Effect of Dynamic Electric Field on Dielectric Breakdown in Cu Damascene Interconnects

학위논문 (석사)-- 서울대학교 대학원 : 재료공학부, 2014. 2. 주영창.본 연구에서는 다마신 구리 배선의 절연체에 동적인 전기장을 인가한 뒤, 그 수명시간 측정을 통해, 절연파괴의 거동을 연구하고 주요한 절연파괴기구를 분석하였다. 소자가 미세화됨에 따라 RC-delay 성능을 향상시키기 위해, 다마신 구리 배선이 도입되었으나, 확산이 용이한 구리의 특성과 다마신 공정의 복잡성으로 인해 절연파괴가 취약해졌다. 절연파괴의 요인을 찾아 개선해야 하지만, 다마신 구리배선의 절연파괴 지점을 찾기가 어렵고, 실제 찾더라도 그 파과기구를 분석하는 것이 쉽지 않아 상황에 따라 여러 모델이 제안되어왔다. 지금까지 알려진 대표적 다마신 구리배선의 절연 파괴기구로는 절연물질 자체가 파괴되는 내재적 파괴기구와 구리 이온이 절연체로 이동하여 파괴가 발생하는 외재적 파괴기구가 있지만, 현재까지도 정확한 파괴기구를 규명하기 어려운 상황이다. 또한 기존의 파괴기구는 DC를 바탕으로 제안되어 왔으나, 실제 소자에 가해지는 전기장은 DC만아니라 단극성, 이극성 전기장이 인가됨에 따라 동적인 전기장에 대한 절연파괴성능 확인이 필요하다. 이에 동적인 전기장에서의 수명시간을 측정하고, 주요한 절연파괴기구를 확인하였다. 본 연구에 사용된 구리-SiO2 다마신 배선에서는 6.5 MV/cm, 1 kHz 주파수 조건에서 DC와 단극성 펄스의 수명시간이 유사하였으며, 이극성 펄스 조건의 수명시간이 긴 것으로 보아, 이극성 펄스 조건에서는 구리이온의 이동이 제한됨을 예상할 수 있었다. 이는 이극성 전기장에서의 낮은 activation energy, DC/이극성 전기장에서의 triangular voltage sweep차이 그리고 양의 temperature coefficient resistance를 통해 구리이온의 절연체 내부 존재를 확인함으로써 검증할 수 있었다. 또한, 단극성 펄스 조건에서는 주파수가 증가할수록 수명시간의 증가를 보였는데, 이는 내재적 절연파괴가 영향을 미쳤다고 판단할 수 있으며, 이 현상은 내부 절연물질의 분자결합의 피로 파괴거동으로 설명하였고, 추가적으로 외재적 절연파괴 관점에서 절연체 내부 구리이온의 가속시간 영향성을 검토하였다. 동적인 전기장에서의 구리배선의 절연파괴 특성을 분석함으로써 구리배선에서 절연파괴 기구를 명확히 할 수 있다.1. 서론 1.1. 다마신 구리 배선의 TDDB 1 1.2. 동적인 전기장에서의 절연파괴 연구의 필요성 2 1.3. 본 논문의 구성 3 2. 이론적 배경 2.1. 내재적 절연 파괴 4 2.1.1. Thermochemical model 7 2.2. 외재적 절연 파괴 9 2.2.1. 외재적 E-model 10 2.3. 절연 파괴 메커니즘 분석 방법 14 2.3.1. Conduction mechanism 분석 14 2.3.2. Temperature coefficient resistance 분석 17 2.3.3. Triangular voltage sweep 분석 20 2.4. 동적인 전기장에 의한 절연파괴 선행연구 22 3. 실험방법 3.1. 절연 파괴시료 제작 및 구조 25 3.2. TDDB실험 장비 및 방법 25 3.3. 절연파괴 전기적 특성 분석 29 4. 실험결과 및 고찰 4.1. DC에서의 수명실험 결과 31 4.2. 동적인 전기장에서의 수명실험 결과 33 4.2.1. 전기적 분석 방법을 통한 절연파괴 메커니즘 확인 38 4.3. 단극성 전기장에서의 주파수 변경에 따른 절연 파괴수명 42 4.3.1. Thermochemical fatigue model 44 4.3.2. 주파수에 따른 구리이온의 이동 속도 48 5. 결론 52 참고 문헌 54 Abstract 58Maste