Optimization of surface adsorption in electric potential assisted atomic layer deposition of Ru thin film

Abstract

Downscaling of integrated circuits reduced the line width and resulted in an increase resistivity of metal line. To improve this phenomenon, research on a new material that may be applied to a metal line has been actively conducted. In addition, a uniform thin film of nm range is required for the complex 3D structure of the next generation device. Therefore, Atomic Layer Deposition (ALD), which has excellent step coverage and film uniformity, is being studied in a wide range of fields. In metal ALD, metals have high surface energy for the substrate. Therefore, nucleation delay occurs due to low nucleation density. Island growth behavior in the early stages of ALD is shown at low nucleation density on the substrate. This behavior forms low physical density film and large surface roughness of film. In addition, it is difficult to form a continuous thin film with extremely thin films. And these factors that degradation of electrical properties of films must be overcome at metal ALD. The Ru thin film was deposited through an Electrical potential Assisted ALD (EA-ALD) that applies positive voltage to the stage of ALD chamber. The voltage applied to the stage changes metal precursor impingement rate and the surface potential of the substrate by forming an electric field inside the ALD chamber. Thus, the Ru thin film deposited by EA-ALD has a higher initial nucleation density than that of conventional ALD. In addition, EA-ALD, which has excellent precursor adsorption characteristics, can improve further adsorption efficiency by optimizing the ALD process. In this study, we confirmed that EA-ALD has different ALD saturation conditions compare to conventional ALD and increases maximum amount of adsorbed precursor to the substrate. In EA-ALD, the physical density and crystal structure of the Ru thin films changes due to controlled surface reaction of ALD and improved the early nucleation density. As a result, very thin film thickness can be formed by improving the physical properties and decreasing critical thickness through optimization of EA-ALD. |집적 회로의 downscaling이 지속되면서 회로 선폭이 감소되어 왔고 metal line의 비저항 증가가 야기되었다. 이러한 현상을 개선하기 위해 metal line에 적용될 수 있는 새로운 물질에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 또한, 차세대 device의 복잡한 구조에 nm 수준의 균일한 박막이 필요하다. 따라서 step coverage와 film uniformity가 우수하고, 원자수준으로 두께의 정밀한 제어가 가능한 Atomic Layer Deposition(ALD)는 광범위한 분야에서 연구되고 있다. Metal ALD에서 금속은 기판에 대한 높은 표면에너지를 가진다. 때문에 핵 생성 밀도가 낮아 nucleation delay가 발생한다. 기판에 대한 낮은 핵 생성 밀도로 증착 초기 island growth 거동을 보인다. 이와 같은 거동은 물리적 밀도가 낮고 표면 거칠기가 큰 박막을 형성한다. 또한, 극박막에서 연속적인 박막을 형성하는데 어려움이 있다. 이는 박막의 전기적 특성을 열화 시키는 요인들로 metal ALD에서 반드시 극복되어야 할 문제이다. ALD chamber의 stage에 전압을 인가하여 반응기 내부에 전계를 형성하는 Electric potential Assisted ALD(EA-ALD)를 통해 Ru 박막을 증착하였다. Stage에 가해진 전압은 반응기 내 전기장을 형성하고 전구체 impingement rate와 기판의 표면 포텐셜을 변화시킨다. 이로 인해, EA-ALD로 증착한 Ru 박막은 conventional ALD 보다 향상된 초기 핵 생성 밀도를 가진다. 이와 같이 우수한 전구체 흡착 특성을 가진 EA-ALD도 공정 최적화 과정 (optimized EA-ALD)을 거치면 흡착 효율을 더욱 증진시킬 수 있다. 본 연구에서 EA-ALD는 conventional ALD와는 다른 saturation 조건을 가지고 있으며 기판에 최대로 흡착되는 전구체의 양 자체가 증가함을 확인하였다. EA-ALD에서 표면 반응 변화와 초기 핵 생성 밀도 향상으로 인한 박막의 물리적 밀도 증가와 결정 구조 변화를 확인하였다. 결과적으로, optimized EA-ALD에서 박막의 물리적 특성 개선 및 critical thickness 감소를 통해 매우 얇은 두께에서 전도성 있는 박막을 형성할 수 있었다.