ALD-Ru Stuffed Graphene Diffusion Barrier in Cu Metallization

Abstract

반도체 소자의 집적도가 향상됨에 따라, Cu 배선 공정에 사용되는 더 얇은 두께의 확산방지막을 형성하는 것이 요구된다. 이러한 얇은 두께의 확산방지막을 형성하기 위한 방법의 한가지로 2D 물질이면서 물질의 투과성이 낮고 전기적 전도성이 좋은 그래핀을 확산방지막으로 적용하는 것이 연구되고 있다. 단 일반적으로 사용되는 chemical vapor deposition (CVD) 방법의 경우 금속 촉매 위에서 그래핀을 고온에서 성장시키고 원하는 기판에 그래핀을 전사하게 되는데 이는 실제 복잡한 구조의 소자에 적용하기 어려운 부분이다. 따라서 본 연구에서는 plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) 방법으로 금속촉매 없이 원하는 기판에 직성장 시킨 그래핀의 확산방지막 가능성을 확인해 보았다. 먼저 성장시간 별 직성장 그래핀의 두께를 확인하고 transmission electron microscopy (TEM)을 통해 결정립의 크기 및 결정 방향을 분석해 보았다. 그리고 time dependent dielectric breakdown (TDDB) 실험을 통해 3 nm이하 두께에서 TiN 확산방지막이나 Ni에서 성장한 다층그래핀 확산방지막보다 우수한 확산방지막 성질을 보여주는 것을 확인하였다. 추가적으로 직성장 그래핀의 결정립계을 제어하여 확산방지막 성능을 향상시키고 직성장 그래핀에 도핑을 통해 전기적 전도성을 향상시키고자 직성장 그래핀 상에 Ru을 atomic layer deposition (ALD)를 통해 증착하였다. 그 결과 직성장 그래핀 상에 Ru이 island형태로 존재하면서 Cu ion의 확산 경로인 결정립계를 stuffing하여 확산방지막 성능이 ALD 후 향상되는 것을 TDDB 실험을 통해 확인하였다. 또한 ALD 후 Hall measurement를 통해 Ru의 doping 효과로 직성장 그래핀의 carrier 농도가 증가해 직성장 그래핀 확산방지막의 저항이 감소하는 것을 확인하였다.

Cu/ALD-Ru/graphene layer is proposed as a metallization scheme for semiconductor integrated circuit processing. Here, a multilayered graphene with a nominal thickness down to 2 nm is directly deposited on SiO2 by inductively coupled plasma-chemical vapor deposition (ICP-CVD) as a diffusion barrier for Cu metallization. Importantly, few cycles (less than 10 cycles) of ALD-Ru is deposited on top of the graphene to modify its electrical and barrier properties as well as its adhesion property to Cu. It is noted that ALD-Ru forms a high density of Ru nuclei on defective sites of graphene which contributes not only to increase the conductance of graphene itself but also to enhance the barrier property by passivating the fast diffusion paths of the as-deposited graphene. Moreover, it is shown that the ALD-Ru nuclei promote the adhesion between the graphene and Cu layer as demonstrated by the retarded Cu agglomeration during thermal annealing.