Area selective deposition of HfNx by dodecanethiol self-assembled monolayer on copper by immersion

Nowadays, the downscaling of devices and the trend toward increased 3D integration have promoted fabrication challenges. The traditional top-down techniques as lithography are not more suitable as fabrication techniques since misalignment can occur during one of the many steps needed. In order to overcome these problems that can lead to short and disconnection, selective deposition approaches were developed because they provide deposition layer by layer of wanted materials with a wide range of thicknesses. Atomic layer deposition (ALD) has reported considerable success due to the conformity and uniformity at the atomic scale. Since the nano-patterned substrate is used, the area selective atomic layer deposition (AS-ALD) can facilitate fabrication of 2D and 3D metal/dielectric substrate of integrated circuits (IC). In other words, the deposition is guaranteed only in a specific area of the substrate (growth-area). Selective deposition can be achieved exploiting material selectivity or by surface modification prior to deposition. Deposition of self-assembled monolayers (SAMs) is the most common way of chemical modification of the surface in the area where ALD is not desired. These organic monolayer films form spontaneously on solid by liquid or vapour phase. In this work, we test the limits of area selective deposition on dielectric-on-dielectric by selectively depositing an organic SAM as the blocking layer on the metal parts of metal/dielectric (Cu/SiO2 ) patterns. Firstly, deposition by immersion of dodecanethiol at different immersion time using different pre-treatment on the blanket copper wafer was studied and characterized by spectroscopy ellipsometer, water contact angle and cyclic voltammetry. After, choosing the best experimental condition in terms of pre-treatment and immersion time we demonstrate selective deposition of HfNx on metal/dielectric patterns by protecting metal surfaces using DDT blocking layers. Then characterization with scanning electron microscopy and atomic force microscopy were performed. Selective deposition on patter wafer was achieved until 6 nm of HfNx layer thickness on SiO2, with only ~ 4 % of the area covered of defects on copper lines.

Oggigiorno, il downscaling dei dispositivi e la tendenza verso una maggiore integrazione 3D hanno promosso sfide di fabbricazione. Le tradizionali tecniche top-down come la litografia non sono più adatte come tecniche di fabbricazione poiché il disallineamento può verificarsi durante uno dei molti passaggi necessari. Al fine di superare questo problema che può portare a cortocircuiti e disconnessioni, sono stati sviluppati approcci di deposizione selettiva perché permettono una deposizione strato per strato del materiale desiderato con una vasta gamma di spessori. Atomic Layer Deposition (ALD) ha riscontrato un notevole successo grazie alla buona conformità e uniformità a livello atomico. Dal momento che in elettronica vengono utilizzati substrati nano-patterned, Area Selective Atomic Layer Deposition (AS-ALD) può facilitare la fabbricazione di strutture 2D e 3D metallo/dielettrico presenti nei circuiti integrati (IC). In altre parole, la deposizione è garantita solo in un’area specifica del substrato (area di crescita). La deposizione selettiva può essere ottenuta sfruttando la selettività del materiale o modificando la superficie prima della deposizione. La deposizione di Self-Assembled Monolayer (SAM) è il modo più comune per modificare chimicamente la superficie nell’area in cui non si desidera la depositione tramite ALD. Questi film organici si formano spontaneamente sul solido mediante fase liquida o vapore. In questo lavoro di tesi, verrà dimostrata la selettività dei processi di deposizione di dielettrico su dielettrico dove SAM verrà sfruttato come strato bloccante sulle linee di metallo presenti in substrati nano-patterned (Cu / SiO2). In primo luogo, DDT SAM verrà depositato tramite immersione andando a caratterizzare tramite SE, WCA, CV i campioni, studiando l’effetto della concentrazione di DDT nella soluzione, il tempo di immersione e differenti pre-trattamenti sul wafer di rame. Successivamente, considerando le migliori condizioni sperimentali in termini di tempo di immersione e pre-trattamenti utilizzati viene dimostrata la selettività della deposizione usando DDT SAM come blocking layer, caratterizzando i provini con immagini SEM e AFM. La deposizione selettiva su pattern wafer è stata dimostrata fino a 6 nm di spessore dello strato HfNx su SiO2 , con solo ~ 4 % di area coperta da difetti su linee di rame.