DRAM Capacitor의 유전율 향상을 위한 ZrO2/Al2O3/TiO2 박막의 전기적, 구조적 특성 연구

Abstract

DRAM 소자는 혁신적인 기술 개발로 계속 미세화되어 10nm 시대에 도달하였다. 이에 따라서 DRAM의 DATA를 저장하는 셀 커패시터(Cell capacitor)는 작게 만들어야 하는 물리적 한계를 갖지만 높은 정전용량과 낮은 누설전류 특성을 유지하도록 요구된다. 이를 충족시키기 위해서는 현재 양산 제품에 사용되는 ZAZ(ZrO2/Al2O3/ZrO2)구조의 유전막은 한계점이 있다. 얇아진 ZrO2 층의 두께로는 결정화되기 어렵기 때문에 낮은 유전상수(k~25)를 나타낸다. 높은 유전율을 갖는 물질들이 새로운 대안으로 부각되지만 물리적인 두께와 복잡한 공정의 문제로 현재는 양산 공정에 적용되기에는 문제가 많다. 이 실험에서는 현재 DRAM 소자에서 사용중인 ZAZ 유전막과 비교하여 전기적 특성이 우수한 차세대 유전막인 ZAT(ZrO2/Al2O3/TiO2)구조를 평가하였다. 정전용량을 높이기 위하여 TiO2를 high-k 유전체층 (anatase 40, Rutile 83-100)으로 도입하고자 한다. 그러나 작은 밴드 갭(Band gap)을 갖기 때문에 TiO2 (3.4eV)는 단일 유전체층으로 사용하는 것은 높은 누설전류 특성으로 어려움이 있다. 따라서 TiN 전극을 사용하는 ZAZ 구조에서 하부 ZrO2 층은 그대로 동등한 누설 전류 특성을 유지하면서 등가 산화막 두께(EOT, Equivalent Oxide Thickness)를 더 낮출 수 있는 TiO2 층을 적용 하였다. 우선 TiN 전극을 사용하여 ZAZ와 ZAT 유전막을 동일한 공정조건으로 증착하여 ZAT 유전막의 정전용량이 더욱 높아짐을 확인하였으며 누설전류도 낮은 수준을 유지함을 확인하였다. 하지만 공정 적용을 위한 박막화 평가에서는 전체유전막 두께를 얇게 증착할수록 점점 누설전류 특성이 열화됨을 확인하였다. EOT를 낮추기 위하여 열처리(RTA, rapid thermal annealing)공정을 적용하여 유전막의 결정화를 돕도록 하였다. 이를 통하여 더욱 낮은 EOT 두께를 확인하였으나 여전히 높은 누설전류 특성이 문제점으로 나타났다. ZAT 유전막의 높은 정전용량은 TiO2 박막의 고유전율에서 기인한 것으로 판단되었으며 이를 분석하기 위하여 다양한 두께의 ZAT 소자를 이용하였다. 물리적 두께와 등가 산화막 두께 그래프 기울기를 통하여 TiO2 박막의 유전상수를 40.9로 분석하였으며 XRD(X-ray diffraction) 분석 결과로 TiO2층이 anatase 결정구조를 갖고 있음을 확인하였다. 또한 투과전자현미경(TEM)을 이용한 분석으로 각 층의 결정화 및 박막 구조를 확인 할 수 있었다. TiO2 박막의 특성을 확인 한 후 분석된 데이터를 바탕으로 전기적 특성을 개선하기 위한 증착 구조를 고찰해보고 양산 공정 적용가능성에 대하여 확인해보았다. 이에 따라 개선 평가는 ZrO2와 TiO2의 두께비율 변화와 Al2O3 박막의 두께 및 위치를 변경하여 진행하였다. ZrO2 : TiO2 두께비율 1:1에서 2:1로의 변화와 Al2O3 두께 향상을 통해 일부 시료에서 누설전류 감소 효과를 확인하였으며, 총 2cycle의 Al2O3 박막 두께로의 위치 변화에 따른 효과는 미비하였다. ZAT의 전기적 특성 최적화를 위하여 두께비 변화와 Al2O3 두께 상향을 통하여, 물리적 두께 7.5nm의 유전막에서 EOT 0.68nm, 누설전류 10-8A/cm2(@ +0.8V) 수준의 특성을 확보하였다. 이 연구를 통하여 DRAM capacitor의 ZAZ유전막을 대체할 차세대 유전막으로써 ZAT의 전기적, 구조적 특성을 분석하였으며 향후 최적화된 증착 조건을 통하여 더 우수한 유전막을 얻을 수 있는 가능성을 확인하였다.

DRAM devices continued to scale-down to reach 10nm generation. As a result, the characteristics of the cell capacitor are limited, but we want to maintain higher capacitance density and lower leakage current density. At present, the ZAZ structure can not crystallize the thinned ZrO2 layer, resulting in a problem of low dielectric constant(k ~25). High-k materials are emerging as substitutes, but there are problems such as physical thickness and complex processes. In this experiment, ZAT (ZrO2 / Al2O3 / TiO2) dielectric layer, which is a next generation dielectric layer with superior electrical characteristics, is evaluated compared with the ZAZ dielectric layer currently used in DRAM devices. TiO2 was used as a high-k dielectric layer (anatase ~40, Rutile a~90 c~170) to increase the capacitance. However, since it has a small band gap, it is difficult to use TiO2 (3.4 eV) as a single dielectric layer due to the leakage current problem. Therefore, in the ZAZ structure using the TiN electrode, the ZrO2 layer as the lower dielectric film was replaced with a TiO2 layer which can lower the equivalent oxide thickness (EOT), while maintaining the same leakage current characteristics. First, the ZAT and ZAT dielectric films were deposited on the TiN electrode under the same process conditions. The capacitance of the ZAT dielectric film was higher and the leakage current was also low. However, in the thin film evaluation for the process application, the leakage current characteristics gradually decreased as the total dielectric film thickness was thinly deposited. In order to lower the EOT, a heat treatment (RTA) process was applied to help crystallize the dielectric film. Although a lower EOT thickness was observed after this process, high leakage current characteristics were a problem. The high capacitance of the ZAT dielectric layer was determined to be due to the high dielectric constant of the TiO2 thin film. The dielectric constant of the TiO2 thin film was analyzed by physical thickness and equivalent oxide thickness graph slope. The anatase crystal structure of TiO2 was confirmed by XRD analysis. The crystallization and thin film structure of each layer were confirmed by FFT analysis using TEM. After confirming the characteristics of the TiO2 thin film, we have considered the electrical characteristics improvement measures based on the analyzed data. The change in thickness ratio of ZrO2 and TiO2 and the thickness and position of Al2O3 thin film were evaluated. The change of the ratio of ZrO2: TiO2 thickness from 1: 1 to 2: 1 confirmed the effect of reducing the leakage current in some samples, and the effect of changing the position of Al2O3 thin film was insufficient. In order to optimize the electrical characteristics of ZAT, the thickness ratio was changed and the Al2O3 thickness was increased. As a result, the characteristics of EOT 0.68nm and leakage current 10-8A/cm2 (@ + 0.8V) were obtained in a dielectric film having a physical thickness of 7.5 nm. Through this study, I have analyzed the electrical and structural characteristics of ZAT as a next generation dielectric film to replace the ZAZ dielectric film of DRAM capacitors, and confirmed the possibility of obtaining a better dielectric film through optimized deposition scheme in the future.