진공자외선 분광타원편광법을 이용한 고유전 다층박막 연구

Abstract

DRAM의 집적도가 점점 증가함에 따라 트랜지스터의 구동에 필요한 축전용량(capacitance)을 유지하기 위한 연구가 지속되고 있다. 일반적으로 연구되어 온 구조적인 해결책은 storage capacitor의 면적을 늘리는 방법과 두 전극 사이의 거리를 줄이는 방법이었다. 그러나 면적은 scaling 감소에 의해 한계점에 다다르게 되었고, 유전막의 두께 또한 터널링 현상에 의한 누설 전류 증가에 이르는 시점에 오게 되었다. 이를 해결하기 위해 고 유전(high-k) 물질의 적용이 시급하게 되었고 많은 연구가 이루어 지고 있다. ZrO₂(Zirconium Oxide)는 DRAM에서의 storage capacitor에 사용되는 고 유전박막중의 하나이다. 그러나 높은 유전상수에 비하여 누설전류(leakage current)또한 커 Al₂O₃(aluminum oxide)를 ZrO₂ 박막 사이에 증착하는 다층 박막 형태로 주로 사용 한다. 이러한 경우 각각의 막질의 균질도 제어가 DRAM의 특성에 큰 영향을 미친다. 따라서 이러한 다층박막(laminated structure)을 증착하기 위해서는 ALD (atomic layer deposion) 공법을 이용하게 된다. 이러한 극박막의 특성 분석을 위해서는 spectroscopic ellipsometer를 이용한 연구는 필수적이다. Ellipsometry는 선편광 상태로 시편에 입사한 빛이 반사된 후에는 주로 타원 편광으로 변하고 그 편광 상태의 변화를 분석하여 시편이 지닌 정보를 찾아내는 기술이다. 비 파괴적으로 측정할 수 있고 민감도가 뛰어나 그 응용 분야가 매우 넓다. 본 연구에서는 진공자외선 타원 편광법(vacuum ultraviolet spectroscopic ellipsometry)을 이용하여 ZrO₂ 박막 분석 및 ZrO₂ 와 Al₂O₃ 의 다층 복합막 분석에 응용하였다. 가시광이나 근자외선 영역을 사용하는 일반적인 ellipsometer로는 bandgap이 넓은 high-k물질의 분석이 어렵기 때문이다. VUV SE(Vacuum Ultra Violet Spectroscopic Ellipsometry) 은 광 경로를 질소 퍼지 하여 8.5 eV의 영역까지 관찰할 수 있었고, 이를 이용하여 high-k 물질인 ZrO₂ 에 대하여 광학적 특성 및 구조적 특성을 연구하였다.; Vacuum ultraviolet spectroscopic ellipsometry (VUV SE) was developed with a multichannel detection system. This system can cover up to 8.5 eV with brief nitrogen purge through optical path. We applied this technique to the characterization of zirconium oxide (ZrO₂) films for which the conventional spectroscopic ellipsometer fails due to the poor sensitivity. ZrO₂ is one of the high-k dielectrics which can be used for the storage capacitor in dynamic random access memory devices. However, due to the large leakage current of ZrO₂, thin layer of aluminum oxide (Al₂O₃) is sandwiched between two ZrO₂ layers forming 'ZrO₂(top)/Al₂O₃/ZrO₂(bottom)'. This structure also prevents the reaction between Al₂O₃ and electrodes during deposition. As overall thickness of this structure is less than 10 nm, the thickness and the properties of each layer need to be controlled precisely in order to fabricate a well defined capacitor. However, the optical properties of ZrO₂ films are highly dependent on the preparation process and conditions. Thus, many considerations are required for the analysis of VUV SE data. Through the complicated analysis, we found that the optical properties of the bottom ZrO₂ film are dependent on its own thickness as well as the deposition temperature for the subsequent Al₂O₃ layer. Moreover, those of the top ZrO₂ layer showed the dependence on the crystalline structure of the bottom ZrO₂ along with the thickness of interfacial Al₂O₃ layer.