반도체 소자의 집적도와 성능 향상을 위해, 반도체 소자의 배선 공정 측면에서 비저항이 낮은 구리 (구리의 bulk 비저항 = 1.67 µΩcm)를 배선 재료로 사용하려는 노력이 계속 진행되고 있다. 하지만, 반도체 소자의 크기 감소가 계속됨에 따라 배선의 선폭 역시 감소하여 금속 박막의 size effect에 의해, 구리 배선의 저항이 급격하게 증가하는 현상이 반도체 소자의 성능을 저해시키는 요소로 작용하고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 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 µΩcm)를 배선 재료로 사용하려는 노력이 계속 진행되고 있다. 하지만, 반도체 소자의 크기 감소가 계속됨에 따라 배선의 선폭 역시 감소하여 금속 박막의 size effect에 의해, 구리 배선의 저항이 급격하게 증가하는 현상이 반도체 소자의 성능을 저해시키는 요소로 작용하고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 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 열적 안정성이 우수하고 (융점: ~2334℃), 비저항이 낮고 (~7.1μΩ-cm), 구리의 직접 전해 도금 (direct plating)이 가능한 확산방지막과 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 선구체와 산소를 환원제로 사용하는데, 이러한 전구체를 사용할 경우 SiO2와 같은 유전체 기판 위에서 잠복기가 길고, 루테늄 핵생성이 천천히 이루어짐에 따라 거친 표면 형상이 된다는 문제점이 있다. 본 연구에서는, 원자층 증착법에 의해 형성되는 루테늄의 핵생성을 향상시키고자 0 가의 금속 원자가를 가지는 새로운 유기 금속 선구체를사용하는 루테늄 원자층 증착법에 대해 연구를 진행하였다. 0가 유기 금속선구체 (CycloHexadienyl) (isopropyl~methylbenzen) Ruthenium (0) (EBECHRu, C16H22Ru)와 반응가스로 산소를 사용하여 SiO2, TiN 기판(185~350℃) 위에서 원자층 증착법으로 Ru박막을 증착하였다. ALD temperature window구간에서 약 0.08 nm/cycle 의 높은 성장률을 나타내었고, 잠복기 또한 약 9cycle로 Ru박막의 핵생성이 아주 빠른 것을 나타내었다. 증착된 Ru 박막은 다결정질 주상정 구조로 성장하였고 가장 낮은 비저항 값은 약 30μΩcm을 얻을 수 있었다. 그리고 다른 0가 유기 금속선구체인 (ethylcyclohexadienyl) (ethylbenzen)를 사용하여 원자층 증착법으로 Ru 박막을 증착하여 비교 분석을 하였다. 증착된 박막 역시 다결정질 주상정 구조로 성장하였고 가장 낮은 비저항 값은 15 μΩcm을 얻을 수 있었다. 두가지의 금속선구체 모두 고단차 구조물에서 계단 도포성이 우수하였다. 하지만 310℃에서 열분해가 일어나 증착률이 급격하게 증착하였고, 계단 도포성이 저하 되었다. 또한 본 연구에서 구리 전해도금을 위한 씨앗층으로 성공적으로 증착이 되었음을 확인하였다.
증착된 ALD-Ru박막을 다양한 장비를 사용하여 분석하였다. 면저항 측정을 위해 by 4-point probe를 사용하였고 두께 분석을 위해 by Scaning electron microscopy(SEM) 과 cross-sectional view transmission electron microscopy (XTEM)을 사용하였고 미세구조를 확인하기 위해 plan-view TEM와 XTEM, XRD를 사용하였고, 정량분석과 불순물 함량을 확인하기 위해서 Rutherford backscattering spectrometry (RBS) and secondary ion mass spectrometry (SIMS)를 사용하여 분석을 하였다.
반도체 소자의 집적도와 성능 향상을 위해, 반도체 소자의 배선 공정 측면에서 비저항이 낮은 구리 (구리의 bulk 비저항 = 1.67 µΩcm)를 배선 재료로 사용하려는 노력이 계속 진행되고 있다. 하지만, 반도체 소자의 크기 감소가 계속됨에 따라 배선의 선폭 역시 감소하여 금속 박막의 size effect에 의해, 구리 배선의 저항이 급격하게 증가하는 현상이 반도체 소자의 성능을 저해시키는 요소로 작용하고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 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 열적 안정성이 우수하고 (융점: ~2334℃), 비저항이 낮고 (~7.1μΩ-cm), 구리의 직접 전해 도금 (direct plating)이 가능한 확산방지막과 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 선구체와 산소를 환원제로 사용하는데, 이러한 전구체를 사용할 경우 SiO2와 같은 유전체 기판 위에서 잠복기가 길고, 루테늄 핵생성이 천천히 이루어짐에 따라 거친 표면 형상이 된다는 문제점이 있다. 본 연구에서는, 원자층 증착법에 의해 형성되는 루테늄의 핵생성을 향상시키고자 0 가의 금속 원자가를 가지는 새로운 유기 금속 선구체를사용하는 루테늄 원자층 증착법에 대해 연구를 진행하였다. 0가 유기 금속선구체 (CycloHexadienyl) (isopropyl~methylbenzen) Ruthenium (0) (EBECHRu, C16H22Ru)와 반응가스로 산소를 사용하여 SiO2, TiN 기판(185~350℃) 위에서 원자층 증착법으로 Ru박막을 증착하였다. ALD temperature window구간에서 약 0.08 nm/cycle 의 높은 성장률을 나타내었고, 잠복기 또한 약 9cycle로 Ru박막의 핵생성이 아주 빠른 것을 나타내었다. 증착된 Ru 박막은 다결정질 주상정 구조로 성장하였고 가장 낮은 비저항 값은 약 30μΩcm을 얻을 수 있었다. 그리고 다른 0가 유기 금속선구체인 (ethylcyclohexadienyl) (ethylbenzen)를 사용하여 원자층 증착법으로 Ru 박막을 증착하여 비교 분석을 하였다. 증착된 박막 역시 다결정질 주상정 구조로 성장하였고 가장 낮은 비저항 값은 15 μΩcm을 얻을 수 있었다. 두가지의 금속선구체 모두 고단차 구조물에서 계단 도포성이 우수하였다. 하지만 310℃에서 열분해가 일어나 증착률이 급격하게 증착하였고, 계단 도포성이 저하 되었다. 또한 본 연구에서 구리 전해도금을 위한 씨앗층으로 성공적으로 증착이 되었음을 확인하였다.
증착된 ALD-Ru박막을 다양한 장비를 사용하여 분석하였다. 면저항 측정을 위해 by 4-point probe를 사용하였고 두께 분석을 위해 by Scaning electron microscopy(SEM) 과 cross-sectional view transmission electron microscopy (XTEM)을 사용하였고 미세구조를 확인하기 위해 plan-view TEM와 XTEM, XRD를 사용하였고, 정량분석과 불순물 함량을 확인하기 위해서 Rutherford backscattering spectrometry (RBS) and secondary ion mass spectrometry (SIMS)를 사용하여 분석을 하였다.
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