Recently, as the feature size of integrated circuit (IC) is continuously miniaturized, the line width of interconnects also should be scaled down. As a result, severe electromigration prob-lem have been arisen nowadays. Circuit engineers need to follow a more restrictive electromi-gration-rule for circuit design, greatly reducing design flexibility and efficiency. To mitigate the electromigration-induced failure, introducing a capping layer on top of Cu line surfaces is a common strategy. However, the conventional metal-based cap is difficult to be thinner as the line width become narrower. Furthermore, making a thinner cap by conventional methods eventually causes a loss of the electromigration suppressing ability. Therefore, a new and back-end of line (BEOL) compatible capping layer is needed for future technology nodes. Here, it is demonstrated that a reduced graphene oxide (rGO) cap layer effectively blocks electromigration at the surface of Cu, resulting in improved interconnect lifetime. The X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis suggests that the functional groups at the surface of rGO interact with the surface Cu atoms and consequently suppress the migration of surface Cu atoms. In addition, a functionalization of graphene oxide (GO) surface using polyvinylpyrrol-idone (PVP) is performed to make dense and uniformly distributed functional groups on the GO surface and enhance the suppression capability of electromigration. Significantly im-proved lifetime of Cu interconnect is achieved by the PVP/GO capping layer. Also, the inter-calated PVP molecules inhibit the restacking of GO sheets, making it possible to fabricate much thinner capping layer (~3 nm) compared to rGO. The electromigration activation energy of the PVP/GO capped Cu interconnect is found to be 1.23 eV and that of pure Cu intercon-nect is 0.76 eV, revealing that the major electromigration path changes from the Cu-SiNx inter-face to the grain-boundaries of Cu.
본 학위 논문에서는 환원된 그래핀 옥사이드 (rGO)와 폴리비닐피롤리딘 (PVP)/그래핀 옥사이드(GO) 캡핑층이 구리 배선의 수명에 미치는 영향에 대한 연구가 수행되었다. 우선, rGO 캡핑층의 도입이 구리 배선 표면에서의 electromigration 현상을 억제시키는데 효과적인 것으로 드러났다. 기존 연구된 화학기상증착법(CVD)으로 증착된 그래핀의 경우 그래핀 캡핑층으로의 전류 분배가 구리 배선에 흐르는 전류 밀도를 감소시키는 효과를 주기 때문에 구리 배선의 수명 증가 효과가 보이는 반면, 본 연구에서 보인 rGO 캡핑층이 형성된 구리 배선의 수명 증가는 rGO 캡핑층 표면에 존재하는 작용기들이 배선 표면의 구리 원자들과 상호작용을 하고, 이로 인하여 배선 표면에서 발생하는 electromi-gration 현상이 억제되었을 것으로 추측된다. 두 번째로, 그래핀 기반 캡핑층의 electromigration 억제 효과를 증대시키기 위한 방법으로 고분자 물질과 GO의 혼합물이 제안되었다. 이를 위한 고분자 물질로는 PVP가 선택되었으며 GO 용액과 혼합시킴으로써 GO 표면의 functionalization 이 수행되었다. PVP/GO 혼합물을 이용한 얇은 캡핑층이 형성된 구리 배선의 경우 수명이 획기적으로 증대된 모습을 보였다. Electromigration 측정 결과로부터 추출된 activation energy는 순수 구리 배선이 0.76 eV, PVP/GO 캡핑층이 형성된 구리 배선이 1.23 eV 으로 얻어졌다. 이는 구리 원자의 주된 elec-tromigration 경로가 Cu-SiNx 계면으로부터 배선 내부의 grain boundary 로 변화되었음을 나타내며, 그래핀 기반 캡핑층이 향후 차세대 배선 안정성 측면의 solution으로써 가능성이 있음을 시사하는 결과이다.
