하이브리드 ALD로 증착된 Ir 박막 성장에 수소 플라즈마가 미치는 영향

Abstract

구리(Cu)는 낮은 저항, 높은 전자이동도 및 높은 스트레스 마이그레이션 신뢰성을 통하여 RC delay time을 줄여 주고 소자 신뢰성을 높일 수 있기 때문에 AlCu 대신에 Si ULSI을 위한 대체 소재로 광범위하게 연구되었다. 그러나 Cu와 Si 층으로의 확산계수가 크기 때문에 확산 방지막이 필요하다. 원자층 증착(ALD)법으로 증착된 Ir 박막은 높은 밀도와 Cu와의 좋은 접착력을 가지기 때문에 확산방지막으로 가장 유망한 재료이다. 그러나 Ir 막은 높은 인큐베이션 타임과 낮은 핵 밀도를 가져서 ALD에 의해 매우 얇은 Ir 막을 형성시키기 어렵다고 알려져 있다. 본 연구에서는 이런 문제점을 극복하기 위해서 3 nm TaN이 증착된 Si 기판과 32 nm 폭의 나노 트렌치에 3 nm TaN 증착 후 하이브리드 ALD를 사용하여 매우 얇은 확산 방지막용 Ir 막을 성장시키고자 하였다. 또한, 이 과정에서 수소 플라즈마를 이용하여 짧은 공정타임에서도 효과적인 박막성장을 얻을 수 있었다. Si 기판과 32 nm 폭의 나노 트렌치에 3 nm TaN 증착 후 하이브리드 ALD을 이용하여 3.2 nm 두께의 Ir 막을 성장 하였다. Metalorginc 전구체는 수소 반응물과 함께 챔버에서 섞인다. Ir metalorganic 전구체는 하이브리드 ALD를 이용하여 CVD 공정과 같은 기체상으로 수소 플라즈마에 의해 기판 표면에 도달하도록 feeding 타임을 설정 하였다. ALD와 CVD 공정을 결합하여 기존의 ALD 공정에 비해 비교적 짧은 시간에 핵의 밀도는 증가되었다. 3.2 nm 두께의 Ir 막을 얻기 위해서는, 기존의 ALD을 사용하면 200 cycle의 인큐베이션 타임이 걸리지만, 하이브리드 ALD을 사용하면 50 cycle으로 줄일 수 있다. 또한, 전형적인 ALD의 특징대로 증착 cycle의 증가에 따라 Ir 막의 두께는 연속적으로 증가되었다. Ir 막은 전구체 주입 시간 10초에서 포화 상태를 나타내었다. 이는 ALD의 self-limited nature의 또 다른 분명한 증거이다. 하이브리드 ALD을 이용하여 Ir 막의 등방성 증착을 확인하기 위해 32 nm 폭의 나도 트렌치에 TaN을 3 nm 증착 한 후 Ir 막을 성장하였다. Ir 막의 두께는 위, 아래, 왼쪽 및 오른쪽을 HR-TEM으로 측정한 결과 각각 3.5, 2.9, 3.3 및 3.4 nm 로 측정되었다. 나노 트렌치에 증착된 Ir 막의 conformallity의 계산 값은 0.88으로 overhang이 없이 이상적인 값이 얻어졌다. 본 연구는 CVD와 비슷한 하이브리드 ALD 공정을 이용하여 기존의 ALD 공정에 비해 짧은 공정시간 내에 conformallity가 우수한 Ir 박막을 얻을 수 있었다. 이러한 Ir 박막은 Cu 박막의 확산 방지막으로 활용될 것으로 기대된다.|Copper (Cu) has been extensively studied as an interconnection material for Si ULSI instead of AlCu to enhance operating speed by reducing RC time delay because it has lower resistivity, high electro-migration and stress migration reliability. However, for Cu interconnection, barrier layer should be used because Cu layer has high diffusivity to underlying Si layer. Atomic layer deposition (ALD) prepared Ir layer is the most promising technology to deposit high quality thin film by sequential self-limited process since it is possible to deposit conformal thin film onto deep trench, and Ir has good adhesion to Cu layer and possible seedless electroplating of Cu. However, it suffers from low nucleation density and resultant high incubation time. Therefore, it has been known that it is difficult to prepare very thin layer of Ir by ALD. To overcome these obstacles, in this study, effect of hydrogen plasma on growth of 3 nm thick Ir layer using plasma enhanced ALD (PEALD) on TaN/Si substrate and nano-patterned trench. 3.2 nm thick Ir layer was grown by cyclic chemical vapor deposition (CVD) like hybrid atomic layer deposition (ALD) method on non-patterned Si substrate and 32 nm wide TaN coated nano-trench. Ir metalorganic precursors was mixed with hydrogen reactant and co-fed into the chamber at the same cycle. Ir metalorganic precursors were effectively composed in the gas phase like CVD process and on the surface of substrate like ALD by hydrogen plasma, which was turn on at feeding time. The nucleation density, which cause relatively long incubation time, was considerably increased as compared to conventional ALD process by combining CVD process into ALD process. The number of deposition cycles was remarkably reduced to obtain 3.2 nm thick Ir film on non-patterned Si substrate from 200 to 50 deposition cycles, resulting in low incubation time. Furthermore, the thickness of Ir layer was increased linearly as deposition cycles increased, which shows self-limiting nature of typical ALD. The thickness of Ir layer was saturated above 10 sec as precursor injection time was increased, which is an another clear evidence of self-limited nature of ALD. The conformal deposition of Ir was performed on 32 nm wide 3 nm thick TaN coated nano trench. The thickness of Ir layer on top, bottom, left side and right side was measured to be 3.5, 2.9, 3.3 and 3.4 nm, respectively, which was measured by HR-TEM. The calculated conformallity was 0.88, which was closed to ideal value of without overhang, which is often occurred in PVD process. Our study suggest that CVD like hybrid ALD process can be applied to prepare barrier layer with reduced number of deposition cycles without degradation of quality of film, which compared to be prepared by conventional ALD process.