고집적 반도체 배선용 Cu(Mg) 박막의 전기적, 기계적 특성 평가

Electrical and Mechanical Properties of Cu(Mg) Film for ULSI Interconnect

반도체 소자의 배선용 재료로서 사용가능한 합금원소 Mg를 첨가한 Cu(Mg) 박막의 기계 및 전기적 특성 변화를 조사하였다. Cu(2.7at.%Mg) 박막은 열처리를 할 경우 Cu 박막에 비하여 표면거칠기는 약 1/10 정도로 줄고 SiO₂와의 접착력도 2배 이상 향상된 결과를 나타내었다. 또한 300℃이상의 온도에서 10분 이상 열처리를 할 경우 급격한 저항감소를 보여주었는데 이는 Mg 원소의 확산으로 인해 표면 및 계면에서 Mg 산화물이 형성되고 내부에는 순수 Cu와 같이 되었기 때문이다. 경도 및 열응력에 대한 저항력도 Cu박막에 비해 우수한 것으로 나타났으며 열응력으로 인해 Cu 박막에 나타나던 표면 void가 Cu(Mg) 박막에서는 전혀 관찰되지 않았다. EM Test 결과 lifetime은 2.5MA/cm², 297℃에서 순수 Cu 라인보다 5배 이상 길고 BTS Test 결과 Capacitance-Voltage 그래프의 플랫 밴드 전압(V_{F} )의 shift현상이 Cu에서는 나타났지만 Cu(Mg) 박막에서는 발생하지 않는 우수한 신뢰성을 보여주었다. 누설전류 측정을 통한 SiO₂의 파괴시간은 Cu에 비하여 약 3배 이상 길어 합금원소에 의한 확산방지 효과가 있음을 확인하였다.

The electrical and mechanical properties of sputtered Cu(Mg) films are investigated for highly reliable interconnects. The roughness, adhesion, hardness and resistance to thermal stress of Cu(Mg) film annealed in vacuum at 400℃ for 30min were improved than those of pure Cu film. Moreover, the flat band voltage(V_{F} ) shift in the Capacitance-Voltage(C-V) curve upon bias temperature stressing(BTS) was not observed and leakage currents of Cu(Mg) into SiO₂ were three times less than those of pure Cu. Because Mg was easy to react with oxide than Cu and Si after annealing, the Mg Oxide which formed at surface and interface served as a passivation layer as well.