Atomic layer deposition of magnesium oxide and zinc tin oxide thin films for advanced memory application

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

As volatile and nonvolatile memory technologies evolve toward three-dimensional (3D) architectures with complex, high-aspect-ratio structures to achieve higher integration density, atomic layer deposition (ALD) has become an enabling technology for advanced memory devices owing to its precise thickness controllability and excellent conformality under low-temperature processing constraints. This dissertation establishes ALD processes for oxide thin films relevant to advanced memory technologies and analyzes their physical and chemical properties in conjunction with the resulting electrical characteristics.
First, magnesium oxide (MgO), a high-k dielectric, was investigated as a potential blocking oxide material for charge-trap flash memory, a representative non-volatile memory device. An ALD process for MgO was established using a highly volatile Mg(EtCp)2 precursor and H2O as the oxidant. The film characteristics and dielectric properties required for blocking oxide applications, including step coverage, stoichiometry, leakage current, bandgap, conduction band offset with silicon, and dielectric constant, were evaluated. The performance of ALD-MgO was further benchmarked through a comparison with ALD-Al2O3, the most widely used blocking oxide material
Second, zinc tin oxide (ZTO) was investigated as an amorphous oxide semiconductor channel for 3D dynamic random-access memory (DRAM) applications. ALD processes for ZTO were developed using a super-cycle method confirming compositional controllability. Subsequently, the composition-dependent defect characteristics and crystallization temperature were examined. Top-gate thin-film transistors (TFTs) integrating ALD-deposited ZTO channels with ALD-grown HfO2 gate dielectrics were fabricated, and their electrical characteristics and reliability under various bias and bias-temperature stress conditions were evaluated; the dominant degradation mechanisms were discussed
Finally, the influence of the channel/bottom dielectric interface on the electrical characteristics of top-gate TFTs was systematically investigated. The intrinsic negative fixed charges associated with Al2O3 interfaces, together with interlayer diffusion behavior, were examined and interpreted in terms of their combined impact on electrical characteristics. It was observed that the electrical properties of the devices could be modulated without altering the channel or gate dielectric materials, and possible physical mechanisms underlying this behavior were discussed.

국문 초록 (Abstract)

휘발성, 비 휘발성 메모리 소자는 모두 이차원 구조에서의 집적도의 향상을 거쳐, 복잡한 삼차원 구조로의 소자 구조로의 진화를 겪고 있다. 이에 진화하는 소자 구조에 발 맞춰 소자를 제작 하기위한 다양한 공정들이 제시되고 있는데, 그 중 원자층 증착법 (ALD)은 얇은 두께에서의 정확한 공정 제어, 대면적 증착 시 균일성, 그리고 복잡한 삼차원 구조의 소자에 증착 할 때 높은 등각 증착성등의 장점으로 인하여 주목받고 있는 공정이다. 본 논문은 원자층 증착법으로 메모리 소자에 활용될 수 있는 산화물을 증착하고 증착한 산화물 물질의 다양한 물리적, 화학적, 전기적 특성의 폭넓은 이해를 기반으로 물질의 소자 적용 가능성을 연구하였다.
먼저, 높은 밴드갭과 (~7.8 eV) 상대적으로 높은 유전율을 (~9.8) 가지는 마그네슘 산화물에 대하여 원자층 증착공정을 개발하고 비 휘발성 메모리 중 전하 트랩형 플래시 소자에서 기능적 차단층으로의 활용 가능성에 대하여 연구하였다. 마그네슘 산화물의 경우 ~ 8.4nm/cycle의 증착율을 보였다. 또한 기능적 차단층으로서 중요한 특성인 높은 유전율과 실리콘과의 전도대 밴드 오프셋을 보였으나, 쉽게 결정화 되는 특징으로 인한 높은 누설 전류로 인해 기존 사용되는 알루미늄 산화물을 대체하기에 제한된 특징을 보였다. 하지만 결정화로인한 높은 누설 전류는 저마늄 기반의 소자에서 메탈과의 접촉 저항을 줄이며 낮은 저항을 유지하는 적용으로 기여할 수 있을 것이다.
또한 휘발성 메모리 중 동적 랜덤 액세스 메모리 소자는 최근 산화물 채널의 적용이 활발하다. 이에 각광받는 산화물인 아연 주석 산화물의 원자층 증착과 박막 트랜지스터를 제작하여 다양한 특성을 조사하였다. 아연 산화물과 주석 산화물의 원자층 증착 공정을 개발한 후 슈퍼 사이클 방법을 활용하여 아연 주석 산화물의 증착 공정을 확립하고 아연 산화물과 주석 산화물의 사이클 비율에 따른 조성 제어와 확보된 조성에 따른 결정성, 결함 경향성 등을 조사하였다. 또한 bottom, top-gate 구조의 박막 트랜지스터의 성능과 신뢰성 특성을 평가하고 신뢰성 특성의 열화를 야기하는 주된 원인에 대해 논하였다.
마지막으로 top-gate 구조의 원자층 증착 기반 아연 주석 산화물 박막 트랜지스터 제작 시 bottom 계면이 top-gate 구동에 미치는 영향을 조사하였다. 알루미늄 산화물 계면 층의 도입으로 앞서 신뢰성 특성의 열화를 야기하였던 주석의 실리콘 산화물로의 확산을 방지하였고, 알루미늄 원소의 아연 주석 산화물 박막으로의 확산을 통해 SS 특성을 개선을 확인하였다. 또한 산화물 반도체와 알루미늄 산화물 간의 음의 고정 전하가 top-gate 구동 시 큰 영향을 미침을 확인하고 산화물 반도체 기반 트랜지스터 소자의 특성을 변화시키는 방안을 제시하였다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1 Evolution of memory devices toward three-dimensional integration 1
• 1.1.1 Non-volatile memory technology 1
• 1.1.1.1 Evolution of NAND flash memory 1
• 1.1.1.2 Challenges for future NAND flash memory 6
• 1.1.2 Volatile memory technology 9
• 1.1.2.1 Evolution of dynamic random-access memory (DRAM) 9
• 1.1.2.2 Challenges for future DRAM 14
• 1.2 Atomic layer deposition 16
• 1.3 Magnesium oxide (MgO) as a high-k dielectric 24
• 1.3.1 High-k dielectrics 24
• 1.3.2 Magnesium oxide 29
• 1.4 Zinc tin oxide (ZTO) as an amorphous oxide semiconductor 35
• 1.4.1 Amorphous oxide semiconductors 35
• 1.4.2 Zinc tin oxide 45
• 1.5 Objectives 51
• References for Chapter 1 53
• Chapter 2. Atomic Layer Deposition of MgO Thin Films for Non-Volatile Memory Applications 61
• 2.1 Motivation 61
• 2.2 Experimental 64
• 2.2.1 Deposition of ALD-MgO and ALD-Al2O3 films 64
• 2.2.2 Characterization 67
• 2.2.3 Device fabrication and electrical measurements 68
• 2.3 Results and discussion 69
• 2.3.1 Investigation of ALD growth characteristics and film properties of MgO 69
• 2.3.2 Comparison of ALD-MgO with ALD-Al2O3 as a blocking oxide 87
• 2.4 Summary 94
• References for Chapter 2 96
• Chapter 3. Atomic Layer Deposition of ZTO Thin Films for Volatile Memory Applications 101
• 3.1 Atomic layer deposition of ZTO and characterization of top-gate TFTs with ALD-HfO2 gate dielectric 101
• 3.1.1 Motivation 101
• 3.1.2 Experimental 104
• 3.1.2.1 Deposition of ALD-ZTO 104
• 3.1.2.2 Characterization 106
• 3.1.2.3 Device fabrication and electrical measurements 107
• 3.1.3 Results and discussion 110
• 3.1.3.1 Investigation of ALD growth characteristics and film properties of ZTO 110
• 3.1.3.2 Electrical characteristics of top-gate HfO2/ZTO TFTs 122
• 3.2 Influence of the Al2O3 bottom interface on the electrical characteristics of top-gate TFTs 138
• 3.2.1 Motivation 138
• 3.2.2 Experimental 141
• 3.2.2.1 Device fabrication and electrical measurements 141
• 3.2.2.2 Characterization 142
• 3.2.3 Results and discussion 144
• 3.3 Summary 170
• References for Chapter 3 173
• Chapter 4. Conclusion and Suggestions for Future Work 178
• 4.1 Conclusion 178
• 4.2 Suggestions for future work 181
• 4.2.1 Application for MgO 181
• 4.2.2 Cation doping on ZTO 181
• 4.2.3 Device characteristics with various bottom interfaces 182
• Appendix. 1. Dielectric constants of O3-based high-k dielectrics 183
• References for appendix 186
• 논문요약 187