[논문]비휘발성 메모리 응용을 위한 ALD법을 이용한 <tex>$Al_2O_3$</tex> 절연막의 특성

정순원; 이기식; 구경완

비휘발성 메모리 응용을 위한 ALD법을 이용한 $Al_2O_3$ 절연막의 특성
Properties of $Al_2O_3$ Insulating Film Using the ALD Method for Nonvolatile Memory Application 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.58 no.12, 2009년, pp.2420 - 2424

정순원 (ETRI 융합부품.소재연구부문) , 이기식 (단국대학교 전자.전기공학부) , 구경완 (호서대학교 국방과학기술학과)

Abstract ▼ AI-Helper

We have successfully demonstrated of metal-insulator-semiconductor (MIS) capacitors with $Al_2O_3/p-Si$ structures. The $Al_2O_3$ film was grown at $200^{\circ}C$ on H-terminated Si wafer by atomic layer deposition (ALD) system. Trimethylaluminum [$Al(CH_3)_3$, TMA] and $H_2O$ were used as the aluminum and oxygen sources. A cycle of the deposition process consisted of 0.1 s of TMA pulse, 10 s of $N_2$ purge, 0.1 s of $H_2O$ pulse, and 60 s of $N_2$ purge. The 5 nm thick $Al_2O_3$ layer prepared on Si substrate by ALD exhibited excellent electrical properties, including low leakage currents, no mobile charges, and a good interface with Si.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 고유전율 박막재료인 A12O₃ 박막을 ALD(atomic layer deposition)법을 이용하여 형성하고[11], 두께 및 열처리 조건에 따른 전기적 특성 변화를 확인하였다. 그 결과에 대하여 기술하고자 한다.
[9, 10] 무기물 절연층의 경우 수 나노미터의 얇은 박막일 경우에도 절연 특성이 우수하며, 유기물 절연층에 비해 상대적으로 비유전율이 높기 때문에 인가되는 전압의 분배에 있어서도 유리할 것으로 판단된다. 본 논문에서는 고유전율 박막재료인 A12O₃ 박막을 ALD(atomic layer deposition)법을 이용하여 형성하고[11], 두께 및 열처리 조건에 따른 전기적 특성 변화를 확인하였다. 그 결과에 대하여 기술하고자 한다.
본 논문은 저온 공정과 저전압 동작을 동시에 만족할 수 있는 강유전체 메모리 응용을 위한 무기 절연체 개발에 관한 것으로서, ALD법을 이용하여 증착온도 200 ℃ 에서 A12O₃ 박막을 성공적으로 형성하였다. 형성된 박막의 전기적 특성을 확인하기 위하여 MIS 커패시터를 제작한 결과, 히스테리시스가 전혀 없는 얇은 AI2O₃ 박막을 얻을 수 있었으며 이때의 누설전류밀도는 10'8 A/cm² 이하로 매우 우수하였다.

제안 방법

박막 형성에는 저항율이 6~9 dem인 붕소가 도핑된 p-type Si(100)을 사용하였다. 먼저 유기 세정법과 RCA법으로 실리콘 웨이퍼 표면을 세척한 후 희석된 HF 용액에 담구어 실리콘 자연 산화막을 제거하였다. 이렇게 처리한 웨이퍼를 챔버내부에 장착하여 진공 상태를 유지시켰다.
측정하여 정리하였다. 박막은 5인치 실리콘 웨이퍼 위에 형성되었으며, 웨이퍼의 상/하/좌/우/중간의 5점을 평가하여 평균을 사용하였다.
표 1에 증착 횟수에 따른 A12O₃ 박막의 두께를 나노 스펙으로 측정하여 정리하였다. 박막은 5인치 실리콘 웨이퍼 위에 형성되었으며, 웨이퍼의 상/하/좌/우/중간의 5점을 평가하여 평균을 사용하였다.

대상 데이터

이렇게 처리한 웨이퍼를 챔버내부에 장착하여 진공 상태를 유지시켰다. AI2O₃ 박막 형성에는 알루미늄 소스로서 TMA [trimethylaluminum, A1(CH3)3]와 산소 소스로서 HQ가 각각 사용되었다. 박막 형성 공정의한 사이클은 0.
6 nm(100 cycle)로 변화시켜 소자를 제작하였다. 게이트 전극은 알루미늄을 증착하였으며, 전극의 면적은 약 4-5시 cm² 이었다.
기판은 저항률이 6~9 Ω·cm 인 p-Si(100)7V 사용되었으며, A12O₃ 박막의 두께를 4.5 nm(30 cycle)에서부터 12.6 nm(100 cycle)로 변화시켜 소자를 제작하였다. 게이트 전극은 알루미늄을 증착하였으며, 전극의 면적은 약 4-5시 cm² 이었다.
가스의 정확한 유량을 조절하기 위한 MFC(mass flow controller)7} 설치되어 있다. 박막 형성에는 저항율이 6~9 dem인 붕소가 도핑된 p-type Si(100)을 사용하였다. 먼저 유기 세정법과 RCA법으로 실리콘 웨이퍼 표면을 세척한 후 희석된 HF 용액에 담구어 실리콘 자연 산화막을 제거하였다.

성능/효과

곡선이다. 그래프에서 확인할 수 있듯이 인가전계 ± 5 MV/cm 범위에서 양호한 계면 특성이 나타남을 확인할 수 있다. 두께가 얇아질수록 히스테리시스 폭이 감소하며 30 cycle(4.
7 nm(50 cycles)인 경우의 산소 분위기에서 행한 열처리 온도에 따른 MIS 커패시터 의용량-전압특성 곡선을 보인 것이다. 그래프에서 확인할 수 있듯이 인가전계 ±5 MV/cm 범위에서 히스테리시스가 거의 없는 양호한 계면 특성이 나타남을 확인할 수 있다. 이는 고온에서의 단시간 열처리 공정을 거치더라도 계면의 특성 변화가 없다는 것을 의미하는 것으로서, 절연층 위에 형성되는 강유전체의 결정화를 위한 열처리 시에도 우수한 특성이 얻어질 것으로 기대된다.
그림 4(a)의 용량-전압 특성을 평가한 샘플과 동일한 것을 사용하여 인가전계 ±5 MV/cm 까지 평가하였다. 박막의 두께가 두꺼워질수록 누설전류가 감소함을 확인할 수 있으며, 박막의 두께가 30 cycle(4.5 nm)인 경우에도 1* 0 A/cm² 이하의 우수한 특성이 나타남을 알 수 있다.
5 ng인 경우 히스테리시스가 전혀 없는 우수한 특성을 보이고 있다. 박막의 두께에 따른 커패시턴스 값으로부터 산출된 박막의 비유전율은 약 7.81 로 나타났으며, 계면에 형성된 산화막은 약 LI nm로 계산되었다. 이를 그림 4(b) 에 나타내었다.
를 비교하였다. 산소 열처리 결과, 계면에 2-3 nm 정도의 얇은 SiOx 박막이 형성됨으로 인해 누설전류 특성이 우수해짐을 알 수 있었으며, 질소 열처리의 경우에는 박막의 두께 증가가 없는 우수한 전기적 특성이 얻어짐을 확인할 수 있었다. 향후 TEM 분석 등을 통한 계면에 생성된 자연 산화막의 두께 등을 확인할 필요는 있지만, 상기 결과들로 미루어 볼 때, MFIS 구조에 삽입되는 절연층으로서의 이용이 충분하리라 판단된다.
그림 6의 용량 -전압 특성을 평가한 샘플과 동일한 것을 사용하여 인가 전계 ± 5 MV/cm 까지 평가하였다. 열처리 온도가 증가할수록 누설전류밀도가 감소함을 확인할 수 있으며, 700 ℃에서행한 열처리의 경우 인가전계 -4 MV/cm 의 경우에도 KT, A/cm² 이하의 우수한 누설전류 특성이 나타남이 확인되었다.
이는 고온에서의 단시간 열처리 공정을 거치더라도 계면의 특성 변화가 없다는 것을 의미하는 것으로서, 절연층 위에 형성되는 강유전체의 결정화를 위한 열처리 시에도 우수한 특성이 얻어질 것으로 기대된다. 열처리 온도가 증가할수록 축적상태의 커패시턴스 값이 다소 감소하는 것을 확인할 수 있는데, 이는 열처리를 통한 계면에 생성되는 SiOx의 두께가 증가 때문이 아닌 제작된 커패시터의 전극 면적의 차이로 인한 오차로 판단하고 있다. 상기 결과로 미루어 볼 때 질소 분위기에서의 고온에서 행한 단시간 열처리를 거치더라도 계면의 변화는 없는 것으로 생각된다.
나타낸 것이다. 증착 횟수가 증가할수록 비례적으로 박막의 두께가 증가함을 확인할 수 있다. 그래프로부터 확인된 박막의 증착 속도는 L17 A/cycle 이었다.
박막을 성공적으로 형성하였다. 형성된 박막의 전기적 특성을 확인하기 위하여 MIS 커패시터를 제작한 결과, 히스테리시스가 전혀 없는 얇은 AI2O₃ 박막을 얻을 수 있었으며 이때의 누설전류밀도는 10'8 A/cm² 이하로 매우 우수하였다. 또한 개발된 절연체 위에 형성되는 강유전체의 결정화 온도를 감안하여 질소와 산소 분위기에서 열처리하여 결과

후속연구

다만 온도가 증가할수록 축적상태의 커패시턴스 값이 다소 감소하는 것을 확인할 수 있는데, 이는 고온에서의 산소 열처리를 통한 계면에 생성되는 SiOx의 두께가 증가하기 때문으로 판단된다. 계산된 결과에 의하면 약 2-3nm의 SiOx가 형성되는 것으로 예측되고있는데, 향후 TEM 분석 등을 통한 정확한 확인이 필요하다.
그래프에서 확인할 수 있듯이 인가전계 ±5 MV/cm 범위에서 히스테리시스가 거의 없는 양호한 계면 특성이 나타남을 확인할 수 있다. 이는 고온에서의 단시간 열처리 공정을 거치더라도 계면의 특성 변화가 없다는 것을 의미하는 것으로서, 절연층 위에 형성되는 강유전체의 결정화를 위한 열처리 시에도 우수한 특성이 얻어질 것으로 기대된다. 다만 온도가 증가할수록 축적상태의 커패시턴스 값이 다소 감소하는 것을 확인할 수 있는데, 이는 고온에서의 산소 열처리를 통한 계면에 생성되는 SiOx의 두께가 증가하기 때문으로 판단된다.
산소 열처리 결과, 계면에 2-3 nm 정도의 얇은 SiOx 박막이 형성됨으로 인해 누설전류 특성이 우수해짐을 알 수 있었으며, 질소 열처리의 경우에는 박막의 두께 증가가 없는 우수한 전기적 특성이 얻어짐을 확인할 수 있었다. 향후 TEM 분석 등을 통한 계면에 생성된 자연 산화막의 두께 등을 확인할 필요는 있지만, 상기 결과들로 미루어 볼 때, MFIS 구조에 삽입되는 절연층으로서의 이용이 충분하리라 판단된다.

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J.-W. Hwang, B.-D. Min, S.-S. Kim, 'Conformal $Al_2O_3$ Nanocoating of Semiconductor Nanowires by Atomic Layer Deposition', KIEE International Transactions on Electrophysics and Applications, Vol. 3C, No.2, pp. 66-69, 2003

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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