반도체 배선용 알루미늄 박막에서 티타늄(Titanium) 또는 루테늄(Ruthenium) 도핑이 hillock 형성에 미치는 영향

Abstract

반도체 제품은 수십 년 동안 지속적으로 집적도가 증가하였다. 이를 통해 제품의 동작 성능이 향상시킬 수 있었고 원가를 낮추어 사용자의 욕구를 만족시킬 수 있었으며 다양한 산업군에서 더욱 효율적인 디지털 시스템을 구축하는 데에 많은 기여를 하였다. 최근에는 IoT, 인공지능(AI)와 같은 고도화 된 디지털 시스템에서 더욱 우수한 성능을 가진 반도체를 요구하고 있어 앞으로도 반도체 제품의 집적도 향상에 대한 노력은 계속 될 것이다. 이렇듯 반도체 집적도 향상은 많은 이점을 가져다 주었지만 최근에는 집적도를 향상시키면서 성능을 유지 또는 개선하는 데에 많은 어려움이 따르고 있다. 특히 반도체 성능의 척도가 되는 RC Delay 측면에서 살펴보면 집적도가 높아짐에 따라 반도체 배선의 RC Delay가 급격히 증가하고 있으며 재료 및 공정에 대한 개선이 매우 중요해지고 있다. 이번 논문에서는 반도체 구조에서 BEOL(Back-end of line)단 공정인 금속 배선 공정에서 사용되는 알루미늄 배선에 대한 연구를 진행하였다. 알루미늄 배선은 1970년대 이후로 현재까지 반도체 배선의 주요 재료로써 사용되고 있다. 알루미늄은 타 금속 재료와 비교하여 상대적으로 비저항이 낮으며 RIE(Reactive ion etching)가 가능하여 증착 공정이 용이한 것 등등 배선 물질로써 많은 장점을 지니고 있어 오랫동안 배선의 재료로 사용되고 있다. 하지만 낮은 녹는점으로 인해 EM(electro-migration) 특성이 불량하며 특히 Si substrate와 열팽창계수의 차이가 커서 반복 된 열처리 과정에서 발생하는 응력으로 인해 void와 hillock이 다발하는 문제점을 가지고 있다. 금속 배선에 void가 발생하게 되면 저항이 높아지다가 심하면 전기적인 단선을 유발하여, 심각한 hillock의 발생은 전기적으로 서로 분리되어야 하는 금속 배선 사이에 단락을 발생시키게 된다. 이 같은 문제는 반도체 제품에 심각한 신뢰성 불량을 야기할 수 있다. 본 연구에서는 알루미늄 배선에 다른 금속 재료를 첨가함으로써 이를 개선하고자 하였다. 알루미늄 배선에 도핑 할 금속을 선정하기 위해 녹는점, Si와의 열팽창계수의 차이를 기준으로 물질을 탐색을 하였으며 최종적으로 티타늄(Ti)와 루테늄(Ru)를 선정하였다. DC magnetron sputter 방식으로 박막 형태로 wafer 위에 증착을 진행하였으며 다양한 농도로 샘플을 제작하였다. 각각의 샘플의 두께는 모두 150nm로 증착하여 두께가 미치는 영향을 최소화 하였다. 제작된 샘플에 반복된 열처리를 하면서 응력을 측정하여 변화를 관찰하였으며 AFM 분석으로 hillock이 발생하는 정도를 비교하였다. 그 결과 Al-Ru 박막의 표면이 가장 우수한 것을 확인할 수 있었다. 이후 XRD와 TEM 분석을 통해서 박막 내부 조성과 grain의 변화를 관찰하였고 합금 박막에서 알루미늄과 도핑 물질간의 금속간화합물(intermetallic compound)가 형성되는 것을 각각 확인할 수 있었다. 또한 금속간화합물이 발생하는 온도가 응력 측정 실험에서 박막에 가해지는 압축 응력이 급격히 해소되는 구간과 일치하는 것을 확인 할 수 있었다. 반복된 열처리 과정에서 발생하는 압축 응력이 금속간화합물이 생성되면서 급격히 해소되면서 박막의 표면에서 발생하는 hillock의 발생이 급격히 감소하는 것을 확인하였고 특히 Ru을 도핑했을 때 그 효과가 극대화되는 것을 실험으로 증명하였다.

Aluminum has been used as global interconnects for D-RAM products due to relatively low resistivity(2.7㎛•㎝) and compatibility with Si process. However, the difference in the thermal expansion coefficient (CTE) between Al and Si is very large, which can cause hillocks due to the stress applied to the Al interconnects during repeated heat treatment. These hillocks can lead to reliability problems, such as electrical circuit shorts between interconnects. Therefore, it is very important to find and control the factors that can suppress the hillocks in order to produce highly reliable products. In this study, we will discuss the effect of doping other materials on Al thin films. Ti and Ru are selected as doping materials because the differences in the CTE with Si are smaller than Al and the melting point is high. Therefore, it is expected that the hillocks formation will be suppressed by the reduction of diffusion during repeated heat treatment. Pure Al and Al alloy films were fabricated using DC magnetron sputter on SiO2/Si substrate. By the wafer curvature method, the abrupt compressive stress relaxation in both the Al-Ti and the Al-Ru alloy film was observed at a certain temperature range. It was found by XRD measurement that the alloy precipitated at this temperature range. By transmission electron microscopy and ASTAR analysis, compared with the Al-14at.%Ti alloy film, the amount of alloy 석출 in the Al-14at.%Ru alloy film is more than four times that of the Al-14at.%Ti alloy film. The surface roughness (RMS) using AFM analysis of the pure Al, the Al-14at.%Ti alloy and the Al-14at.%Ru alloy were 14.7nm, 19.4nm and 4nm, respectively. It was confirmed that hillock of the Al-14at.%Ru alloy was mostly suppressed. Both the Al-Ti alloy film and the Al-Ru alloy film have smaller grain size than the pure Al film. As the grain size decreased, grain growth during annealing reduce the compressive stress and suppress the hillocks. In addition, more alloy 석출 was found in Al-Ru alloy film than in Al-Ti alloy film, which helps hillocks further suppressed due to densification. Hence, Ruthenium is interesting candidates with potential as dopant for Al interconnects.