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원자층 증착법은 자기 제한 반응에 기반하여 사이클 당 단분자층이 균일하게 증착되므로, 고종횡비를 가지는 3차원 구조 내에서도 균일한 박막의 형성이 가능하다. 현재 3차원 NAND내 워드라인 금속으로 활용되는 텅스텐은 원자층 증착법이 가능하지만, 확산 방지막이 필요하여 적층 수 증가에 한계가 있으며, 확산 방지막으로 인한 저항의 증가 문제가 존재한다. 이에 따라 몰리브데넘이 텅스텐을 대체할 차세대 금속 배선 물질로 원자층 증착법을 적용하기 위해 활발한 연구가 진행되고 있으나, 기존 몰리브데넘 전구체는 높은 융점으로 인해 증착 시 특수한 장비가 필요하고, 고순도 박막 형성을 위해 고온 공정을 요구하며, 자기 식각 반응의 한계를 보였다. 본 발명에서는 이러한 한계를 극복하기 위해 사이클로펜타디에닐 기반 몰리브데넘 전구체를 이용한 몰리브데넘 탄화물 원자층 증착법 및 증착 후 열처리 중 기판 반응을 통한 환원법을 제시한다. 본 발명에서 활용한 전구체는 70 °C 의 온도에서 안정적인 전구체 공급이 가능하며, 증착은 475 °C 이하에서 구현된다. 또한 증착 후 열처리 과정에서 기판과 반응하여 박막 내 탄소가 제거됨으로써 고순도의 몰리브데넘 박막의 형성이 가능하다. 본 발명자는 몰리브데넘 탄화물 박막을 사이클로펜타디에닐 기반 몰리브데넘 전구체를 활용한 원자층 증착법으로 증착하였다. 반응 기체는 고순도 수소를 사용하였으며 퍼징과 운반 기체는 고순도 질소를 사용하였다. 공정 사이클은 전구체 노출 5초, 퍼징 15초, 반응물 200초, 퍼징 100초의 시간으로 구성하였다. 증착된 박막의 두께는 타원계측기와 FE-SEM을 통해 확인했다. 이후 550-950 °C 의 온도 범위에서 RTA를 활용해 1분간 증착 후 열처리 공정을 수행하였고, 이후 4점 탐침법을 활용한 박막의 면저항 측정으로 증착 후 열 처리를 통해 박막의 비저항이 감소함을 확인하였다. XRD 분석 결과, 박막 증착 후 열처리를 통한 기판과의 상호작용을 통해 몰리브데넘 탄화물의 탈탄소화 반응을 유도해 몰리브데넘으로 상변화가 발생함을 확인했다. 박막의 조성을 확인하기 위해 XPS 깊이 분석을 진행하였다. 위 그래프의 XPS 깊이 분석 결과와 같이 열 처리 이전 2 : 1의 비율로 존재하던 몰리브데넘 : 탄소의 비율이 열처리 이후 기판 내 산소에 의한 탈탄소화 반응을 통해 탄소가 박막 내에서 제거되고 90% 이상의 몰리브데넘 박막으로 환원된 것을 확인했다.

3차원 반도체 소자의 고집적화를 위해 캐패시터를 제거할 경우, 낮은 오프 전류로 데이터 유지 시간을 확보할 수 있는 산화물 반도체가 채널 물질로 요구된다. 그러나 산화물 반도체 채널을 형성하기 위해서는 반응성이 높은 산소 반응물인 오존의 사용이 필요하며, 이 과정에서 구조적으로 선행 형성된 금속 전극이 산화되는 문제가 발생한다. 형성된 불필요한 산화막은 전극-채널 계면에서 접촉 저항을 크게 증가시키므로 반드시 해결해야 할 과제이다. 본 발명에서는 원자층 증착법(ALD; atomic layer deposition)을 이용해 몰리브데넘 탄화물 박막을 접촉층으로 형성했다. 원자층 증착법은 자기 제한 반응에 기반하여 균일한 박막의 증착과 나노미터 단위의 두께 조절이 가능하므로, 매우 얇은 접촉 박막 구현에 적합하다. 이러한 특성을 지닌 몰리브데넘 탄화물 박막을 금속 전극 위에 선행 증착 함으로써, 이후 산화물 반도체 증착 시 금속 전극의 산화를 효과적으로 방지할 수 있으며, 동시에 저저항 유지와 오믹 접촉 형성이 가능하다. 몰리브데넘 탄화물 박막의 오존 저항성을 확인하기 위해 대표적인 산화물 반도체중 하나인IGZO의 증착 온도인 250 °C 에서 20분간 오존을 노출하였다. 또 다른 몰리브데넘 탄화물 박막 위에는 산화물 반도체중 하나인 인듐 산화물을 오존을 반응물로 사용하여 증착한 뒤 XPS 깊이 분석을 통해 계면 특성을 평가하였다. 그 결과, 몰리브데넘 탄화물은 오존 환경에서도 하부 금속 전극의 산화를 효과적으로 억제함을 확인할 수 있었다. 또한 일부 몰리브데넘 이산화물의 형태로 산화되었는데, 몰리브데넘 이산화물의 낮은 비저항과 준금속성 특징으로 산화물 반도체와의 계면에서 오믹 접촉을 형성할 것으로 보여진다.