Ir 하부전극 위에서 PEALD로 증착 된 TiAlO 박막의 특성에 대한 연구

Abstract

본 연구에서, Ir기판을 사용하여 열처리 없이 rutile구조의 $TiO_2$ 를 PEALD를 사용하여 증착하였다. 산소 플라즈마에 의해 증착 초기에 생성 된 Ir 산화층은 고유전율을 가진 루타일 $TiO_2$ 성장에 영향을 미친다. 이것은 FCC구조인 Ir의 격자상수가 anatase $TiO_2$ 의 a축 격자상수와 거의 같기 때문에, seed역할을 하기 때문이다. $TiO_2$ 의 결정성 향상을 위하여, Ir기판 위에 열처리를 통하여 rutile 구조의 $IrO_2$ seed layer를 생성시켰으며, $IrO_2$ seed layer 위에서 $TiO_2$ 를 증착하였다. $IrO_2$ seed layer위에서 $TiO_2$ 박막은 epitaxial 성장하는 것이 관찰 되었고, 그 결과 유전상수가 증가하였다. Rutile 구조의 $TiO_2$ 의 누설전류 특성을 향상 시키기 위하여, TiAlO 박막을 증착하였다. Ir 기판에서 증착한 ATO 박막의 경우 $TiO_2$ 의 cycle이 10이하에서는 비정질 상을 보이며, 20이상의 cycle 수에서 rutile로 결정화 되기 시작하고, $TiO_2$ 10cycle이하에서는 Ti atomic ratio가 증가함에 따라, 느리게 유전상수가 증가하나, $TiO_2$ 20cycle이상의 박막에서는 rutile로 결정화 되면서, 빠르게 유전상수가 증가하게 된다. $IrO_2$ seed layer 위에서 증착 된 TiAlO 박막은 $IrO_2$ 의 영향으로 유전상수가 증가되는 것을 확인하였다. TiAlO 박막은 Al이 첨가되면서 누설전류 특성이 급격히 좋아지다, $Ti_{0.89}Al_{0.11}O_x$ 의 조성에서 가장 좋은 누설 전류특성을 보였으며, 이 때 $TiO_2$ 와 $Al_2O_3$ 의 unit-cycle비는 40:1이다. Al양이 이것보다 더 증가하게 될 경우 누설 전류특성이 나빠지는 모습이 관찰되었다. $IrO_2$ seed layer가 삽입 된 경우 누설전류 특성이 더 좋아지는 것이 확인되었다. Ti0.89Al0.11Ox 박막은 두께가 줄어드는 경우에도 이러한 우수한 특성이 계속 유지 되었으며, $IrO_2$ seed layer위에서 증착 된 $Ti_{0.89}Al_{0.11}O_x$ 박막은 73의 유전상수를 가지며, 0.5nm의 EOT에서 1V 전압 인가시 $1*10^{-7}A/cm^2$ 우수한 누설 전류 특성을 보여, 40nm 와 그 이후 기술의 DRAM capacitor에 적용이 가능할 것으로 생각된다.