디램 커패시터를 위한 ZrO2/Y2O3/ZrO2 유전박막의 전기적, 구조적 특성 연구

Abstract

최근 각종 전자기기에 널리 사용중인 DRAM(Dynamic Random Access Memory)의 Capacitor 유전막으로 ZAZ(ZrO2/Al2O3/ZrO2) 구조가 널리 사용되고 있다. 이 구조에서 Al2O3 박막의 역할은 ZrO2 박막의 단점으로 지적되는 높은 leakage current 특성을 개선시키는 것이다. 이를 통해 요구되는 leakage current 특성을 만족시킬 수 있지만 그에 따른 단점도 존재한다. 바로 첨가된 Al2O3 박막 자체가 ZrO2 박막 대비 낮은 유전 상수(k=8)를 가지고 있으며, Al2O3 박막 위의 ZrO2 박막은 적절하게 결정화가 되지 않기 때문에 ZrO2 단일막 보다 유전율이 감소한다는 점이다. 이러한 단점에도 불구하고 ZAZ 구조는 그 대안이 없어 여전히 사용되고 있다. 그러나 DRAM의 크기가 점점 더 줄어들면서 ZAZ 구조만으로는 제품의 요구사항을 충족시키는 것이 점점 더 어려워지는 상황이다. 따라서 ZAZ 구조를 대체할 새로운 유전막을 만들기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 연구에서는 Al2O3 대신 Y2O3 를 사용하여 Al2O3 박막의 leakage current 특성을 향상시키는 역할은 그대로 수행하면서 유전율은 높이는 목적의 실험을 진행하였다. Y2O3 의 유전상수(14)는 Al2O3 의 유전상수(7) 보다 높으며 밴드 갭은 ZrO2 의 밴드 갭보다 높다. 또한 Y2O3 는 ZrO2 의 상을 high-k 상으로 안정화시키는 물질로도 알려져 있다. 따라서 Y2O3 는 Al2O3 를 대체할만한 좋은 물질로 판단된다. 평가는 상온에서 액체상태로 존재하는 Y(iPrCp)2(iPr-amd)전구체 및 O3 산화제를 이용하여 수행하였다. 먼저 Y2O3 박막의 ALD 증착 조건을 확보하였다. 확보된 조건에서의 증착 속도는 0.14 nm/cycle 이었고 XPS(X-rap Photoelectron Spectroscopy) 및 XRD(X-ray diffraction) 분석을 통해 cubic 상의 Y2O3 막질이 정상적으로 형성됨을 확인하였다. 또한 Al2O3 박막과 비교하여 예상했던 대로 유전율은 Y2O3 박막이 높고 leakage current 특성은 Al2O3 박막이 우수함을 확인하였다. 이후 비교를 위해 ZAZ 와 ZYZ(ZrO2/Y2O3/ZrO2) 박막을 ALD 방식으로 증착하여 전기적 특성을 평가하였다. 확인 결과 두께에 따라 서로 다른 경향의 전기적 특성이 나타남을 발견하고 4 nm 에서 13 nm 까지 6가지의 두께로 세분화 하여 각각 비교를 진행하였다. 열처리 전에는 10 nm 이상에서 ZYZ 의 EOT(Equivalent Oxide Thickness) 가 0.2 nm(10 %) 이상 감소하였지만 열처리 이후에는 높은 두께에서는 EOT 가 유사한 반면 5 nm 이하에서 EOT 개선 효과가 있음을 확인하였다. 이 것은 두께에 따른 결정화 차이에 의한 것으로 판단하고 ZrO2 박막의 POT-EOT curve 와 비교하여 그러한 경향성을 확인하였다. 4 nm 에서 13 nm 두께의 ZrO2 박막을 확인한 결과 열처리 전에는 10 nm 이상에서 결정화가 이루어 지지만 열처리 후에는 모든 두께에서 결정화가 이루어졌다. ZAZ 박막의 경우에는 열처리 전 모든 두께에서 결정화가 이루어지지 않았고 열처리 후에는 4 nm 를 제외한 두께에서 결정화가 이루어졌다. ZYZ 박막의 경우에는 ZrO2 박막과 유사하게 10 nm 이상에서 열처리 전에도 결정화가 이루어졌고 열처리 후에는 모두 결정화가 이루어 짐을 확인하였다. 이것은 POT-EOT curve 와 XRD 분석을 통해 증명하였다. 이러한 실험을 통해 ZYZ 박막의 경우 ZAZ 박막보다 열처리 후 5 nm 이하의 두께에서 EOT 개선 효과를 얻을 수 있음을 확인하였고, 추가적인 leakage current 개선평가를 통하여 ZAZ 박막보다 우수한 EOT 와 leakage current 특성을 가지는 ZYZ 박막을 만들 수 있다는 것을 확인할 수 있었다.

Recently, ZrO2/Al2O3/ZrO2(ZAZ) structure is widely used as a capacitor dielectric film of Dynamic Random Access Memory(DRAM) widely used in various electronic devices. The role of the Al2O3 layer in this structure is to improve the high leakage current characteristic which is pointed out as a disadvantage of ZrO2 thin film. This can satisfy the required leakage current characteristics, but there are disadvantages accordingly. The added Al2O3 thin film itself has a low dielectric constant(k=8) compared to the ZrO2 thin film, and the ZrO2 thin film on the Al2O3 thin film is less crystallized than the ZrO2 thin film. Despite these disadvantages, the ZAZ structure is still being used because there is no alternative. However, as the size of the DRAM is getting smaller, the ZAZ structure is becoming more and more difficult to meet product requirements. Therefore, researches for making a new dielectric film to replace the ZAZ structure have been actively conducted. In this study, Y2O3 was used instead of Al2O3 to increase the total dielectric constant while maintaining the role of improving the leakage characteristics performed by the Al2O3 thin film. The dielectric constant 14 of Y2O3 is higher than the dielectric constant 8 of Al2O3 and the band gap is higher than the band gap of ZrO2. Y2O3 is also known as a material that stabilizes the phase of ZrO2 to a high-k phase. There, Y2O3 is considered to be a good substitute for Al2O3. The evaluation was carried out using Y(iPrCp)2(iPr-amd) precursor present in liquid state at room temperature, and O3 as the oxygen source. First, ALD deposition condition of Y2O3 thin film was confirmed. The deposition rate was 0.14 nm/cycle, and X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) and X-ray Diffraction (XRD) analysis confirmed that the cubic Y2O3 thin film was formed normally. As expected, the dielectric constant of Y2O3 thin film was higher than that of Al2O3 thin film, and the leakage current was worse than that of Al2O3 thin film. For comparison, ZAZ and ZrO2/Y2O3/ZrO2 (ZYZ) thin films were deposited by ALD method to evaluate their electrical properties. As a result, it was found that electrical characteristics of different tendencies were observed depending on the thickness. For the detailed analysis, six different films were deposited form 4 nm to 13 nm. Before the heat treatment, the Equivalent Oxide Thickness (EOT) of ZYZ thin film decreased by more than 0.2 nm(10 %) above 10 nm thick. However, after heat treatment, EOT was similar at higher thickness, while EOT was improved at less than 5 nm thick. This was judged to be due to the crystallization difference depending on the thickness, and the tendency was confirmed by comparing with the POT-EOT curve of the ZrO2 thin film. As a result, crystallization was performed at a thickness of 10 nm of more before heat treatment, but crystallization was performed at all thicknesses after heat treatment. In the case of the ZAZ thin film, crystallization was not performed at all thickness before the heat treatment, and crystallization was performed at a thickness except for 4 nm after the heat treatment. In the case of ZYZ thin films, the crystallization was observed even after the heat treatment at a thickness of 10 nm or more similar to the ZrO2 thin film, and crystallization was observed after the heat treatment. This was demonstrated by POT-EOT curve and XRD analysis. These experiments show that the ZYZ thin film can be improved in EOT at a thickness of 5 nm or less after the annealing process, and the ZYZ thin film having better EOT and leakage current characteristics than the ZAZ thin film can be.