Copper, which is currently widely used as an interconnect material in the industry, suffers from increased resistivity and reliability problems in width of less than 10 nm. Accordingly, in the back end of line (BEOL) region, there is a need for a next generation interconnect material with better resistivity and reliability characteristics. Therefore, in this study, I would like to evaluate the reliability of barrier-less next-generation interconnect candidate materials such as ruthenium and molybdenum, especially electromigration (EM) and time dependent dielectric breakdown (TDDB). In order to analyze the EM characteristics of Ru and Mo, an accelerated life test (ALT) was conducted by applying constant current stress (CCS) at several high temperatures. Through this, the activation energy of the Black’s equation was extracted, and it was confirmed that Mo has poor characteristics compared to Cu, and Ru has much better EM performance than Cu. In addition, as a result of identifying EM characteristic tendencies according to surrounding dielectric materials, it was confirmed that Ru had higher EM resistance in the surrounding environment of a dielectric having higher thermal diffusivity. Meanwhile, in order to analyze the TDDB characteristics of Ru and Mo, constant voltage stress (CVS) was applied at high temperatures to conduct an ALT. Through this, the TDDB reliability decreased rapidly at high temperature of molybdenum without barrier, and relatively high TDDB reliability was confirmed through the TDDB modeling and field acceleration factor extraction of Ru without barrier. Therefore, this study confirmed the necessity of application of Ru as a next-generation interconnect material through quantitative evaluation of the reliability and analysis of material properties of Ru and Mo without a diffusion barrier.
현재 산업계에서 인터커넥트 재료로 널리 쓰이고 있는 구리는 10nm 이하의 선폭에서 비저항 상승 및 신뢰성 문제를 겪고 있다. 이에 따라 Back end of line (BEOL) 영역에서는 더 나은 비저항과 신뢰성 특징을 갖는 차세대 배선 소재에 대한 필요성이 대두되고 있다. 따라서 본 연구에서는 차세대 인터커넥트 후보 물질로 각광받는 루테늄과 몰리브데넘의 신뢰성, 특히 Electromigration (EM)과 Time dependent dielectric breakdown (TDDB)에 대해서 평가하고자 한다. 루테늄과 몰리브데넘의 EM 특성을 분석하기 위해 고온에서 정전류 스트레스를 가해주어 가속수명시험을 실시하였다. 이를 통해 블랙방정식에서의 활성화에너지를 추출하였고 몰리브데넘의 경우 Cu 대비 좋지 않은 특성을, 루테늄의 경우 Cu 대비 훨씬 더 나은 EM 성능을 갖는 것을 확인하였다. 또 주변 유전체 물질에 따른 EM 특성 경향성을 파악한 결과, 더 높은 열확산도를 갖는 유전체의 주변 환경에서 루테늄이 더 높은 EM 저항성을 갖는 것을 확인하였다. 한편, 루테늄과 몰리브데넘의 TDDB 특성을 분석하기 위해서 고온에서 정전압 스트레스를 가해주어 가속수명시험을 실시하였다. 이를 통해 배리어 없는 몰리브데넘의 고온에서의 급격한 TDDB 신뢰성 저하를 확인하였고, 배리어 없는 루테늄의 TDDB 모델링과 Field acceleration factor 추출을 통해 비교적 높은 TDDB 신뢰성을 확인하였다. 따라서, 본 연구는 루테늄과 몰리브데넘이 확산 배리어 물질 없이 보여주는 신뢰성에 대한 정량적인 평가와 물질 특성에 대한 분석을 통해 루테늄의 차세대 배선 소재로서의 적용 필수성을 확인하였다.
