[논문]Al2O3-HfO2-Al2O3와 SiO2-HfO2-SiO2 샌드위치 구조 MIM 캐패시터의 DC, AC Stress에 따른 특성 분석

곽호영; 권혁민; 권성규; 장재형; 이환희; 이성재; 고성용; 이원묵; 이희덕

doi:10.4313/jkem.2011.24.12.939

Al2O3-HfO2-Al2O3와 SiO2-HfO2-SiO2 샌드위치 구조 MIM 캐패시터의 DC, AC Stress에 따른 특성 분석
Characterization of Sandwiched MIM Capacitors Under DC and AC Stresses: Al2O3-HfO2-Al2O3 Versus SiO2-HfO2-SiO2 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.24 no.12, 2011년, pp.939 - 943

곽호영 (충남대학교 전자전파정보통신공학과) , 권혁민 (충남대학교 전자전파정보통신공학과) , 권성규 (충남대학교 전자전파정보통신공학과) , 장재형 (충남대학교 전자전파정보통신공학과) , 이환희 (충남대학교 전자전파정보통신공학과) , 이성재 (충남대학교 전자전파정보통신공학과) , 고성용 , 이원묵 , 이희덕 (충남대학교 전자전파정보통신공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, reliability of the two sandwiched MIM capacitors of $Al_2O_3-HfO_2-Al_2O_3$ (AHA) and $SiO_2-HfO_2-SiO_2$ (SHS) with hafnium-based dielectrics was analyzed using two kinds of voltage stress; DC and AC voltage stresses. Two MIM capacitors have high capacitance density (8.1 fF/${\mu}m^2$ and 5.2 fF/${\mu}m^2$) over the entire frequency range and low leakage current density of ~1 nA/$cm^2$ at room temperature and 1 V. The charge trapping in the dielectric shows that the relative variation of capacitance (${\Delta}C/C_0$) increases and the variation of voltage linearity (${\alpha}$/${\alpha}_0$) gradually decreases with stress-time under two types of voltage stress. It is also shown that DC voltage stress induced greater variation of capacitance density and voltage linearity than AC voltage stress.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

하지만 단일 고유전율 물질은 낮은 밴드 오프셋 (low band offset)과 계면 특성에 의해 누설전류가 크게 나타나는 경우가 있다. 따라서 누설 전류가 증가하는 것을 방지하기 위해 하나의 고유전율 물질위에 다른 고유전율 물질을 첨가한 적층 (laminate) 또는 샌드위치 (sandwich) 구조의 MIM 캐패시터에 대해 연구하기 시작하였다. 이러한 적층 구조에서는 전극과 절연층의 장벽을 높게 하여 누설전류를 낮출 수 있으며 최근에 Al₂O₃/HfO₂/Al₂O₃ (AHA)와 SiO₂/HfO₂/SiO₂ (SHS) 구조에 대해 보고된 적이 있다 [11].
본 논문에서는 고유전체 물질 중 널리 적용되고 있는 HfO2 물질에 Al2O3 또는 SiO2를 위 · 아래로 적층한 AHA (Al2O3-HfO2-Al2O3)와 SHS (SiO2-HfO2-SiO2) 샌드위치 구조 [12]를 적용하여 소자를 제작하고 AHA와 SHS의 두 샌드위치 구조의 MIM 캐패시터에서 DC와 AC 스트레스 전압에 따른 신뢰성 특성에 대해서 비교 분석하였다.
본 연구에서는 차세대 MIM 캐패시터 구조 중 하나인 AHA와 SHS 샌드위치 구조 MIM 캐패시터의 전기적 특성과 DC와 AC 전압 스트레스에 따른 신뢰성 특성에 대해 분석하였다. DC의 경우가 AC 스트레스 전압에 비해 큰 정전용량 변화량과 VCC 변화율을 가지는 것을 알 수 있다.

제안 방법

두 구조에 걸리는 electric field가 같아지도록 스트레스 전압 (Vo)조건을 설정하였다. AHA 구조에는 5 V, SHS 구조에는 7.9 V를 스트레스 전압으로 인가하여 MIM 캐패시터의 신뢰성 특성을 분석하였다. 인가된 DC 스트레스 전압에 따른 정전용량 특성은 그림 5와 같다.
그림 2는 MIM 캐패시터에 인가한 2가지 형태의 스트레스 전압을 나타낸다. DC 스트레스 전압은 Agilent 4156C semiconductor parameter analyzer를 이용하여 인가하였고, AC 스트레스 전압은 Agilent 81101A pulse-generator를 이용하여 인가하였다. 그림 3은 100∼1 MHz 범위에서 AHA 구조와 SHS 구조의 capacitance density (fF/μm²)를 나타낸다.
여기서 C₀는 전압이 인가되지 않았을 때의 정전용량이고 V는 가해준 전압을 나타낸다. 두 구조에 걸리는 electric field가 같아지도록 스트레스 전압 (Vo)조건을 설정하였다. AHA 구조에는 5 V, SHS 구조에는 7.
따라서 유전체의 물리적인 (physical) 두께를 크게 가지면서도 큰 캐패시턴스 (capacitance)를 얻고, 누설전류를 줄이기 위해 HfO2(∼25) [5,6], Al2O3 (∼9) [7], ZrO2 (∼20) [8], La2O3 [9]와 같이 기존의 SiO2보다 큰 유전상수 (k)를 가지는 고유전율 물질을 적용하게 되었다.
제작된 소자의 전기적 특성 및 신뢰성을 측정하기 위해서 C-V 특성은 HP 4284A precision LCR meter를 이용하였고, I-V 특성은 Agilent 4156C semiconductor parameter analyzer 계측기를 사용하였다.

성능/효과

측정한 주파수 범위에서 AHA 구조는 약 8.1 fF/μm2, SHS 구조는 약 5.2 fF/μm2의 높은 정전용량 밀도를 가지는 것을 알 수 있다 [11].

후속연구

AHA 구조가 SHS 구조에 비해 큰 정전용량 밀도를 가지고 DC와 AC 전압 스트레스에 따른 정전용량 변화가 작으므로 차세대 MIM 캐패시터로 적합하다고 할 수 있다. 향후 유전체의 신뢰성인 TDDB 특성을 분석함으로써 차세대 MIM 캐패시터로 적용을 앞당길 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	MIM 캐패시터의 유전체로 주로 사용되는 것은?	특히 캐패시터가 아날로그 칩에서 많은 영역을 차지하기 때문에 MOSFET (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor)의 scale down에 따라 캐패시터의 중요성이 커지고 있다[3]. MIM 캐패시터의 유전체로는 SiO2 또는 Si3N4가 주로 사용되었으며, 높은 캐패시턴스 밀도를 얻기 위해 유전체의 두께를 줄이는 방법을 사용하였다. 하지만 유전체의 두께가 급격히 줄어들면서 높은 누설전류 (leakage current)와 신뢰성 (reliability) 문제 때문에 기존의 물질을 사용하는데 제약이 생기게 되었다 [4].
	높은 캐패시턴스 밀도를 얻기 위해 유전체의 두께를 줄이는 방법을 사용할 때 발생하는 문제는?	MIM 캐패시터의 유전체로는 SiO2 또는 Si3N4가 주로 사용되었으며, 높은 캐패시턴스 밀도를 얻기 위해 유전체의 두께를 줄이는 방법을 사용하였다. 하지만 유전체의 두께가 급격히 줄어들면서 높은 누설전류 (leakage current)와 신뢰성 (reliability) 문제 때문에 기존의 물질을 사용하는데 제약이 생기게 되었다 [4]. 따라서 유전체의 물리적인 (physical) 두께를 크게 가지면서도 큰 캐패시턴스 (capacitance)를 얻고, 누설전류를 줄이기 위해 HfO2(∼25) [5,6], Al2O3 (∼9) [7], ZrO2 (∼20) [8], La2O3 [9]와 같이 기존의 SiO2보다 큰 유전상수 (k)를 가지는 고유전율 물질을 적용하게 되었다.
	MOSFET의 scale down에 따라 캐패시터의 중요성이 커지는 이유는?	MIM (Metal-Insulator-Metal) 캐패시터는 RF (radio frequency), AMS (analog mixed signal) 회로 등에서 널리 사용되고 있다 [1,2]. 특히 캐패시터가 아날로그 칩에서 많은 영역을 차지하기 때문에 MOSFET (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor)의 scale down에 따라 캐패시터의 중요성이 커지고 있다[3]. MIM 캐패시터의 유전체로는 SiO2 또는 Si3N4가 주로 사용되었으며, 높은 캐패시턴스 밀도를 얻기 위해 유전체의 두께를 줄이는 방법을 사용하였다.

참고문헌 (13)

S. J. Kim, B. J. Cho, M. F. Li, X. Yu, C. Zhu, A. Chin, and D. L. Kwong, IEEE Electron Device Lett., 24, 387 (2002).
C. T. Black, K. W. Guarini, Y. Zhang, H. Kim, J. Benedict, E. Sikorski, I. V. Banich, and K. R. Milkove, IEEE Electron Device Lett., 25, 622 (2004).

상세보기
H. Hu, C. Zhu, Y. F. Lu, Y. H. Wu, T. Liew, M. F. Li, B. J. Cho, W. K. Choi, and N. Yakovlev, J. Appl. Phys., 94, 551 (2003).

상세보기
T. Remmel, P. Ramprasad, and J. Walls, Proc. Int. Rel. Phys. Symp., 277 (2003).
X. Yu, C. Zhu, H. Hu, A. Chin, M. F. fi, H. J. Cho, D. L. Kwong, P. D. Foo, and M. B. Yu, IEEE Electron Device Lett., 24, 63 (2003).

상세보기
T. H. Pemg, C. H. Chien, C. W. Chen, P. Lehnen, and C. Y. Chang, Thin Solid Films, 515, 526 (2006).

상세보기
S. B. Chen, C. H. Lai, Albert Chin, J. C. Hsieh, and J. Liu, IEEE Electron Device Lett., 23, 185 (2002).

상세보기
H. M. Kwon, I. S. Han, S. U. Park, J. D. Bok, Y. J. Jung, H. S. Shin, C. Y. Kang, B. H. Lee, R. Jammy, G. W. Lee, and H. D. Lee, Jpn. J. Appl. Phys., 50, 04DD02-1 (2011).

상세보기
M. Y. Yang, D. S. Yu, and A. Chin, Electrochem. Solid State Lett., 151, F162 (2004)
H. Hu, C. Zhu, Y. F. Lu, M. F. Li, M. F. Fi. B. J. Cho, and W. K. Choi, IEEE Electron Device Lett., 23, 514 (2002).

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S. U. Park, H. K. Kwon, I. S. Han, Y. J. Jung, H. Y. Kwak, W. I. Choi, M. L. Ha, J. I. Lee, C. Y. Kang, B. H. Lee. R. Jammy, and H. D. Lee, Jpn. J. Appl. Phys., 50, 10PB06 (2011).

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S. H. Wu, C. K. Deng, T. H. Hou, and B. S. Chiou, Jpn. J. Appl. Phys., 49, 04DB16 (2010).

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K. C. Chinag, C. H. Cheng, K. Y. Jhou, H. C. Pan, C. N. Hsiao, C. P. Chou, S. P. MeAlister, and H. L. Hwang, IEEE Electron Device Lett., 28, 694 (2007).

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