[논문]ALD 방법으로 증착된 <tex>$HfO_2$</tex>/Hf 박막을 게이트 절연막으로 사용한 MOS 커패시터 제조

이대갑; 도승우; 이재성; 이용현

초록
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본 논문에서는 MOS 소자의 게이트 유전체로 사용될 고유전 박막으로 $HfO_2$/Hf 박막을 제조하여 그 전기적 특성을 관찰하였다. $HfO_2$박막은 TEMAH와 $O_3$ 전구체를 사용한 ALD 방법으로 p-type (100) 실리콘 웨이퍼 위에 증착하였다. $HfO_2$막을 증착시키기 전에 중간층으로써 Hf 금속 층을 증착하였다. Round-type의 MOS 커패시터 제작을 위해, 상부 전극은 Al 또는 Pt을 이용하여 약 2000 ${\AA}$ 두께의 전극을 형성하였다. $HfO_2$ 박막은 화학정량적 특성을 보였으며, $HfO_2$/Si 계면에서 Si-O 결합 대신 Hf-Si 결합과 Hf-Si-O 결합이 관찰되었다. $HfO_2$와 Si 사이의 Hf 중간층은 $SiO_x$의 성장이 억제되었고, $HfSi_xO_y$으로 변형되었다. 이러한 결과로 $HfO_2$/Hf/Si 구조에서 Hf 중간층이 있음으로 게이트 유전체의 고유전율이 유지되면서 계면 특성이 개선됨을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, $HfO_2$/Hf stacked film has been applied as the gate dielectric in MOS devices. The $HfO_2$ thin film was deposited on p-type (100) silicon wafers by atomic layer deposition (ALD) using TEMAHf and $O_3$ as precursors. Prior to the deposition of the

In this paper, $HfO_2$/Hf stacked film has been applied as the gate dielectric in MOS devices. The $HfO_2$ thin film was deposited on p-type (100) silicon wafers by atomic layer deposition (ALD) using TEMAHf and $O_3$ as precursors. Prior to the deposition of the $HfO_2$ film, a thin Hf metal layer was deposited as an intermediate layer. Round-type MOS capacitors have been fabricated on Si substrates with 2000${\AA}$-thick Al or Pt top electrode. The prepared film showed the stoichiometric components. At the $HfO_2$/Si interface, both Hf-Si and Hf-Si-O bonds were observed, instead of Si-O bond. The sandwiched Hf metal layer suppressed the growing of $SiO_x$ layer so that $HfSi_xO_y$ layer was achieved. It seems that the intermediate Hf metal layer has a benefit for the enhancement of electric characteristics of gate dielectric in $HfO_2$/Si structure.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서 게이트 유전체인 HfQ 박막을 증착하여실리콘 공정에 적용했을 때 발생하는 계면층 문제를개선하기 위해 Hf layer를 이용한 HfOzWSi 구조를제안하였다. 이러한 구조에서 HfO₂ 박막의 결정화가시작되는 온도를 높일 수 있었고, 계면에 형성되는 SiOx 의 형성이 억제되었다.
이로 인해 게이트 충전용량이 감소하게 되고, 형성되는 계면 유전막에 의해 charge trap 형성 등의 문제점이 발생하게 된다. 본 논문에서는 HfCbWSi 구조를 제안하여 Si 계면에서 저유전층형성을 억제시켜 HK》와 Si 계면에서의 전기적 특성을개선시키고자 하였다.

제안 방법

ALD HfQ 박막의 형성 여부와 조성 분석을 위해서 AES 분석을 하였다. 그림 2는 ALD HfCVHf 박막의 as-deposited 상태의 시료의 깊이 방향 AES 분석 결과이다.
열처리된 박막을 lift-off 방법으로 금속 전극인 Afg]과 沖a를 각각 증착하여 그림 1과 같이 guard-ring이 있는 round-type의 MOS 커패시터를 제작하였다. A1 전극은 thermal evaporator를 이용하여약 2000 A 두께의 전극을 증착하였고, Pt 전극은 E-Beam을 이용하여 Pt(2000 A)/Ti (100 A)을 형성하였다.
준비된 시료는 500 ℃-800 ℃, N₂ 분위기에서 각각 20 분간 가열로(furnace)를 이용하여 열처리를 실행하였다. 열처리를 실행한 시료들은 XRD (X-ray Diffraction)을이용하여 각각의 온도에 따른 박막의 결정화를 분석하였다. 분석 결과 HfC>2 박막은 비정질(amorphous) 상태에서 결정질(crystalline)電「I』로 변형이 일어날 때 단사정 계 (monoclinic) 와 사방정 계 (orthorhombic)"0의 구조를지니는 것으로 나타났다.
제작된 M0S 커패시터를 이용하여 전기적 특성을분석하였다. 그림 6의 (a)는 A1 전극으로 제작된 커패시터의 C-V 특성 곡선이고, (b)는 Pt 전극을 이용하여제작된 커패시터의 OV 특성 곡선이다.

대상 데이터

Hf 전구체 (precursor)로 TEMAH [Tetrakis -(ethyimethyamino)hafnium]을 사용하였고, 산소의 전구체로는을 사용하였다. Ar을 carrier gas로 사용하였으며, 350 ℃, 0.
p-type (100) Si 웨이퍼 위에 ALD-HfCfe 박막을 증착하였다. Hf 전구체 (precursor)로 TEMAH [Tetrakis -(ethyimethyamino)hafnium]을 사용하였고, 산소의 전구체로는을 사용하였다.
열처리 후, 시료의 결정성을 분석하기 위해 HfO/Si 구조와 HfQaWSi 구조의 시료를 각각 준비하였다. 준비된 시료는 500 ℃-800 ℃, N₂ 분위기에서 각각 20 분간 가열로(furnace)를 이용하여 열처리를 실행하였다.

성능/효과

. 반면 그림 4의 (b)는 皿와 Si 사이에 Hf layer가 있는 구조의 시료들은 500 ℃ 에서 결정화가 일어나지 않고 비정질 상태가 유지되고있음을 확인할 수 있다. 그러나 600 ℃ 이상에서 열처리를 했을 경우 비정질 상태에서 다결정질(polycrystal Tine)로 변화 된 것으로 보이는 단사정계의 peak가 나타나는 것을 확인할 수 있다.
97의 상대적으로 높은 유전상수를 얻을 수 있었다. HfOsWSi 구조는 계면 박막층(SiOx) 성장을 억제해줌으로써 계면에서의 oxide charge trap이 감소함을 알 수 있었다. 또한, 안정적이고 낮은 누설전류 특성을 보이고 있었다.
HfOsWSi 구조는 계면 박막층(SiOx) 성장을 억제해줌으로써 계면에서의 oxide charge trap이 감소함을 알 수 있었다. 또한, 안정적이고 낮은 누설전류 특성을 보이고 있었다. 이러한 결과를 통해 향후 대체 게이트 유전체로서 HfC)2 사용 시 Hf 중간층을 이용함으로써 실리콘 기판과의 계면 특성을 개선 할 수 있을 것으로 기대한다.
열처리를 실행한 시료들은 XRD (X-ray Diffraction)을이용하여 각각의 온도에 따른 박막의 결정화를 분석하였다. 분석 결과 HfC>2 박막은 비정질(amorphous) 상태에서 결정질(crystalline)電「I』로 변형이 일어날 때 단사정 계 (monoclinic) 와 사방정 계 (orthorhombic)"0의 구조를지니는 것으로 나타났다.
이러한 구조에서 HfO₂ 박막의 결정화가시작되는 온도를 높일 수 있었고, 계면에 형성되는 SiOx 의 형성이 억제되었다. Pt 전극을 이용한 HfOaWSi 구조에서 최대 18.
그림 5 (a)인 Hf 4f spectra에서 약한 Hf silicide peak가 나타나지만 그림 5 (b) Si 2p spectra 그림에서는 Hf silicate (HfSixOy) peak 밖에 나타나지 않았다. 이와 같은 XPS 분석 결과를 통해 열처리된 HfOz/Hf 구조의 박막은 열처리 과정에서 Hf 중간층이 HfOa/HfSiO/Si 구조로 변형된 것을 확인할 수 있다.

후속연구

또한, 안정적이고 낮은 누설전류 특성을 보이고 있었다. 이러한 결과를 통해 향후 대체 게이트 유전체로서 HfC)2 사용 시 Hf 중간층을 이용함으로써 실리콘 기판과의 계면 특성을 개선 할 수 있을 것으로 기대한다.

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