Sputtering 공정을 이용한 배선 소재용 저저항 NiCo 합금 박막 결정 구조 제어 연구

Abstract

현재 반도체 소자의 배선으로써 Cu 는 널리 응용되어왔다. 반도체 기술의 발전에 따라 소자는 고집적화 및 고성능화가 지속 진행되고 있고 그에 따라 구리 배선의 폭 또한 지속적으로 줄어들고 있다. Cu 배선의 폭이 줄어듦에 따라 배선에 가해지는 전류밀도가 증가하여 밀집된 전류밀도에 의해 한정된 배선에 electric, mechanical 한 stress 의 크기가 커지게 되었다. 전류밀도가 증가하게 되면 Cu 원자에 충돌하는 전자의 수가 증가하게 되고 Cu 원자는 이러한 충돌에 의해 다양한 신뢰성 문제가 발생하게 된다. Cu 원자의 이탈에 의해 발생하는 electromigration(EM), 공정 시 금속 배선에서 발생하는 응력으로 인해 생기는 stressmigration(SM), 배선과 이를 분리시키는 유전막 간의 diffusion barrier 를 통과하여 Cu 원자가 확산하는 현상 등이 이러한 문제이다. 또한 배선의 크기가 줄어듦에 따라 비저항이 급속도로 커지는 resistivity size effect 문제또한 야기되고 있다. 이에 따라 기존의 소재의 한계점을 극복할 수 있는 새로운 배선 소재의 개발이 필요하다. 차세대 소자를 위한 배선 소재로는 resistivity size effect 에 의한 비저항 증가가 작고 원자간 결합력이 높은 물질이 요구된다. 그리고 size effect 에 따른 비저항 증가를 야기하는 electron grain boundary scattering 현상을 최소화하기 위해 electron mean free path(EMFP)가 짧고 bulk resistivity 가 작은 특성을 가지는 소재를 선정해야 한다. 본 연구에서는 이러한 파라미터를 고려하여 NiCo alloy 를 선정하였고 코스퍼터링법을 통하여 박막으로 구현하였다. 또한 NiCo 박막의 size effect 를 최소화하기 위해 결정성을 끌어올리는 방안으로 seed layer 를 도입하여 HCP, FCC 단일 결정 구조를 가지는 NiCo 박막 구현에 성공하였다. 이후 NiCo 박막 두께 감소에 의한 resistivity size effect 특성을 확인하기 위해 ~5nm 까지 박막의 두께를 split 하여 비저항 변화 경향성을 확보하였다. 실험 결과 HCP NiCo 박막은 10nm 에서 5nm 로 박막의 두께 감소에 따른 비저항 증가율이 ~40%임을 보였다. 이번 연구를 통해 단일상을 가지는 HCP NiCo 를 epi 수준으로 구현하였고 기존의 소재보다 현저하게 낮은 size effect 를 가지는 물질을 처음으로 구현하였기 때문에 큰 의미를 가진다.