본 연구에서는 DRAM커패시터 유전막 적용을 위한 방법으로써 전기적 특성을 향상시키기 위해 두 가지 전구체를 혼합한 칵테일 전구체 활용 및 원자층 증착법 (atomic layer deposition, ALD)으로 설계된 HfO2 기반 high-k 박막이 제안되었다. HfO2는 결정상에 따라 다른 ...
본 연구에서는 DRAM커패시터 유전막 적용을 위한 방법으로써 전기적 특성을 향상시키기 위해 두 가지 전구체를 혼합한 칵테일 전구체 활용 및 원자층 증착법 (atomic layer deposition, ALD)으로 설계된 HfO2 기반 high-k 박막이 제안되었다. HfO2는 결정상에 따라 다른 유전율을 가진다. 높은 유전율의 tetragonal-HfO2로 성장시키기 위해 다양한 도펀트들이 연구되었으나, 기존 ALD 특성상 결정화 제어에 한계가 있었다. 따라서 우리는 두 종류의 칵테일 전구체를 통해 HfO2의 완전한 결정화 제어를 했고 향상된 전기적 특성에 대해 논의했다. 첫 번째 연구에서 우리는 DRAM 커패시터 유전층에 적용하기 위해 Zr-Hf 칵테일 전구체를 사용하여 증착된 균질 ZrxHf(1-x)O2 (x<1) 박막을 연구했다. ZrO2 및 HfO2 기반 박막은 적절히 높은 k 값과 밴드갭을 가져 커패시터 유전층 물질로 널리 사용되어 왔다. 이 중 ZrO2/HfO2 적층 구조는 ZrO2가 HfO2를 tetragonal 상으로 성장시키는데 도움을 주는 것으로 알려져 있어 많은 연구되었다. 그러나 자기제한적 성장하는 ALD의 특성상, 박막은 적층 구조로 증착 될 수밖에 없다. 이는 열처리 후에도 균질하지 않은 형상으로 남아 유전 상수 감소를 유도하는 HfO2의 부분적인 monoclinic 성장을 초래한다. 반면에, 균질한 ZrxHf(1-x)O2는 tetragonal 단일상으로 성장했다. ZrxHf(1-x)O2 박막의 tetragonal 상 형성은 화학적 및 구조 분석 결과로부터 확인되었다. 또한 Zr 농도에 따른 전기적 특성도 조사하였다. Zr 농도가 증가함에 따라, k 값은 Zr 농도 72%에서 41.0으로 증가하였다. HfO2가 k 값에 미치는 영향을 확인하기 위한 계산 결과, HfO2의 상대적 k 값은 53.7로 증가한 것을 확인하였다. 마지막으로, 적층 ZrO2/HfO2 및 단일 박막에 비해 향상된 전기적 특성이 달성되었다. 두 번째 연구에서는 다양한 조성의 Y-Hf 칵테일 전구체를 사용하여 Y-doped HfO2 박막을 연구했다. 이 박막의 성분은 X-선 광전자 분광법 (XPS)을 통해 전구체의 Y 비율이 증가함에 따라 증착된 박막의 Y/Hf 비율이 선형적으로 증가하는 것을 확인했다. 그리고 두께 방향의 박막에서 Y농도는 XPS depth-profile 분석을 통해 거의 동일한 것으로 밝혀졌다. 이는 균질한 Y-doped HfO2 박막이 칵테일 전구체의 Y 비율에 따라 성공적으로 형성되었다는 것을 의미한다. X선 회절 분석법(XRD) 결과, 이 박막들은 monoclinic 상 없이 완전히 tetragonal 상으로 성장했다. Y-doped HfO2 박막의 monoclinic 상 형성 억제 메커니즘은 물리적 및 화학적 분석을 통해 측정되었다. 전기적 특성 평가의 경우 HfO2 단일막의 k 값은 16.8, 누설 전류는 1.20×10-6 A/cm2 인 반면, Y이 도핑됨에 따라 k 값은 40.8까지 증가하였고 누설 전류는 5.27×10-8 A/cm2로 감소하였다. 따라서 등가 산화물 두께(tox)는 약 1.0nm로 기존 HfO2 및 ZrO2 기반의 박막에 비해 향상된 결과를 보였다. Y 도펀트의 oxygen vacancy(Vo)로 인한 누설 전류와 향상된 전기적 성질의 메커니즘을 조사했다.
본 연구에서는 DRAM 커패시터 유전막 적용을 위한 방법으로써 전기적 특성을 향상시키기 위해 두 가지 전구체를 혼합한 칵테일 전구체 활용 및 원자층 증착법 (atomic layer deposition, ALD)으로 설계된 HfO2 기반 high-k 박막이 제안되었다. HfO2는 결정상에 따라 다른 유전율을 가진다. 높은 유전율의 tetragonal-HfO2로 성장시키기 위해 다양한 도펀트들이 연구되었으나, 기존 ALD 특성상 결정화 제어에 한계가 있었다. 따라서 우리는 두 종류의 칵테일 전구체를 통해 HfO2의 완전한 결정화 제어를 했고 향상된 전기적 특성에 대해 논의했다. 첫 번째 연구에서 우리는 DRAM 커패시터 유전층에 적용하기 위해 Zr-Hf 칵테일 전구체를 사용하여 증착된 균질 ZrxHf(1-x)O2 (x<1) 박막을 연구했다. ZrO2 및 HfO2 기반 박막은 적절히 높은 k 값과 밴드갭을 가져 커패시터 유전층 물질로 널리 사용되어 왔다. 이 중 ZrO2/HfO2 적층 구조는 ZrO2가 HfO2를 tetragonal 상으로 성장시키는데 도움을 주는 것으로 알려져 있어 많은 연구되었다. 그러나 자기제한적 성장하는 ALD의 특성상, 박막은 적층 구조로 증착 될 수밖에 없다. 이는 열처리 후에도 균질하지 않은 형상으로 남아 유전 상수 감소를 유도하는 HfO2의 부분적인 monoclinic 성장을 초래한다. 반면에, 균질한 ZrxHf(1-x)O2는 tetragonal 단일상으로 성장했다. ZrxHf(1-x)O2 박막의 tetragonal 상 형성은 화학적 및 구조 분석 결과로부터 확인되었다. 또한 Zr 농도에 따른 전기적 특성도 조사하였다. Zr 농도가 증가함에 따라, k 값은 Zr 농도 72%에서 41.0으로 증가하였다. HfO2가 k 값에 미치는 영향을 확인하기 위한 계산 결과, HfO2의 상대적 k 값은 53.7로 증가한 것을 확인하였다. 마지막으로, 적층 ZrO2/HfO2 및 단일 박막에 비해 향상된 전기적 특성이 달성되었다. 두 번째 연구에서는 다양한 조성의 Y-Hf 칵테일 전구체를 사용하여 Y-doped HfO2 박막을 연구했다. 이 박막의 성분은 X-선 광전자 분광법 (XPS)을 통해 전구체의 Y 비율이 증가함에 따라 증착된 박막의 Y/Hf 비율이 선형적으로 증가하는 것을 확인했다. 그리고 두께 방향의 박막에서 Y농도는 XPS depth-profile 분석을 통해 거의 동일한 것으로 밝혀졌다. 이는 균질한 Y-doped HfO2 박막이 칵테일 전구체의 Y 비율에 따라 성공적으로 형성되었다는 것을 의미한다. X선 회절 분석법(XRD) 결과, 이 박막들은 monoclinic 상 없이 완전히 tetragonal 상으로 성장했다. Y-doped HfO2 박막의 monoclinic 상 형성 억제 메커니즘은 물리적 및 화학적 분석을 통해 측정되었다. 전기적 특성 평가의 경우 HfO2 단일막의 k 값은 16.8, 누설 전류는 1.20×10-6 A/cm2 인 반면, Y이 도핑됨에 따라 k 값은 40.8까지 증가하였고 누설 전류는 5.27×10-8 A/cm2로 감소하였다. 따라서 등가 산화물 두께(tox)는 약 1.0nm로 기존 HfO2 및 ZrO2 기반의 박막에 비해 향상된 결과를 보였다. Y 도펀트의 oxygen vacancy(Vo)로 인한 누설 전류와 향상된 전기적 성질의 메커니즘을 조사했다.
In this study, HfO2 based high-k thin films designed by atomic layer deposition (ALD) using cocktail precursor which is a mixture of two precursors were proposed to enhance electrical properties for dynamic random access memory (DRAM) capacitor dielectric application. HfO2 has different ...
In this study, HfO2 based high-k thin films designed by atomic layer deposition (ALD) using cocktail precursor which is a mixture of two precursors were proposed to enhance electrical properties for dynamic random access memory (DRAM) capacitor dielectric application. HfO2 has different permittivity depending on the crystal phase. Various dopants have been studied to grow tetragonal-HfO2 with high permittivity, but there was limit to controlling HfO2 crystallization in the conventional ALD. Accordingly, we completely controlled crystallization of HfO2 through two kinds of cocktail precursors and discussed the reasons of enhanced electrical properties. In the first study, we studied a homogeneous ZrxHf(1-x)O2 (x<1) thin film deposited by using a Zr-Hf cocktail precursor to apply to DRAM capacitor dielectric layer. ZrO2 and HfO2 based thin films have been widely used as a capacitor dielectric layer because of appropriately high k value and band gap. Among them, ZrO2/HfO2 mixed structure has been investigated since ZrO2 supports HfO2 to grow into the tetragonal phase. However, due to the properties of ALD, which has self-limiting growth behavior, the thin film only can be deposited into the laminated structure. It remains inhomogeneous profile even after annealing, resulting in a partially monoclinic phase of HfO2 despite the high ZrO2 concentration. On the other hand, the homogeneous ZrxHf(1-x)O2 grew as a tetragonal single-phase. The tetragonal formation in the ZrxHf(1-x)O2 thin film was determined from the chemical and structure analyses results. In addition, electrical properties according to Zr concentration were investigated. As a Zr concentration increased, the k value increased to 41 at a Zr concentration of 72 %. As a result of calculating to confirm the effect of HfO2 on the k value, the relative k value of HfO2 increased to 53.7. Finally, enhanced electrical properties were achieved compared to the laminated ZrO2/HfO2 and single thin films. In the second study, we studied Y-doped HfO2 thin films using various compositions of Y-Hf cocktail precursors, in which Y was known as a tetragonal-stabilizer for bulk ZrO2.The composition of the thin film was investigated through X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). As the Y composition in the precursor increased, the Y/Hf ratio in the deposited thin films increased linearly. And it was revealed that the Y concentration in the thin film to the thickness direction was almost identical through the depth profile analysis. It means that homogeneous Y-doped HfO2 thin films were successfully formed according to the Y composition of the cocktail precursor. As a result of X-ray diffraction (XRD) analysis, these films grew to totally tetragonal phases without any monoclinic phase. The monoclinic formation suppression mechanism in the Y-doped HfO2 thin film was determined from the physical and chemical analyses. In the case of electrical properties evaluation, the k value of HfO2 single film was 16.8 and the leakage current was 1.20×10-6 A/cm2, whereas as the concentration of Y increased, the k value increased to 40.8 and the leakage current decreased to 5.27×10-8 A/cm2. Thus, the equivalent oxide thickness (tox) was achieved about 1.0 nm, which showed enhanced results compared to the previous HfO2- and ZrO2 based thin films. We investigated the mechanisms of the enhanced electrical properties and the leakage current caused by the oxygen vacancy of the Y dopant.
In this study, HfO2 based high-k thin films designed by atomic layer deposition (ALD) using cocktail precursor which is a mixture of two precursors were proposed to enhance electrical properties for dynamic random access memory (DRAM) capacitor dielectric application. HfO2 has different permittivity depending on the crystal phase. Various dopants have been studied to grow tetragonal-HfO2 with high permittivity, but there was limit to controlling HfO2 crystallization in the conventional ALD. Accordingly, we completely controlled crystallization of HfO2 through two kinds of cocktail precursors and discussed the reasons of enhanced electrical properties. In the first study, we studied a homogeneous ZrxHf(1-x)O2 (x<1) thin film deposited by using a Zr-Hf cocktail precursor to apply to DRAM capacitor dielectric layer. ZrO2 and HfO2 based thin films have been widely used as a capacitor dielectric layer because of appropriately high k value and band gap. Among them, ZrO2/HfO2 mixed structure has been investigated since ZrO2 supports HfO2 to grow into the tetragonal phase. However, due to the properties of ALD, which has self-limiting growth behavior, the thin film only can be deposited into the laminated structure. It remains inhomogeneous profile even after annealing, resulting in a partially monoclinic phase of HfO2 despite the high ZrO2 concentration. On the other hand, the homogeneous ZrxHf(1-x)O2 grew as a tetragonal single-phase. The tetragonal formation in the ZrxHf(1-x)O2 thin film was determined from the chemical and structure analyses results. In addition, electrical properties according to Zr concentration were investigated. As a Zr concentration increased, the k value increased to 41 at a Zr concentration of 72 %. As a result of calculating to confirm the effect of HfO2 on the k value, the relative k value of HfO2 increased to 53.7. Finally, enhanced electrical properties were achieved compared to the laminated ZrO2/HfO2 and single thin films. In the second study, we studied Y-doped HfO2 thin films using various compositions of Y-Hf cocktail precursors, in which Y was known as a tetragonal-stabilizer for bulk ZrO2.The composition of the thin film was investigated through X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). As the Y composition in the precursor increased, the Y/Hf ratio in the deposited thin films increased linearly. And it was revealed that the Y concentration in the thin film to the thickness direction was almost identical through the depth profile analysis. It means that homogeneous Y-doped HfO2 thin films were successfully formed according to the Y composition of the cocktail precursor. As a result of X-ray diffraction (XRD) analysis, these films grew to totally tetragonal phases without any monoclinic phase. The monoclinic formation suppression mechanism in the Y-doped HfO2 thin film was determined from the physical and chemical analyses. In the case of electrical properties evaluation, the k value of HfO2 single film was 16.8 and the leakage current was 1.20×10-6 A/cm2, whereas as the concentration of Y increased, the k value increased to 40.8 and the leakage current decreased to 5.27×10-8 A/cm2. Thus, the equivalent oxide thickness (tox) was achieved about 1.0 nm, which showed enhanced results compared to the previous HfO2- and ZrO2 based thin films. We investigated the mechanisms of the enhanced electrical properties and the leakage current caused by the oxygen vacancy of the Y dopant.
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