다음세대의 Cu 확산방지막으로서 ALD-Ru/그래핀의 특성 평가

Abstract

반도체 소자의 Cu 배선공정에 있어 회로의 집적도가 점점 높아짐에 따라 더욱 낮은 두께를 가지는 Cu 확산방지막에 대한 연구가 화두이다. 현재는 2D 물질의 Cu 확산방지막의 적용에 대한 관심이 크며, 실제 Cu 배선공정의 적용을 위해 직성장 그래핀 확산방지막에 대한 연구가 필요하다. 본 연구에서는 직성장 그래핀의 Cu 확산방지막에 대한 적용을 주제로 성장조건에 따른 직성장 그래핀의 두께, 그레인의 크기, 결정 방향의 분석을 진행하였다. 그리고 다른 확산방지막과 비교했을 때, 직성장 그래핀이 Cu 확산방지특성이 좋은지 time-dependent dielectric breakdown (TDDB) 실험을 통해 확인하였다. 두께 2.3 nm의 직성장 그래핀은 확산방지막에 대한 3 nm 이하의 현재 두께 요구조건을 만족시키며, Cu 확산방지특성이 좋아 Cu 이온의 확산을 효과적으로 억제할 수 있었다. 본 연구에서는 추가적으로 직성장 그래핀 위에 Cu와의 접착력이 좋다고 알려진 Ru을 실제 반도체 배선공정에 적용이 가능한 ALD 방식을 통해 증착하여 Cu와의 접착특성이 좋은 복합재료의 확산방지막을 제작하였다. 직성장 그래핀 위에 Ru ALD를 수행할 경우 Cu 확산방지특성이 향상이 되었으며, 기존의 CVD 그래핀에 비해 전기적으로 뛰어난 Cu 확산방지막을 만들 수 있었다. 또한, 직성장 그래핀 위에 Ru ALD를 수행해 만든 확산방지막 위에서 Cu agglomeration이 효과적으로 억제되며, 확산방지막과 Cu 사이의 계면접착에너지가 좋아지는 것을 확인했다. 이에 따라 복합 재료로 이루어진 Cu 확산방지막 위에서 Cu 일렉트로마이그레이션의 신뢰성이 향상되는 것을 확인했다.