제 4 장 알루미늄 박막의 성질 1. 물리적 성질 1) grain size ∝ 제 4 장 알루미늄 박막의 성질 IV-4.1 1. 물리적 성질 1) grain size ∝ 2) Al2O3 존재 : T>250℃, 진공도 10-8∼10-5 torr [그림 4-1] 기판 온도와 그레인의 크기 [그림 4-2] 성장율과 그레인 크기
Grain Size IV-4.2 [그림 4-3] 진공도와 기판온도가 그레인 크기에 미치는 영향
2) Hillock 형성 (1) 형성 : 박막성장 및 아닐링 과정에서 생성 IV-4.3 2) Hillock 형성 (1) 형성 : 박막성장 및 아닐링 과정에서 생성 (2) Hillock 의 형태 : edge, flat-topped, spike hillock (3) 원인 : 실리콘과 Al의 stress 와 strain 온도상승하면 질량이동하여 stress 감소 선팽창계수 : Si (3.3 ppm/℃), Al (23.6 ppm/℃) 막형성 온도 (Te)와 아닐링 온도(Ta) 차이 → strain
Hillock의 형태 IV-4.4 [그림 4-4] 세 가지 다른 그레인 형태의 hillock
Hillock 의 방지 (1) self-diffusion rate 억제 : Sn, Cd, In IV-4.5 Hillock 의 방지 (1) self-diffusion rate 억제 : Sn, Cd, In (2) 핵형성 site 제공 : Si (3) hillock 의 영향 :신뢰도를 떨어뜨린다 얇아진 부분에서 열이 발생하고 더욱 얇아져 끊어짐
Te(℃) Ta(℃) Dcycled( /㎠) Duncycled ( /㎠) 23 430 8.7×107 4.0 ×107 200 IV-4.6 [표 4-1] 어닐링 힐록의 밀도 Te(℃) Ta(℃) Dcycled( /㎠) Duncycled ( /㎠) 23 430 8.7×107 4.0 ×107 200 1.5 ×106 5.0 ×105 400 3.4 ×104 6.0 ×103 27 223 6.0 ×106 3.2 ×106 179 5.2 ×105 2.8 ×105 237 Note : 1) uncycled : RT → Ta 일회 2) cycled : RT → Ta 반복
4) ρ> 0.002 Ω·㎝ ( 5×1019 dopants/cm3 ) IV-4.7 전기적 성질 1) 접촉저항 : 10-5 ·cm2/25×25 m2 2) 열처리 : 500℃, 10 min. 450℃, 30 min. 3) 비저항 : Al (2.65 ·cm), Al-Si (1%)(3.0 ·cm) 4) ρ> 0.002 Ω·㎝ ( 5×1019 dopants/cm3 ) → rectifying contact (확산 그림 1–7 및 금속 그림 2-10 참조)
IV-4.8 [그림4-5] N형 실리콘에서 접촉저항 [그림 4-6] P형 실리콘에서의 접촉 저항
specific resistance(μΩ · cm) specific resistance (μΩ · cm) IV-4.9 [표 4-2] 금속의 비저항 metal specific resistance(μΩ · cm) specific resistance (μΩ · cm) Au 2.35 Al-Ni(1%) 2.75 Al 2.65 Al-Si(1%) 3.0 Mo 5.7 Al-Ti(1%) 5.53 Pt 10.6 Al-Cr(1%) 5.78 Ti 55.0 Al-Pt(1%) 2.9 Au-Ni(10%) 10.2
3.화학적 성질 챔버 내의 기체: O2, H2O, H2, N2, CH4 주요 기체 : H2O, O2 IV-4.10 3.화학적 성질 챔버 내의 기체: O2, H2O, H2, N2, CH4 주요 기체 : H2O, O2 2Al + 3O2 = 2Al2O3 열처리 : 낮은 저항의 접촉면 형성 3SiO2 + 2Al → 2Al2O3 + 3Si (실리콘이 Al으로 확산 → alloy 형성)
heat of formation(kcal/mole) IV-4.11 [표 4-3] 금속의 산화에 필요한 생성 에너지 oxide heat of formation(kcal/mole) Ta2O5 -500 WO3 -200 Al2O3 -399 MoO3 -180 V2O3 -290 Cu2O -40 Cr2O3 -270 Ag2O -7 TiO2 -218 Au2O3 +19 SiO2 -205
1) Shadowing : slope, geometric, self shadowing IV-4.12 4. 표면 Coverage 1) Shadowing : slope, geometric, self shadowing [그림4-7] 소스와 기판의 기하학적인 관계 Shadow 형성:
deposition system의 설계 최적화 biaxial plenatary 사용 source 의 면적을 크게 IV-4.13 2) Shadowing 의 최소화 방법 deposition system의 설계 최적화 biaxial plenatary 사용 source 의 면적을 크게 source - substrate 간격 크게 기판 온도 높이고 기판 패턴의 경사각을 작게
Biaxial plenatary IV-4.14 [그림 4-8] 소스와 기판 사이의 기하학적 관계
shearing force(108dynes/cm2) IV-4.15 5. Adhesion 1) SiO2 와의 접착 2) 간단한 접착 시험 : tape(3M) 시험 [표 4-4] 금속 및 실리사이드의 실리콘 산화막과의 접착성 materials shearing force(108dynes/cm2) adherence to SiO2 FeSi 37 weak CoSi 120 strong CoSi2 70 intermediate PtSi2 170 very strong Al Ti Au - very weak Co 54 Mo 113
1) 장점 : 단일층 박막, low cost, high conductivity 6. 알루미늄 시스템의 장단점 1) 장점 : 단일층 박막, low cost, high conductivity 간단한 박막형성, good adhesion, easy patterning, low contact resistance, Al-Si alloy 이용, good bondability, 대기중의 산화가 어렵다. 유연성이 좋다 2) 단점: difficult CVD deposition, 전기도금이 어렵다 electromigration, corrosion, hillock formation, Al-Au 접합부분에서의 반응 → 전기 전도도가 낮아진다, Si into Al grain boundary → reliability, silicon 보다 높은 열팽창계수 → stress , 쉽게 긁힘
제5장 알루미늄의 공정 V-5.1 1. double metal 공정 [그림 5-1] 이층 금속 공정의 예
Al, Al-Si, Al-Cu, Al-Si-Cu 막형성 Al : E-beam, sputtering V-5.2 1st metal 공정 Al, Al-Si, Al-Cu, Al-Si-Cu 막형성 Al : E-beam, sputtering Al-Si : double gun E-beam, sputtering Al-Si-Cu : flash, sputtering 1st insulator SiO2, Si3N4, Al2O3, Ta2O5, WO2, PSG 막형성 : CVD, sputtering 2nd metal Al 또는 1st metal과 동일 passivation PSG : 3% 인도핑 , 0.8~1μm 두께, 85 Å/sec : 35 Å/sec for PSG : CVD 산화막(식각률)
1) Sharp edge : 성장핵의 형성으로 막성장이 빨라짐 V-5.3 3. 이층 금속 공정 문제점 1) Sharp edge : 성장핵의 형성으로 막성장이 빨라짐 1st & 2nd metal 의 short 2nd metal crack → reliability 2) Hillock 형성 Al deposition 할 때 (380℃) PSG deposition (200℃) in alloy (450℃) 3) SiO2 미립자 : chamber 내에서 핵 형성, Al film 에 들어감. 4) 재작업 불가
V-5.4 [그림 5-2] 힐록에 의한 금속의 합선
4. Sharp edge 문제 해결 5. 기타 알루미늄 공정 경사 식각 : hard baking 조절로 감광막이 etch 동안 V-5.5 4. Sharp edge 문제 해결 경사 식각 : hard baking 조절로 감광막이 etch 동안 일어나게 함 녹는 마스크물질의 코팅 hillock 문제 : 저온 성장, Al-Si 사용 PECVD SiO2 deposition : 열 CVD system 보다 SiO2 핵형성에 의한 입자의 contamination 적음. 5. 기타 알루미늄 공정 양극 산화 유기물 절연체 : polymide → 산소 plasma etching
V-5.6 6. 양극 산화 1) 양극 산화공정 [그림 5-3] 양극 산화의 장치
V-5.7 [그림 5-4] H3PO4 전해액에서의 Al의 양극 산화 특성
2) 양극 산화 조건 : 전해액 성질 (성분, 온도, 교반) V-5.8 2) 양극 산화 조건 : 전해액 성질 (성분, 온도, 교반) 전기적 조건 (전압, 전류) 양극 산화 시간 알루미늄질 (거칠기, 순도) 3) 산화막 (1) 치밀한 산화막 : 주석산염, 구연산염 → 5000Å까지 (2) 다공질 산화막 : 인산, 황산, 수산 → 수 μm까지 (1Å Al → 1.65Å Al2O3)
V-5.9 4) 다공질 양극산화 [그림 5-5] 전압이 다공질 Al2O3에 미치는 영향
Barrier layer thickness(Å) V-5.10 (1) 낮은 전압 : 기공의 밀도가 커지며 강도는 낮아진다 (2) 전압은 전해액에 따라 조절 된다 (3) 산화막 성장은 Faraday 법칙에 따른다 V:부피, ρ:밀도, F : 96500 C/mole, m=6, S:면적, H:높이 M : mole 단위 질량, Q : 전체 전하, η : 효율, J : 전류밀도 [표 5-1] 25℃, 10mA/cm2에서의 다공질 양극 산화 high voltage low voltage Electrolyte 4 % H3PO4 4 % H2SO4 operating voltage 133 20 Barrier layer thickness(Å) 1,500 250
V-5.11 5) 양극 산화의 집적회로 응용 (1) 전기적인 접촉과 웨이퍼 집게 [그림 5-6] 플라스틱 양극 산화 클램프
current density : 10 mA/cm2 로 유지시킨다 voltage : variable (2) 양극 산화 마스크 마스킹 재료 : PR(저압<160V) 저온 CVD 산화막, PSG 양극 산화막 Al2O3 (3) 양극 산화의 특성 current density : 10 mA/cm2 로 유지시킨다 voltage : variable time : 6 minutes for 1 μm Al
V-5.13 [그림 5-7] 25℃, 4 % H2SO4에서의 Al의 양극 산화 특성
V-5.14 [그림 5-8] 25℃, 4 % H3PO4에서의 Al의 양극 산화 특성
V-5.15 [그림 5-9] 전압을 제한시킨 4 % H3PO4에서의 Al의 양극 산화 특성
선폭 단면적 : wet etch 보다 undercut 이 작다 clearing : 두께의 불균일과 표면의 거칠기 V-5.16 (4) 양극 산화의 패턴정의 선폭 정의 : 2.5 ㎛ pitch 는 쉽게 얻는다 선폭 단면적 : wet etch 보다 undercut 이 작다 clearing : 두께의 불균일과 표면의 거칠기 → 고립영역이 생기는 변수 - 양극 산화전압 : 높을수록 좋다 - H3PO4 가 H2SO4 보다 좋다 - 표면 : 평탄할수록 좋다 - 성장시 압력 : 낮을수록 좋다 이층 금속 공정 비교
anodization wet etch Al deposition PSG deposition masking V-5.17 [표 5-2] 양극 산화와 습식 에치를 이용한 이층 금속 공정의 비교 anodization wet etch Al deposition PSG deposition masking exposure and bake PSG etch Al etch via etch double metal process
제6장 알루미늄의 신뢰도 실리콘 - 알루미늄 반응 전기적 성질, 공정의 용이성 장점 신뢰성에 문제 → 개선방법의 연구 VI-6.1 전기적 성질, 공정의 용이성 장점 신뢰성에 문제 → 개선방법의 연구 실리콘 - 알루미늄 반응 eutectic point 577℃ 에서 1.6% 용해도 350℃ 에서 0.1% 용해도 성장이나 열처리 과정에서 Al spike 형성 alignment 및 packaging 영향 (111)면의 수평 방향과 (110)면의 수직에서 36° 방향으로 잘 자람
VI-6.2 [그림 6-1] Si의 Al에서의 용해도
(1) 낮은 온도에서 성장 : step coverage 와 접촉저항과의 trade off VI-6.3 4) Spike 방지 (1) 낮은 온도에서 성장 : step coverage 와 접촉저항과의 trade off (2) 접촉면에서의 Al 두께를 최소로 한다 (3) 200Å 정도는 높은 온도에서 나머지는 낮은 온도에서 성장 (4) barrier metal 사용 : Ti, W, Ta, Ti-W 접촉저항과의 trade off (5) 다결정 실리콘 층을 이용 (6) Al-2% Si 합금 사용
VI-6.4 [그림 6-3] Al-Si 경계면에서 상호 반응 (a) 상온에서 막 형성할 때와 (b) 합금할 경우나 기판을 가열하여 막 형성할 때
문제점 : bipolar 소자의 저전류 증폭에 악영향 MOS 소자의 문턱 전압에 악영향 해결방안 : 공정 시 Na+ 오염 방지 VI-6.5 2. 알카리 이온의 침투 문제점 : bipolar 소자의 저전류 증폭에 악영향 MOS 소자의 문턱 전압에 악영향 해결방안 : 공정 시 Na+ 오염 방지 barrier 물질 (Si3N4, Al2O3, PSG) 사용 [그림 6-4] 알카리 이온의 침투
VI-6.6 [그림 6-5] 알카리 이온을 막기 위한 Al2O3 박막
3. Electromigration 1) 이온에 작용하는 힘과 전자의 운동량 q : 이온의 전하량 q* : 전자의 전하량 VI-6.7 3. Electromigration 1) 이온에 작용하는 힘과 전자의 운동량 q : 이온의 전하량 q* : 전자의 전하량 실효전하량 : q* = 20∼ 30q → 이온이 전자를 따라 움직인다 2) 평면에서의 원자유속
(1) 온도 : temperature gradient (2) diffusion : surface diffusion VI-6.8 3) 원자가 쌓이거나 공핍되는 원인 (1) 온도 : temperature gradient (2) diffusion : surface diffusion grain boundary diffusion bulk diffusion (3) 활성화 에너지 변화 : grain 크기 변화 접촉근처의 성분 변화 : Do, Ws, J 변화 step 에서의 current crowding
4) Electromigration 에 의한 MTF (1) MTF 변화요인 선폭 단면적에 따라 증가 선의 길이에 따라 감소 VI-6.9 4) Electromigration 에 의한 MTF (1) MTF 변화요인 선폭 단면적에 따라 증가 선의 길이에 따라 감소 원자 유속에 반비례 MTF ∝ W : Al 선폭 T : Al 두께 (2) MTF 향상 , n : 1 (contact), 2∼3 (선)
grain size: large(>3μm) surface coating:Al2O3(anodized) VI-6.10 [표 6-1] MTF의 향상 MTF Ws(eV) grain size: large(>3μm) 2 ~ 3 0.5 ~ 0.6 small(<1μm) 1 0.3 ~ 0.4 surface coating:Al2O3(anodized) 10 ~ 14 0.6 ~ 0.65 SiO2(CVD) 1~2 additives to Al : (1~2)% Si (4~6)% Cu, Mg, Cr 10 ~ 100 0.7 ~ 0.8
(1) plastic package 에서 발생 (2) 전기화학적 부식 : H2O, P, 전장 VI-6.11 4. Corrosion (1) plastic package 에서 발생 (2) 전기화학적 부식 : H2O, P, 전장 (3) corrosion test : 1000시간, 1V/㎛ Al/SiO2, Al/Si3N4/SiO2 : No Al/PSG/SiO2, PSG/Al/SiO2 : Yes H2O + PSG → H3PO4 (4) 방지책 : LTO/PSG/LTO layer 사용 (crack 이 생기는 것에 주의)
부식 시험 VI-6.12 [그림 6-6] 부식 시험 계략도
corrosion rates VI-6.13 [그림 6-7] 인의 양과 부식 [그림 6-8] 전장의 세기와 부식