원자층 증착방법을 이용한 Y2O3 박막 증착 및 저항 변화 특성에 관한 연구

Abstract

반도체 소자의 고직접화로 인해 현재 gate dielectric으로 사용되고 있는 SiO2의 많은 문제점이 발생하여 SiO2에 비해 상대적으로 유전율이 높은 금속 산화물들로 gate dielectric을 대체하기 위한 많은 연구가 진행되고 있다. 유전율이 높은 많은 금속 산화물들이 있지만 Si과의 접촉성, 결정구조, 유전율, 전기적 특성 등 여러 가지 특성들을 고려했을 때 현재 가장 유력한 차세대 gate dielectric 물질로 많은 연구가 진행되고 있는 물질들이 Al2O3, HfO2 그리고 ZrO2 등이다. 그러나 SiO2에 비해 Si 기판과의 계면특성이나 열적 안정성 등 여러 가지 문제들을 해결하는 것이 중요한 관건이 되고 있다. Chemical vapor deposition (CVD) 방식이나 Physical vapor deposition (PVD) 방식으로는 박막의 두께와 함량을 정확하게 조절하는 능력이나 막 전체에 함량의 균일성을 가지고 재현성 있게 증착하는데 한계를 가지고 있다. 그리하여 최근에 새롭게 도입되고 있는 기술이 바로 단원자층 증착 방식인 Atomic Layer Deposition (ALD) 방법이다. 이 기술은 정확한 두께조절과 함량 조절이 가능하고, 뛰어난 균일성과 재현성을 가진 박막의 증착이 가능하다. 뿐만 아니라, 기존의 증착 방식보다 낮은 온도에서 증착이 가능하고 뛰어난 높은 종횡비를 가지는 물리적, 화학적으로 우수한 박막을 얻을 수 있다. ALD 방법이 기존의 증착방법과 확연히 구별되는 차이점은 source 와 반응가스를 분리하여 순차적으로 공급하고 두 가스의 주입공정 사이에 purge 가스 공정을 넣어주어 source와 반응가스의 기상반응을 억제할 수 있으며, 공정이 기본적인 cycle의 반복으로 구성되어 있어 cycle의 횟수에 의해 두께가 조절되므로 초박막의 두께도 정확하게 조절할 수 있다. 또한 기판 표면에서의 화학적 흡착과 탈착특성에 크게 의존하는 공정으로 화학적 흡착에 의한 self-limited reaction mechanism에 의해 높은 종횡비를 가지는 패턴이나 대면적에 균일한 박막을 증착할 수 있는 장점이 있다. 이 연구는 새로 개발된 Yttrium Precursor인 (iPrCp)2Y(iPr-amd) (YERBA)과 H2O reactant를 이용하여 Y2O3 박막을 ALD 방법으로 증착하는 조건을 제시하고, 증착된 Y2O3 박막의 물리적, 화학적, 전기적 특성을 조사하고 차세대 gate dielectric으로서의 적용 가능성을 확인하는 것을 목적으로 하고 있다. 본 실험에서는 gas flow type의 thermal ALD 장비로 박막을 증착하였으며, 증착된 박막은 X-ray Diffraction (XRD), Atomic Force Microscopy (AFM), Auger Electron Spectroscopy (AES), X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS), 및 C-V와 I-V 분석을 통해 물리적, 화학적, 전기적 특성을 평가하였다. 본 실험을 통해 ALD 방법으로 불순물이 적은 Y2O3 박막을 증착할 수 있었으며, 증착한 Y2O3 박막을 이용해 만든 Metal-Insulater-Metal (MIM) resistor 소자가 저항 변화 특성을 가지고 있어 차세대 비휘발성 ReRAM 소자에 적용이 가능한 금속산화물임을 알 수 있었다.