Journal of Powder Materials (한국분말재료학회지)

The Korean Powder Metallurgy & Materials Institute (한국분말재료학회 (*구 분말야금학회))
권호 표지
DOI QR코드

DOI QR Code

Recent Studies on Area Selective Atomic Layer Deposition of Elemental Metals

단일 원소 금속의 영역 선택적 원자층 증착법 연구 동향

  • Min Gyoo Cho (Department of Material Science and Engineering, Seoul National University of Science and Technology) ;
  • Jae Hee Go (Department of Material Science and Engineering, Seoul National University of Science and Technology) ;
  • Byung Joon Choi (Department of Material Science and Engineering, Seoul National University of Science and Technology)
  • 조민규 (서울과학기술대학교 신소재공학과) ;
  • 고재희 (서울과학기술대학교 신소재공학과) ;
  • 최병준 (서울과학기술대학교 신소재공학과)
  • Received : 2023.03.27
  • Accepted : 2023.04.19
  • Published : 2023.04.28
Download PDF
⟨ Previous Next ⟩

Abstract

The semiconductor industry faces physical limitations due to its top-down manufacturing processes. High cost of EUV equipment, time loss during tens or hundreds of photolithography steps, overlay, etch process errors, and contamination issues owing to photolithography still exist and may become more serious with the miniaturization of semiconductor devices. Therefore, a bottom-up approach is required to overcome these issues. The key technology that enables bottom-up semiconductor manufacturing is area-selective atomic layer deposition (ASALD). Here, various ASALD processes for elemental metals, such as Co, Cu, Ir, Ni, Pt, and Ru, are reviewed. Surface treatments using chemical species, such as self-assembled monolayers and small-molecule inhibitors, to control the hydrophilicity of the surface have been introduced. Finally, we discuss the future applications of metal ASALD processes.

Keywords

References

  1. J. Zhang, Y. Li, K. Cao and R. Chen: Nanomanuf. Metrol., 5 (2022) 191. 
  2. R. W. Johnson, A. Hultqvist and S. F. Bent: Mater. Today, 17 (2014) 236. 
  3. G. N. Parsons: J. Vac. Sci. Technol., A, 37 (2019) 020911. 
  4. S. D. Elliott, G. Dey and Y. Maimaiti: J. Chem. Phys., 146 (2017) 052822. 
  5. D. J. Hagen, M. E. Pemble and M. Karppinen: Appl. Phys. Rev., 6 (2019) 041309. 
  6. R. M. M. Hasan and X. Luo: Nanomanuf. Metrol., 1 (2018) 67. 
  7. R. F. Pease and S. Y. Chou: Proc. IEEE, 96 (2008) 248. 
  8. A. J. M. Mackus, A. A. Bol and W. M. M. Kessels: Nanoscale, 6 (2014) 10941. 
  9. G. N. Parsons and R. D. Clark: Chem. Mater., 32 (2020) 4920. 
  10. A. J. M. Mackus, M. J. M. Merkx and W. M. M. Kessels: Chem. Mater., 31 (2019) 2. 
  11. R. Chen and S. F. Bent: Adv. Mater., 18 (2006) 1086. 
  12. C. de Paula, D. Bobb-Semple and S. F. Bent: J. Mater. Res., 36 (2021) 582. 
  13. M. Pasquali, S. D. Gendt and S. Armini: Appl. Surf. Sci., 540 (2021) 148307. 
  14. H. Nadhom, R. Boyd, P. Rouf, D. Lundin and H. Pedersen: J. Phys. Chem. Lett., 12 (2021) 4130. 
  15. S. Belahcen, C. Vallee, A. Bsiesy, A. Chaker, M. Jaffal, T. Yeghoyan and M. Bonvalot: J. Vac. Sci. Technol., A, 39 (2021) 012410. 
  16. J. Kwon, M. Saly, M. D. Halls, R. K. Kanjolia and Y. J. Chabal: Chem. Mater., 24 (2012) 1025. 
  17. M. F. J. Vos, S. N. Chopra, M. A. Verheijen, J. G. Ekerdt, S. Agarwal, W. M. M. Kessels and A. J. M. Mackus: Chem. Mater., 31 (2019) 3878. 
  18. M. F. J. Vos, S. N. Chopra, J. G. Ekerdt, S. Agarwal, W. M. M. Kessels (Erwin) and A. J. M. Mackus: J. Vac. Sci. Technol. A, 39 (2021) 032412. 
  19. J. Qi, D. T. Zimmerman, G. J. Weisel and B. G. Willis: J. Chem. Phys., 147 (2017) 154702. 
  20. H. M. Kim, J. H. Lee, S. H. Lee, R. Harada, T. Shigetomi, S. Lee, T. Tsugawa, B. Shong and J. S. Park: Chem. Mater., 33 (2021) 4353. 
  21. M. M. Kerrigan, J. P. Klesko and C. H. Winter: Chem. Mater., 29 (2017) 7458. 
  22. M. Breeden, V. Wang, J. Spiegelman, A. Anurag, S. F. Wolf, D. Moser, R. K. Kanjolia, M. Moinpour, J. Woodruff, S. Nemani, K. Wong, C. H. Winter and A. C. Kummel: ACS Appl. Nano Mater., 4 (2021) 8447. 
  23. T. D. M. Elko-Hansen and J. G. Ekerdt: ECS Trans., 80 (2017) 29. 
  24. X. Jiang, H. Wang, J. Qi and B. G. Willis: J. Vac. Sci. Technol. A, 32 (2014) 041513. 
  25. B. G. Willis, J. Qi, X. Jiang, J. Chen, G. J. Weisel and D. T. Zimmerman: ECS Trans., 64 (2014) 253. 
  26. M. Kim, S. Nabeya, D. K Nandi, K. Suzuki, H. M. Kim, S. Y. Cho, K. B. Kim and S. H. Kim: ACS Omega, 4 (2019) 11126. 
  27. M. M. Kerrigan, J. P. Klesko, K. J. Blakeney and C. H. Winter: ACS Appl. Mater. Interfaces, 10 (2018) 14200. 
  28. P. S. Yang, Z. da Huang, K. W. Huang and M. J. Chen: Ultramicroscopy, 211 (2020) 112952.  https://doi.org/10.1016/j.ultramic.2020.112952
  29. A. J. M. MacKus, N. F. W. Thissen, J. J. L. Mulders, P. H. F. Trompenaars, M. A. Verheijen, A. A. Bol and W. M. M. Kessels: J. Phys. Chem. C, 117 (2013) 10788. 
  30. A. J. M. MacKus, S. A. F. Dielissen, J. J. L. Mulders and W. M. M. Kessels: Nanoscale, 4 (2012) 4477. 
  31. J. An, Y. B. Kim and F. B. Prinz: Phys. Chem. Chem. Phys., 15 (2013) 7520. 
  32. I. Zyulkov, M. Krishtab, S. De Gendt and S. Armini: ACS Appl. Mater. Interfaces, 9 (2017) 31031. 
  33. M. M. Minjauw, H. Rijckaert, I. Van Driessche, C. Detavernier and J. Dendooven: Chem. Mater., 31 (2019) 1491. 
  34. A. Brady-Boyd, R. O'Connor, S. Armini, V. Selvaraju, M. Pasquali, G. Hughes and J. Bogan: Appl. Surf. Sci., 586 (2022) 152679. 
  35. H. Y. Nie and H. R. Jahangiri-Famenini: Appl. Sci., 12 (2022) 4932. 
  36. A. Badia, R. B. Lennox and L. Reven: Acc. Chem. Res., 33 (2000) 475. 
  37. R. Wojtecki, J. Ma, I. Cordova, N. Arellano, K. Lionti, T. Magbitang, T. G. Pattison, X. Zhao, E. Delenia, N. Lanzillo, A. E. Hess, N. F. Nathel, H. Bui, C. Rettner, G. Wallraff and P. Naulleau: ACS Appl. Mater. Interfaces, 13 (2021) 9081.  https://doi.org/10.1021/acsami.0c16817
  38. R. Bogue: Assembly Automation, 28 (2008) 211.  https://doi.org/10.1108/01445150810889466
  39. A. Ulman: Chem. Rev., 96 (1996) 1533. 
  40. H. Junsic, D. W. Porter, R. Sreenivasan, P. C. McIntyre and S. F. Bent: Langmuir, 23 (2007) 1160. 
  41. X. Jiang and S. F. Bent: J. Phys. Chem. C, 113 (2009) 17613. 
  42. R. K. Smith, P. A. Lewis and P. S. Weiss: Prog. Surf. Sci., 75 (2004) 1. 
  43. I. Zyulkov, V. Madhiwala, E. Voronina, M. Snelgrove, J. Bogan, R. O'Connor, S. De Gendt and S. Armini: ACS Appl. Mater. Interfaces, 12 (2020) 4678. 
  44. J. Lee, J. M. Lee, J. H. Ahn, T. J. Park and W. H. Kim: Adv. Mater. Interfaces, 9 (2022) 2102364.  https://doi.org/10.1002/admi.202102364
  45. H. B. R. Lee, W. H. Kim, J. W. Lee, W. M. Kim, K. Heo, I. C. Hwang, Y. Park, S. Hong and H. Kim: J. Electrochem. Soc., 157 (2010) D10. 
  46. H. B. R. Lee and H. Kim: ECS Trans., 16 (2008) 219. 
  47. O. Seitz, M. Dai, F. S. Aguirre-Tostado, R. M. Wallace and Y. J. Chabal: J. Am. Chem. Soc., 131 (2009) 18159. 
  48. W. H. Kim, H. B. R. Lee, K. Heo, Y. K. Lee, T. M. Chung, C. G. Kim, S. Hong, J. Heo and H. Kim: J. Electrochem. Soc., 158 (2011) D1. 
  49. B. H. Lee, J. K. Hwang, J. W. Nam, S. U. Lee, J. T. Kim, S. M. Koo, A. Baunemann, R. A. Fischer and M. M. Sung: Angew. Chem., 121 (2009) 4606. 
  50. E. Farm, M. Kemell, M. Ritala and M. Leskela: Thin Solid Films, 517 (2008) 972.  https://doi.org/10.1016/j.tsf.2008.08.191
  51. B. Saha, W. Q. Toh, E. Liu, S. B. Tor, D. E. Hardt and J. Lee: J. Micromech. Microeng., 26 (2015) 013002. 
  52. X. Jiang and S. F. Bent: J. Electrochem. Soc., 154 (2007) D648. 
  53. E. Farm, M. Kemell, M. Ritala and M. Leskela: Chem. Vap. Deposition, 12 (2006) 415. 
  54. D. Ryan, B. A. Parviz, V. Linder, V. Semetey, S. K. Sia, J. Su, M. Mrksich and G. M. Whitesides: Langmuir, 20 (2004) 9080. 
  55. C. Prasittichai, K. L. Pickrahn, F. S. Minaye Hashemi, D. S. Bergsman and S. F. Bent: ACS Appl. Mater. Interfaces, 6 (2014) 17831. 
  56. D. L. Allara: Biosens. Bioelectron., 10 (1995) 771. 
  57. R. Khan, B. Shong, B. G. Ko, J. K. Lee, H. Lee, J. Y. Park, I. K. Oh, S. S. Raya, H. M. Hong, K. B. Chung, E. J. Luber, Y. S. Kim, C. H. Lee, W. H. Kim and H. B. R. Lee: Chem. Mater., 30 (2018) 7603. 
  58. J. Soethoudt, Y. Tomczak, B. Meynaerts, B. T. Chan and A. Delabie: J. Phys. Chem. C, 124 (2020) 7163. 
  59. P. Deminskyi, A. Haider, H. Eren, T. M. Khan and N. Biyikli: J. Vac. Sci. Technol. A, 39 (2021) 022402. 
  60. M. J. M. Merkx, S. Vlaanderen, T. Faraz, M. A. Verheijen, W. M. M. Kessels and A. J. M. MacKus: Chem. Mater., 32 (2020) 7788. 
  61. R. H. J. Vervuurt, A. Sharma, Y. Jiao, W. M. M. Kessels and A. A. Bol: Nanotechnology, 27 (2016) 405302. 
  62. X. Jiang and S. F. Bent: ECS Trans., 3 (2007) 249. 
  63. K. J. Park, J. M. Doub, T. Gougousi and G. N. Parsons: Appl. Phys. Lett., 86 (2005) 051903. 
  64. R. W. Mann and L. A. Clevenger: J. Electrochem. Soc., 141 (1994) 1347. 
  65. H. Jeon, G. Yoon and R. J. Nemanich: Thin Solid Films, 299 (1997) 178.  https://doi.org/10.1016/S0040-6090(96)09042-6
  66. S. Choi, C. Christiansen, L. Cao, J. Zhang, R. Filippi, T. Shen, K. B. Yeap, S. Ogden, H. Zhang, B. Fu and P. Justison: IEEE International Reliability Physics Symposium Proceedings (2018) 1. 
  67. M. Hosseini, D. Tierno, J. W. Maes, C. Zhu, S. Datta, Y. Byun, M. Mousa, N. Jourdan, E. D. Litta and N. Horiguchi: 2022 IEEE International Interconnect (2022) 27. 
  68. J. Cai J. Zhang, K. Cao, M. Gong, Y. Lang, X. Liu, S. Chu, B. Shan and R. Chen: ACS Appl. Nano Mater., 1 (2018) 522. 
  69. L. Zhang, Z. Zhao, M. N. Banis, L. Li, Y. Zhao, Z. Song, Z. Wang, T. Sham, R. Yi, M. Zheng, J. Gong and X. Sun: J. Mater. Chem. A, 6 (2018) 24397. 
  70. K. Cao, Q. Zhu, B. Shan and R. Chen: Sci. Rep., 5 (2014) 1. 
  71. M. J. Jung, M. Ji, J. H. Han, Y.-I. Lee, S.-T. Oh, M. H. Lee and B. J. Choi: Ceram. Int., 48 (2022) 36773. 
  72. S. Choi, J. H. Han and B. J. Choi: J. Powder Mater., 26 (2019) 243. 
  73. D. H. Kim, D.-Y. Shin, Y.-G. Lee, G.-H. An, J. H. Han, H.-J. Ahn and B. J. Choi: Ceram. Int., 44 (2018) 19554.