| 학회 | 한국재료학회 |
| 학술대회 | 2004년 봄 (05/14 ~ 05/14, 강릉대학교) |
| 권호 | 10권 1호 |
| 발표분야 | 금속 |
| 제목 | FeRAM 소자 제작 중에 발생하는 Pt/Al 반응에 관한 분석 |
| 초록 | 1. 서론: FeRAM 소자의 강유전체 커페시터 전극으로는 백금 (Pt)이 가장 일반적으로 적용되고, 금속 배선 공정에는 주로 알류미늄 (A)l 적용도고 있다. 그런데, Pt과 Al은 후속 열 공정에서 쉽게 반응하는 문제가 발생한다.1,2) 따라서, 본 연구에서는 이러한 Pt/Al 반응이 발생할 수 있는 최저 열 공정 조건을 평가하고, 이러한 평가 결과를 이용하여 실제 FeRAM 소자 제작 중의 Pt/Al 반응을 억제할 수 있는 해결책을 제시하고자 한다. 2. 실험 방법: Pt/Al 상호 반응이 일어나는 최소 열 공정 정도를 확인하기 위하여 Si 기판 위에 Al(3000Å)을 증착하고, 그 위에 Pt(1500Å)을 증착하였다. 그 다음 이 적층을 질소 분위기에서 100℃ 온도 간격으로 500℃까지 열처리 온도를 증가시키면서 열 공정을 수행하였다. 열 처리 시간은 모든 조건에서 30분으로 고정하였다. 열 공정 후에는 SEM, AFM, TEM 등을 이용하여 미세 구조 변화를 관찰하였고, AES 분석을 통하여 원소들의 상호 확산 정도를 평가하였다. XRD 분석을 통해서는 이 때 형성되는 반응 상을 확인하였다. 반도체 소자 제작 공정에서 가장 일반적으로 적용되는 확산 방지막은 TiN이다. 따라서, 본 연구에서는 이 TiN 확산 방지막의 확산 억제 특성을 평가하기 위하여 Pt/Al 계면 사이에 TiN 층을 삽입한 후, 위의 Pt/Al 적층에서와 같은 방법으로 열 공정을 수행한 후 Pt/Al 반응 정도를 분석하였다. 이상의 모사 실험 결과가 실제 소자 제작 공정에 바로 적용될 수 있는 지 확인하기 위하여, 실제 소자 제작 공정에서의 Pt/Al 반응 유무의 분석도 병행하여 수행하였다. 또, TiN 대신에 새로운 확산 방지막으로 Ir/IrOx 적층의 적용 가능성도 실제 소자 제작 공정에 적용하여 같은 방법으로 평가하였다. 3. 결과 및 고찰: Pt/Al 적층에서의 상호 반응은 300℃부터 진행되었고, 이 반응에 의한 형성 상은 XRD 분석 결과에서 Al2Pt임을 확인할 수 있었다. 이러한 반응은 평판의 Pt/Al 계면에 TiN(1000Å) 층을 삽입하면 500℃까지의 열 공정 후에도 관찰되지 않았다. 그런데, 실제 FeRAM 소자 제작 중에서는 TiN 확산 방지막을 사용하는 경우에도, 400℃ 이상의 열 공정 후에는 Pt/Al 상호 반응이 관찰되었다. 이러한 모사 실험과 실제 소자 제작 과정에 나타나는 차이는, 소자 제작 공정 중의 미세 구조 분석 결과, Pt 전극 표면에 생성된 결함 (void)에 의한 영향임을 확인할 수 있었다. 즉, 소자 제작 과정에서 금속 배선 공정 이전에 수행되는 높은 열 공정이 Pt 전극에 결함을 발생시키고, 이러한 결함이 존재하는 경우에는 TiN 층의 확산 방지 특성이 악화되는 것으로 분석되었다. 그런데, 같은 소자 제작 공정을 적용하고, TiN 대신에 확산 방지막으로 Ir/IrOx를 적용한 경우에서는 450℃ 열 공정 후에도 Pt/Al 상호 반응이 관찰되지 않았다. 4. 결론: FeRAM 소자 제작에서, TiN 확산 방지막을 적용하여 Pt/Al 반응을 억제하고자 하는 경우에는, 금속 배선 공정 이전에 수행되는 고온 열 공정들의 온도를 가능한 낮추어 Pt 전극 내의 void 발생을 제거하는 것이 가장 중요한 요소임을 알 수 있었다. 또, 일반적으로 사용되는 TiN 확산 방지막 보다는 Ir/IrOx 적층이 더 뛰어난 확산 방지막 특성을 보임도 확인할 수 있었다. 참고문헌: 1) Y. S. Hwang et al., Jpn. J. Appl. Physics, 37,1332 (1998). 2) S. Y. Kweon et al., Integrated Ferroelectrics, 31, 251 (2000). |
| 저자 | 조경원1, 권순용1, 염승진2, 최시경3, 김남경2, 최은석2, 선호정2, 홍태환1, 김일호1, 이정일1, 어순철1, 이영근1 |
| 소속 | 1충주대, 2하이닉스 반도체 (주) 메모리(연), 3한국과학기술원 신소재공학과 |
| 키워드 | Pt/Al reaction; FeRAM; Diffusion barrier; TiN; Ir/IrOx; Pt void |
