Lateral growth of single crystalline Cu for low resistance trench of BEOL

Abstract

최근, 반도체의 미세화가 가속화됨에 따라 구리 배선의 선폭도 비례 감소하여 벌크 구리의 전자평균이동거리 (electron mean free path, EMFP)인 39nm 보다 작은 수준까지 이르게 되었다. 이러한 배선의 스케일링 감소는 전류밀도와 구리 배선의 비저항의 상승을 야기하며, electromigration으로 인한 응력공극(stress voiding)과 구리 배선의 급격한 비저항 증가라는 크기 효과 (resistivity size effect)로 인해 신뢰성과 신호지연 저하 문제에 직면하고 있다. 본 연구에서는 Mayadas-Shaztkes 결정립계 산란 모델을 바탕으로 문헌상 보고된 구리 배선의 비저항 크기 효과를 분석하고 [1], 이를 야기하는 결정립계 산란(grain boundary scattering)을 최소화하는 구리 전해도금 공정을 개발 결과를 제시한다. 즉, CuSO45H2O 및 H2SO4 로 이루어진 초희석 (0.001 mM ~ 0.1 mM) 전해 용액을 이용하며, 환원과 산화를 반복하는 역펄스 동전위 모드(reverse-pulse potentiodynamic mode)를 적용하면 구리 단결정이 합성됨을 보인다 [2]. 특히, 구리 전해 도금 공정 파라미터인 주파수(frequency), 전해용액 농도, 산화/환원 전압(potential), 첨가제 파라미터를 이용하여 핵생성 및 핵성장 속도를 제어함으로써 기판 위에서 단결정 구리가 수직성장보다는 수평성장하는 조건을 확보함으로써, trench 내의 구리에 형성되는 결정립계를 제거하여 단결정 배선을 형성할 수 있음을 보인다. 이러한 단결정구리의 수평성장은 trench 구리배선의 결정립계에 의한 전자산란을 억제하여 전기저항을 감소시키는데 기여한다. 구리 전기도금 파라미터에 의한 핵생성밀도 제어와 거대입자성장(abnormal grain growth) 메커니즘을 이용하여 도금 구리 단결정의 form factor 제어에 활용하는 것이 기대된다.