BST박막제조에 사용되는 Ti(2meip)2 전구체의 열분해 특성

이 도현, 조 성일, 허 정식, 조 용석, 문 상흡, 민 요셉*

서울대학교 응용화학부, 삼성 종합기술원*

Thermal Decomposition Study of Ti(2meip)2 Precursor for BST film

Do Hyun Lee, Sung-Il Cho, Jung Shik Heo, Yong Seok Cho,

Sang Heup Moon, Yo-Sep Min*

School of Chemical Engineering, Seoul National University, Samsung Advanced Institute of Technology*

서론

BST는 고유전율을 요구되는 DRAM용 캐패시터 유전체로 많은 관심을 끌고 있다. 이는 DRAM의 고집적화로 chip size가 줄어들어 들지만 필요한 정전용량은 일정하기 때문이다. chip size의 감소는 BST박막을 제조하는 공정 결정에도 큰 영향을 미치고 있다. 이로 인해 여타의 공정보다 많은 장점을 지닌 ALD공정이 관심을 끌고 있다.[1]

ALD공정을 이용하여 BST박막을 제조하는 경우 사용되는 전구체의 종류에 따라서 이 박막의 특성이 좌우된다. 따라서, 우수한 박막을 얻을 수 있는 전구체의 선택과 개발이 필요하다. ALD공정에 적합한 전구체는 불활성 기체내에서는 안정된 휘발성을 가져야 하고 활성 기체내에서는 분해가 잘 일어나는 특성을 가지고 있어야 한다.

본 연구에서는 □-diketoimine화합물 중 Ti(2meip)2 전구체의 열분해 특성을 열분석법, DSC, 질량 분석 그리고 IR을 통해서 알아보았다.

실험

본 실험에서 사용한 시료는 Ti(2meip)2이다. 이 전구체는 삼성종합기술원에서 제공받았고 더 이상의 정제를 하지 않고 그대로 사용하였다. 먼저 전구체의 휘발특성을 알아보기 위해서 mass를 동시에 측정하면서 Thermogravimetry(TG) -     Differential Scanning calorimetry(DSC) 분석을 하였다(STA-409C/MS Skimmer Coupling, Netzsch, Germany). TG-DSC실험은 공기 분위기와 질소 분위기에서 수행하였고 mass 실험은 He분위기(70ml/min)에서 수행하였다. 승온 속도는 10℃/min이었고 관찰한 원자질량단위는 510까지이다. 시료의 질량은 약 25.58mg 정도로 일정하게 유지하였다.

전구체의 화학 결합의 분해 순서와 특성을 알아보기 위해서 FTIR을 이용하여 TPD 실험을 수행하였다. 전구체를 KBr과 잘 섞어 pellet 형태로 만들었다. 실험은 질소와 산소분위기에서 상온에서 400℃까지 승온 속도 5℃/min으로 진행되었다.

결과 및 토론

그림 2.는 시료의 질소 분위기와 공기분위기에서의 TG-DSC결과이다. 두 데이터를 비교해 볼 때 TG 결과에서는 서로 차이가 없이 250℃에서부터 기화를 시작하는데 반해 DSC에서는 서로 다른 결과를 보여주고 있다. 공기 분위기에서는 발열피크가 보이고 있는데 반해 질소 분위기에서는 흡열 피크가 나타나고 있다. 이는 공기 분위기에서는 분해 반응이 일어나며 질소 분위기에서는 분해 없이 휘발하기 때문이다.

그림 3.은 전구체의 25℃, 산소에서의 1800cm-1-400cm-1까지의 IR peak를 나타낸 것이다. peak들은 문헌을 통해서 assign이 가능하다[2,3,4,5]. 이 중에서 분해 과정을 밝힐 수 있는 몇 개의 peak들만 집중적으로 관찰하였다. 그림 4(a)-4(b)는 온도에 따른 전구체 내의 특정 결합의 IR peak 높이 변화를 나타내고 이를 통해 전구체의 분해 순서를 파악할 수 있다. 160도를 기준 온도로 정하고 그 때의 peak 높이를 1로 하여 다른 온도의 피크들의 높이를 측정하였다. IR 분석 결과에서 알 수 있듯이 Ti(2meip)2의 경우 불활성기체에서 거의 모든 피크들이 동시에 사라지는 것으로 보아 분해 없이 휘발함을 알 수 있었다. 또 활성기체에서는 피크들의 어떤 순서를 갖으면서 줄어드는 것으로 보아 전구체가 분해과정을 거치고 있다는 것을 알 수 있었다. IR의 특정 피크들의 분해 순서와 mass의 cracking pattern을 통해 Ti(2meip)2의 분해거동을 알 수 있었다.

여러 가지 자료들을 종합해보았을 때 Ti(2meip)2는 ALD공정에서 요구하는 조건들을 만족한다.

참고문헌

1. T. Suntola, Atomic Layer Epitaxy, Handbook of Crystal Growth Vol 3, 605-663, Elsevier Science, (1994).

2. H.-K. Ryu, J. S. Heo, S.-I. Cho, C. Chung and S. H. Moon, J. Electrochem. Soc., 147, 1130(2000).

3. S. Momose, T. Nakamura and K. Tachibana, Jpn. J. Appl. Phys. 39,         5384(2000).

4. T. Nakamura and K. Tachibana, Jpn. J. Appl. Phys. 40, 338(2001).

5. L. Krim, C. Prot, E. M. Alikhani, L. Manceron, Chem. Phys. 254, 267(2000)

그림 1. Ti(2meip)2의 분자구조식

(a)

(b)

그림 2. (a)공기 (b)질소 분위기에서의 전구체의 TG-DSC

그림 3. 산소, 25℃에서의 전구체의 IR peak; 1800cm-1-400cm-1

(b)

그림 4. 온도에 따른 peak height의 변화; (a)산소분위기, (b)질소분위기

(a)