반도체 소자의 집적도와 성능 향상을 위해, 반도체 소자의 배선 공정 측면에서 비저항이 낮은 구리 (구리의 bulk 비저항 = 1.67 µcm)를 배선 재료로 사용하려는 노력이 계속 진행되고 있다. 하지만, 반도체 소자의 크기 감소가 계속되며, 이에 따라 배선의 선폭 역시 감소함에 따라 금속 박막의 size effect에 의해, 구리 배선의 저항이 급격하게 증가하는 현상이 반도체 소자의 성능을 저해시키는 요소로 작용하고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위에, 구리 배선의 하부에 사용되는 확산 방지막 층과 씨앗층의 두께를 가능한 얇고 균일하게 ...
반도체 소자의 집적도와 성능 향상을 위해, 반도체 소자의 배선 공정 측면에서 비저항이 낮은 구리 (구리의 bulk 비저항 = 1.67 µcm)를 배선 재료로 사용하려는 노력이 계속 진행되고 있다. 하지만, 반도체 소자의 크기 감소가 계속되며, 이에 따라 배선의 선폭 역시 감소함에 따라 금속 박막의 size effect에 의해, 구리 배선의 저항이 급격하게 증가하는 현상이 반도체 소자의 성능을 저해시키는 요소로 작용하고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위에, 구리 배선의 하부에 사용되는 확산 방지막 층과 씨앗층의 두께를 가능한 얇고 균일하게 증착 시킬 수 있는 원자층 증착법 (atomic layer deposition)을 이용하는 것과, 전해 도금법에 의해 증착되는 구리의 결정립 크기를 증가시키는 연구가 많이 진행되고 있다. 최근에, 루테늄 (Ruthenium)은 구리의 직접 전해 도금 (direct plating)이 가능한 즉, 구리 배선의 확산방지막/씨앗층으로 동시 적용이 가능한 재료로 많은 주목을 받고 있다. 루테늄 위에 씨앗층 없이 구리의 직접 전해도금이 되면, 트렌치나 비아에 채워지는 구리 배선의 volume을 증가시켜 줄 수 있어 size effect에 의한 구리 배선의 저항 증가를 완화시켜 줄 거라 기대된다. 이러한 루테늄 역시, 최신 반도체 소자의 선폭을 고려해 볼 때, 계단 도포성이 우수한 원자층 증착법에 의해 형성 되야 한다. 현재의 루테늄에 대한 원자층 증착 기술은 2가의 cyclopentadienyl 계열의 전구체 (precursor)와 산소를 환원제로 사용하는데, 이러한 전구체를 사용할 경우 SiO2와 같은 유전체 기판 위에서, 박막 성장을 위한 잠복 싸이클 (incubation cycle)이 길고, 루테늄 핵생성이 천천히 이루어짐에 따라 거친 표면 형상이 된다는 문제점이 있다. 이에, 본 논문에서는, 원자층 증착법에 의해 형성되는 루테늄의 핵생성을 향상시키고자 0 가의 금속 원자가를 가지는 새로운 유기 금속 전구체 (metallorganic precursor)인 C16H22Ru [(η6-1-isopropyl-4-methylbenzene)(η4-cyclohexa-1,3-diene)Ruthenium]를 사용하는 루테늄 원자층 증착법에 대해 연구를 진행하였다. 먼저, traveling-wave type의 ALD 반응기를 이용한 Thermal ALD는 Molecular O2을 반응기체로 하여 ~ 220 oC의 기판 온도에서 실험을 진행 하였으며, Shower-head type의 ALD 반응기를 이용한 Plasma enhanced ALD에서는 NH3 플라즈마를 반응기체로 하여, 130~400 oC의 기판 온도에서 실험을 진행하였다. 증착된 루테늄 박막은 여러 가지 장비들을 사용하여 분석 하였다. 막의 두께를 확인 하기 위해 단면투과전자현미경 분석을 수행하였고, 실험 조건에 따른 루테늄 박막의 미세구조는 평면투과전자현미경 분석을 통해 알아보았다. 또한, 막내의 불순물을 알기 위해 오제이전자분광법, 결정화도를 조사하기 위해 X선 회절법, 루테늄 박막의 화학 결합을 확인하기 위해 X선 광전자 분광법, 그리고 박막의 면저항을 측정 하기 위해 4점 탐침기를 이용 하였다. 첫번째 연구인 Molecular O2를 이용한 Thermal ALD의 경우, TiN과 SiO2 기판 위에서 5초 이상의 선구체 pulsing 조건에서, 원자층 증착법의 전형적인 특징인 self-limited film growth 거동이 관찰되었으며, 박막의 두께가 증착 cycle수에 선형적으로 증가함을 알 수 있었다. SiO2기판 위에서의 잠복 사이클은 기존에 연구된, cyclopentadienyl 계열의 전구체를 사용했을 경우 (200 싸이클 이상)와 비교 해 볼 때 현저히 감소 (~11 싸이클)되었으며, TiN기판 에서는 잠복 싸이클이 없는 것으로 관찰 되었다. 또한, 평면투과전자현미경 분석결과, 3 싸이클이라는 매우 짧은 반응 싸이클 이후에도 루테늄 핵이 형성됨을 관찰할 수 있다. 이러한 결과들은, 0가의 금속 원자가를 가지는 전구체를 사용함으로써, TiN과 SiO2 기판 위에서 루테늄 박막의 핵생성이 현저히 개선되었음을 알려준다. 두번째 연구인 PEALD로 루테늄을 증착하는 경우에도, 전구체의 pulsing시간, NH3 플라즈마 pulsing시간에 따라 self-limited film growth 거동이 관찰되었으며, TiN에서 성장하는 막이 불순물 없이 순수한 루테늄 금속성 막인 것을 알 수 있었다. 최적화된 PEALD 공정을 이용할 경우, 매우 낮은 비저항 (~12μΩ.cm) 값을 얻을 수 있었다. 마지막으로, PEALD로 증착된 루테늄 박막 위에 구리전해 도금 과정을 성공적으로 수행하였다. 다양한 분석 결과, 본 연구에서 얻은 PEALD 루테늄 박막 위에 전해 도금법으로 성장된 구리 박막은, 비저항이나 접착력 측면에서 구리 금속화 공정에 매우 적합함을 알 수 있었다.
반도체 소자의 집적도와 성능 향상을 위해, 반도체 소자의 배선 공정 측면에서 비저항이 낮은 구리 (구리의 bulk 비저항 = 1.67 µcm)를 배선 재료로 사용하려는 노력이 계속 진행되고 있다. 하지만, 반도체 소자의 크기 감소가 계속되며, 이에 따라 배선의 선폭 역시 감소함에 따라 금속 박막의 size effect에 의해, 구리 배선의 저항이 급격하게 증가하는 현상이 반도체 소자의 성능을 저해시키는 요소로 작용하고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위에, 구리 배선의 하부에 사용되는 확산 방지막 층과 씨앗층의 두께를 가능한 얇고 균일하게 증착 시킬 수 있는 원자층 증착법 (atomic layer deposition)을 이용하는 것과, 전해 도금법에 의해 증착되는 구리의 결정립 크기를 증가시키는 연구가 많이 진행되고 있다. 최근에, 루테늄 (Ruthenium)은 구리의 직접 전해 도금 (direct plating)이 가능한 즉, 구리 배선의 확산방지막/씨앗층으로 동시 적용이 가능한 재료로 많은 주목을 받고 있다. 루테늄 위에 씨앗층 없이 구리의 직접 전해도금이 되면, 트렌치나 비아에 채워지는 구리 배선의 volume을 증가시켜 줄 수 있어 size effect에 의한 구리 배선의 저항 증가를 완화시켜 줄 거라 기대된다. 이러한 루테늄 역시, 최신 반도체 소자의 선폭을 고려해 볼 때, 계단 도포성이 우수한 원자층 증착법에 의해 형성 되야 한다. 현재의 루테늄에 대한 원자층 증착 기술은 2가의 cyclopentadienyl 계열의 전구체 (precursor)와 산소를 환원제로 사용하는데, 이러한 전구체를 사용할 경우 SiO2와 같은 유전체 기판 위에서, 박막 성장을 위한 잠복 싸이클 (incubation cycle)이 길고, 루테늄 핵생성이 천천히 이루어짐에 따라 거친 표면 형상이 된다는 문제점이 있다. 이에, 본 논문에서는, 원자층 증착법에 의해 형성되는 루테늄의 핵생성을 향상시키고자 0 가의 금속 원자가를 가지는 새로운 유기 금속 전구체 (metallorganic precursor)인 C16H22Ru [(η6-1-isopropyl-4-methylbenzene)(η4-cyclohexa-1,3-diene)Ruthenium]를 사용하는 루테늄 원자층 증착법에 대해 연구를 진행하였다. 먼저, traveling-wave type의 ALD 반응기를 이용한 Thermal ALD는 Molecular O2을 반응기체로 하여 ~ 220 oC의 기판 온도에서 실험을 진행 하였으며, Shower-head type의 ALD 반응기를 이용한 Plasma enhanced ALD에서는 NH3 플라즈마를 반응기체로 하여, 130~400 oC의 기판 온도에서 실험을 진행하였다. 증착된 루테늄 박막은 여러 가지 장비들을 사용하여 분석 하였다. 막의 두께를 확인 하기 위해 단면투과전자현미경 분석을 수행하였고, 실험 조건에 따른 루테늄 박막의 미세구조는 평면투과전자현미경 분석을 통해 알아보았다. 또한, 막내의 불순물을 알기 위해 오제이전자분광법, 결정화도를 조사하기 위해 X선 회절법, 루테늄 박막의 화학 결합을 확인하기 위해 X선 광전자 분광법, 그리고 박막의 면저항을 측정 하기 위해 4점 탐침기를 이용 하였다. 첫번째 연구인 Molecular O2를 이용한 Thermal ALD의 경우, TiN과 SiO2 기판 위에서 5초 이상의 선구체 pulsing 조건에서, 원자층 증착법의 전형적인 특징인 self-limited film growth 거동이 관찰되었으며, 박막의 두께가 증착 cycle수에 선형적으로 증가함을 알 수 있었다. SiO2기판 위에서의 잠복 사이클은 기존에 연구된, cyclopentadienyl 계열의 전구체를 사용했을 경우 (200 싸이클 이상)와 비교 해 볼 때 현저히 감소 (~11 싸이클)되었으며, TiN기판 에서는 잠복 싸이클이 없는 것으로 관찰 되었다. 또한, 평면투과전자현미경 분석결과, 3 싸이클이라는 매우 짧은 반응 싸이클 이후에도 루테늄 핵이 형성됨을 관찰할 수 있다. 이러한 결과들은, 0가의 금속 원자가를 가지는 전구체를 사용함으로써, TiN과 SiO2 기판 위에서 루테늄 박막의 핵생성이 현저히 개선되었음을 알려준다. 두번째 연구인 PEALD로 루테늄을 증착하는 경우에도, 전구체의 pulsing시간, NH3 플라즈마 pulsing시간에 따라 self-limited film growth 거동이 관찰되었으며, TiN에서 성장하는 막이 불순물 없이 순수한 루테늄 금속성 막인 것을 알 수 있었다. 최적화된 PEALD 공정을 이용할 경우, 매우 낮은 비저항 (~12μΩ.cm) 값을 얻을 수 있었다. 마지막으로, PEALD로 증착된 루테늄 박막 위에 구리전해 도금 과정을 성공적으로 수행하였다. 다양한 분석 결과, 본 연구에서 얻은 PEALD 루테늄 박막 위에 전해 도금법으로 성장된 구리 박막은, 비저항이나 접착력 측면에서 구리 금속화 공정에 매우 적합함을 알 수 있었다.
Size decrease demand in semiconductor devices has been increased for the last few decades. A thinner barrier layer/seed layer with high uniformity and conformality and also excellent step coverage is needed for optimum copper layer filling. ALD-Ru process has been investigated as a deposition techni...
Size decrease demand in semiconductor devices has been increased for the last few decades. A thinner barrier layer/seed layer with high uniformity and conformality and also excellent step coverage is needed for optimum copper layer filling. ALD-Ru process has been investigated as a deposition technique for a more conformal and uniform film deposition that is suitable for copper metallization. However, in the recent ALD-Ru technology, thermal ALD process on dielectric substrate with the use of cyclopentadienyl-based precursors, conformality has become a problem. With the use of these kinds of precursors, a quite long incubation time was occurred. Ru nucleation, especially on dielectric substrate was slow which eventually led to rough surface formation. Thus, in this study, ALD-Ru process with the use of new metalorganic Ru precursor which has zero metal valence, C16H22Ru [(η6-1-isopropyl-4-methylbenzene)(η4-cyclohexa-1,3-diene)Ruthenium] was investigated. Two kinds of ALD processes were performed; one is thermal ALD with O2 as reactant and the other one is PEALD with NH3 plasma as reactant. Thermal ALD-Ru process with the use of this new metalorganic precursor showed that Ru film nucleation on TiN and SiO2 substrates was improved. A negligible incubation cycle was observed on SiO2 substrate (~11 cycles) and no incubation cycle was observed on TiN substrate (0 cycles). PEALD Ru process showed that the film grown on TiN is pure Ru metallic film with no impurity content. By optimizing the PEALD parameter processes very low resistivity value can be obtained (~12µ.cm). Copper electroplating process is successfully performed on PEALD-Ru substrate. Cu film shows high adhesion strength with PEALD-Ru film which indicated that it was suitable for copper metallization application. To summarize, in this investigation it is shown that this new metalorganic Ru precursor is very attractive and suitable as seed layer for copper metallization.
Size decrease demand in semiconductor devices has been increased for the last few decades. A thinner barrier layer/seed layer with high uniformity and conformality and also excellent step coverage is needed for optimum copper layer filling. ALD-Ru process has been investigated as a deposition technique for a more conformal and uniform film deposition that is suitable for copper metallization. However, in the recent ALD-Ru technology, thermal ALD process on dielectric substrate with the use of cyclopentadienyl-based precursors, conformality has become a problem. With the use of these kinds of precursors, a quite long incubation time was occurred. Ru nucleation, especially on dielectric substrate was slow which eventually led to rough surface formation. Thus, in this study, ALD-Ru process with the use of new metalorganic Ru precursor which has zero metal valence, C16H22Ru [(η6-1-isopropyl-4-methylbenzene)(η4-cyclohexa-1,3-diene)Ruthenium] was investigated. Two kinds of ALD processes were performed; one is thermal ALD with O2 as reactant and the other one is PEALD with NH3 plasma as reactant. Thermal ALD-Ru process with the use of this new metalorganic precursor showed that Ru film nucleation on TiN and SiO2 substrates was improved. A negligible incubation cycle was observed on SiO2 substrate (~11 cycles) and no incubation cycle was observed on TiN substrate (0 cycles). PEALD Ru process showed that the film grown on TiN is pure Ru metallic film with no impurity content. By optimizing the PEALD parameter processes very low resistivity value can be obtained (~12µ.cm). Copper electroplating process is successfully performed on PEALD-Ru substrate. Cu film shows high adhesion strength with PEALD-Ru film which indicated that it was suitable for copper metallization application. To summarize, in this investigation it is shown that this new metalorganic Ru precursor is very attractive and suitable as seed layer for copper metallization.
주제어
#Atomic Layer Deposition Thin film Ruthenium Metalorganic Precursor
학위논문 정보
저자
윈두사리
학위수여기관
영남대학교 대학원
학위구분
국내석사
학과
신소재공학
지도교수
김수현
발행연도
2010
키워드
Atomic Layer Deposition Thin film Ruthenium Metalorganic Precursor
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