미세 Cu 배선 적용을 위한 SiN x /Co/Cu 박막구조에서 Co층이 계면 신뢰성에 미치는 영향 분석
이현철1·정민수2·김가희3·손기락3·박영배3,†
1
㈜제이셋스태츠칩팩코리아,
2㈜앰코테크놀로지 코리아
3
안동대학교 신소재공학부 청정에너지소재기술연구센터
Effect of Co Interlayer on the Interfacial Reliability of SiN x /Co/Cu Thin Film Structure for Advanced Cu Interconnects
Hyeonchul Lee1, Minsu Jeong2, Gahui Kim3, Kirak Son3, and Young-Bae Park3,†
1
JCET STATS ChipPAC Korea LTD., 299, Jayumuyeok-ro, Jung-gu, Incheon 22379, Korea
2
Amkor Technology Korea Inc., 150, Songdomirae-ro, Yeonsu-gu, Incheon 21991, Korea
3
School of Materials Science and Engineering, Andong National University, 1375, Gyeongdong-ro, Andong-si, Gyeongsangbuk-do 36729, Korea
(Received August 6, 2020: Corrected September 17, 2020: Accepted September 25, 2020)
초 록: 비메모리 반도체 미세 Cu배선의 전기적 신뢰성 향상을 위해 SiN
x피복층(capping layer)과 Cu 배선 사이 50 nm 두께의 Co 박막층 삽입이 계면 신뢰성에 미치는 영향을 double-cantilever beam (DCB) 접착력 측정법으로 평가하였 다. DCB 평가 결과 SiN
x/Cu 구조는 계면접착에너지가 0.90 J/m
2이었으나 SiN
x/Co/Cu 구조에서는 9.59 J/m
2으로 SiN
x/ Cu 구조보다 약 10배 높게 측정되었다. 대기중에서 200
oC, 24 시간 동안 후속 열처리 진행한 결과 SiN
x/Cu 구조는 0.93 J/m
2으로 계면접착에너지의 변화가 거의 없는 것으로 확인되었으나 SiN
x/Co/Cu 구조에서는 2.41 J/m
2으로 열처리 전보 다 크게 감소한 것을 확인하였다. X-선 광전자 분광법 분석 결과 SiN
x/Cu 도금층 사이에 Co를 증착 시킴으로써 SiN
x/Co 계면에 CoSi
2반응층이 형성되어 SiN
x/Co/Cu 구조의 계면접착에너지가 매우 높은 것으로 판단된다. 또한 대기중 고온에
서 장시간 후속 열처리에 의해 SiN
x/Co 계면에 지속적으로 유입된 산소로 인한 Co 산화막 형성이 계면접착에너지 저하
의 주요인으로 판단된다.
Abstract: The effect of Co interlayer on the interfacial reliability of SiN
x/Co/Cu thin film structure for advanced Cu interconnects was systematically evaluated by using a double cantilever beam test. The interfacial adhesion energy of the SiN
x/Cu thin film structure was 0.90 J/m
2. This value of the SiN
x/Co/Cu thin film structure increased to 9.59 J/m
2. Measured interfacial adhesion energy of SiN
x/Co/Cu structure was around 10 times higher than SiN
x/Cu structure due to CoSi
2reaction layer formation at SiN
x/Co interface, which was confirmed by X-ray photoelectron spectroscopy analysis.
The interfacial adhesion energy of SiN
x/Co/Cu structure decreased sharply after post-annealing at 200
oC for 24 h due to Co oxidation at SiN
x/Co interface. Therefore, it is required to control the CoO and Co
3O
4formation during the environmental storage of the SiN
x/Co/Cu thin film to achieve interfacial reliability for advanced Cu interconnections.
Keywords: Cu interconnect, Co, Adhesion, Double-cantilever beam test, Post-annealing
1. 서 론
최근 전자 제품의 급속한 고성능화 및 고집적화에 따 라 반도체 칩 배선의 미세화도 급속히 진행되고 있다.
이러한 금속 배선의 선폭이 급속히 감소함에 따라 electromigration (EM) 및 stress migration (SM)등과 같은 전
기적 신뢰성도 큰 문제가 되고 있다. 특히 비메모리 로직 반도체 구조에서는 기존 Al 배선 기술 대신 낮은 저항으 로 resistive-capacitive delay를 향상시키고 우수한 EM 및 SM 저항 특성을 가지며 소자의 신뢰성 측면에서도 Al 배 선과 비교하여 우수한 재료인 Cu가 대체 재료로 광범위 하게 사용되고 있다.1) 하지만 Cu 배선을 형성하기 위해
†
Corresponding author E-mail: [email protected]
© 2020, The Korean Microelectronics and Packaging Society
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properly cited.
을 효과적으로 제거하면 Cu 배선과 상부 피복층 사이의 계면접착에너지가 증가하여 EM, SM 등 전기적 신뢰성 이 향상 된다는 연구가 보고되었다.2,3)
Cu 배선은 주로 입계에서 확산을 하는 Al 배선과 달리 표면에서 확산이 지배적으로 이루어진다. 그러므로 Cu 배선에 많이 상용화되고 있는 SiNx 피복층과 Cu 배선 사 이의 낮은 계면접착에너지로 인해 확산이 용이하여 EM, 절연파괴(time dependent dielectric breakdown, TDDB) 신 뢰성에 좋지 않은 영향을 미친다. 이와 같이 Cu 배선의 전기적, 열적 신뢰성 문제를 개선시키기 위해 Al, Mn, Co, CoWP 등을 SiNx/Cu 계면 또는 합금으로 적용하여 전기적 신뢰성을 평가한 여러 기존 연구들이 보고되고
있다.6-12) Cu 배선에 CoWP 또는 Ta/TaN 박막을 적용할
경우 SiNx또는 SiCxNyHz피복층을 적용한 구조보다 Cu/
피복층 계면에서의 확산이 감소하여 EM 수명이 증가한 결과도 보고되었다.7)그리고 CoWP 박막 적용이 SiNx, SiC 피복층을 적용하였을 때보다 향상된 EM과 TDDB의 높 은 신뢰성을 가지며9) Co 박막 두께에 따른 EM 신뢰성 향상 연구 결과 등, Co 및 CoWP 박막과 관련하여 많은 연구가 활발히 이루어지고 있다.10) Cu 배선의 경우 EM 실험 시 표면으로 확산을 하여 보이드가 형성되며 Cu 배 선에 CoWP 박막을 적용하였을 시 Co 박막의 확산에 대 한 활성화 에너지가 높기 때문에 SiC, SiNx피복층을 적 용한 경우보다 더 높은 계면접착에너지와 더 낮은 보이 드 성장률을 가지며 EM 신뢰성 향상과 계면접착에너지 증가가 관련 있다는 연구결과를 확인 할 수 있었다.7,8,11) 특히 Cu 배선에 Co 박막을 선택적으로 증착한 경우 EM 수명이 10배 이상 향상되었으며 Co 박막에 SiNx 피복층 을 적용한 경우 Co 박막을 적용하지 않은 SiNx 피복층 구 조보다 TDDB 신뢰성이 향상되었다는 연구 결과도 확인 할 수 있었다.12) 하지만 SiNx 피복층과 Cu 배선 사이 Co 박막 적용 유무 및 후속 열처리가 정량적인 계면접착에 너지에 미치는 영향 및 계면결합 기구 규명에 대한 체계 적인 연구는 거의 없는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 SiNx 피복층과 Cu 박막 사이 50 nm Co 박막 적용 및 대 기중 200oC, 24시간 후속 열처리가 계면접착에너지에 미 치는 영향을 double cantilever beam (DCB) 실험을 통해 정량적으로 평가하고 파면에 대한 X-선 광전자 분광법 (X-ray photoelectron spectroscopy, XPS) 분석을 통해 그 원 인을 규명하고자 하였다.
다. SiO2 증착 후 스퍼터링(sputtering) 공정을 이용하여 Ta 와 TaN을 각각 15 nm, 10 nm 증착하였다. 그 후 스퍼터 링 공정으로 30 nm의 Cu 씨앗층을 형성한 직후 Cu를 전 해도금 진행한 후 CMP 공정으로 평탄화를 하여 최종적 으로 1.5 µm 두께의 Cu 도금층을 형성하였다. CMP 공정 후 스퍼터링 Co 박막을 50 nm 증착하였다. SiNx 박막은 CVD 공정을 이용하여 1.5 Torr, 350oC, 150 W의 RF power 조건에서 100 nm 증착하였다. DCB 실험을 위해 SiNx/Cu, SiNx/Co/Cu 구조의 웨이퍼와 100 nm 두께의 SiO2가 형성 된 웨이퍼를 10 mm×40 mm 크기로 다이싱 한 후 에폭시 레진(Epo-Tek 353ND)을 도포하여 120oC에서 2시간 열처 리를 진행하여 시편을 접합하였다. 접합 시 초기 균열 진 전을 유도하기 위해 약 5 mm 이상의 초기균열을 형성할 수 있도록 에폭시 레진을 다이싱한 Si 웨이퍼의 3/4만큼 만 도포하여 접합하였다. 접합 후 Fig. 1과 같이 접착된 초기 균열을 생성한 부분의 Si 웨이퍼 양쪽에 접착제(DP- 420)를 사용하여 로딩 탭(loading tap)을 접착시킨 후 80oC 에서 30분간 경화하였다. 경화가 완료된 시편은 DCB 실 험을 위해 Si 웨이퍼 양쪽에 접착시킨 로딩 탭을 지그에 고정시킨 후 인장과 압축 모드를 반복적으로 진행하여 정 량적인 계면접착에너지를 측정하였으며 시편의 표준편 차를 확인하기 위해 각 조건당 5개의 샘플을 평가하여 평 균값과 표준편차를 도출하였다.
인장응력과 전단응력이 공존하는 4점 굽힘 실험과 달 리 DCB 실험은 인장응력만 포함되기 때문에 동일 구조 의 시편에서 DCB 실험으로 평가한 계면접착에너지가 4 점 굽힘 실험으로 평가한 계면접착에너지보다 더 낮은 값 이 얻어지며 다음과 같은 식을 사용한다. 13,14)
(1)
(2)
여기서 C는 컴플라이언스(compliance), E'는 기판의 평면 변형률 탄성계수(plane strain modulus (Si 웨이퍼: 169 GPa)), b는 시편의 너비(10 mm), h는 시편 두께의 절반 (725 µm), Pc는 균열을 열기 위한 하중이며, a는 균열의 길이이다. 이 때 도출된 계면접착에너지의 단위는 J/m2 이 다. DCB 실험이 완료된 모든 시편은 주사전자현미경 (scanning electron microscope, SEM)과 에너지 분산형 분
a CE'bh3 ---8
⎝ ⎠
⎛ ⎞1 3⁄ –0.64h
=
Gc 12Pc2a2 E'b2h3
--- 1 0.64h a---
⎝ + ⎠
⎛ ⎞2
=
Fig. 2. The changes in interfacial adhesion energies of SiN
x/Cu and SiN
x/Co/Cu structures before and after post-annealing at 200
oC for 24 h.
Fig. 1. Schematics of SiN
x/Co/Cu thin film multilayer sandwiched structure between Si wafers for DCB adhesion test.
광기(energy dispersive spectroscopy, EDS)로 파면의 미세 구조 및 조성을 분석하였고, XPS를 통해 박리 경로 및 화 학 결합에 대해 분석하였다.
3. 결과 및 고찰
SiNx 피복층과 Cu 도금층 사이의 Co 박막 유무 및 후 속 열처리 조건에 따른 계면접착에너지를 평가하기 위해 DCB 실험으로 측정한 결과를 Fig. 2에 나타내었다. DCB 실험 결과 접합 직후의 SiNx/Cu 구조에서는 계면접착에 너지가 0.90 J/m2으로 평가되었다. Co 박막을 적용한 SiNx/ Co/Cu 구조에서는 9.59 J/m2으로 평가되었으나 에폭시 레 진과 SiNx 계면에서 박리가 발생하였다. 따라서 SiNx/Co/
Cu 구조의 계면접착에너지는 최소한 9.59 J/m2 이상이라 고 판단되며 SiNx/Cu 구조에 Co 박막을 적용함으로써 계 면접착에너지가 약 10배 이상 향상되었다. 그리고 SiNx/ Cu, SiNx/Co/Cu 구조의 두 가지 시편 모두 대기 분위기에 서 200oC, 24시간 동안 후속 열처리를 진행하였다. 24시 간 후속 열처리 후 계면접착에너지 측정 결과 SiNx/Cu 구 조의 경우 열처리 전 0.90 J/m2에서 24시간 후속 열처리 후 0.93 J/m2으로 변화가 거의 없는 것을 확인하였으며
SiNx/Co/Cu 구조의 경우 열처리 전 9.59 J/m2에서 24시간 후속 열처리 후 2.41 J/m2으로 열처리 전보다 급격히 감 소한 것을 확인할 수 있다. DCB 실험 후 SEM 및 EDS 장 비를 통해 박리된 파면의 미세구조 관찰 및 조성을 분석 하였다. Fig. 3에서 확인한 결과 Co 박막 유무 및 열처리
Fig. 3. Optical microscope images, SEM images and EDS results
of the delaminated upper and lower surfaces in (a) SiN
x/
Cu and (b) SiN
x/Co/Cu structures before and after post-
annealing at 200
oC for 24 h.
이 다량으로 검출되었고 N, O 스펙트럼이 소량으로 검출 되었다. 하부 웨이퍼에서는 Cu 스펙트럼이 다량으로 검 출되었고 C, O 스펙트럼이 소량으로 검출된 것으로 보아 SiNx와 Cu 계면에서 박리된 것으로 생각된다. 상부 웨이 퍼 계면에 C 스펙트럼이 다량 검출된 이유는 Fig. 1과 같 이 100 nm SiNx 피복층 위에 도포된 에폭시 레진의 조성 이 함께 검출되었기 때문으로 생각된다. SiNx/Co/Cu 구조 의 경우 열처리 후 상부 웨이퍼에는 Si, C 스펙트럼이 다 량 검출되었고 N, O 스펙트럼이 소량 검출되었다. 하부 웨이퍼에는 Cu 스펙트럼이 다량 검출되었고 Co 스펙트 럼은 소량 검출되었다. Co의 두께가 50 nm로 매우 얇기 때문에 Co가 소량 검출되었으며 이로 인해 정확한 박리
검출되었고 Si 2p, C 1s, N 1s 피크가 소량으로 검출된 것 을 보아 SiO2/Cu 계면에서 박리가 된 것으로 판단된다.
Fig. 5는 SiNx/Co/Cu의 열처리 후의 박리 파면에 대한 XPS 분석결과이며 열처리 전에는 에폭시 레진과 SiNx 계면에 서 박리가 발생하여 파면 분석을 진행할 수 없었다. 열처 리 후 상부 웨이퍼에는 O 1s가 다량 검출되었고 Si 2p, Si 2s, C 1s, N 1s, Co 2p가 소량 검출되었다. 하부 웨이퍼에 서는 Co 2p 피크가 다량 검출되었고 O 1s, Si 2p, Si 2s, C 1s, N 1s가 소량 검출되었으므로 SiO2/Co 계면에서 박리 가 일어난 것으로 확인되었다. SiNx/Cu 구조에 대한 Co 박막 적용과 후속 열처리가 계면접착에너지와 박리경로
Fig. 4. XPS wide-scan spectra of the delaminated SiN
x/Cu interfaces before and after post-annealing at 200
oC for 24 h: (a) upper side and (b) lower side.
Fig. 5. XPS wide-scan spectra of the delaminated SiN
x/Co
interfaces after post-annealing at 200
oC for 24 h: (a) upper
side and (b) lower side.
에 미치는 영향 분석을 위해서는 보다 정확한 박리파면 화학구조 분석이 필요하여 SiNx/Cu 구조의 박리된 상부 Si 2p과 하부 Cu 2p 그리고 SiNx/Co/Cu 구조의 박리된 상 부 Si 2p과 하부 Co 2p 피크를 가우시안 픽 분리하여 각 각에 대해 Fig. 6과 Fig. 7에 나타냈다. 그 결과 상부 웨이 퍼의 Si 2p 피크는 103.7 eV의 SiO2와105.4 eV의 SiOxNy 결합이 존재하는 것을 확인하였으며 이를 Fig. 6(a)와 7(a) 에 나타내었다.15,16) SiNx/Cu 구조의 상부 박리파면은 열 처리 전부터 모두 SiO2가 형성되었지만 SiNx/Co/Cu 구조 의 상부 박리파면에서는 Si, SiO2, SiOxNy가 혼재하는 것 을 확인하였다. 그러므로 SiNx/Cu와 SiNx/Co/Cu 구조의 상부 박리파면은 열처리 전부터 모두 산화가 진행된 것 을 확인할 수 있다. 또한 SiNx/Cu 구조의 하부 박리파면 의 Cu 2p 피크는 932.5 eV의 Cu와 932.6 eV 의 Cu2O 결 합에너지가 유사하여 함께 표기하였으며 933.7 eV의 CuO 결합이 존재하는 것을 확인하였다.17,18) Cu 박막 산화와 관련된 선행 연구 결과에 따르면 Cu → Cu+Cu2O → Cu2O+CuO → CuO의 순서로 Cu 산화막이 생성된다고 보 고되었으며 CuO층 형성이 계면접착에너지에 큰 영향을 준 것으로 사료된다.4,18) 따라서 SiNx/Cu 구조에서는 열처 리 전부터 SiNx과 Cu 표면의 산화로 인하여 SiNx/Cu의 계
면접착에너지가 낮아 열처리 후에도 큰 차이가 없는 것 으로 판단된다. 기존 연구 결과에 따르면 CMP 공정 후 표면처리 및 열 사이클에 따른 SiNx 피복층과 Cu 박막 사 이의 계면접착에너지 측정 결과 SiNx 피복층과 Cu 박막 계면이 취약해지고 계면을 통한 산소 유입에 따른 Cu 산 화층 증가로 계면접착에너지가 저하된다는 연구 결과도 보고되었다.3) 또한 Cu 박막 표면의 CuO의 품질 및 두께 가 SiNx 피복층과 Cu 배선의 계면접착에너지와 밀접한 연관이 있는 것으로 판단된다.3) 기존의 연구결과에서 SiNx의 경우 대기에서 10분, 3일, 1달 간 노출되었을 경우 10분만에 SiO2가 급격하게 생기며 이 후 산화막이 점점 두꺼워진다고 보고하였으며,15) 본 연구에서 SiO2, CuO 결 합이 초기부터 생성된 것은 DCB 실험 시편 제작 시 Si 웨이퍼 접착과정 중 120oC에서 2시간 동안 대기에서 열 처리하여 에폭시 레진을 경화시키는 과정에서 시편의 산 화가 발생한 것으로 판단된다. Co 2p 피크의 경우 778.5 eV의 Co와 778.9 eV의 CoSi2, 779.8 eV의 CoO, 781.3 eV 의 Co3O4결합이 발견되었으며 다른 연구에서도 똑같은 위치에서 같은 피크가 발견된 것을 확인 할 수 있었다
.19,20) Co3O4의 경우 CoO와 O가 결합하면서 생성된 것으
로 확인되며 다음과 같은 화학식으로 나타낼 수 있다.20)
Fig. 6. XPS Gaussian peak fitting of Si 2p and Cu 2p peaks of
the delaminated SiN
x/Cu interface before and after post- annealing at 200
oC for 24 h: (a) upper side and (b) lower side.
Fig. 7. XPS Gaussian peak fitting of Si 2p and Co 2p peaks of
the delaminated SiN
x/Co interface after post-annealing at
200
oC for 24 h: (a) upper side and (b) lower side.
하지만 24시간 열처리 후 SiNx/Co 계면 박리가 발생했 고 계면접착에너지는 2.41 J/m2로 크게 감소하였다. 이 는 고온 장시간 열처리에 의해 SiNx/Co 계면에 산소가 지속적으로 유입된 산소로 인해 계면에 형성된 CoO, Co3O4산화막이 계면접착에너지 저하를 야기한 것으로 판단된다.
4. 결 론
비메모리 반도체의 미세 Cu배선 신뢰성 향상을 위해 SiNx 피복층과 Cu 배선 사이에 Co 박막 적용 효과 및 후 속 열처리 영향 평가를 위해 SiNx 피복층/Cu 박막 계면에 대한 정량적 계면접착에너지를 DCB 평가법으로 측정하 였다. 50 nm 두께의 Co 박막을 증착한 SiNx/Co/Cu 구조 가 SiNx/Cu 구조보다 계면접착에너지가 약 10배 높게 측 정되었으며 이는 SiNx 피복층/Co 사이 계면에 형성된 CoSi2반응층이 강한 결합력을 가지는데 기인한 것으로 판 단된다. 대기중 200oC에서 24시간 동안 후속 열처리 진 행한 결과 SiNx/Cu 구조는 0.93 J/m2으로 계면접착에너지 의 변화가 거의 없으나 SiNx/Co/Cu 구조에서는 2.41 J/m2 으로 열처리 전보다 매우 큰 폭으로 감소하였다. 이는 대 기중 고온에서 장시간 열처리에 의해 SiNx 피복층과 Co 박막 계면에 지속적으로 유입된 산소로 인한 Co산화막 형성이 주 요인인 것으로 판단된다.
감사의 글
이 논문은 안동대학교 기본연구지원사업에 의하여 연 구되었으며, 시편 제작에 도움을 주신 나노종합기술원 관 계자분들과 평가에 도움을 주신 한국과학기술원 김택수 교수님과 서정민 연구원에게 감사드립니다.
References