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ISSN : 1225-0562(Print)
ISSN : 2287-7258(Online)
Korean Journal of Materials Research Vol.26 No.8 pp.438-443
DOI : https://doi.org/10.3740/MRSK.2016.26.8.438

Film Properties of Al Thin Films Depending on Process Parameters and Film Thickness Grown by Sputter

Il-Kwon Oh1, Chang Mo Yoon1, Jin Wook Jang2, Hyungjun Kim1
1School of Electrical and Electronics Engineering, Yonsei University, 50 Yonsei-ro, Seodaemun-gu, Seoul 03722, Republic of Korea
2Samsung Electronics Test & Package Center, 158 Baebang-ro, Baebang-eup, Asan-si, Chungcheongnam-do 31489, Republic of Korea
Corresponding author hyungjun@yonsei.ac.kr (H. Kim, Yonsei Univ.)
March 25, 2016 July 8, 2016 July 8, 2016

Abstract

We developed an Al sputtering process by varying the plasma power, process temperature, and film thickness. We observed an increase of hillock distribution and average diameter with increasing plasma power, process temperature, and film thickness. Since the roughness of a film increases with the increase of the distribution and average size of hillocks, the control of hillock formation is a key factor in the reduction of Al corrosion. We observed the lowest hillock formation at 30 W and 100 °C. This growth characteristic of sputtered Al thin films will be useful for the reduction of Al corrosion in the future of the electronic packaging field.


스퍼터로 성장된 알루미늄 박막의 공정 변수와 박막 두께에 따른 물성

오 일권1, 윤 창모1, 장 진욱2, 김 형준1
1연세대학교 전기전자공학부,
2삼성전자 Test & Package Center

초록


    Ministry of Science, ICT and Future Planning
    NRF-2014R1A2A1A11052588
    CISS-2011-0031848

    TP Center of Samsung Electronics

    © Materials Research Society of Korea. All rights reserved.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    1.서 론

    반도체 소자에서 반도체 Chip과 외부 회로 간 전기적 연결은 전자 패키지(Electronic Package) 분야에서 굉장 히 중요한 부분 중 하나이다. 반도체 Chip위에 형성된 Al Pad와 Au Wire와의 Metallurgical Bonding을 통한 Wire bonding 기술이 전기적 연결 개발 기술 전체 중 90 % 이상을 차지하고 있는 정도로 아주 중요한 분야이다.1)

    DRAM과 Flash등 memory 소자를 비롯하여, 반도체 소자들의 선 폭은 계속 미세해지고 있으며 이는 필연적 으로 package 구조의 미세함도 동반되게 한다. 이러한 상 황에서 가장 심각한 이슈 중 하나는 package 신뢰성의 문제이다. 특히 package의 가장 겉면에 있는 molding compound는 습기에 비교적 큰 permeability를 보이므로,2) 만일 corrosive environment와 결합할 경우, Al Pad의 corrosion에 의한 신뢰성 저하를 피하기 힘들게 된다.3) 기 존에는 무시할 수 있는 수준의 좁은 영역의 소재 부식 은 구조의 미세화로 인해 더 이상 무시할 수 없으며, 전 기적 소자의 특성과 수명을 크게 좌우한다. 또한 악화 되어 가는 환경오염과 고온 다습한 기후 변화는 package 구조의 미세화와 이슈와 함께 신뢰성의 중요성을 부각 시켰다.

    Al 박막으로 제조된 전도체는 값이 싸며, 우수한 전기 전도도로 인해Si 평판 기술 기반 소자들 사이를 연결하 는데 주로 쓰인다. 하지만, Al의 높은 화학적 반응성 때 문에, 쉽게 산화가 되어 소자의 수명이 낮은 단점이 있 다. 일반적으로 Al pad는 sputtering 방법으로 제조한다. Sputtering에 의해서 제조되는 박막의 특성은 증착 조건 및 두께에 따라서 크게 변하며, 특히 Al 과 같이 화학 적 반응성이 높은 물질은 공정 조건에 영향을 크게 받 는다. 예를 들어, sputtering 공정 변수인 공정 온도, 시 간, 압력, 플라즈마 인가 전력 등에 의해 박막의 물성 이 좌우된다. 특히, Al의 비교적 낮은 융점(Tm = 660 °C) 으로 인해, 박막 증착 온도가 Al 박막 특성에 미치는 영 향이 클 것으로 예상된다.4,5) 이를 극복하기 위해 연구자 들은 유기 물질로 코팅을 하여 부식의 속도를 늦추는 시 도를 해왔다.6-9) 후속 연구에서 thiourea와 같은 Sulfur가 함유된 화합물을 이용 시, Al 부식을 효과적으로 낮출 수 있다는 것이 보고 된 바 있다.10)

    Al 박막은 표면에서의 전기화학적 반응을 통해 부식 손 상된다. 지역적으로 발생되는 표면 전기 화학 반응은 pitting, intergranular, intragranular 부식 반응을 일으킨 다.11) 금속과 주변환경 간의 전자 교환이 금속 표면에서 발생하며, 이 산화 환원 반응으로 인해 부식이 발생된 다. 박막의 표면적이 넓을수록 전자 교환이 더 활발해 지므로,12) 거칠기 적은 Al 박막 형성이 굉장히 중요하다.

    따라서 본 연구에서는sputtering 으로 제조된 Al 박막 의 두께 및 증착 조건에 따라서, Al 박막의 구조적 성 질을 포함한 여타 성질들을 체계적으로 연구한다. 증착 온도, 플라즈마 인가 전력, 공정 시간, 압력 등 공정 변 수들을 조절하여 박막의 특성들을 분석하여, Al 박막의 거칠기 특성과 전기 전도도 특성을 체계적으로 연구한 다. 이러한 결과들을 조합함으로써, 더 높은 신뢰성을 가 진 Al 박막 pad의 제조 공정을 제시를 할 수 것으로 기 대된다.

    2.실험 방법

    본 연구에서는 p-type (001)의 단결정 Si 웨이퍼(1~ 20 Ωcm)를 기판으로 진행하였다. Al 박막 증착은 4 Inch sputter system(RSP 5003, SNTEK사) 장비를 사용했다. Si 샘플을 sputter 챔버에 로딩한 이후 1 × 10−6 Torr까지 진공을 뽑은 이후에 실험을 진행하였다. Al sputter는 Ar 분위기에서 진행하였다. 기존 보고에 따르면, 공정압력이 증가할수록 박막의 거칠기가 증가한다.13) 박막의 거칠기 가 증가할수록 부식속도가 증가하므로,12) 공정압력을 장 비의 최소 수준인 5 × 10−3 Torr로 설정하였다. 이 때의 Ar 양은 20 sccm을 사용하였다. 플라즈마 인가 전력은 30~200W로 변화 시키면서, 온도는 100~300 °C까지 변 화 시키면서 실험하였다. 두께에 따른 박막 특성을 확 인하기 위해 300 nm와 600 nm Al 박막을 증착 하였으 며 이를 위해 공정 시간은 각 1시간과 2시간 진행하였 다. 기판 회전은 6 revolution per minute(RPM)으로 고 정하여 실험하였다.

    전계방출형 주사 전자 현미경(Field Emission Scanning Electron Microscopy; FE-SEM, JEOL사, JSM-7001F) 을 표면 형태와 박막의 조성 분석에 사용하였다. 얻어 진 SEM image로부터 hill lock 크기를 산출하기 위하여 그래픽 표면 분석 소프트웨어(Image J, developed at the National Institutes of Health)를 사용하였다. 표면 거칠기 특정을 위해 원자 간력 현미경(Atomic Force Microscope; AFM, JPL Instument사, Nanowizard I) 을 사용하였다. Al 박막의 표면저항을 측정하기 위하여 4-Point Probe (CMT사, 4-Point Probe System)을 사용하였다. 4개의 탐 침으로 전류와 전압을 이용하여 저항 값을 구한 후, 표면저항으로 환산하기 위해 보정계수(Correction Factor; C.F, 4.532)를 적용하였다. Al 박막의 결정성을 측정하기 위해 X-ray diffraction(XRD, SmartLab사)를 이용하였다. Al 박막의 경도를 측정하기 위해 Pencil hardness tester (PHT, 오션과학사)를 이용하였다. 연필은 6B~8H까지 사 용하였고 추의 무게는 강한 Al의 경도를 이기기 위해 1 kg을 사용하였다. 연필의 강도는 6B가 가장 무르고 8H 가 가장 강하며, 연필로 Al 박막을 일정한 속도로 긁었 을 때 긁히기 직전의 연필강도가 Al의 강도가 된다. 스 퍼터로 성장된 Al 박막의 부식 테스트는 기존 연구에서 의 부식 방법을 준용하여 진행하였다.14) 1 M의 HCl 용 액을 만들었고, Al 박막을 2시간 동안 dipping한 이후 에 optical microscope(OM, ARTRAY사)으로 부식 정도 를 측정하였다. Image J 프로그램을 이용하여 Al 박막 표면에 부식된 areal density를 계산하였다.

    3.결 과

    스퍼터를 이용해, 공정온도 200 °C에서 플라즈마 인가 전력 30~200W로 바꿔가며 Si 위에 Al을 1시간 동안 증착하였다. Fig. 1은 SEM으로 관찰한 플라즈마 인가 전 력에 따른 Al 박막의 표면 이미지 이다(Fig. 1(a): 30W, Fig. 1(b): 100W, Fig. 1(c): 200 W). 플라즈마 인가 전 력이 증가할수록 거친 morphology를 보였다. 플라즈마 인가 전력이 증가하면 전하를 띄고 있는 전자들 혹은 Ar 이온들의 가속이 증가된다. 이로 인해 이들이 Al target 과 충돌 후 방출된 Al의 에너지가 증가한다. 높은 에너 지의 Al이 기판과 충돌 시 높은 momentum transfer로 인해 높은 온도상승을 유발한다. 이는 곧 표면 Al 원자 들의 이동도가 증가하게 하며, 결국 표면을 거칠게 만 든다.15) 박막의 부식은 표면에서의 전자 교환 반응이기 때문에, 아래 2가지 이유에 의해 거칠가기 큰 표면에서 부식이 더 잘 일어난다; 1. 거칠기가 큰 표면에는 smooth 한 기판 보다 표면 굴곡이 더 심해, 부식 표면적이 더 크다. 2. 거친 표면은 표면 valley와 peak의 수가 더 많 다. 상대적으로 peak 내부의 전자들은 valley 내부의 전 자들 보다 방출되기 더 쉽기 때문에,12) 거친 표면의 전 자들이 smooth한 표면의 전자들 보다 전기 화학적으로 반응성이 더 높다. 따라서 내화학성을 지니는 Al 박막 을 증착 하기 위해 가장 거칠기가 적은 박막을 증착 할 수 있는 30W에서 후속 공정을 진행하였다.

    플라즈마 인가 전력을 30W로 고정하고, 공정 온도를 바꿔가며, Al을 Si 기판에 증착 하였다. SEM 측면 이 미지 분석을 통해 100 °C, 200 °C, 300 °C도에서 증착된 Al 박막의 두께가 각각 280 nm, 300 nm, 300 nm인 것 을 확인하였으며, 공정온도가 바뀌어도 같은 시간의 증 착에서는 박막의 두께가 같은 것을 확인하였다. Fig. 2(ac) 는 각각 100 °C, 200 °C, 300 °C 공정온도에 따른 Al 박막의 SEM 상부 이미지 이며, 온도가 올라갈수록 더 큰 굴곡이 있는 표면을 확인하였다. 공정 온도가 높아 질수록 표면 굴곡이 증가하는 이유는 표면의 hillock의 크기가 증가하기 때문이다. Image J 프로그램을 이용하 여 표면의 hillock 크기를 계산하였으며, Fig. 2(d)에 정 리하여 나타내었다. 증착 온도가 증가할수록 hillock 크 기는 증가하는 것을 확인하였으며, 2가지 원인이 있다; 1. Hillock은 Al과 같은 금속 박막을 증착 할 때 널리 관 찰되는 현상이며, 금속 박막의 grain boundary를 따라 표 면에 형성하여 표면을 거칠게 만든다고 알려져 있다.16) 온도가 높을 수록 grain boundary를 따라 이동하는 Al 원자의 수가 증가하기 때문에, 공정 온도가 높을수록 grain boundary에 형성되는 hillock의 크기가 커진다.16) 2. 아울러, Al 박막은 성장하면서 compressive stress를 받는다. 이때, 박막에 가해지는 온도가 높을수록, 박막과 기판간의 thermal expansion coefficient 차이로 인해 박 막의 소형 변형(plastic deformation)이 심해진다고 알려 져 있다.15) 박막의 stress state는 공정 조건에 따라 달라 질 수 있지만, 기존 논문(180~280 °C에서 어닐링, 250~600 nm 두께의 Al 박막)15) 과 비교해서 본 연구에서 사 용된 박막이 유사한 조건에서 성장되었기 때문에, 기존 문헌과 같이, Al 박막이 성장되면서 우리의 박막 또한 compressive stress를 받았다고 판단된다. 결국, 위와 같 은 이유들로 인해 hillock의 크기와 분포가 커져 표면 굴 곡이 커졌다고 생각한다. 정확한 표면 거칠기 정도 측 정을 위해 AFM 분석을 하였다. Fig. 3(a-c)는 각각 100 °C, 200 °C, 300 °C 공정온도에 따른 Al 박막의 표면 AFM이미지이다. Root mean square(RMS) 거칠기 값이 온도가 증가할수록 각각 28, 43, 68 nm로 증가하는 것 을 확인하였으며, 온도가 증가할수록 SEM 분석에서 확 인한 hillock의 크기가 증가 했기 때문이라고 판단된다.

    Table 1은 이들의 두께와 표면저항, 비저항을 정리한 표이다. 증착 온도가 증가하면 Al의 비저항이 증가하는 것 하였으며, 이것은 기존 논문과 일치하는 경향이다.17) SEM과 AFM 분석을 통해 증착 온도가 증가하면, 표면 거칠기 값이 증가하는 것을 관찰하였다(Fig. 2 and Fig. 3). 표면 거칠기가 증가하면 같은 면적 내의 박막 표면 적이 증가하며, 이로 인해 전자들의 이동 거리가 증가 하고 결국 저항 값이 증가한다.18) 따라서 가장 거칠기가 작고, 저항 값이 가장 낮은 Al 박막을 증착 할 수 있는 100 °C에서 후속 공정을 진행하였다.

    공정온도 100 °C, 플라즈마 인가 전압 30W에서 증착 시간에 따라 Al을 Si 기판에 증착하였다. Fig. 4(a)4(b)는 Al 을 각각 1시간, 2시간 증착한 박막의 표면 SEM 이미지 이며, inset은 측면 SEM 이미지 이다. 측 면 이미지를 통해 1시간과 2시간의 공정시간에서 각각 280 nm와 580 nm 두께의 Al 박막이 형성 된 것을 확인 하였다. 또한 박막 표면에 hillock들이 확인되었고, 이미 지 분석을 통해 hillock 크기가 평균 반지름이 각각 220, 320 nm인 것을 확인하였다. 앞서 말한 바와 같이, Al 박 막은 성장하면서 compressive stress를 받는다.16) 박막 성 장 시간이 길어질 수록, 박막 두께가 늘어날 수록, 박 막이 받는 stress를 relaxation 하는 정도가 커지며, 이로 인해 소형 변형이 더 심하게 일어나, hillock의 크기는 커진다.

    Table 2과 같이 박막의 두께가 변해도 비저항은 변하 지 않는 것을 확인하였다. 즉, 공정 온도와는 달리, 두 께가 Al 박막에 전기 전도도에 영향을 미치는 주된 요 인이 아닌 것을 확인하였다. Fig. 2의 SEM 이미지 분 석과 Fig. 3의 AFM 이미지 분석을 통해 hillock의 크기 가 커지면 거칠기가 증가하는 것을 확인하였다. Fig. 4 의 두께에 따른 SEM 이미지 분석에서 두께가 커지면 hillock의 크기가 커지는 것을 확인하였으며, 이로 인해 거칠기가 더 클 것으로 생각된다. 같은 두께에선 거칠 기가 더 큰 박막은 저항이 더 큰 것을 확인하였다(Table 1). 하지만 다른 두께에선 두께가 커지면 박막의 결정성 이 커지므로, 비저항 값이 감소한다고 알려져 있다.16) 따 라서 거칠기와 박막의 결정성은 비저항에 대해 각각 비 례 반비례 관계이다. 두께가 두꺼울수록 거친 표면을 갖 기 때문에 비저항 값이 커질 수 있지만, 박막 자체의 결 정성이 커져 비저항값을 낮춘다. Table 2와 같이 280, 580 nm의 Al 박막의 비저항 값이 비슷한 수준을 갖는 것은 거칠기와 결정성이 상호 작용했기 때문이라 판단 된다.

    Fig. 5와 같이 XRD 분석을 통해 두께 별, 증착 온도 별 Al 박막의 결정성을 확인하였다. 200 °C에서 증착된 600 nm Al 박막, 200 °C에서 증착된 300 nm Al 박막, 100 °C에서 증착된 300 nm Al 박막 모두 cubic phase의 결정성을 갖는 것을 확인하였다. 38.5°에서 cubic (111) 방향성을 44.4°에서 cubic (200) 방향성을 갖는 픽을 확 인하였다. 박막의 두께가 클수록, 증착 온도가 높을수록 더 높은 픽을 확인하였으며, 이를 통해 결정성이 높아 진다는 것을 확인하였다. 두께에 따른 결정성 증가로 인 해, Table 2의 증가된 두께에서도 비슷한 비저항 값을 갖 는다고 판단된다.

    공정 온도 및 박막 두께에 따른 박막의 경도를 분석 하기 위해 hardness test를 진행하였다. 국소부위의 경도 를 측정하는 nano indenter 대신 grain boundary 이상의 면적에 대한 경도를 분석하기 위해 hardness test 중 pencil test를 진행하였으며, 그 결과를 Table 3에 나타 내었다. 공정온도가 올라갈수록, 박막 두께가 증가할수록 Al 박막의 경도가 약해지는 것을 알 수 있다. 또한 공 정온도 100 °C와 200 °C에서의 Al 경도차이보다 200 °C 와 300 °C에서의 Al 경도차이가 더 컸다. 300 nm와 600 nm Al의 경도를 비교하였을 때 600 nm Al이 300 nm Al에 비해 더 낮은 경도를 보였다. 공정 온도 및 박막 두께가 증가할수록 sputtered Al 박막의 경도가 약해지 는 것은 공정 온도 및 박막 두께가 증가할수록 박막의 결정성과 거칠기가 커지기 때문으로 보인다. 이는 결정 성이 증가할수록 grain boundary의 크기가 커져서 grain boundary 따라 dislocation이 더 잘 발생하기 때문이 다.19,20) 또한 거칠기가 증가하면 마찰에 의해 박막의 경 도가 약해지게 된다. 따라서 박막의 경도를 높이기 위 해서는 거칠기와 결정성이 모두 적은 박막이 필요하다.

    앞선 결과에서 성장 온도가 높을수록 거칠기가 높아졌 고, 이로 인해 더 높은 부식 가능성을 제시했다. Fig. 6(a-c)는 30W로 성장된 300 nm Al 박막 OM image들이 며, 각각 100, 200, 300 °C에서 성장하였다. Image들 내 에서 상대적으로 검은색으로 나타난 부분이 Al 박막 표 면에서 부식이 진행된 지역이다. Image J 프로그램을 통 한 계산 결과, 전체 면적 대비 부식된 면적은 각각 8, 22, 43 % 였다. 박막 성장 온도가 증가할수록 더 많은 부식이 발생한 것을 확인할 수 있었다. 따라서 성장 온 도가 증가할수록 더 거친 표면을 발생시켰고, 이로 인 해 더 많은 부식이 된 것을 확인할 수 있었다. 성장 온 도의 영향과 마찬가지로, 앞선 결과에서 더 높은 플라 즈마 파워에 따라서(Fig. 1), 더 두꺼운 두께에서(Fig. 3) 더 거친 표면인 것을 확인 했었고, 이에 따라 더 높은 부식성을 갖을 것으로 기대된다. 따라서, 더 낮은 부식 성을 갖는 Al 박막 제작을 위해서는 낮은 플라즈마 파 워에서, 낮은 시간 동안(낮은 두께에서), 낮은 성장 온 도에서 공정을 진행해야 한다는 결론을 얻었다.

    4.결 론

    플라즈마 인가 전압, 공정 온도, 박막두께의 공정변수 를 바꾸어 가며 각각에 대해 sputtered Al의 공정을 확 보하였다. 공정온도와 박막두께가 증가할수록 박막의 hillock 평균 크기가 증가하는 것을 확인하였다. Hillock 이 증가할수록 박막표면의 거칠기가 증가하는 것을 확 인하였다. Hillock과 박막표면 거칠기 모두 부식에 영향 을 줄 수 있는 요인이기 때문에 hillock과 박막표면 거 칠기를 조절하는 것이 내화학성을 갖는 Al 증착에 중요 하다. 적은 hillock과 낮은 표면 거칠기를 갖는 박막을 증착하기 위해서는 낮은 플라즈마 파워와 낮은 공정 온 도에서 얇은 Al을 증착하는 것이 유리하다는 것을 확인 하였다.

    Acknowledgement

    This project was supported by TP Center of Samsung Electronics, the National Research Foundation of Korea (NRF) grant funded by the Korea government(MSIP) (No. NRF-2014R1A2A1A11052588), and the Center for Integrated Smart Sensors funded by the Ministry of Science, ICT & Future Planning as Global Frontier Project(CISS- 2011-0031848). We appreciate their financial support.

    Figure

    MRSK-26-8-438_F1.gif

    Al films on Si grown by sputtering at 200 °C for 1 hour at (a) 30 W, (b) 100W, and (c) 200W.

    MRSK-26-8-438_F2.gif

    SEM images of Al films on Si grown by sputtering for 1 hour at 30 W (a) at 100 °C, (b) 200 °C, and (c) 300 °C. (d) Hillock distribution of sputtered Al depending on process temperature.

    MRSK-26-8-438_F3.gif

    AFM images of Al films on Si grown by sputtering for 1 hour at 30 W (a) at 100 °C, (b) 200 °C, and (c) 300 °C.

    MRSK-26-8-438_F4.gif

    SEM images of Al films on Si grown by sputtering at 30 W and 100 °C (a) for 1 hour and (b) for 2 hours.

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    XRD of sputtered Al on Si substrate with varying film thickness and growth temperature.

    MRSK-26-8-438_F6.gif

    OM images of 300 nm Al films on SiO2 grown by sputtering for 30 W at (a) 100 °C, (b) 200 °C, and (c) 300 °C after dipping in 1M HCl solution during 2 hours.

    Table

    Summary of sheet resistance and resistivity of Al films on Si grown by sputtering at 30 W depending on process temperature.

    Summary of sheet resistance and resistivity of Al films on Si grown by sputtering at 30 W and 100 °C for 1 hour and for 2 hours.

    Summary of Al films hardness measured by pencil test.

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