[논문]플라즈마 표면 처리를 이용한 TiO2 MOS 커패시터의 특성 개선

신동혁; 조혜림; 박세란; 오훈정; 고대홍

[국내논문] 플라즈마 표면 처리를 이용한 TiO2 MOS 커패시터의 특성 개선
Improvement in Capacitor Characteristics of Titanium Dioxide Film with Surface Plasma Treatment 원문보기

반도체디스플레이기술학회지 = Journal of the semiconductor & display technology, v.18 no.1, 2019년, pp.32 - 37

신동혁 (연세대학교 신소재공학과) , 조혜림 (연세대학교 신소재공학과) , 박세란 (연세대학교 신소재공학과) , 오훈정 (연세대학교 BIT 마이크로 팹 연구소) , 고대홍 (연세대학교 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Titanium dioxide ($TiO_2$) is a promising dielectric material in the semiconductor industry for its high dielectric constant. However, for utilization on Si substrate, $TiO_2$ film meets with a difficulty due to the large leakage currents caused by its small conduction band energy offset from Si substrate. In this study, we propose an in-situ plasma oxidation process in plasma-enhanced atomic layer deposition (PE-ALD) system to form an oxide barrier layer which can reduce the leakage currents from Si substrate to $TiO_2$ film. $TiO_2$ film depositions were followed by the plasma oxidation process using tetrakis(dimethylamino)titanium (TDMAT) as a Ti precursor. In our result, $SiO_2$ layer was successfully introduced by the plasma oxidation process and was used as a barrier layer between the Si substrate and $TiO_2$ film. Metal-oxide-semiconductor ($TiN/TiO_2/P-type$ Si substrate) capacitor with plasma oxidation barrier layer showed improved C-V and I-V characteristics compared to that without the plasma oxidation barrier layer.

주제어

AI 본문요약
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가설 설정

(b) I-V characteristics of MOS capacitors stacked in the order of TiN(Metal gate)/TiO2(20 nm)/SiO2 barrier (2 nm)/P-type Si.
약 2 nm 두께를 가진 플라즈마 산화막의 유전 상수는 4.0으로 가정하였다. 약 20 nm의 TiO₂ 박막이 100 µm×100 µm 면적의 금속 pad에서 110 pF의 accumulation capacitance를 가질 때, 약 65의 유전상수 값이 추출되었다.

제안 방법

1에서 나타났듯이, 플라즈마 산화 공정을 통해 형성된 SiO₂ 박막은 Ellipsometry 를 이용한 두께 측정 결과, mean square error (MSE)가 3 이내의 값을 가지고 SiO₂ 박막의 reference에 우수하게 fitting되었다. Fig. 1에서 확인되었던 플라즈마 산화를 통해 형성된 산화막들의 화학적 특성을 비교하기 위해, 각각 약 7 Å, 11 Å, 14 Å의 두께를 가지는 것으로 나타났던 산화막들에 대해 XPS 측정을 수행하였다. 각각의 산화막들에 대하여 Si 2p영역에서 Si 기판 peak 대비 높은 binding energy 위치에서 나타나는 peak는 Si-O 결합에 대한 정보는 나타낸다.
MOS capacitor에 대한 C-V 분석을 통해 capacitance의 형성 및 TiO2 박막의 유전 상수에 대한 평가가 진행되었다.
TDMAT dose, Ar purge, O2 plasma exposure, Ar purge (1.0 s/3.5 s/0.6 s/1.0 s)로 구성된 4가지 공정의 시간은 TiO2 박막의 자기 제한적 증착이 확인된 조건으로 증착되었다.
XPS 측정은 monochromated Al Kα X-ray 소스를 이용하여 100 eV의 pass energy와 0.1 eV의 step size로 진행되었다.
1 eV의 step size로 진행되었다. 마지막으로 박막의 전기적 특성은 Agilent B1500A semiconductor device analyzer를 이용해 분석되었다. MOS capacitor에 대한 C-V 분석을 통해 capacitance의 형성 및 TiO₂박막의 유전 상수에 대한 평가가 진행되었다.
본 연구에서는 Direct capacitive-coupled plasma를 플라즈마 소스로 활용하여 형성된 플라즈마 산화막과 함께 tetrakis (dimethylamino)titanium (TDMAT)를 precursor로 활용한 TiO2 금속 산화물 유전체의 C-V및 I-V 특성을 주로 탐구하였다.
본 연구에서는 플라즈마 산화를 이용한 얇은 플라즈마 산화막의 형성 및 플라즈마 산화막을 이용한 TiO2 박막의 C-V 특성 분석이 진행되었다.
우리 연구에서는 PE-ALD 반응기를 이용하여 SiO2 박막의 plasma oxidation 형성 가능성을 검증하였고, in-situ 방법으로 후속 증착된 TiO2 박막의 누설 전류 변화를 확인하였다.
MOS의 제작 을위해서는 증착된 TiO₂ 박막 시편을 PR patterning한 이후 상부 전극으로 100 nm 두께의 TiN 금속 박막을 sputter 방식으로 증착하였다. 이후 원하지 않은 영역에 존재하는 PR 및 TiN 금속 층을 아세톤과 IPA를 사용한 lift-off 공정을 통해 제거하였다.

대상 데이터

MOS의 제작 을위해서는 증착된 TiO2 박막 시편을 PR patterning한 이후 상부 전극으로 100 nm 두께의 TiN 금속 박막을 sputter 방식으로 증착하였다.
사가 제조한 상업용 PE-ALD 반응기를 이용하여 plasma oxidation을 통한 SiO2 산화막을 형성하였고 TiO2 박막을 증착하였다.

이론/모형

SiO2와 TiO2 박막의 두께는 Spectroscopic ellipsometry (alphaSE model from J. A. Woollam Co. Ltd.)를 이용해 측정되었다.

성능/효과

Al-doped TiO2 박막을 유전체로 활용했을 때는 interlayer인 RuO2와 TiO 박막 사이의 Schottky barrier height이 약 1.6 eV로 높아졌고, 그 결과 TiO2 박막을 포함한 전체 유전막의 Effective oxide thickness 손실을 줄임과 동시에 누설 전류를 감소시킬 수 있었다.
하지만 in-situ 플라즈마 산화막을 도입한 이후, TiN(Metal gate)/TiO₂(20 nm)/SiO₂ barrier(2 nm)/P-type Si으로 구성된 MOS capacitor의 C-V curve는 약 -5 V의 게이트 전압까지도 accumulation capacitance가 saturation 된 형태로 유지되었고, 이 때 TiO₂ 박막은 약 65의 유전상수 값을 가지는 것으로 확인되었다. 또한 플라즈마 산화막을 포함한 유전체의 I-V 특성은 산화막이 없는 유전체에 비해서 누설 전류가 약 2개 차수(order)만큼 크게 감소하였다.
전체 PE-ALD 공정은TDMAT dose, TDMAT purge, O2 plasma exposure, 그리고 O2 plasma purge의 4 가지 step으로 이루어졌으며 공정 압력은 2 torr로 유지되었다(Fig. 1).
플라즈마 산화가 시작되면서 형성된 이 박막의 두께는 기판과 SiO₂ 박막 사이 계면 형성에 기인한 것으로 추정된다. 플라즈마 산화가 진행되면서 박막의 두께는 로그 함수에 근접하는 형태로 진행되고, 충분히 긴 시간의 플라즈마 산화 이후에도 박막의 두께가 약 3 nm 전후에서 크게 증가하지 않는 것이 관찰되었다.
각각의 산화막들에 대하여 Si 2p영역에서 Si 기판 peak 대비 높은 binding energy 위치에서 나타나는 peak는 Si-O 결합에 대한 정보는 나타낸다. 플라즈마 산화를 통해 형성된 산화막은 7 Å의 얇은 두께에서 약 103.4 eV의 Si-O binding energy를 가지는 것이 확인되었고, 이는 SiO₂의 binding energy인 103.5 eV와 매우 유사했다. 한편 Si-O binding energy의 위치는 산화막의 두께가 증가할수록 더 높은 binding energy쪽으로 이동했고, 플라즈마 산화가 진행됨에 따라 증가한 산화막의 두께는 증가한 Si-O peak 면적에서도 확인할 수 있다.
하지만 in-situ 플라즈마 산화막을 도입한 이후, TiN(Metal gate)/TiO2(20 nm)/SiO2 barrier(2 nm)/P-type Si으로 구성된 MOS capacitor의 C-V curve는 약 -5 V의 게이트 전압까지도 accumulation capacitance가 saturation 된 형태로 유지되었고, 이 때 TiO2 박막은 약 65의 유전상수 값을 가지는 것으로 확인되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Titanium dioxide (TiO2) 박막의 단점은?	고 유전상수 유전체 박막 중 금속 산화물인 Titanium dioxide (TiO2) 박막은 ~ 60에 이르는 매우 큰 유전상수 값을 가지는 것으로 잘 알려져 있다[4]. 하지만 TiO2 박막은 밴드 다이어그램 상 Si 기판 대비 conduction band offset이 약 0.1 eV에 불과하고, 따라서 Si 기판 위에 gate 유전체를 형성시켰을 때 누설전류의 양이 매우 크다. TiO2 박막의 누설전류를 감소시키기 위하여 Al-doped TiO2 박막 혹은 interlayer로써 얇은 RuO2이나 SiO2 박막의 적용이 앞서 논의된 바 있다[5,6].
	Al-doped TiO2 박막 게이트 반도체 소자에서 RuO2를 interlayer로 사용했을 때의 효과는?	TiO2 박막의 누설전류를 감소시키기 위하여 Al-doped TiO2 박막 혹은 interlayer로써 얇은 RuO2이나 SiO2 박막의 적용이 앞서 논의된 바 있다[5,6]. Al-doped TiO2 박막을 유전체로 활용했을 때는 interlayer인 RuO2와 TiO 박막 사이의 Schottky barrier height이 약 1.6 eV로 높아졌고, 그 결과 TiO2 박막을 포함한 전체 유전막의 Effective oxide thickness 손실을 줄임과 동시에 누설 전류를 감소시킬 수 있었다. 하지만 이러한 형태의 누설 전류 통제 방법을 Si 기판 위에서 적용시킬 때는 여전히 TiO2 박막 아래에 RuO2 등의 유전체 박막이 sub-layer로써 필요하다.
	Titanium dioxide (TiO2) 박막의 특징은?	이에 따라 게이트 유전막의 물리적인 두께를 증가시키기 위한 고 유전상수 박막 유전체의 필요성이 커지고 있다[1-3]. 고 유전상수 유전체 박막 중 금속 산화물인 Titanium dioxide (TiO2) 박막은 ~ 60에 이르는 매우 큰 유전상수 값을 가지는 것으로 잘 알려져 있다[4]. 하지만 TiO2 박막은 밴드 다이어그램 상 Si 기판 대비 conduction band offset이 약 0.

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상세보기
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상세보기
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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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