao, T. Hang, and M. Li, “Diffusion barrier effect
of Ta/Ti bilayer in organic dielectric/Cu interconnects”, Thin Fig. 7. EDS profiles with FE-TEM: O, Si, and Cu elements were analyzed at Cu/Si wafer interface on Al/Ta/Cu film stack structure.
46 손기락·김성태·김철·김가희·주영창·박영배
Solid Films, 653(1), 113 (2018).
16. L. P. Buchwalter, “Chromium and tantalum adhesion to plasma-deposited silicon dioxide and silicon nitride”, J. Adhesion Sci. Technol., 9(1), 97 (1995).
17. K. S. Kim and N. Aravas, “Elastoplastic analysis of the peel test”, Int. J. Solids Struct., 24(4), 417 (1988).
18. S. C. Park, J. H. Lee, J. W. Lee, I. H. Lee, S. E. Lee, B. I. Song, Y. K. Chung, and Y. B. Park, “Effect of Ar+ RF Plasma Treatment Conditions on Interfacial Adhesion Energy Between Cu and ALD Al2O3 Thin Films for Embedded PCB
Applications(in Kor.)”, J. Microelectron. Packag. Soc., 14(1), 61 (2007).
19. R. Shaviv, S. Toham, and P. Woytowitz, “Optimizing the Pre-cision of the Four-point Bend Test for the Measurement of Thin-film Adhesion”, Microelectronic Eng., 82(2), 99 (2005). 20. P. G. Charalambides, J. Lund, A. G. Evans, and R. M. McMeek-ing, “A test specimen for determining the fracture resistance of biomaterial interfaces”, J. Appl. Mech., 111, 77 (1989). 21. R. H. Dauskardt, M. Lane, Q. Ma, and N. Krishna, “Adhesion
and debonding of multi-layer thin film structures”, Engng. Fract. Mech., 61(1), 141 (1998).
22. M. F. Kanninen, “An augmented double cantilever beam model for studying crack propagation and arrest”, Int. J. of Fract., 9(1), 83 (1973).
23. T. S. Kim, N. Tsuji, N. Kemeling, K. Matsushita, D. Chuma-kov, H. Geisler, E. Zschech, and R. H. Dausdardt, “Depth dependence of ultraviolet curing of organosilicate low-k thin films”, J. Appl. Phys., 103(6), 064108 (2008).
24. H. Lee, M. Jeong, G. Kim, K. Son, J. Seo, T. S. Kim, and Y. B. Park, “Effects of Post-annealing and Co Interlayer Between SiNx and Cu on the Interfacial Adhesion Energy for
Advanced Cu Interconnections”, Electron. Mater. Lett., 16, 311 (2020).
25. S. Kang, T. Yoon, B. S. Ma, M. S. Cho, and T.-S. Kim,
“Liq-uid-assisted adhesion control of graphene–copper interface for damage-free mechanical transfer”, Appl. Surf. Sci., 551(15), 149229 (2021).
26. I. Lee, J. Noh, J.-Y. Lee, and T.-S. Kim, “Co-optimization of Adhesion and Power Conversion Efficiency of Organic Solar Cells by Controlling Surface Energy of Buffer Layers”, ACS Appl. Mater. Inter., 9(42), 37395 (2017).
27. Y. Chung, S. Lee, C. Mahata, J. Seo, S.-M. Lim, M. Jeong, H. Jung, Y.-C, Joo, Y.-B, Park, H. Kim, and T. Lee, “Coupled self-assembled monolayer for enhancement of Cu diffusion barrier and adhesion properties”, RSC Adv., 4, 60123 (2014). 28. M. Jeong, B.-H. Bae, H. Lee H.-O. Kang, W.-J. Hwang, J.-M. Yang, and Y.-B. Park, “Effects of post-annealing and tem-perature/humidity treatments on the interfacial adhesion energy of the Cu/SiN x interface for Cu interconnects”, Jpn. J. Appl. Phys., 55, 06JD01 (2016).
29. T. Scherban, B. Sun, J. Blaine, C. Block, B. Jin, and E. Andi-deh, “Interfacial Adhesion of Copper-Low k Interconnects”, Proc. International Interconnect Technology Conference (IITC), Burlingame, CA, USA, 257, IEEE (2001).
30. M. Lane, “Interface fracture”, Annu. Rev. Mater. Res., 33, 29 (2003).
31. J. W. Hutchinson and Z. Suo, “Mixed Mode Cracking in Lay-ered Materials”, Adv. Appl. Mech., 29, 63 (1992).
32. G. Kim, J. Lee, Se. H. Park, S. Kang, T. S. Kim, and Y. B. Park, “Comparison of Quantitative Interfacial Adhesion Energy Measurement Method between Copper RDL and WPR Dielectric Interface for FOWLP Applications(in Kor.)”, J. Microelectron. Packag. Soc., 25(2), 41 (2018).
33. T. M. Shaw, E. Liniger, G. Bonilla, J. P. Doyle, B. Herbst, X. H. Liu, and M. W. Lane, “Experimental Determination of the Toughness of Crack Stop Structures”, Proc. International Interconnect Technology Conference (IITC), Burlingame, CA, USA, 114, IEEE (2007).
