미세 Cu 배선 적용을 위한 SiNx/Co/Cu 박막구조에서 Co층이 계면 신뢰성에 미치는 영향 분석

Effect of Co Interlayer on the Interfacial Reliability of SiNx/Co/Cu Thin Film Structure for Advanced Cu Interconnects

비메모리 반도체 미세 Cu배선의 전기적 신뢰성 향상을 위해 SiNx 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 SiNx/Cu 구조는 계면접착에너지가 0.90 J/㎡이었으나 SiNx/Co/Cu 구조에서는 9.59 J/㎡으로 SiNx/Cu 구조보다 약 10배 높게 측정되었다. 대기중에서 200℃, 24시간 동안 후속 열처리 진행한 결과 SiNx/Cu 구조는 0.93 J/㎡으로 계면접착에너지의 변화가 거의 없는 것으로 확인되었으나 SiNx/Co/Cu 구조에서는 2.41 J/㎡으로 열처리 전보다 크게 감소한 것을 확인하였다. X-선 광전자 분광법 분석 결과 SiNx/Cu 도금층 사이에 Co를 증착 시킴으로써 SiNx/Co 계면에 CoSi2 반응층이 형성되어 SiNx/Co/Cu 구조의 계면접착에너지가 매우 높은 것으로 판단된다. 또한 대기중 고온에서 장시간 후속 열처리에 의해 SiNx/Co 계면에 지속적으로 유입된 산소로 인한 Co 산화막 형성이 계면접착에너지 저하의 주요인으로 판단된다.

The effect of Co interlayer on the interfacial reliability of SiNx/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 SiNx/Cu thin film structure was 0.90 J/㎡. This value of the SiNx/Co/Cu thin film structure increased to 9.59 J/㎡.Measured interfacial adhesion energy of SiNx/Co/Cu structure was around 10 times higher than SiNx/Cu structure due to CoSi2 reaction layer formation at SiNx/Co interface, which was confirmed by X-ray photoelectron spectroscopy analysis. The interfacial adhesion energy of SiNx/Co/Cu structure decreased sharply after post-annealing at 200℃ for 24 h due to Co oxidation at SiNx/Co interface. Therefore, it is required to control the CoO and Co3O4 formation during the environmental storage of the SiNx/Co/Cu thin film to achieve interfacial reliability for advanced Cu interconnections.