검색 상세

반응형 POSS가 도입된 나노기공형 초저유전물질의 유전적·기계적 특성 분석

Characterization of Mechanical and Dielectrical Properties of Nanoporous Ultralow Dielectrics by Reactive POSS

초록/요약 도움말

반도체 소자의 고집적·고밀도화로 인하여 반도체 내 배선간격이 감소함에 따라 배선 사이의 신호지연 (RC delay)와 cross-talk noise에 의해 소자의 스위칭 속도가 감소하는 문제점이 발생한다. 하지만 사용되고 있는 절연체인 다공성 유기실리케이트 (k ∼ 2.5)는 이를 효과적으로 해결하기 어려운 실정이다. 따라서 절연성능이 보다 더 우수한 새로운 초저유전물질 (k ≤ 2.2) 의 개발이 시급하게 요구되고 있으며, 이러한 차세대 반도체 내에 사용될 층간절연물질로서 2 nm 이하 크기의 기공이 도입된 나노기공형 초저유전물질이 가장 유력한 물질로서 기대된다. 그러나 유전율을 낮추기 위한 기공의 함량이 높아짐에 따라 일정 함량 (10 ∼ 15 %) 이상에서 초저유전물질의 기계적 강도가 급격하게 감소하여 CMP 공정 등 공정적용성에 문제점을 지닌다. 이와 같은 나노기공을 포함한 초저유전물질의 기계적 강도와 유전특성을 최적화하기 위해서는 절연물질 내에 균일한 크기의 기공 도입이 필요하다. 따라서 본 연구실에서는 말단에 trimethoxy silyl기룰 갖는 반응형 포로젠인 trimethoxysilyl xylitol (TMSXT)를 methyl trimethoxysilane (MTMS)와 1,2-bis(triethoxysilyl) ethane (BTESE) (75 : 25 mol%)의 공중합체인 BTESE25에 도입하여 2.04의 낮은 유전상수에도 우수한 기계적 강도 (E = 7.76 GPa, H = 1.19 GPa)를 갖는 초저유전재료를 개발하였다. 하지만 TMSXT의 도입량이 60 vol%를 넘어가게 되면 박막 형성이 어려워져 더 이상 유전상수의 감소를 기대하기가 어렵다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS)의 말단을 반응성기로 개질한 반응형 POSS을 설계 및 합성하였다. POSS는 SiO1.5의 silsesquioxane cage 구조로 이루어져 있으므로 1 ∼ 2 nm 크기의 기공의 도입이 매우 용이할 뿐만 아니라, 말단에 개질된 반응성기로 인해 유기실리케이트 매트릭스와 POSS 두 상간의 상분리를 억제하는 것이 가능하다. 따라서 기공의 함량이 높아짐에 따라 급감하는 초저유전박막의 기계적 강도의 최소화를 기대할 수 있다. 먼저 BTESE25 매트릭스에 반응형 POSS를 도입하여 박막을 제조하고 도입량에 따른 유전적․기계적 특성을 분석하여 POSS의 도입량을 최적화 하였다. 그 결과 반응형 POSS의 도입량이 20 vol%일 때 제조된 BTESE25/POSS 박막은 2.8의 유전상수를 보였으며 기존의 BTESE25보다 0.1 가량 낮은 수치였다. 이는 기존 BTESE25/TMSXT 박막의 유전상수가 2.04인 것을 감안하였을 때, TMSXT 도입 시 산술적으로 2.0 이하의 유전상수를 달성할 수 있을 것으로 기대하였다. 따라서 POSS가 도입된 새로운 유기실리케이트에 반응형 포로젠인 TMSXT를 추가적으로 도입함으로써 2.01의 매우 낮은 유전상수와 우수한 기계적 강도 (E = 5.59 GPa, H = 0.72 GPa)를 갖는 새로운 초저유전물질을 개발하였다. 이러한 결과는 현재 초저유전물질 연구 경향의 한계를 극복하고 새로운 방향을 제시할 수 있을 것이라 기대된다.

more

초록/요약 도움말

New ultralow dielectric materials (k ≤ 2.2) are urgently needed because of poor device performance caused by RC delay and cross-talk noise which result from continuous shrinkage of device. Moreover, current dielectrics (k ∼ 2.5), which is conventional low-k materials, is not effective enough to insulate space metal lines. Therefore, new ultralow dielectric materials (k ≤ 2.2) are definitely needed. Among many possible candidates for ultralow dielectric materials, nanoposrous organosilicate is one of the most promising candidates. However, the introduction of pores adversely resulted in severe damage in mechanical properties of ultralow dielectrics due to aggregation and interconnection of pores. Uniformly distributed and closed pore structures are essential to optimize the dielectric and mechanical properties of nanoporous ultralow dielectrics. So, we had already developed ultralow dielectrics with k value of 2.04 and superb mechanical properties (E = 7.76 GPa, H = 1.19 GPa). This ultarlow dielectrics were fabricated by introduction of trimethoxysilyl xylitol (TMSXT) with trimethoxy silyl end groups to BTESE25, which was the copolymer of trimethoxysilane (MTMS) and 1,2-bis(triethoxysilyl) ethane (BTESE) (75 : 25 mol%). However, it is difficult to reduce dielectric constant below 2.04 because BTESE25/TMSXT thin film could not be formed when TMSXT content exceeded 60 vol%. Therefore, we designed and synthesized polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS) functionalized with reactive group as reactive POSS. Silsesquioxane cage structure of POSS was able to introduce 1 ∼ 2 nm sized pores into ultralow dielectrics easily. Also, it was possible to suppress phase separation between organosilicate matrix and POSS due to reactive groups. So, it was expected to minimize the loss in mechnical properties of ultralow dielectrics due to increased porosity. First, we prepared thin films using BTESE25 and reactive POSS. Also, we analyzed dielectric and mechanical properties of the thin film to optimize POSS content. Consequently, dielectric constant of BTESE25/POSS organosilicate reduced value of 2.8 at 20 vol% POSS loading. This value was lower than that of BTESE25 film by 0.1. In view of the fact that k of BTESE25/TMSXT thin film was 2.04, we expected to accomplish reduced k value under 2.0 by introduction of TMSXT. When we introduced TMSXT as additional reactive porogen to the new organosilicate, we could develop new ultralow dielectric materials with dielectric constant of 2.01 and good mechanical properties (E = 5.59 GPa, H = 0.72 GPa). These ultralow dielectrics may pave the way to overcome the limitation and remain another innovative way forward in the development of ultralow k.

more
반출 Meta View 목록