탄소함량에 따른 유기실리케이트 저유전 박막의 제조와 특성에 관한 연구
Characterization and Synthesis of Organosilicate for New Ultralow Dielectrics
- 주제(키워드) Ultra low-k , Dielectrics , Organosilicate , PID characteristic
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 이희우
- 발행년도 2013
- 학위수여년월 2013. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 화공생명공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000049717
- 본문언어 한국어
- 저작권 서강대학교 논문은 저작권 보호를 받습니다.
초록/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, current dielectrics (k∼ 2.5), 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 resulted in severe decrease of mechanical properties due to aggregation and interconnection of pores. To solve this problem, uniformly distributed and closed pores are a necessity to optimize the mechanical strength and dielectric property for nanoporous ultra low dielectrics. By introducing reactive porogen to the previous work, a novel material with a dielectric constant of 2.12, modulus of 9.1 GPa and a hardness of 1.02 GPa. To improve plasma induced damage characteristic, synthesis of organosilicates with increased carbon content was carried out. In addition, the research was based on developing a novel nanoporous ultra low k materials with a dielectric constant of 2.0 by synthesizing organosilicate which has a lower dielectric constant and mechanical strength compared to ours previous system. To compare the effect of carbon contents, nanoporous ULK was produced with organosilicate as a matrix and reactive porogen. two kinds of matrices were synthesized with the copolymerization of methyl trimethoxysilane (MTMS) with 1,2-bis(triethoxysilyl) pentane (BTESP) and MTMS with 1,2-bis(triethoxysilyl) butane (BTESB). TMSXT was used as the reactive porogen. The PID properties were tested by exposing samples in O2 plasma for 1 min followed by immersing the samples in 1 : 100 of HF and water for 15 seconds. The decrease in the thickness was measured to compare the PID property of the formerly developed BTESE and the synthesized BTESP and BTESB. The organosilicate with increased carbon content showed 10 ∼ 20% increase in PID characterization at the same dielectric constant and mechanical properties in comparison with the ours previous system (k = 2.21, E ≥10 GPa, H ≥ 1 GPa). In addition, with the control of BTESE content, the dielectric constant was decreased by 0.1 compared to the former matrix with 25% of BTESE. With development of an optimized reactive porogen, a matrix with a dielectric constant of 2.0 can be produced by using this material. Also the mechanical properties are in satisfactory with the required properties (E = 9.19 GPa, H = 1.4 GPa). In this study, a novel organosilicate (BTESP 25, BTESB 25) was developed with different carbon content with increased PID property, which is appropriate for application of process. Further, a ultra low k materials with lower dielectric constant compared to the former matrix was synthesized for the application of next generation semiconductor.
more초록/요약
반도체 소자의 고집적화？고속화로 인하여 반도체 내 배선 폭이 감소함에 따라 기존에 사용되던 절연체인 유기시리케이트 porous low k material (k ∼ 2.5)보다 절연성능이 우수한 새로운 초저유전물질 (k = 2.2 ∼ 2.5)의 개발이 시급하게 요구된다. 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 필요하다. 위의 문제를 해결하기 위해 우리는 기존의 연구에서 반응형 포라젠 시스템을 도입하여 유전상수 2.12, 기계적 강도 9.1 GPa, 경도 1.02 GPa의 차세대 시스템 반도체용 층간절연 물질을 개발했다. 우리가 기존에 개발한 반응형 포라젠을 이용한 초저유전박막의 plasma induced damage 특성을 더욱 향상시키기 위해 탄소함량을 증가시킨 유기실리케이트를 개발하는 연구를 진행했다. 또한 기존의 연구에서 얻은 매우 높은 기계적 강도 (E = 12 GPa)를 감소시키는 대신 더 낮은 유전상수를 갖는 유기실리케이트의 합성을 통해 2.0의 유전상수를 갖는 나노기공 초저유전막의 개발을 위한 연구를 진행했다. 먼저, 탄소함량 변화를 통한 나노기공형 초저유전박막을 제조하기 위하여 유기실리케이트 매트릭스와 반응형 포라젠을 합성하였다. 매트릭스는 methyl trimethoxysilane (MTMS)과 1,2-bis(triethoxysilyl) pentane (BTESP), 1,2-bis(triethoxysilyl) butane (BTESB)을 공중합 하였고, 반응형 포라젠은 기존의 연구로부터 개발되었던 TMSXT를 사용하였다. 제조된 초저유전박막의 PID 특성을 시험하기 위해 O2 plasma를 1분간 처리했다. 그 후에 HF와 물의 비율을 1:100의 비율로 만든 용액에 15초간 담가 두께의 감소를 확인했고 이를 통해서 기존의 BTESE와 새롭게 합성한 BTESP, BTESB의 PID 특성을 비교하였다. 탄소함량을 증가시켜 제조한 organosilicate (BTESP 25, BTESB 25)의 경우 기존의 시스템 (BTESE 25)에 비하여 PID 특성이 10 ∼ 20 % 증가했으며, 유전상수와 기계적 강도 역시 기존의 시스템과 비슷한 영역의 값을 얻었다 (k = 2.21, E ≥10 GPa, H ≥ 1 GPa). 또한 기존의 BTESE 25% 매트릭스보다 더 낮은 유전상수를 갖기 위해 BTESE 함량조절을 통해 합성한 매트릭스 (BTESE 15%)의 경우 유전상수가 BTESE 25%에 비해 0.1이 감소하였고 이는 최적화된 포라젠만 개발한다면 2.0의 유전상수를 갖는 초저유전막을 제조할 수 있는 우수한 매트릭스 물질이다. 또한 기계적 강도 역시 현재의 요구물성 (E ≥ 5 GPa)을 만족한다 (E = 9.19 GPa, H = 1.4 GPa). 결과적으로 본 연구에서는 탄소함량의 변화를 통해서 공정적용에 중요한 PID 특성을 향상시킨 초저유전막 (BTESP 25, BTESB 25)과 기존의 매트릭스 (BTESE 25)보다 더 낮은 유전상수를 갖는 유기실리케이트(BTESE 15)의 합성을 통해 차세대 비메모리 반도체에 적용할 수 있는 초저유전 물질을 개발하였다.
more