미세 Ru 배선 적용을 위한 확산방지층 소재가 Ru/SiO2 계면접착에너지에 미치는 영향

Effects of Diffusion Barrier Materials on the Interfacial Adhesion Energy of Ru/SiO2 for Advanced Ru interconnect

차세대 Ru 배선 적용을 위해 확산방지층과 절연층 사이의 계면접착에너지를 평가하였다. 전이금속 질화물을 확산방지층으로 적용하고double cantilever beam 시험법을 통해 계면접착에너지를 평가하였으며, 박리 파면을 분석하였다. TiN와 MoN를 확산방지층으로 적용하였을 때의 계면접착에너지는 각각 1.42 ± 0.27, 3.53 ± 0.61 J/m2으로 MoN이 TiN보다 약 1.5배 정도 높은 것을 확인하였다. 박리 파면의 X-선 광전자 분석 결과, 두 시편 모두 확산방지층과 SiO2 계면에서 박리가 발생한 것을 확인하였다. 이는 MoN이 TiN에 비해 SiO2와의 열팽창계수차이가 작아 박막 증착 및 공정 열처리 중 발생하는 잔류응력이 상대적으로 적기 때문으로 판단된다. 또한, MoN는 TiN보다 높은 산화 활성화 에너지 값을 가지므로 보다 안정적인 산화물을 형성하며, 이로 인해 MoN이 더 높은 계면접착에너지 값을 나타내는 것으로 판단된다.

The quantitative interfacial adhesion energies of transition metal nitride materials were evaluated using the double cantilever beam method for advanced Ru interconnect applications, and the delaminated surfaces were analyzed to identify the failure locus. When TiN and MoN were applied as diffusion barrier layers, the interfacial adhesion energy was 1.42 ± 0.27 and 3.53 ± 0.61 J/m2, respectively. This indicates that the MoN exhibited approximately 1.5 times higher adhesion than TiN. The X-ray photoelectron spectroscopy results confirmed that both samples exhibited delamination between the diffusion barrier and the SiO2 interface. This suggests that the higher interfacial adhesion energy observed in the MoN sample is attributed to the lower mismatch in coefficient of thermal expansion with SiO2, resulting in reduced residual stress during film deposition and thermal processing. In addition, the higher oxidation activation energy of MoN compared to TiN leads to the formation of a more stable oxide, thereby contributing to its higher interfacial adhesion energy.