소자가 점점 고집적화 됨에 따라, MOS 소자 제조에 있어서 $SiO_2$의 두께가 ${\sim}1nm$로 낮아질 경우 발생하는 터널링전류와 문틱전압 천이를 방지할 수 있는 새로운 게이트용 유전물질을 개발하여 소자의 크기를 줄이는데 주력하고 있다. 본 실험에서는 원자층증착(ALD: atomic layer deposition) 방법으로 증착된 $ZrO_2$박막의 물리적, 전기적 특성에 대하여 연구하였다. ALD$ZrO_2$ 박막을 증착한 후 Ar 가스 분위기에서 $800^{\circ}C$, 1 시간동안 열처리한 다음 XRD, TEM, 그리고 C-V plots을 이용하여 $Pt/ZrO_2/Si$ 소자의 형태, 결정화 동역학, 그리고 경계층 특성을 평가한 결과 열처리에 의해 소자의 특성이 크게 향상됨을 알 수 있었다.
소자가 점점 고집적화 됨에 따라, MOS 소자 제조에 있어서 $SiO_2$의 두께가 ${\sim}1nm$로 낮아질 경우 발생하는 터널링전류와 문틱전압 천이를 방지할 수 있는 새로운 게이트용 유전물질을 개발하여 소자의 크기를 줄이는데 주력하고 있다. 본 실험에서는 원자층증착(ALD: atomic layer deposition) 방법으로 증착된 $ZrO_2$ 박막의 물리적, 전기적 특성에 대하여 연구하였다. ALD $ZrO_2$ 박막을 증착한 후 Ar 가스 분위기에서 $800^{\circ}C$, 1 시간동안 열처리한 다음 XRD, TEM, 그리고 C-V plots을 이용하여 $Pt/ZrO_2/Si$ 소자의 형태, 결정화 동역학, 그리고 경계층 특성을 평가한 결과 열처리에 의해 소자의 특성이 크게 향상됨을 알 수 있었다.
As the packing density of IC devices gets ever higher, the thickness of the gate $SiO_2$ layer of the MOS devices is now required to be reduced down to 1 nm. For such a thin $SiO_2$ layer, the MOS device cannot operate properly because of tunneling current and threshold voltage...
As the packing density of IC devices gets ever higher, the thickness of the gate $SiO_2$ layer of the MOS devices is now required to be reduced down to 1 nm. For such a thin $SiO_2$ layer, the MOS device cannot operate properly because of tunneling current and threshold voltage shift. Hence there has been much effort to develop new dielectric materials which have higher dielectric constants than $SiO_2$ and is free from such undesirable effects. In this work, the physical and electrical characteristics of ALD $ZrO_2$ film have been studied. After deposition of a thin ALD $ZrO_2$ film, it went through thermal treatment in the presence of argon gas at $800^{\circ}C$ for 1 hr. The characteristics of morphology, crystallization kinetics, and interfacial layer of $Pt/ZrO_2/Si$ samples have been investigated by using the analyzing instruments like XRD, TEM and C-V plots. It has been found that the characteristics of the $Pt/ZrO_2/Si$ device was enhanced by the thermal treatment.
As the packing density of IC devices gets ever higher, the thickness of the gate $SiO_2$ layer of the MOS devices is now required to be reduced down to 1 nm. For such a thin $SiO_2$ layer, the MOS device cannot operate properly because of tunneling current and threshold voltage shift. Hence there has been much effort to develop new dielectric materials which have higher dielectric constants than $SiO_2$ and is free from such undesirable effects. In this work, the physical and electrical characteristics of ALD $ZrO_2$ film have been studied. After deposition of a thin ALD $ZrO_2$ film, it went through thermal treatment in the presence of argon gas at $800^{\circ}C$ for 1 hr. The characteristics of morphology, crystallization kinetics, and interfacial layer of $Pt/ZrO_2/Si$ samples have been investigated by using the analyzing instruments like XRD, TEM and C-V plots. It has been found that the characteristics of the $Pt/ZrO_2/Si$ device was enhanced by the thermal treatment.
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문제 정의
따라서 실리콘과 열적으로 보다 안정한 ZrO2, HfO2[ll, 12] 또는 그것들의 silicates 등의 재료가 최근 주목 받고 있으며 본 연구에서는 새로운 박막증착 공정인 ALD 방법으로 게이트용 ZrO2 박막을 증착한 다음 소자 제작에 있어서 열처리(thermal annealing)[12]°fl 따른 계면의 물리적, 전기적 특성 변화에 대하여 평가하였다.
방법이 가장 유력한 기술로 평가받고 있다. 본 연구에서는 새로운 저온 박막증착 공정인 ALD 방법으로 증착된 ZrO2 박막의 전기적 특성 및 물리적 특성을 평가하기 위하여 ALD ZrO2 박막을 게이트 유전물질로 사용하여 Pt/ZrO2/Si 구조의 소자를 제작하였다. Pt/ZrO2/Si 소자는 p-type(100) 실리콘 웨이퍼 위에 ~1 A/cycle의 증착율로 두께가 ~20 nm인 ALD ZrO2 박막을 증착한 다음 5X10-5 cm?의 & 전극을 만들어 ALD ZrO2 박막의 C-V 특성을 측정하였다.
제안 방법
ALD 방법으로 ZrO2 박막을 증착[13-15]하기 위하여 먼저 p-type(100) 실리콘 웨이퍼의 표면에 있는 먼지를 de-ionized(DI) water로 제거한 다음 100:1 HF 용액에 실리콘 웨이퍼를 담아 표면에 성장된 자연 산화막(native oxide)을 제거하였다. 그리고 다시 DI water로 실리콘 웨이퍼에 잔류해 있는 HF 용액을 세정한 후, 실리콘 웨이퍼 표면의 불순물이나 금속 오염물을 RCA 세정법으로 세정하여 반응로에 장착하였다.
0 s), HaOd.O s), N2 purge(2.0 s)를 한 주기로 하여 증착하고자 하는 박막의 두께에 따라 10-50주기를 증착하였다. N2 가스는 전구체 운반 가스와 purge 가스로 사용하였으며 반응로의 압력은 ~100 mtorr 정도로 유지하였다.
oxide)을 제거하였다. 그리고 다시 DI water로 실리콘 웨이퍼에 잔류해 있는 HF 용액을 세정한 후, 실리콘 웨이퍼 표면의 불순물이나 금속 오염물을 RCA 세정법으로 세정하여 반응로에 장착하였다.
본 연구에서는 박막 증착을 위하여 반응로의 증착 온도는 320 ℃로 유지하였으며 고체의 ZrCk를 가열하여 기화시켜 생성한 ZrCl4 gas와 压0를 전구체로, 그리고 N2 가스를 purge 가스로 사용하여 그림 2와 같은 공정으로 10 ~50 주기를 증착한 결과 두께가 10 ~ 50 nm의 ALD ZrO2 박막을 얻었다.
본 연구에서는 박막의 형태와 결정화 동역학을 고려하여 증착온도는 320 ℃로 결정하였다[18]. 증착온도를 400。<2로 올릴 경우 박막의 상태(phase)는 다결정 상태가 되어 이동도나 전기전도도와 같은 전기적 특성은 우수할 수 있으나 박막의 형태가 나빠져 오히려 소자의 특성을 열화시킬 수 있는 문제점이 있다[19].
후속 공정 때문에 발생하는 ZrO2 박막의 결정성 전이로 인한 경계층(interfacial layer)의 물리적, 전기적 특성 변화에 대한 연구를 위하여 증착된 ALD ZrO2 빅막을 800 Ar 가스 분위기에서 1 시간동안 열처리한 다음 박막의 결정화를 평가하기 위하여 X-ray 회절분석(XRD)을 하였다. 소자의 전극은 5X10'5 cn/의 & 전극을 사용하였으며 MOSFET 소자의 전기적 특성을 평가하기 위하여 HP 4155A semiconductor parameter analyzer를 사용하여 C-V 특성을 측정하여 박막의 특성을 평가하였다.
본 연구에서는 새로운 저온 박막증착 공정인 ALD 방법으로 증착된 ZrO2 박막의 전기적 특성 및 물리적 특성을 평가하기 위하여 ALD ZrO2 박막을 게이트 유전물질로 사용하여 Pt/ZrO2/Si 구조의 소자를 제작하였다. Pt/ZrO2/Si 소자는 p-type(100) 실리콘 웨이퍼 위에 ~1 A/cycle의 증착율로 두께가 ~20 nm인 ALD ZrO2 박막을 증착한 다음 5X10-5 cm?의 & 전극을 만들어 ALD ZrO2 박막의 C-V 특성을 측정하였다.
30 nm로 증착한 다음 5X1(/ 皿?의 Pt 전극을 만들어 Pt/ZrO2/Si 구조의 소자를 제작하여 3 V, 6 V, 9 V의 바이어스(주파수는 모두 1 MHz)를 각각 인가하여 소자의 C-V 특성을 측정하였다. 소자의 voltage window(厶 /)는 ZrO2 박막의 두께가 증가함에 따라 증가하는 것이 아니라 최적의 두께가 존재한다.
그림 1. 전구체 ZrCl, 와 H20를 이용한 ALD, ZrO2 박막의 증착방법.
고려하여 증착온도는 320 ℃로 결정하였다. 후속 공정 때문에 발생하는 ZrO2 박막의 결정성 전이로 인한 경계층(interfacial layer)의 물리적, 전기적 특성 변화에 대한 연구를 위하여 증착된 ALD ZrO2 빅막을 800 Ar 가스 분위기에서 1 시간동안 열처리한 다음 박막의 결정화를 평가하기 위하여 X-ray 회절분석(XRD)을 하였다. 소자의 전극은 5X10'5 cn/의 & 전극을 사용하였으며 MOSFET 소자의 전기적 특성을 평가하기 위하여 HP 4155A semiconductor parameter analyzer를 사용하여 C-V 특성을 측정하여 박막의 특성을 평가하였다.
대상 데이터
흐름에 대한 순서도 이다. ALD 방법으로 ZrO2 박막을 증착하기 위하여 가열소자heating element)를 이용하여 zirconium tetra-chloride(ZrCLi)를 160-175의 온도로 가열하여 기화된 ZrCLi와 15~20 P의 de-ionized Millipore waterfELO)를 전구체로 사용하였다. 그림 2와 같이 반응물질과 N2 가스99.
성능/효과
Pt/ZrO2/Si 소자 제작에 있어서 ZrO2 박막을 800℃, Ar 가스 분위기에서 1 시간동안 열처리한 후 TEM 사진과 △ μ의 측정을 통해 경계층의 결정성 변화를 관찰함으로써 소자 제작 시 열처리 효과에 의한 소자의 전기적 특성이 개선됨을 알 수 있었다. 이것은 ALD ZrO2 박막을 열처리 하여 소자 제작에 사용할 경우 고 집적화된 소자의 신뢰성 향상에 크게 기여할 것으로 생각된다.
바뀔 수 있다[20]. 그리고 ZrOz/Si의 경계층에 대한효과를 알아보기 위하여 열처리한 경우와 열처리를 하지 않은 경우에 대하여 厶 μ의 값을 측정한 결과 열처리를 하지 않은 경우(厶 片0.8 V)보다 열처리를 한 경우(厶 V=2.2 V), 훨씬 소자의 전기적 특성이 개선되는 것을 알 수 있었다(그림 7. 참조).
ALD 방법은 낮은 온도에서 증착이 가능하고, 박막의 두께를 정밀하게 제어할 수 있어서 균일도가 우수한 박막을 증착할 수 있다. 그리고 다성분계 박막의 조성을 정밀하게 제어하는 것이 용이하고, 박막증착시 알갱이 발생량이 매우 낮으며, 박막 내의 불순물농도가 낮을 뿐 아니라 초미세구조에서도 단차피복성(step coverage)0] 우수한(~95 % 이상) 장점이 있다.
후속연구
특성이 개선됨을 알 수 있었다. 이것은 ALD ZrO2 박막을 열처리 하여 소자 제작에 사용할 경우 고 집적화된 소자의 신뢰성 향상에 크게 기여할 것으로 생각된다.
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