Electrodeposition of single crystal Cu for sub-μm scale vias of BEOL

Abstract

BEOL 배선에 활용되는 Cu는 알루미늄보다 약 30% 낮은 비저항, 높은 EM 저항성 등 우수한 전기적 특성을 가진다. 하지만 반도체 스케일링에 따라 20 nm 이하 배선 미세화에서는 Cu 비저항이 급격히 증가하는 한계를 갖게되어 대체 배선재료에 대한 연구개발이 활발히 진행되고 있다. 배선공정은 Double-sided electroplating, Bottom-up electroplating 방식 등이 사용되고 있는데 이때 합성되는 Cu 는 결정립이 작고 무질서한 배향을 갖는 다결정구조로 성장하게 된다. 이러한 Cu 배선은 결정립계, 표면거칠기 등 결함에 의한 전자 산란에 의해 specular 단결정보다 상대적으로 낮은 전기전도도를 갖게되어 배선의 저항 감소에 유리하지 않게 된다. 본 연구에서는 BEOL 의 수직 연결 역할을 하는 Via 로 사용되는 Cu를 단결정으로 성장시켜 결정립계에 의한 전자산란을 제거하고 표면을 specular 하게 함으로써 표면산란을 억제하기 위한 전기화학기반 Cu 증착기술을 개발하고자 하였다. 전기화학증착방법으로 reverse-pulse potentiodynamic electrochemical deposition method(3전극법)을 사용하고[1], 초희석 전해질 용액을 사용함으로써 증착속도는 낮지만, 단결정성장을 유도하는 방법을 소개하고자 한다. 전기화학증착결과, Cu 단결정이 합성되면서, 전도도 관점에서 우수한 <111>우선배향으로 성장함을 확인할 수 있다. 초희석 Cu 전해질 내 포함되는 첨가제, 산화/환원 전위, 인가 주파수 등 파라미터의 영향에 대해 이해함으로써, 단결정 Via Cu의 크기 등이 제어가능함을 제시하고자 한다. 아래 그림은 CuSO4 5H2O 50 μM 전해질에서 수직 성장된 Cu 단결정 예시를 보여주고 있다. 단결정 Cu의 핵생성과 성장 메카니즘을 이해함으로써, BEOL 의 수직연결에 활용될 수 있는 패턴 기판위에 합성되는 단결정 Cu post 제어기술을 논하고자 한다. 본 연구에서 제시하는 단결정 Cu post 공정기술은 다양한 BEOL 후보금속으로 기대되는 Co, Mo, metal-alloy 등에 대해서도 적용될 수 있는 전기화학증착방법으로 차세대 배선 공정기술에 활용될 것으로 기대된다.