반도체 공정에서 코발트 전구체의 응용

코발트는 반도체 공정에서 중요한 역할을 합니다

01 고성능 금속 인터커넥트 소재

반도체 기술이 10nm 프로세스 노드로 발전함에 따라 구리 상호 연결 기술은 고급 집적 회로의 스케일링 요구 사항을 충족하기에는 부족해졌습니다. 우수한 전기 전도도와 더 강한 전자 이동 저항으로 인해 코발트는 고주파 장치 및 초대형 칩에서 특히 중요한 이점을 지닌 매우 유망한 대안으로 부상했습니다.

높은 종횡비의 비아(예: 40:1)를 충전할 때 코발트는 구리 전기도금에서 일반적으로 관찰되는 '공극 결함' 문제를 효과적으로 방지합니다. 또한, 코발트 필름은 구리 인터커넥트의 확산 방지층 및 접착층 역할을 직접적으로 수행 할 수 있어 기존 Ta/TaN 층의 두께를 줄일 뿐만 아니라 구리 라인의 부피를 늘려 저항을 낮춥니다.

TSMC의 7nm 공정을 예로 들면, 코발트를 적용하면 소스/드레인 영역에 직경 20nm 이하의 접촉 구멍을 식각한 후 ALD를 통해 코발트를 채워 약 5nm 두께의 CoSi2 접촉층을 형성합니다. 이어서, 구리 또는 코발트 인터커넥트 라인이 이 접촉층에 증착되며, 여기서 코발트는 구리에 대한 확산 장벽 역할도 합니다.

현재 어플라이드 머티어리얼즈는 코발트 증착 전용 장비를 개발해 이미 로직 칩 제조를 중심으로 대량생산에 활용하고 있다.

02 전자이주 저항

일렉트로마이그레이션은 반도체 금속 재료의 고장 모드입니다. 금속선에 전류가 흐르면 전기장의 영향으로 금속 원자가 이동하여 선이 손상됩니다.

코발트는 일렉트로마이그레이션에 상대적으로 강한 저항성을 나타냅니다. 따라서 고전력 및 고전류 밀도 조건에서 더 긴 서비스 수명을 유지하고 칩 고장을 줄일 수 있습니다.

03 코발트 도핑을 위한 소스/드레인 재료
특정 반도체 공정에서 코발트는 특히 고급 CMOS(상보형 금속 산화물 반도체) 기술에서 소스/드레인 재료의 도펀트로 사용되기도 합니다. 코발트 도핑은 소스/드레인 영역의 전기적 특성을 변조하여 트랜지스터 스위칭 성능과 구동 성능을 향상시킬 수 있습니다.

04 코발트계 합금용 시드층

금속화 공정의 특정 단계에서 코발트 기반 합금은 후속 금속 증착을 촉진하기 위한 시드층 재료로 사용되며, 이는 금속층의 품질과 균일성을 향상시키는 데 도움이 됩니다.

코발트 전구체의 분류 및 특성

코발트 전구체는 열안정성, 휘발성, 반응성에 큰 차이가 있어 고체형과 액체형으로 분류할 수 있습니다.

01 고체 전구체

1.1 비스(사이클로펜타디에닐)코발트(CoCp₂)

CoCp₂는 가장 초기이자 가장 널리 연구된 코발트 전구체 중 하나입니다. 단순한 분자 구조로 인해 ALD 공정에서 우수한 자기 제어 반응 특성을 나타냅니다. 그러나 CoCp₂는 열 안정성이 상대적으로 높으며 안정적인 필름 성장을 위해서는 일반적으로 250°C 이상의 온도가 필요합니다.

예를 들어, 참고문헌 [1]에서는 PE-ALD(플라즈마 강화 ALD)를 통해 CoCp² 및 NH₃ 플라즈마를 사용하여 코발트 박막을 제조하는 방법을 보고합니다. 실험 결과에 따르면 CoCp₂는 상대적으로 낮은 막 저항률(10μΩ·cm)로 300°C에서 최적의 성장 속도(0.048nm/주기)를 달성하는 것으로 나타났습니다. 그러나 높은 온도 요구 사항으로 인해 저온 응용 분야에서의 잠재력이 제한됩니다.

1.2 비스(메틸사이클로펜타디에닐)코발트 [Co(MeCp)₂]

Co(MeCp)2는 CoCp2의 유도체로, 시클로펜타디에닐 고리에 메틸기가 도입되어 전구체의 열분해 온도가 낮아집니다.

참고 문헌 [2]에서는 PE-ALD를 통해 Co(MeCp)₂ 및 NH₃ 플라즈마를 사용하여 코발트 박막을 제조한다고 보고합니다. 결과는 Co(MeCp)₂가 200°C~350°C의 온도 범위에서 0.04~0.06nm/사이클의 성장 속도와 31μΩ·cm의 필름 저항률로 안정적인 ALD 창을 나타냄을 보여줍니다.

CoCp₂에 비해 Co(MeCp)₂는 낮은 온도에서 반응성이 좋아 저온 ALD 공정에 더 적합합니다.

02 액체 전구체

2.1 TMSCPCo(CO)₂

TMSCPCo(CO)₂는 사이클로펜타디에닐(Cp) 리간드를 기반으로 한 코발트 전구체입니다. 참고문헌 [3]은 열 ALD를 통해 TMSCPCo(CO)₂ 및 ​​tert-부틸아민(tBuNH₂)을 사용하여 코발트 박막을 제조하는 방법을 보고합니다.

결과는 TMSCPCo(CO)2가 275°C ~ 325°C의 온도 범위에서 0.045 nm/주기(R = H) 및 0.03 nm/주기(R = TMS)의 성장 속도로 안정적인 ALD 창을 나타냄을 보여줍니다.

2.2 CpCo(CO)₂

CpCo(CO)₂는 휘발성이 높고 열분해 온도가 낮은 액체 코발트 전구체입니다. 참고문헌 [4]에서는 ALD를 통해 CpCo(CO)2와 O₃를 사용하여 산화코발트 박막을 제조한다고 보고하고 있습니다.

결과는 CpCo(CO)₂가 50°C~150°C의 온도 범위에서 0.08~0.11 nm/주기의 성장률로 안정적인 ALD 창을 나타냄을 보여줍니다.

2.3 CCTBA

CCTBA [(3,3-디메틸-1-부틴) 디코발트 헥사카르보닐]은 휘발성이 높고 열분해 온도가 낮은 액체 코발트 전구체입니다. 참고문헌 [5]는 열 ALD를 통해 CCTBA와 H를 사용하여 코발트 박막을 제조하는 방법을 보고합니다.

결과는 CCTBA가 100°C에서 0.051 nm/주기의 성장 속도로 자체 제한 반응 거동을 나타냄을 보여줍니다.

03 액체 공동 소스 증착의 장점

3.1 저온 증착: 고체 Co 소스와 비교하여 액체 Co 소스는 자체 제한 반응 특성을 나타내므로 저온 ALD 증착에 적합하고 열 예산을 줄입니다.

3.2 뛰어난 필름 균일성 및 스텝 적용 범위: ALD 기술과 결합하면 액체 Co 소스는 필름 두께 제어에서 나노미터 규모의 정밀도를 구현하여 필름 균일성과 일관성을 보장합니다. 또한 높은 종횡비 구조에 균일한 필름 증착이 가능하여 복잡한 형상에서도 무결성과 신뢰성을 보장합니다.

3.3 우수한 전기화학적 성능:

• 낮은 저항률: 액체 Co 소스에서 증착된 코발트 필름은 10.6μΩ·cm만큼 낮은 저항률을 나타내며 이는 벌크 코발트(6.24μΩ·cm)에 근접합니다.

• 우수한 결정성: 열 어닐링은 코발트 필름의 결정성을 크게 향상시킵니다.

• 우수한 화학적 안정성: 산화코발트 필름은 반응 조건에서 우수한 화학적 안정성을 나타내므로 고성능 마이크로 전자 장치에 적합합니다.

결론

ALD에 코발트 전구체를 적용하는 것은 고품질 코발트 박막을 제조하는 중요한 경로를 제공합니다. 적합한 전구체를 선택하고 ALD 공정 매개변수를 최적화함으로써 다양한 응용 시나리오에 맞는 고품질 코발트 필름을 생산할 수 있습니다.

앞으로 새로운 액체 전구체의 개발과 ALD 공정의 추가 최적화를 통해 마이크로 전자공학 및 자기 저장 장치 에서 코발트 필름의 적용 전망이 더욱 넓어질 것입니다.

디코발트옥타카르보닐, 시클로펜타디에닐코발트디카르보닐, (3,3-디메틸-1-부틴)디코발트 헥사카르보닐 등 전구체를 안정적으로 공급할 수 있으며, . 맞춤형 제품도 가능합니다. 관련 제품 요구 사항이 있는 경우 언제든지 문의해 주세요!

참고자료

[1] Lee, HB, 외. 전기화학. 솔리드 스테이트 Lett. 9 (2006): G323-G325. DOI: 10.1149/1.2338777

[2] 박제이, 외. J.에너지화학. 22 (2013): 403-407. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2014.05.005

[3] Xuan Zhong 외. 재료 편지. (2022): 311. DOI: 10.1016/j.matlet.2021.131605

[4] 한, B., 외. J. Vac. 과학. 기술. A31(2013):01A145. DOI: http://dx.doi.org/10.1116/1.4772461

[5] 야마구치, J., 외. ECS J. 솔리드 스테이트 과학. 기술. 12(2023): 114003. DOI: 10.1149/2162-8777/ad07ee