Abstract
High quality $Si_3N_4$ metal-insulator-metal (MIM) capacitors were realized by plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD). Titanium nitride (TiN) adapted as a diffusion barrier reduced the interfacial reaction between $Si_3N_4$ dielectric layer and aluminum metal electrode showing neither hillock nor observable precipitate along the interface. The capacitance and the current-voltage characteristics of the MIM capacitors showed that the minimum thickness of $Si_3N_4$ layer should be limited to 500 $\AA$ under the present process, below which most of the capacitors were electrically shorted resulting in the devastation of on-wafer yield. According to the transmission electron microscopy (TEM) on the cross-sectional microstructure of the capacitors, the dielectric breakdown was caused by slit-like voids formed at the interface between TiN and $Si_3N_4$ layers when the thickness of $Si_3N_4$ layer was less than 500 $\AA$. Based on the calculation of thermally-induced residual stress, the formation of voids was understood from the mechanistic point of view.
플라즈마 화학증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD)을 이용하여 양질의 $Si_3N_4$ 금속-유전막-금속(Metal-Insulator-Metal, MIM) 커패시터를 구현하였다. 유전체인 $Si_3N_4$와 전극인 Al의 계면반응을 억제시키기 위해 티타늄 나이트라이드(TiN)를 확산 장벽으로 사용한 결과 MIM 커패시터의 전극과 유전체 사이의 계면에서는 어떠한 hillock이나 석출물도 관찰되지 않았다. 커패시턴스와 전류전압 특성분석으로부터 양질의 MIM 커패시터 특성을 보이는 $Si_3N_4$의 최소 두께는 500 $\AA$이며, 그 두께 미만에서는 대부분의 커패시터가 전기적으로 단락되어 웨이퍼 수율이 낮아진다는 사실을 알 수 있었다. 투과전자현미경(transmission Electron Microscope, TEM)을 이용한 단면 미세구조 관찰을 통해 $Si_3N_4$층의 두께가 500 $\AA$ 미만인 커패시터의 경우에 TiN과 $Si_3N_4$의 계면에서 형성되는 슬릿형 공동(slit-like void)01 의해 커패시터의 유전특성이 파괴된다는 사실을 알게 되었으며, 열 유기 잔류 응력(thermally-induced residual stress) 계산에 기초하여 공동의 형성 기구를 규명하였다.
