ALD로 증착한 Al doped HfO2와 Al doped ZrO2 박막의 Mo 전극 상에서 구조적, 전기적 특성

Abstract

최근 디스플레이 시장은 크게 휴대폰, 태블릿 PC, 네비게이션 등의 소형 디스플레이와 컴퓨터용 모니터, 노트북 등의 중형 디스플레이, 그리고 TV, Signage 등의 대형 디스플레이로 나누어져 있다. 그 중 소형이나 중형 디스플레이의 경우 디스플레이의 경우 두 픽셀 사이의 간격을 점점 줄여 사람의 눈이 한 점으로 인식하게 되는 300ppi (pixel per inch) 이상의 고해상도를 요구한다. 디스플레이의 해상도를 높이려면 단위 픽셀의 크기가 작아져야 하는데, 픽셀 크기에 한계가 있기 때문에 TFT나 커패시터 및 배선도 함께 작아지지 않으면 전체 픽셀 면적 대비 빛이 발생하는 비율인 개구율(Aperture ratio)이 줄어들게 된다. 따라서 고해상도 디스플레이 제작을 위해서는 개구율을 최대화하여 해상도를 향상시켜야 한다. 개구율을 최대화하기 위하여 커패시터의 면적을 줄이게 되면 정전용량이 작아지기 때문에 이를 방지하기 위해서는 커패시터의 두께를 얇게 만들 필요가 있다. 하지만 커패시터 유전물질의 두께가 너무 얇아지면 항복전압이 작아지거나 누설전류가 증가하는 문제가 발생할 수 있다. 따라서 물리적 두께를 일정 수준 이상으로 유지하여 항복전압과 누설전류 특성을 만족시키는 동시에, 높은 정전용량을 확보해야 하는 것이 요구되고 있다. 기존에 사용되었던 silicon oxide 혹은 silicon nitride로는 정전용량을 만족시키기 위해서는 매우 얇은 두께를 필요로 하기 때문에 HfO2나 ZrO2와 같이 유전상수 값이 큰 유전물질이 차세대 고해상도 디스플레이 소자에 적용 가능한 커패시터 유전물질로 기대되고 있다. HfO2와 ZrO2는 온도와 압력에 따라 다양한 결정 구조를 가질 수 있는데, 일반적으로 상온, 상압에서 monoclinic 상을 갖는 것이 안정하다. 그러나 monoclinic 상의 HfO2의 유전율이 17, monoclinic 상의 ZrO2의 유전율이 20정도이며, tetragonal 혹은 cubic 상의HfO2의 유전율이 30-40, tetragonal 혹은 cubic 상의 ZrO2의 유전율은 40정도임을 감안한다면, tetragonal 혹은 cubic 상을 갖는 HfO2와 ZrO2를 사용하는 것이 더 유리하다. 본 연구에서는 디스플레이 소자에 적용할 수 있는 두꺼운 두께를 갖는 HfO2 와 ZrO2 박막을 원자층증착법으로 증착하여, Al 도핑농도에 따른 구조적, 화학적 특성 변화와 이 유전막을 이용하여 제작한 커패시터 구조에서의 전기적 특성 변화에 대한 연구를 진행하였다. 첫 번째로 원자층증착법을 통해 증착한 HfO2와 ZrO2 박막의 Al 도핑 농도에 따른 구조적 특성 변화에 대해 분석하였다. Al을 도핑하지 않은 HfO2와 ZrO2 박막은 Mo 기판 위에서 각각 monoclinic 상과 tetragonal 혹은 cubic 상으로 성장하였음을 XRD(X-ray Diffraction) 분석을 통해 확인하였다. 이에 Al을 도핑하게 되면 Al이 HfO2와 ZrO2의 결정성장을 방해하여 박막의 grain의 크기가 작아지는 것을 확인하였다. Al 도핑 농도가 높아질수록 HfO2 박막은 tetragonal 상으로 성장하는 것을 확인하였으며, ZrO2 박막의 경우 성장하는 상에는 변화가 없으나, Al 도핑 농도가 증가할 수록 결정성이 나빠지는 것을 확인하였다. 두 번째로 원자층증착법을 통해 증착한 Al doped HfO2와 Al doped ZrO2 박막을 이용한 금속-절연체-금속 구조의 커패시터를 제작하여 그 전기적 특성에 대해 분석하였다. 먼저, Al 도핑 농도에 따른 Al doped HfO2와 Al doped ZrO2의 정전용량에 대해 분석한 결과, Al doped HfO2의 경우 Al 도핑 농도가 증가할수록 정전용량 값이 커지며 어느 농도 이상에서는 Al doped HfO2 박막이 결정 상으로 성장하지 못하고 비정질로 성장하기 때문에 낮은 정전용량을 갖는 것을 확인하였다. 이는 Al 도핑 시 tetragonal HfO2의 성장으로 인한 것으로 추측해 볼 수 있으며, 이로 인해 커패시터의 정전용량 값을 증가시킬 수 있음을 확인하였다. Al doped ZrO2의 경우 Al 농도가 증가하여도 정전용량의 값이 증가하지 않음을 확인하였다. 이는, Al 도핑으로 인한 결정 상 변화가 없으며 오히려 Al 도핑으로 인해 결정성이 떨어지기 때문이라고 추측해 볼 수 있다. Al 도핑 농도에 따른 Al doped HfO2와 Al doped ZrO2 박막을 사용한 커패시터의 누설전류 특성은 Al 농도가 증가할수록 우수해 지는 것을 확인하였다. 또한 Al doped HfO2와 Al doped ZrO2 박막의 항복전압 특성도 Al 도핑 농도가 증가할수록 더 우수해 지는 것을 확인하였다. 본 연구에서는 기존의 반도체 소자보다 더 높은 구동전압에서 작동하는 디스플레이소자에 사용되는 커패시터의 유전막 물질에 대한 연구를 진행하였으며, Al 도핑 농도에 따라 tetragonal 상의 HfO2 성장을 통해 우수한 정전용량과 누설전류 특성을 얻을 수 있었으며, Al 도핑 농도를 조절하여 기존의 ZrO2에 비해 누설전류 및 항복전압 특성이 우수해진 Al doped ZrO2 박막을 성장시킬 수 있었다. 이를 통해 silicon oxide 혹은 silicon nitride가 아닌 다른 고 유전상수 유전물질이 차세대 디스플레이 소자의 유전막 물질로 응용될 수 있다는 가능성을 발견하였다.