Discrete Feeding Method (DFM)을 이용한 PE-ALD TiO2 박막의 성장 거동 및 특성에 관한 연구

국문 초록 (Abstract)

이산화 타이타늄 (TiO2)은 높은 유전 상수와 열적 안정성 및 다중 금속 산화물 시스템의 중요한 구성 요소로서의 역할로 인해 메모리 및 박막 트랜지스터와 같은 전자 장치의 매력적인 유전체 재료로 부상했다. TiO2 박막은 물리 기상 증착 (Physical Vapor Deposition, PVD), 화학 기상 증착 (Chemical Vapor Deposition, CVD) 및 스핀 코팅과 같은 많은 방법들로 제조될 수 있다. 이러한 성장 방법들 중에서도 plasma-enhanced atomic layer deposition (PE-ALD) 기술은 박막의 conformal한 성장을 가능하게 하고 상대적으로 높은 박막 성장 속도 및 낮은 기판 온도의 장점들 때문에 나노 스케일 박막 증착에 가장 유망한 방법 중 하나가 되었다. 그러나, 대부분의 PE-ALD TiO2 공정은 1.0 Å/cycle 미만의 낮은 growth-per-cycle (GPC)를 보여 대량 생산으로의 적용에 어려움을 겪고 있다. Discrete feeding method (DFM)은 기존의 conventional ALD 방법과 달리 O2 플라즈마 단계에 도달하기 전에 전구체 공급과 퍼지 단계를 원하는 만큼 반복하는 컷-인 사이클 (Cut-in Cycle)을 추가적으로 진행하여 전구체 (또는 부분적으로 분해된) 분자의 물리적 크기 및 근접성에 의해 야기된 입체적 방해 (Steric Hindrance)현상을 개선하기 위해 고안된 새로운 전구체 공급 방식이다.
본 실험에서는 DFM을 적용한 TiO2 박막과 기존 ALD 방식으로 증착 된 박막 간의 성장 거동 및 박막 특성 변화를 비교하고자 하였으며, DFM 조건의 최적화를 위해 다양한 컷-인 사이클 횟수와 전구체 공급 시간에 대한 평가를 진행하였고, 이러한 최적화 실험을 통해 최종적으로 최대의 생산성 효과를 보이는 조건을 확보하고자 하였다.
TiO2 박막들은 모두 동일한 250 ℃의 공정 온도 조건에서 Si (100)기판에 증착 되었다. O2 플라즈마 소스는 direct capacitively-coupled (CCP)유형으로 400W power 조건으로 적용되었고, 반응기 압력은 증착 공정을 진행하는 동안 2 torr로 유지되었다.
Spectroscopic ellipsometry (α-SE 모델, J. A. Woollam Co. Ltd.) 및 TEM 분석을 통해 증착 된 TiO2 박막의 두께를 검증하였으며, 이로부터 본 실험의 최종 결과물인 deposition rate (D/R)을 추출하였다. 결과적으로, DFM 그룹의 D/R는 기존 ALD 방식의 그룹에 비해 35 % 증가한 결과를 보여주었다. 또한, X선 광전자 분광법 (XPS, Thermo Scientific, U.K)을 사용한 peak intensity 분석을 통해 DFM이 적용된 TiO2 박막이 기존 POR TiO2 박막과 유사한 화학적 조성을 가지고 있음을 확인하였다.
또한, 25:1 HF chemical을 사용한 wet etch rate (WER)평가를 통해 DFM 그룹의 WER이 기존 POR그룹과 비교하여 6 % 가량 낮다는 것을 확인하였다. 추가적으로 H3PO4와 H2O2를 혼합한 chemical을 이용하여 진행한 WER 평가에서도 DFM 그룹이 POR 그룹에 비해 9 % 낮은 결과를 확보하였다. 일반적으로 증착 조건의 D/R이 증가하게 되면 증착된 박막의 밀도가 감소하고 WER은 증가하게 되는 반면, DFM-TiO2 공정의 경우에는 D/R이 증가하였음에도 불구하고 증착된 박막의 WER은 오히려 감소하는 결과를 보여주었다.
POR 그룹을 포함하는 3개의 그룹들에 대한 Rutherford backscattering spectrometry (RBS)분석을 통해 Ti/O 비율을 비교한 결과, POR 조건에서는 oxygen-rich한 TiO2 박막이 형성되어 Ti/O 비율 값이 DFM 그룹과 비교하여 상대적으로 높은 것을 발견할 수 있었다. 또한, 컷-인 사이클의 횟수가 증가함에 따라 Ti/O 비율이 감소하였으며, DFM 5x 그룹에서는 fully oxidized TiO2 박막의 stoichiometric 비율에 근접한 값을 보여주었다. RBS 분석 결과를 근거로 POR 조건의 박막에는 DFM 조건과 비교해 상대적으로 많은 산소 결합이 포함되어 있음을 확인하였고, 이러한 여분의 산소 결합 (oxygen rich)이 화학 물질에 대한 POR 박막의 저항성을 약화시켜서 DFM 박막보다 높은 WER 결과를 보인 것으로 판단하였다. 마지막으로 TiO2 박막의 전기적 특성을 비교하기 위해 C-V 곡선을 측정한 결과, POR과 DFM 그룹 사이의 유전 상수가 측정 산포 내에서 유의 차가 없음을 검증하였다.
본 실험을 통해 PE-ALD TiO2 공정에 DFM 방식을 응용하여 동일한 전기적 특성을 유지하되, 높은 생산성과 개선된 물리적 특성을 갖는 TiO2 박막을 형성할 수 있음을 확인하였다.