Graphene, a monolayer of $sp^2$ bonded carbon atoms, is a candidate material that could open post-silicon era nano-electronics in various fields because of its intriguing physical and electrical properties. To fully utilize its potential, both p and n type doping are required, but due to its atomic membrane constitution without any interior, ion implantation cannot be used. P-doping of graphene is an unintentional and natural result of preparation processes such as chemical vapor deposition (CVD) growth and transfer using wet chemicals. It is mainly known to be due to surface absorbed water molecules from wet chemicals or the air. In contrast, n-doping of graphene has proved more challenging. It requires additional materials or processes in the preparation stage, and the resultant electrical properties are poorer compared to pristine or non-treated graphene. In this thesis, a simple and effective n-doing method for large area CVD grown graphene was demonstrated by physical absorption of ammonium ions through a wet chemical process using ammonium fluoride ($NH_4F$) and it was shown that the electrical performance of the doped graphene is substantially improved.
In copper metallization process, a diffusion barrier must be needed because Cu can easily diffuse into the silicon and silicon dioxide, resulting in the degradation of the device performance and reliability. As a copper wire width decreases, the thickness of Cu diffusion barrier must also be reduced. However, the conformal deposition of ultrathin diffusion barrier has been a challenging task. Graphene, which is one-atom-thick carbon layer, is good candidate for Cu diffusion barrier because of its chemical and thermal stability. In this thesis, the barrier property of graphene for Cu diffusion barrier was investigated. It was shown that CVD-grown mono-layer graphene can improve thermal stability against Cu diffusion and reduced graphene oxide (rGO) is also effective for Cu diffusion barrier.
그래핀은 탄소 원자가 sp2 결합을 하는 한 층으로써 그 뛰어난 물리적, 전기적 특성으로 인해 실리콘 기술을 넘어서는 나노 전자 기술에 적용될 수 있는 차세대 물질이다. 그래핀의 잠재성을 활용하기 위해서는 p-타입과 n-타입 도핑 기술이 요구되지만, 탄소 원자 한 층에 불과한 물질이기 때문에 이온 주입법은 사용될 수 없다. 그래핀의 p-도핑은 그래핀 성장과 전사 공정 중 거치는 많은 습식 화학물에 의해 자연적으로 이루어지며, 주로 그래핀 표면에 흡착된 공기 중 수분에 의한 것으로 알려져 있다. 반면에, 그래핀의 n-도핑은 힘든 것으로 알려져 있다. 이는 추가적인 물질과 공정을 요구하며, n-도핑된 그래핀은 그 전기적인 특성이 도핑 처리되지 않은 그래핀에 비해 좋지 않게 된다. 본 논문에서는 불화 암모늄을 이용한 습식 화학 공정을 통해 CVD 공정으로 성장된 그래핀을 간단하고 효과적으로 n-도핑하는 방법에 대해 다루었고, 그래핀의 전기적 특성이 향상되면서 효과적으로 n-도핑된다는 것을 보였다.
구리 배선 공정에서 구리는 실리콘과 산화실리콘으로 쉽게 확산되어 소자의 성능과 신뢰성을 저하시키기 때문에 구리 확산 방지막이 필수적이다. 구리 배선의 폭이 감소하면서 구리 확산 방지막의 두께 또한 지속적으로 감소되어 왔지만, 매우 얇은 확산 방지막을 균일하게 증착하는 것은 매우 어려운 일이다. 탄소 원자 한 층의 그래핀은 화학적 및 열적으로 매우 안정한 물질이기 때문에 구리 확산 방지막으로써 좋은 특성을 기대할 수 있다. 본 논문에서는 그래핀의 구리 방지막 특성을 확인하였고, CVD로 성장된 그래핀 한 층이 구리의 확산을 효과적으로 막아주는 것을 보였으며 rGO 또한 구리 확산 방지막으로써 효과적이라는 것을 확인하였다.
