차세대 Co 배선을 위한 자가형성 확산방지막 Cr2O3의 형성에 대한 열역학적 예측 및 전기적 신뢰성 = Thermodynamic Prediction and Electrical Reliability of Self-Forming Cr2O3 Diffusion Barrier for Next-Generation Co Interconnects

국문 초록 (Abstract)

최근 반도체 산업은 소자 미세화의 물리적 한계에 직면하여 새로운 혁신이 요구되고 있다. 특히 기존 Cu/low-k 배선 시스템에서 발생하는 배선 지연 문제는 차세대 반도체 성능 향상의 주요 장애물로 대두되고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위한 대안으로 Co 배선이 주목받고 있는데, 이는 Co가 미세 구조에서 Cu 대비 우수한 전기적 특성과 신뢰성을 보이기 때문이다.
그러나 Co 배선의 실제 적용을 위해서는 고온 및 고전계 조건에서 발생하는 확산 문제를 해결해야 한다. 이를 위한 혁신적 방안으로 자가형성 배리어(Self-Forming Barrier, SFB) 기술이 제시되었다. SFB는 얇고 강한 배리어막을 형성할 수 있으며, 공정 단순화의 장점도 가지고 있다. 선행 연구를 통해 Co-Cr 합금의 열처리 과정에서 형성되는 Cr2O3 SFB 층이 확인되었으며, 이는 일렉트로마이그레이션 저항성 향상에도 기여하는 것으로 밝혀졌다.
본 연구에서는 Co-Cr 합금에서 Cr 농도가 SFB 형성에 미치는 영향을 열역학적으로 예측하고, 이를 실험적으로 검증하였다. FactSageTM을 이용한 열역학 계산 결과, 450°C 조건에서 Cr2O3 형성량은 Cr 농도 0.6at.% 부근에서 변곡점을 보였다. 이는 Co-Cr 합금의 FCC에서 HCP로의 결정구조 전이와 관련이 있으며, Cr의 화학적 포텐셜이 확산 및 산화물 형성의 핵심 인자임을 시사한다. 특히 이러한 결정구조 전이점에서 관찰되는 Cr2O3 형성량의 변화는 SFB 형성 메커니즘을 이해하는 데 중요한 단서를 제공한다.
VRDB 실험을 통한 검증 과정에서 SFB 성능은 Cr 농도 1.2at.%에서 최적화되었으며, 이는 열역학적 예측과 상관관계를 보였다. 이러한 결과는 Cr 농도 조절을 통해 SFB 형성을 효과적으로 제어할 수 있음을 의미한다. 또한 저농도 영역에서의 최적화는 공정 경제성 측면에서도 긍정적인 의미를 갖는다.
이를 바탕으로 순수 Co, Co-1.2at.%Cr, Co-7.5at.%Cr 시편을 제작하여 포괄적인 전기적 신뢰성 평가를 수행하였다. C-V 측정 결과는 각 시편의 계면 특성 차이를 명확히 보여주었으며, BTS-VRDB 평가에서는 Co-1.2at.%Cr 조건의 우수한 확산 방지 성능이 입증되었다. 특히 TDDB 평가에서는 전계 수명 특성에 대한 심도 있는 분석이 이루어졌다. Power-law 모델에 피팅하여 200°C에서의 수명을 예측한 결과, 전계 가속 인자(m)의 차이를 통해 베리어 형성 조건에서 전계 의존성이 증가함을 확인하였다. 특히 실제 사용 환경(1.5MV/cm)에 가까운 전계 조건에서는 Co-1.2at.%Cr 조건이 순수 Co 대비 수 차수 이상 긴 수명을 보여, 실용화 가능성을 높였다.
미세구조 분석을 위한 TEM 및 EELS 연구에서는 Co-1.2at.%Cr 시편에서 1.2nm 두께의 균일한 SFB 층이 관찰되었으며, 산화된 Cr의 존재가 확인되었다. 이러한 나노스케일 수준의 균일한 배리어 형성은 미세 배선 구조에서 매우 중요한 의미를 갖는다. 반면 Co-7.5at.%Cr 시편에서는 결정구조적 요인으로 인해 SFB 형성이 제한적이었다. 고농도 Cr 조건에서의 이러한 한계는 향후 SFB 설계에 있어 중요한 고려사항이 될 것이다.
본 연구의 결과는 Co 배선용 SFB 개발에 있어 Cr 농도의 최적화가 핵심임을 입증하였다. 특히 열역학적 예측과 실험적 검증의 일치성은 연구의 신뢰도를 높이는 동시에, 향후 다른 합금 시스템에도 적용 가능한 방법론을 제시하였다는 점에서 의의가 있다. 나노미터 수준의 SFB가 보여준 우수한 확산 방지 성능과 신뢰성은 Co 배선의 실용화 가능성을 한층 높였으며, 이는 차세대 반도체 배선 시스템 개발을 위한 중요한 진전이라 할 수 있다.
더불어 본 연구에서 확립된 방법론과 결과는 미세화가 가속화되는 반도체 산업에서 새로운 배선 시스템 개발의 기초가 될 것으로 기대된다. 특히 Cr 농도 조절을 통한 SFB 형성 메커니즘의 이해는 공정 최적화와 신뢰성 향상에 직접적으로 기여할 수 있을 것이다. 이러한 성과는 향후 더욱 복잡해지는 반도체 배선 기술의 발전에 중요한 이정표가 될 것으로 전망된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The semiconductor industry currently faces physical limitations in device scaling, necessitating innovative solutions. In particular, the interconnect delay issues in conventional Cu/low-k systems have emerged as a major obstacle to improving next-generation semiconductor performance. Co interconnects have gained attention as a potential solution due to their superior electrical characteristics and reliability compared to Cu in fine structures.
However, implementing Co interconnects requires addressing diffusion issues under high-temperature and high-field conditions. Self-Forming Barrier (SFB) technology has been proposed as an innovative solution, offering the advantages of forming thin yet robust barrier layers while simplifying the manufacturing process. Previous research has confirmed the formation of Cr2O3 SFB layers during heat treatment of Co-Cr alloys, which also contributes to improved electromigration resistance.
This study thermodynamically predicted and experimentally verified the effect of Cr concentration on SFB formation in Co-Cr alloys. Thermodynamic calculations using FactSageTM showed that Cr2O3 formation at 450°C exhibited an inflection point near 0.6at.% Cr. This correlates with the crystal structure transition from FCC to HCP in Co-Cr alloys, indicating that Cr's chemical potential is a crucial factor in diffusion and oxide formation. The variation in Cr2O3 formation observed at this crystal structure transition point provides key insights into the SFB formation mechanism.
VRDB experiments demonstrated that SFB performance was optimized at 1.2at.% Cr concentration, showing correlation with thermodynamic predictions. These results indicate that SFB formation can be effectively controlled through Cr concentration adjustment. Additionally, optimization in the low-concentration region carries positive implications for process economics.
Based on these findings, comprehensive electrical reliability evaluations were conducted on pure Co, Co-1.2at.%Cr, and Co-7.5at.%Cr specimens. C-V measurements clearly revealed interface characteristic differences between specimens, while BTS-VRDB evaluation confirmed superior diffusion barrier performance in the Co-1.2at.%Cr condition. Notably, TDDB evaluation provided in-depth analysis of field lifetime characteristics. Lifetime predictions at 200°C using Power-law model fitting showed increased field dependence under barrier formation conditions through differences in field acceleration factor (m). Particularly, under field conditions approaching actual usage environments (1.5MV/cm), the Co-1.2at.%Cr condition demonstrated lifetimes several orders of magnitude longer than pure Co, enhancing practical viability.
TEM and EELS analyses for microstructure investigation revealed a uniform 1.2nm thick SFB layer in the Co-1.2at.%Cr specimen, with confirmed presence of oxidized Cr. This nanoscale uniform barrier formation carries significant implications for fine interconnect structures. Conversely, the Co-7.5at.%Cr specimen showed limited SFB formation due to crystallographic factors, highlighting important considerations for future SFB design in high Cr concentration conditions.
These findings demonstrate that Cr concentration optimization is crucial in developing Co interconnect SFBs. The correlation between thermodynamic predictions and experimental verification not only enhances research reliability but also presents a methodology applicable to other alloy systems. The excellent diffusion barrier performance and reliability demonstrated by nanometer-scale SFBs have significantly advanced the practical viability of Co interconnects, marking important progress in next-generation semiconductor interconnect system development.
Furthermore, the methodology and results established in this study are expected to form the foundation for developing new interconnect systems in the increasingly miniaturized semiconductor industry. The understanding of SFB formation mechanisms through Cr concentration control can directly contribute to process optimization and reliability improvement. These achievements are anticipated to serve as a significant milestone in the advancement of increasingly complex semiconductor interconnect technology.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 제 1 절 새로운 배선 시스템 개발의 필요성 1
• 제 2 절 코발트 배선의 특성과 확산 방지막 개발 필요성 10
• 제 3 절 자가형성 확산방지막(SFB) 기술의 특징 15
• 제 4 절 자가형성 확산방지막에 대한 선행 연구 17
• 제 5 절 본 논문의 목적 23
• 제 6 절 본 논문의 구성 25
• 제 2 장 이론적 배경 26
• 제 1 절 자가형성 확산방지막 형성의 열역학적 고찰 26
• 제 1 항 산화물 형성과 Gibbs 자유 에너지 26
• 제 2 항 결정 구조와 확산 거동 28
• 제 2 절 확산 방지막으로서의 SFB 신뢰성 평가 방법론 31
• 제 1 항 유전체 절연 파괴 메커니즘 31
• 제 2 항 전도 메커니즘 32
• 제 3 항 신뢰성 평가 방법론 1. C-V 특성 평가 35
• 제 4 항 신뢰성 평가 방법론 2. TDDB/VRDB 평가 36
• 제 5 항 와이블 분포를 이용한 TDDB 신뢰성 분석 38
• 제 3 장 실험 방법 39
• 제 1 절 샘플 준비 39
• 제 1 항 기판 준비 39
• 제 2 항 포토 공정 39
• 제 3 항 박막 증착 40
• 제 4 항 리프트 오프 42
• 제 5 항 어닐링 / 다이싱 43
• 제 2 절 열역학 계산 44
• 제 1 항 FactSageTM 계산 44
• 제 3 절 신뢰성 평가 45
• 제 1 항 샘플 구성 45
• 제 2 항 C-V 특성 평가 45
• 제 3 항 TDDB 평가 46
• 제 4 항 BTS-VRDB 평가 47
• 제 5 항 전자 현미경 분석 48
• 제 4 장 결과 및 고찰 49
• 제 1 절 Cr2O3 형성에 대한 열역학적 예측 49
• 제 2 절 SFB의 열적 안정성 평가 : C-V 특성 변화 56
• 제 3 절 BTS-VRDB 평가를 통한 SFB의 신뢰성 분석 58
• 제 4 절 TDDB 수명평가를 통한 SFB 장기 신뢰성 검증 60
• 제 5 절 미세구조 분석을 통한 SFB 형성 거동 규명 64
• 제 5 장 요약 및 결론 69
• 참고문헌 71
• Abstract 80