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KR102434699B1 - 확산방지층을 포함하는 다층구조체 및 이를 구비하는 소자 - Google Patents

확산방지층을 포함하는 다층구조체 및 이를 구비하는 소자 Download PDF

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KR102434699B1
KR102434699B1 KR1020150108864A KR20150108864A KR102434699B1 KR 102434699 B1 KR102434699 B1 KR 102434699B1 KR 1020150108864 A KR1020150108864 A KR 1020150108864A KR 20150108864 A KR20150108864 A KR 20150108864A KR 102434699 B1 KR102434699 B1 KR 102434699B1
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신현진
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Abstract

확산방지층, 확산방지층을 포함하는 다층구조체 및 이를 구비하는 소자에 관해 개시되어 있다. 개시된 다층구조체는 제1 물질층과 제2 물질층 사이에 이차원 물질(2D material)을 포함하는 확산방지층을 구비할 수 있다. 상기 이차원 물질은 비그래핀 계열(non-graphene-based)의 물질일 수 있다. 예컨대, 상기 이차원 물질은 이차원 결정구조를 갖는 금속 칼코게나이드계(metal chalcogenide-based) 물질일 수 있다. 상기 제1 물질층은 반도체 또는 절연체일 수 있고, 상기 제2 물질층은 도전체일 수 있다. 상기 다층구조체의 적어도 일부는 전자소자용 연결배선(interconnection)을 구성할 수 있다.

Description

확산방지층을 포함하는 다층구조체 및 이를 구비하는 소자{Multilayer structure including diffusion barrier layer and device including the same}
개시된 실시예들은 확산방지층, 확산방지층을 포함하는 다층구조체 및 이를 구비하는 소자에 관한 것이다.
전자소자 및 반도체소자는 대부분이 반도체와 절연체 및 도전체를 조합하고 연결함으로써 제조될 수 있다. 예컨대, 반도체기판에 복수의 단위 소자를 형성한 후, 그 위에 절연층(층간절연층) 및 전극배선을 반복해서 적층함으로써 다양한 집적 회로(integrated circuit)를 제조할 수 있다.
그런데, 소자를 제조하는 과정이나 동작시키는 과정에서, 구성 층들의 온도가 증가할 수 있고, 전압/전류의 인가에 의해 전기적 스트레스(stress)가 발생할 수 있다. 이로 인해, 인접한 구성 층들 사이에 물질(원자)의 확산(diffusion)이 발생하여 소자의 특성이 열화되고 신뢰성 및 내구성이 떨어질 수 있다. 소자의 집적도(degree of integration)가 높아짐에 따라, 구성 층들간 물질의 확산으로 인한 문제점들을 해결하기가 더 어려워질 수 있다.
우수한 특성을 갖는 확산방지층(diffusion barrier layer) 및 이를 포함하는 다층구조체(multilayer structure)를 제공한다.
이차원 물질(two-dimensional material)(2D material)을 포함하는 확산방지층 및 이를 포함하는 다층구조체를 제공한다.
매우 얇은 두께로 형성될 수 있어 고집적 소자에 적합한 확산방지층 및 이를 포함하는 다층구조체를 제공한다.
상기 확산방지층(또는, 상기 다층구조체)을 포함하는 소자를 제공한다.
상기 확산방지층의 형성방법 및 상기 소자의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 측면(aspect)에 따르면, 제1 물질층; 상기 제1 물질층과 이격된 제2 물질층; 및 상기 제1 및 제2 물질층 사이에 구비된 것으로, 그래핀과 다른 이차원 물질(two-dimensional material)(2D material)을 포함하는 확산방지층;을 구비하는 다층구조체가 제공된다.
상기 이차원 물질은 이차원적 결정구조를 갖는 금속 칼코게나이드계(metal chalcogenide-based) 물질을 포함할 수 있다.
상기 금속 칼코게나이드계 물질은 Mo, W, Nb, V, Ta, Ti, Zr, Hf, Tc, Re, Ru, Co, Pd, Pt, Cu, Ga, In, Sn, Ge, Pb 중 적어도 하나의 금속 원소와 S, Se, Te, O 중 적어도 하나의 칼코겐(chalcogen) 원소를 포함할 수 있다.
상기 이차원 물질은 TMDC(transition metal dichalcogenide) 물질을 포함할 수 있다.
상기 이차원 물질은 삼각 프리즘형 결정구조(trigonal prismatic crystal structure) 또는 팔면체 결정구조(octahedral crystal structure)를 가질 수 있다.
상기 확산방지층은 약 10 nm 이하의 두께를 가질 수 있다.
상기 확산방지층은 약 5 nm 이하의 두께를 가질 수 있다.
상기 확산방지층은 약 3 nm 이하의 두께를 가질 수 있다.
상기 확산방지층은 약 10-2 Ω·cm 이하의 비저항(resistivity)을 가질 수 있다. 예컨대, 상기 확산방지층은 10-4 ∼ 10-2 Ω·cm 정도의 비저항(resistivity)을 가질 수 있다.
상기 확산방지층은 도펀트(dopant)로 도핑된 층일 수 있다.
상기 제1 물질층은 절연체일 수 있고, 상기 제2 물질층은 도전체일 수 있다.
상기 제1 물질층은 반도체일 수 있고, 상기 제2 물질층은 도전체일 수 있다.
실시예에 따르면, 하부구조물 상에 개구부를 갖는 절연물질층이 구비될 수 있고, 상기 확산방지층은 상기 개구부의 상기 절연물질층을 덮도록 구비될 수 있으며, 상기 개구부 내부의 상기 확산방지층 상에 도전체가 구비될 수 있다. 이 경우, 상기 하부구조물 및 절연물질층 중 어느 하나의 적어도 일부가 상기 제1 물질층에 대응될 수 있고, 상기 도전체의 적어도 일부는 상기 제2 물질층에 대응될 수 있다.
상기 제1 및 제2 물질층 중 하나와 상기 확산방지층 사이에 접착층(adhesion layer)이 더 구비될 수 있다.
상기 접착층은 Mo, W, Nb, V, Ta, Ti, Zr, Hf, Tc, Re, Ru, Co, Pd, Pt, Cu, Ga, In, Sn, Ge 및 Pb 중 적어도 하나의 금속을 포함할 수 있다.
상기 접착층은 상기 확산방지층에 포함된 금속 원소와 동일한 금속 원소를 포함할 수 있다.
상기 확산방지층은 서로 다른 종류의 복수의 이차원 물질층을 포함할 수 있다.
상기 다층구조체의 적어도 일부는 전자소자용 연결배선(interconnection)을 구성할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 전술한 확산방지층을 포함하는 다층구조체를 구비하는 소자가 제공된다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 하부구조물 상에 구비된 것으로, 개구부를 갖는 절연물질층; 상기 개구부의 상기 절연물질층을 덮도록 구비된 것으로, 그래핀과 다른 이차원 물질(2D material)을 포함하는 확산방지층; 및 상기 개구부 내부의 상기 확산방지층 상에 구비된 도전체;를 포함하는 전자소자가 제공된다.
상기 이차원 물질은 이차원적 결정구조를 갖는 금속 칼코게나이드계(metal chalcogenide-based) 물질을 포함할 수 있다.
상기 금속 칼코게나이드계 물질은 Mo, W, Nb, V, Ta, Ti, Zr, Hf, Tc, Re, Ru, Co, Pd, Pt, Cu, Ga, In, Sn, Ge, Pb 중 적어도 하나의 금속 원소와 S, Se, Te, O 중 적어도 하나의 칼코겐(chalcogen) 원소를 포함할 수 있다.
상기 이차원 물질은 TMDC(transition metal dichalcogenide) 물질을 포함할 수 있다.
상기 이차원 물질은 삼각 프리즘형 결정구조(trigonal prismatic crystal structure) 또는 팔면체 결정구조(octahedral crystal structure)를 가질 수 있다.
상기 확산방지층은 약 10 nm 이하의 두께를 가질 수 있다.
상기 확산방지층은 약 5 nm 이하의 두께를 가질 수 있다.
상기 확산방지층은 약 3 nm 이하의 두께를 가질 수 있다.
상기 확산방지층은 약 10-2 Ω·cm 이하의 비저항을 가질 수 있다. 예컨대, 상기 확산방지층은 10-4 ∼ 10-2 Ω·cm 정도의 비저항을 가질 수 있다.
상기 확산방지층은 도펀트(dopant)로 도핑된 층일 수 있다.
상기 하부구조물은 반도체영역을 포함할 수 있고, 상기 확산방지층은 상기 반도체영역과 상기 도전체 사이의 물질 확산을 억제/방지하는 역할을 할 수 있다.
상기 확산방지층은 상기 절연물질층과 상기 도전체 사이의 물질 확산을 억제/방지하는 역할을 할 수 있다.
상기 확산방지층과 상기 도전체 사이에 구비된 접착층(adhesion layer)을 더 포함할 수 있다.
상기 접착층은 Mo, W, Nb, V, Ta, Ti, Zr, Hf, Tc, Re, Ru, Co, Pd, Pt, Cu, Ga, In, Sn, Ge 및 Pb 중 적어도 하나의 금속을 포함할 수 있다.
상기 접착층은 상기 확산방지층에 포함된 금속 원소와 동일한 금속 원소를 포함할 수 있다.
상기 확산방지층은 서로 다른 종류의 복수의 이차원 물질층을 포함할 수 있다.
상기 전자소자는 기판부(substrate portion); 상기 기판부 상에 구비된 액티브 소자부(active device portion); 및 상기 액티브 소자부 상에 구비된 연결배선부(interconnect portion);를 포함할 수 있다.
우수한 특성을 갖는 확산방지층 및 이를 포함하는 다층구조체를 구현할 수 있다. 이차원 물질을 구비하는 확산방지층 및 이를 포함하는 다층구조체를 구현할 수 있다. 매우 얇은 두께로 형성될 수 있는 확산방지층 및 이를 포함하는 다층구조체를 구현할 수 있다. 상기 확산방지층(또는, 상기 다층구조체)을 적용하여 우수한 성능 및 신뢰성을 갖는 소자(전자소자)를 구현할 수 있다. 상기 확산방지층(또는, 상기 다층구조체)을 이용하면, 고집적 소자의 구현에 유리할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 확산방지층을 포함하는 다층구조체를 보여주는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 확산방지층을 포함하는 다층구조체를 보여주는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 확산방지층을 포함하는 다층구조체를 보여주는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 확산방지층이 가질 수 있는 삼각 프리즘형 결정구조(trigonal prismatic crystal structure)를 보여주는 도면이다.
도 5는 도 4의 삼각 프리즘형 결정구조가 이차원적으로 연속 배열된 확산방지층의 측면도(side view)이다.
도 6은 도 4의 삼각 프리즘형 결정구조가 이차원적으로 연속 배열된 확산방지층의 상측 평면도(top view)이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 확산방지층이 가질 수 있는 팔면체 결정구조(octahedral crystal structure)를 보여주는 도면이다.
도 8은 도 7의 팔면체 결정구조가 이차원적으로 연속 배열된 확산방지층의 측면도(side view)이다.
도 9는 도 7의 팔면체 결정구조가 이차원적으로 연속 배열된 확산방지층의 상측 평면도(top view)이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 확산방지층이 가질 수 있는 이차원적 원자 배열 구조를 예시적으로 보여주는 상측 평면도(top view)이다.
도 11은 도 10의 확산방지층의 측면도(side view)이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 확산방지층을 통해서 금속 원자(Cu 원자)가 이동하는 경우를 예시적으로 보여주는 모식도이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 확산방지층에 적용할 수 있는 MoS2층을 기판 상에 형성한 경우를 보여주는 TEM(transmission electron microscope) 사진이다.
도 14는 본 발명의 예시적인 일 실시예에 따른 확산방지층을 포함하는 다층구조체를 보여주는 단면도이다.
도 15는 도 14의 확산방지층의 확산 방지 효과를 보여주는 실험 데이터이다.
도 16은 본 발명의 예시적인 다른 실시예에 따른 확산방지층을 포함하는 다층구조체를 보여주는 단면도이다.
도 17은 도 16의 확산방지층의 확산 방지 효과를 보여주는 실험 데이터이다.
도 18은 본 발명의 다른 실시예에 따른 확산방지층을 포함하는 다층구조체를 보여주는 단면도이다.
도 19는 본 발명의 다른 실시예에 따른 확산방지층을 포함하는 다층구조체를 보여주는 단면도이다.
도 20은 본 발명의 다른 실시예에 따른 확산방지층을 보여주는 단면도이다.
도 21은 본 발명의 다른 실시예에 따른 확산방지층을 포함하는 다층구조체를 보여주는 단면도이다.
도 22는 본 발명의 다른 실시예에 따른 확산방지층을 포함하는 다층구조체를 보여주는 단면도이다.
도 23은 본 발명의 실시예에 따른 것으로, 확산방지층을 포함하는 전자소자(반도체소자)의 일부를 보여주는 단면도이다.
도 24는 본 발명의 다른 실시예에 따른 것으로, 확산방지층을 포함하는 전자소자(반도체소자)의 일부를 보여주는 단면도이다.
도 25는 본 발명의 실시예에 따른 확산방지층을 적용할 수 있는 전자소자(반도체소자)의 구성을 보여주는 단면도이다.
도 26은 본 발명의 실시예에 따른 확산방지층을 포함하는 전자소자(반도체소자)를 예시적으로 보여주는 단면도이다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 확산방지층, 확산방지층을 포함하는 다층구조체 및 이를 구비하는 소자를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부된 도면에 도시된 층이나 영역들의 폭 및 두께는 명세서의 명확성 및 설명의 편의성을 위해 다소 과장되어 있을 수 있다. 상세한 설명 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 확산방지층(B10)을 포함하는 다층구조체(M100)를 보여주는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 다층구조체(M100)는 제1 물질층(L10), 이와 이격된 제2 물질층(L20) 및 이들 사이에 구비된 확산방지층(B10)을 포함할 수 있다. 제1 물질층(L10)과 제2 물질층(L20)은 서로 다른 물질로 구성될 수 있다. 확산방지층(B10)은 제1 물질층(L10)과 제2 물질층(L20) 사이의 물질(원자)의 이동(확산)을 억제 또는 방지하는 역할을 할 수 있다. 확산방지층(B10)은 이차원 물질(two-dimensional material)(2D material)을 포함할 수 있다. 확산방지층(B10)에 포함된 이차원 물질은 그래핀(graphene)이 아닌 다른 이차원 물질일 수 있다. 다시 말해, 확산방지층(B10)에 포함된 이차원 물질은 비그래핀 계열(non-graphene-based)의 물질일 수 있다. 예컨대, 상기 이차원 물질은 이차원적 결정구조를 갖는 금속 칼코게나이드계(metal chalcogenide-based) 물질일 수 있다. 확산방지층(B10)이 상기 이차원 물질을 포함하는 것과 관련해서, 우수한 확산 방지 특성을 가질 수 있고, 매우 얇은 두께로 형성될 수 있는 등 다양한 장점을 가질 수 있다. 확산방지층(B10)의 구체적인 구성 및 그에 따른 효과/장점에 대해서는 추후에 보다 상세히 설명한다.
도 1의 제1 및 제2 물질층(L10, L20) 중 하나는 도전체일 수 있고, 다른 하나는 반도체일 수 있다. 또는, 제1 및 제2 물질층(L10, L20) 중 하나는 도전체일 수 있고, 다른 하나는 절연체일 수 있다. 전자의 경우가 도 2에 도시되어 있고, 후자의 경우가 도 3에 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 다층구조체(M110)의 제1 물질층(L11)은 반도체층일 수 있고, 제2 물질층(L21)은 도전층일 수 있다. 제1 물질층(L11)은 소정의 불순물(도펀트)로 도핑된 반도체층일 수 있고, 제2 물질층(L21)은 금속층이거나 금속화합물층일 수 있다. 이 경우, 제1 및 제2 물질층(L11, L21) 사이에 배치된 확산방지층(B11)은 제1 물질층(L11)에 도핑된 불순물(도펀트)이 제2 물질층(L21)으로 이동/확산되는 것을 억제/방지하는 역할을 할 수 있다.
도 3을 참조하면, 다층구조체(M120)의 제1 물질층(L12)은 절연층일 수 있고, 제2 물질층(L22)은 도전층일 수 있다. 제1 물질층(L12)은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 질산화물 등으로 형성되거나, 실리콘 질화물보다 높은 유전상수를 갖는 고유전 물질로 형성된 절연층일 수 있다. 또는, 제1 물질층(L12)은 유기 절연 물질로 형성될 수도 있다. 일반적인 전자소자나 반도체소자에 사용되는 절연 물질이면 어느 것이든 제1 물질층(L12)에 적용될 수 있다. 제2 물질층(L22)은, 도 2의 제2 물질층(L21)과 유사하게, 금속층이거나 금속화합물층일 수 있다. 이 경우, 확산방지층(B12)은 제2 물질층(L22)의 물질, 예컨대, 금속 원자가 제1 물질층(L12)으로 이동/확산되는 것은 억제/방지하는 역할을 할 수 있다.
도 1 내지 도 3에서 확산방지층(B10, B11, B12)은 이차원 물질(2D material)로 구성될 수 있다. 이차원 물질은 원자들이 소정의 결정구조를 이루고 있는 단층(single-layer) 또는 반층(half-layer)의 고체이다. 확산방지층(B10, B11, B12)을 구성하는 이차원 물질은 이차원적 결정구조를 갖는 금속 칼코게나이드계(metal chalcogenide-based) 물질을 포함할 수 있다. 상기 금속 칼코게나이드계 물질은 이차원 반도체(two-dimensional semiconductor)(2D semiconductor)일 수 있다. 상기 금속 칼코게나이드계 물질은 Mo, W, Nb, V, Ta, Ti, Zr, Hf, Tc, Re, Ru, Co, Pd, Pt, Cu 중 적어도 하나의 전이금속과 S, Se, Te, O 중 적어도 하나의 칼코겐(chalcogen) 원소를 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 금속 칼코게나이드계 물질은 TMDC(transition metal dichalcogenide) 물질일 수 있다. 상기 TMDC 물질은, 예컨대, MX2 로 표현될 수 있고, 여기서, M은 전이금속이고, X는 칼코겐 원소이다. 상기 M은 Mo, W, Nb, V, Ta, Ti, Zr, Hf, Tc, Re, Pd, Pt 등일 수 있고, 상기 X는 S, Se, Te 일 수 있다. 상기 TMDC 물질은, 예컨대, MoS2, MoSe2, MoTe2, WS2, WSe2, WTe2, ZrS2, ZrSe2, HfS2, HfSe2, NbSe2, ReSe2, PdTe2 등일 수 있다. 상기 금속 칼코게나이드계 물질은 MX2 로 표현되지 않을 수도 있다. 일례로, 전이금속인 Cu와 칼코겐 원소인 S의 화합물(전이금속 칼코게나이드 물질)은 CuS로 표현될 수 있다. 이러한 CuS도 이차원 물질일 수 있으므로, 상기 금속 칼코게나이드계 물질로 적용될 수 있다. 또한, 상기 금속 칼코게나이드계 물질은 두 가지 이상의 전이금속을 포함할 수도 있다. 일례로, MoWSe4는 두 개 이상의 전이금속을 포함하는 칼코게나이드 물질일 수 있다. 또한, 상기 금속 칼코게나이드계 물질은 비전이금속(non-transition metal)을 포함하는 칼코게나이드 물질일 수도 있다. 상기 비전이금속은, 예컨대, Ga, In, Sn, Ge, Pb 등일 수 있다. 즉, Ga, In, Sn, Ge, Pb 등의 비전이금속과 S, Se, Te, O와 같은 칼코겐 원소의 화합물이 상기 금속 칼코게나이드계 물질로 사용될 수 있다. 상기 비전이금속을 포함하는 칼코게나이드 물질은, 예컨대, SnSe2, GaS, GaSe, GaTe, GeSe, In2Se3, InSnS2 등일 수 있다. 따라서, 상기 금속 칼코게나이드계 물질은 Mo, W, Nb, V, Ta, Ti, Zr, Hf, Tc, Re, Ru, Co, Pd, Pt, Cu, Ga, In, Sn, Ge, Pb 중 적어도 하나의 금속 원소와 S, Se, Te, O 중 적어도 하나의 칼코겐 원소를 포함한다고 할 수 있다. 그러나, 여기서 제시한 물질(원소)들은 예시적인 것이고, 그 밖에 다른 물질(원소)들이 적용될 수도 있다.
확산방지층(B10, B11, B12)을 구성하는 이차원 물질은, 예컨대, 삼각 프리즘형 결정구조(trigonal prismatic crystal structure) 또는 팔면체 결정구조(octahedral crystal structure)를 가질 수 있다. 예를 들어, 5족 또는 6족의 금속 원소를 포함하는 이차원 물질은 삼각 프리즘형 결정구조(trigonal prismatic crystal structure)를 가질 수 있다. 구체적인 예로, MoS2와 같은 이차원 물질(TMDC 물질)은 삼각 프리즘형 결정구조(trigonal prismatic crystal structure)를 가질 수 있다. 한편, 4족, 7족 또는 10족의 금속 원소를 포함하는 이차원 물질은 팔면체 결정구조(octahedral crystal structure)를 가질 수 있다. 상기 팔면체 결정구조(octahedral crystal structure)는 삼각 안티프리즘형 결정구조(trigonal antiprismatic crystal structure)라고 할 수 있다. 상기한 삼각 프리즘형 결정구조 및 팔면체 결정구조에 대해서는 추후에 도 4 내지 도 9를 참조하여 보다 상세히 설명한다. 그러나 확산방지층(B10, B11, B12)의 결정구조는 삼각 프리즘형 구조 및 팔면체 구조로 한정되지 않고, 달라질 수 있다.
확산방지층(B10, B11, B12)은 단일층의 이차원 물질로 구성되거나, 이차원 결정구조를 갖는 단일층이 반복 적층된 구조를 가질 수도 있다. 상기 단일층이 반복 적층되더라도, 이차원 물질의 특성은 유지될 수 있다. 전자 구조적으로, 이차원 물질은 상태 밀도(density of state)(DOS)가 양자 우물 거동(quantum well behavior)을 따르는 물질로 정의될 수 있다. 복수의 이차원 단위 물질층이 적층된(약 100층 이하로 적층된) 물질에서도 상태 밀도(DOS)가 양자 우물 거동(quantum well behavior)을 따를 수 있기 때문에, 이런 관점에서, 상기 단일층이 반복 적층된 구조도 "이차원 물질"이라고 할 수 있다. 상기 단일층이 반복 적층된 구조에서 단일층들은 반데르발스 힘(van der Waals force)으로 결합될 수 있다.
확산방지층(B10, B11, B12)은 약 10 nm 이하, 예컨대, 약 5 nm 이하의 두께를 가질 수 있다. 확산방지층(B10, B11, B12)의 두께는 약 3 nm 이하로 극히 얇을 수 있다. 확산방지층(B10, B11, B12)의 두께는 약 1 nm 정도 혹은 그 이하로까지 얇아질 수 있다. 확산방지층(B10, B11, B12)이 이차원 물질로 형성되는 것과 관련해서, 확산방지층(B10, B11, B12)은 얇은 두께를 가질 수 있고, 얇은 두께를 가지면서도 우수한 특성을 유지할 수 있다. 이러한 확산방지층(B10, B11, B12)은 미세 선폭을 갖는 고집적 소자의 구현에 유리하게 적용될 수 있다.
확산방지층(B10, B11, B12)은 약 10-2 Ω·cm 이하의 비저항(resistivity)을 가질 수 있다. 예컨대, 확산방지층(B10, B11, B12)의 비저항은 약 10-4 ∼ 10-2 Ω·cm 정도일 수 있다. 확산방지층(B10, B11, B12)이 낮은 비저항을 갖기 때문에, 우수한 전기전도도를 가질 수 있다. 예컨대, 5족의 금속(전이 금속)을 포함하는 이차원 물질(TMDC 물질)은 10-4 Ω·cm 정도의 낮은 비저항을 가질 수 있고, 금속(metal)이나 반금속(semimetal)과 유사한 수준의 우수한 전기전도도를 가질 수 있다. 또한, 6족의 금속(전이 금속)을 포함하는 이차원 물질(TMDC 물질)도 10-3 Ω·cm 정도의 낮은 비저항을 가질 수 있기 때문에, 우수한 전기전도도를 나타낼 수 있다.
또한, 확산방지층(B10, B11, B12)은 도펀트(dopant)로 도핑된 층일 수 있다. 이 경우, 상기 도펀트는 확산방지층(B10, B11, B12)의 공공(vacancy)이나 그레인 바운더리(grain boundary) 등 구조적으로 상대적으로 약한 부분(즉, 결함부)을 채우도록 존재할 수 있다. 따라서, 상기 도펀트에 의해 확산방지층(B10, B11, B12)의 확산 방지 특성이 강화될 수 있다. 상기 도펀트로는, 예컨대, Mo, W, Nb, V, Ta, Ti, Zr, Hf, Tc, Re, Ru, Co, Pd, Pt, Cu, Ga, In, Sn, Ge, Pb 중 적어도 하나의 금속 원소를 사용할 수 있다. 또는, 상기 도펀트로 Si과 같이 확산이 잘 되지 않는 원소를 사용할 수도 있다. 그러나, 상기 도펀트 물질은 전술한 바에 한정되지 않고 다양하게 변화될 수 있다. 그래핀이나 그 밖에 이차원 물질에 도핑될 수 있는 물질이면 어느 것이든 상기 도펀트로 적용될 수 있다. 이러한 도펀트는, 예컨대, 화학적인 도핑 방법으로 확산방지층(B10, B11, B12) 내에 도핑될 수 있다. 확산방지층(B10, B11, B12)을 소정의 도펀트로 도핑함에 따라, 확산방지층(B10, B11, B12)의 전기전도도 등의 특성이 개선될 수도 있다. 다시 말해, 상기 도펀트에 의해 확산방지층(B10, B11, B12)의 전기전도도가 증가할 수 있다.
기존의 TiN층 및 TaN층의 경우, 비정질(amorphous)일 수 있고, 약 5 nm 이하 또는 약 3 nm 이하의 두께로 형성하기가 어려울 수 있다. 따라서, TiN층이나 TaN층은 고집적 소자 또는 초고집적 소자에 적용하기가 어려울 수 있다. TiN층의 비저항은 1.3×10-4 Ω·cm 정도이고, TaN층의 비저항은 2.5×10-4 Ω·cm 정도이지만, 이들의 두께를 줄이기 어렵기 때문에, 소자의 선폭이 감소함에 따라, TiN층이나 TaN층은 저항 증가 요인으로 작용할 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시예에 따른 확산방지층(B10, B11, B12)은 우수한 확산 방지 특성을 가지면서 10-4 Ω·cm 정도 혹은 그 이하의 낮은 비저항을 가질 수 있고, 약 5 nm 이하 또는 약 3 nm 이하의 매우 얇은 두께를 가질 수 있다. 또한, 확산방지층(B10, B11, B12)은 결정질일 수 있고, 구조적/열적/전기적으로 안정적인 특성을 나타낼 수 있다. 따라서, 이러한 확산방지층(B10, B11, B12)은 미세 선폭을 갖는 고집적 소자(초고집적 소자)의 구현에 용이하게 적용될 수 있다. 즉, 확산방지층(B10, B11, B12)은 고집적 소자(초고집적 소자)의 저항을 거의 증가시키지 않으면서, 소자의 안정성, 신뢰성 및 내구성을 높이는 역할을 할 수 있다.
이하에서는, 도 4 내지 도 9를 참조하여, 확산방지층(B10, B11, B12)의 이차원 물질이 가질 수 있는 결정구조를 예시적으로 설명한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 확산방지층이 가질 수 있는 삼각 프리즘형 결정구조(trigonal prismatic crystal structure)를 보여준다. 도 4에서 참조번호 M1은 금속 원소를 나타내고, X1은 칼코겐 원소를 나타낸다. 예컨대, 5족 또는 6족의 금속 원소를 포함하는 이차원 물질(TMDC 물질)이 도 4와 같은 결정구조를 가질 수 있다.
도 4와 같은 삼각 프리즘형 결정구조가 이차원적으로 연속해서 배열되어 확산방지층을 구성할 수 있다. 이러한 확산방지층을 옆에서 바라본 구조(즉, side view)는 도 5와 같을 수 있고, 위에서 바라본 구조(즉, top view)는 도 6과 같을 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 확산방지층이 가질 수 있는 팔면체 결정구조(octahedral crystal structure)를 보여준다. 도 7에서 참조번호 M2는 금속 원소를 나타내고, X2은 칼코겐 원소를 나타낸다. 예컨대, 4족, 7족 또는 10족의 금속 원소를 포함하는 이차원 물질(TMDC 물질)이 도 7과 같은 결정구조를 가질 수 있다. 도 7과 같은 결정구조를 갖는 이차원 물질은 비교적 금속성(metallic) 특성을 가질 수 있다. 따라서, 이러한 이차원 물질을 확산방지층으로 적용하면, 우수한 전기전도도 특성을 확보하는데 유리할 수 있다. 도 7의 팔면체 결정구조는 삼각 안티프리즘형 결정구조(trigonal antiprismatic crystal structure)라고 할 수도 있다.
도 7과 같은 팔면체 결정구조가 이차원적으로 연속해서 배열되어 확산방지층을 구성할 수 있다. 이러한 확산방지층을 옆에서 바라본 구조(즉, side view)는 도 8과 같을 수 있고, 위에서 바라본 구조(즉, top view)는 도 9와 같을 수 있다.
도 5 및 도 6과 같은 단일층이 반복 적층되어 하나의 확산방지층을 구성할 수 있고, 이와 유사하게, 도 8 및 도 9와 같은 단일층이 반복 적층되어 하나의 확산방지층을 구성할 수 있다. 이때, 상기 단일층들이 적층되어 2H 구조, 3R 구조, 1T 구조 등 다양한 구조를 형성할 수 있다. 그러나, 도 4 내지 도 9를 참조하여 설명한 확산방지층의 결정구조는 예시적인 것이고, 그 밖에 다른 결정구조를 가질 수도 있다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 확산방지층이 가질 수 있는 이차원적 원자 배열 구조를 예시적으로 보여주는 도면이다. 본 실시예는 확산방지층이 이차원 물질인 MoS2로 형성된 경우를 보여준다. 도 10에 도시된 바와 같이, Mo 원자와 S 원자가 소정의 결정구조를 이루면서 이차원적으로 배열될 수 있다. 도 10의 MoS2는 도 4의 삼각 프리즘형 결정구조(trigonal prismatic crystal structure)를 가질 수 있다. 따라서, 도 10의 구조는 도 6의 구조에 대응될 수 있다.
도 11은 도 10의 확산방지층의 측면도이다. 도 11을 참조하면, Mo 원자들의 상부 및 하부에 S 원자들이 배열될 수 있다. 도 11의 구조는 도 5의 구조에 대응될 수 있다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 확산방지층을 통해서 금속 원자(Cu 원자)가 이동하는 경우를 예시적으로 보여주는 모식도이다. 본 실시예는 도 10의 구조를 갖는 확산방지층(MoS2층)을 통해서 금속 원자(Cu 원자)가 이동/확산하는 경우를 보여준다. MoS2층을 Cu 원자가 뚫고 지나가는데 필요한 에너지를 시뮬레이션(simulation)으로 계산한 결과, 약 5.2 eV의 에너지가 필요한 것으로 나타났다. 이를 통해, MoS2층의 확산 방지 기능을 예측할 수 있다. 복수의 MoS2층을 확산방지층으로 사용하는 경우, 더욱 우수한 확산 방지 특성을 확보할 수 있다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 확산방지층에 적용할 수 있는 MoS2층을 기판 상에 형성한 경우를 보여주는 TEM(transmission electron microscope) 사진이다. 도 13을 참조하면, MoS2층이 이차원적 층상 구조를 갖는 것을 확인할 수 있다. 또한, MoS2층이 약 2 nm 보다 작은 극히 얇은 두께(t1)를 갖는 것을 알 수 있다.
도 14는 본 발명의 예시적인 일 실시예에 따른 확산방지층을 포함하는 다층구조체를 보여주는 단면도이고, 도 15는 도 14의 확산방지층의 확산 방지 효과를 보여주는 실험 데이터이다.
도 14를 참조하면, 다층구조체는 실리콘층(L15)과 텅스텐층(L25) 사이에 구비된 확산방지층(B15)을 포함할 수 있다. 실리콘층(L15)은 다결정 실리콘(즉, 폴리 실리콘)으로 형성될 수 있고, 인(P)으로 도핑된 층일 수 있다. 확산방지층(B15)은 MoS2, WS2와 같은 이차원 물질을 포함할 수 있다. 예컨대, 확산방지층(B15)은 MoS2층일 수 있다. 이 경우, 도 14의 다층구조체는 doped-Si/MoS2/W 구조를 갖는다고 할 수 있다. 확산방지층(B15)은 실리콘층(L15)에 도핑된 인(P)이 텅스텐층(L25)으로 이동/확산되는 것을 억제/방지하는 역할을 할 수 있다.
도 15는 도 14의 다층구조체를 약 800℃에서 어닐링(annealing)한 후, 깊이에 따른 인(P)의 농도 변화를 측정한 결과를 보여주는 그래프이다. 도 15는 도 14에서 확산방지층(B15)이 없는 구조(비교예), 즉, doped-Si/W 구조를 동일한 조건으로 어닐링한 후, 깊이에 따른 인(P)의 농도 변화를 측정한 결과도 포함한다.
도 15를 참조하면, 확산방지층(B15)(즉, MoS2층)을 사용한 경우, 그렇지 않은 경우(비교예)보다 텅스텐층(L25)에 존재하는 인(P)의 양이 상대적으로 매우 적은 것을 알 수 있다. 이를 통해, 확산방지층(B15)의 확산 방지 효과를 확인할 수 있다.
도 16은 본 발명의 예시적인 다른 실시예에 따른 확산방지층을 포함하는 다층구조체를 보여주는 단면도이고, 도 17은 도 16의 확산방지층의 확산 방지 효과를 보여주는 실험 데이터이다.
도 16을 참조하면, 다층구조체는 실리콘 산화물층(L16)과 구리층(L26) 사이에 구비된 확산방지층(B16)을 포함할 수 있다. 실리콘 산화물층(L16)은 SiO2로 형성된 절연층일 수 있다. 확산방지층(B16)은 MoS2, WS2와 같은 이차원 물질을 포함할 수 있다. 예컨대, 확산방지층(B16)은 MoS2층 또는 WS2층일 수 있다. 따라서, 도 16의 다층구조체는 SiO2/MoS2/Cu 구조 또는 SiO2/WS2/Cu 구조를 갖는다고 할 수 있다. 확산방지층(B16)은 구리층(L26)의 구리(Cu) 원자가 실리콘 산화물층(L16)으로 이동/확산되는 것을 억제/방지하는 역할을 할 수 있다.
도 17은 도 16의 다층구조체를 약 300℃에서 약 1시간 동안 어닐링한 후, 깊이에 따른 Cu의 농도 변화를 측정한 결과를 보여주는 그래프이다. 도 17은 도 16에서 확산방지층(B16)이 없는 구조(비교예), 즉, SiO2/Cu 구조를 동일한 조건으로 어닐링한 후, 깊이에 따른 Cu의 농도 변화를 측정한 결과도 포함한다. 도 17에서 샘플#1이 SiO2/Cu 구조(비교예)에 대한 결과이고, 샘플#2는 SiO2/MoS2/Cu 구조에 대한 결과이고, 샘플#3은 SiO2/WS2(T)/Cu 구조에 대한 결과이고, 샘플#4는 SiO2/WS2/Cu 구조에 대한 결과이다. 상기 샘플#3에서 WS2(T)는 WS2층을 전이(transfer) 방식으로 형성한 것을 의미한다.
도 17을 참조하면, 확산방지층(B16)으로 MoS2층이나 WS2층과 같은 이차원 물질층을 사용한 경우(샘플#2∼샘플#4), 그렇지 않은 경우(비교예: 샘플#1)보다 실리콘 산화물층(SiO2층)(L16) 내에 존재하는 Cu의 양이 상대적으로 적은 것을 알 수 있다. 특히, 샘플#4의 경우, 비교예인 샘플#1보다 Cu의 확산 양이 크게 감소한 것을 알 수 있다. 이를 통해, 도 16과 같은 구조에서 확산방지층(B16)의 확산 방지 효과를 확인할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 도 1 내지 도 3의 다층구조체(M100, M110, M120)는 제1 물질층(L10, L11, L12) 및 제2 물질층(L20, L21, L22) 중 어느 하나와 확산방지층(B10, B11, B12) 사이에 구비된 접착층(adhesion layer)을 더 포함할 수 있다. 상기 접착층을 도 2 및 도 3의 구조에 적용한 예가 도 18 및 도 19에 각각 도시되어 있다.
도 18 및 도 19를 참조하면, 제1 물질층(L11, L12)과 제2 물질층(L21, L22) 사이에 확산방지층(B11, B12)이 구비될 수 있고, 확산방지층(B11, B12)과 제2 물질층(L21, L22) 사이에 접착층(A11, A12)이 구비될 수 있다. 이때, 제2 물질층(L21, L22)은 금속이나 금속화합물 등으로 형성된 도전층일 수 있다. 따라서, 접착층(A11, A12)은 확산방지층(B11, B12)과 도전층(금속성층)(L21, L22) 사이에 구비되었다고 할 수 있다.
접착층(A11, A12)은 확산방지층(B11, B12)과 제2 물질층(L21, L22) 사이의 접착력을 강화하기 위해 구비시킬 수 있다. 접착층(A11, A12)은, 예컨대, 금속층일 수 있다. 구체적인 예로, 접착층(A11, A12)은 Mo, W, Nb, V, Ta, Ti, Zr, Hf, Tc, Re, Ru, Co, Pd, Pt, Cu, Ga, In, Sn, Ge 및 Pb 중 적어도 하나의 금속을 포함할 수 있다. 접착층(A11, A12)은 확산방지층(B11, B12)에 포함된 금속 원소와 동일한 금속 원소를 포함할 수 있다. 접착층(A11, A12)은 수 nm 이하의 얇은 두께를 가질 수 있고, 우수한 전기전도 특성을 가질 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 다층 구조의 확산방지층을 사용할 수도 있다. 이 경우, 상기 다층 구조의 확산방지층은 서로 다른 종류의 복수의 이차원 물질층을 포함할 수 있다. 상기 다층 구조의 확산방지층의 일례가 도 20에 도시되어 있다.
도 20을 참조하면, 확산방지층(B20)은 다층 구조를 가질 수 있다. 이 경우, 확산방지층(B20)은 서로 다른 종류의 복수의 이차원 물질층, 예컨대, 제1 이차원 물질층(b1) 및 제2 이차원 물질층(b2)을 포함할 수 있다. 제1 이차원 물질층(b1)과 제2 이차원 물질층(b2) 중 어느 하나는 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한 확산방지층(B10, B11, B12)에 대응될 수 있다. 제1 이차원 물질층(b1)과 제2 이차원 물질층(b2) 중 다른 하나는 그래핀(graphene)이거나 그 밖에 다른 이차원 물질로 형성될 수 있다. 이와 같이, 서로 다른 종류의 복수의 이차원 물질층(b1, b2)으로 확산방지층(B20)을 구성하는 경우, 우수한 확산 방지 효과를 얻을 수 있다. 또한, 제1 및 제2 이차원 물질층(b1, b2) 각각을 단일층으로 구성하는 경우, 확산방지층(B20)의 두께는 약 5 nm 이하 또는 약 3 nm 이하로 매우 얇을 수 있다. 이러한 다층 구조의 확산방지층(B20)은 도 1 내지 도 3, 도 14, 도 16, 도 18 및 도 19의 구조에 적용될 수 있다. 도시하지는 않았지만, 확산방지층(B20)은 세 개 또는 그 이상의 서로 다른 이차원 물질층으로 구성될 수도 있다.
도 21은 본 발명의 다른 실시예에 따른 것으로, 확산방지층(B17)을 포함하는 다층구조체를 보여주는 단면도이다.
도 21을 참조하면, 확산방지층(B17)은 도전성 물질층(L27)의 적어도 일면을 덮도록 구비될 수 있다. 예컨대, 확산방지층(B17)은 도전성 물질층(L27)의 하면 및 측면을 덮도록 구비될 수 있다. 도전성 물질층(L27)은 금속이나 금속화합물로 형성된 층일 수 있다. 확산방지층(B17)은 도 1 내지 도 3 및 도 20을 참조하여 설명한 확산방지층(B10, B11, B12, B20)과 동일하거나 유사한 물질로 형성될 수 있다. 도시하지는 않았지만, 확산방지층(B17)을 사이에 두고 도전성 물질층(L27)과 접합된 다른 물질층이 더 구비될 수 있다. 상기 다른 물질층은 반도체층이거나 절연층일 수 있다. 또한, 확산방지층(B17)과 도전성 물질층(L27) 사이에 소정의 접착층이 더 구비될 수 있다.
도 22는 본 발명의 다른 실시예에 따른 것으로, 확산방지층(B18)을 포함하는 다층구조체를 보여주는 단면도이다.
도 22를 참조하면, 확산방지층(B18)은 도전성 물질층(L28)을 둘러싼 구조를 가질 수 있다. 즉, 확산방지층(B18)은 도전성 물질층(L28)의 사면(상면, 하면 및 양측면)을 감싸도록 구비될 수 있다. 확산방지층(B18)의 물질은 도 21의 확산방지층(B17) 물질에 대응될 수 있고, 도전성 물질층(L28)의 물질은 도 21의 도전성 물질층(L27)의 물질에 대응될 수 있다. 도시하지는 않았지만, 확산방지층(B18)을 사이에 두고 도전성 물질층(L28)과 접합된 다른 물질층이 더 구비될 수 있다. 상기 다른 물질층은 반도체층이거나 절연층일 수 있다. 또한, 확산방지층(B18)과 도전성 물질층(L28) 사이에 소정의 접착층이 더 구비될 수 있다.
도 23은 본 발명의 실시예에 따른 것으로, 확산방지층(130)을 포함하는 전자소자(반도체소자)의 일부를 보여주는 단면도이다.
도 23을 참조하면, 하부구조물(100)이 마련될 수 있다. 하부구조물(100)은 반도체영역(110)을 포함할 수 있다. 반도체영역(110)은 소정의 불순물(도펀트)로 도핑된 영역일 수 있다. 도시하지는 않았지만, 하부구조물(100)은 반도체영역(110)을 포함하는 '소자부'를 구비할 수 있다. 하부구조물(100) 상에 개구부(H10)를 갖는 절연물질층(120)이 구비될 수 있다. 개구부(H10)는 일종의 관통홀(비아홀)일 수 있다. 개구부(H10)에 의해 반도체영역(110)이 노출될 수 있다.
개구부(H10)에 의해 노출된 반도체영역(110)의 표면 및 개구부(H10)의 내측면을 덮는 확산방지층(130)이 구비될 수 있다. 확산방지층(130)은 그래핀과 다른 이차원 물질(2D material)을 포함할 수 있다. 확산방지층(130)은 도 1 내지 도 20을 참조하여 설명한 확산방지층과 동일한 물질 구성을 가질 수 있다. 따라서, 확산방지층(130)의 이차원 물질은 이차원적 결정구조를 갖는 금속 칼코게나이드계(metal chalcogenide-based) 물질을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 금속 칼코게나이드계 물질은 Mo, W, Nb, V, Ta, Ti, Zr, Hf, Tc, Re, Ru, Co, Pd, Pt, Cu, Ga, In, Sn, Ge, Pb 중 적어도 하나의 금속 원소와 S, Se, Te, O 중 적어도 하나의 칼코겐(chalcogen) 원소를 포함할 수 있다. 확산방지층(130)의 두께는 약 10 nm 이하, 예컨대, 약 5 nm 이하일 수 있다. 확산방지층(130)의 두께는 약 3 nm 이하로 극히 얇을 수 있다. 확산방지층(130)의 두께는 약 1 nm 정도 혹은 그 이하로까지 얇아질 수 있다.
개구부(H10) 내부의 확산방지층(130) 상에 도전성 플러그(140)가 구비될 수 있다. 도전성 플러그(140)는 금속으로 형성되거나, 금속화합물과 같은 금속성 물질로 형성될 수 있다. 확산방지층(130)은 반도체영역(110)과 도전성 플러그(140) 사이의 물질 확산을 억제/방지하는 역할을 할 수 있다. 확산방지층(130)은 반도체영역(110)의 불순물(도펀트)이 도전성 플러그(140)로 확산되는 것을 억제/방지하는 역할을 할 수 있다. 또한, 확산방지층(130)은 절연물질층(120)과 도전성 플러그(140) 사이의 물질 확산을 억제/방지하는 역할을 할 수 있다. 절연물질층(120) 상에 도전성 플러그(140)에 접촉된 전극(150)이 더 구비될 수 있다. 전극(150)은 배선 형태 또는 패드 형태를 가질 수 있다. 전극(150)은 금속이나 금속화합물로 형성될 수 있다. 전극(150)은 도전성 플러그(140)와 다른 물질로 형성되거나 동일한 물질로 형성될 수도 있다. 도 23에 도시하지는 않았지만, 확산방지층(130)과 도전성 플러그(140) 사이에 소정의 접착층을 더 구비시킬 수 있다. 상기 접착층은 도 18 및 도 19를 참조하여 설명한 접착층(A11, A12)과 동일하거나 유사한 물질 구성을 가질 수 있다.
도 24는 본 발명의 다른 실시예에 따른 것으로, 확산방지층(131)을 포함하는 전자소자(반도체소자)의 일부를 보여주는 단면도이다.
도 24를 참조하면, 하부구조물(101)이 마련될 수 있다. 하부구조물(101) 상에 소정의 요소층(element layer)(111)이 구비될 수 있다. 요소층(111)은 소자부(미도시)에 연결된 전극이거나, 상기 소자부의 일부일 수 있다. 요소층(111)은 하부구조물(101)에 포함된 것으로 여길 수도 있다. 다시 말해, 하부구조물(101)이 요소층(111)을 포함하는 것으로 여길 수 있다. 하부구조물(101) 상에 요소층(111)을 덮는 절연물질층(121)이 구비될 수 있다. 절연물질층(121) 내에 소정의 개구부(H11)가 마련될 수 있다. 개구부(H11)는 요소층(111)의 일부를 노출하도록 형성될 수 있다. 개구부(H11)에 의해 노출된 요소층(111)의 표면 및 개구부(H11)의 내측면을 덮는 확산방지층(131)이 구비될 수 있다. 확산방지층(131)은 개구부(H11) 주위의 절연물질층(121) 영역으로 연장된 구조를 가질 수 있다. 확산방지층(131)은 도 23의 확산방지층(130)과 동일하거나 유사한 물질 구성을 가질 수 있다. 개구부(H11)의 확산방지층(131) 상에 도전체(141)가 구비될 수 있다. 도전체(141)는 개구부(H11) 내부에 존재하는 도전성 플러그(141a) 및 그 위에 구비된 전극부(141b)를 포함할 수 있다. 전극부(141b)는 배선이나 패드 형태를 가질 수 있다. 여기서는, 도전성 플러그(141a)와 이에 연결된 전극부(141b)가 같은 물질로 형성된 경우를 도시하였지만, 이들은 서로 다른 물질로 형성될 수도 있다. 본 실시예에서 확산방지층(131)은 도전체(141)와 절연물질층(121) 사이의 물질 확산을 방지하는 역할을 할 수 있다. 또한, 확산방지층(131)은 낮은 비저항 및 우수한 전기전도도를 갖기 때문에, 요소층(111)이 전극인 경우, 확산방지층(131)을 통한 요소층(111)과 도전체(141) 사이의 전류의 흐름은 용이하게 이루어질 수 있다. 도 24에 도시하지는 않았지만, 확산방지층(131)과 도전성 플러그(141a) 사이에 소정의 접착층을 더 구비시킬 수 있다. 상기 접착층은 도 18 및 도 19를 참조하여 설명한 접착층(A11, A12)과 동일하거나 유사한 물질 구성을 가질 수 있다.
도 23 및 도 24에서 확산방지층(130, 131)은 수 nm 이하의 극히 얇은 두께를 가질 수 있고, 이와 관련해서, 고집적 소자의 구현에 유리할 수 있다. 소자의 집적도가 증가하면, 반도체영역(110) 및 요소층(111)의 크기(선폭)가 감소하고, 개구부(H10, H11)의 사이즈(지름)도 감소할 수 있다. 이 경우, 확산방지층(130, 131)의 두께가 두꺼우면, 개구부(H10, H11) 내부를 채우는 도전성 플러그(140, 141a) 대비 확산방지층(130, 131)의 비율이 증가하게 되고, 이 경우, 우수한 소자 특성을 확보하기가 용이하지 않을 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시예에 따르면, 확산방지층(130, 131)의 두께를 약 5 nm 이하, 또는, 약 3 nm 이하로 극히 얇게 만들 수 있기 때문에, 작은 사이즈의 개구부(H10, H11)를 확산방지층(130, 131) 및 도전성 플러그(140, 141a)로 용이하게 충전(filling)할 수 있고, 확산방지층(130, 131) 대비 도전성 플러그(140, 141a)의 비율을 증가시킬 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 확산방지층(130, 131)을 이용하면, 우수한 특성을 갖는 고집적 소자를 용이하게 구현할 수 있다.
도 25는 본 발명의 실시예에 따른 확산방지층을 적용할 수 있는 전자소자(반도체소자)의 구성을 보여주는 단면도이다.
도 25를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전자소자(반도체소자)는 기판부(substrate portion)(1000), 기판부(1000) 상에 구비된 액티브 소자부(active device portion)(2000) 및 액티브 소자부(2000) 상에 구비된 연결배선부(interconnect portion)(3000)를 포함할 수 있다. 액티브 소자부(2000)는, 예컨대, 복수의 트랜지스터(미도시)를 포함할 수 있다. 연결배선부(3000)는 절연층(층간절연층) 및 도전체(전극/플러그)를 반복 적층한 구성을 가질 수 있다. 이러한 연결배선부(3000)는 액티브 소자부(2000)를 외부 장치(외부 단자)(미도시)에 연결하기 위한 구조체일 수 있다.
도 23 및 도 24를 참조하여 설명한 확산방지층을 포함하는 구조(즉, interconnect structure)는 도 25의 연결배선부(3000)에 적용될 수 있다. 또한, 상기 확산방지층을 포함하는 구조(즉, interconnect structure)는 도 25의 액티브 소자부(2000)에도 적용될 수 있다. 다시 말해, 본 발명의 실시예에 따른 확산방지층을 포함하는 구조(즉, interconnect structure)는 전자소자(반도체소자)의 FEOL(front end of line) 공정 및 BEOL(back end of line) 공정에 모두 적용될 수 있다. 상기 FEOL 공정은 액티브 소자부(2000)의 제조공정에 포함될 수 있고, 상기 BEOL 공정은 연결배선부(3000)의 제조공정에 포함될 수 있다.
도 26은 본 발명의 실시예에 따른 확산방지층을 포함하는 전자소자(반도체소자)를 예시적으로 보여주는 단면도이다.
도 26을 참조하면, 기판(1100) 상에 액티브 소자부(2100)가 구비될 수 있다. 기판(1100)은, 예컨대, 실리콘기판과 같은 반도체기판일 수 있지만, 실리콘기판이 아닌 다른 반도체기판이거나, 반도체기판이 아닌 다른 기판일 수도 있다. 액티브 소자부(2100)는, 예컨대, 복수의 트랜지스터(미도시)를 포함할 수 있다. 액티브 소자부(2100)의 구성은 특별히 한정되지 않고 다양하게 변화될 수 있다. 액티브 소자부(2100) 상에 연결배선부(3100)가 구비될 수 있다. 이하에서는, 연결배선부(3100)의 예시적인 구성을 간략히 설명한다.
연결배선부(3100)는 액티브 소자부(2100) 상에 구비된 제1 절연층(310)을 포함할 수 있다. 제1 절연층(310) 내에 제1 전극부(330)가 구비될 수 있다. 도시하지는 않았지만, 제1 전극부(330)는 액티브 소자부(2100)에 전기적으로 연결될 수 있다. 제1 절연층(310)과 제1 전극부(330) 사이에 제1 확산방지층(320)이 구비될 수 있다. 제1 절연층(310) 상에 제1 전극부(330)를 덮는 중간층(340)이 구비될 수 있다. 중간층(340) 상에 제2 절연층(350)이 구비될 수 있다. 중간층(340)은 제1 전극부(330)를 보호하면서 제1 전극부(330)의 물질이 제2 절연층(350)으로 확산되는 것을 방지하는 역할을 할 수 있다. 중간층(340)은 소정의 절연 물질로 형성될 수 있다. 제2 절연층(350) 내에 적어도 하나의 관통홀(H31) 및 적어도 하나의 트렌치(trench)(T31)가 형성될 수 있다. 관통홀(H31)은 중간층(340)을 통해서 제1 전극부(330)를 노출하도록 형성될 수 있다. 복수의 트렌치(T31)가 구비될 수 있고, 그 중 하나는 관통홀(H31) 위에 구비될 수 있다. 관통홀(H31)과 트렌치(T31) 각각을 일종의 '개구부'라고 할 수 있다. 관통홀(H31)과 트렌치(T31)의 내부 표면을 덮는 제2 확산방지층(360)이 구비될 수 있다. 제2 확산방지층(360) 상에 관통홀(H31)과 트렌치(T31)를 채우는 제2 전극부(370)가 구비될 수 있다. 관통홀(H31) 내에 존재하는 제2 전극부(370)는 플러그 형태를 가질 수 있고, 트렌치(T31) 내에 존재하는 제2 전극부(370)는 배선이나 패드 형태를 가질 수 있다.
제1 및 제2 확산방지층(320, 360)은 본 발명의 실시예들에 따른 확산방지층에 대응될 수 있다. 즉, 제1 및 제2 확산방지층(320, 360)은 도 1 내지 도 24를 참조하여 설명한 확산방지층과 동일하거나 유사한 물질 구성을 가질 수 있다. 제1 확산방지층(320)에 의해 제1 절연층(310)과 제1 전극부(330) 사이의 물질 이동이 억제/방지될 수 있고, 제2 확산방지층(360)에 의해 제2 절연층(350)과 제2 전극부(370) 사이의 물질 이동이 억제/방지될 수 있다.
도시하지는 않았지만, 제1 확산방지층(320)과 제1 전극부(330) 사이 및 제2 확산방지층(360)과 제2 전극부(370) 사이에 소정의 접착층이 더 구비될 수 있다. 상기 접착층은 도 18 및 도 19를 참조하여 설명한 접착층(A11, A12)과 동일하거나 유사한 물질 구성을 가질 수 있다. 또한, 연결배선부(3100)는 제2 절연층(350) 상에 구비되는 적어도 하나의 제3 절연층 및 적어도 하나의 제3 전극부를 더 포함할 수 있다. 또한, 연결배선부(3100)의 최상층은 패시베이션층(passivation layer)으로 보호될 수 있다. 도 26에 도시된 연결배선부(3100)의 구체적인 구성은 예시적인 것에 불과하고, 실제 소자에서는 도시된 것보다 복잡한 구성을 가질 수 있으며, 다양하게 변형될 수 있다.
이상에서 설명한 확산방지층, 확산방지층을 포함하는 다층구조체 및 이를 구비하는 전자소자(반도체소자)의 제조방법에 대해 간략히 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 실시예들에 따른 확산방지층(B10, B11, B12 등)은, 예컨대, 금속 원소를 포함하는 금속 전구체와 칼코겐 원소를 포함하는 칼코겐 소스를 사용해서 상온(room temperature) 내지 약 1000℃ 정도의 온도에서 형성할 수 있다. 확산방지층(B10, B11, B12 등)은, 예컨대, CVD(chemical vapor deposition) 방법으로 형성할 수 있지만, ALD(atomic layer deposition)나 그 밖에 다른 방법으로도 형성할 수 있다. 또한, 확산방지층(B10, B11, B12 등)의 형성시, 기상 전구체를 사용할 수 있지만, 액상이나 고상의 전구체를 사용할 수도 있다. 이차원 물질층을 형성하는데 사용될 수 있는 다양한 방법이 확산방지층(B10, B11, B12 등)의 형성에 적용될 수 있다. 따라서, 확산방지층(B10, B11, B12 등)의 형성은 용이하게 이루어질 수 있다. 이런 점에서, 확산방지층(B10, B11, B12 등)은 우수한 공정 적합도를 갖는다고 할 수 있다. 확산방지층(B10, B11, B12 등)을 제외한 나머지 전자소자의 구조를 형성하는 방법은 잘 알려진 바와 같을 수 있으므로, 이에 대한 자세한 설명은 배제한다.
부가적으로, 본 발명의 실시예들에 따른 확산방지층(B10, B11, B12 등)은 이차원 물질(2D material)로 구성될 수 있기 때문에, 플렉서블(flexible)한 특성을 가질 수 있다. 따라서, 상기 확산방지층(B10, B11, B12 등) 및 이를 포함하는 다층구조체는 다양한 플렉서블 디바이스(flexible device)에 용이하게 적용될 수 있다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 구체적인 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 예들 들어, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 도 1 내지 도 26을 참조하여 설명한 확산방지층, 확산방지층을 포함하는 다층구조체 및 이를 구비하는 전자소자(반도체소장)의 구성은 다양하게 변형될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 구체적인 예로, 확산방지층은 약 10 nm 이상의 두께를 가질 수도 있고, 확산방지층은 서로 다른 두 개의 도전층(금속 또는 금속성 물질층) 사이에 배치되어 이들 간의 물질 이동을 억제/방지하는 역할을 할 수도 있다. 또한, 확산방지층이 적용되는 전자소자(반도체소자)의 구조도 다양하게 변형될 수 있다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호설명 *
A11, A12 : 접착층 B10∼B12, B15, B16 : 확산방지층
L10∼L12, L15, L16 : 제1 물질층 L20∼L22, L25, L26 : 제2 물질층
M100, M110, M120 : 다층구조체 H10, H11 : 개구부
100, 101 : 하부구조물 110 : 반도체영역
111 : 요소층 120, 121 : 절연물질층
130, 131 : 확산방지층 140 : 도전성 플러그
141 : 도전체 141a : 도전성 플러그
141b : 전극부 150 : 전극
1000, 1100 : 기판부 2000, 2100 : 액티브 소자부
3000, 3100 : 연결배선부

Claims (26)

  1. 제1 물질층;
    상기 제1 물질층과 이격된 제2 물질층; 및
    상기 제1 및 제2 물질층 사이에 구비된 것으로, 그래핀과 다른 이차원 물질(2D material)을 포함하는 확산방지층;을 구비하며,
    상기 제1 물질층은 절연체 또는 반도체이며, 상기 확산방지층은 상기 제1 물질층과 직접 접하는 다층구조체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 이차원 물질은 이차원적 결정구조를 갖는 금속 칼코게나이드계(metal chalcogenide-based) 물질을 포함하는 다층구조체.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 금속 칼코게나이드계 물질은 Mo, W, Nb, V, Ta, Ti, Zr, Hf, Tc, Re, Ru, Co, Pd, Pt, Cu, Ga, In, Sn, Ge, Pb 중 적어도 하나의 금속 원소와 S, Se, Te, O 중 적어도 하나의 칼코겐(chalcogen) 원소를 포함하는 다층구조체.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 이차원 물질은 TMDC(transition metal dichalcogenide) 물질을 포함하는 다층구조체.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 이차원 물질은 삼각 프리즘형 결정구조(trigonal prismatic crystal structure) 또는 팔면체 결정구조(octahedral crystal structure)를 갖는 다층구조체.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 확산방지층은 5 nm 이하의 두께를 갖는 다층구조체.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 확산방지층은 3 nm 이하의 두께를 갖는 다층구조체.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 확산방지층은 10-4 ∼ 10-2 Ω·cm 의 비저항(resistivity)을 갖는 다층구조체.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 확산방지층은 도펀트(dopant)로 도핑된 다층구조체.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 물질층은 도전체인 다층구조체.
  11. 삭제
  12. 제 1 항에 있어서,
    하부구조물 상에 개구부를 갖는 절연물질층이 구비되고, 상기 확산방지층은 상기 개구부의 상기 절연물질층을 덮도록 구비되며, 상기 개구부 내부의 상기 확산방지층 상에 도전체가 구비되고,
    상기 하부구조물 및 절연물질층 중 어느 하나의 적어도 일부는 상기 제1 물질층에 대응되고, 상기 도전체의 적어도 일부는 상기 제2 물질층에 대응되는 다층구조체.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 물질층과 상기 확산방지층 사이에 구비된 접착층(adhesion layer)을 더 포함하는 다층구조체.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 접착층은 Mo, W, Nb, V, Ta, Ti, Zr, Hf, Tc, Re, Ru, Co, Pd, Pt, Cu, Ga, In, Sn, Ge 및 Pb 중 적어도 하나의 금속을 포함하는 다층구조체.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 접착층은 상기 확산방지층에 포함된 금속 원소와 동일한 금속 원소를 포함하는 다층구조체.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 확산방지층은 서로 다른 종류의 복수의 이차원 물질층을 포함하는 다층구조체.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 다층구조체의 적어도 일부는 전자소자용 연결배선(interconnection)을 구성하는 다층구조체.
  18. 청구항 1 내지 10, 및 12 내지 17 중 어느 하나에 기재된 다층구조체를 포함하는 소자.
  19. 하부구조물 상에 구비된 것으로, 개구부를 갖는 절연물질층;
    상기 개구부의 상기 절연물질층을 덮도록 구비된 것으로, 그래핀과 다른 이차원 물질(2D material)을 포함하는 확산방지층; 및
    상기 개구부 내부의 상기 확산방지층 상에 구비된 도전체;를 포함하며,
    상기 확산방지층은 상기 절연물질층과 직접 접하는 전자소자.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 이차원 물질은 이차원적 결정구조를 갖는 금속 칼코게나이드계(metal chalcogenide-based) 물질을 포함하는 전자소자.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 금속 칼코게나이드계 물질은 Mo, W, Nb, V, Ta, Ti, Zr, Hf, Tc, Re, Ru, Co, Pd, Pt, Cu, Ga, In, Sn, Ge, Pb 중 적어도 하나의 금속 원소와 S, Se, Te, O 중 적어도 하나의 칼코겐(chalcogen) 원소를 포함하는 전자소자.
  22. 제 19 항에 있어서,
    상기 확산방지층은 5 nm 이하의 두께를 갖는 전자소자.
  23. 제 19 항에 있어서,
    상기 하부구조물은 반도체영역을 포함하고,
    상기 확산방지층은 상기 반도체영역과 상기 도전체 사이의 물질 확산을 방지하는 전자소자.
  24. 제 19 항에 있어서,
    상기 확산방지층은 상기 절연물질층과 상기 도전체 사이의 물질 확산을 방지하는 전자소자.
  25. 제 19 항에 있어서,
    상기 확산방지층과 상기 도전체 사이에 구비된 접착층(adhesion layer)을 더 포함하는 전자소자.
  26. 제 19 항에 있어서, 상기 전자소자는,
    기판부(substrate portion);
    상기 기판부 상에 구비된 액티브 소자부(active device portion); 및
    상기 액티브 소자부 상에 구비된 연결배선부(interconnect portion);를 포함하는 전자소자.
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