질화 티타늄 기판과 산화 마그네슘 버퍼 층을 이용한 산화 베릴륨 박막의 유전율 개선 연구

Abstract

산화 베릴륨 박막의 고유전율 특성에 대한 연구는 2015년도에 서울대학교 연구실에서 발표한 반도체 소자에서 가장 중요한 열쇠가 될 수 있는 높은 유전율을 가지면서도 띠틈 (band gap)이 큰 물질의 개발을 위해 제일원리계산 (ab initio calculation)을 기반으로 진행한 유전물질 스크리닝을 통해 도출된 결과로부터 시작되었다. 대부분의 물질들이 유전율과 띠틈이 트레이드-오프 관계를 가지는 것에 반하여 암염 (rocksalt) 구조의 산화 베릴륨은 274에 달하는 유전율과 10.1eV에 달하는 띠틈을 가지는 것으로 예측되었기 때문이다[1]. 하지만, 산화 베릴륨은 시뮬레이션 방법에 따라 차이가 있지만 암염 구조 산화 베릴륨은 100 GPa이 넘는 고압에서만 안정화되는 것으로 보고되어 있으며 상온의 대기압 조건에서는 우르자이트 (wurtzite) 상으로만 존재하는 것으로 보고되어 있다[2]. 우르자이트 구조 산화 베릴륨의 띠틈은 10.6eV로 높지만[3] ~7 수준으로 낮은 유전율을 갖고 있어[4] 유전 특성이 통상의 트레이드-오프 수준을 넘어서지 못하는 수준에 그친다. 따라서 반도체 재료로서 암염 구조 산화 베릴륨의 연구를 위해서는 고온 고압을 가하지 않으면서 안정상을 바꿀 수 있는 방법에 대한 이해와 연구가 필요하다. 기존에 이러한 고압에서 안정화되는 상을 대기압에서 안정화하기 위한 방법으로 연구된 사례들을 보면 증착 대상의 표면 구조에 따른 핵형성 (nucleation)의 속도론적 장벽 (kinetic barrier) 차이를 이용해 준안정상 (metastable)을 결정화 시키거나 적절한 도핑을 이용해 결정화 시 안정상을 바꾸는 등의 방법이 사용되고 있으며 이에 본 연구에서는 금속-절연막-금속 커패시터 (MIM capacitor) 구조를 기반으로 질화 티타늄 (TiN) 금속 전극에 원자층박막증착 (Atomic Layer Deposition) 공정을 통해 증착된 산화 마그네슘 (MgO) 박막을 버퍼 층 (buffer layer)으로 사용하고 그 위에 다시 원자층박막증착 공정으로 산화 베릴륨을 증착해 버퍼 층 삽입이 산화 베릴륨의 유전박막 특성에 미치는 영향을 분석하고 암염 구조 산화 베릴륨 구현화 가능성 및 우수한 유전 특성의 구현 가능성에 대해 연구해 보았다. 첫 번째로 하부 금속 전극을 질화 티타늄으로 사용하면 산화 마그네슘과 격자 구조의 차이가 적어 기판 효과로 인해 산화 마그네슘의 결정성이 향상되는 이점을 활용하고 분석하기 위해 원자층박막증착 공정으로 만들어진 산화 마그네슘을 실리콘 기판을 대조군으로 하여 질화 티타늄 기판에서만 얇은 두께에서도 결정화가 잘 일어남을 X-선 회절분석법 (XRD)을 이용해 비교하여 분석하였다. 두 번째로 버퍼 층인 산화 마그네슘 박막의 두께 변화에 따른 산화 베릴륨의 두께를 고정하여 유전율 변화를 프로브 스테이션을 이용해 측정하여 버퍼 층 두께 영향성을 평가하였다. 또한, 산화 마그네슘 버퍼 층의 두께는 고정시키고 산화 베릴륨 두께를 변화시켜 기판 효과로 인한 유전율 향상이 얼마나 두꺼운 산화 베릴륨에도 유효할 것인지를 평가하였다. 세 번째로 유전율 변화로 확인된 것이 정말 상변화와 관련 있는 것인지 확인하기 위해 X-선 회절분석장치 (X-ray diffractometer) 및 투과 전자현미경 (Transmission electron microscopy) 등을 이용해 분석했다. 다만, 산화 베릴륨은 경원소이기 때문에 얇은 두께의 막질에서는 상변화와 관련된 변화를 X-선을 이용한 분석 방법으로 직접적으로는 알기 어려웠고 산화 베릴륨의 상변화에 따라 버퍼 층인 산화 마그네슘 막질에 가해지는 응력 변화에 따른 X-선 분석 결과를 통해 추론한 결과를 투과 전자현미경 이미지 분석 결과와 비교하는 방식으로 간접적으로 분석하였다. 결론적으로 질화 티타늄 기판에서의 산화 마그네슘 버퍼 층은 2nm 수준의 얇은 두께에서도 산화 베릴륨이 문헌 값 ~7 대비 상대적으로 높은 20 수준의 유전율을 보였고 이는 처음 예상했던 산화 베릴륨의 상이 암염 구조에 가깝게 변화했기 때문으로 추론할 수 있다. 따라서 이번 연구는 높은 유전율과 띠틈을 동시에 가질 것으로 예측되었던 암염 구조 산화 베릴륨의 특성을 반도체 공정에 적용하기 용이한 원자층박막증착법을 기반으로 구현화 하기 위한 한 가지 가능성을 보여주었다고 할 수 있다.

Rocksalt structure beryllium oxide (BeO) thin film has been highlighted as an exceptional high-k dielectric material for various semiconductor device application because it can have a very high-k value of > 200 and high band gap of ~ 10 eV simultaneously under the very high pressure (> 100 GPa) condition. However, this result was an only theoretical expectation based on the first-principles calculation. Also, the stable crystal structure of BeO is wurtzite at normal thermal Atomic Layer Deposition (ALD) processing conditions of which k-value is only ~8, whereas the rocksalt structure BeO could be stabilized only under an extremely high-pressure condition. The adoption of cubic-based MgO as a buffer layer was expected to stabilize rocksalt or quasi-rocksalt BeO without high-pressure process. Also, TiN substrate was used to support crystallization of very thin MgO films. The measurement of electronic properties of Metal-Insulator-Metal (MIM) capacitors, especially dielectric constant, and X-Ray Diffraction were used to verify the enhancing effect of the MgO buffer layer for the cubic BeO. To clearly verify the effect of TiN substrate and MgO buffer layer combination, BeO thin films with the MgO buffer layer on top of the BeO were used as a control group. This work shows the ALD MgO film on the TiN substrate as a buffer layer is effective for enhancing of dielectric constant of ALD BeO (~20). Although the dielectric constant of BeO is not high enough, this work may provide a step toward the final goal of rocksalt BeO film growth by an ALD method.