ALD로 증착한 SrTiO3 박막의 산화제에 따른 화학적, 전기적 특성 변화 및 증착 거동 메커니즘 분석

Abstract

SrTiO3 (STO) 는 매우 높은 유전율(~300)을 가진 물질로 차세대 DRAM 커패시터 적용을 위해 원자층 증착법(Atomic layer deposition, ALD)을 이용한 증착 공정 개발 연구가 활발히 진행되고 있으나 기존 연구결과의 경우 산화력이 매우 높은 O3를 산화제로 사용하여 증착공정 중 하부 전극막이 열화되는 문제점을 가지고 있다. 본 연구에서는 이를 해결하기 위해 산화제로 H2O를 사용하여 STO 박막의 ALD 공정을 개발하고 이에 대한 화학적, 전기적 특성을 평가하였으며 산화제 변화에 따라 나타난 STO ALD 공정의 증착거동을 분석하였다. {Sr(demamp)(tmhd)}2와 H2O를 이용하여 SrO ALD 증착공정을 확보하였으며 기 확보된 Ti(MeO)3(CpMe5)와 O3를 이용한 TiO2 ALD 공정을 이용하여, Ru 기판의 열화를 효과적으로 감소시키면서도 stoichiometric하고 carbon-contamination free한 STO 박막의 ALD공정을 확보하였다. 이렇게 증착된 STO 박막과 Ru 하부전극, RuO2 상부전극을 이용하여 metal-insulator-metal (MIM) 커패시터를 제작하여 STO 박막의 전기적 특성 평가를 진행하였다. H2O를 SrO ALD 공정의 산화제로 사용한 STO 박막(H2O-STO)의 bulk 유전율은 기존에 보고된 O3를 SrO ALD의 산화제로 사용한 STO ALD 박막(O3-STO)에 비해 큰 폭으로 향상된 238로 나타났으며, 이러한 bulk 유전율 향상의 원인 중 하나는 늘어난 증착 공정 시간에 따른 STO 박막의 결정성 향상으로 확인된다. 또한, 하부 전극막 열화 감소로 박막의 roughness가 감소하여 누설전류 특성 역시 향상되었으며 이를 통해 10-7 A/cm2 @0.8 V 이하의 누설전류에서 등가 산화막 두께 0.62 nm를 얻을 수 있었다. 따라서 H2O-SrO 공정을 통해 STO 박막의 물성 및 이를 이용한 MIM 커패시터의 특성을 효과적으로 향상시킬 수 있었다. SrO 증착 공정과 TiO2 증착 공정에 서로 다른 산화제를 사용하여 STO 박막을 증착할 때 나타나는 특이한 증착 거동에 대한 분석을 진행하였다. TiO2-ALD 공정의 산화제는 O3로 동일하더라도 SrO-ALD 공정의 산화제가 O3에서 H2O로 바뀌면 Sr의 증착량이 아닌 Ti의 증착량이 크게 감소하였는데 이는 SrO-ALD 전구체인 {Sr(demamp)(tmhd)}2이 가지는 oxygen scavenging effect에 기인함을 알 수 있었다. 또한 SrO-ALD 산화제에 따른 표면 termination 변화 역시 Ti(MeO)3(CpMe5)의 흡착량을 변화시켜 Ti 증착량에 영향을 미칠 것으로 여겨진다.

SrTiO3 (STO) and its atomic layer deposition (ALD) process have been studied for next-generation DRAM capacitor dielectric due to its high dielectric constant, however, it has severe problem about the degradation of bottom electrode by O3 oxidant. In this work, STO ALD process with H2O oxidant and its chemical and electrical properties were evaluated. Also, the analysis on the growth mechanism of STO ALD with respect to the oxidant was performed. An ALD process for SrO film growth was developed using {Sr(demamp)(tmhd)}2 and H2O as Sr precursor and oxidant, respectively, for obtaining stoichiomectic and carbon-contamination free STO thin film ALD process with combination of TiO ALD process by Ti(MeO)3(CpMe5) and O3, which was previously reported process. The electrical properties of this STO film was conducted with metal-insulator-metal capacitor using Ru and RuO2 as bottom and top electrode, respectively. The bulk dielectric constant of 238 of STO thin film by SrO ALD with H2O as oxidant, which was dramatically improved compare to that of by O3, seemed that it was caused by the crystallinity enhancement of STO thin film due to increased process time. Also, Leakage current density of STO film was reduced by alleviated bottom electrode degradation, in turn, 0.62 nm of equivalent oxide thickness was obtained with < 10-7 A/cm2 @0.8 V of leakage current density. Therefore, the properties of STO thin film and MIM capacitor were enhanced by using H2O-SrO ALD process. The analysis on peculiar growth behavior of STO ALD process by using different oxidants for SrO and TiO2 deposition process was conducted. The deposited amount of Ti was decreased when the oxidant of SrO ALD process was replaced O3 with H2O and even TiO was deposited with same oxidant as O3, while that of Sr was not changed. The oxygen scavenging effect of {Sr(demamp)(tmhd)}2, precursor of Sr, was accounted for this unexpected behavior. It was also supposed that Ti deposition rate was influenced by the surface termination, which would determine the adsorption amount of Ti(MeO)3(CpMe5), according to oxidant of SrO ALD.