Ar-N2 플라즈마가 Cu 표면에 미치는 구조적 특성 분석

Structural Characteristics of Ar-N2 Plasma Treatment on Cu Surface

Cu-Cu 웨이퍼 본딩 강도를 향상시키기 위한 Cu 박막의 표면처리 기술로 $Ar-N_2$ 수식 이미지 플라즈마 처리 공정에 대해 연구하였다. $Ar-N_2$ 수식 이미지 플라즈마 처리가 Cu 표면의 구조적 특성에 미치는 영향을 X선 회절분석법, X선 광전자 분광법, 원자간력현미경을 이용하여 분석하였다. Ar 가스는 플라즈마 점화 및 이온 충격에 의한 Cu 표면의 활성화에 사용되고, $N_2$ 수식 이미지 가스는 패시베이션(passivation) 층을 형성하여 -O 또는 -OH와 같은 오염으로부터 Cu 표면을 보호하기 위한 목적으로 사용되었다. Ar 분압이 높은 플라즈마로 처리한 시험편은 표면이 활성화되어 공정 이후 더 많은 산화가 진행되었고, $N_2$ 수식 이미지 분압이 높은 플라즈마 시험편에서는 Cu-N 및 Cu-O-N과 같은 패시베이션 층과 함께 상대적으로 낮은 수치의 산화도가 관찰되었다. 본 연구에서는 $Ar-N_2$ 수식 이미지 플라즈마 처리가 Cu 표면에서 Cu-O 형성 억제 반응에 기여하는 것을 확인할 수 있었으나 추가 연구를 통하여 질소 패시베이션 층이 Cu 웨이퍼 전면에 형성되기 위한 플라즈마 가스 분압 최적화를 진행하고자 한다.

The effect of $Ar-N_2$ 수식 이미지 plasma treatment on Cu surface as one of solutions to realize reliable Cu-Cu wafer bonding was investigated. Structural characteristic of $Ar-N_2$ 수식 이미지 plasma treated Cu surface were analyzed using X-ray diffraction, X-ray photoelectron spectroscopy, atomic force microscope. Ar gas was used for a plasma ignition and to activate Cu surface by ion bombardment, and $N_2$ 수식 이미지 gas was used to protect the Cu surface from contamination such as -O or -OH by forming a passivation layer. The Cu specimen under high Ar partial pressure plasma treatment showed more copper oxide due to the activation on Cu surface, while Cu surface after high $N_2$ 수식 이미지 gas partial pressure plasma treatment showed less copper oxide due to the formation of Cu-N or Cu-O-N passivation layer. It was confirmed that nitrogen plasma can prohibit Cu-O formation on Cu surface, but nitrogen partial pressure in the $Ar-N_2$ 수식 이미지 plasma should be optimized for the formation of nitrogen passivation layer on the entire surface of Cu wafer.