RPALD에 의한 Ru(EtCp)2를 이용한 루세늄 박막 증착 특성 분석

Abstract

게이트 산화막으로 현재 SiO2가 사용되고 있지만, 반도체 소자가 점차 고집적화 되어감에 따라 두께에 대한 한계에 도달하고 있다. 따라서 차세대 반도체 소자의 게이트 산화막으로 유전율이 높은 금속 산화막의 필요성이 증가하였다. High-k 물질들 중에서 TiO2, Ta2O5, and (Ba, Sr) TiO3 (BST)는 dielectric constant 값이 크기 때문에 차세대 대체 물질로써 주목 받고 있다. Ruthenium은 그러한 High-k 물질의 상부와 하부 electrode 물질로써 적용이 기대되는 물질이다. 우수한 열적 안정성과 화학적, 물리적, 전기적 특성을 지녔으며 구조적으로 매칭이 잘 되기 때문이다. 따래서 차세대 DRAM 및 FRAMs의 electrode 물질로써 널리 연구 되고 있다. 증착 방법으로는 일반적인 PVD나 CVD 방법에 비해 박막 특성이 우수한 ALD(Atomic Layer Deposition) 방법을 사용했으며 반응의 활성화를 위해 반응 가스 공급시 plasma를 사용하였다. ALD 증착방법의 특징으로는 공정온도가 낮으며 극박막의 증착이 가능하며 두께조절이 용이하다. 또한 우수한 계단도포성과 대면적에 걸친 우수한 박막 도포성의 장점이 있다 본 실험에서 사용된 실리콘 기판은 저항이 1-10Ωcm인 p-type Silicon oxide(100) 기판이다. Ru(EtCp)2를 Ruthenium의 소스로, NH3 gas와 NH3 plasma를 반응가스로 사용하였고, 밸브의 개폐를 컴퓨터로 자동 제어 하여 분리공급하고, 각 공급 사이에 purge 공정을 삽입했다. Ruthenium 박막을 ALD 방법으로 소스 주입 시간을 5초로 동일하게 한 다음 300℃, 350℃, 400℃에서 증착한 시편을 제작하였다. Auger Electron Spectroscopy (AES), atomic force microscopy (AFM), Field emission scanning electron microscopy (FESEM), X-ray diffraction (XRD), Four point prove 등으로 분석을 하였다. Ruthenium 박막의 사이클당 박막 성장률은 300℃는 0.3Å/cycle, 350℃ 0.8Å/cycle, 400℃는 1.3Å/cycle이었다. 증착률이 높을수록 표면의 uniformnity가 떨어졌지만 반면 grain size가 크다는 것을 AFM 과 FESEM 분석을 통해 알 수 있었다. 소스 주입 시간을 달리 했을 경우에는 7초의 경우 morphology가 나쁘지만 역시 grain size는 더욱 컸다. XRD 분석을 한 결과 온도가 높을수록 (002) peak의 성장이 두드러지는 preferred orientation이 일어났다. 마지막으로 Four point prove를 이용하여 Sheet resistivity를 측정 했을 때는 grain size가 큰 시편들일 수록 Sheet resistivity 값이 점점 커짐을 확인할 수 있었다.