후속 열처리에 따른 Cu 박막과 ALD Ru 확산방지층의 계면접착에너지 평가

Effect of Post-annealing on the Interfacial adhesion Energy of Cu thin Film and ALD Ru Diffusion Barrier Layer

차세대 초미세 Cu 배선 적용을 위한 원자층증착법(atomic layer deposition, ALD)을 이용하여 증착된 Ru확산 방지층과 Cu 박막 사이의 계면 신뢰성을 평가하기 위해, Ru 공정온도 및 $200^{\circ}C$ 수식 이미지 후속 열처리 시간에 따라 4점굽힘시험으로 정량적인 계면접착에너지를 평가하였고, 박리계면을 분석하였다. 225, 270, $310^{\circ}C$ 수식 이미지 세 가지 ALD Ru 공정온도에 따른 계면접착에너지는 각각 8.55, 9.37, $8.96J/m^2$ 수식 이미지로 유사한 값을 보였는데, 이는 증착온도 변화에 따라 Ru 결정립 크기 등 미세조직 및 비저항의 차이가 적어서, 계면 특성도 거의 차이가 없는 것으로 판단된다. $225^{\circ}C$ 수식 이미지의 공정온도에서 증착된 Ru 박막의 계면접착에너지는 $200^{\circ}C$ 수식 이미지 후속 열처리시 250시간까지는 $7.59J/m^2$ 수식 이미지 이상으로 유지되었으나, 500시간 후에는 $1.40J/m^2$ 수식 이미지로 급격히 감소하였다. 박리계면에 대한 X-선 광전자 분광기 분석 결과, 500시간 후 Cu 계면 산화로 인하여 계면접착 에너지가 감소한 것으로 확인되었다. 따라서 ALD Ru 박막은 계면신뢰성이 양호한 차세대 Cu 배선용 확산방지층 후보가 된다고 판단된다.

The effects of Ru deposition temperature and post-annealing conditions on the interfacial adhesion energies of atomic layer deposited (ALD) Ru diffusion barrier layer and Cu thin films for the advanced Cu interconnects applications were systematically investigated. The initial interfacial adhesion energies were 8.55, 9.37, $8.96J/m^2$ 수식 이미지 for the sample deposited at 225, 270, and $310^{\circ}C$ 수식 이미지, respectively, which are closely related to the similar microstructures and resistivities of Ru films for ALD Ru deposition temperature variations. And the interfacial adhesion energies showed the relatively stable high values over $7.59J/m^2$ 수식 이미지 until 250h during post-annealing at $200^{\circ}C$ 수식 이미지, while dramatically decreased to $1.40J/m^2$ 수식 이미지 after 500 h. The X-ray photoelectron spectroscopy Cu 2p peak separation analysis showed that there exists good correlation between the interfacial adhesion energy and the interfacial CuO formation. Therefore, ALD Ru seems to be a promising diffusion barrier candidate with reliable interfacial reliability for advanced Cu interconnects.