Copper has been used in the semiconductor industry as an interconnect material thanks to its high conductivity and reliability. However, as the scaling of interconnect pitch progresses below 10nm, several limitations of copper are coming up. The most crucial issue is the increase of the resistivity; the resistivity of copper thin film rapidly increases from 39nm due to the prominent effects of surface and grain boundary scattering, resulting in power consumption and RC delay of the semiconductor device. One of the possible solutions is to replace the interconnect material. Ru and Mo are receiving a high interest as candidate materials for next-generation interconnect, which is expected to be more conductive than copper. Here, we investigate the resistivity size effect of copper, ruthenium and molybdenum thin films to quantify and compare their resistivity at nanoscale. Experimental resistivity ρ vs d is explained by introducing the four independent resistivity factors, which are from bulk, surface, grain boundary and impurity scattering, in which the theoretical values of electron mean free path were utilized and the complete diffuse scattering (p=0) was assumed. As a result, for as-deposited Ru and Mo thin films deposited by sputtering, it was found that the resistivity increase by impurity had a great effect on the total resistivity. After the annealing process, the crystallinity and crystalline size of the thin film increased, and the total resistivity was greatly reduced. It was confirmed that the resistivity increase by grain boundary mainly affects to the total resistivity. Therefore, it is essential to develop a deposition method capable of producing a high-purity metal with large crystallinity and grains in order to fabricate a Ru and Mo interconnect with a resistivity lower than that of copper in the nanoscale.
현재 구리는 높은 전도성과 신뢰성 특성 덕분에 반도체 산업에서 소자의 인터코넥트 재료로 활발히 사용되고 있다. 하지만 구리의 전자 평균 이동 거리 (39.9nm) 보다 작은 단위에서 구리는 인터코넥트 재료로서 몇 가지 재료적 한계를 보이기 시작한다. 특히 구리의 비저항 특성이 표면 산란과 결정립계 산란의 영향으로 10nm 이하 단위에서 급격히 증가하며, 이는 반도체 소자의 전력 소비를 증가시키고 신호 전달을 악화시킨다. 따라서 본 연구에서는 루테늄, 몰리브덴과 같은 차세대 인터코넥트 후보 물질이 구리를 대체할 수 있는지 잠재성을 조사 및 평가하고자 한다. 루테늄과 몰리브데넘의 비저항 증가 효과를 분석하기 위해 먼저 박막 단위의 시편을 제작하여 비저항을 측정하고, 비저항 모델링을 진행하였다. 비저항 모델링은 크게 두 가지의 접근 방식을 각각 적용하였고, 공통적으로 FS 모델과 MS 모델을 도입해 이루어졌다. 메씨슨 법칙에 따라 전체 비저항은 벌크, 표면 산란, 결정립계 산란, 불순물 산란, 즉 네 가지의 비저항 증가분으로 독립적으로 구분하여 표현되었다. 또 평균 전자 이동거리는 각 물질의 이론 값을 고정적으로 적용하였고, 박막의 표면 산란 계수 (p) 는 0이라고 가정하였다. 그 결과, 스퍼터링 방식으로 증착한 Ru와 Mo 박막의 경우, 불순물 비저항 증가분이 전체 비저항에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. 어닐링 과정 후에는 박막의 결정성과 결정 크기가 증가하여, 비저항이 크게 감소되었으며 그 결과 결정립계 비저항 증가분이 전체 비저항에 가장 큰 영향을 주는 것으로 확인되었다. 따라서, 본 연구를 통해 나노 단위에서 구리보다 낮은 비저항을 갖는 Ru와 Mo 인터코넥트를 제작하기 위해서는 결정성과 결정립이 큰 고순도의 금속 박막을 제작할 수 있는 증착법 개발이 필수적이라는 사실을 확인할 수 있었다.
