나노기공형 초저유전물질에 대한 자외선 조사 효과 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

As the speed of electronic devices becomes faster and feature size of integrated circuits continues to become smaller, it is required to replace the conventional dielectric material such as silicon-dioxide (k ~ 4) with the materials which have much lower dielectric constant. To decrease the dielectric constant, there are representative two ways. One way is to synthesis new materials having non-polar structure such as methyl (-CH3) side chain in their molecular structure. Another way is introducing air voids (k = 1) to materials. However, low dielectric materials prepared by these two ways suffer from low mechanical properties due to lower crosslinking density and there is a lot of doubts about applying these materials to real integration process. Recently, many efforts to modify the materials using plasma or UV treatment are being made to solve this problem by making the materials tough. In this study, wavelengthes of 254 and 352 nm UV lamps were used to increase mechanical properties by modifying silicon bonding structures like suboxide, network, cage structures. FT-IR spectrum analysis was used to confirm the changes in silicon bonding structure after UV treatment. In case of 352 nm UV lamp, there wasn't significant effect because of the lower energy of 352 nm UV lamp. Howerver, using high energy 254 nm UV lamp resulted in increased ratio of mechanically tough network structures. Thin films were exposed to 254 nm UV lamp for increasing treatment time (5, 10, 30 min) and mechanical properties were increased with increasing treatment time. The largest enhancement was achieved when the thin film was treated for 5 min and small enhancements were achievied when the treatment time increased further. UV treatment of thin films showed over 15% increase in E and thin film with 60% of porogen loading resulted in k of 2.18, elastic modulus of 11.13.

국문 초록 (Abstract)

반도체 소자의 고집적화와 고속화로 반도체 내 배선 폭이 감소함에 따라 기존에 배선 간 절연체로 이용되던 산화실리콘막 (SiO2, k ~ 4)의 대체 물질의 개발이 시급한 실정이며, 이에 따라 50 nm 이하 공정에 이용되는 2.4 이하의 유전율을 가지는 물질의 연구 및 개발이 세계에서 진행되고 있다. 유전율을 낮추기 위한 방법으로는 크게 비극성기를 도입한 구조의 methyl silsesquioxane (MSQ)이나 열에 불안정한 기공형성수지를 이용하여 막내에 기공 (k ~ 1)을 도입하는 두 가지 방법이 이용되어 왔다. 그러나 위와 같은 구조를 갖는 물질은 낮은 유전율을 가지는 반면 낮은 경화 밀도로 인해 기계적 강도가 크게 감소하여 화학기계적연마공정과 반도체 공정에 대한 적용 가능성이 불투명하였다. 최근 이러한 문제점을 해결하고 기계적강도를 강화하기 위하여 플라즈마나 자외선 등으로 막을 처리하여 개질하는 방법이 연구되고 있다. 본 연구에서는 기계적강도의 증가를 목표로 352 nm과 254 nm의 파장을 가지는 자외선을 이용하여 실세스퀴옥산 초저유전막 내의 suboxide, network, cage 와 같은 실리콘 결합구조를 변화시키려고 시도하였다. 제조된 초저유전막의 FT-IR 분석 결과 352 nm의 경우 파장 자체의 낮은 에너지로 인하여 실리콘 결합구조를 크게 변화시키지 못하였으며, 254 nm 으로 처리된 초저유전막의 경우 상대적으로 강한 기계적 강도를 가지는 network 구조의 증가가 관찰되었다. 초저유전막은 동일조건에서 각 5, 10, 30 분 간 자외선 조사 처리되었으며 처리시간의 증가에 따라 기계적강도가 비례하여 증가하였으나 5분 처리되었을 경우 가장 큰 폭으로 기계적강도가 증가하였고 이후에는 소폭 증가하는 경향을 보였다. 처리된 박막은 전체적으로 약 15% 이상의 탄성률 증가를 보였으며 기공형성수지가 60% 도입된 박막이 30분간 처리되었을 경우 k = 2.18 정도의 낮은 비유전율에서 E = 11.18 GPa의 높은 기계적 강도를 나타내었다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 = 1
• 1.1 연구배경 = 1
• 1.1.1. 초저유전막의 필요성 = 1
• 1.1.2. 초저유전막의 요구물성 = 4
• 1.1.3. 국내외 관련기술의 현황 및 전망 = 6
• 1.1.4. Nanoporous Organosilicate = 8
• 1.1.5 UV Treatment = 10
• 1.2. 연구목적 = 13
• 제2장 실험 = 14
• 2.1. 시료 = 14
• 2.1.1. Synthesis of Matrix = 14
• 2.1.2. Synthesis of Porogens = 16
• 2.2. 나노기공 초저유전박막의 제조 및 UV 조사 = 19
• 2.3. 나노기공 초저유전박막의 특성분석 = 21
• 2.3.1. 굴절률(n) 및 공극률(P) = 21
• 2.3.2. 유전상수 = 22
• 2.3.3. 기계적 강도 = 24
• 2.3.4. Si-O-Si 결합의 FT-IR 분석 = 28
• 제3장 실험결과 및 고찰 = 31
• 3.1. ¹H-NMR spectra = 31
• 3.2. Si-O-Si 결합구조 분석 = 33
• 3.3. 굴절률 및 공극률 = 36
• 3.4. 유전상수 및 기계적강도 = 39
• 제4장 결론 = 47
• 참고문헌 = 49