As critical dimensions (CD) in modern integrated circuit (IC) chips have been already reduced to a few tens of nanometer scales, both of interconnect resistance (R) and capacitance (C) increase, which causes a severe RC-delay problem. The increase in C has been suppressed by introducing porosity in dielectrics to reduce effective dielectric constant. However, the porosity causes many side-effects especially for the process compatibility, such as mechanical/chemical-strength weakening, vulnerability to plasma-induced damage, and penetration of barrier/liner precursors. In case of R, the scaling of CD inherently increases the resistivity of Cu, since the CD in modern ICs is comparable or even smaller than bulk electron mean-free-path of Cu. This fundamental physics makes exponential increase in interconnect resistance inevitable.
In this dissertation, both issues in C and R will be addressed. In case of C, A novel solution to enable highly porous ultralow-k dielectrics will be discussed. By introducing initialed chemical vapor deposition (iCVD) technology, it will be shown that surface-limited pore-sealing of highly porous ultralow-k dielectrics is possible. Comprehensive evaluation of the dielectric properties will be followed. In case of R, Ruthenium (Ru) will be considered as an alternative conductor to replace current Cu interconnects. Combined with a new subtractive etch process scheme, in-depth study about Ru resistivity will be shown.
반도체 집적회로의 선폭이 수십 나노미터 혹은 그 이하의 영역으로 들어섬에 따라 배선의 저항과 정전용량이 급격하게 증가해 왔고, 이는 심각한 신호지연 현상을 야기하였다. 그동안 배선용 절연물질에 기공을 삽입함으로써 정전용량의 증가를 억제해왔지만, 이는 절연물질의 기계적/화학적 강도 감소, 플라즈마 취약성, 배리어/라이너 전구체의 침투 등 여러 부작용을 수반하는 한계가 있다. 저항의 경우, 현재 반도체 집적회로의 배선 선폭이 구리내 전자의 평균자유경로와 비등하거나 혹은 그 이하로 줄어들었기에, 향후 배선 선폭의 감소는 근본적으로 구리 비저항의 증가를 수반할 수 밖에 없다.
본 학위논문에서는 배선의 정전용량과 저항의 증가 현상에 대해 고찰한다. 정전용량의 경우, 다공성 절연물질의 낮은 절연 상수 특성을 유지하며 기공에 의한 부작용을 최소화 할 수 있는 새로운 공정 방법에 대해 다룬다. 개시제를 이용한 화학기상증착법을 도입하여 다공성 절연물질의 표면부 만은 극히 제한적으로 밀봉할 수 있는 방법을 소개한다. 공정 후 절연 물질의 특성 변화에 대한 전반적인 분석을 함께 다룬다. 저항의 경우, 현재의 구리 배선을 대체할 새로운 금속 물질인 루테늄에 대한 고찰을 다룬다. 직접식각방법과 결합하여 루테늄 비저항에 대한 심도깊은 분석을 수행한다.
