Optimization of the Sputtering Process for TiN Thin Films as Electrodes in DRAM Capacitors

Abstract

The metal/insulator/metal capacitor structure demands high capacitance density and effective leakage current suppression. Titanium nitride (TiN), with its suitable work function (∼4.3 eV) and exceptional thermal stability, is a widely adopted electrode material. TiN thin films deposited via Radio frequency (RF) sputtering ensure superior interface quality and device reliability due to precise compositional control, high deposition rates, and minimal contamination.

In this study, TiN deposition was optimized using RF sputtering by systematically adjusting deposition parameters, including pressure, plasma power, and gas flow rate. As a result, the resistivity of TiN was successfully reduced to 140.0 μΩㆍcm under optimal conditions: deposition pressure of 0.3 mTorr, plasma power of 200 W, and an argon gas flow rate of 35 sccm. This optimized TiN sputtering process was applied to the bottom electrode of TiO₂-based capacitors, achieving a dielectric constant of 37 and maintaining a low leakage current, demonstrating its suitability for high-performance capacitor applications.

Keywords: Capacitors, Electrode, Resistivity, RF sputtering, Titanium nitride

1. 서론

동적 임의 접근 기억장치 (Dynamic random access memory, DRAM)는 현대 전자 제품의 핵심 구성 요소로, 컴퓨터와 스마트폰을 비롯한 다양한 전자 장치에서 필수적인 메모리 소자로 사용되고 있다. DRAM의 각 셀은 하나의 트랜지스터와 하나의 커패시터로 구성되어 있다.[1–2] 트랜지스터는 소자의 스위치 역할을 하며 커패시터 전하를 추가하거나 제거할 수 있고, 데이터의 읽기와 쓰기를 제어한다. 커패시터는 데이터를 저장하는 역할을 하며 커패시터 내 전하 유무에 따라 데이터가 1 또는 0으로 구분된다. 또한 커패시터는 시간이 지남에 따라 전하가 방전되기 때문에 주기적으로 데이터를 refresh해야 한다. 두 가지 요소의 상호작용으로 인해 DRAM은 빠르고 효율적인 데이터 저장소로 기능하게 된다. 이러한 특징은 DRAM이 고속으로 데이터를 읽고 쓸 수 있게 해준다.[1–2]

고도로 집적화된 DRAM을 구현하기 위해서는 셀 크기를 줄여야 하는 도전적인 과제가 존재한다. 셀 크기가 작아질수록 커패시터에 저장할 수 있는 전하량이 줄어들게 되며 이로 인해 데이터 읽기 작업의 신뢰성이 저하될 수 있다. 따라서 안정적인 데이터 읽기를 위해서는 커패시터의 충분한 정전용량을 확보하는 것이 매우 중요하다. 커패시터의 정전용량을 증가시키기 위해 고유전율 박막의 필요성이 대두되고 있으며, DRAM의 전반적인 성능을 향상시키는 데 중요한 역할을 한다.[3–8]

고유전율 박막의 성공적인 구현 외에도 절연체의 결정성을 보장하기 위해 금속으로 이뤄진 전극의 개발 또한 중요한 문제로 부각되고 있다. 또한 금속/절연체/금속 (Metal/Insulator/Metal, MIM) 구조 커패시터의 전력 소비를 줄이기 위해서는 누설전류를 감소시킬 수 있는 전극이 필수적이다. 누설전류는 절연체나 전자 소자가 완벽하게 전류를 차단하지 못하고 미세한 전류가 흐르는 현상을 의미한다. 누설전류는 데이터 손실 및 전력 소비 문제와 직결되므로 DRAM의 효율성에 큰 영향을 미치는 요소로 작용한다. 따라서 DRAM 커패시터에 사용되는 전극은 인접 물질과 쉽게 반응하지 않아야 하며, 누설전류를 낮출 수 있는 큰 일함수를 가진 물질이 필요하다.[9–12]

전극 물질은 Titanium nitride (TiN)와 같은 전이 금속 질화물을 넘어 Ru, Ir, Pt와 같은 귀금속 기반 소재들이 차세대 후보 물질로 제안되어왔다. 귀금속 물질은 상대적으로 큰 일함수를 가지고 있지만 높은 단가와 공정 개발의 어려움으로 인해 적용이 쉽지 않다. 이러한 이유로 TiN 전극을 이용한 커패시터의 누설전류를 낮추기 위한 연구가 지속적으로 진행되고 있다.[13–15]

본 연구에서는 MIM 커패시터에 적용하기 위한 TiN 전극의 RF 스퍼터링 공정 최적화 연구를 진행하였다. RF 스퍼터링은 고주파 전기장에 의한 플라즈마를 이용하여 박막을 증착하는 기술로 그 동안 TiN 전극 합성에 많이 이용되었지만, 본 연구에서는 다양한 공정 변수에 따라 크게 변하는 박막 특성을 파악하고 재현성 높은 두께 형성과 우수한 품질의 전극을 형성하는 공정을 개발하였다. 추가적으로 각 조건에서 증착한 TiN 기판과의 비교를 통해 RF 스퍼터링 공정의 최적화가 DRAM 커패시터의 정전용량과 누설전류에 미치는 영향을 연구하였다.

2. 실험방법

제어된 조건 하에 RF magnetron sputter (DAON, Sputtering System)를 사용하여 SiO₂ 기판 위에 TiN 박막을 상온에서 증착하였다. 박막 증착은 TiN 타겟을 이용하여 진행되었으며 박막 특성 최적화를 위해 공정 압력, RF 파워 및 Ar 가스 유량을 변화시키며 실험하였다. 증착한 박막의 두께는 X-ray fluorescence (XRF, Nayur, NDA-200)을 통해 측정되었으며 XRF를 통해 측정된 Ti 의 면밀도를 TiN의 이론 밀도로 나누어 두께를 산출하였다. 박막의 면저항은 4-point probe (AiT, CMT-100A)를 이용하여 측정하였으며, 두께와 면저항을 곱하여 박막의 비저항을 계산하였다. 박막의 결정성은 측정 범위 10-80°에서 step size 0.02°, 입사각 0.3°로 Cu 광원을 탑재한 Glancing-angle X-ray diffraction (GAXRD, Rigaku, Smart Lab)을 통해 확인하였다. 박막 표면의 거칠기는 비접촉 모드 Atomic force microscope (AFM, Park systems, NX10)를 이용하여 분석하였다. TiN 박막의 전기적 특성을 평가하기 위해 Pt/TiO₂/TiN 구조의 커패시터를 제작하였다. TiO₂ 유전막은 Atomic layer deposition (ALD, CN-1, Atomic Basic)을 통해 (CpMe₅)Ti (O Me)₃ (Star-Ti)와 O₃를 각각 Ti 전구체 및 산소 공급원으로 사용하여 증착하였다. Pt 상부 전극은 TiN 전극 증착과 동일한 장치를 사용하였으며, 쉐도우마스크 (300 mm 지름 hole 패턴)를 이용하여 패터닝하였다. 제작한 커패시터의 전기적 특성은 Probe station을 통해 HP4284A LCR Meter와 4145B 반도체측정기를 이용하여 정전용량 (C) - 전압 (V), 유전 손실 (Dielectric loss) – 전압 (V), 누설전류밀도 (J)–전압 (V) 곡선을 측정하여 확인하였다. C-V 특성의 경우 측정 주파수 100 kHz 와 AC 전압 세기 25 mV에서 병렬모델을 활용하여 측정하였다. 전기적 특성 평가 동안 상부전극에 전압을 인가하고 하부전극을 접지하였으며, 측정된 셀의 상부전극 면적은 광학현미경을 사용하여 측정되었다.

3. 본론

3.1 가스 유량 및 공정 압력 제어

본 연구에서는 우선 스퍼터링 공정시 Ar 가스 유량에 따른 TiN 박막의 특성 변화를 심층적으로 조사하였다. Fig. 1(a)에서는 플라즈마 파워는 200 W, 증착 시간은 900 초로 고정시킨 체, 공정 압력 0.3 mTorr 및 0.5 mTorr 두 가지 조건에서 Ar 가스 유량을 변화시켜 증착되는 TiN의 Ti 면밀도를 확인하였다. 실험 결과, Ar 가스 유량이 증가함에 따라 박막의 Ti 면밀도가 다소 증가하는 경향을 보였다. 측정된 Ti 면밀도를 TiN의 이론 밀도 값인 5.21 g/cm³ [16]로 나누어 증착한 TiN의 두께를 산출하였으며 이는 Fig. 1 (b)에서 확인할 수 있다. 증착된 박막의 두께는 Ar 가스 유량에 따라 약 16.4% 증가하였다. 공정 압력에 따른 박막의 두께는 압력이 낮은 0.3 mTorr의 경우에 Ar 가스 유량 50 sccm을 기준으로 약 10.4% 더 높았다.

Fig. 1.

(a) Ti areal density, (b) thickness, (c) sheet resistance, and (d) resistivity of Titanium nitride (TiN) thin films as a function of Ar gas flow rate grown with Ar plasma power of 200 W for 900 s. Process pressure was controlled to 0.3 and 0.5 mTorr, respectively.

Fig. 1(c)는 Ar 가스 유량에 따라 증착된 TiN 박막의 면저항을 측정한 결과를 나타내었고, Fig. 1(d)는 Ar 가스 유량에 따라 TiN의 비저항을 나타내었다. TiN의 비저항은 Fig. 1 (b)의 TiN의 박막 두께와 Fig. 1(c)의 면저항을 곱하여 산출한 결과다. TiN 박막의 면저항은 Ti 면밀도 및 박막 두께 변화와 비교하여 0.3 mTorr의 공정 압력에서 0.5 mTorr보다 훨씬 낮은 값을 보였으며, 이에 따라 비저항 역시 눈에 띄게 낮은 값을 가졌다. 이러한 차이는 Ar 가스 유량이 35 sccm 이하일 때 점차 극명하게 커져, 20 sccm 일 때는 박막 두께 차이가 거의 없는데도 불구하고 증착 압력에 따른 비저항 차이가 약 11.7배까지 벌어졌다. Ar 가스의 유량이 낮을 때 공정 압력은 스퍼터링 시스템의 TiN 타겟에 부딪히는 Ar 플라즈마의 농도 및 에너지에 영향을 미칠 것이며, Ti와 N의 스퍼터링 수율 (Sputtering yield) 차이에 따른 증착 박막의 조성 차이를 야기시킬 것으로 예상된다. 반면에 증착 공정시 Ar 가스 유량이 40 sccm일 때에는 0.3 mTorr과 0.5 mTorr 공정 압력 유지시 TiN 박막의 비저항이 각각 500.8 µΩㆍ cm과 404.0 µΩㆍ cm의 매우 낮은 비저항 특성을 보였다. 특히, 0.3 mTorr의 공정 압력과 Ar 가스 유량이 35 sccm인 조건에서는 124.0 µΩㆍ cm의 가장 낮은 비저항 특성을 확인할 수 있었다.

3.2 RF 플라즈마 파워 제어

스퍼터링 공정 시 RF 플라즈마 파워에 따른 박막의 특성을 평가하였다. 공정 압력 0.3 mTorr, Ar 가스 유량 35 sccm, 증착 시간을 900 초를 고정시킨 체 RF 플라즈마 파워를 150 W, 200 W, 250 W로 변화시키며 증착한 박막의 면밀도를 Fig. 2(a)를 통해 확인할 수 있다. RF 플라즈마 파워가 증가함에 따라 TiN 박막의 면밀도가 약 2배 증가하는 경향을 보였다. 이는 RF 플라즈마 파워가 높아질수록 Ar 플라즈마의 밀도가 높아지고 스퍼터링 시스템의 TiN 타겟에 부딪히는 에너지도 커져 박막의 형성이 더 활발히 일어남을 보여준다.[17] 앞선 방식과 동일하게 면밀도를 TiN의 이론 밀도 값으로 나누어 박막의 두께를 산출하였으며 이 결과는 Fig. 2 (b)에서 나타내었다. RF 플라즈마 파워에 따른 박막의 두께는 150 W와 250 W에서 93.4%의 큰 차이를 보였다. Fig. 2(c)는 RF 플라즈마 파워에 따른 박막의 면저항 측정 결과를 나타내었으며, Fig. 2(d)는 Fig. 2(c)의 면저항과 Fig. 2 (b)의 두께를 곱하여 계산한 박막의 비저항을 보여준다. Fig. 2(d)를 통해 200 W에서 증착한 박막의 비저항이 124.0 µΩㆍ cm로 가장 낮은 값임을 확인하였다. 이는 최적의 RF 플라즈마 파워가 전기전도도를 높이는데 도움이 되었음을 의미한다.[17] 추가적으로, 250 W의 RF 플라즈마 파워에서 비저항은 200 W의 RF 플라즈마 파워보다 약 4.5배 증가하였다. 이는 고에너지 플라즈마에 의한 표면 손상, 혹은 스퍼터링시 TiN 타겟에서 발생하는 Ti 이온과 N 이온의 비율 변화에 따른 증착 박막의 양이온 대비 음이온 비율의 변화에 기인할 수 있다.

Fig. 2.

(a) Ti areal density, (b) thickness, (c) sheet resistance, and (d) resistivity of TiN thin films as a function of Radio frequency (RF) power grown with process pressure of 0.3 mTorr and Ar gas flow rate of 35 sccm for 900 s.

3.3 박막 성장률 및 벌크 비저항

공정 압력, Ar 가스 유량, RF 플라즈마 파워에 따른 박막의 특성을 비교한 결과 공정 압력 0.3 mTorr, Ar 가스 유량 35 sccm, RF 플라즈마 파워 200 W의 조건에서 가장 낮은 비저항을 갖는 박막을 확보하였다.

해당 조건에서 박막의 성장속도를 확인하기 위해 200 초, 400 초, 450 초, 900 초의 시간 동안 박막을 증착하여 TiN 박막의 두께 변화를 Fig. 3(a)에 나타내었다. Fig. 3(a)의 선형 추세선의 기울기는 박막의 성장속도를 의미하며 0.127 nm/s로 확인되었다. Fig. 3 (b)는 두께에 따른 면저항의 역수를 나타내었다. Fig. 3 (b)의 선형 추세선의 기울기의 역수는 TiN의 벌크 비저항을 의미하며 73 µΩ⋅ cm로 확인되었다. 이는 선행 연구 보고에서의 단결정 TiN의 벌크 비저항인 약 13 µΩ⋅ cm 에[18] 상당히 근접한 것을 알 수 있다. 단결정 소재는 결정립 경계에서의 전하 이동 산란이 나타나지 않는 상황임을 고려하면, 상온에서 증착한 TiN 전극의 공정 조건을 고려했을 때 매우 낮은 비저항이 확보되었음을 알 수 있다.

Fig. 3.

(a) Thickness of TiN thin films as a function of deposition time and (b) bulk resistivity of TiN thin films as a function of thickness grown with process pressure of 0.3 mTorr, Ar gas flow rate of 35 sccm, and RF power of 200 W.

3.4 박막의 결정성 및 표면형상

TiN 박막의 결정성 분석은 0.3 mTorr의 압력, Ar 가스 유량 35 sccm, RF 플라즈마 파워 200 W, 증착 시간 450 초의 조건에서 증착된 TiN 시편을 이용하여 GAXRD 를 통해 분석하였다. Fig. 4(a)는 이에 대한 TiN 박막의 회절 패턴을 보여주며, 이들은 ICDD # 381420와 비교하여 확인하였다. 그 결과, Fm3m 스페이스 그룹의 TiN의 (111), (200), (220), (311) 면에 의한 회절 패턴을 확인하였으며 이들은 각각 TiN XRD 패턴의 36.7°, 42.6°, 61.8°, 74.1°에 해당한다. (111) 면에 해당하는 intensity 가 가장 높게 나타났으며 (200) 면과 (220) 면의 intensity는 유사한 수준이었다. (111), (200), (222) 그리고 (311) 면에 의한 회절 패턴이 모두 나타나는 것으로 보아 TiN 박막이 다결정 구조임을 알 수 있으며, 이는 위에서 언급한 TiN의 벌크 비저항이 선행 연구의 단결정보다 높은 이유에 대한 하나의 원인으로 해석된다. 박막의 Root mean square (RMS) 표면 거칠기는 Fig. 4 (b)의 AFM image를 통해 확인하였다. 표면 거칠기는 0.641 nm로 매우 우수한 수준의 표면 특성을 확인하였다.

Fig. 4.

Crystallinity and surface morphology of the 55 nm TiN thin films, (a) GAXRD patterns and (b) AFM image of TiN (55 nm) thin films grown with process pressure of 0.3 mTorr, Ar flow rate of 35 sccm, and RF power of 200 W for 450 s.

3.5 MIM 커패시터 소자 특성

TiN 박막의 전기적 특성을 확인하기 위해 커패시터를 제작하였으며, RF 스퍼터링 증착 조건 간의 전기적 특성을 비교하였다. RF 스퍼터링을 이용하여 100 nm 두께의 TiN을 RF 플라즈마 파워 200 W와 증착 시간 800 초를 고정시킨 체 공정 압력 0.3 mTorr, Ar 가스 유량 35 sccm 조건과 공정 압력 0.5 mTorr, Ar 가스 유량 40 sccm 조건으로 각각 증착하였다. 이는 Fig. 1(d)에서 공정압력 0.3 mTorr와 0.5 mTorr에서 각각 확보한 가장 비저항이 낮은 TiN 박막 증착 조건이다. 유전막은 ALD를 사용하여 20 nm 두께의 TiO₂ 박막을 증착하였고, 상부 전극은 DC 스퍼터링으로 60 nm 두께의 Pt 박막을 증착하였다. 제작한 커패시터의 전기적 특성을 측정하여 따른 정전용량밀도, 유전손실, 그리고 누설전류밀도를 확인하였다. 정전용량밀도는 커패시터에서 전압 변화에 따라 단위 면적당 저장할 수 있는 전하의 양을 나타내는 지표다. 유전손실은 교류 전압 변화에 따라 유전체 내부의 전하의 에너지가 열 등으로 변환되는 에너지 손실을 의미한다. 유전손실은 물질 내의 결함이나 계면 결함에 의해 증가될 수 있기 때문에 결함 제어가 필수적이다.[19] 누설전류밀도는 단위 면적당 흐르는 누설전류의 양을 의미한다. 누설전류밀도가 증가할 경우 소자의 전력 소모가 증가하고, 소자의 신뢰성이 저하되는 등의 소자 동작에 부정적인 영향을 미칠 수 있으므로 누설전류 제어가 중요하다.

Fig. 5(a)의 C-V 곡선을 통해 공정 압력 0.3 mTorr, Ar 가스 유량 35 sccm 조건과 공정 압력 0.5 mTorr, Ar 가스 유량 40 sccm 조건의 RF 스퍼터링 TiN 기판 간의 정전용량밀도 값을 확인하였다. 공정 압력 0.3 mTorr, Ar 가스 유량 35 sccm 조건에서 증착한 RF 스퍼터링 기판의 커패시터는 16.4 nF/mm²의 정전용량밀도 값을 보였으며, 공정 압력 0.5 mTorr, Ar 가스 유량 40 sccm의 조건에서 증착한 기판의 커패시터는 15.7 nF/mm²의 정전용량밀도 값을 보였다. 이는 두 조건에서 증착한 TiN 기판 커패시터의 성능이 유사한 수준임을 나타낸다. 각 커패시터의 셀 유전율은 0.3 mTorr 조건에서 37, 0.5 mTorr 조건에서 36으로 비슷하였으며, 일반적으로 알려진 anatase 결정구조의 TiO₂의 유전율 수준이다. 이러한 유사한 정전용량밀도와 유전율 값은 두 가지 조건으로 증착한 기판 위에서 성장한 절연막의 유전 특성이 유사함을 보여준다.

Fig. 5.

Electrical properties of the Pt (60 nm)/TiO₂ (20 nm)/TiN (100 nm) capacitors. (a) Capacitance density, (b) dielectric loss, and (c) current density of Pt/TiO₂/TiN capacitors as a function of voltage prepared by 0.3 mTorr, Ar 35 sccm RF sputtering TiN and 0.5 mTorr, Ar 40 sccm RF sputtering TiN.

Fig. 5 (b)와 같이 인가 전압에 대한 유전 손실 변화를 확인한 결과, RF 스퍼터링으로 증착한 두 조건의 커패시터 모두 Pt 상부 전극 쪽에서 유전 손실 값이 높은 것으로 나타났다. 이는 유전막과 상부 전극 사이의 계면 결함 및 트랩에 의한 것으로 추정된다. 이러한 계면 결함은 소자 특성 저하의 원인이 될 수 있으며 향후 연구에서는 이러한 결함을 최소화하기 위한 방법이 필요할 것으로 예상된다. 반면 본 연구를 통해 개발한 TiN 하부 전극과 TiO₂ 유전막 간의 계면 결함은 상대적으로 우수하였으며, 특히 0.5 mTorr 조건에서 증착한 TiN의 경우 유전손실이 무시할 수 있는 수준이었다.

Fig. 5(c)의 J-V 곡선을 통해 커패시터의 누설전류 특성을 확인하였다. 공정 압력 0.3 mTorr, Ar 가스 유량 35 sccm의 조건에서 제작한 커패시터의 경우 0.8 V에서 1.0 x10⁻² A/cm²의 값을 보였다. 공정 압력 0.5 mTorr, Ar 가스 유량 40 sccm 조건에서 제작한 커패시터의 누설전류 값은 4.4x10⁻² A/cm²를 보여 미미한 차이를 보였다. Fig. 5 (b)에서 살펴본 것과 같이 상부 전극 계면에 더 많은 결함 밀도가 의심됨에도 불구하고, 누설전류는 하부전극으로부터의 전하 주입이 더 큰 것은 TiN과 Pt의 일함수 차이에 의한 쇼트키 베리어 차이가 주요 요인일 것으로 생각된다.

4. 결론

본 연구에서는 MIM 구조 커패시터의 낮은 누설전류를 위한 TiN 전극의 RF 스퍼터링 공정 최적화 연구를 진행하였다. 공정 압력 0.3 mTorr, Ar 가스 유량 35 sccm, RF 플라즈마 파워 200 W, 증착 시간 900 초에서 증착된 TiN 박막은 0.5 mTorr의 공정 압력에서 증착된 박막보다 대체로 낮은 비저항을 나타냈으며, 최저 비저항은 124 µΩㆍ cm를 확보하였다. 박막의 결정성을 확인하기 위해 공정 압력 0.3 mTorr, Ar 가스 유량 35 sccm, RF 플라즈마 파워 200 W, 증착 시간 450 초에서 증착된 TiN의 GAXRD 분석 결과 Fm3m 스페이스 그룹의 다결정 구조가 확인되었으며, 박막의 표면 거칠기는 0.641 nm로 우수한 표면 형상을 보였다.

박막의 커패시터용 전극 특성은 RF 플라즈마 파워 200 W와 증착 시간 800 초를 고정시킨 체 공정 압력 0.3 mTorr, Ar 가스 유량 35 sccm 조건과 공정 압력 0.5 mTorr, Ar 가스 유량 40 sccm 조건에서 확인하였다. 정전용량밀도 및 셀 유전율은 유사한 수준으로 나타났으나, 상부 전극 쪽 유전 손실 값이 상대적으로 높은 것을 확인하였다. 각 조건 간의 누설전류밀도 미미하여, 두 공정 조건 모두 커패시터의 전극용 박막 증착 공정으로 적합한 조건임을 확인하였다.

결론적으로, TiN 하부 전극 박막의 RF 스퍼터링 공정의 최적화가 DRAM용 커패시터의 성능을 높이는 데 기여할 수 있음을 확인하였다. 공정의 최적화로 인해 비저항과 누설전류를 감소시킴으로써 커패시터의 전력 소비에 미치는 영향을 확인하였다. 앞으로의 연구에서는 추가적인 공정 변수 조정을 통해 더욱 향상된 성능을 달성하는 방향으로 나아가야 할 것이다. 특히, DRAM 기술의 발전에 따라 커패시터의 소형화와 고집적화가 요구되며 전력 효율을 높이는 기술 개발이 필수적이다. 따라서, RF 스퍼터링 공정의 최적화에 대한 지속적인 연구는 차세대 DRAM 커패시터의 성능 향상에 핵심적인 역할을 할 것으로 기대된다.