원자층 증착법 기반 rutile-TiO2 박막 증착을 위한 phase engineering

Abstract

Dynamic Random-Access Memory(DRAM) 소자의 지속적인 축소가 요구됨에 따라 고유전율 재료에 대한 연구가 더욱 필요해졌다. 다양한 고유전율 물질 중에서 rutile 구조의 TiO2 박막은 anatase-TiO2 및 기타 고유전율 물질보다 높은 유전상수(90~170)를 갖는다. 그러나 상온에서 TiO2의 열역학적으로 안정한 상은 anatase 상이며, rutile 결정화 온도는 약 750°C로 DRAM 공정에서는 허용 불가능하다. 따라서 RuO2와 같은 rutile 상을 갖는 기능성 전극을 이용한 연구가 진행되어왔지만, RuO2는 후속 공정에서 forming gas 분위기 열처리(annealing) 과정 중에 Ru로 환원된다는 단점이 존재한다. 반면, 기존 DRAM capacitor의 하부 전극으로 사용되는 TiN은 안정적이며 증착 및 기타 공정 단계 간에 호환성이 좋다. 따라서 본 논문에서는 TiN 전극 상에서 rutile 구조의 TiO2를 형성하기 위한 방법으로 Sn을 도입하였다. SnO2는 상온에서 열역학적으로 안정한 rutile 상을 가지며 rutile TiO2와의 격자 불일치가 무시할 수 있을 정도로 작기 때문에 rutile TiO2를 유도할 수 있다고 생각된다. TiN 전극을 기반으로 하는 TiO2 박막에 SnO2 seed layer 및 Sn 도핑(doping)이 미치는 구조적, 전기적 영향을 조사하였다. 소량의 Sn 도핑 농도로도 rutile-TiO2가 유도되었으며, 1nm의 초박형 SnO2 seed layer가 rutile TiO2를 형성하기에 충분함을 확인하였다. Sn이 도입된 TiO2 박막은 전기적 특성이 향상되어 차세대 DRAM capacitor 유전체로 적용될 수 있는 가능성을 시사한다. |As dynamic random-access memory (DRAM) devices have been continuously required scaling down, research on high-k materials has been considerably conducted. Among the various high-k materials, TiO2-based thin films with rutile structure has a higher dielectric constant (90~170) than anatase phase TiO2 and other high-k materials. However, the thermodynamically stable phase of TiO2 at room temperature is anatase phase, and rutile crystallization temperature is about 750°C, which cannot be accepted during the DRAM process. Therefore, a functional electrode with a rutile phase such as RuO2 is required. Unfortunately, RuO2 is reduced to Ru during forming gas atmosphere annealing in a subsequent process. In contrast, TiN used as the bottom electrode of conventional DRAM capacitors is stable and compatible between deposition and other process steps. In addition, SnO2 has a thermodynamically stable rutile phase at room temperature and can induce rutile-TiO2 because of negligible lattice mismatch with rutile-TiO2. Therefore, we investigated the effect of SnO2 seed layer insertion and Sn-doping into TiO2 thin films based with TiN electrodes on structural and electrical properties for use as high-k materials. Rutile-TiO2 was induced even with a small amount of Sn doping concentration, and it was confirmed an ultra-thin 1 nm SnO2 seed layer was sufficient to form rutile-TiO2. Sn-introduced TiO2 thin films have improved electrical properties, which suggest the possibility that these devices can be applied as a dielectric for next-generation DRAM capacitors.