카본 잔류물이 남지 않는 기공형성수지를 이용한 50 nm급 반도체용 초저유전물질의 제조 : Synthesis of Ultra-low Dielectric Materials for 50 nm Semiconductors Using Carbon Residue-free Porogens
- 발행기관 서강대학교 대학원
- 지도교수 이희우
- 발행년도 2007
- 학위수여년월 200702
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 화학공학
- 식별자(기타) 000000103757
- 본문언어 한국어
초록/요약
반도체 소자의 고집적화 및 고속화가 요구됨에 따라 집적회로의 최소 선폭이 급속하게 줄어들고 있으며, 이로 인해 데이터를 외부로 전달하고 트랜지스터에 전원을 공급하는 배선 (interconnection)이 밀접하게 배열됨으로써 금속배선간의 정전용량 (capacitance, C)과 배선의 저항 (resistance, R)이 증가함으로 신호지연 (RC delay) 효과가 크게 나타나게 되어 total signal delay time이 증가하는 문제를 야기시킨다. RC delay를 감소시키기 위해서는 저항이 작은 도체의 개발과 함께 낮은 유전율을 갖는 층간절연물질의 개발이 절실히 요구된다. 2005 년도에 발표된 International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS)에 따르면 2009년 반도체 공정에 적용될 50 nm급 차세대 반도체 소자는 유전율 (k) 2.2의 초저유전물질을 요구하므로 현재 상용화된 저유전물질 (k = 2.7)로서는 적용이 불가능하다. 초저유전물질을 제조하기 위해서는 스핀코팅형 저유전물질 내에 나노미터 크기의 기공을 도입하는 방법이 가장 가능성을 인정받고 있지만, 기공이 도입됨에 따라 기계적 강도가 급격하게 감소하기 때문에, 기공의 크기를 매우 작고 균일하게 만듦과 동시에 기공이 서로 연결되지 않는 닫힌 구조를 만드는 것이 중요하다. 따라서 선행연구에서는 매트릭스와 화학결합이 가능한 trimethoxysilyl [Si-(OCH3)3]기를 사이클로덱스트린 (CD)과 글루코스 (GC)에 도입시킨 TMSCD와 TMSGC를 알릴레이션과 하이드로실릴레이션을 거쳐 합성하였다. 상기 반응형 포라젠을 이용하여 제조된 나노기공박막은 높은 기공율에서도 우수한 상용성과 높은 기계적 강도 (TMSCD = 8.14 GPa, TMSGC = 8.95 GPa)를 나타내었다. 그러나 CD 또는 GC와 같은 환형의 유기폴리올은 고온에서 완전히 분해되지 않고 카본 잔류물 (carbon residue)이 남는 문제점이 발생하였다. 카본 잔류물은 구리 이온의 확산 (copper difussion)으로 인한 누설전류 (leakage current)의 문제를 발생시키는 매개체로 작용할 가능성이 존재하여 실제 구리배선용 반도체 적용 시 문제점으로 지적되고 있다. 따라서, 본 연구에서는 비환형 유기폴리올 계열과 환원당 계열의 물질에알릴레이션과 하이드로실릴레이션 반응을 거쳐 말단기가 trimethoxysilyl [Si-(OCH3)3] 그룹으로 치환된 포라젠을 합성하였으며 이는 매트릭스와의 화학적 결합이 가능하여 최대한 상분리를 줄일 수 있을 뿐만 아니라, TGA를 통하여 열분해 거동을 관찰한 결과 완전히 열분해가 일어남을 확인할 수 있었다. 매트릭스로는 기계적 물성 및 포라젠과의 상용성 향상을 목적으로 poly(methyl trimethoxy silane-co-bistriethoxysilyl ethane) (BTESE 25%) 공중합체를 사용했다. 비환형 유기폴리올 계열의 물질로는 pentaerythritol, dipentaerythritol 및 tripentaerythritol을, 환원당 계열의 물질로는 xylitol, mannitol을 단량체로 하여 포라젠을 합성한 뒤 열처리를 통해 매트릭스와 졸-겔 반응을 거쳐 초저유전박막을 제조한 후 각각의 유전율과 기계적 물성의 변화를 비교하였다. 특히 trimethoxysilyl xylitol (TMSXT)를 포라젠으로 사용한 박막의 경우 26.25%의 공극율에서 유전율 2.12에 탄성계수 9.1 GPa로서 비환형 유기폴리올 계열과 환원당 계열의 물질 중 가장 우수한 유전율과 기계적 물성을 나타내었다
more초록/요약
The interlayer dielectric (ILD) surrounds and insulates interconnect wiring. As the line spacing of the interconnects decreaeses, the associated higher resistance (R) and capacitive (C) coupling causes an increasing problem of signal delay, known as RC delay, of the circuit itself. Lowering the k value of the ILD decreases the RC delay, lowers power consumption, and reduces ''cross-talk'' between nearby interconnects. The International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) 2005 requires ultra-low dielectrics (k < 2.2) for the 50 nm node generation by 2009. The general method to reduce the dielectric constant is to incorporate nano-scaled air voids in the spin-on dielectrics (SOD) upon decomposition of thermally labile organic materials called porogen. We prepared the nanoporous ultra-low dielectrics with desirable pore morphologies and remarkably high mechanical strength using β-cyclodextrin (CD)-and glucose (GC)-based porogens, which had reactivity with organosilicate matrices through allylation and hydrosilylation reactions. However, these reactive porogens left a small amount of carbon residue after calcination so that it was needed to develop a new reactive porogen without leaving any carbon residue. In this work, we synthesized a chemically reactive nanoparticular porogens by introducing trimethoxysilane [Si-(OCH3)3] groups in organic non-cyclic polyols and reducing sugars via allylation and the subsequent hydrosilylation reaction to endow reactivity with the organosilicate matrix. The carbon residue-free materials, which pentaerythritol, dipentaerythritol and tripentaerythritol were non-cyclic organic polyols and reducing sugars such as xylitol and mannitol, were used as porogens. The organosilicate matrix was used poly(methyltrimethoxy silane-co-bistriethoxysilyl ethane) where the composition of the second monomer was 25 mol% (BTESE 25%, k = 2.9). TGA result indicated that the new porogens completely decomposed without any carbon residue. When the BTESE 25% copolymer matrix was combined with the trimethoxysilyl xylitol, we could obtain nanoporous SOD which had much lower dielectric constant (k = 2.12) and higher mechanical properties (E = 9.1 GPa) at the porosity of 26.25%.
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