[논문]비휘발성 메모리 응용을 위한 ALD법을 이용한 HfO2 절연막의 특성

정순원; 구경완

doi:10.5370/kiee.2010.59.8.1401

비휘발성 메모리 응용을 위한 ALD법을 이용한 HfO2 절연막의 특성
Properties of HfO2 Insulating Film Using the ALD Method for Nonvolatile Memory Application 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.59 no.8, 2010년, pp.1401 - 1405

정순원 (ETRI 융합부품.소재연구부문) , 구경완 (호서대학교 국방과학기술학과)

Abstract ▼ AI-Helper

We have successfully demonstrated of metal-insulator-semiconductor (MIS) capacitors with $HfO_2$/p-Si structures. The $HfO_2$ film was grown at $200^{\circ}C$ on H-terminated Si wafer by atomic layer deposition (ALD) system. TEMAHf and $H_2O$ were used as the hafnium and oxygen sources. A cycle of the deposition process consisted of 0.1 s of TEMAHf 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 $HfO_2$ 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
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 고유전율 박막재료인 HfO₂ 박막을 ALD(atomic layer deposition)법을 이용하여 형성하고, 두께 및 열처리 조건에 따른 전기적 특성 변화를 확인하였다. 그 결과에 대하여 기술하고자 한다.
본 논문은 MFIS 구조에서 강유전체 박막과 실리콘 기판 사이에 삽입되는 고유전율 절연층에 대한 것으로서, ALD법을 이용하여 증착온도 200 ℃에서 HfO₂ 박막을 성공적으로 형성하였으며, 박막의 두께에 따른 전기적 특성들을 확인하였다. 형성된 박막의 전기적 특성을 확인하기 위하여 MIS 커패시터를 제작한 결과, 열처리를 하지 않은 as-deposited 상태에서는 charge injection에 의한 히스테리시스가 관측되었으나, 산소나 질소 분위기에서 짧은 시간동안 행한 열처리를 통하여 계면이 양호해짐을 알 수 있었다.

제안 방법

본 실험에서는 저항율이 6～9 Ω·cm인 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 챔버 내부에 장착하여 진공 상태를 유지시켰다.
본 연구팀에서는 상술한 문제점들을 해결하기 위한 방법의 일환으로 HfO2 박막에 주목하였다. 본 논문에서는 고유전율 박막재료인 HfO₂ 박막을 ALD(atomic layer deposition)법을 이용하여 형성하고, 두께 및 열처리 조건에 따른 전기적 특성 변화를 확인하였다. 그 결과에 대하여 기술하고자 한다.
또한 고온의 공정에서도 안정하여 그 위에 증착되는 박막의 강유전성 특성을 유지할 수 있어야 한다. 본 연구팀에서는 상술한 문제점들을 해결하기 위한 방법의 일환으로 HfO2 박막에 주목하였다. 본 논문에서는 고유전율 박막재료인 HfO₂ 박막을 ALD(atomic layer deposition)법을 이용하여 형성하고, 두께 및 열처리 조건에 따른 전기적 특성 변화를 확인하였다.

대상 데이터

이렇게 처리한 웨이퍼를 챔버 내부에 장착하여 진공 상태를 유지시켰다. HfO₂ 박막 형성에는 TEMAHf와 H₂O가 각각 사용되었다. 박막 형성 공정의 한 사이클은 0.
표 1은 반복 증착 횟수에 따른 HfO₂ 박막의 두께를 나노스펙으로 측정하여 정리한 것이다. HfO₂ 박막은 5인치 실리콘 웨이퍼 위에 형성되었으며, 웨이퍼의 상/하/좌/우/가운데의 5점을 평가하여 평균을 사용하였다.
본 실험에서는 저항률이 6-9 Ω․cm 인 p-Si(100)가 사용되었으며, 게이트 전극은 알루미늄을 사용하였다.
본 실험에서는 저항율이 6～9 Ω·cm인 붕소가 도핑된 p-type Si(100)을 사용하였다.
원료 소스는 2가지가 장착 가능하며, 증착 균일도 (uniformity)는 ±2 % 이다.

성능/효과

박막의 비유전율을 구하기 위한 linear fitting 결과를 나타낸 그래프이다. 그래프로부터 산출된 비유전율 값은 약 16.95로 나타났으며, 계면에 형성된 산화막은 약 0.8 nm로 계산되었다. 계면에 형성된 자연 산화막의 경우, 향 후 TEM 등을 이용한 정확한 확인이 필요하다.
(b)는 질소분위기에서 700 ℃에서 1분 동안 고온순간 열처리를 행한 결과를 보인 것이다. 그래프에서 확인할 수 있듯이 5.9 nm 이하의 두께에서는 히스테리시스가 전혀 없는 양호한 계면 특성이 얻어짐을 알 수 있다. (c)는 800 ℃에서 1분 동안 열처리 한 경우를 보인 것이다.
(b)는 산소분위기에서 800 ℃에서 1분 동안 고온순간 열처리를 행한 결과를 보인 것이다. 그래프에서 확인할 수 있듯이 7.6 nm 이하의 두께에서는 히스테리시스가 전혀 없는 양호한 계면 특성이 얻어짐을 알 수 있다. 이를 가지고 산출한 비유전율 값은 약 17.
05 V step으로 평가하였다. 그래프에서 확인할 수 있듯이 모든 두께의 박막에서 charge injection 형태의 히스테리시스가 관측되고 있으며, 두께가 얇아질수록 히스테리시스의 폭이 감소함을 알 수 있다. 이는 절연막 내에 존재하는 전하와 계면에 존재하는 mobile ion 에 의한 것으로 생각되며, 고온에서의 열처리 과정을 거쳐 계면 특성을 개선시킨다면보다 우수한 특성이 얻어지리라 판단된다.
이 결과를 가지고 비유전율을 구한 결과를 함께 나타내었다. 그래프에서 확인할 수 있듯이 비유전율 값은 약 18.18로 나타났으며, 계면에 약 1.7 nm 정도의 자연 산화막이 생성됨을 알 수 있다. (b)는 질소분위기에서 700 ℃에서 1분 동안 고온순간 열처리를 행한 결과를 보인 것이다.
이들 결과를 가지고 비유전율을 구한 결과를 함께 나타내었다. 그래프에서 확인할 수 있듯이 비유전율 값은 약 18.52로 나타났으며, 계면에 약 3.2 nm 정도의 자연 산화막이 생성됨을 알 수 있다. (b)는 산소분위기에서 800 ℃에서 1분 동안 고온순간 열처리를 행한 결과를 보인 것이다.
(a)는 산소분위기에서 700 ℃에서 1 분 동안 고온순간 열처리를 행한 박막을 이용한 소자의 1 MHz C-V 특성을 보인 것이다. 두께가 얇을수록(4.2 nm, 5.9 nm) 히스테리시스가 전혀 없는 양호한 계면 특성이 나타남을 확인할 수 있다. 이들 결과를 가지고 비유전율을 구한 결과를 함께 나타내었다.
형성된 박막의 전기적 특성을 확인하기 위하여 MIS 커패시터를 제작한 결과, 열처리를 하지 않은 as-deposited 상태에서는 charge injection에 의한 히스테리시스가 관측되었으나, 산소나 질소 분위기에서 짧은 시간동안 행한 열처리를 통하여 계면이 양호해짐을 알 수 있었다. 박막의 두께가 얇을수록 히스테리시스의 폭이 감소함을 알 수 있었으며, 5.9 nm 이하의 막 두께에서는 히스테리시스가 전혀 나타나지 않았다. 향 후 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.
5 nm 였다. 상술한 결과들로 미루어 볼 때, 산소 분위기에서의 짧은 시간의 열처리를 통하여 계면 특성이 개선되는 효과가 있음을 알 수 있으며, 이는 계면에 생성되는 자연 산화막의 영향으로 판단된다. 열처리 온도가 증가할수록 생성되는 자연 산화막의 두께도 다소 증가하는 것을 알 수 있다.
6 nm 이하의 두께에서는 히스테리시스가 전혀 없는 양호한 계면 특성이 얻어짐을 알 수 있다. 이를 가지고 산출한 비유전율 값은 약 17.86이었으며, 계면에 생성된 자연 산화막은 약 3.5 nm 였다. 상술한 결과들로 미루어 볼 때, 산소 분위기에서의 짧은 시간의 열처리를 통하여 계면 특성이 개선되는 효과가 있음을 알 수 있으며, 이는 계면에 생성되는 자연 산화막의 영향으로 판단된다.
그림 2는 반복 증착 횟수에 따른 박막의 두께를 형화 (linear fit)하여 나타낸 것이다. 증착 횟수가 증가할수록 비례적으로 박막의 두께가 증가함을 확인할 수 있다. 그래프로부터 확인된 박막의 증착 속도는 1.
박막을 성공적으로 형성하였으며, 박막의 두께에 따른 전기적 특성들을 확인하였다. 형성된 박막의 전기적 특성을 확인하기 위하여 MIS 커패시터를 제작한 결과, 열처리를 하지 않은 as-deposited 상태에서는 charge injection에 의한 히스테리시스가 관측되었으나, 산소나 질소 분위기에서 짧은 시간동안 행한 열처리를 통하여 계면이 양호해짐을 알 수 있었다. 박막의 두께가 얇을수록 히스테리시스의 폭이 감소함을 알 수 있었으며, 5.

후속연구

(b)에서 구한 비유전율 값의 차이는 전극 면적의 차이(약 4-5×10-4 cm2 )에 의한 오차로 판단하고 있으나, 향 후 TEM 등을 통한 정확한 계면의 확인이 필요하다.
9 nm 이하의 막 두께에서는 히스테리시스가 전혀 나타나지 않았다. 향 후 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.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	MOS 구조에서 1950-60년대부터 고려된 구조는 무엇인가?	MOS 구조에서 게이트 산화막을 강유전체 박막으로 대체시킨 MFS 구조에 대한 연구가 1950-60년대부터 고려되었다. 이러한 MFS 구조에서는 실리콘 기판 위에 직접 강유전체 박막을 증착시키는 것이므로, 누설 전류가 크고 강유전체 박막과 실리콘 계면 사이에 높은 계면 준위나 트랩(trap)을 형성한다는 사실, 강유전체 재료의 금속전자가 실리콘 중으로 확산하는 현상, 산화물계 강유전체인 경우 실리콘과의 계면에 불필요한 실리콘 산화막이 형성되는 것, 강유전체 박막 결정이 실리콘 상에서 배향성이 우수하지 않다는 점 등 여러 가지 문제가 있어 우수한 트랜지스터 특성이 얻어지고 있지 않다.
	MFISFET 구조를 위해 어떤 물질이 삽입되어야 하며 그 특징은?	최근에는 이러한 문제점들을 해결하기 위해서 강유전체 박막과 실리콘 기판 사이에 절연층을 삽입한 MFISFET(metal-ferroelectric-insulator-semiconductor fieldeffect-transistor) 구조가 제안되고 있다.[1-8] 삽입되는 절연 물질은 우수한 계면 특성과 높은 유전율을 가져야 하며, 우수한 확산방지 특성을 갖는 물질이어야 한다. 또한 고온의 공정에서도 안정하여 그 위에 증착되는 박막의 강유전성 특성을 유지할 수 있어야 한다. 본 연구팀에서는 상술한 문제점들을 해결하기 위한 방법의 일환으로 HfO2 박막에 주목하였다.
	게이트 산화막을 강유전체 박막으로 대체시킨 MFS 구조의 문제점은?	MOS 구조에서 게이트 산화막을 강유전체 박막으로 대체시킨 MFS 구조에 대한 연구가 1950-60년대부터 고려되었다. 이러한 MFS 구조에서는 실리콘 기판 위에 직접 강유전체 박막을 증착시키는 것이므로, 누설 전류가 크고 강유전체 박막과 실리콘 계면 사이에 높은 계면 준위나 트랩(trap)을 형성한다는 사실, 강유전체 재료의 금속전자가 실리콘 중으로 확산하는 현상, 산화물계 강유전체인 경우 실리콘과의 계면에 불필요한 실리콘 산화막이 형성되는 것, 강유전체 박막 결정이 실리콘 상에서 배향성이 우수하지 않다는 점 등 여러 가지 문제가 있어 우수한 트랜지스터 특성이 얻어지고 있지 않다. 최근에는 이러한 문제점들을 해결하기 위해서 강유전체 박막과 실리콘 기판 사이에 절연층을 삽입한 MFISFET(metal-ferroelectric-insulator-semiconductor fieldeffect-transistor) 구조가 제안되고 있다.

참고문헌 (8)

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상세보기
S. H. Noh, W. Choi, M. S. Oh, D. K. Hwang, K. Lee, S. Im, S. Jang, E. Kim, "ZnO-based nonvolatile memory thin-film transistors with polymer dielectric/ferroelectric double gate insulators", Appl. Phys. Lett., Vol. 90, p.253504, 2007.

상세보기
W. Choi, S. H. Noh, D. K. Hwang, J.-M. Choi, S. Jang, E. Kim, S. Im, "Pentacene-Based Low-Leakage Memory Transistor with Dielectric/Electrolytic/ Dielectric Polymer Layers", Electrochem. Solid-State Lett., Vol. 11, pp. H47-H50, 2008.

상세보기
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상세보기
T. J. Reece, S. Ducharme, A. V. Sorokin, M. Poulsen, "Nonvolatile memory element based on a ferroelectric polymer Langmuir-Blodgett film", Appl. Phys. Lett., Vol. 82, p. 142, 2003.

상세보기
S. Fujisaki, H. Ishiwara, Y. Fujisaki, "Low-voltage operation of ferroelectric poly(vinylidene fluoridetrifluoroethylene) copolymer capacitors and metalferroelectric-insulator-semiconductor diodes", Appl. Phys. Lett., Vol. 90, p. 162902, 2007.

상세보기
S.-W. Jung, S.-M. Yoon, S.-Y. Kang, K.-J. Choi, W.-C. Shin, B.-G. Yu, "Low Voltage Operation of Nonvolatile Ferroelectric Capacitors Using Poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene) Copolymer and Thin Al2O3 Insulating Layer", Electrochem. Solid-State Lett., Vol. 12, No. 9, pp. H325-H328, 2009.

상세보기
정순원, 이기식, 구경완, "비휘발성 메모리 응용을 위한 ALD법을 이용한 Al2O3 절연막의 특성" 전기학회논문지 C권, Vol. 58, No. 12, pp. 2420-2424, 2009.

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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