Atomic layer deposition of Ru metal thin film using a newly synthesized precursor

Abstract

The continuous advancement of technology has led to a rapid reduction in the dimensions of electronic devices. With reducing device dimensions, interconnect via widths correspondingly reduce. It causes the resistivity of Cu to increase rapidly due to phonon scattering. This phenomenon causes performance degradation. To address this issue, research on a next generation semiconductor interconnect materials have been inevitable. Among the materials, Ru is attractive as candidate materials for next-generation interconnect, which is expected to be less affected to the resistivity size effect than copper. In addition, the complicated three-dimensional structures of the next generation are required for precise thickness control and excellent step coverage. Therefore, Atomic layer deposition (ALD) is an essential technology for designing microelectronic devices because it provides relatively superior step coverage and film uniformity compared to other deposition methods and allows precise thickness control at the atomic level through ALD cycle control. In the Ru ALD of films, the characteristics of the precursor may directly affect the quality of the film. Precursors with cyclopentadienyl (Cp) ligands, which have been extensively studied, have a long incubation cycle, which critically impacts the film properties such as density and surface roughness. Since the deterioration of the electrical properties of these films is fatal in Ru ALD, it is important to find suitable precursors. In this study, a new Ru precursor with an open-coordinated ligand, Ru(II)(η5-C7H7O)(η5-C7H9), is synthesized, and an ALD process is developed. For many noble metal ALD processes including Ru ALD, O2 has been used as a reactant to produce CO2 and H2O as combustion by-products. The catalytic surface of Ru has the characteristic to catalyze dissociative chemisorption of O2 molecules during the O2 injection time, then hydrocarbon ligands undergo a combustion reaction with O2 atoms during the Ru precursor injection time. In this case, since the new Ru precursor contains ketone group, it can alter the electronic structure of the precursor. Also, the group possesses a strong electron-withdrawing ability, which can aid in stabilizing the metal-ligand bond. The physical properties of the newly synthesized compound are confirmed, and the growth behavior of the Ru thin film is discussed, along with the physical, chemical, and electrical properties of the Ru film. Moreover, inherently substrate selectivity is observed at high temperatures.|기술의 지속적인 발전으로 인해 전자기기의 크기가 급속하게 줄어들고 있다. 장치의 크기가 작아지면 배선의 폭 역시 감소하며, 임계 두께에서 구리의 저항성이 포논 산란(Phonon Scattering)에 의해 급격히 증가하며 이 현상은 성능 저하를 초래한다. 이 문제에 대응하기 위해 차세대 반도체 배선 재료에 대한 연구가 필연적으로 진행되고 있다. 여러 재료 중에서 Ru는 Cu에 비해 저항성 크기 효과 (resistivity size effect)에 상대적으로 덜 영향을 받을 것으로 기대되어 차세대 배선 후보 재료로 각광받고 있다. 또한, 복잡한 3차원 구조에서는 정확한 두께 제어와 탁월한 단차 피복성(step coverage)가 요구된다. 원자층 증착법(ALD)은 다른 증착 방법보다 비교적 우수한 단차 피복성(step coverage)과 필름 균일성을 제공하며, ALD 사이클 제어를 통해 원자 수준에서 정밀한 두께 제어를 가능하게 해주는 핵심 기술이다. ALD에서는 필름의 품질에 직접적인 영향을 미칠 수 있는 전구체의 특성이 중요하다. Ru ALD에 광범위하게 연구된 사이클로펜타디에닐(Cp) 리간드를 가진 전구체들은 긴 인큐베이션 사이클(incubation cycle)을 가지고 있으며, 이는 밀도와 표면 거칠기와 같은 필름 특성에 치명적인 영향을 미친다. Ru ALD에서 이러한 필름의 전기적 특성의 악화는 치명적이므로 적합한 전구체를 찾는 것이 중요하다. 본 연구에서는 개방된 결합 리간드(open binding ligands)를 가진 새로운 Ru 전구체인 Ru(II)(η5-C7H7O)(η5-C7H9)와 O2 gas 를 이용한 ALD을 통해 Ru 박막을 증착하였다. Ru의 촉매 표면은 O2 주입 시간 동안 O2 분자의 해리 화학흡착을 촉진하는 특성을 가지고 있으며, 탄화수소화합물 리간드는 Ru 전구체 주입 시간 동안 O2 원자와 연소 반응을 하게된다. 이 경우, 새로운 Ru 전구체는 케톤(ketone)기를 포함하고 있기 때문에 전구체의 전자 구조를 변경할 수 있고 강한 전자 끌기(electron-withdrawing) 능력을 가지고 있어 금속-리간드 결합을 안정화하는 데 도움이 될 수 있다. 새로 합성된 화합물의 물리적 특성이 확인되었으며, Ru 박막의 성장 특성과 함께 Ru 박막의 물리적, 화학적 및 전기적 특성에 대해 확인하였다. 또한, 특장 온도에서 본질적인 기판 선택성이 관찰 되었다.