ALD용 Zr 전구체의 특성과 ALD-ZrO2 박막의 특성에 관한 연구

Abstract

CMOS 소자의 성능이 높아짐에 따라 소자는 더욱 작은 크기, 더욱 빠른 속도, 낮은 전력 소모량, 소자당 낮은 가격을 목표로 개발되어져 왔으며 그 결과, 소자를 구성하는 박막은 원자 단위로까지 제어되게 되었다. 그러면서 단차 피복성(step coverage)이 매우 우수하고, 계면에서 확산과 산화가 일어나지 않도록 낮은 온도에서 증착을 해야 하는 조건을 만족할 수 있는 ALD 기술이 개발되어져 원자층 단위로 박막을 증착하게 되었다. 게이트 유전막에 적용하기 위한 고유전의 물질로는 Ta2O5, TiO2, Al2O3, ZrO2, HfO2 등과 강유전체인 BST까지 여러 가지 물질이 후보로 대두되었으나, 현재 기업에서 HfO2와 ZrO2가 현재 DRAM 양산에 적용되었고 ALD metal precorsur 물질로는 아민계열에 Tetraksi(dimethylamino)Metal[TDMA], Tetrakis(diethylamino)Metal[TDEA], 화합물과 알콕사이드 계열에 Hf(OtBu)4 및 Zr(OtBu)4이 있지만 증기압이 높으며 액체로 존재하는 Tetrakis(ethylmethylamino)Metal[TEMA] 화합물 원료가 사용되어지고 있다. 이 논문에서는 기존의 CMOS 제조 공정에 그대로 적용할 수 있으며 기존의 TEMAZr source 보다 안정성이 있고 성능면에서 우수하고 가격 경쟁력을 확보하고 박막의 품질을 개선하기위해 제시된 새로운 TEMAZr precursor의 특성을 평가하고 ALD 방법으로 증착한 후 박막의 물리적, 화학적 특성을 분석하고 Ru/ZrO2/Si MOS 구조의 캐패시터를 제작하여 증착된 ZrO2 박막의 전기적 성능을 평가하였다. 증착 시 oxidant로는 H2O를 사용하였고 증착온도 350℃, Si 기판 위에서 1Å/cycle 의 증착률을 나타내었다. TEMAZr의 성능을 평가하기 위하여 증기압을 측정하였고 공정이 진행된 후 열에 의해 변화하는지 안정성을 평가하기 위하여 고온에서 시간에 따라 관찰하였고 FT-IR 분석을 통하여 화학적 안정성까지 분석해 보았다. 결과적으로 기존의 TEMAZr source 보다 증기압이 높았고 가열 전과 후, 시간에 따라 큰 변화를 보이지 않았다. ALD 장비를 사용하여 증착한 ZrO2 박막의 경우 물리적 분석을 위하여 AFM으로 표면 거칠기를 측정하고 Depth pofile을 보기 위해 AES 분석을 실시하고 XPS를 통해 화학적 분석을 하였다. AFM의 경우 대체적으로 낮은 RMS 값을 가졌고 AES 분석 결과 depth profile도 깊이에 따라 일정하게 측정되었으며 오염원인 C의 함량도 낮은 값을 얻을 수 있었다. XPS의 경우 182.2eV에서 Zrd5/2 peak이 검출되었고 성분비도 1:2 정도로 stoichiometric한 ZrO2 결합을 확인할 수 있었다. Metal electrode로 Ru을 Sputter 방식으로 100nm이상 증착하고 lift-off 방법으로 전극 패턴을 형성한 후 Si 기판 뒷면에 SiO2를 HF로 식각하고 Ru 으로 back contact을 하였다. 그렇게 만든 MOS구조의 캐패시터의 전기적 특성을 평가하기 위해 C-V 측정과 I-V측정을 실행하였다. C-V를 통해 EOT를 측정하였고 I-V를 통하여 작동 전압에서의 leakage current density를 구하였다. EOT의 경우 계산 결과 3nm 정도의 높은 값이 나왔고 -1V에서 Leakage current 값은 1×10-7A/cm2 정도였다. breakdown voltage는 -4.5V 이하에서 측정되었다.