Cu Hillock 형성 매커니즘과 개선 방안

이번 포스팅에서는 Compressive Stress가 발생하였을 때, Hillock이 발생하는 매커니즘과 개선 방안에 대해 정리해보겠습니다. Cu는 매우 낮은 비저항을 가지고 있는 물질이지만, Electromigration이나 Hillock과 같은 문제가 발생하게 됩니다. Electromigration은 이전 포스팅에서 다루었으며, 이번 포스팅에서는 Hillock에 대해 다뤄보겠습니다. 제가 참고한 논문은 아래와 같습니다.

 

① Copper Hillock Induced Copper Diffusion and Corrosion Behavior in a Dual Damascene Process

1. Cu Hillock 형성 매커니즘

Hillock 형성 원인에는 여러가지가 있습니다. 논문에는 3가지 사례를 들었습니다. ① Plasma Cleaning에 의해 Hillock이 유발될 수 있으며, ② Electromigration에 의해 Hillock이 형성될 수 있습니다. 해당 내용은 [논문 Review] 물질 및 공정 변화에 따른 Electromigration(EM) 특성에서 다루기도 했습니다. 마지막으로 ③ Compressive Stress가 발생하였을 때, 이를 해소하기 위해 Hillock이 발생할 수 있습니다. 이번 포스팅에서는 ③ 사례에 대해 중점적으로 다뤄보겠습니다.

그림 1. Cu Hillock 형성 사례

 

Cu ECP 공정 직후의 Cu는 전기도금 과정에서 형성된 내부 잔류 응력으로 인해 불안정한 상태에 있습니다. Cu는 CTE(열팽창계수)가 매우 높은 물질이기 때문에 온도가 상승하면 팽창하려는 경향이 큽니다. 그러나 주변에 있는 다른 재료들은 구리만큼 열팽창계수가 높지 않아 상대적으로 팽창이 적습니다. 이로 인해 높은 온도로 Anneal 시, Cu의 팽창이 주변 재료에 의해 억제되면서 Cu 내부에는 Compressive Stress가 발생하게 됩니다.

 

Compressive Stress에 의해 Cu의 내부 구조가 더욱 불안정해지면서, 일정 온도 이상에서는 Grain growth가 촉진됩니다. 이 과정에서 Cu는 grain boundary를 감소시키고 부피를 줄이면서 내부 응력을 완화할 수 있습니다. 결과적으로 Anneal 공정은 Grain growth를 유도하여 Cu 내부 응력을 해소하고 구조를 안정화시키는 역할을 합니다.

 

아래 그래프는 동일한 Anneal 공정을 여러 차례 반복 수행했을 때의 곡률(curvature) 변화를 나타냅니다. 1st Anneal을 진행한 후 동일한 온도로 되돌아와도 곡률 변화가 남아 있는 것을 확인할 수 있습니다. 이는 Grain growth에 따른 소성 변형(plastic deformation)으로 해석할 수 있습니다. 반면, 2nd 및 3rd Anneal을 진행한 후에는 동일한 온도로 복귀하더라도 곡률 변화가 거의 관찰되지 않습니다. 즉, 1st Anneal 시에는 Cu 내부의 잔류 응력을 해소하기 위해 Grain growth가 활발히 일어나며 소성 변형이 발생하지만, 이후에는 이미 불안정한 영역의 응력이 완화되어 추가적인 소성 변형 없이 탄성 변형(elastic deformation)만 발생하는 것으로 해석할 수 있습니다.

그림 2. Cu Anneal에 의한 소성 변형

 

내부 응력을 완화하기 위해 발생하는 소성변형 과정에는 Grain growth도 있지만 Hillock을 발생시켜 완화할 수 있습니다. Grain growth되는 매커니즘과 동일하게 특정 Activation Energy를 넘어가면 Cu 원자들이 diffusion할 수 있습니다. 하지만 단순히 Activation Energy를 넘는다고 해서 바로 diffusion이 일어나지는 않습니다. 여기에는 압력 구배가 존재해야 합니다. 즉, 원자들이 diffusion하여 Hillock을 형성하기 위해서는 낮은 Activation Energy와 함께 압력 구배라는 구동력이 모두 필요합니다. Grain 내부의 Activation Energy는 상대적으로 높기 때문에 주로 Grain Boundary에서 Hillock이 발생되게 됩니다.

 

"Compressive Stress를 완화하기 위해, Grain growth와 Hillock이라는 형태로 소성변형"

그림 3. Cu Hillock 형성 매커니즘

2. Cu Hillock 개선 방안

위에서 언급한 것처럼 Cu Hillock은 주로 Anneal 이후에 발생합니다. 하지만 일반적인 Cu Dual Damascene 공정에서는 Anneal 이후 CMP 공정을 진행함으로써 Cu Hillock을 제거할 수 있습니다.

그림 4. Cu CMP를 통한 Cu Hillock 제거

 

하지만 후속 공정에서 높은 열이 가해지면 추가적인 소성변형이 발생하여 Cu Hillock이 다시 생길 수 있습니다. 아래 그래프는 온도에 따른 Cu의 소성변형을 보여줍니다. 초기 200℃ Anneal 시에는 소성변형이 발생하고, 이후 동일한 온도로 Anneal할 경우에는 주로 탄성변형이 나타납니다. 그러나 후속 350℃ Anneal과 같이 높은 열이 가해지면 다시 소성변형이 발생하게 됩니다. 즉, 후속 공정에서 더 높은 온도의 열이 가해질 경우 Hillock이 발생할 수 있습니다. 아래 논문의 사례에서는 Cu Dual Damascene 공정 이후 ILD를 증착하는 과정에서 높은 열로 인해 Cu Hillock이 발생하였습니다. 

그림 5. ILD 공정에 의한 Cu Hillock 발생 매커니즘

 

이를 개선하기 위해 논문에서는 추가적인 Anneal 공정을 제안하였습니다. ILD 증착 시 전달되는 열에너지를, 미리 Anneal을 통해 Cu에 전달하여 Hillock을 선행적으로 유발하고, 이후 CMP 공정을 통해 이를 제거할 수 있습니다. 이렇게 하면 ILD 증착 시, 추가적인 열이 가해져도 Hillock 발생이 크게 줄어드는 효과를 얻을 수 있습니다.

그림 6. 추가적인 Anneal 공정을 통한 Hillock 개선

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결론 및 의견

Cu Hillock은 Cu ECP 이후 잔류 압축 응력 및 Cu와 주변 재료 간의 열팽창 계수 차이로 인해 발생하는 압축응력을 완화하기 위한 소성 변형 현상 중 하나입니다. 제가 경험한 불량 사례로는, Cu Hillock에 의해 상위 Metal Layer와의 Short가 발생하거나, Metal Line의 Profile 변형이 유발된 경우가 있었습니다.  따라서 앞서 언급한 것처럼 Cu CMP 이전에 충분한 Anneal 공정을 수행함으로써, 후속 공정 중 Hillock 발생을 사전에 완화하는 것이 효과적입니다.

 

다만, 추가적인 Anneal 공정은 Tr 특성에도 영향을 줄 수 있으므로 쉽게 선택할 수 없습니다. 추가적인 Anneal 공정 없이, 아래의 Intel의 특허(US 6,846,752 B2)에서 제안된 것처럼, ILD 두께를 증가시켜 Hillock의 성장 자체를 억제하는 방법도 고려할 수 있습니다. 이 경우 ILD가 Hillock의 기계적 성장을 물리적으로 제약함으로써, 열에 의한 소성변형 완화 없이도 Hillock 발생을 억제하는 효과를 기대할 수 있습니다.

그림 7. ILD 두께 증가에 따른 Hillock 개선