배선공정 기술(interconnection technology)은 반도체 집적회로(integrated circuit)를 완성시키기 위해서 평면공정으로 형성된 각 소자(device)들을 전기적으로 서로 연결시켜 주는 공정기술이다. 최근, 반도체 소자의 집적도를 올리기 위하여 배선의 길이를 증가시키는 반면, 그 폭은 줄이고 있다. 그 결과, 배선의 신호지연이 문제로 대두되었다. 이러한 RC delay를 줄이기 위해서는 낮은 비저항을 가지는 배선재료와 낮은 ...
배선공정 기술(interconnection technology)은 반도체 집적회로(integrated circuit)를 완성시키기 위해서 평면공정으로 형성된 각 소자(device)들을 전기적으로 서로 연결시켜 주는 공정기술이다. 최근, 반도체 소자의 집적도를 올리기 위하여 배선의 길이를 증가시키는 반면, 그 폭은 줄이고 있다. 그 결과, 배선의 신호지연이 문제로 대두되었다. 이러한 RC delay를 줄이기 위해서는 낮은 비저항을 가지는 배선재료와 낮은 유전 상수를 갖는 층간 절연막(inter-metal dielectric, IMD)이 필요하고, 이러한 측면에서 현재 배선재료로 Cu가 적용 되고 있다. Cu는 dual damascene 공정을 통해 metallization되고 있는데, Cu 배선의 하부에는 seed layer와 diffusion barrier라는 2개의 하부층이 존재하게 된다, 이들은 주로 ionized physical vapor deposition(i-PVD)에 의해 증착되는데 seed layer로 배선재료와 같은 Cu가 쓰인다. 하지만 반도체 소자의 고집적도를 위해 높은 aspect ratio가 요구되는 via와 trench에서 i-PVD로 seed layer를 증착 한 뒤, 전해도금으로 Cu filling을 진행하면 void가 발생하게 되는데, 이는 seed layer의 좋지 않은 step coverage에 기인한다. 이러한 문제는 반도체 소자의 고집적도가 진행됨에 따라 더 큰 비중을 차지할 것이다. 이에 높은 aspect ratio에서 훌륭한 step coverage와 대면적에서 우수한 uniformity를 보이는 원자층 증착법(atomic layer deposition, ALD)이 많은 주목을 받고 있다. 최근에 Ru(Ruthenium)은 그 물성으로 인해 Cu의 직접 전해도금이 가능한 seed layer와 diffusion barrier로 제안되어 많은 연구가 되었고, 그 일환으로 ALD 공정을 이용한 Ru의 증착에 대해서도 연구가 되었다. 이러한 ALD 공정에서 reactant는 O2 gas가 사용되었다. 하지만 O2 gas를 reactant로 사용하면 seed layer의 하부층인 diffusion barrier를 산화시켜 배선의 비저항을 증가시키는 문제점이 야기되었다. 이런 문제점을 해결하기 위해 O2 대신, NH3 gas와 NH3 plasma를 reactant로 사용하여 Ru을 증착하였다. 그 결과, non-oxidizing 환경에서 impurities가 존재하지 않는 순수한 PEALD-Ru이 증착되었다. 한편, 최근에 N2와 H2의 mixture gas plasma(N2/H2 plasma)를 reactant로 사용하여 Co를 증착했다는 보고가 있는데, 이는 기존의 reactant인 NH3 plasma를 사용하여 증착된 Co와 비교해 봤을 때, impurities와 비저항 측면에서 거의 비슷한 물성을 보였다. 이러한 결과는 N2/H2 plasma 역시 non-oxidizing reactant로써의 역할 수행이 가능하다는 사실을 보여준다. 이에 본 연구에서는 또 다른 잠재적인 non-oxidizing reactant인 N2/H2 plasma를 Ru 증착을 위한 precursor인 IMBCHRu(0)[IMBCH=(η6-1-Isopropyl-4-MethylBenzene)(η4-CycloHexa-1,3-diene)]의 reactant로 사용함으로써 PEALD-Ru 막을 증착하였다. 그리고 PEALD-Ru의 seed layer로써 적용가능성을 알아보기 위하여 Ru 막에서 Cu 전해도금을 진행하였다. PEALD-Ru을 증착하기 위한 precursor로 zero-valence인 IMBCHRu(0)과 non-oxidizing 환경의 reactant인 N2/H2 plasma를 사용하여 다양한 물성을 가지는 Ru 및 RuNx 막을 성공적으로 증착 할 수 있었다. Precursor와 reactant의 pulsing time이 각각 7초, 12초 일 때 ALD 공정의 특징인 self-limited growth가 나타났고 270℃의 공정 온도에서부터 ALD process window가 나타났다. Growth rate는 0.056nm/cycle이었으며 incubation cycle은 ~3cycles로 거의 존재하지 않았다. H2 plasma만을 reactant로 사용하였을 때는 Ru 막을 증착 할 수 없었지만 N2/H2 plasma내에 gas ratio를 증가시킴에 따라 다양한 물성을 가지는 Ru 및 RuNx 막을 증착 할 수 있었다. Gas ratio가 0.24일 때, impurities가 거의 존재하지 않고 가장 낮은 비저항(~19μΩcm)을 보이는 metallic Ru 막을 증착 할 수 있었으며, polycrystalline의 columnar 구조를 형성하고 있었다. 한편, N2/H2 plasma 내에 gas ratio가 증가함에 따라 Ru 막 내에 incorporation된 N의 함량이 증가하고 그에 따라 Ru 막의 비저항이 증가하는 반면 결정화도가 점점 감소하다가 마침내 polycrystalline의 columnar 구조가 파괴되어 amorphous matrix에 nanocrystalline이 박혀있는 구조로 바뀌었다. 마지막으로 다양한 물성을 가지는 metallic Ru 및 RuNx 막을 Cu 배선공정의 seed layer로서 적용하기 위해 10nm의 두께의 막을 기판으로 하여 Cu 전해도금을 진행하였다. 그 결과, 기판에 상관없이 전해도금 된 Cu가 잘 증착된 것을 알 수 있었으며, 이는 metallic Ru과 RuNx 막이 Cu 전해도금의 우수한 seed layer로써 적용이 가능하다는 사실을 말해준다.
배선공정 기술(interconnection technology)은 반도체 집적회로(integrated circuit)를 완성시키기 위해서 평면공정으로 형성된 각 소자(device)들을 전기적으로 서로 연결시켜 주는 공정기술이다. 최근, 반도체 소자의 집적도를 올리기 위하여 배선의 길이를 증가시키는 반면, 그 폭은 줄이고 있다. 그 결과, 배선의 신호지연이 문제로 대두되었다. 이러한 RC delay를 줄이기 위해서는 낮은 비저항을 가지는 배선재료와 낮은 유전 상수를 갖는 층간 절연막(inter-metal dielectric, IMD)이 필요하고, 이러한 측면에서 현재 배선재료로 Cu가 적용 되고 있다. Cu는 dual damascene 공정을 통해 metallization되고 있는데, Cu 배선의 하부에는 seed layer와 diffusion barrier라는 2개의 하부층이 존재하게 된다, 이들은 주로 ionized physical vapor deposition(i-PVD)에 의해 증착되는데 seed layer로 배선재료와 같은 Cu가 쓰인다. 하지만 반도체 소자의 고집적도를 위해 높은 aspect ratio가 요구되는 via와 trench에서 i-PVD로 seed layer를 증착 한 뒤, 전해도금으로 Cu filling을 진행하면 void가 발생하게 되는데, 이는 seed layer의 좋지 않은 step coverage에 기인한다. 이러한 문제는 반도체 소자의 고집적도가 진행됨에 따라 더 큰 비중을 차지할 것이다. 이에 높은 aspect ratio에서 훌륭한 step coverage와 대면적에서 우수한 uniformity를 보이는 원자층 증착법(atomic layer deposition, ALD)이 많은 주목을 받고 있다. 최근에 Ru(Ruthenium)은 그 물성으로 인해 Cu의 직접 전해도금이 가능한 seed layer와 diffusion barrier로 제안되어 많은 연구가 되었고, 그 일환으로 ALD 공정을 이용한 Ru의 증착에 대해서도 연구가 되었다. 이러한 ALD 공정에서 reactant는 O2 gas가 사용되었다. 하지만 O2 gas를 reactant로 사용하면 seed layer의 하부층인 diffusion barrier를 산화시켜 배선의 비저항을 증가시키는 문제점이 야기되었다. 이런 문제점을 해결하기 위해 O2 대신, NH3 gas와 NH3 plasma를 reactant로 사용하여 Ru을 증착하였다. 그 결과, non-oxidizing 환경에서 impurities가 존재하지 않는 순수한 PEALD-Ru이 증착되었다. 한편, 최근에 N2와 H2의 mixture gas plasma(N2/H2 plasma)를 reactant로 사용하여 Co를 증착했다는 보고가 있는데, 이는 기존의 reactant인 NH3 plasma를 사용하여 증착된 Co와 비교해 봤을 때, impurities와 비저항 측면에서 거의 비슷한 물성을 보였다. 이러한 결과는 N2/H2 plasma 역시 non-oxidizing reactant로써의 역할 수행이 가능하다는 사실을 보여준다. 이에 본 연구에서는 또 다른 잠재적인 non-oxidizing reactant인 N2/H2 plasma를 Ru 증착을 위한 precursor인 IMBCHRu(0)[IMBCH=(η6-1-Isopropyl-4-MethylBenzene)(η4-CycloHexa-1,3-diene)]의 reactant로 사용함으로써 PEALD-Ru 막을 증착하였다. 그리고 PEALD-Ru의 seed layer로써 적용가능성을 알아보기 위하여 Ru 막에서 Cu 전해도금을 진행하였다. PEALD-Ru을 증착하기 위한 precursor로 zero-valence인 IMBCHRu(0)과 non-oxidizing 환경의 reactant인 N2/H2 plasma를 사용하여 다양한 물성을 가지는 Ru 및 RuNx 막을 성공적으로 증착 할 수 있었다. Precursor와 reactant의 pulsing time이 각각 7초, 12초 일 때 ALD 공정의 특징인 self-limited growth가 나타났고 270℃의 공정 온도에서부터 ALD process window가 나타났다. Growth rate는 0.056nm/cycle이었으며 incubation cycle은 ~3cycles로 거의 존재하지 않았다. H2 plasma만을 reactant로 사용하였을 때는 Ru 막을 증착 할 수 없었지만 N2/H2 plasma내에 gas ratio를 증가시킴에 따라 다양한 물성을 가지는 Ru 및 RuNx 막을 증착 할 수 있었다. Gas ratio가 0.24일 때, impurities가 거의 존재하지 않고 가장 낮은 비저항(~19μΩcm)을 보이는 metallic Ru 막을 증착 할 수 있었으며, polycrystalline의 columnar 구조를 형성하고 있었다. 한편, N2/H2 plasma 내에 gas ratio가 증가함에 따라 Ru 막 내에 incorporation된 N의 함량이 증가하고 그에 따라 Ru 막의 비저항이 증가하는 반면 결정화도가 점점 감소하다가 마침내 polycrystalline의 columnar 구조가 파괴되어 amorphous matrix에 nanocrystalline이 박혀있는 구조로 바뀌었다. 마지막으로 다양한 물성을 가지는 metallic Ru 및 RuNx 막을 Cu 배선공정의 seed layer로서 적용하기 위해 10nm의 두께의 막을 기판으로 하여 Cu 전해도금을 진행하였다. 그 결과, 기판에 상관없이 전해도금 된 Cu가 잘 증착된 것을 알 수 있었으며, 이는 metallic Ru과 RuNx 막이 Cu 전해도금의 우수한 seed layer로써 적용이 가능하다는 사실을 말해준다.
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