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문제 정의
- 본 논문에서는 이러한 기존의 ALD 방식의 문제점을 해결하면서 동시에 ALD 의 장점을 그대로 유지하는 새로운 ALD 방식을 제안하고자 한다. 이 새로운 ALD 의가능성 및 증착 메커니즘을 확인하기 현재 캐퍼시터 재료로 사용되고 있는 Al2O3와 gate 유전막으로 연구되고 있는 HfO2 박막을 증착하여 그 특성을 고찰하였다.
가설 설정
- 유전율은 accumulation 영역에서 측정하였으며, 20 Å의 SiO2가 존재하는 것을 가정하여강 유전박막의 유전율을 추출하였다.
제안 방법
- 산화제로는 H2O를 사용하였다. TMA와 TEMAHf 원료는 일정 기화압력을 유지하도록 온도를 유지하였으며, 아르곤 가스를 사용하여 챔버로 공급하였다. 박막을 성장시키기 전에 p-type Si 표면에 형성된 자연 산화막을 buffered HF용액을 사용하여 제거한 후 질소 가스로 건조한 후 가능한 한 빠른 시간 내에 챔버에 로딩하여 펌핑하였다.
- 따라서 각 소스 주입을 스위칭하는 고속 스위치를 지속적으로 사용해야 하고, 배기 시 반응을 하지 않은 대부분의 소스가 사용되지 않고 방출되며 이러한 사이클 시간에 따라 생산성이 감소된다. 그러나 본 논문에서 제안된 PS-ALD의 경우 반응 단계별로 가스 스위칭을 통하여 반응물질 주입하는 대신, 두 개의 분리된 injector 내부로 스위칭을 하지 않고 지속적으로 반응물을 주입하며 동시에 기판을 회전시킨다. 이러한 하드웨어 구성과 일련의 과정을 통하여 다음과 같은 증착이 이루어지게 된다.
- 시스템은 유기금속원료와 산화제를 분사하는 두 개의 원료분사장치와 일반적인 ALD 방법에 비하여 낮은 압력을 유지하는 챔버 영역으로 구성되어 있다. 기판은 설정된 증착 온도를 유지하면서 동시에 각 원료분사장치와 챔버 영역을 회전하도록 구성하였다. 원료분사장치는 bubbler에서 전송된 원료를 기판의 회전과 직각방향으로 선형으로 분사를 하도록 되어 있으며, 기판이 회전함에 따라 기판 전체 면적에 균일하게 분사되도록 구성되어 있다.
- 2의 injector 구조에서 볼 수 있듯이 기판의 회전 속도와 반비례해서 표면에 분사되는 소스의 양이 반비례하는 것이 장치의 특징이다. 따라서 표면의 소스의 양을 결정하는 요소에 의하여 cycle 당 증착 속도와 박막의 특성이 변화할 것으로 예상되는데, 이것을 확인하기 위하여 회전 속도에 따른 HfO2 박막의 증착속도와 AFM rms(root mean square) roughness를 측정하였다. Fig.
- 이러한 SiO2 중간층이 형성되는 것은 산화제를 H2O를 사용하는 경우에 일반적으로 관찰되는 것으로서 tox,eq는 실질적으로 크게 나타나고 있다. 본 시스템 구조에서는 산화제 분사기에 플라즈마나 자외선을 분사할 수 있도록 구성되어 있으며, 특히 MO 소스와 공간적으로 분리되어 있으므로 인하여 외부 여기 수단을 사용하는 경우 흔히 나타나는 부산물(by-products) 형성에 따른 박막의 특성 저하를 막을 수 있는 장점을 동시에 갖고 있다.
- 우수한 박막 특성과 계면 특성을 갖는 high-k 유전체 박막을 증착하는 기술인 ALD 방법의 단점인 낮은 생산성과 높은 고가의 MO 원료 소모량을 줄이기 위한 새로운 ALD 방법, 즉 Proximity-Scan ALD(PS-ALD)을 개발하였다. PS-ALD는 반응 단계별로 일반적인 ALD와 같이 가스 스위칭을 통하여 반응물질 주입 및 purge 및 pumping을 하는 대신, injector 내부로 스위칭을 하지 않고 지속적으로 반응물을 주입하는 구조이다.
- 본 논문에서는 이러한 기존의 ALD 방식의 문제점을 해결하면서 동시에 ALD 의 장점을 그대로 유지하는 새로운 ALD 방식을 제안하고자 한다. 이 새로운 ALD 의가능성 및 증착 메커니즘을 확인하기 현재 캐퍼시터 재료로 사용되고 있는 Al2O3와 gate 유전막으로 연구되고 있는 HfO2 박막을 증착하여 그 특성을 고찰하였다.
- 따라서 ALD 증착에 필요한 압력 및 소스의 양은 국부챔버에 제공되기 때문에 챔버 전체에 공급하는 기존 ALD에 비하여 국부 챔버와 챔버 전체의 부피비만큼 절약하는 큰 장점과 함께 산화제와 분리되기 때문에 모든 반응이 기판의 표면에서 독립적으로 일어나도록 조절할 수 있다. 이 원료분사기는 물로 냉각하여 분사기내에서 소스가 증착되는 것을 방지하도록 하였다. 이러한 ALD 구조와 기판 회전을 사용함으로써 질량유량기현할 수 있으며, 장치 구성의 비용을 감소하며 장치의 신뢰성을 증가시키는 효과가 있다.
대상 데이터
- Al2O3와 HfO2을 성장시키기 위해서 각각 tri-methyl aluminum(TMA : (Al(CH3)3)과 tetrakis(ethylmethylamino) hafnium(TEMAHf : Hf[N(C2H5)CH3]4)을 precursor로 사용하였다. 산화제로는 H2O를 사용하였다.
- )을 precursor로 사용하였다. 산화제로는 H2O를 사용하였다. TMA와 TEMAHf 원료는 일정 기화압력을 유지하도록 온도를 유지하였으며, 아르곤 가스를 사용하여 챔버로 공급하였다.
- 2는 본 연구에 사용된 PS-ALD의 시스템 구조도와 원료분사장치의 개념도를 나타내고 있다. 시스템은 유기금속원료와 산화제를 분사하는 두 개의 원료분사장치와 일반적인 ALD 방법에 비하여 낮은 압력을 유지하는 챔버 영역으로 구성되어 있다. 기판은 설정된 증착 온도를 유지하면서 동시에 각 원료분사장치와 챔버 영역을 회전하도록 구성하였다.
- 3(a)는 PS-ALD 를 사용하여 p-Si(100) 기판 위에 증착된 Al2O3과 HfO2의 두께를 cycle수에 따른 변화를 관찰한 결과이다. 증착 온도는 각각 320도 및 350도를 유지하였다. Al2O3 및 HfO2 두께는 cycle 수에 따라 선형적으로 증가하는 전형적인 ALD 의 특성을 보여주고 있다.
성능/효과
- 그러나 단위 시간 동안의 증착 속도는 회전 속도와 증착 속도에 의하여 결정되기 때문에 단위 시간 동안의 증착된 두께는 거의 일정하게 나타난다. 다만 여기서 회전 속도가 빨라질수록 박막의 표면의 rms roughness가 작아지는 것으로 미루어보아 최적의 회전속도 및 양산성을 결정하는 단위 시간당 증착된 박막의 두께의 상관관계가 결정된다는 것을 알 수 있다. 본 논문에서 사용된 조건하에서 5 rpm의 회전 속도에서 증착할 때 0.
- 원료 분사 시 기판과의 거리를 가깝게 유지하여 실지 원료가 분사되는 공간 (국부챔버)의 압력은 챔버의 압력보다 매우 높으며, 캐리어 가스의 유량과 bubbler의 온도를 조절하여 압력과 공급되는 소스의 양을 쉽게 조절할 수 있도록 하였다. 따라서 ALD 증착에 필요한 압력 및 소스의 양은 국부챔버에 제공되기 때문에 챔버 전체에 공급하는 기존 ALD에 비하여 국부 챔버와 챔버 전체의 부피비만큼 절약하는 큰 장점과 함께 산화제와 분리되기 때문에 모든 반응이 기판의 표면에서 독립적으로 일어나도록 조절할 수 있다. 이 원료분사기는 물로 냉각하여 분사기내에서 소스가 증착되는 것을 방지하도록 하였다.
- 기법에 비해서 여러 층의 매우 얇은 막을 박막의 구성요소를 교대로 형성시키는 장치이다. 따라서 증착 속도는 느리지만, 10 nm 내외의 얇은 두께의 박막을 요구하는 캐퍼시터용 유전물질을 증착할 때 두께조절이 용이하며, 동시에 박막의 두께 및 조성의 균일성 및 step coverage 특성이 우수하다.9-10) 그러나 현재 사용되고 있는 일반적인 구조에서는 ALD 의 장점을 확보하기 위해서는 고가의 유기 금속원료 (metal organic)를 다량 사용하여야 하므로 낮은 생산성에 더하여 공정 단가가 매우 높은 단점이 있으며, aspect ratio가 큰 경우에는 더 많은 원료를 사용 하여야 하는 큰 단점이 있다.
- 본 논문에서 사용된 조건하에서 5 rpm의 회전 속도에서 증착할 때 0.75 Å/cycle의 증착속도를 얻었으며, 이 때 500 cycle 즉 350 Å 두께의 HfO2의 경우 표면 rms roughness가 2.1 Å로서 매우 균일한 박막을 얻을 수 있었다.
- 새로운 방법의 가능성을 보기 위하여 Al2O3와 HfO2를 PS-ALD 방법으로 증착하였으며, ALD 모드에서 증착이 됨을 확인하였다. 증착 시 사용되는 원료의 양은 전체 챔버의 부피와 injector와 기판이 형성하는 국부 챔버의 부피의 비만큼 작은 양을 사용하였으며, 하드웨어 구성에 의하여 상대적으로 높은 증착 속도에 기인하여 우수한 생산성을 보여주었다.
- 원료분사장치는 bubbler에서 전송된 원료를 기판의 회전과 직각방향으로 선형으로 분사를 하도록 되어 있으며, 기판이 회전함에 따라 기판 전체 면적에 균일하게 분사되도록 구성되어 있다. 원료 분사 시 기판과의 거리를 가깝게 유지하여 실지 원료가 분사되는 공간 (국부챔버)의 압력은 챔버의 압력보다 매우 높으며, 캐리어 가스의 유량과 bubbler의 온도를 조절하여 압력과 공급되는 소스의 양을 쉽게 조절할 수 있도록 하였다. 따라서 ALD 증착에 필요한 압력 및 소스의 양은 국부챔버에 제공되기 때문에 챔버 전체에 공급하는 기존 ALD에 비하여 국부 챔버와 챔버 전체의 부피비만큼 절약하는 큰 장점과 함께 산화제와 분리되기 때문에 모든 반응이 기판의 표면에서 독립적으로 일어나도록 조절할 수 있다.
- 이 때 증착 속도는 각각 cycle 당 1.3 Å 및 0.75 Å으로서 일반적으로 보고된 ALD 박막의 증착 속도와 동등 혹은 더욱 빠른 증착 속도 하에서 증착됨을 알 수 있었다.
- 이 원료분사기는 물로 냉각하여 분사기내에서 소스가 증착되는 것을 방지하도록 하였다. 이러한 ALD 구조와 기판 회전을 사용함으로써 질량유량기현할 수 있으며, 장치 구성의 비용을 감소하며 장치의 신뢰성을 증가시키는 효과가 있다.
- Al2O3 및 HfO2 두께는 cycle 수에 따라 선형적으로 증가하는 전형적인 ALD 의 특성을 보여주고 있다. 전체 챔버의 압력은 10 mTorr 정도를 유지함으로써 분사기를 지난 후에는 물리흡착이 된 분자들이 이탈하여 CVD 모드보다는 ALD 모드를 유지하도록 증착되는 것을 알 수 있다. 이 때 증착 속도는 각각 cycle 당 1.
- 를 PS-ALD 방법으로 증착하였으며, ALD 모드에서 증착이 됨을 확인하였다. 증착 시 사용되는 원료의 양은 전체 챔버의 부피와 injector와 기판이 형성하는 국부 챔버의 부피의 비만큼 작은 양을 사용하였으며, 하드웨어 구성에 의하여 상대적으로 높은 증착 속도에 기인하여 우수한 생산성을 보여주었다.
- 최대 유전율을 갖는 조건 하에서 누설전류는 1V 전압 기준으로 Al2O3의 경우는 10−8 A/cm2 그리고 HfO2의 경우는 10−7A/cm2 정도로 관찰되었다.
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