동종 기판의 결정성 차이를 이용한 선택적 원자층 증착 방식을 통한 DRAM 커패시터의 유전 상수 향상
Enhancing Dielectric Constants in DRAM Capacitors through Area Selective Atomic Layer Deposition on Homogeneous Substrates with Crystallinity Differences
- 주제(키워드) ALD , DRAM , AS-ALD , Atomic layer deposition , 원자층 증착 방식 , 선택적 원자층 증착 방식
- 발행기관 아주대학교 일반대학원
- 지도교수 오일권
- 발행년도 2024
- 학위수여년월 2024. 8
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 지능형반도체공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000034125
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
현대의 DRAM 커패시터에서는 누설 전류를 줄이기 위해 ZrO2 계면에 Al2O3를 배치한 ZrO2-Al2O3-ZrO2 (ZAZ) 적층 구조를 활용하고 있다. 비정질의 Al2O3 층이 결정질의 ZrO2 층에서 발생되는 누설 전류를 감소시키는 반면, Al2O3 층의 상대적으로 낮은 유전율(k 값) 로 인해 전체 유전율이 감소되는 단점이 있다. 따라서, 누설 전류를 막아주면서도 최소한의 Al2O3를 사용하는 것이 중요하다. 이를 위해 Al2O3를 레이어 형태로 증착하는 대신, 누설 전류가 흐르는 경로로 알려진 결정립계(grain boundary; GB)에만 선택적으로 증착하여 누 설 전류는 기존 수준을 유지하면서도 전체 Al2O3 양을 감소시켜 유전율을 높이고자 했다. 본 연구에서는 결정질 ZrO2를 증착한 후 GB에만 흡착되는 억제제 A를 처리하고, 이 후 ZrO2의 Facet을 막아주는 억제제 B를 처리하여 선택적 원자층 증착 방식 (Area Selective Atomic Layer Deposition; AS-ALD)을 구현하고자 했다. 가장 먼저, Cyclopentadienyl Tris(dimethylamino) Zirconium (ZAC; ZrCp(NMe3)3) 을 억제제 B로 사용하여, 두 가지 Al 전구체인 triethylaluminium (TMA; Al(CH3)3)와 trimethylaluminum isopropoxide (DMAI; (CH3)2AlOCH(CH3)2)의 선택성 특성을 분석했 다. 이때, TMA 대비 DMAI에서 더 높은 선택성을 보였으며, 이러한 결과는 Density Functional Theory (DFT) 및 Monte Carlo (MC) 시뮬레이션으로 뒷받침되었다. 이후, 결정화된 ZrO2의 GB에만 흡착시키기 위한 억제제 A로 CF4 플라즈마, CF4 가스 및 SF6 가스로 실험을 진행했다. 이때, SF6 가스가 가장 표면에 흡착되는 것으로 X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS)를 통해 확인했으며, 실제로 GB에 붙었는지 확인하기 위해 Field Emission Scanning Electron Microscope (FE-SEM)의 Energy Dispersive Spectrometer (EDS) 분석을 통해 전체 F 이온 중 66%가 GB에 흡착되는 것을 확인했다. 이와 더불어, Al 전구체와 억제제 A의 반응, Al 전구체와 억제제 B의 반응, 억제제 A와 억 제제 B의 반응 여부는 모두 DFT를 통해 확인했다. 이러한 억제제 A와 B를 적용한 선택적 원자층 증착 방식을 통해 메탈-절연체-메탈 (MIM) 커패시터를 제작한 결과, 전체 Al의 양은 줄어들었으나, 누설 전류 밀도는 기존과 거 의 유사한 수준을 유지함을 확인했다. 더불어, Al 양의 감소로 인해 유전율이 향상되어 소 자의 전체 성능이 개선됨을 확인했다. 본 연구는 적절한 Al 전구체와 억제제를 선택하고 적용함으로써 ZrO2 GB에서 Al2O3 의 선택적 증착 가능성을 보여준다. 이 과정은 유전 특성을 향상시키면서 누설 전류를 유지 하여 차세대 전자 소자의 성능을 최적화하는 유망한 접근 방식을 제시한다. 또한, 동종 기 판에서 결정립 차이를 활용하여 AS-ALD 공정을 제어할 수 있는 가능성을 보여준다. 이는 전통적으로 이종 기판에서 사용되던 AS-ALD 공정을 기반으로 기판의 결정질에 따라 맞춤 형 공정을 구현할 수 있는 새로운 길을 열어, AS-ALD 기술의 적용 범위를 넓히고 차세대 전자 소자의 성능을 최적화하는 데 기여할 수 있다. 주제어: Area-selective atomic layer deposition, dynamic random access memory, grain boundary, dielectric, leakage currents.
more목차
1. 연구 배경 1
1.1. 현재의 DRAM 커패시터의 물질과 한계점 1
1.2. 선택적 원자층 증착 방식 2
2. AS-ALD를 적용한 ZAZ 박막의 컨셉 및 개요 4
2.1. 서론 4
2.2. 실험 방법 7
2.2.1. ZrO2와 Al2O3의 단일 박막 증착 7
2.2.2. ZrO2 기판 전처리 및 ZrO2 기판 위 억제제 A 도핑 8
2.2.3. 억제제 B의 흡착 및 탈착 9
2.2.4. DFT 및 MC 시뮬레이션 9
2.2.5. 박막 특성 및 전기적 특성 10
3. Al 프리커서에 따른 억제제 B의 선택성 차이 15
3.1. 서론 15
3.2. 결과 및 논의 15
3.3. 결론 18
4. 억제제 A의 선정 및 억제제 A의 흡착 위치 22
4.1. 서론 22
4.2. 결과 및 논의 22
4.3. 결론 24
5. DFT와 XPS를 이용한 ZrO2 위 Al2O3의 AS-ALD 흡착 메커니즘 27
5.1. 서론 27
5.2. 결과 및 논의 27
5.3. 결론 29
6. AS-ALD를 적용한 ZAZ 박막을 포함한 MIM 소자의 특성 평가 33
6.1. 서론 33
6.2. 결과 및 논의 34
6.3. 결론 35
7. 요약 37
참고 문헌 40
연구 실적 45
Abstract in English 46
