몰리브덴 확산방지막에 직접전해도금법에 의한 구리 나노박막의 전기화학적 형성 연구

Abstract

무어의 법칙에 따라 성장해온 반도체 기술은 4차산업 핵심 기술로 여겨지고 있다. 이러한 반도체기술 수준이 높아짐에 따라 반도체 기기 내부는 내부 결함(defect)으로 작용되는 틈(seam), 공공(void)을 줄이며 고집적화, 소형화로 초점이 맞춰왔다. 본 연구에서는 현재 내부 배선으로 사용되는 트렌치(trench)구조 내 구리(Cu, copper) 씨앗층(seed layer)이 없는 직접전해도금법(direct electro-deposition)을 이용하여 전해도금 단계에서 결함이 발생하지 않고 균일한 구리층을 채우는 것을 목적으로 설정하였다. 전해도금 공정 중 구리와 실리콘(Si, silicon)이 결합하여 실리콘의 순도를 낮추는 것을 막기 위해 이산화규소(SiO2) 위에 몰리브덴(Mo, molybdenum)을 확산방지막으로 사용하였다. 이러한 확산방지막은 기본적으로 전극으로서 역할을 수행하므로 적절한 전기전도도를 가져야 한다. 기존에 알려진 텅스텐(W), 질화텅스텐(WNx), 탄탈럼(Ta) 등을 대체하여 30 ~ 50 nm 두께의 몰리브덴 위에 증착 실험을 진행하여 차세대 확산방지막의 가능성을 확인하였다. 또한, 다양한 첨가제 중 착화제(complexing agent), 억제제(suppressor)를 사용하여 구리층을 균일하게 증착하고자 하였다. 착화제로 이미노디아세트산(IDA, iminodiacetic acid)과 억제제로 폴리에틸렌글리콜(PEG, polyethylene glycol)을 사용하였다. 모든 실험은 기본적으로 300 mL 용량에 황산구리(CuSO4)를 기반으로 수용액을 제조하였다. 수산화칼륨(KOH)를 이용하여 전해질의 pH를 조절하였다. 먼저 화학평형상태도(chemical equilibrium diagram)를 통해 전해질의 pH에 따른 구리와 리간드(ligand)의 반응을 알아보고 안정도 상수(stability constant)를 바탕으로 친밀도(affinity)를 나타냈다. 환원 영역에서 전류밀도(current density)의 변화가 나타난 전위(potential)를 알아내기 위해 순환 전압전류법(CV, cyclic voltammetry)를 통해 실험을 진행하였다. 또한 선행 연구를 통해 확산 제어(diffusion limited) 조건이 구리와 IDA가 1:10의 비율에서 나타낸다는 것을 확인했다. 이후 확산 제어 조건에서 전해도금의 변수로 알려진 pH, 환원전위, 증착시간(deposition time), 첨가제의 농도에 따라 최적의 증착 조건을 찾고자 정전위(potentiostatic deposition) 실험을 진행한 뒤 각 조건에 따른 확산 계수(diffusion coefficient)를 Cottrell equation을 통해 비교하였다. 변수에 따라 증착된 구리 박막과 몰리브덴 확산방지막의 스크래치 저항(scratch resistance)과 접합 강도를 측정하기 위해 나노스크래치시험기(nano scratch tester)를 사용하였다. 증착된 표면의 형상을 알아보기 위해 전계방출형 주사전자현미경(FE-SEM, field emission scanning electron microscopy)과 원자간력현미경(AFM, atomic force microscopy)을 사용하여 표면의 증착 형상을 확인하였다. 또한 이론적 증착량과 실제 증락량의 비를 전류 효율 (current efficiency)를 비교하였다. 위와 같이 네 가지 변수에 따른 전기화학적 실험을 통해 구리 박막의 최적의 형성 조건과 그에 따른 스크래치 저항 비교를 성공적으로 마칠 수 있었다.