Barium strontium titanate (BST) is expected to be a good candidate material for storage capacitors of Gbit-scale dynamic random access memories (DRAMs) due to its high dielectric constant and good insulating properties. A platinum (Pt) thin film is commonly used as an electrode for high dielectric BST capacitors, because it exhibits low resistivity and good heat resistance, and leads to low capacitor leakage current. In spite of these advantages, Pt poses a number of problems with regard to its application.
In this dissertation, iridium (Ir)-based thin films are proposed as new electrode materials for high dielectric BST capacitors. First, characteristics of Ir thin films are compared with those of other electrode materials. Electrical properties of BST capacitors using Ir electrodes are also characterized and demonstrated. The Ir electrode is found to be superior to the conventional Pt electrode in a number of aspects such as crystallinity, resistivity, adhesion and surface roughness. Furthermore, the possibility of chemical etching for Ir is confirmed by the investigations on the etch rates of the films with various reactive gases. The use of Ir bottom electrode instead of Pt is found to result in the major increase in the dielectric constant, maintaining a sufficiently low leakage current. It is considered to be due to the preferential oriental growth of BST film caused by $IrO_2$ nucleation sites formed on Ir bottom electrode. The minor increase in dielectric constant is also obtained by using Ir as a top electrode of BST capacitor, which is described by the stress effect of Ir on BST.
The reliability of BST capacitors which is directly related with their practical applications to DRAMs is studied in detail, as the next topic. Another degradation phenomenon-dielectric degradation- in addition to resistance degradation has been found firstly and studied for the physical understanding of its nature. The dielectric degradation is explained by the increase in dielectric relaxation phenomenon and modeled by the modified reduction model. The model is supported by several experimental results. This degradation phenomenon is also found to be dependent on the electrode materials, and thus improved by using Ir electrode due to its diffusion barrier effect.
Finally, the development of bottom electrode structure, which is one of the most important integration issues, is carried out for the integration of BST capacitors on poly-Si plug. For this purpose, an $IrO_2$ is used as a diffusion barrier for preventing the silicidation of electrode and diffusion of oxygen. The use of conducting $IrO_2$ as a diffusion barrier brings about some problems such as deoxidization, damage to poly-Si surface, and deterioration of the contact under the post thermal processes. Such problems are solved by the development of bottom electrode structure using the graded-$IrO_2$ diffusion barrier (GDB). It is confirmed that the bottom electrode structure of Ir/GDB/Ir on poly-Si shows sufficiently low contact resistance up to the post-annealing temperature of 700℃ without the silicidation and diffusion of oxygen. In addition, the BST capacitor on poly-Si using the new bottom electrode structure with GDB shows good electrical properties.
본 논문은 고집적 반도체 메모리의 대체 유전체 물질로 널리 연구되고 있는 (Ba,Sr)$TiO_3$ (BST) 박막을 위한 새로운 전극 물질 및 구조의 개발을 목표로 하고 있다. 기존에 널리 사용되어 왔던 백금 [platinum (Pt)]과 ruthenium (Ru) 전극 등은 BST 커패시터의 전기적 특성, 신뢰도 및 다결정 실리콘 (poly-Si) plug 위에서의 구조적 불안정성 등의 문제로 인해 고집적 메모리 응용에 있어 여러가지 문제점을 안고 있다. 따라서, BST 박막을 위한 새로운 전극 재료로서 전도특성 및 온도 안정성이 우수한 iridium (Ir)을 제안 하여, Ir의 박막 특성과 이를 이용한 BST 커패시터의 전기적 특성, 신뢰도 등을 평가 및 분석 하였다. 또한, Ir 전극의 산화막이며 전도성이 우수한 $IrO_2$ 박막을 도입하여, poly-Si 위에서도 금속 silicide 형성 및 산소확산을 방지할 수 있는 BST 커패시터용 전극 구조 개발에 대해 연구하였다. 기존의 전극재료와의 성능 비교를 위해 현재 가장 널리 사용되고 있는 Pt 전극을 이용한 BST 커패시터의 제반 특성이 비교 조사되어 졌다.
먼저, Ir을 박막화 하였을 경우, 전극 재료로서 요구 되어 지는 기본적인 특성인, 전도성, 결정성, 부착성, 표면 roughness 및 식각특성에 대해 조사하였다. 그 결과, Ir 박막은 결정성 및 표면 roughness 특성에 있어 Pt 전극과 마찬가지로 우선 방향성장 및 부드러운 표면상태로 성장됨을 확인 하였으나, 전도성 및 부착성 면에 있어서는 기존의 Pt 전극에 비해 매우 우수함을 확인하였다. 특히, BST 커패시터의 집적화 기술에 있어 중요시 여겨지는 전극재료의 식각 특성에 있어서는, Pt 전극이 주로 기계적으로 식각되어 지는 반면, Ir 전극은 식각 gas와의 반응에 의해 화학적인 식각이 가능함을 확인할 수 있었다.
다음은, Ir 전극을 사용한 BST 커패시터의 누설전류 및 유전율 등의 전기적 특성을 Pt 전극의 경우와 비교하여 평가 하였다. 이를 위해, Ir이 BST 금속/절연체/금속 (MIM) 커패시터의 하부전극 및 상부전극으로 사용 되었을 때, 각각의 경우에 대한 영향을 조사하였다. Ir이 하부전극으로 사용 되었을 경우, 누설전류는 Pt을 하부전극으로 사용한 BST 커패시터와 마찬가지로 적은 전류를 유지 하면서도, 유전율에 있어서는 30% 정도의 증가율을 보였다. Ir 하부전극의 사용에 의한 유전율의 증가는 하부전극 재료에 따른 BST 박막의 결정성의 차이에 기인한 것으로 고려되었다. 즉, Pt 전극위에 증착된 BST 박막은 그 결정방향이 random한 방향으로 성장하는 반면, Ir위에 증착된 BST 박막의 경우는 [111] 방향으로 우선 방향 성장을 하고 있음을 확인하였다. 이는 Ir 전극위에서 BST 박막의 결정성이 우수해 지고, 유전율의 증가를 가능하게 함을 나타내고 있다. 또한, 이러한 BST 박막의 우선방향 성장은 BST 박막의 증착 과정 중, Ir 전극 표면에 형성된 $IrO_2$ phase가 nucleation site의 역할을 하기 때문으로 확인되어 졌다. 한편, 유전율의 증가는 Ir을 상부전극으로 사용했을 경우에도 얻을 수 있었다. 이는 Ir 상부 전극이 BST 박막내에 압축응력을 유발하기 때문인 것으로 조사되었다.
메모리의 실제 동작에 있어 중요시 되는 BST 커패시터의 신뢰도 특성을 조사하였다. 본 연구에서는 기존에 알려진 BST 커패시터의 resistance degradation 외에, 전기적 stress에 의해 유전율의 감소 및 유전분산이 심해지는 현상인 dielectric degradation 현상을 발견하고, 이에 대한 물리적 이해 및 기구에 대해 연구하였다. 다양한 실험을 통해, dielectric degradation 현상이 전기적 stress에 의한 BST 박막내의 산소결핍의 증가 및 재배치 현상에 의해 유전완화 전류가 증가하고, 이는 다시 저주파 영역에서의 유전분산을 증가시켜, 측정된 주파수 대역에서의 유전율을 감소시키는 것으로 고려되어 졌다. 이러한 현상을 modified reduction model에 의해 설명하였으며, 이 model에 기인한 현상들을 실험적으로 확인하였다. 또한, dielectric degradation 현상은 Ir 전극의 사용에 의해 개선 시킬 수 있음을 알 수 있었고, 이는 Ir 전극의 산소에 대한 확산장벽 역할에 기인한 것으로 고려되어 졌다.
마지막으로, BST 커패시터를 poly-Si plug 위에 형성하기 위한 전극 구조의 개발에 대해 다루어 졌다. 이를 가능하게 하기 위해서는 금속 전극의 silicidation 및 산소의 확산을 방지해주는 확산 장벽 물질의 개발이 선행 되어야 하며, 본 연구에서는 이를 위해 전도성 및 온도 안정성이 우수한 $IrO_2$ 박막을 도입 하였다. 그러나, $IrO_2$ 사용에 의해 $IrO_2$의 저압, 고온에서의 환원 현상, poly-Si 표면의 산화 및 산소의 공급원으로서의 $IrO_2$의 역할과 같은 문제점들을 발견 하였고, 이에 대한 해결 방안들을 개발하였다. 이러한 문제들은 graded-$IrO_2$ 확산 장벽층 (GDB)을 사용한 Ir/GDB/Ir/poly-Si 구조 개발에 의해 해결할 수 있었으며, 이러한 구조는 산소 분위기에서 700℃ 까지의 열처리를 통해서도 충분히 적은 접촉 저항과 함께 안정된 구조를 유지하고 있음을 확인 하였다. 최종적으로, 이 전극 구조를 사용하여 BST 박막을 증착한 결과, Ir/SiO$_2$/Si 기판위에 증착된 BST 박막과 같이 우수한 전기적 특성을 보임을 확인하였다.
