Sputter 공정을 이용한 차세대 배선소재용 Mn+1AXn phase 박막 연구

Abstract

1990년대 이후부터 지금까지 Cu는 배선 소재로 널리 응용되어왔다. 그러나 반도체 소자의 고집적화 및 고성능화에 따라 구리 배선의 폭은 감소하고 금속배선에 가해지는 전류밀도는 증가하면서 소재에 가해지는 전기적, 기계적 응력이 급속도로 커지게 되었다. 이에 따라 고 전류밀도 하에서 Cu 원자의 이동에 의해 생기는 electromigration(EM), 공정 시 금속배선에 유발되는 stress로 인해 생기는 stressmigration(SM) 그리고 배선과 유전체 사이의 barrier를 뚫고 Cu 원자가 확산하는 신뢰성 문제가 발생하고 있다. 또한 배선의 폭 감소에 따라 비저항이 급격하게 증가하는 비저항 크기 효과 (resistivity size effect)문제도 발생하고 있다. 이에 따라 Cu 전극을 대체할 수 있는 새로운 물질의 개발이 필수적인 상황이다. 차세대 배선 전극용 소재로는 size effect에 둔감하고 신뢰성이 우수한 물질이 요구된다. 그리고 비저항 증가의 주요 원인인 grain boundary scattering 현상을 고려하여 mean free path(MFP)가 짧고 bulk resistivity가 낮은 물질을 선정해야 한다. 본 연구는 이러한 조건을 만족하는 MAX phase 물질 중 V2AlC를 하나의 모델 시스템으로 사용하여 sputter로 박막 공정을 개발하고 두께에 따른 비저항 size effect를 확인하고자 하였다. V2AlC 박막의 높은 결정성을 위해 900도 이상의 고온에서 in-situ로 결정화 하였고, 그 결과 20 arcsec 수준의 FWHM을 갖는 우수한 epitaxy V2AlC 박막을 구현할 수 있었다. 이후 V2AlC 박막 두께 감소에 의한 비저항 변화 특성을 확인하기 위해 ~4nm 부근까지 박막의 두께를 줄여가며 비저항 변화 추이를 확인하였다. 그 결과 MAX phase V2AlC 박막의 경우 두께 감소에 따른 비저항 증가율이 10nm 이하 두께의 박막에서도 40nm 대비 약 1.2배 밖에 증가하지 않는 특성을 보였다. 이는 TiN이나 Cu 대비 현저하게 낮은 값으로 실험적으로 처음 확인한 결과이기 때문에 큰 의의가 있다.