In this study, two representative reducing agents, diborane ($B_2H_6$) and silane ($SiH_4$), were used to form a nucleation layer for subsequent bulk CVD-W layer. Direct, quantitative comparison of interfacial adhesion energy ($G_C$) between diborane-based and silane-based W nucleation was carried out through 4-point bending (4PB) test. The crack driving force (G) induced by residual stress was measured through wafer curvature method. The result revealed, in both cases, the weakest interface was TiN/$SiO_2$; the interfacial adhesion value was lower when diborane gas was used for nucleation process. This was due to the diffusion of boron(B), decomposed from diborane gas, into TiN/$SiO_2$ interface, degrading the interaction between TiN and $SiO_2$. Adhesion gradually decreased as diborane flow rate (250 – 1500 sccm) and soaking time (10 – 60s) increased respectively, with residual stress unchanged. When excess amount of diborane was exposed (1500 sccm, 60s), a new boron layer was formed at W/TiN interface, leading to change in delamination path from TiN/$SiO_2$ to W/TiN, with further decrease in adhesion value. On the other hand, diborane-based W film showed much lower residual stress than silane-based W film throughout the test conditions. This was due to the difference in bulk-W grain size at film coalescence stage. Diborane-W showed larger grain size than silane-W. Applying Hoffman’s grain boundary model, intrinsic stress value of diborane-W and silane-W was calculated and compared. There was a trade-off relationship between diborane-W and silane-W in terms of crack driving force (G) and adhesion value ($G_C$). Based on this study, it is recommended that not only $G_C$ but also G be taken into consideration for precise evaluation of interfacial mechanical reliability.
본 연구에서는 텅스텐 핵 생성 공정에서 사용되는 두 가지 환원 가스(실란, 다이보레인)가 W/TiN/$SiO_2$/Si 다층 구조의 계면 접합 신뢰성에 미치는 영향과 메커니즘을 규명한다. 파괴역학적 시험법인 4점 굽힘 시험을 통해 취약 계면을 파악하고 정량적인 계면 접합 에너지를 측정한다. 또한 박막 증착에 따른 웨이퍼 기판의 곡률 변화를 측정하여 텅스텐 박막의 잔류 응력을 계산한다. 사용된 가스의 종류와 상관없이 취약 계면은 TiN/$SiO_2$ 으로 드러났고 환원가스로 다이보레인 사용 시 분해된 보론의 TiN/$SiO_2$ 계면 침투로 인해 더 낮은 계면 접합 에너지 값을 보였다. 다이보레인의 유량 (250 – 1500 sccm) 과 처리 시간 (10초 – 60초)에 따라 4점 굽힘 시험을 진행한 결과, TiN/$SiO_2$의 계면접합 에너지가 지속적으로 감소하는 것을 확인하였다. 그러나 과량의 다이보레인(60초)을 분사한 결과, 새로운 보론 층이 W/TiN 계면에 생성되며 취약 계면이 TiN/$SiO_2$에서 W/TiN 계면으로 바뀌었고 해당 조건에서 가장 낮은 접합 에너지 값을 보였다. 잔류 응력의 경우, 다이보레인 가스를 사용했을 때가 실란 가스를 사용했을 때보다 낮은 값을 보였다. 이는 박막이 형성될 때 섬들이 합쳐지는 시점의 결정 크기 차이로 인해 발생함을 확인하였다. 결과적으로 다이보레인과 실란 가스를 이용하여 증착한 텅스텐 박막은 계면 접합 에너지와 잔류 응력 관점에서 서로 이율배반관계를 갖고 있음을 확인하였다. 본 연구를 통하여, 정확한 계면 접합 신뢰성 평가를 위해 두 가지 요소 모두 정량적으로 고려되어야 한다는 점을 강조한다.
