오존 및 자외선 처리를 이용한 나노기공형 초저유전물질의 최적화에 관한 연구
Optimization of Nanoporous Ultra-low Dielectrics by Ozone and UV Treatment
- 주제(키워드) 초저유전체
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 이희우
- 발행년도 2012
- 학위수여년월 2012. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 화공생명공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000047266
- 본문언어 한국어
- 저작권 서강대학교 논문은 저작원 보호를 받습니다.
초록/요약
반도체 소자의 고집적화 고속화로 인하여 반도체 내 배선 폭이 감소함에 따라 기존에 사용되던 절연체인 유기시리케이트 porous low k material (k∼ 2.7)에서 새로운 초저유전물질의 개발이 시급하게 요구되어지고 있다. 이러한 차세대 반도체 내에 사용될 층간절연물질로서 나노기공형 초저유전물질이 가장 유력한 물질로서 기대되지만, 유전율을 낮추기 위해 도입된 기공으로 인해 기계적 강도가 급격하게 감소하는 문제점을 지닌다. 이와 같은 나노기공을 포함한 초저유전물질의 기계적 강도와 유전특성을 최적화하기 위해서는 물질 자체의 균일한 기공 도입을 통하여 포라젠 함량에 따라 급격한 기계적 강도의 감소를 막고 초저유전물질 자체의 화학적․구조적 변화를 통해서 기계적 강도를 향상 시키는 것이 중요하다. 이에 따라 본 연구에서는 오존의 높은 반응력을 통하여 매트릭스와 반응형 포라젠간의 균일한 기공 구조 형성을 도우고 추가적인 자외선 처리 과정을 도입하여 유전상수 상승에 원인이 되는 잔류 -OH기를 제거하였다. 더욱이 이러한 후처리 공정을 통하여 박막 내 network 구조를 증가시켜 기계적 강도의 향상을 도모하였다. 최적화된 후처리 공정이 적용된 나노기공형 초저유전박막을 제조하기 위하여 유기실리케이트 매트릭스와 반응형 포라젠을 합성하였다. 매트릭스는 methyl trimethoxysilane (MTMS)과 1,2-bis(triethoxysilyl) ethane (BTESE)을 공중합하였고, 반응형 포라젠은 기존의 연구로부터 개발되었던 TMSXT를 사용하였다. 매트릭스는 유전상수의 감소를 위하여 기존의 BTESE 25 mol% (k=2.9)에서 BTESE 함량 20 mol% (k= 2.85)인 매트릭스를 새롭게 합성하였다. 제조된 초저유전박막은 최적의 오존처리 조건을 확인하기 위하여 다양한 온도에서 오존처리 하였다. 150 ℃ 이상의 고온에서 오존처리된 매트릭스는 alkyl 그룹이 Si-OH 그룹으로 바꾸었고 경화이후에도 잔류하는 -OH 그룹으로 인하여 박막이 SiO2화 되었다. 그러므로 포라젠과 매트릭스 간의 반응성을 최대화하면서도 매트릭스의 alkyl 그룹에 최소한의 영향을 미치는 오존처리 온도 (110 ℃)를 29Si-NMR 및 FT-IR을 통하여 확인하였다. 다음으로 오존처리된 나노기공형 초저유전박막을 430 ℃에서 자외선 처리를 통하여 초저유전박막 내에 존재하는 잔류 -OH 그룹을 제거하였다. 자외선의 광에너지를 통하여 Si 원자에 화학․구조적 결합에 영향을 줄 수 있기 때문에 오존처리된 박막의 -OH 그룹이 자외선 조사를 통해 감소하였으며 그로 인한 유전상수의 감소효과가 발생하였다. 결과적으로 본 연구에서는 최적화된 오존 및 자외선 후처리 공정을 통해서 유전율 2.1∼ 2.2 수준에서 탄성률이 8 GPa 이상인 세계적 수준의 나노기공형 초저유전물질을 개발하였다.
more초록/요약
New ultralow dielectric materials (k ≤ 2.2) are urgently demanded because continuous shrinkage of device and requirement for higher performance needs new lnterlayer dielectrics. Moreover, organosilicates (k∼ 2.7), which is conventional low k material, is not effective to insulate space between the metal lines. Among many possible candidates for ultralow dielectric materials, nanoporous organosilicates are one of the most promising candidates. However, introduction of pores adversely cause severe decrease of mechanical properties according to porogen content. Therefore, uniform pore formation with small nano pore (≤ 2nm) and chemical structure change of ultralow k are a key issue for optimization of mechanical and dielectric properties. In this study, ozone treatment was applied for high reactivity between matrix and porogen in order to improve pore morphology. Also, extra UV irradiation was used to reduce residual -OH groups. In addition, these after treatments improved mechanical properties by increas of network structure. For manufacturing optimized ultralow k materials, we prepared nanoporous dielectric film by organosilicate matrix and chemically reactive porogens. The organosilicate matrix was copolymer of methyl trimethoxysilane (MTMS) and 1,2-bis(triethoxysilyl) ethane (BTESE). New matrix (k= 2.85) with BTESE content of 20 mol% was synthesized for decrease of dielectric constant compared to previous matrix (k= 2.9) with BTESE content of 25 mol%. In order to minimize the degree of decrease in the mechanical strengths at the higher porosity, we synthesized chemically reactive porogen, trimethoxysilyl xylitol (TMSXT), which can react to silanol group of the matrix. Ozone treatment at various temperatures was used to verified the optimized condition of ozone treatment. Ozone treatment over 150 ℃ converted alkyl group of matrix into Si-OH group and residual -OH group remained after fully thermal curing. It indicated that the nanoporous dielectrics were converted into porous SiO2 like. Therefore, optimized temperature of ozone treatment was confirmed by FT-IR and 29Si-NMR in order to keep alkyl group of matrix and maximize reactivity. Ozone treatment at 110 ℃ was considered as the optimized condition. In addition, we employed UV irradiation at 430 ℃ to reduce residual -OH group inner organosilicate low k materials. It was able to eliminate -OH group generated by ozone treatment because High energy of UV treatment could cause chemical․structural effect. Thus, decrease of resiual -OH group reduced dielectric constant and improve stability of ultralow k films. Consequently, we developed the nanoporous ultralow dielectrics enhanced mechanical properties (E ≥ 8 GPa) with low dielectric constant (k= 2.1∼2.2), which was outstanding achievement by ozone and UV treatment.
more