중고기계,중고공작기계,중고산업기계,중고기계급매 게시판 Cu 공정기술의 개요 QAS 중고기계 한공산업기계 - 2008-03-18 오후 8:26:48 5964 Cu 공정기술의 개요 Cu IC 배선 공정구조에서 Cu증착과 polishing 및 Cu 세정공정의 세부적인 설명을 하기앞서, Cu dual damascene구조를 형성하기위해서 전반적인 공정순서를 우선적으로 간단히 살펴보는것은 중요하다. 이러한 공정순서는 아래에 나열되어 있다.그리고 또한 그림 16-11에 되시화 되어있다. 1. 비 전도성 확산 방지막 증착 2. Dielectric Layer(절연막) 증착 3. Dual Damascene공정에서의 절연막 식각( Via, Trench, 확산방지막 식각) 4. 전도성 확산 방지막 증착 5. Cu seed 증착 6. Cu 전기도금증착( 전기도금증착 후 어닐링 공정) 7. Cu와 확산방지막 CMP 8. Cu 세정공정 9. 비 전도성 확산 방지막 증착 이러한 공정은 웨이퍼 전면(사전에 CMP공정에의해 평탄화 되고, 한개 혹은 그 이상의 배선층이 이미 만들어진 웨이퍼)에 대해 비 전도성 확산 방지막 증착(예: PECVD에의한 실리콘 나이트라이드증착)에서부터 시작된다. 다음 공정은 ILD(층간 절연막)이 증착된다. 리소그래피 공정을 사용하여 dual-damascene 구조의 via와 trench를 정열하고, 그후 건식식각공정에 의해 식각된다. (이것은 각 식각공정후 포토레지스트의 제거 공정을 포함하여, 2번의 리소그래피공정과 식각공정을 요구한다.) Via 아래의 SiN 확산방지막 역시 2번째 식각공정이 진행되는동안 드러나고, 금속배선층의 노출이 배선구조의 층에 형성된다. 그 다음 전도성 확산 방지막/접착막(adhesion layer)이 wafer위에 일반적으로 collimated, long-throw 혹은 이온화 금속 PVD에 의해서 증착된다. 이러한 확산 방지막/접착막(adhesion layer)의 역할을 수행하는 여러가지 다양한 물질은 Ta, TaN, TaSiN, TiN, TiSiN, WN 및 WSiN을 포함한다. 후속 공정인 Cu 전기도금 공정에서 낮은 전기적 저항path를 제공하기 위해 Cu seed 막을 확산 방지막/접착막(adhesion layer)위에 증착한다. Cu seed막은 확산 방지막/접착막(adhesion layer)을 정착할때 사용한 동일공정인 PVD공정에 의해 진공상태를 깨지않고 in-situ방식으로 증착한다. Cu를 이용한 Trench와 via 채움의 공정의 완성은 Cu 전기도금에 의해 끝이 난다. 이러한 Cu전기도금공정은 다음의 영향을 가진다. a) 증착 결함없이 recessed(배선을 위해 들어간) 구역을 증착할수있는지 여부(예:기공seam, 증착후 이러한 증착결함없을것) b) 빠른 증착속도 c) 웨이퍼 전반에 대해 균일한 증착두께를 가질것(8" 웨이퍼에서 5mm edge exclusion고려하여) CMP 공정은 via와 trench 밖으로 초과증착된 Cu를 제거하는 공정이다. 그러나 recess지역 (배선을 위해 들어간)의 Cu는 남는다. CMP공정중 확산방지막은 제거되어야 한다. 여기서 Cu와 확산방지막의 연마속도는 같은속도로 진행되어야 한다. 이러한 이유는 Ta혹은 TaN과 같은 물질은 경한물질이며, 금속간 화합물인 반면, Cu는 상대적으로 연한물질이다. CMP공정이 끝난 후에 웨이퍼는 세정되어야 하며, 웨이퍼 전반부와 웨이퍼 후면과 가장자리부에 절연막 표면에 Cu 잔류가 없어야한다. 마지막으로, 비 전도성 확산 방지막(CVD 실리콘 나이트라이드)이 웨이퍼 표면에 증착된다. 이것은 드러난 부분의 Cu의 캡화에 기여한다.(즉 이것은 들어간 부분의 Cu 배선의 구조의 캡슐화를 완전히 이룬다. 그리하여 Cu 배선구조는 확산방지막 물질에 의해 모든 면이 둘러싸이게 된다.이공정의 자세한것은 본 교재 15장 15.6과 15.9에 자세히 다루어져 있다. (그래서 여기서는 다시 언급되지 않을것이다.) 그래서 이러한 4번째 단계의 공정(확산방지막 증착과 이에 관한 물질들의 물성)에관한 논의가 시작되고, 남은 다른공정의 자세한 사항이 진행되었다. 　 16.2.1 알루미늄에서 구리배선으로의 변천 IC기술의 배선공정기술에서의 구리의 적용은 2가지방법중 한가지방법이 가능하다. 어떤공정은 다층배선의 구조물에서 알루미늄:구리(W-플러그)를 선택해왔고, 상부층에에서 구리배선의 사용만이 제한 되어져왔다. 예를든다면, 알루미늄:구리배선은 6층배선의 배선 구조물에서 4층의 하부 배선에서 사용되어 졌고 구리는 상부 2개층에서 사용되었다.(그림16-12 참조) TSMC와 같은 다른공정에 의해 4층의 알루미늄 배선층과 2개의 구리배선층으로 사용되었다. 상부의 알루미늄배선과 하부의 구리배선사이의 결합은 텅스텐 플러그 혹은 Cu-damascene 공정에 사용될수있다. 그러나, 다른 제조 회사는 배선구조 전체에서 (콘텍트홀에서 사용된 텅스텐 플러그를 사용하지 않고서) 구리배선을 사용하기로 결정하였다. 6층 구리배선구조(텅스텐 플러그를 사용하는)와 같은 예는 IBM에의해서 제안되었다.(그림 16-13을 참조) 그림16-14는 6층 구리배선구조를 SEM을 사용하여 보여주는것이다.(또한 12장의 그림12-16을 참조) 　 16.2.2 Damascene 배선구조에서의 구리증착의 해결책 층간 절연막이 적층된 Dual-damascene구조에서 구리의 증착의 향상은 매우 중요하며, 이것은 어떠한 기공과 결함이 없이 되어야한다. 아래에서부터 위로 쌓아올리는(bottom-up, superfilling) 방식으로부터 구리를 배선구조에 채울수 있는것이 중요한 점이다. 그러나 완전한 구리의 채움은 전기도금증착뿐만 아니라 절연막 식각공정에 의해서도 영향을 받으며, 확산방지막과 Cu-seed 증착공정에의해서도 영향을 받는다. 그래서, 이러한 주제는 다음에 살펴볼 3가지 단원에서 다루어질것이다. 16.3 구리배선공정을 위한 확산방지막 앞서 살펴본것처럼, 절연물질에서 확산되는 구리를 막기위해 확산방지막이 사용된다. 이 확산방지막에 의해 모든면이 둘러싸여야 한다. 하부에 놓여진 경우는 Cu가 증착 되기 이전에 증착되었다.(16.2절에 명시된것처럼) 이 절에서는 전도성 확산방지막이 보여졌다. 그리고 아래와 같은 주제로 다루어질것이다. 1. 구리 전기도금 공정에 대한 확산방지막의 중요성 2. PVD에 의한 damascene구조에의 확산방지막 증착기술 3. 확산방지막의 재료인 Ta, TaN 및 TaSiN의 물성 4. 구리배선 공정기술에서 다른 확산방지막 물질(CVD공정을 포함한 증착물질) 　 16.3.1 Damascene 구조에서 구리증착 에서의 확산방지막증착 공정의 효과 Recap공정을 하기위해, 구리배선공정에서 확산방지막은 구리의 절연막으로의 확산을 막아야하며, 구리와 절연막과의 좋은 접착력을 가져야 한다. 게다가, 확산방지막은 얇아야 하며 적합성이 있어야 하며, 전기적인 저항이 낮아야 한다. 증착은 낮은온도에서 이루어지며, 파티클의 발생이 거의 없어야 한다. 확산방지막은 또한 Cu CMP 및 Cu 전기도금공정과 상호적이어야한다. 마지막으로, 확산방지막의 증착은 기공이 없는 Cu를 damascene구조에 완전히 채울수 있는 능력을 가져야한다. 이러한 확산방지막의 증착은 연속적으로 그리고 적절한 두께를 가지며, overhang없이 25~30nm의 두께를 가지고 증착되어야한다. 확산방지막의 증착을 위해 사용되는 PVD공정은 2가지 요소에 영향을 준다. 그리고 seed와 확산방지막 증착을 위한 PVD기술은 다음 절에 기술될것이다. 　 16.3.2 구리배선에서의 확산방지막의 증착 기술에 대한 개요 Cu가 증착되기 전의 전도성 확산방지막 증착은 PVD와 CVD방법에 의해 증착되어 질수 있다. PVD은 0.13μm의 공정까지만 사용되어 왔다. 그래서 CVD로 변화할것이다. 이러한 기술의 변화는 PVD공정에 의한 trench와 hole 내에서의 박막증착도 포함한다. 길이 a의 육면체를 가진 contact 홀이 상단부에 있다고 가정하자.(그림 16-15참조) 이것은 1:1의 aspect ratio를 가지는 contact hole을 표현한다. 이러한 경우에, 육면체 상단부 에서 a²(만약 contact hole의 상단부가 열려 있지않다면) 의 면적을 가진 물질에 의해 면적이 채워질것이다. 그러나, 만약 contact hole의 상단부가 열려 있다면, 5a²가 채워질것이다. 그래서 이경우는 증착되는 물질이 contact홀의 5개의 내부면에 분포하게된다. 증착되는 두께는 contact hole의 외부 평평한 지역의 두께의 20%가 될것이다. 명백하게, 만일 hole-opening의 부분이 여전히 남아 있다면, 깊이가 증가하게 되는것이다. 또한 aspect-ratio가 증가하게 되는것이다.(예: 만약 contact hole의 개구면적이 a²로 유지되고, 깊이가 2a 가 된다면, aspect ratio는 2:1이 될것이다.그리고 증착물질에 의해 증착될 부분의 면적은 9a²가 될것이다. 그래서 PVD의경우에는 배선화공정을 위해 들어간부분의 aspect ratio가 증가함에따라,회로배선에 증착될 물질이 넓은 지역으로 퍼져 증착될 것이고 단위면적당 두께가 감소하게 된다. 게다가, 이런 홀이 증착후에는 홀의 상부 평평한 부분이 식각되거나, 제거되어질수 있다. (이것은 식각공징 혹은 CMP공정에서 더 많은 시간을 요구하게되는 심각함이 발생한다.) CVD에 의해 증착되는 경우에는 이러한 문제점들을 방지할수 있다. 왜냐하면 CVD는 반응 속도가 제어 될수 있으므로 거의 100%의 높은 aspect ratio를 가지고 증착이 된다.(Vol. 6장을 참조) 그래서 낮은 배선층에서 구리배선에서의 확산방지막을 증착하기위해 CVD가 적용될것이다. (계속적으로 aspect ratio가 증가하더라도) 앞서 논의에서 aspect ratio가 증가함에따라 PVD에 의한 contact hole 채움이 더욱더 어려워 진다. Aspect ratio가 더욱더 높아짐에따라 홀의 채움문제는 더욱더 증가하게된다. 스퍼터링된 원자는 타켓과 웨이퍼간 사이공간의 가스상태에서 충돌이 발생한다는것을 기억하라. 게다가 스퍼터링된 원자는 타겟 표면의 각 지점으로부터 균일하지 않은 코사인 분포를 가지며 스퍼터링이 발생한다. 이러한 두가지 메카니즘의 결과로, 기존의 스퍼터링 장비에서는 스퍼터링 된 원자들이 trench 내부로 들어가기보다는 더 큰 도달각을 가짐으로써 trench의 상단부 모서리 혹은 contact hole에 도달하게된다. 그래서 trench 내부의 상단부 모서리에서의 박막증착속도는 하단부 혹은 측면의 증착속도보다 더 높을것이다. 이러한 결과로부터 상단부의 개구부는 그림16-16a에서 보는것처럼 close-off상태(즉, overhang)가 시작된다. 그래서 이러한 경우는 시간이 경과함에 따라 그림16-16b에서 보는 것처럼 측면과 하단부의 증착속도는 계속적으로 느려지게 될것이다. 만일 이러한 overhang이 충분히 두꺼워지게된다면, 홀은 완전히 막혀버리게 되고 기공이 존재하게 된다. 심지어 증착인 계속적으로 일어나지 않게되며, overhang은 하단부 모서리에 shadow(그림자현상)를 일으킴으로써 도달각(arrive angle)은 이미 최소화가 진행되게 될것이다.(그림16-16b참조) 그래서, 홀의 하단부 모서리에서의 얇은 증착막이 일어나게 될것이다. 확산방지막은 하단부 전면에서 그 역활을 충분히 수행할정도로 얇아야 하기에 이러한 코너부에서의 얇은 증착은 효과적인 확산방지막의 기능을 저해할 수 있다. 이러한 하단부 모서리 에서의 얇은 증착문제를 해결하기위해 다양한 방법(CVD를 포함한)들이 연구되어져왔다. 그러나, 개량화된 스퍼터링 법이 여전히 사용되고 있다. 이러한 초기 개량화된 2가지 방법은 Collimate 스퍼터법(벌집모양의 빗살구조물이라고 불리는 collimator를 타겟과 웨이퍼 사이에 집어넣어 사용)하는 방법과 long-throw 스퍼터링(타겟과 웨이퍼가 기존의 마그네트론 스퍼터 소스보다 2배에서 4배까지 격리시키고 플라즈마는 저압상태에서 발생시킴)이 있다. 그러나, 이러한 두가지 방법은 deep sub micron과 dual-damascene 배선공정에서는 부적합하였다. 심지어 300mm 대구경의 웨이퍼에도 적합하지 않았다. 그래서 더이상 여기서는 다루지 않도록 하겠다.(그러나 더 자세한 정보는 vol 1,22판 11장에서 얻을수 있다.) 　 16.3.3 이온화 마그네트론 스퍼터 증착 CMOS에서 0.35μm(0.25μm)의 via와 contact hole에서의 적절한 확산방지막을 증착하는 2가지 스퍼터링 기술을 살펴보았지만, 3:1이상의 aspect-ratio를가지는 0.25μm(그리고 그 이하포함)의 via와 hole에대해서는 부족했다. 그래서, collimate(혹은 long-throw) 스퍼터링, 이른바 이온화 마그네트론 스퍼터링 혹은 I-PVD(applied materials로부터 개발된이온 금속 플라즈마(IMP))가 차세대 ULSI의 확산방지막증착을 위해 개발되어왔다. 이러한 방법에서, neutral-금속원자들은 타겟과 웨이퍼사이에서 이온화가 된다. 웨이퍼에서의 바이어스는 전기적인 가속화에 의해 이온들이 에너지와 방향이 조절되어(위에퍼에 대해 수직적으로) 증착한다. 이것을 수행하기위해 몇개의 스퍼터링-소스의 형태가 개발되어 왔다. 그림16-17a는 상용화된 I-PVD장비인 이온화 마그네트론 스퍼터의 챔버를 도식화한것이다. 기존 마그네트론 소스(DC 전원공급)는 타겟으로부터 neutral 금속원자가 발생된다.(마그네트론은 타겟주위에 플라즈마와 dark space를 발생시킨다.) 그러나, rf전원(수냉각방식)은 그림 16-17b처럼 챔버내에서 위치한다. 이 코일은 ICP 에의해 13.56Mhz rf전원공급으로부터 secondary 플라즈마를 발생한다. 챔버내의 압력을 20~40mtorr까지 올림에따라 secondary 플라즈마의 깊이정도는 (음극과 wafer chuck간의 거리가 증가함에따라) 8~10cm까지 증가한다. 웨이퍼에 도달한 스퍼터된 원자에 의한 충돌의 횟수가 (가스상태를 통한 이동시간이 증가함과 같이) 증가된다. 이러한 긴 이동시간과 이온화된 금속원자들의 포텐셜은 아르곤 원자보다 훨씬낮음으로써 secondary 플라즈마에 의한 금속원자의 이온화가 더욱 가속화 된다.(예: Ti 스퍼터링 공정의 경우, 일반적으로 50~70% Ti원자가 이온화 된다.) 그래서 중간정도의 밀도를 가진 secondary플라즈마는 웨이퍼와 음극사이지역에서 발생하게 된다.(5x1011~1012 ions/cm³) 이제 I-PVD의 주요장점들을 살펴보자. 웨이퍼의 네거티브-바이어스를 인가함으로써, 이온화된 메탈원자들은 웨이퍼를 향해 가속화 할 수 있을것이다. 그래서 금속이온들은 웨이퍼 표면에 정확하게 도달한다. 게다가 웨이퍼-바이어스 전원공급은 금속이온들에게 운동에너지를 주게되어 웨이퍼에 이러한 금속이온들이 도달하게 제어한다. 웨이퍼의 절연면(혹은 웨이퍼 후면)의 바이어스의 문제를 극복하기 위해 rf-전원공급을 사용하여 이러한 문제를 해결하였다. 웨이퍼의 이온-플럭스는 수냉정도에 따라 약 25와트~수백 와트의 전원감소의 결과를 가져왔다. I-PVD를 사용한 높은 aspect-ratio의 하단부 증착은 collimator를 이용한 경우보다 더욱 좋은것을 볼수 있었다. 이것은 8:1의 aspect ratio와 0.18μm의 홀에서 40~80% 하단부 증착에 도달했다. 하단부 증착율은 높은반면, (그림 16-18참조; 비록 측면부의 증착이 계속 되지만) 측면 증착은 더욱 얇다는것을 인지하라. I-PVD공정의 몇가지 다른 장점을 살펴보겠다. 첫째, collimate 스퍼터링보다 훨씬 우수한 타켓-시스템(colimate에 의한 간섭대신, 웨이퍼 표면에 도달하는 대부분의 스퍼터된 원자)을 할수 있었다. 그래서 스퍼터링 수율을 높힐수 있었다. 둘째, 높은 fulx를 가지는 금속 이온은 웨이퍼에 대해 수직적으로 배향되어 홀의 상단부 모서리에서 overhang을 재 스퍼터링한다. 이러한 것은 홀의 상단부에서 closing-up을 유지시켜줄수 있다. 그림 16-18은 I-PVD에 의한 높은 aspect-ratio의 하단부와 측벽면의 증착을 보여준다. 셋째, 웨이퍼에 인가된 네거티브 바이어스는 이온화된 금속원자를 via의 하단부까지 충돌하게 할뿐만아니라 금속이온(혹은 아르곤이온)들이 운동에너지를 가지고 웨이퍼에 bombard(충돌)을 일으킨다. 적절한 바이어스의 수준에서는 배선구조의 하단부에 재 스퍼터링을 일으켜서 적은 측면부의 증착에대해 재분배도 할수 있다.(그림16-19참조) 정확히 collimate와 long-throw PVD에서 가장 적은 증착이 일어난다. 부분적인 재 스퍼터링은 증착된것을 정도에따라 일정하게 재단하는데 이용된다. 그리고 이러한 스퍼터링은 확산방지막 증착뿐만아니라 seed층의 증착에 널리 이용된다. I-PVD의 개념이 앞서 기술한것처럼 많은 장점을 가지고 있는 반면, 내부 코일-형상은 실제적으로 상당히 복잡하다. 첫째, 코일은 스퍼터링 타겟의 물질로 코딩되어질수 있다. 만일 너무 두껍다면 flake형태로 떨어져서 파티클을 발생시킨다. 둘째, 코일 자체로부터 나온 물질도 스퍼터될수 있다.이런물질은 웨이퍼에 마지막에 재증착 될수 있다. 구리코일은 구리-seed 증착공정시 이러한 문제를 일으킬수 있다. Ta 혹은 Ti의 증착과정시 이것은 돌이킬수 없다. 대신에 코일을 Ta 혹은 Ti로 만드는것이 필요하다. 그러나, 이러한 코일(냉각수의 유량에대해서도 역시 고려필요)은 고정된것은 아니다.2가지 다른 I-PVD소스의 형상은 최근 상용화되어 출시되었다. 　 16.3.4 Hollow -음극 마그네트론 스퍼터링 소스 Hollow -음극 마그네트론 스퍼터링(HCM)은 Novellus INOVA 스퍼터링 시스템에서 만들어졌다 (그림 16-20참조). 그림을 보면 웨이퍼에 도달하는 이온화 마그네트론 스퍼터링 시스템과 비슷한 장치이다. 일정한 플라즈마를 발생하는 컵모양의 Hollow -음극 마그네트론 스퍼터링 타켓은 타겟 표면의 큰 분율로 스퍼터링을 가능하게 한다. 이러한 컵모양의 타겟 형상에 의해 챔버 벽면에 증착되는것 대신에 neutral의 상당한 분율이 타겟표면에서 재 증착된다. 이것은 높은 타겟의 활용의 잇점을 제공한다. 게다가 고밀도의 플라즈마를 발생시킬 내부의 rf-코일이 필요하지 않다. 대신에 영구자석의 배향이 타겟에 의해 스퍼터된 뉴트랄의 이온화(90%이상의 이온화)를 함으로써 전자들을 방출하게 했다. 웨이퍼 척에서의 바이어스는 웨이퍼로부터의 이온화된 스퍼터 원자들을 수직방향으로 가속화하였다. 이것은 높은 aspect-ratio의 홀을 가능하게 했다. HCM은 Ta, TaN,TiN,Cu의 스퍼터링 증착에 사용될수 있다. 　 16.3.5 self-이온화 플라즈마 스퍼터링 소스 I-PVD기술을 대체할 또다른 새로운 스퍼터링 장비는 최근 어플라이드 머티리얼사에 의해 개발되었다. 이름하여 SIP(self-이온화 플라즈마 스퍼터링)이다. 그리고 이것은 IMP에서 메탈원자의 이온화에 필요하였던 rf-코일의 사용이 필요치 않았다. 이러한 소스에관해 많이 제시되지 않았지만, 몇몇에 관해 설명되었다. 이 소스는 상대적으로 낮은 압력(2mTorr이하)에서 타겟과 웨이퍼간의 거리가 기존 마그네트론 스퍼터 소스에 비해 더 길어져 운용된다. 이것은 금속이온의 mean free path (평균자유행로)를 증가시키고, 금속이온의 self-collimation을 제공한다. self-이온화 플라즈마는 소스에 의해 스퍼터된 금속원자들이 이온화 됨을 시사하고, 다른 금속원자에 충분한 에너지를 가지고 타겟으로 되돌아 간다.그리고 또한 추가적인 전자를 발생한다. 이러한 추가적인 전자의 스퍼터된 금속원자의 이온화를 발생하고, self-이온화 플라즈마를 유지하면서 보다 더 많은 금속이온화를 유도한다. 이러한 현상은 명백하게 구리와 같은 이온화 에너지가 작은 금속원자를 효과적으로 이온화시킨다. 그러나 Ta과 같은 높은 이온화 어네지를 가지는 금속원자에대해서도 적용되 될지는 의문시 되고 있다. 16.3.6 Ta의 물성과 반도체 적용을 위한 정제된 Ta Ta(혹은 Ta에 기초한 TaN, TaSiN)은 Cu-damascene공정에서 확산방지막으로 널리 사용되어오고 있다. 이러한 이유로 이러한 원소에 대한 사용배경을 살펴보자. 16.3.6.1 Ta의 물성 Ta은 원자번호 73의 재구성된 금속원소이다.원자질량은 약 181이며, BCC(체심입방)구조를 가지고 있다. 그리고 회색의 색깔을 띄고있다. 이것은 높은 융점(2996˚C)을 가짐으로써 Cu의 확산방지막으로 널리 사용되며, 이것은 구리와 혼합하지 않기에 사용가능하다. 또한 금속-산소간 결합과 매우 높은 금속간본딩이 강하게 형성된다. 그래서 이것은 낮은 접촉저항과 구리에대해 좋은 접착력을 가지있다. 아주미량의 질소를 이용한 Ta의 도핑은 확산행로를 막을 수 있다. TaN(질소분위기에서 스퍼터한 경우 반응한)도 역시 확산방지막으로서 사용된다.TaN은 다음에 논의 될 것이다. 　 16.3.6.2 스퍼터링 타겟 Ta의 제조와 정제 자연상태에서는 Ta2O5로 존재한다. Ta의 천연광물은 tantalite(Fe,Mn)Ta2O5이다. 오스트리아 서부는 고순도의 Ta의 최대 제조업체이며, 이러한 순도의 광물은 Ta제조업체로 정제되기 위해 수송된다. 정제된 Ta의 주요 시장은 capacitor등급 분말(50%), Ta선과 분쇄제품 (16%), 화학적 복합물(탄탈륨 카바이드)가 14%, 금속합금물 첨가제(6%)로 이루어져있다. 스퍼터링 타겟과 같은 고성능의 Ta제품은 Ta 와이어와 밀링 제품의 10%를 차지하고 있다. Tatalite 광석만이 Ta의 재료가 아니다. 거의 Ta의 총사용량의 25%가 재활용되고 있다. 사실상 고순도의 스퍼터링 타겟을 위한 시장은 점차 증가 하고 있다. 앞으로는 반도체 공정에서의 Ta타겟이 필수적이며 많은 부문 점유할것이다. Ta의 정제공정과 추출은 분말상태에서 Ta를 화학적 침강 시켜 얻는다. 재활용된 Ta의 고밀도, 고순도 분말은 진공용해로서 얻는다.(Ta는 산소,질소와 탄소에 반응을 하며, 열처리는 진공 혹은 불활성가스에서 이루어져야기 때문에) 스퍼터와 같은 증착에서 요구되는 응용을 위해 정제된 Ta가 필요하고, 이것은 진공용해공정에서 Ta분말에 의해 얻어질수 있다. 일반적으로, Ta 잉곳트(잉곳트란: 원료로 구성된 막대봉을 뜻함)는 불순물의 정제를 위해 여러차례 녹이게 된다. 이러한 이유는 Ta의 녹는점이 대부분 다른금속들보다 높기때문이다. 그리고, 침입형 가스(산소, 질소, 탄소)에서 많은 불순물이 발생한다. 그러나, 다른원소와의 재결합(즉, 니오븀, 몰리브덴, 텅스텐과 같은)에 의해 진공용해동안은 이들이 희발되지 않는다. 하지만 이들은 녹을수 있는 불순물로써 Ta내에 존재하게된다. 하지만 이들 금속오염적인 재결합물은 특성화된 front-end 화학추출공정에 의해 줄여질수 있으며, 최종적으로 최종적으로 순수한 Ta의 잉곳트를 얻을수 있다. 예를들면 Cabot 물성에 관한 한 부서는 99.999%의 순도의 Ta 잉곳트를 요구한다. 이러한 순수한 잉곳트는 작은 크기의 결정립을 가진 다결정 Ta로 구성되어 있다. 이러한 잉곳트는 최종 어닐링 공정에서 결정립 구조를 재결정화 하기위해 절대온도에서 냉각 공정처리가 된다. Ta 스퍼터링 타겟을 위한 미세조직구조는 작은것을 요구하며, 균일한 다결정 구조를 원한다. Ta 결정 grain은 (111) 혹은 (001)으로 구조를 가진다. Ta의 잉곳트는 (111)방향으로 주로 배열되기 선호한다. 이러한 이유는 (001)클러스터를 가지는 Ta스퍼터 타겟에서는 스퍼터되는 수율이 낮기때문이고, Ta는 BCC(체심입방정구조)이며, 이것은 부식율이 (111)에관해 일어나는것이 (001)으로 일어나는 것보다 더욱 증가되기 때문이다. (111):(001)의 grain 비율은 변형사에 의해 다루어진다. 요약하자면, 열화학적 공정을 통해 얻은 Ta 스퍼터링 타겟에서의 균일한 조직은 타겟의 특성에서 매우 중요하다. 열화학적 공정과 정제공정은 매우 비싼 공정임을 기억하라 그 결과 또한 Ta 스퍼터링 타겟은 매우 비싸다. (4만달러 혹은 그이상) 　 16.3.6.3 Cu확산방지막으로써 Ta, TaN와 TaSiN의 물성 Cu 원자의 확산 이동을 막기위해 확산방지막은 Cu와 반응하지 않아야 한다. 일단 Cu가 증착된 웨이퍼에서의 확산방지막은 최대온도까지 열적 안정화 상태로 유지해야한다. 온도는 500˚C를 초과하지 않으며, 확산방지막은 이 온도에서 안정화 될것이다. Ta와 TaN박막은 550˚C까지에서도 열적으로 안정함이 관찰되었다. 그리고 이들은 back-end공정에서도 적합하였다. 그러나, 16.1절에서 본 것처럼 확산방지막은 Cu의 접착막으로 작용해야하기에 이들 확산방지막은 확산방지와 Cu와 접착능력을 가져야한다. 만일 확산방지막 물질이 Cu와 전혀 반응이 없다면, 접착력이 없을것이다. 만약, 이들 물질이 너무 쉽게 반응한다면, 이것은 확산방지막으로 제 기능을 다하지 못할것이다. 좋은 확산방지막 특성과 구리와 좋은 접착력을 위해서는 이상적인 확산 방지막은 Cu와 self-limiting적으로 반응해야 한다. Ta박막에서, Ar분위기에서 Ta 타겟을 사용하여 스퍼터하여 구리에대한 확산방지막을 조사하였다. Ta의경우 Ta 박막위에 구리층이 증착된 상태로 계면을 보였다. 그러나, 3nm두께의 비정질 층이 400˚C 에서 1시간동안 어닐링 한 후의 Ta/Cu계면에서 관찰되었다. 이러한 비정질 층의 메카니즘은 Ta가 400˚C에서 Cu에 평형용해도를 가지지 않기에 명확히 이해되지 않았다. 그리고, 구리와 복합물을 형성하지 않았다. 그럼에도 불구하고, 이 비정질 박막은 Ta와 Cu에 접착력을 향상 시킨다고 생각된다. 게다가 Ta의 박막은 111방향으로 증착된 Cu의 핵 생성막을 생성하는데 잇점을 가진다. 그러나, Ta의 확산방지막은 PVD에 의해 증착되어 다결정의 박막을 가진다. 그래서 심지어 400˚C에서 Ta와 Cu사이의 반응이 근거리에서 발생한다. 구리은 탄탈륨 박막의 입계를 따라 확산되며, 절연막으로 이동해간다. 그래서, Ta만으로는 적절한 확산방지막으로 사용될 수 없다. TaN은 Ta와 관련이 있는 물질이며, 융점이 3087˚C의 고융점을 가지며, 미세조직구조역시 더욱 조밀하다. Ta 타겟을 사용하여 스퍼터링 가스 분위기에서 아르곤 가스에 질소를 첨가함으로써 PVD방법으로 증착이된다. 그래서 Ta는 웨이퍼위에 스퍼터되게되고, 질소와 반응하여 TaN의 박막을 형성하게 된다. TaN박막은 Ta보다 더욱 반응의 민감성이 적고 구리와 반응하지 않는다. 게다가 TaN은 질소의 유량에따라 비정질이 만들어지거나, 다결정 박막이 만들어진다. TaN은 Ta보다 더욱 우수한 확산방지막으로 알려져왔다. 그러나, TaN은 Cu와 반응하지 않아서, 이것은 Cu와 접착력문제에서는 좋지않다. Cu-CMP공정에서, 접착력의 특성은 중요하다. 각 박막(Ta, TaN)의 이런 제한점을 극복하기위해 TaN/Ta, Ta/TaN/Ta와 같은 2층,3층 박막을 사용이 제안되었다. 이러한 다층박막은 Cu배선공정에 전반적으로 요구되었다. TaSiN은 또다른 구리확산방지막 물질로 대두되었다. 이것은 TaSi(낮은 Si의 조성)타겟을 사용하여 아르곤과 질소분위기에서 증착되었다. TaSiN는 비정질로 재결합하였고, 다결정 박막에서의 확산통로로서 작용할수 있는결정입계를 전혀 가지지 않았다. 이것은 하라씨등에의해 보고되어왔다. TaSiN은 TaN/Ta보다 더욱 좋은 접착력과 확산방지막의 특성을 보였다. 게다가 TaSiN확산방지막위에서의 구리증착은 같은 (111)방향으로 증착되었다. 1999-2000년에 발표된 75페이지 이상의 자료조사는 TaSiN이 Ta와 TaN보다 더욱 높은온도에서 확산방지막으로 작용함을 보여주었다. 그러나, Si가 복합물(TaSiN, TiSiN)로 존재함으로 저항이 높다. 그래서 반도체제조업체는 TaN 혹은 Ta를 구리의 확산방지막으로서 선호한다. 　 16.3.7 다른 구리 확산방지막의 대두 다양한 구리 확산방지막으로서의 물질들이 조사되고있고, 대부분(TiN, TiSiN, WN)등이 본절에서 이야기된다. TiN은 알루미늄배선공정에서 좋은 확산방지막으로 널리 사용되어 왔다. 반면, 구리에서의 경우 확산방지막은 역시 확산방지막으로서의 역할을 하지만, 접착층박막측면으로서 Ta만큼 좋지는 않다. CVD-TiN은 여전히 구리의 확산방지막으로 고려되고 있긴하지만, 이것들은 PVD-TaN, Ta만큼 효과적이지 않다. 게다가 TiN위에서 증착된 구리박막은 Ta위에서 증착된 구리박막보다 (111)방향으로 약한 구조를 가진다. 그래서, PVD 혹은 CVD로 증착된 TiN은 구리배선공정에 널리 적용되고 있지 않다. 그러나, ALD의 의해 증착된 TiN은 구리배선공정에 적합한 확산방지막으로써 언급되어 왔다. ALD에 의한 TiN증착은 최근에 보고되었다. 그러나 CVD에 의해 증착된 TiSiN은 TiN에 비해 상당히 향상된 확산방지막으로 알려졌다. 질소를 사용하여 증착된 TiN은 향상된 확산방지막의 역할을 나타내었다. TiSiN은 역시 electromigration특성에 좋은 구리에 대해 좋은 접착력을 보인다. CVD-TiSiN은 TDMAT에의해 증착 되었고, silane은 프리커서로 사용되었다. (추가적인 TDMAT에의한 CVD-TiN은 Vol.1 6장 6.7.3절을 살펴볼것) CVD에 의한 확산방지막의 증착은 0.1마이크로이하에서 적요이 가능하다. CVD에의해 증착된 텅스텐 나이트라이드 역시 구리 확산방지막으로 고려되고 있는 물질이다. 제한적인 개발의 CVD-WN가 GENUS에 의해 1999년 제안되었다. 그러나, 이것은 상업적으로 적용이 적합하지 않았다. 이들은 구리의 확산방지막으로서 PVD-Ta 혹은 TaN보다 덜 효과적인 박막으로 결정되어졌다. 　 *작성자 : 한양대학교 금속재료공학과 박사과정 홍의관 중고기계 한공 중고기계 중고 공작기계 중고산업기계 식품기계 한공기계 011-232-9991 한공 중고기계 중고 공작기계 중고산업기계 식품기계