• 한국진공학회지
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• 제17권2호
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• pp.109-112
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• 2008

고집적화된 반도체 소자 기술은 나날이 발전하고 있다. 특히 금속 배선을 위한 박막제조 공정에서 배선 선폭은 감소하고 있으며, 그 길이는 더욱 증가하게 되었다. 이러한 상황에서 금속 배선 물질에 대한 연구가 진행 되었고 그 결과 Cu가 그 대안으로 인식되었다. 하지만 Cu는 저온에서도 Si기판과 반응하므로 인하여 접촉면의 저항이 급격히 증가하여 소자로써의 기능이 불가능하게 되는 단점이 있다. 따라서 이러한 Cu와 Si기판 사이의 반응을 효과적으로 방지할 확산방지막의 개발이 필수 요건이 되었다. 본 연구는 Cu의 확산을 방지하는 W-C-N 확산방지막에 대한 연구로 질소비율과 열처리 온도를 변화하여 실험하였으며, 특히 격자상수 변화를 통하여 W-C-N 확산방지의 특성에 대하여 연구하였다.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2013년도 제44회 동계 정기학술대회 초록집
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• pp.386-386
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• 2013

반도체 소자의 소형화, 고집적화로 박막의 다층화 및 선폭의 감소 등의 복잡한 제조 공정이 불가피하고, 따라서 공정 중 실리콘 웨이퍼와 금속 박막사이의 확산을 방지하기 위한 많은 연구가 이루어지고 있다. 하지만 현재까지의 연구는 확산방지막의 nano-mechanics 특성 분석에 대한 연구는 전무하다. 본 논문에서 tungsten (W)을 주 물질로, nitrogen (N)을 첨가한 확산방지막을 질소 유량을 2.5, 5, 7.5, 10 sccm으로 변화시켜가면서 rf magnetron sputter 방법으로 tungsten-nitride (W-N) 박막을 증착하였다. 박막의 기본 물성인 증착율, 비저항 및 결정학적 특성을 ${\beta}$-ray, 4-point probe, X-ray diffraction (XRD)를 이용하여 측정하였고, 측정결과 증착 중 질소 유량이 증가할수록 W-N 박막의 비저항은 증가하였고 반대로 증착율과 결정성은 감소하였다. 이는 기존의 연구 결과와 비교하여 일치한 결과로 증착된 박막이 신뢰성을 가짐을 확인하였다. 이후 가장 관심사인 nano-mechanics 특성은 nano-indenter를 이용하여 측정하였다. 측정 결과 시료는 증착 중 질소 유량이 2.5 sccm인 시료를 기준으로 5 sccm 포함된 박막에서 load force-depth 그래프가 급격히 변화하는 경향을 나타내었고, 표면강도(surface hardness)는 10.07 GPa에서 15.55 GPa로 증가하였다. 이후 질소 유량이 7.5 sccm과 10 sccm에서는 12.65 GPa와 12.77 GPa로 질소 유량이 5 sccm 포함된 박막보다 상대적으로 감소하였다. 이는 박막내 결정상으로 존재하는 질소와 비정질 상태로 존재하는 질소의 비율에 의한 것이고, 압축력에 기인하는 스트레스 증가로 판단된다.

• 한국전기전자재료학회:학술대회논문집
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• 한국전기전자재료학회 2006년도 하계학술대회 논문집 Vol.7
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• pp.114-115
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• 2006

반도체 기술이 초고집적화 되어감에 따라 공정에서 선폭이 줄어들고, 박막을 다층으로 제조하는 것이 중요하게 되었다. 이와 같은 제조 공정 하에서는 Si 기판과 금속 박막간의 확산이 커다란 문제로 부각되어 왔다. 특히 Cu는 높은 확산성에 의하여 Si 기판과 접합에서 많은 확산에 의한 문제가 발생하게 되며. 또한 선폭이 줄어듦에 따라 고열이 발생하여 실리콘으로 spiking이 발생하게 된다. 이를 방지하기 위하여 우리는 3개의 화합물로 구성된 Tungsten-Carbon-Nitrogen (W-C-N) 확산방지막을 사용하였다. 실험은 물리적 기상 증착법 (PVD)으로 질소비율을 변화하며 확산방지막을 증착하였고, 이를 여러 온도에서 열처리하여 X-ray Diffraction 분석을 하였다.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2011년도 제41회 하계 정기 학술대회 초록집
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• pp.271-271
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• 2011

본 논문에서는 W-N 확산 방지막을 각각 다른 질소 유입 조건 (0 sccm, 0.5 sccm, 1 sccm) 하에 Si (Silicon) (100) 기판 위에 rf (radio-frequency) magnetron sputter를 이용하여 증착하였다. 증착된 박막은 800$^{\circ}C$에서 열처리하였고, 이때 각각의 W-N 확산 방지 막의 열적 안정성을 분석하였다. 기존 W-N박막의 분석은 X-ray diffraction (XRD)와 같은 분광학적 방법을 사용하여 분석하였으나, 이는 점점 미세화 되어가는 반도체 산업의 최근 동향에는 적합하지 않다. 따라서 이번 실험에서는 박막 국부적인 영역에서 nano scale의 분석이 가능한 nano indentation을 이용하여 분석하였다. 본 연구에서는 열적 안정성을 분석하기 위하여 각각 열처리 온도가 다른 박막의 stress 분포를 XRD와 AFM를 이용하여 구한 격자상수로 먼저 박막 전체적인 영역을 분석하였다. 박막의 국부적인 영역은 앞서 언급하였던 nano indentation을 이용하여 stress 분포를 분석하였다. 실험 결과, 표면의 RMS roughness는 3.6에서 1.4 nm으로 변하였으며, 박막은 미열처리에서 열처리 온도의 증가 시 보다 tensile stress를 많이 받는 것으로 분석하였다.

• 한국자기학회지
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• 제16권1호
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• pp.75-78
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• 2006

텅스턴-보론-카본질소 화합물 박막(W-B-C-N)을 만들기 위하여 박막내에 보론과 카본 그리고 질소의 불순물을 주입한 다음 결정구조를 조사하였으며, 이러한 박막의 식각 특성을 조사하기 위하여 고온에서 열처리한 다음 Cu박막을 W-B-C-N 박막위에 증착한 다음에 열처리하였고 여기에서 열적인 특성을 조사하였다. $1000\;{\AA}$의 박막을 RF magnetron sputtering방법을 이용하여 증착한 후에 박막의 전기적구조적인 특성을 측정하였으며, scratch test를 통해 박막의 결합력을 측정하였고, XRD측정을 통하여 결정성을 조사하였으며, 열처리한 후 etching을 하여 nomarski 현미경을 통하여 확산방지막의 안정성을 조사하였다. 이로부터 확산방지막내의 보론과 카본 질소 등의 불순물이 들어감에 따라 Cu가 Si 속으로 얼마나 들어가는가를 효과적으로 조사하였다. W-B-C-N 확산방지막의 역할은 $850^{\circ}C$까지 고온 열처리를 하는 경우에 Cu 원자가 Si 속으로 확산되어 나가는 것을 효과적으로 방지하는 것을 알 수 있었다. 텅스텐-보론-카본질소 화합물 박막의 비저항은 질소 가스의 유량비를 조절함으로써 쉽게 조절할 수 있었으며, 텅스텐-보론-카본-질소 화합물 박막은 Cu 확산방지막으로 적용했을 때 적절한 질소 농도가 들어간 확산방지막에서는 효과적으로 Cu의 확산을 방지하는 것을 알 수 있었다.

• 한국전기전자재료학회:학술대회논문집
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• 한국전기전자재료학회 2007년도 추계학술대회 논문집
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• pp.87-88
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• 2007

반도체 소자가 초고집적화 되어감에 따라 반도체 공정에서 선폭은 줄어들고 박막은 다층화 되어가고 있다. 이와 같은 제조 공정 하에서는 Si 기판과 금속 박막간의 확산이 커다란 문제로 부각되어 왔다. 특히 Cu는 높은 확산성에 의하여 Si 기판과 접합에서 많은 확산에 의한 문제가 발생하게 되며, 또한 선폭이 줄어듦에 따라 고열이 발생하여 실리콘으로 spiking이 발생하게 된다. 이러한 확산을 방지하기 위하여 이 논문에서는 Tungsten - Carbon - Nitrogen (W-C-N)에 Boron (B)을 첨가하였고, Boron 타겟 power을 조절하여 다양한 조성을 가지는 W-B-C-N 확산방지막을 제작하여 각 조성에 따른 증착률을 조서하였고 $1000^{\circ}C$까지 열처리하여 그 비저항을 측정하여 각 특성을 확인하였다.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2009년도 제38회 동계학술대회 초록집
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• pp.228-228
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• 2010

반도체 집적도의 비약적인 발전으로 각 박막 층간의 두께는 더욱 줄어들었고 이는 각 박막 층간의 확산에 대한 문제를 간과할 수 없게 하였다. 따라서 각 층간의 확산을 방지하기위한 확산방지막의 연구에 대한 관심도는 증가하게 되었다. 또한 본 연구에서 분석을 위하여 사용된 Nanoindenter는 박막 표면에 다이아몬드 팁을 이용하여 압입을 실시하여 이때 시표의 반응에 의한 팁의 위치(Z-축)를 in-situ로 측정하여 인가력과 팁의 위치에 대한 연속 압입곡선을 측정하게 된다. 이를 통하여 박막의 hardness와 elastin modulus를 측정하게 되고, 연속 압입곡선 분석을 통하여 박막의 표면응력 변화를 측정한다. 이 논문에서는 반도체의 기판으로 사용되는 Si 기판과 금속배선 물질인 Cu와의 확산을 효과적으로 방지하기 위한 W-C-N 확산방지막을 제시하였고, 시료 증착을 위하여 rf magnetron sputter를 사용하여 동일한 증착 조건에서 질소(N)의 비율을 다르게 하여 박막내 질소 비율에 따른 확산방지막을 제작하였다. 이후 시료의 열적 안정성 측정을 위하여 상온에서 $900^{\circ}C$ 까지 질소 분위기에서 30분간 열처리 과정을 실시하여 열적 손상을 인가하였고, 고온에서 확산방지막의 열적인 안정성을 Nanoindentation 분석을 이용하여 측정하였다. 측정 결과 박막내 질소 불포함된 박막의 경우 표면 강도는 9.01 GPa에서 194.01 GPa의 급격한 변화를 보였고, 질소가 포함된 박막은 9.41 GPa에서 43.01 GPa으로 상대적으로 적은 차이를 보였다. X-ray 분석 결과에서도 박막내 질소가 포함된 박막이 고온에서도 더 안정된 특성을 보이는 것을 확인하였다.

• 한국진공학회지
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• 제20권4호
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• pp.266-270
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• 2011

본 연구에서는 W (Tungsten)를 주 구성 물질로 불순물 C (Carbon)과 N (Nitrogen)을 첨가한 W-C-N 확산방지막 시편을 제조하였고, $N_2$가스의 유량을 변화시키면서 확산방지막을 제조하여 각각의 시료에 대하여 $600^{\circ}C$열처리를 하였다. 실험 결과 질소유량의 변화에 따라 시편의 탄소성 구간층의 물성 변화율이 시편의 탄성구간보다 큰 것을 알아냈다. 이는 질소 가스의 유량 변화가 시편의 탄소성 구간에 더욱 직접적으로 연관이 되었다는 것을 알 수 있었다. 각 시료는 16회 연속 압입 실험을 실시하여 Stress-strain curve를 통하여 질소 가스의 유량이 2 sccm인 박막의 분산이 적음을 알아냈고, 연속압입을 통하여 얻어진 상항복점의 표준 편차 역시 질소 가스의 유량이 2 sccm인 박막이 가장 적다는 것을 알 수 있었다. Stress-strain curve 분산과 상항복점의 Stress 값의 표준 편차의 크기로 부터 박막의 안정도를 예상할 수 있었으며, 이 결과로부터 W-C-N 박막은 질소 유량에 따라 박막의 안정도가 변화하는 것을 알았다.

• 한국재료학회:학술대회논문집
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• 한국재료학회 2012년도 춘계학술발표대회
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• pp.89.1-89.1
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• 2012

실리콘 반도체의 Ultra large scale integration (ULSI) 기술 및 소자의 나노스케일화에 따라 배선 금속 물질로 사용하던 알루미늄 보다 낮은 비저항을 가지면서 금속의 전자이동효과에 잘 견딜 수 있는 차세대 배선 물질로서 구리가 큰 주목을 받고 있다. 하지만 구리의 경우, 높은 확산성을 가지기 때문에 열처리 과정에서 구리 실리사이드가 형성되는 등 소자의 신뢰성 및 성능을 감소시키므로, 이를 방지하기 위한 확산 방지막이 필요하다. IC의 배선에서 사용되는 기존의 확산 방지막은 Ta, TaN, TiN, TiW, TaSiN 등으로, 대부분 금속으로 이루어져 있기 때문에 증착 장비를 이용하여 두께를 조절하는 기술, 박막의 질을 최적화 하는 과정이 필요하며, 증착 과정 중에서 불순물이 함께 증착되거나 실리사이드가 형성되는 등의 단점을 가진다. 구리 기반의 배선 물질에서 문제될 수 있는 또 한가지의 이슈는 소자의 나노스케일화에 따른 배선 선폭의 감소로 인하여 확산 방지막 두께 또한 감소되어야 하는 것으로서, 확산 방지막의 두께가 감소함에 따른 방지막의 균일성 감소, 연속성 등이 큰 문제로 작용할 수 있어 이를 해결하기 위한 새로운 기술 또는 새로운 확산 방지막 물질의 개발이 시급한 실정이다. 본 연구에서는 구리/실리콘 구조에서 금속의 실리콘 박막 내로의 확산 및 실리사이드 형성을 방지하기 위하여 그래핀을 확산 보호막으로서 사용하였다. 그래핀은 화학기상증착법을 이용하여 한 겹에서 수 겹으로 성장되었으며, PMMA 물질을 이용하여 실리콘 기판에 전사되었다. 구리/그래핀/실리콘 구조의 샘플을 500 ~ 800도의 온도 범위에서 열처리 하였고, 구리 실리사이드 형성 여부를 XRD로 분석하였다. 또한 TEM 분석을 통해 구리 실리사이드의 형성 모양을 관측하였다.

• 마이크로전자및패키징학회지
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• 제12권4호통권37호
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• pp.345-349
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• 2005

300 mW-cm의 낮은 비저항을 갖는 카본-질소$\_$텅스텐 (W-C-N) 확산방지막을 원자층 증착법으로 제조하였으며, 반응기체로 $WF_6-N_2-CH_4$를 사용하였다. $N_2$ 및 $CH_4$ 반응기체를 주입 할 때는 고주파 펄스를 인가하여 플라즈마에 의한 반응물의 분리가 일어나도록 하였다. 다층금속배선에 사용하는 층간 절연층 (TEOS) 위에서 W-C-N 박막은 원자층 증착기구를 따르며, 10에서 100 사이클 동안 증착율이 0.2nm/cycles 로 일정한 값을 가진다. 또한 Cu 배선을 위한 확산방지막으로써 W-C-N 박막은 비정질 상을 가지며, $800^{\circ}C$에서 30분간 열처리해도 Cu의 확산을 충분히 방지할 수 있음을 확인하였다.