The scaling of integrated circuits requires the use of alternative dielectric materials as the replacement for silicon dioxide in the submicron devices. The use of alternative dielectrics with high-κ value will alleviate the problem of charge retention and would help to decrease the programming voltage in case of flash memory cells. In addition to this, there is a need of lowering of processing temperature owing to high thermal budget of conventional LP CVD method.
From the viewpoint of leakage current of dielectrics, both energy bandgap and energy barrier are important to electron injection. But these values of many alternative high-κ dielectric materials such as $HfO_2$, $TaO_2$, $TiO_2$ are lower than that of $Si_3N_4$ dielectric material. $Al_2O_3$ dielectric material has a energy bandgap and energy barrier similar to that of $Si_3N_4$ dielectric material. So we replaced $Si_3N_4$ dielectric material with $Al_2O_3$ dielectric material to improve the electrical properties of interpoly dielectric (IPD) of flash memory.
The leakage current properties can be controlled by producing multilayer stacks. Multilayer stack formation with various thickness configurations of different materials offers improvements of leakage current and breakdown voltage by controlling the asymmetrical energy barrier to electron injection.
In this study, we report the ALD method of $SiO_2$ and $Al_2O_3$ and multilayers briefly. we report the influences of deposition temperature and kind of oxidant on the physical and electrical properties of single layer and mutilayers. Especially, we focused on the interpretation of corelation between deposition parameters (deposition temperature, kind of oxidant) and electrical properties through structural analysis such as spectroscopic ellipsometer (SE), XPS, SIMS.
In the case of $SiO_2$, the stoichiometry was shifted to Si rich and the amounts of oxide trapped charge were increased with the increase of temperature in the range from 403 to 453℃. The dominant conduction mechanism of $SiO_2$ was F-N tunneling throughout all temperatures. In $Al_2O_3$, AlSixOy interlayer formation between Si substrate and $Al_2O_3$ decreased the dielectric constant and bandgap energy at high temperature. When $O_3$ is used as the oxidant, $Al_2O_3$ films contained lower H, C impurities and structural defects than $Al_2O_3$ films deposited with $H_2O$. The dominant conduction mechanism of $Al_2O_3$ films were changed with the kind of oxidants. $Al_2O_3$ films deposited with $O_3$ showed Fowler-Nordheim(F-N) tunneling and $Al_2O_3$ films deposited with $H_2O$ showed Frenkel-Poole(F-P) emission because of defect energy levels showed by SE spectrum.
Multilayer dielectric film stacks having various combinations of $SiO_2$ and $Al_2O_3$ were prepared by ALD method, and their electrical properties were characterized for flash memory applications. Various dielectric films have different conduction mechanisms. When top oxide is $Al_2O_3$, conduction mechanism was F-P emission. When top oxide is $SiO_2$, conduction mechanism was F-N tunneling. It was found that $SiO_2$ layer was more effective than $Al_2O_3$ layer because of different conduction mechanisms. It was also found that the $SiO_2$ layer play a role of rate controlling step determining the total electron leakage of entire mutilayer stacks.
Especially, the AO multilayer exhibited lowest leakage current densities of $0.952 nA/cm^2$ among various mutlilayers. And ALD films showed comparable leakage current properties to those of the conventional LP CVD films in spite of lower thermal budget. Finally, we confirmed the possibility of AO multilayer for IPD application of flash memory through device application test.
집적 소자의 크기가 작아짐에 따라 기존의 $SiO_2$ 를 대체할 수 있는 신물질이 필요하게 되었다. 기존의 $SiO_2$ 를 대체할 high-k 물질 사용은 플래시 메모리 소자의 정보저장능력을 늘리고 쓰기 전압을 감소시켜줄 것이다. 이밖에도 유전박막을 형성하는 기존의 LPCVD 방법의 높은 증착온도를 낮추어야할 필요성이 제기되고 있다.
유전 박막의 누설전류 관점에서 유전박막의 밴드갭 에너지와 전자 이동에 대한 에너지 장벽값은 매우 중요한 개념이다. 그러나 $HfO_2$, $TaO_2$, $TiO_2$ 등의 high-k 물질은 기존의 $Si_3N_4$ 보다 밴드갭 에너지나 에너지 장벽이 작은 단점을 가지고 있다. 따라서 플래시 메모리의 interpoly dielectric의 전기적 특성을 향상시키기 위해서 본 연구에서는 $Si_3N_4$을 대체하여 밴드갭 에너지가 크고 유전상수 값이 큰 $Al_2O_3$ 를 사용하였다.
다층박막을 형성함으로써 유전박막의 누설전류 특성을 조절할 수 있다. 다양한 물질 조합과 두께 조합을 통한 다층박막을 형성함으로써 비대칭적인 전자이동에 대한 에너지 장벽을 조절하여 유전박막의 누설전류, 파괴전압 등을 조절할 수 있다.
본 연구에서는 원자층 증착방법을 통하여 $SiO_2$ 와 $Al_2O_3$ 단일박막 및 다층박막을 형성하였다. 증착온도와 산화제의 종류가 박막의 물리적, 전기적 특성에 끼치는 영향에 대하여 연구하였으며, 특히 spectroscopic ellipsometer, XPS, SIMS등의 구조적 분석방법들을 통하여 박막의 증착온도, 산화제의 종류 등 증착변수와 전기적 특성과의 상관관계 해석에 중점을 두었다.
$SiO_2$ 박막의 경우, 403℃와 453℃의 온도범위에서 증착온도가 증가할수록 Si과 O의 조성이 Si이 많은 부분으로 이동하였으며 박막 내 존재하는 전하의 양도 증가하였다. 모든 증착온도 범위에서 $SiO_2$ 박막은 Fowler-Nordheim tunneling의 전도기구를 나타내었다. $Al_2O_3$ 의 경우 고온에서 Si 기판과 박막사이의 계면에 AlSixOy의 계면층이 형성되어 유전상수 값과 밴드갭 에너지를 감소시키는 경향이 발생하였다. 산화제로 $O_3$ 를 사용하였을 때 $H_2O$ 를 사용하였을 때 보다 낮은 H, C등의 불순물이나 구조적 결함 함유량을 나타내었다. 결과적으로 산화제에 따라 $Al_2O_3$ 박막의 전도기구 변화가 발생하였다. 즉, 산화제로 $O_3$ 를 사용하였을 때 F-N tunneling이 지배적인 전도기구였지만 $H_2O$ 를 사용하였을 때는 F-P emission이 지배적인 전도기구였다. 이 사실은 SE spectrum에서 $H_2O$ 를 사용하였을 때 발생하는 defect energy level 결과와 잘 일치한다.
$SiO_2$, $Al_2O_3$ 단일막 증착공정을 최적화 하고 이를 바탕으로 여러 가지의 다층박막을 형성하였다. 특히 최적의 특성을 가지는 다층 IPD 유전박막을 개발하기 위해 다층박막 내 물질조합 및 두께조합에 따른 전기적 특성을 평가하고 conduction mechanism을 분석하였다. Top oxide가 $SiO_2$ 인 OA, OAO의 경우 FN tunneling을 나타내었고, AO의 경우 $Al_2O_3$ 와 유사한 FP emission의 conduction mechanism을 나타내어 top oxide가 다층절연박막의 전기적 특성에 결정적인 역할을 하였다. OA나 OAO 다층절연박막의 경우 barrier layer에는 양질의 $SiO_2$ 층이 필요할 것으로 판단된다. AO 다층절연박막의 경우에는 낮은 전압에서 Re-VARIOT과 같이 누설전류특성이 우수하였지만 인가전압이 증가할수록 defect level에 의한 FP emission이 이루어져 누설전류특성이 나빠지는 것을 확인할 수 있었다. 또한 절연파괴 현상이 급격하게 발생하지 않고 꾸준하게 발생하는 $Al_2O_3$ layer보다는 F-N tunneling의 전도기구를 갖는 $SiO_2$ layer가 전체 다층박막에서 누설전류 발생의 율속 단계 (rate controlling step) 역할을 수행함을 알 수 있었다.
ALD 방법을 이용한 AO 다층박막을 플래시메모리 소자에 적용함으로써 우수한 Program/Erasing 특성 및 Data retention 특성을 갖는 플래시 메모리를 얻을 수 있었고 추후 본 연구에서 개발한 박막의 상용화가 기대된다.
