半導体プロセスにおけるコバルト前駆体の応用

コバルトは半導体プロセスで重要な役割を果たします

01 高性能金属相互接続材料

半導体技術が 10 nm プロセス ノードに進歩するにつれて、銅相互接続技術では高度な集積回路のスケーリング要件を満たすには不十分になってきました。コバルトは、その優れた導電性と強力なエレクトロマイグレーション耐性により、非常に有望な代替品として浮上しており、高周波デバイスや超大型チップにおいて特に大きな利点を持っています。

高アスペクト比のビア (例: 40:1) を充填する場合、コバルトは銅の電気めっきで一般的に観察される「ボイド欠陥」の問題を効果的に回避します。さらに、コバルト膜は 銅配線の拡散バリア層および接着層として直接機能することができ、これにより従来の Ta/TaN 層の厚さが薄くなるだけでなく、銅線の体積が増加して抵抗が低下します。

TSMC の 7 nm プロセスを例に挙げると、コバルトの適用には、ソース/ドレイン領域に直径 20 nm 未満のコンタクト ホールをエッチングした後、ALD によってコバルトを充填して、厚さ約 5 nm の CoSi2 コンタクト層を形成することが含まれます。続いて、銅またはコバルトの相互接続線がこのコンタクト層上に堆積され、コバルトは銅の拡散バリアとしても機能する。

現在、アプライド マテリアルズはコバルト蒸着専用装置を開発し、主にロジックチップ製造向けに量産導入済みです。

02 エレクトロマイグレーション耐性

エレクトロマイグレーションは、半導体の金属材料の故障モードです。電流が金属線を通過すると、金属原子が電場の影響を受けて移動し、線の損傷につながります。

コバルトはエレクトロマイグレーションに対して比較的強い耐性を示します。したがって、高電力および高電流密度の条件下でも、より長い耐用年数を維持し、チップの故障を減らすことができます。

03 コバルトドーピング用のソース/ドレイン材料
特定の半導体プロセス、特に高度な CMOS (相補型金属酸化物半導体) 技術では、コバルトはソース/ドレイン材料のドーパントとしても使用されます。コバルトのドーピングによりソース/ドレイン領域の電気的特性を調整できるため、トランジスタのスイッチング性能と駆動能力が向上します。

04 コバルト基合金のシード層

メタライゼーションプロセスの特定のステップでは、コバルトベースの合金がシード層材料として使用され、その後の金属の堆積を促進し、金属層の品質と均一性の向上に役立ちます。

コバルト前駆体の分類と特徴

コバルト前駆体は固体タイプと液体タイプに分類でき、熱安定性、揮発性、反応性に大きな違いがあります。

01 固体前駆体

1.1 ビス(シクロペンタジエニル)コバルト (CoCp₂)

CoCp₂ は、最も古く、最も広く研究されているコバルト前駆体の 1 つです。分子構造が単純であるため、ALD プロセスにおいて良好な自己制限反応特性を示します。ただし、CoCp2 は比較的高い熱安定性を備えており、安定した膜成長を達成するには通常 250°C 以上の温度が必要です。

たとえば、参考文献 [1] は、プラズマ増強 ALD (PE-ALD) による CoCp2 および NH3 プラズマを使用したコバルト薄膜の作製を報告しています。実験結果は、CoCp2 が 300°C で最適な成長速度 (0.048 nm/サイクル) を達成し、膜抵抗率が比較的低い (10 μΩ・cm) ことを示しています。ただし、高温要件により、低温用途での可能性が制限されます。

1.2 ビス(メチルシクロペンタジエニル)コバルト [Co(MeCp)₂]

Co(MeCp)2 は CoCp2 の誘導体であり、前駆体の熱分解温度を下げるためにシクロペンタジエニル環にメチル基が導入されています。

参考文献 [2] は、PE-ALD による Co(MeCp)2 および NH3 プラズマを使用したコバルト薄膜の調製を報告しています。結果は、Co(MeCp)₂ が 200°C ～ 350°C の温度範囲で、0.04 ～ 0.06 nm/サイクルの成長速度と 31 μΩ·cm の膜抵抗率で安定した ALD ウィンドウを示すことを示しています。

CoCp₂ と比較して、Co(MeCp)₂ は低温で優れた反応性を示すため、低温 ALD プロセスにより適しています。

02 液体前駆体

2.1 TMSCpCo(CO)₂

TMSCpCo(CO)2 は、シクロペンタジエニル (Cp) 配位子に基づくコバルト前駆体です。参考文献 [3] は、熱 ALD による TMSCpCo(CO)2 と tert-ブチルアミン (tBuNH2) を使用したコバルト薄膜の調製を報告しています。

結果は、TMSCpCo(CO)2 が 275°C ～ 325°C の温度範囲で安定した ALD ウィンドウを示し、成長速度が 0.045 nm/サイクル (R = H) および 0.03 nm/サイクル (R = TMS) であることを示しています。

2.2 CpCo(CO)₂

CpCo(CO)₂ は、揮発性が高く、熱分解温度が低い液体コバルト前駆体です。参考文献 [4] では、ALD による CpCo(CO)2 と O3 を使用した酸化コバルト薄膜の調製が報告されています。

結果は、CpCo(CO)2 が 50°C ～ 150°C の温度範囲で 0.08 ～ 0.11 nm/サイクルの成長速度で安定した ALD ウィンドウを示すことを示しています。

2.3 CCTBA

CCTBA [(3,3-ジメチル-1-ブチン) ジコバルト ヘキサカルボニル] は、揮発性が高く、熱分解温度が低い液体コバルト前駆体です。参考文献 [5] では、熱 ALD による CCTBA と H2 を使用したコバルト薄膜の作製が報告されています。

結果は、CCTBA が 100℃ で 0.051 nm/サイクルの成長速度で自己制限的な反応挙動を示すことを示しています。

03 液体Coソース堆積の利点

3.1 低温堆積: 固体 Co ソースと比較して、液体 Co ソースは自己制限反応特性を示すため、低温 ALD 堆積に適しており、サーマル バジェットが削減されます。

3.2 優れた膜均一性とステップカバレッジ: ALD 技術と組み合わせると、液体 Co ソースにより膜厚制御におけるナノメートルスケールの精度が可能になり、膜の均一性と一貫性が確保されます。また、高アスペクト比構造上への均一な膜の堆積も可能にし、複雑な形状における完全性と信頼性を確保します。

3.3 優れた電気化学的性能:

• 低い抵抗率: 液体 Co ソースから堆積されたコバルト膜は 10.6 μΩ・cm という低い抵抗率を示し、バルクのコバルト (6.24 μΩ・cm) の抵抗率に近づきます。

• 良好な結晶性: 熱アニーリングによりコバルト膜の結晶性が大幅に向上します。

• 優れた化学的安定性: 酸化コバルト膜は反応条件下で優れた化学的安定性を示し、高性能マイクロ電子デバイスに適しています。

結論

ALD におけるコバルト前駆体の応用は、高品質のコバルト薄膜を調製するための重要な経路を提供します。適切な前駆体を選択し、ALD プロセス パラメーターを最適化することで、さまざまなアプリケーション シナリオに合わせて高品質のコバルト膜を生成できます。

将来的には、新しい液体前駆体の開発と ALD プロセスのさらなる最適化により、 マイクロエレクトロニクスや磁気記憶装置におけるコバルト膜の応用の可能性は さらに広がるでしょう。

ジコバルトオクタカルボニル、シクロペンタジエニルコバルトジカルボニル、(3,3-ジメチル-1-ブチン)ジコバルトヘキサカルボニル などのプリカーサーを安定供給可能です. 。カスタマイズ品も対応可能です。 関連製品のご要望がございましたら、お気軽にお問い合わせください。

参考文献

[1] Lee、HB、他。電気化学。ソリッドステートLett. 9 (2006): G323-G325。 DOI: 10.1149/1.2338777

[2] Park, J.ら。 Ｊ．Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｈｅｍ． 22 (2013): 403-407。 DOI: 10.1016/j.surfcoat.2014.05.005

[3] Xuan Zhong、他。材料の文字。 (2022): 311.DOI: 10.1016/j.matlet.2021.131605

[4] Han, B.ら。 Ｊ．Ｖａｃ．科学。テクノロジー。 A 31 (2013): 01A145。 DOI: http://dx.doi.org/10.1116/1.4772461

[5] 山口純、他。 ECS J. 固体科学。テクノロジー。 12 (2023): 114003.DOI: 10.1149/2162-8777/ad07ee