KR100604419B1 - 메탈로센 화합물을 이용한 탄소나노튜브 배선 형성 방법 - Google Patents

메탈로센 화합물을 이용한 탄소나노튜브 배선 형성 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 금속 촉매가 포함된 메탈로센 화합물을 탄소나노튜브의 성장에 필요한 탄소원으로서 공급하여 반도체 소자 기판의 콘택 홀 또는 비아 홀에 탄소나노튜브를 증착시켜서 탄소나노튜브 배선을 형성하는 방법에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 450℃ 이하의 저온에서도 비아 홀(via hole)에서 탄소나노튜브를 선택적으로 성장시킬 수 있고, 비아에서의 마이그레이션 내성을 향상시켜서 반도체 소자의 소형화에 따른 Cu 배선의 스트레스마이그레이션(stress-migration)과 일렉트로마이그레이션(electro-migration) 문제를 해결할 수 있다.

Description

메탈로센 화합물을 이용한 탄소나노튜브 배선 형성 방법{Method for forming carbon nanotube line using metallocene compound}
도 1은 탄소나노튜브를 이용한 비아 공정의 모식도이다.
도 2는 니켈-카본(흑연)의 상평형도이다.
도 3a ∼ 도 3d는 본 발명의 탄소나노튜브 배선 형성 과정을 나타내는 개략적인 단면도이다.
<도면의 주요부분의 부호에 대한 설명>
1 : 기판(하부 구리 배선 포함) 5 : 탄소나노튜브
2 : 구리 확산 방지막 6 : 확산 방지막
3 : 저유전율 절연막 7 : 구리층
4 : 비아 홀
본 발명은 메탈로센 화합물을 이용한 탄소나노튜브 배선 형성 방법에 관한 것이고, 보다 상세하게는 본 발명에서는 금속 촉매가 포함된 메탈로센 화합물을 탄소나노튜브의 성장에 필요한 탄소원으로서 공급하여 반도체 소자 기판의 콘택 홀 또는 비아(via) 홀에 탄소나노튜브를 증착시켜서 탄소나노튜브 배선을 형성하는 방법에 관한 것이다.
반도체 소자의 소형화에 따라 Cu 배선의 스트레스마이그레이션(stress-migration)과 일렉트로마이그레이션(electro-migration) 문제가 부각되었다. 특히, 콘택 홀 또는 비아 홀에서 이와 같은 문제는 더 중요해진다. 이에 대한 해결책으로 비아에 마이그레이션 내성(resistance)이 큰 탄소나노튜브가 효과적인 해결수단으로 제안되었다.
탄소나노튜브(Carbon NanoTube, CNT)는 109A/㎠ 이상의 높은 전류밀도, 다이아몬드와 같이 높은 극초열전도도(ultra-high thermal conductivity), 탄도수송(ballistic transport) 등의 전기적 특성으로 차세대 배선물질로서 제안되고 있다. 그러나 하나의 탄소나노튜브를 사용하여 LSI 배선으로 사용하기는 어렵다. 그래서 니헤이(M.Nihei) 등은 탄소나노튜브를 비아에 다발(bundle) 형태로 사용하였다(M.Nihei, Jpn. J. Appl. Phys., vol 42, 2003, pp. L721). 도 1은 탄소나노튜브 비아 공정의 모식도이다. 탄소나노튜브를 Si 기판 공정에 사용하기 위해서는 약 450℃ 이하의 저온 공정과 비아 홀(via hole)에서 탄소나노튜브의 선택적 성장이 필요하다.
그러나, C2H2, Ar 및 H2 가스를 사용하여 탄소나노튜브를 형성하는 종래의 방법은 약 500℃ 이상의 고온 공정(M. Nihei, Proceeding of the 2004 International Interconnect Technology Conference, p.251(2004))이며, Ni이나 Co 등의 촉매가 필요한 것으로 알려져 있다.
본 발명의 목적은 약 450℃ 이하의 저온에서도 콘택 홀 또는 비아 홀(via hole)에서 탄소나노튜브를 선택적으로 성장시킬 수 있고, 비아에서의 마이그레이션 내성을 향상시켜서 반도체 소자의 소형화에 따른 Cu 배선의 스트레스마이그레이션(stress-migration)과 일렉트로마이그레이션(electro-migration) 문제를 해결할 수 있는 탄소나노튜브 배선 형성방법을 제공하는 것이다.
상기 문제점들을 해결하기 위하여 본 발명에서는 탄소나노튜브를 위(z축)로 일정하게 성장시키도록 금속 촉매가 포함된 CVD 전구체를 탄소나노튜브의 성장에 필요한 탄소원으로서 공급하여 탄소나노튜브를 성장시키고 탄소나노튜브 배선을 형성하는 방법을 제공한다. 상기 금속 촉매가 포함된 CVD 전구체는 메탈로센 화합물이 바람직하다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
메탈로센 화합물이란 전이금속(M)과 하나 이상의 시클로펜타디에닐(cyclopentadienyl, Cp) 리간드가 결합한 화합물로서, 일반적으로 알려져 있는 MCp2의 구조는 Cp 리간드가 대칭적으로 금속을 감싸고 있는 샌드위치 구조를 갖고 있다. 메탈로센 화합물을 수소 가스와 함께 반응시키면 메탈로센 화합물에 포함된 금속이 촉매로 작용하여 탄소나노튜브가 증착된다.
본 발명은,
(a) 하부 금속 배선을 포함하는 기판 상에 구리 확산 방지막 및 저유전율(low-k) 절연막을 순차적으로 형성한 후 노광 및 식각 공정을 이용하여 비아 홀(via hole)을 형성하는 단계 및
(b) 상기 기판 온도를 250∼450℃로 조절하고, 수소 분위기에서 메탈로센 화합물의 환원 반응으로 탄소나노튜브를 상기 비아 홀에 증착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 배선 형성 방법을 제공한다.
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즉, 본 발명의 탄소나노튜브 배선 형성방법에서는, 도 3a에 나타낸 것처럼 종래의 방법에 의하여 하부 금속 배선을 포함하는 기판 (1) 위에 구리 확산 방지막 (2) 및 저유전율(low-k) 절연막 (3)을 순차적으로 형성한 후, 도 3b에 나타낸 것처럼 노광 및 식각 공정을 이용하여 비아 홀(via hole) (4)을 형성한다. 이어서, 수소 분위기에서 메탈로센 화합물의 환원 반응으로 탄소나노튜브 (5)를 상기 비아 홀 (4)에 증착시켜서 탄소나노튜브 배선을 형성한다.
상기 (a) 단계에서, 기판 (1)은 도면 3a에 도시되지는 않았지만 종래의 공정을 이용하여 형성된 웰(well), 아이솔레이션(isolation), 트랜지스터(transistor), 커패시터(capacitor) 및 금속 배선을 포함한다. 이어서, 종래의 노광 공정 및 식각 공정을 이용하여 비아 홀을 형성한다(도 3b 참조).
본 발명의 (b) 단계에서 사용할 수 있는 메탈로센 화합물은 탄소나노튜브의 성장에 촉매 역할을 하는 니켈(Ni)을 포함하는 니켈로센(nickellocene) 화합물인 것이 바람직하고, Ni(C5H5)2가 보다 바람직하다. 일반적으로 니켈로센 분자는 수소 의 존재하에 환원되어 Ni 막이 형성되는데 이 때의 반응식은 하기와 같다.
Ni(C5H5)2 + nH2 → Ni(s) + 2C5H5+n(g)
(상기 식에서 n은 1, 3 또는 5이다.)
그러나 상기 반응에서 온도를 약 250∼450℃의 온도에서 형성시키면 C5H5의 분해 반응으로 탄소나노튜브가 형성된다. 니켈(Ni)-흑연(C) 상평형도를 나타내는 도 2를 보면, 250℃∼450℃의 온도에서는 Ni-C 화합물이 형성되지 않아서 탄소가 유리 탄소(free carbon) 형태로 존재하는 것을 알 수 있다.
상기 (b) 단계의 탄소나노튜브의 증착은 기판 온도 250∼450℃, 전구체 버블러(bubbler) 온도 60∼90℃, 증착 압력 10∼300Torr, 아르곤 캐리어 가스의 유량 20∼300sccm, 반응 기체 H2의 유량 30∼300sccm인 조건에서 수행되는 것이 바람직하다. 예를 들면, 비아 홀의 두께가 3,000Å이라면 1∼5분 정도 증착한다. 도 3c는 비아 홀에 탄소나노튜브가 증착된 반도체 소자의 개략적인 단면도를 나타낸다. 탄소나노튜브의 증착 과정에서, 비아 홀에 증착되는 탄소나노튜브가 저유전율 절연막 위에도 증착될 경우에는 CMP 장비로 연마할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 (a) 단계 및 (b) 단계 후 (c) 단계로서 탄소나노튜브가 증착 완료된 반도체 소자의 기판 위에 제2의 저유전율 절연막을 형성하고 노광 및 식각 공정으로 비아 홀을 형성한 후에(도면에 도시하지는 않음) 확산 방지막 (6) 및 구리층 (7)을 형성하고 CMP 공정에 의하여 상층 배선 형성 지역을 형성하는 싱글 다마신(single damascene) 공정 단계를 더 포함하는 탄소나노튜브의 배선 형 성 방법을 제공한다.
상기 (c) 단계에서 제2의 절연막은 디자인룰(design rule)에 의하여 소자에서 필요한 두께로 형성할 수 있다. 또한 상기 확산 방지막 (6)으로서 종래에 공지된 약 50∼300Å의 탄탈(Ta)막을 형성할 수 있고, 구리층 (7) 형성은 시드층(seed layer)의 스퍼터링 방법에 의한 전기 도금 방법으로 0.5㎛ 정도의 두께로 수행된다. 상기 구리층의 형성 후 어닐(anneal) 및 Cu CMP 공정을 거쳐서 상부 배선을 형성한다. 상부 배선 형성이 완료된 상태의 반도체 소자의 개략적인 단면도(제2의 저유전율 절연막 도시는 생략함)를 도 3d에 나타낸다.
또한, 본 발명에서는 상기 싱글 다마신에 의한 상층 배선 형성 공정 대신에 듀얼 다마신에 의한 상층 배선 형성 공정을 적용할 수 있다. 즉, 본 발명은 상기 (a) 단계 및 (b) 단계 후 (c') 단계로서 상기 (b) 단계의 기판 위에 제 2의 저유전율 절연막을 형성하고 노광 및 식각 공정으로 비아 홀 및 트렌치를 형성한 후에 확산 방지막 및 구리층을 형성하고 CMP 공정에 의하여 비아 및 상층 배선 형성 지역을 형성하는 듀얼 다마신(dual damascene) 공정 단계를 더 포함하는 탄소나노튜브의 배선 형성 방법을 제공한다.
본 발명에 의하면 메탈로센 화합물을 이용하여 비아에 탄소나노튜브를 증착시킴으로써, 약 450℃ 이하의 저온에서도 콘택 홀 또는 비아 홀(via hole)에서 탄소나노튜브를 선택적으로 성장시킬 수 있고, 비아에서의 마이그레이션 내성을 향상시켜서 반도체 소자의 소형화에 따른 Cu 배선의 스트레스마이그레이션(stress-migration) 과 일렉트로마이그레이션(electro-migration) 문제를 해결할 수 있다.

Claims (6)

  1. (a) 하부 금속 배선을 포함하는 기판 상에 구리 확산 방지막 및 저유전율(low-k) 절연막을 순차적으로 형성한 후 노광 및 식각 공정을 이용하여 비아 홀(via hole)을 형성하는 단계 및
    (b) 상기 기판 온도를 250∼450℃로 조절하고, 수소 분위기에서 메탈로센 화합물의 환원 반응으로 탄소나노튜브를 상기 비아 홀에 증착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 배선 형성 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 (b) 단계의 메탈로센 화합물은 니켈로센 화합물인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 배선 형성 방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 니켈로센 화합물은 Ni(C2H5)2인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 배선 형성 방법.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 (b) 단계의 탄소나노튜브의 증착은 전구체 버블러 온도 60∼90℃, 증착 압력 10∼300Torr, 아르곤 캐리어 가스의 유량 20∼300sccm, 반응 기체 H2의 유량 30∼300sccm인 조건에서 수행되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 배선 형성 방법.
  5. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    (c) 상기 (b) 단계의 기판 위에 제2의 저유전율 절연막을 형성하고 노광 및 식각 공정으로 비아 홀을 형성한 후에 확산 방지막 및 구리층을 형성하고 CMP 공정에 의하여 상층 배선 형성 지역을 형성하는 싱글 다마신(single damascene) 공정 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 배선 형성 방법.
  6. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    (c') 상기 (b) 단계의 기판 위에 제 2의 저유전율 절연막을 형성하고 노광 및 식각 공정으로 비아 홀 및 트렌치를 형성한 후에 확산 방지막 및 구리층을 형성하고 CMP 공정에 의하여 비아 및 상층 배선 형성 지역을 형성하는 듀얼 다마신(dual damascene) 공정 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 배선 형성 방법.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100718112B1 (ko) 2005-11-02 2007-05-14 삼성에스디아이 주식회사 탄소나노튜브를 이용한 수직 배선구조 및 그 제조방법
KR100791347B1 (ko) * 2006-10-26 2008-01-03 삼성전자주식회사 반도체 집적 회로 장치의 제조 방법과 그에 의해 제조된반도체 집적 회로 장치

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100791948B1 (ko) 2006-09-27 2008-01-04 삼성전자주식회사 탄소나노튜브 배선 형성방법 및 이를 이용한 반도체 소자의배선 형성방법
KR100809602B1 (ko) * 2007-01-05 2008-03-06 포항공과대학교 산학협력단 탄소 나노튜브를 이용한 절연층의 식각 방법 및 이를이용하여 제조된 나노 구조물
WO2009093770A1 (en) * 2008-01-25 2009-07-30 Postech Academy-Industry Foundation Method for etching of insulating layers using carbon nanotubes and formation of nanostructures thereafter

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20040008653A (ko) * 2002-07-19 2004-01-31 주식회사 하이닉스반도체 탄소나노튜브를 이용한 반도체 소자의 실리사이드 형성방법
KR20040094065A (ko) * 2003-05-01 2004-11-09 삼성전자주식회사 탄소나노튜브를 이용한 반도체 소자의 배선 형성 방법 및이 방법에 의해 제조된 반도체 소자

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20040008653A (ko) * 2002-07-19 2004-01-31 주식회사 하이닉스반도체 탄소나노튜브를 이용한 반도체 소자의 실리사이드 형성방법
KR20040094065A (ko) * 2003-05-01 2004-11-09 삼성전자주식회사 탄소나노튜브를 이용한 반도체 소자의 배선 형성 방법 및이 방법에 의해 제조된 반도체 소자

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
1020040008653
1020040094065

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100718112B1 (ko) 2005-11-02 2007-05-14 삼성에스디아이 주식회사 탄소나노튜브를 이용한 수직 배선구조 및 그 제조방법
KR100791347B1 (ko) * 2006-10-26 2008-01-03 삼성전자주식회사 반도체 집적 회로 장치의 제조 방법과 그에 의해 제조된반도체 집적 회로 장치

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