90 나노 이하 반도체 배선공정에서의금속결함 개선에 관한 연구 = A study on Improvement of Metal Defects at sub 90nm Back-end Metallization Process

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

As the device dimension continually shrinks, metallization process at sub 90nm memory device faces the issues and challenges of metal void and defects by high aspect ratio and multilevel metal lines. The tungsten gap fill issue was studied in metal 1 contact fill process integrated with MOCVD and TiCl4 barrier metal as one of critical metal defects. The tungsten nucleation step provided major impact on gap fill capability. The B2H6 based atomic layer deposition (ALD) showed the best results and the advanced nucleation layer (ANL) also performed better than the conventional CVD tungsten.
And Aluminum whisker issue was easily found in metal 1 and metal 2 process at 300C temperature which resulted in device yield drop to 10%~20% due to line short bride. To solve this issue, a study has focused on wafer stress relaxation and contamination removal before and after aluminum process. The various and process conditions were tested and optimized to fit the hardware condition and prevent aluminum whiskers. The good results of whisker defects removal have been achieved by the enhanced degassing and two step process of aluminum deposition.

국문 초록 (Abstract)

반도체 소자의 면적이 점점 축소됨에 따라서 90 나노 이하 메모리에서의 금속배선 공정은 높은 종횡비와 다층 금속 배선에 따른 저항 증가 및 금속 결함 발생 등의 문제에 점점 심각하게 직면하게 되었다.
금속 결함 중의 하나인 금속기공 문제 해결을 위해서, 첫 번째 금속 접촉 공정에서는 텅스텐 틈 채우기 및 장벽 금속간의 공정 최적화에 대한 연구가 이루어 졌다.
원자단위 증착 방법(ALD)을 이용한 핵형성 방법이 가장 우수한 틈 채우기 결과를 보였으며 특히 B2H6 가스에 의한 핵형성 막을 통해서 가장 낮은 저항 치를 얻을 수 있었으며, 기존의 화학증기증착 방식 하드웨어를 활용한 새로운 공정(Advanced Nucleation Deposition)에서도 개선된 결과를 확보할 수 있었다.
그리고 약 10% ~ 20% 정도의 소자 Yield를 감소시키는 또 다른 금속결함 문제 중의 하나인 알루미늄 위스커에 대한 연구도 이루어 졌다.
위스커 결함 개선 노력은 열 응력의 해소를 위한 열 예산 감소와 더불어 오염원 제거 등의 조치들을 통해 이루어 졌다. 특히, 첫 번째에 비해 두께가 두껍고 열 공정 시간이 더욱 긴 두 번째 알루미늄 공정은 열 응력 감소를 더욱 강화한 두 단계 공정 조건을 통해서 위스커 문제를 해결할 수 있었다.

목차 (Table of Contents)

• 국문요약 = i
• 표차례 = iv
• 그림차례 = v
• 제1장 서론 = 1
• 1.1 연구배경 = 1
• 1.2 텅스텐 플러그에서의 텅스텐 기공 문제 = 2
• 1.3 알루미늄 막의 위스커(whisker) 금속결함 = 4
• 제2장 실험방법 = 6
• 2.1 텅스텐 플러그 = 6
• 2.2 알루미늄 막의 whisker 결함 실험 = 7
• 제3장 실험 결과 및 고찰 = 9
• 3.1 텅스텐 공정 = 9
• 3.1.1 ALD 텅스텐 핵형성 막들의 특성 = 9
• 3.1.2 ALD 텅스텐과 기존 CVD 텅스텐 간 핵형성 비교 = 10
• 3.1.3 TiCl4 TiN장벽금속 막 위의 ALD 텅스텐 = 14
• 3.1.4 ALD W 과 cycle 방식 CVD W 비교 = 15
• 3.2 알루미늄 막의 위스커 (whisker) = 19
• 3.2.1 오염원에 대한 조사 및 세척 = 19
• 3.2.2 온도가 위스커 성장에 미치는 영향 = 21
• 3.2.3 온도 cool down이 위스커에 미치는 영향 = 22
• 3.2.4 잔류가스 제거의 영향 = 24
• 3.2.5 위스커 결함에 대한 잔류가스제거 및 가열 효과 = 27
• 3.2.6 위스커에 대한 두 단계 알루미늄 제조 공정 효과 = 28
• 제4장 결론 = 32
• 4.1 텅스텐 공정 = 32
• 4.2 알루미늄 위스커 = 33
• 참고 문헌 = 34
• ABSTRACT = 35
• 감사의 글 = 37