원자번호 73번의 Tantalum은 탄탈륨 또는 탄탈럼으로 읽고 주기율표 5족에 속하는 금속이다.
반도체에서 흔히 Barrier Metal로 많이 쓰이는 Ta는 Cu(Copper, 구리)와 소자 Si, Oxide를 구분지어 주는 역할을 한다.
이 금속은 결정구조에 따라 2가지 형태를 띄는데 그것이 바로 알파 Ta와 베타 Ta다.
목차
1. Ta 주요 성질
| 분류 | 전이 원소 | 상태 | 고체 |
| 원자량 | 180.94788 | 밀도 | 16.69 g/cm3 |
| 녹는점 | 3017 °C | 끓는점 | 5458 °C |
| 용융열 | 36.57 kJ/mol | 증발열 | 753 kJ/mol |
| 원자가 | 5 | 이온화에너지 | 761, 1500 kJ/mol |
| 전기음성도 | 1.5 | 전자친화도 | 31 kJ/mol |
| 발견 | A. G. Ekeberg (1802) | ||
| CAS 등록번호 | 7440-25-7 | ||
기본적으로 탄탈럼은 텅스텐과 비슷하게 높은 경도와 내화성, 내부식성을 가지고 있지만 분쟁지역에서 많이 생산되기 때문에 대표적인 분쟁 광물 중 하나이다.
전기저항도는 131 Ω·m (20 °C) 수준이지만, 이것은 어디까지나 알파 Ta의 성질이다.
결정구조에 따라 어떤 형태를 갖게 되는지 한번 알아보고자 한다.
2. 알파 Ta (α-Ta)와 베타 Ta (β-Ta)
알파 Ta의 경우 흔히 BCC구조라 칭하는 Body-centered cubic 구조를 가지고 있고,
베타 Ta의 경우 단순 정방정계의 결정구조를 가지고 있다.
Ta는 일반적으로 알파 구조를 가지고 있고 알파일때는 연성이 뛰어나며 베타일때는 단단하지만 취성이 강해 부서지기 쉽다.
베타 구조일때 준안정하다고 표현하고 베타 Ta를 750도 이상으로 가열하면 알파로 전환된다. 자연적으로 존재하는 탄탈럼은 대부분 알파(BCC)구조를 가지고 있다.
3. 알파 Ta (α-Ta)와 베타 Ta (β-Ta)의 성질
그러면 반도체에서 Ta를 어떻게 다루는지 한번 살펴보려고 한다.
앞서 설명했듯, 반도체에서 Ta는 배리어 메탈로 많이 쓰이는데, Cu와 유전체 사이의 접착력을 향상시키고 확산하는 성질을 가진 Cu가 소자 내부로 침투하는 것을 막아주는 역할을 한다. 보통 Ta는 TaN/Ta 이중층으로 많이 쓰이는데, 유전체(SiO2, Low K dielectric)과 adhesion이 좋은 TaN이 먼저 쓰이고 그다음에 Ta를 증착하는 방식으로 많이 사용된다.
이러한 이유는 하부 Layer에 TaN이 있는 것이 저항이 낮은 α-Ta를 증착하는데 도움을 주기 때문이다.
만약에 유전체에 곧바로 Ta를 먼저 증착한다면 저항이 높은 β-Ta가 성장하기 때문이다.
아래 그림은 알파 Ta와 베타 Ta의 resistivity를 나타낸 값으로 (a)는 하부에 TaN없이 SiO2위에 Ta를 증착했을때, (b)는 3nm 두께의 TaN 하부 Layer위에 Ta를 Depo 했을때 Ta의 Resistivity를 나타낸 그림이다.
그래프를 보면 알겠지만 α-Ta의 resistivity가 β-Ta보다 낮고, Ta Film의 두께가 높을 수록 Resistivity가 낮아짐을 알수가 있다.
그리고 아래 그림은 TaN이 하부에 존재할때 145nm 두께를 갖는 Ta의 면저항 값을 측정한 값이다.
Nitrogen의 유량이 최소 어느정도 되어야 상부에 알파 Ta가 증착되는지 간략하게 알 수 있다.
4. 정리
결국 우리는 공학적으로 α-Ta를 만들기 위해 Control 할줄 알아야하며, 단단하지만 취성이 강한 β-Ta보다 자연적으로 안정하고
낮은 면저항과 비저항을 갖는 안정한 구조인 α-Ta를 선호할 수 밖에 없다.
출처 :
1) Sputtering Materials for VLSI Thin Film Devices