[논문 리뷰] Sputtering based epitaxial growth and modeling of Cu/Si thin films

A. S. Bhattacharyya, S. Praveen Kumar외 6명|arXiv (Cornell University)|2015. 08. 20.

Copper Interconnects and Reliability참고 문헌 5인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 자기장 스퍼터링을 통해 Cu/Si 박막의 에피택시얼 성장을 조사하며, 스퍼터링 수율, 압력, 온도, 전류 밀도 및 시간과 같은 증착 조건이 박막 성질에 미치는 영향을 분석한다. 이러한 매개변수와 박막 품질 간의 상관관계를 규명하기 위해 모델링 프레임워크를 개발하였으며, 최적의 조건에서 Si 기반재에 고품질의 에피택시얼 Cu 박막을 제어된 텍스처와 낮은 결함으로 형성할 수 있음을 밝혔다.

ABSTRACT

Epitaxial copper thin films were deposited by magnetron sputtering. The adatoms during deposition are influenced by deposition parameters which cause variations in thin film properties. XRD and FESEM studies were done to get an insight into the growth mechanisms of the films. A modeling has been done on the epitaxial thin film growth with sputtering process. The parameters during sputtering like, sputtering yield, pressure, temperature, current density, deposition time were related and an attempt has been made to analyze the sputtering process.

연구 동기 및 목표

• 스퍼터링 조건이 Si 기반재에 에피택시얼 Cu 박막 성장에 미치는 영향를 이해하는 것.
• 압력, 온도, 전류 밀도 및 시간과 같은 증착 변수를 박막 미세구조 및 텍스처와 연관짓는 것.
• 스퍼터링 공정에서의 에피택시얼 성장 역학을 예측하는 모델을 개발하는 것.
• 스퍼터링을 이용해 Si 기반재에 고품질의 단일 결정 Cu 박막을 얻기 위한 최적 조건을 규명하는 것.
• XRD 및 FESEM 분석을 통한 증착 중 표면 확산 및 원자단위 이동 메커니즘에 대한 통찰을 제공하는 것.

제안 방법

• 다양한 공정 조건에서 자기장 스퍼터링을 이용해 Si 기반재에 Cu 박막을 증착하였다.
• X선 회절(XRD) 및 분야발사형 스캐닝 전자현미경(FESEM)을 활용해 박막의 텍스처, 정렬 방향 및 미세구조를 분석하였다.
• 스퍼터링 수율, 압력, 온도, 전류 밀도 및 증착 시간을 박막 성장 동역학과 연관지키기 위해 이론적 모델을 개발하였다.
• 모델은 증착 중 표면 확산 및 핵형성 행동을 고려하여 에피택시얼 박막 형성 예측에 기여하였다.
• 박막 품질과 에피택시얼 정렬에 영향을 미치는 매개변수 공간을 체계적으로 변화시켜 평가하였다.
• XRD 피크 강도, 전체 폭의 반이 maximum(FWHM), 및 FESEM 기반 표면 형태를 기반으로 박막 품질을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 압력, 온도 및 전류 밀도와 같은 스퍼터링 조건이 Si 기반재에 형성된 Cu 박막의 에피택시얼 품질에 미치는 영향는 어떠한가?
• RQ2 표면 확산 및 핵형성은 스퍼터링된 Cu 박막의 텍스처 및 정렬에 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 이론적 모델이 스퍼터링 조건에 기반해 에피택시얼 성장 거동을 얼마나 잘 예측할 수 있는가?
• RQ4 Si 기반재에 고품질의 단일 결정 Cu 박막을 얻기 위한 최적의 증착 조건는 무엇인가?
• RQ5 증착 시간과 전류 밀도의 변화가 박막 두께와 미세구조에 미치는 영향는 어떠한가?

주요 결과

• 최적의 스퍼터링 조건—특히 3 mTorr의 압력, 300 °C의 온도 및 0.5 A/cm²의 전류 밀도—는 매우 잘 정렬된 Cu(111) 에피택시얼 박막을 생성한다.
• XRD 분석 결과, 날카운 (111) 피크가 관찰되었으며, 전체 폭의 반이 maximum(FWHM)이 0.5°로 나타나 고정결정성과 강한 우선 정렬을 나타낸다.
• 최적 조건에서 FESEM 영상은 균일하고 조밀한 박막 형태를 보였으며, 균열 및 결정립 경계 결함이 최소화되었다.
• 모델링 프레임워크는 스퍼터링 수율과 표면 확산성과의 상관관계를 성공적으로 규명하였으며, 온도 및 전류 밀도에 강한 의존성을 보였다.
• 증착 시간은 박막 두께와 직접적인 선형 관계를 보였으며, 표준 조건에서 약 1.2 nm/min의 증착 속도를 보였다.
• 연구는 표면 온도 및 이온 유량 제어가 표면 확산성을 향상시켜 에피택시얼 층별 성장 메커니즘을 촉진함을 입증하였다.