Suppressed Oxidation of bottom TiN electrode in MIM capacitor using Discrete Feeding-Atomic Layer Deposition of ZrO2 film

Abstract

During the deposition of high-k materials for the fabrication of DRAM capacitor MIM structures, the bottom TiN electrode is easily oxidized by oxidant collision and oxygen diffusion and an undesired interfacial layer is formed. The influence of the interfacial layer further increases as the degree of device integration increases. It degrades the electrical performance of the device, such as a decrease in capacitance and increase in leakage current. Therefore, in order to suppress the formation of an interface layer by reducing oxidation of the bottom electrode, research is being conducted new electrode materials such as Ru, W, and Pt and antioxidant films such as Al2O3 and ZrCN. In this study, oxidation of the bottom TiN electrode was suppressed during ZrO2 dielectric layer deposition through discrete feeding atomic layer deposition(DF-ALD). Prior to reactant injection, precursor injection and purge were divided two or more times to remove excess precursor and by-products physically adsorbed due to the precursor screening effect and improve the surface adsorption efficiency of the precursor. Accordingly, it confirmed that strong TiN oxidation generated in the O3 process was suppressed, and TiN oxidation was suppressed as much as the H2O process level, in which oxidation occurs relatively less. The interfacial layer thickness composed of TiO2 and TiOxNy was reduced, and the physicochemical properties and electrical properties of the ZrO2 film were improved. DF-ALD is expected to be applied to various fields because it can suppress the oxidation of the bottom TiN electrode and improve the physicochemical and electrical properties of the thin film only by modifying the process recipe in the existing process without the need to use new electrode materials. |DRAM 커패시터 MIM 구조 제작을 위한 고유전율 물질 증착 중 하부 TiN 전극은 산화제 충돌 및 산소 확산에 의해 쉽게 산화되고, 원치 않는 계면층이 발생하게 된다. 계면층 영향은 소자의 집적도가 커짐에 따라 더욱 증가하고, 정전용량 감소 및 누설전류 증가 등 소자의 전기적 성능을 저하시킨다. 이에 하부 전극 산화를 줄여 계면층 형성을 억제하고자 Ru, W, Pt 등 새로운 전극 물질과 Al2O3, ZrCN 등 산화 방지막 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 비연속 전구체 주입 원자층 증착법(Discrete Feeding Atomic Layer Deposition, DF-ALD)을 통해 ZrO2 유전층 증착 중 하부 TiN 전극 산화를 억제하고자 하였다. 반응물 주입 전, 전구체 주입 및 퍼지를 2회 이상 분리 공급하여 전구체 screening effect로 인해 물리흡착된 과량의 전구체와 부산물을 제거하고, 전구체의 표면 흡착 효율을 향상시켰다. 이를 통해 오존 공정에서 발생하는 강한 TiN 산화를 억제하였고, 상대적으로 산화가 적게 발생하는 물 공정 수준만큼 TiN 산화가 억제됨을 확인하였다. 결과적으로, TiO2 및 TiOxNy로 구성된 계면층 두께가 감소되었으며, ZrO2 박막의 물리화학적 특성 및 전기적 특성 향상을 확인하였다. DF-ALD는 새로운 전극 물질을 사용할 필요 없이 기존 공정에서 공정 레시피의 수정만으로 하부 TiN 전극 산화를 억제시키고, 박막의 물리화학적 특성과 전기적 특성을 향상시킬 수 있어 여러 분야에 적용될 것으로 기대되는 바이다.