차세대 DRAM 커패시터용 NbN 박막의 원자층 증착
Atomic Layer Deposition of NbN thin film for next generation DRAM capacitors
초록/요약
최근 DRAM(Dynamic Random Access Memory) 커패시터의 정전용량을 높이기 위해 스토리지 노드의 높이를 증가시키는 경우 DRAM 커패시터의 공정 난이도가 매우 높아지며 이에 따라 스토리지 노드가 쓰러지는 문제가 심각하게 발생하고 있다. 따라서 전극의 밀도를 증가시켜 구조적인 강도를 높임으로써 스토리지 노드가 쓰러지는 문제를 보완해야 한다. 또한 일함수가 큰 물질을 사용하여 누설 전류를 감소시킬 수 있는 새로운 전극 물질 ALD 공정을 개발해야 한다. 따라서 전극용 물질로 일함수가 큰 후보 물질군으로서 NbN 박막을 연구하고자 한다. NbCl5와 NH₃ Nb 전구체와 질소소스를 사용한 NbN(Niobium Nitride) ALD공정은 NbN 박막 내 잔류하는Cl 불순물(>5%) 때문에 벌크 저항률(~10 μΩ·cm)은 낮지만 높은 비저항(>500μΩ·cm)률을 얻는다. 본 연구에서는 NbCl5와 NH₃ 주입 단계 사이에 H₂S 가스를 추가하여 Cl 불순물 농도를 낮추는 대체 반응 경로로 공정을 진행했다. 대체 ALD 반응 경로를 이용하여 특정 ALD 증착 온도 400℃에서 잔류하는 Cl 불순물 농도를 1.5%이하(50% 이상 감소)로 감소시켰다. 마지막으로 이 반응에 의해, NbN 박막의 비저항(>30%)률이 증착 온도 400℃에서 Conventional NbN ALD공정 보다 크게 감소하였다. NbCl5와 NH₃를 각각 Nb 전구체와 질소소스를 사용하여 450℃ 증착 온도에서 최초로ALD에 의해 NbN 박막을 epitaxial하게 성장시켰다. 입방체의 NbN 박막은 NbN과 MgO의 격자상수가 일치하여 입방체의 MgO 결정상에 epitaxial하게 성장했다. ALD를 이용한 SiO₂ 기판에서 성장한 NbN 박막에는 4~5%의 고농도 Cl 불순물이 잔존하고 있었다. 그러나 epitaxial하게 성장한 NbN 박막에서는 Cl 불순물 농도가 ~2%까지 감소하여 MgO 기판 내 NbN 박막의 epitaxial 성장을 향상시켰다. 그 원인은 NbN/MgO 계면의 잔류 변형이 원인이며, 이는 Nb-N-Cl의 결합 길이 변화를 유도했다. 결합 길이의 변화는 NbN 박막의 면내 압축 변형과 MgO 표면의 면내 인장 변형이 관찰되었기 때문에 NbN ALD 중 Cl 탈착을 촉진시켰다. NbN 박막 중 나머지 Cl이 MgO 기판으로 확산되었는데(NbN 박막 중 Cl 농도가 <2%까지 감소하였다), 이는 SiO₂에 비해 MgO의 Cl 용해도가 높기 때문일 수 있다. 마지막으로 epitaxial 성장한 NbN 박막은 결정성이 향상되어 캐리어 이동성 증가로 인해 다결정 성장보다 50% 낮은 비저항을 보였다.
more목차
제 1 장 서 론 1
제 1 절 DRAM 커패시터 개발 2
제 2 절 DRAM 커패시터 전극 박막 개발 4
제 2 장 박막 증착 및 분석 방법 6
제 1 절 원자층 증착법 6
제 2 절 박막 특성 분석 8
제 1 항 X-선 회절 분석기(XRD) 8
제 2 항 X-선 광전자 분광기(XPS) 10
제 3 항 X-선 형광 분석기(XRF) 11
제 4 항 투과전자현미경(TEM) 12
제 3 장 DRAM 커패시터용 차세대 전극 물질 연구 14
제 1 절 티타늄 질화물 원자층 증착(TiN ALD) 공정 현황 14
제 2 절 나이오븀 질화물 원자층 증착(NbN ALD) 공정 15
제 1 항 Conventional NbN ALD 17
제 2 항 Alternative NbN ALD 19
제 3 항 Conventional 및 Alternative NbN ALD 박막 특성 분석 26
제 3 절 나이오븀 질화물 원자층 증착(NbN ALD) 공정 30
제 1 항 MgO 기판을 이용한 NbN ALD 30
제 2 항 NbN/MgO 박막 특성 분석 32
제 4 장 결 론 41
참 고 문 헌 42
