Rutile 구조 TiO2의 ALD 진행 중 RuO2 기판 환원을 억제하기 위한 SnO2 박막 도입 평가

Abstract

DRAM 소자가 미세화 됨에 따라 capacitor를 형성하는 공정은 그 난이도가 급격히 증가해왔다. 특히 data 0과 1을 구분하기 위해서는 특정 수준 이상의 전하를 capacitor에 저장할 수 있어야 하는데, 구조적인 방식으로는 더 이상 동작에 필요한 정전용량을 확보하기 어려운 상황이 되었다. 따라서 높은 유전율을 가지는 물질에 대한 연구가 활발히 진행되고 있는데 대표적인 물질이 rutile 구조의 TiO2이다. TiO2는 유전상수 약 80-170 정도로 보고되는 high-k 물질로서, 동일한 rutile 구조를 가지는 RuO2 전극 위에 ALD 방식으로 epitaxial 증착이 가능하다. 따라서 높은 aspect ratio를 가지는 DRAM capacitor에 하부 전극으로써 RuO2를 도입할 경우 TiO2를 균일한 두께의 얇은 막질로 증착하는 것이 가능하다. 그런데 RuO2 기판은 상부 유전막의 증착 온도나 증착에 사용하는 반응 gas, 그리고 후속 공정에서의 heat budget 등에 의해 Ru로 쉽게 환원될 수 있다. RuO2 기판이 환원되는 경우 oxygen의 유실에 따른 volume shirink 및 void가 발생할 수 있고 이로 인하여 누설전류 특성이 나빠질 수 있다. 또한, 환원 반응으로 발생한 산소가 트랜지스터 방향으로 확산되는 경우 트랜지스터의 on-off 특성 열화를 야기할 가능성도 존재한다. 따라서 RuO2와 TiO2의 중간 크기의 formation energy를 가지고, lattice mismatch가 작은 SnO2 박막을 barrier로써 도입하여 환원 저항성을 높이고 capacitor 특성 확보가 가능한지를 평가하였다. 먼저 95% N2/5% H2의 환원 gas 분위기에서 열적 스트레스를 인가하면서 SnO2 박막이 RuO2의 환원 저항성을 향상시키는지에 대해 검증을 진행하였다. 결정상이나, 표면 상태 측정을 통하여 확실하게 SnO2로 인하여 RuO2의 환원 저항성이 높아진다는 점을 확인하였기에 SnO2/RuO2를 기판으로 사용하여 TiO2 유전막을 증착하였다. TiO2는 RuO2에서와 마찬가지로, SnO2 표면 위에서도 rutile 구조로 결정화 되는 것이 확인되었다. 열적 스트레스 평가나 AES depth profile 분석, XRF를 이용한 TiO2 초기 성장 거동 분석을 통하여 TiO2 증착 과정 및 TiO2 증착 후에도 SnO2가 효과적으로 RuO2의 환원을 제어하고 있다는 점이 검증되었다. 그리고 TiO2 증착 전, 후의 Ru 면밀도 변화 측정 결과를 통하여 RuO2 기판이 TiO2 증착 과정에 환원되면서 발생 가능한 문제점과 SnO2 도입의 효과를 함께 고찰하였다. SnO2 박막을 도입한 소자에 상부전극을 올려서 평판 capacitor를 형성한 후 전기적 특성 분석을 진행하였다. 누설전류는 capacitor가 아닌 diode와 같은 특성을 나타내었고, capacitance는 이상 거동을 나타내었다. 제작된 소자가 기존의 capacitor의 특성을 보이지 않는 근본적인 원인은 사용된 SnO2 박막의 비저항이 전극으로 사용할만큼 충분히 낮지 않고, high doping된 반도체의 성질을 가지기 때문인 것으로 파악되었다. SnO2가 doping된 n-type 반도체의 특성을 지닌다는 사실을 바탕으로 energy band diagram이나 capacitor의 회로적 특성을 이용하여 특성 열화의 원인에 대해 상세히 분석하였다. 분석된 원인을 기반으로 전기적 특성 개선 방안들에 대해 고찰해보고 및 적용 가능성을 확인해보았다.