[논문]ALD법으로 성장한 HfO2 박막의 열처리에 따른 특성변화

이재웅; 함문호; 맹완주; 김형준; 명재민

doi:10.3740/mrsk.2007.17.2.096

ALD법으로 성장한 HfO2 박막의 열처리에 따른 특성변화
Effects of Post-Annealing on Properties of HfO2 Films Grown by ALD 원문보기

한국재료학회지 = Korean journal of materials research, v.17 no.2, 2007년, pp.96 - 99

이재웅 (연세대학교 신소재공학과) , 함문호 (연세대학교 신소재공학과) , 맹완주 (포항공과대학교 신소재공학과) , 김형준 (포항공과대학교 신소재공학과) , 명재민 (연세대학교 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The effects of post-annealing of high-k $HfO_2$ thin films grown by atomic layer deposition method were investigated by the annealing treatments of $400-600^{\circ}C$. $Pt/HfO_2/p-Si\;MOS$ capacitor structures were fabricated, and then the capacitance-voltage and current-voltage characteristics were measured to analyze the electrical characteristics of dielectric layers. The X-ray diffraction analyses revealed that the $500^{\circ}C-annealed\;HfO_2$ film remained to be amorphous, and the $600^{\circ}C-annealed\;HfO_2$ film was crystallized. The annealing treatment at $500^{\circ}C$ resulted in the highest capacitance and the lowest leakage current due to the reduction of defects in the $HfO_2$ films and non-crystallization. Our results suggest that post-annealing treatments are a critical factor in improving the characteristics of gate dielectric layer.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

HfO2 박막의 전기적 특성을 평가하기 위해, DC sputter 를 이용하여 Pt 전극을 박막 위에 증착하고 Pt(lOOnm) /HfO2/p-type Si의 MOS 구조를 제작하였다. 이때 Pt 전 극의 넓이는 3.
ALD 공정의 한 사이클은 다음과 같다. 먼저 TDMAH 를 1.3초간 노출한 후, 3초간의 Ar 퍼징을 하고, 그 후 산소 플라즈마를 RF 파워 300 W로 3초간 주입하여 반응이 일어나도록 하였다. 마지막으로 Ar 퍼징을 3초간 하였다.
성장된 HfO2 박막의 열처리 효과를 알아보기 위해 두께가 10nm오+ 50nm인 HfO2 박막을 각각 400℃, 500℃, 600℃에서 1분간 질소분위기로 rapid thermal annealing (RTA) 처리하였다. 먼저, HfO2 박막의 결정성 평가를 위하여 XRD 분석을 하였다. XRD 분석은 Nifiltered CuKa source를 사용하였으며 , 조건은 40 kV, 100 mA이고 scanning 속도는 2°/min이다.
두께가 10nm오+ 50nm인 HfO2 박막을 (100) p-Si 기 판 위에 ALD법으로 성장시켰다. 먼저, 박막을 성장시키기 전에 Si 기판 위에 존재하는 자연 산화막을 1% HF 용액을 이용하여 제거하였고, RCA (TCE-아세톤-메탄올 -D. I. water)법으로 세정하였다. HfO2 박막을 성장시키기 위한 precursor는 tetrakis dymethylamino hafnium (TDMAH)이며, 산소 플라즈마를 반응물질로 사용하였다.
이후 박막의 특성을 향상시키기 위하여 후속 열처리를 실시하였으며, 열처리온도에 따른 박막의 결정학적, 전기적 특성변화를 분석하였다. 박막의 결정성 분석을 위하여 X-ray diffiaction (XRD) 분석을 실시하였고, 전기적 특성평가를 위하여 capacitance-voltage (C-V)와 current-voltage (I-V) 분석을 진행하였다.
이같이 HfO2 박막이 비결정질상태를 유지하는 것은 누설전류를 줄이는 데 크게 유리하게 작용한다. 박막의 특성을 향상시키기 위하여 온도를 400℃-600℃로 변화시키면서 질소 분위기에서 1분간 RTA 처리를 하였다. 후속열처리를 통해 보다 높은 accumulation capacitance를 얻을 수 있었고, 열처리온도가 높아짐에 따라 산화포획전하밀도뿐 아니라 양의 전하들을 발생시키는 고정산화막전하들과 유동이동 전하들 등이 크게 줄어드는 것을 확인할 수 있었다.
본 연구에서는 ALD법을 이용하여 HfO2 박막을 10 nm 와 50nm의 서로 다른 두께로 성장하였다. 이후 박막의 특성을 향상시키기 위하여 후속 열처리를 실시하였으며, 열처리온도에 따른 박막의 결정학적, 전기적 특성변화를 분석하였다.
XRD 분석은 Nifiltered CuKa source를 사용하였으며 , 조건은 40 kV, 100 mA이고 scanning 속도는 2°/min이다. 성장된 HfO2 박막의 두께와 열처리온도에 따른 전기적 특성을 평가하기 위하여 C-V, I-V 특성을 각각 HP 4284A capacitance meter와 HP 4145B semiconductor parameter analyzer 를 사용하여 측정하였다.
성장된 HfO2 박막의 열처리 효과를 알아보기 위해 두께가 10nm오+ 50nm인 HfO2 박막을 각각 400℃, 500℃, 600℃에서 1분간 질소분위기로 rapid thermal annealing (RTA) 처리하였다. 먼저, HfO2 박막의 결정성 평가를 위하여 XRD 분석을 하였다.
본 연구에서는 ALD법을 이용하여 HfO2 박막을 10 nm 와 50nm의 서로 다른 두께로 성장하였다. 이후 박막의 특성을 향상시키기 위하여 후속 열처리를 실시하였으며, 열처리온도에 따른 박막의 결정학적, 전기적 특성변화를 분석하였다. 박막의 결정성 분석을 위하여 X-ray diffiaction (XRD) 분석을 실시하였고, 전기적 특성평가를 위하여 capacitance-voltage (C-V)와 current-voltage (I-V) 분석을 진행하였다.

대상 데이터

water)법으로 세정하였다. HfO2 박막을 성장시키기 위한 precursor는 tetrakis dymethylamino hafnium (TDMAH)이며, 산소 플라즈마를 반응물질로 사용하였다.

이론/모형

두께가 10nm오+ 50nm인 HfO2 박막을 (100) p-Si 기 판 위에 ALD법으로 성장시켰다. 먼저, 박막을 성장시키기 전에 Si 기판 위에 존재하는 자연 산화막을 1% HF 용액을 이용하여 제거하였고, RCA (TCE-아세톤-메탄올 -D.

성능/효과

또한 열처리과정에서 결함이 크게 줄어들어 낮은 누설전류를 갖는 박막을 얻을 수 있었다. 600℃에서 열처리한 HfO2 박막은 결정화가 일어남을 XRD 데이터를 통해 알 수 있었고, 그 결과 누설전류가 급격히 증가하는 것을 IV 분석을 통해 확인할 수 있었다. HfO2 박막을 500℃ 에서 열처리한 경우 두께가 10nm와 50nm인 HfO2 박막 모두에서 가장 높은 accumulation capacitance와 가장 낮은 누설전류를 나타냈으며, 이를 통해 후속열처리 공정이 HfO2 박막의 특성을 향상시키는데 크게 기여함을 확인할 수 있었다.
열처리 전과 열처 리 후의 샘플을 비교했을 때 공통적으로 나타나는 HfO2 픽은 monoclinic (020), (002)이며, Monoclinic HfO2 상은 안정한 동질이상체 (stable polymorph)이다.7)400℃와 500℃에서 열처리한 샘플과 열처리 전 샘플을 비교하면, XRD 데이터의 변화가 거의 없음을 확인할 수 있다. 이는 500℃ 이하에서의 열처리가 HfO2 박막의 결정성에 큰 영향을 미치지 않는다는 것을 의미한다.
ALD법으로 성장시킨 HfO2 박막은 250℃의 낮은 공정온도로 인하여 박막의 대부분이 비결정질상태로 존재함을 XRD 분석을 통해 알 수 있었다. 이같이 HfO2 박막이 비결정질상태를 유지하는 것은 누설전류를 줄이는 데 크게 유리하게 작용한다.
600℃에서 열처리한 HfO2 박막은 결정화가 일어남을 XRD 데이터를 통해 알 수 있었고, 그 결과 누설전류가 급격히 증가하는 것을 IV 분석을 통해 확인할 수 있었다. HfO2 박막을 500℃ 에서 열처리한 경우 두께가 10nm와 50nm인 HfO2 박막 모두에서 가장 높은 accumulation capacitance와 가장 낮은 누설전류를 나타냈으며, 이를 통해 후속열처리 공정이 HfO2 박막의 특성을 향상시키는데 크게 기여함을 확인할 수 있었다.
후속열처리를 통해 보다 높은 accumulation capacitance를 얻을 수 있었고, 열처리온도가 높아짐에 따라 산화포획전하밀도뿐 아니라 양의 전하들을 발생시키는 고정산화막전하들과 유동이동 전하들 등이 크게 줄어드는 것을 확인할 수 있었다. 또한 열처리과정에서 결함이 크게 줄어들어 낮은 누설전류를 갖는 박막을 얻을 수 있었다. 600℃에서 열처리한 HfO2 박막은 결정화가 일어남을 XRD 데이터를 통해 알 수 있었고, 그 결과 누설전류가 급격히 증가하는 것을 IV 분석을 통해 확인할 수 있었다.
박막의 특성을 향상시키기 위하여 온도를 400℃-600℃로 변화시키면서 질소 분위기에서 1분간 RTA 처리를 하였다. 후속열처리를 통해 보다 높은 accumulation capacitance를 얻을 수 있었고, 열처리온도가 높아짐에 따라 산화포획전하밀도뿐 아니라 양의 전하들을 발생시키는 고정산화막전하들과 유동이동 전하들 등이 크게 줄어드는 것을 확인할 수 있었다. 또한 열처리과정에서 결함이 크게 줄어들어 낮은 누설전류를 갖는 박막을 얻을 수 있었다.

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