TiN 전극 박막 비저항 감소를 위한 원자층 증착 공정 우회 반응 연구
Study on Alternative Reaction in Atomic Layer Deposition for Reducing the Resistivity of TiN Electrode Thin Films
- 주제(키워드) DRAM , Memory , TiN
- 주제(DDC) 621.042
- 발행기관 아주대학교 일반대학원
- 지도교수 이상운
- 발행년도 2025
- 학위수여년월 2025. 8
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 에너지시스템학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000035264
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
현대 컴퓨터 구조에서 DRAM은 우수한 동작 속도와 저장 용량을 바탕으로 중앙처리장치(CPU)와 데이터를 주고받는 주 메모리 반도체로 널리 활용되고 있다. 반도체 소자의 고집적화가 지속됨에 따라 DRAM 셀의 종횡비(aspect ratio)는 점차 증가해 왔으며, 이로 인해 커패시터 노드의 물리적 강도가 저하되는 문제가 발생하고 있다. 결과적으로 노드가 부러지거나 인접한 노드와 접촉하는 현상이 나타나, 이는 DRAM의 수율을 심각하게 저해하는 주요 원인이 된다. 이러한 문제로 인해 DRAM 기술의 진보는 단순한 구조의 소형화보다 소재의 유전율 및 전기적 특성 확보가 핵심 과제로 부각되고 있다. Titanium Nitride(TiN)은 DRAM 커패시터 전극 및 트랜지스터 게이트에 널리 적용되는 질화물 기반 박막으로, 열적 안정성과 우수한 전도성을 지닌다. 특히 600℃ 이상의 고온에서 증착 시 불순물이 거의 없는 고순도의 박막 형성이 가능하며, 매우 낮은 비저항을 얻을 수 있다. 그러나 고온 증착은 주변 소자가 열에 의해 손상될 우려가 있어, 실제 DRAM 공정에는 적합하지 않다. 따라서 낮은 온도에서도 고품질을 유지할 수 있는 TiN ALD 증착 공정 개발과 불순물 제어 기술은 필수적인 요소이다. 본 연구에서는 저온 ALD 조건에서도 Cl 불순물을 효과적으로 제거할 수 있는 우회 증착 공정을 제안하고 실험적으로 구현하였다. 전구체 TiCl4와 반응 가스 NH3 사이에 브로민화수소(HBr)를 주입하여, Ti-Cl 결합보다 결합해리 에너지가 낮은 TiBrx 고체 중간상을 형성하도록 유도함으로써 불순물 제거에 유리한 반응 환경을 조성하였다. 이 반응 경로를 Thermal ALD 방식에 적용하여 기존 공정과 비교 실험을 수행하였으며, 그 결과 Cl 불순물이 기존 대비 약 70% 감소하고, 비저항은 약 34% 감소하는 성과를 얻었다. 이는 DRAM 소자 적용에 가능한 저온 고품질 TiN 박막 공정으로서의 가능성을 보여준다.
more초록/요약
Dynamic Random-Access Memory (DRAM) is widely used as the main memory in modern computer architecture due to its high operating speed and large storage capacity. As semiconductor devices continue to scale down and integration density increases, the aspect ratio of DRAM cells has significantly increased, leading to structural weakness in capacitor nodes. This weakness can result in node breakage or contact with adjacent nodes, directly impacting DRAM yield. Consequently, securing favorable dielectric and electrical properties of materials has become more critical than mere physical scaling. Titanium Nitride (TiN) is a widely used nitride thin film in DRAM capacitor electrodes and transistor gates due to its excellent thermal stability and electrical conductivity. High-quality TiN films with low impurity levels and low resistivity can be achieved at deposition temperatures above 600 °C. However, such high temperatures pose a risk of thermal degradation to surrounding components, necessitating the development of low-temperature Atomic Layer Deposition (ALD) processes with effective impurity control for DRAM applications. In this study, a alternative reaction ALD process was designed and implemented to enhance Cl impurity removal at low temperatures. By introducing hydrogen bromide (HBr) between the precursor TiCl₄ and the reactant NH₃, a TiBrₓ solid intermediate—phase with a lower bond dissociation energy than Ti–Cl—was formed to facilitate impurity elimination. This reaction pathway was realized using thermal ALD, and comparative analysis was performed between TiN films deposited via the conventional and the proposed alternative processes. The results demonstrated a ~70% reduction in Cl impurities and a ~34% decrease in film resistivity, demonstrating the potential of the alternative route for low-temperature, high-quality TiN film deposition suitable for DRAM fabrication.
more목차
제 1 장 서 론 1
제 1 절 연구 배경 및 필요성 1
제 2 절 연구 목적 및 논문 구성 2
제 2 장 이론적 배경 및 공정 기술 3
제 1 절 DRAM 구조 및 TiN 전극 3
제 1 항 DRAM 고집적화와 소재 기술 과제 3
제 2 항 TiN 전극 특성과 요구 조건 5
제 2 절 원자층 증착(ALD) 공정 개요 6
제 3 장 실험 및 결과 7
제 1 절 TiN 박막 증착 공정 7
제 1 항 Thermal ALD 공정 조건 설정 7
제 2 항 결정성 및 물성 분석 10
제 2 절 우회 공정 TiN 박막 증착 13
제 1 항 HBr 주입 기반 반응 경로 설계 13
제 2 항 결정성, 불순물 분석 결과 17
제 3 항 Passivation layer(NbN) 도입 21
제 3 절 공정 최적화 및 비교 분석 24
제 1 항 HBr 주입 조건 최적화 24
제 2 항 기존 공정과 우회 공정 박막 비교 25
제 4 장 결 론 32
참 고 문 헌 34
Abstract 37
