폴리머 메모리 소자의 보호를 위한 PEALD로 증착된 보호층 특성 연구

Abstract

현재 상용화된 비휘발성 메모리의 주력 기술인 flash memory는 45nm 이하로 scale down시 tunneling 절연 막의 절연파괴로 인한 신뢰성 문제와 이웃한 cell간의 간섭 문제로 기술적인 한계를 보이고 있다. 또한 쓰기 시간이 길고 고쳐 쓰기 회수도 제한이 있기 때문에 이를 대체할 수 있는 차세대 비휘발성 메모리의 기술 개발이 필요하다. 차세대 비휘발성 메모리 중 Polymer Random Access Memory (PoRAM)는 동작속도가 빠르고 1 Resistor의 단순한 구조로 공정이 단순하며, 또한 저전압 동작이 가능한 장점을 가지고 있다. 그러나 유기 및 고분자 물질은 외부환경에 매우 민감하고 높은 투습 특성을 가지고 있어 소자의 특성이 파괴되는 문제가 발생한다. 따라서 외부의 수분으로부터 소자를 보호할 수 있는 우수한 passivation layer 개발이 요구된다. Al₂O₃은 고밀도 및 우수한 화학적 내부식성과 기계적 강도 특성을 가지고 있기 때문에 passivation layer로써 많은 연구가 보고되었다. TiO₂는 전기적 절연성과 막밀도가 우수한 물질이나 Atomic Layer Deposition (ALD)에 의해 성장한 passivation layer는 보고 되지 않았다. 본 연구의 목적은 Plasma Enhanced Atomic Layer Deposition (PEALD)법으로 증착한 TiO₂ 박막의 화학적, 물리적 특성을 조사하고 Al₂O₃ 박막과 투습률 특성을 비교하여 최종적으로 TiO₂ 박막의 Passivation layer로써 적용가능성을 확인하는 동시에 투습 방지 특성과 물리적, 화학적 특성 간의 연관성을 규명하는 것이다. ALD는 기상반응이 없는 self-limiting 증착법으로써 일반적인 CVD나 PVD에 비해 균일하고 단차피복성이 우수한 박막을 증착할 수 있으며 저온에서 공정이 가능하다는 장점을 가지고 있어 고집적 유기 소자에 적합하다. 최근에는 plasma를 이용하여 thermal ALD의 단점인 낮은 증착률을 극복하고 막 특성을 향상시키는 연구들이 많이 진행되고 있다. 본 실험에서는 증착원으로 electron cyclotron resonance (ECR) plasma를 이용한 high density plasma atomic layer deposition (HDPALD)와 radio frequency (RF) plasma를 이용한 plasma enhanced atomic layer deposition (PEALD)장비를 사용하였다. Al₂O₃ 박막은 TMA와 O₃ plasma를 이용하여 HDPALD로 증착하였으며 TiO₂ 박막은 TDMATi와 O₂ plasma를 이용하여 PEALD로 증착하였다. 100℃ 이하의 저온에서 ALD 공정 조건을 확립하였으며 박막의 미세구조, 화학조성, 결정성 등을 분석하였다. 특히 passivation layer로의 적용을 알아보기 위한 투습률 분석은 0.2mm 두께의 polyethersulfone (PES) film 위에 passivation layer를 증착한 시편을 이용하여 24시간 동안 분석하였으며 etch rate를 측정하여 막밀도의 경향성을 판단하였다. 본 연구 결과 Al₂O₃ 박막은 50℃에서 1.1Å/cycle의 성장률을 나타내었으며 투습률은 10nm의 두께에서 14.3 g/㎡·day의 값을 보였다. TiO₂박막의 성장률은 RF plasma 100W와 90℃에서 0.8Å/cycle이었다. TiO₂는 같은 10nm 두께에서 Al₂O₃ 박막의 1/10 수준의 1.23g/㎡·day의 투습률을 나타내었으며 50nm 이상에서는 투습률의 detection limit (~0.05g/㎡·day)을 초과하는 높은 투습 방지 특성을 보였다. 현재 보고되고 있는 passivation layer의 두께가 대부분 100nm 이상임을 고려할 때 위 실험결과는 PEALD에 의해 성장된 TiO₂ 박막이 passivation layer로써 매우 경쟁력이 있는 것으로 판단된다.; Polymer is interesting material for the next generation electronic device. Polymer random access memory (PoRAM) is one of the 0.1 Tb non-volatile memory devices in the near future. The most important characteristic of PoRAM is the electrical bistability of composite polymer materials. However, electrical property of polymer materials is easily degraded as it is exposed to air because of its high O₂ and H₂O vapor absorption. In order to prevent gas permeation from outside, a good passivation layer is required. Inorganic materials are good for passivation layer because of its high gas diffusion barrier property. Passivation layer using AlO_(x) was mainly reported. Besides Al, SiN_(x) and SiO_(x) have been studied for candidate materials. TiO₂ is a good insulator having good chemical stability and high density but it was not reported for application of passivation layer. Atomic layer deposition (ALD) is one of the most promising deposition methods because self-limiting mechanism of ALD can deposit thin films with high quality at low temperatures and precisely control the thickness of deposited films. Furthermore, ALD also can yield good step-coverage and conformallity. In this study, we investigated the characteristics of TiO₂ passivation layer including its physical, chemical and water vapor permeability. As compared with permeability of Al₂O₃ thin film formed by high density plasma ALD (HDPALD), we examined the application potentiality of TiO₂ passivation layer. Titanium oxide was deposited by plasma enhanced atomic layer deposition (PEALD) on (100) silicon wafer and polyethersulfone (PES) layer at 90 ℃. Ti[N(CH₃)₂)]₄ for titanium source and O2 plasma for oxygen reactant were used. The chemical and physical properties were analyzed by FESEM, HRTEM, AES, RBS, and etch rate. The water vapor permeability was analyzed through water vapor transmission rate (WVTR) analysis. The WVTR of TiO₂ approached the detection limit (~0.05g/㎡ per day) above 60 nm thickness and rapidly reduced at critical plasma power and thickness. As comparison of HDPALD Al₂O₃, PEALD TiO₂ showed very low H₂O gas permeation property. Etch rates results showed high oxygen content in deposited film improved the film density.