Copper interconnection has been used extensively in fabricating metal interconnections for large scale integrated circuits because of its favorable electrical conductivity 1.67 μΩcm and superior resistance to electromigration. Cu metallization requires a seed layer of Cu which should have a continuous and smooth film surface, to achieve the Cu superfilling without leaving any voids on dual-damascene structures. To overcome this issue, Cu seed layer deposition on glue layer is studied. Ultra-thin Cu seed layer was deposited by metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD) on Ru layer using hexafluoro-acetylacetonate copper vinyltrimethyl-silane $(hfac)Cu^I(vtms)$. On Ru, the incubation time for Cu MOCVD was nonexistent. As compared with MOCVD Cu on TaN, the nuclei density of Cu was considerably increased on Ru and the wetting angle of Cu on Ru was small (22°). Therefore, the coalescence between Cu islands on Ru layer begins earlier by prohibiting the severe three-dimensional Cu growth that is generally observed on TaN layer. As a result, 10 nm thick continuous Cu film with 1.75 nm root-mean-squared surface roughness was easily prepared on 40 nm thick Ru at 150℃.
To enhance the surface morphology properties of Cu film, Ir material is proposed. Film growth of MOCVD Cu on Ir substrate shows almost same behavior with that on Ru substrate. The surface roughness of Cu on Ir layer is measured only 2.39nm, which is much lower than the value of Cu on Ru layer 2.91nm at 30nm-thick Cu. The reason of a surface smoothness improving is due to the lattice misfit of Cu with underlayer. In 200nm-thick Cu specimen, Cu(111) area ratio of Cu surface deposited on Ir substrate is almost 95%. And the sheet resistance of Cu/Ir system is 0.12Ω/□ which is not increased after thermal annealing.
As an application aspect of a Cu/Ru, and Cu/Ir interface, CVD Cu deposited on 3nm-thick Ru and Ir which is as thin as possible in this experimental reactor. On Ir layer, MOCVD Cu was continuously deposited at 10nm thickness with 4.18μΩcm. However, MOCVD deposited Cu does not perfectly coalesced at 1min deposition on Ru because the electrical resistivity of deposited Cu during 1minite was calculated to 10.35μΩcm. This different growth of Cu also determined the surface roughness. At 20nm-thick Cu, the RMS roughness of MOCVD Cu in 3nm-thick Ir is 1.31nm, which is much lower than 2.16nm that of 40nm-thick Ru. And Cu MOCVD on PEALD Ir film can be applicable under 400℃ heat treatment process. In addition, Ir substrate has a high adhesive strength with MOCVD Cu at 3nm-thickness. From these results, it can be concluded that 3nm-thick Ir layer can be a most promising candidate of an adhesion layer in the next generation of a Cu metallization.
반도체 소자의 크기가 작아짐에 따라 그 배선물질로는 구리가 널리 사용되고 있다. 향후 45nm 공정에서는 메모리 소자 분야에서도 구리가 폭넓게 도입될 전망이다. 이와 같이 구리가 폭넓게 이용되는 이유로는 구리의 낮은 비저항에 의한 전기전도도의 우수성, Al과 비교하였을 때 상대적으로 높은 녹는점 등을 들 수 있다. 그러나 구리는 적절한 etching 공정이 개발되지 않은 관계로 electroplating 에 의한 super-filling을 통하여 증착하게 되는데 이 경우 얇고 균일한 구리박막의 증착이 요구된다. 지금까지는 이 구리 seed layer를 스퍼터링을 비롯한 PVD 방식으로 증착하여 왔으나 소자의 pitch size가 줄어듦에 따라 이러한 증착법에는 step coverage에 문제를 불러올 수 있다. 그러한 관계로 confomal 한 증착특성이 있는 CVD 방식에 의한 구리박막의 증착이 활발히 연구되었다.
CVD를 이용한 구리증착에서는 구리박막이 형성되는 계면의 에너지가 매우 중요하다. 계면에너지가 큰 경우에는 구리는 3차원 island 성장을 하기 때문이다. 그러하기에 분 연구에서는 새로운 interlayer 인 adhesion layer를 삽입하여 구리와 아래 표면의 계면에너지를 줄이고자 하였다. Interlayer 로 삽입되는 물질로는 녹는점이 높고 낮은 전기저항을 가지며 구리와의 lattice misfit이 작은 장점을 가지고 있다.
가장 적절한 증착조건을 찾기 위하여 섭씨100도에서 200도의 온도구간에서 시험을 진행하여 각각의 온도에서 증착된 구리박막의 물성을 비교하여 보았다. Nucleation Theory에 의하면 낮은 온도에서 증착된 박막일수록 초기에 얇고 평탄한 박막을 형성하는데 유리하다는 것을 알 수 있다. 그러나 100도에서 증착한 구리박막의 경우 증착된 박막의 비저항이 증가하는 문제가 발생하였으며 130도에서 증착된 구리박막의 경우에서도 내부에 소량의 탄소불순물이 검출되었다.
그리하여 순수한 상태의 구리박막 증착이 검증된 150도 구간에서 Ru adhesion layer를 40nm 두께로 증착하여 그 위에서 구리 CVD를 진행하여 박막성장 양상을 일반적인 구리확산방지막인 TaN 위에서 구리 CVD를 진행한 경우와 비교하였다. 비교결과 초기성장과정에서 TaN 위의 경우 구리성장이 지연되는 현상이 나타났으며 표면거칠기 역시 TaN 위의 구리박막이 매우 급격히 증가하였다. 그러나 Ru 박막의 경우 성장하는 구리 박막의 표면거칠기는 완만히 증가하였으며 이를 통해 Ru 박막 위의 구리 CVD는 얇고 평탄한 박막형성에 유리한 2-D planar 성장을 함을 알 수 있었다. 증착 결과 약 10nm 두께에서 매우 균일하고 평탄한 구리박막을 얻을 수 있었으며 이 경우의 비저항은 3.95μΩcm를 얻었다. 이같이 Ru와 TaN의 경우 구리박막 성장 거동이 다른 것은 각 박막이 구리와 갖는 계면에너지가 다르기 때문이다. 구리와 Ru의 경우는 약 1.81J/μ, 구리와 TaN 경우는 약 26.83J/m2의 상이한 계산결과를 얻었다. 이러한 이유는 구리와 Ru의 경우는 서로간의 lattice misfit이 5.5%로 매우 작기 때문이다. 반면 구리와 TaN의 경우는 20%로 상대적으로 높은 값을 갖고 있다. 그 결과로 Ru에서 상장한 구리박막은 600℃ 열처리에서도 열적 안정성이 우수하였으며 Cu(111) 방향으로 정렬될 수 있었다.
그러나 Ru의 경우 Ru의 두께가 줄어듦에 따라 구리박막의 (111) 배향성은 소실되었다. 이는 Ru의 두께가 얇아짐에 따라 박막의 우선배향성이 변화하였고 그 결과로 구리박막과 갖는 계면에너지가 변화하였을 것이라고 추론할 수 있다. 실제로 구리박막 증착결과 구리는 초기의 표면거칠기의 증가도가 현격하게 높았으며 비저항 값을 통해 볼 때 continuous 상태의 박막이라고 예상되는 지점의 두께는 30nm로 10nm 수준의 얇고 균일한 구리박막을 얻는데는 문제가 있음을 알 수 있다.
본 연구에서는 강한 (111) 우선배향성을 갖는 Ir layer를 실험에 적용하였다. 그 결과 증착된 구리박막의 표면거칠기와 우선배향성에서 각각 2.39nm, 95%라는 Ru 보다 좋은 결과를 얻게 되었으며 이를 바탕으로 Ir 의 두께는 얇게 제어하여 구리박막 증착을 시도하였다.
최종적으로 3nm의 얇은 두께의 Ir 박막 위에서 약 10nm 두께의 얇고 평탄한 구리박막을 성공적으로 얻을 수 있었다. 이 박막의 비저항은 4.18μΩcm, RMS 표면거칠기는 0.7nm이다. 그러나 Ir은 섭씨 700도의 고온상에서 구리와 3%의 고용체를 만드는 약점을 지니고 있다. 열처리 실험 결과 400도 구간까지의 테스트에서 구리박막의 비저항 증가는 관찰되지 않았으며 이를 바탕으로 향후 고온공정이 배재되어야 하는 low-k dielectric material 기반의 공정에서는 Cu-Ir adhesion layer가 유용하게 사용될 것이라 결론지을 수 있다.