As the technology node has been developed, the metal pitch decreases and the metallization levels and total interconnect length increase, causing a fatal problem in back-end-of-line (BEOL) RC delay. To solve this problem, it is necessary to introduce a low dielectric constant (low-k) material into a capping layer that causes parasitic capacitance. However, the conventional capping layers such as SiN or SiCN which has high dielectric constant have been used since 2000’s because the capping layer must satisfy various characteristics such as etch stop layer, copper (Cu) diffusion barrier in Cu interconnect. Therefore, in this paper, the low-k amorphous boron nitride (α-BN) thin film deposited using a plasma-enhanced chemical vapor deposition (CVD) was investigated as a new capping layer. The CVD-grown α-BN shows a k-value as low as 2.0 at 3 nm thickness, low leakage current density (~7 × 10^−8 A/cm^2), and high breakdown field (~8.8 MV/cm) comparable to conventional SiN blocking layer. α-BN has excellent thermal stability up to 1000℃, implying that the film can be used not only for the back-end-of-line (BEOL) but also for the front-end-of-line (FEOL) process. A 7 nm-thick α-BN film successfully blocks Cu diffusion at temperatures up to 500℃. The α-BN film also shows excellent adhesion with Cu, demonstrating an adhesion energy of 2.90 ± 0.51 J/m^2 between α-BN and Cu. COMSOL multi-physics simulation predicts that, compared to conventional SiN capping layer, an α-BN capping layer can reduce interconnect RC delay by up to 17%. The α-BN is proved to be a promising candidate for a new capping layer to reduce RC delay in Cu interconnect system.
테크놀로지 노드가 발전할수록 메탈 피치가 감소하고 메탈 배선 수 및 전체 배선 길이가 증가함에 따라 백 엔드 오브 라인 저항-캐퍼시턴스 지연은 치명적인 문제를 낳고 있다. 이를 해결하기 위해서는 기생 캐퍼시턴스를 유발하는 캡핑층에 저 유전율 물질 도입이 필요하다. 그러나 구리 배선에서 캡핑층은 식각 중지, 구리 확산 방지 등 다양한 특성을 충족해야 하므로 아직까지도 실리콘 나이트라이드 또는 실리콘 카본 나이트라이드와 같이 상대적으로 높은 유전율을 가진 물질이 사용되고 있다. 이에 본 논문에서는 새로운 캡핑층으로써 화학 기상 증착 방식을 통해 성장한 저 유전율 비정질 질화 붕소의 적용 가능성에 대해서 확인하였다. 비정질 질화 붕소는 3 나노 두께에서 2.0 수준의 초저유전율을 갖고 기존 캡핑층인 실리콘 나이트라이드와 견줄만한 낮은 누설 전류 밀도와 높은 항복 전압 특성을 보였다. 또한 비정질 질화 붕소 박막은 1000℃까지의 열적 안정성을 보였고 7 나노 두께 박막으로 구리 확산을 500℃까지도 성공적으로 막을 수 있음을 확인하였으며, 구리와의 접합력이 우수함을 확인하였다. 콤솔 다중 물리 시뮬레이션을 통해 확인한 결과, 기존 실리콘 나이트라이드 캡핑층과 비교하였을 때 비정질 질화 붕소 캡핑층은 배선 저항-캐퍼시턴스 지연을 17%까지 줄일 수 있음을 확인하였다. 이를 통해서 본 논문은 구리 배선에서 저항-캐퍼시턴스 지연을 줄이기 위한 새로운 캡핑층 후보로 비정질 질화 붕소가 유망함을 제시하였다.
