RF Sputtering의 증착 조건에 따른 HfO2 박막의 Nanocrystal에 의한 Nano-Mechanics 특성 연구 Nano-mechanical Properties of Nanocrystal of HfO2 Thin Films for Various Oxygen Gas Flows and Annealing Temperatures원문보기
현재 Hf (Hafnium)을 기반으로한 게이트 유전체의 연구는 여러 분야에서 다양하게 진행되어져 왔다. 이는 기존의 $SiO_2$보다 유전상수 값이 크고, 또한 계속되는 scaling-down 공정에서도 양자역학적인 터널링을 차단하는 특성이 뛰어나기 때문이다. MOSFET 구조에서 유전체 박막의 두께 감소로 인한 전기적 특성 저하를 보완하기 위해서 high-K 재료가 대두되었고 현재 주를 이루고 있다. 그러나 현재까지 $HfO_2$에 대한 nano-mechanical 특성 연구는 부족한 상태이므로 본 연구에서는 게이트 절연층으로 최적화하기 위하여 $HfO_2$ 박막의 nano-mechanical properties를 자세히 조사하였다. 시료는 rf magnetron sputter를 이용하여 Si (silicon) 기판 위에 Hafnium target으로 산소유량(4, 8 sccm)을 달리하여 증착하였고, 이후 furnace에서 400에서 $800^{\circ}C$까지 질소분위기에서 20분간 열처리를 실시하였다. 실험결과 산소 유량을 8 sccm으로 증착한 시료가 열처리 온도가 증가할수록 누설전류 특성 성능이 우수 해졌다. Nano-indenter로 측정하고 Weibull distribution으로 정량적 계산을 한 결과, $HfO_2$ 박막의 stress는 as-deposited 시료를 기준으로 $400^{\circ}C$에서는 tensile stress로 변화되었다. 그러나 온도가 증가(600, $800^{\circ}C$)할수록 compressive stress로 변화 되었다. 특히, $400^{\circ}C$ 열처리한 시료에서 hardness 값이 (산소유량 4 sccm : 5.35 GPa, 8 sccm : 5.54 GPa) 가장 감소되었다. 반면에 $800^{\circ}C$ 열처리한 시료에서는(산소유량 4 sccm : 8.09 GPa, 8 sccm : 8.17 GPa) 크게 증가된 것을 확인하였다. 이를 통해 온도에 따른 $HfO_2$ 박막의 stress 변화를 해석하였다.
현재 Hf (Hafnium)을 기반으로한 게이트 유전체의 연구는 여러 분야에서 다양하게 진행되어져 왔다. 이는 기존의 $SiO_2$보다 유전상수 값이 크고, 또한 계속되는 scaling-down 공정에서도 양자역학적인 터널링을 차단하는 특성이 뛰어나기 때문이다. MOSFET 구조에서 유전체 박막의 두께 감소로 인한 전기적 특성 저하를 보완하기 위해서 high-K 재료가 대두되었고 현재 주를 이루고 있다. 그러나 현재까지 $HfO_2$에 대한 nano-mechanical 특성 연구는 부족한 상태이므로 본 연구에서는 게이트 절연층으로 최적화하기 위하여 $HfO_2$ 박막의 nano-mechanical properties를 자세히 조사하였다. 시료는 rf magnetron sputter를 이용하여 Si (silicon) 기판 위에 Hafnium target으로 산소유량(4, 8 sccm)을 달리하여 증착하였고, 이후 furnace에서 400에서 $800^{\circ}C$까지 질소분위기에서 20분간 열처리를 실시하였다. 실험결과 산소 유량을 8 sccm으로 증착한 시료가 열처리 온도가 증가할수록 누설전류 특성 성능이 우수 해졌다. Nano-indenter로 측정하고 Weibull distribution으로 정량적 계산을 한 결과, $HfO_2$ 박막의 stress는 as-deposited 시료를 기준으로 $400^{\circ}C$에서는 tensile stress로 변화되었다. 그러나 온도가 증가(600, $800^{\circ}C$)할수록 compressive stress로 변화 되었다. 특히, $400^{\circ}C$ 열처리한 시료에서 hardness 값이 (산소유량 4 sccm : 5.35 GPa, 8 sccm : 5.54 GPa) 가장 감소되었다. 반면에 $800^{\circ}C$ 열처리한 시료에서는(산소유량 4 sccm : 8.09 GPa, 8 sccm : 8.17 GPa) 크게 증가된 것을 확인하였다. 이를 통해 온도에 따른 $HfO_2$ 박막의 stress 변화를 해석하였다.
Over the last decade, the hafnium-based gate dielectric materials have been studied for many application fields. Because these materials had excellent behaviors for suppressing the quantum-mechanical tunneling through the thinner dielectric layer with higher dielectric constant (high-K) than $S...
Over the last decade, the hafnium-based gate dielectric materials have been studied for many application fields. Because these materials had excellent behaviors for suppressing the quantum-mechanical tunneling through the thinner dielectric layer with higher dielectric constant (high-K) than $SiO_2$ gate oxides. Although high-K materials compensated the deterioration of electrical properties for decreasing the thickness of dielectric layer in MOSFET structure, their nano-mechanical properties of $HfO_2$ thin film features were hardly known. Thus, we examined nano-mechanical properties of the Hafnium oxide ($HfO_2$) thin film in order to optimize the gate dielectric layer. The $HfO_2$ thin films were deposited by rf magnetron sputter using hafnium (99.99%) target according to various oxygen gas flows. After deposition, the $HfO_2$ thin films were annealed after annealing at $400^{\circ}C$, $600^{\circ}C$ and $800^{\circ}C$ for 20 min in nitrogen ambient. From the results, the current density of $HfO_2$ thin film for 8 sccm oxygen gas flow became better performance with increasing annealing temperature. The nano-indenter and Weibull distribution were measured by a quantitative calculation of the thin film stress. The $HfO_2$ thin film after annealing at $400^{\circ}C$ had tensile stress. However, the $HfO_2$ thin film with increasing the annealing temperature up to $800^{\circ}C$ had changed compressive stress. This could be due to the nanocrystal of the $HfO_2$ thin film. In particular, the $HfO_2$ thin film after annealing at $400^{\circ}C$ had lower tensile stress, such as 5.35 GPa for the oxygen gas flow of 4 sccm and 5.54 GPa for the oxygen gas flow of 8 sccm. While the $HfO_2$ thin film after annealing at $800^{\circ}C$ had increased the stress value, such as 9.09 GPa for the oxygen gas flow of 4 sccm and 8.17 GPa for the oxygen gas flow of 8 sccm. From these results, the temperature dependence of stress state of $HfO_2$ thin films were understood.
Over the last decade, the hafnium-based gate dielectric materials have been studied for many application fields. Because these materials had excellent behaviors for suppressing the quantum-mechanical tunneling through the thinner dielectric layer with higher dielectric constant (high-K) than $SiO_2$ gate oxides. Although high-K materials compensated the deterioration of electrical properties for decreasing the thickness of dielectric layer in MOSFET structure, their nano-mechanical properties of $HfO_2$ thin film features were hardly known. Thus, we examined nano-mechanical properties of the Hafnium oxide ($HfO_2$) thin film in order to optimize the gate dielectric layer. The $HfO_2$ thin films were deposited by rf magnetron sputter using hafnium (99.99%) target according to various oxygen gas flows. After deposition, the $HfO_2$ thin films were annealed after annealing at $400^{\circ}C$, $600^{\circ}C$ and $800^{\circ}C$ for 20 min in nitrogen ambient. From the results, the current density of $HfO_2$ thin film for 8 sccm oxygen gas flow became better performance with increasing annealing temperature. The nano-indenter and Weibull distribution were measured by a quantitative calculation of the thin film stress. The $HfO_2$ thin film after annealing at $400^{\circ}C$ had tensile stress. However, the $HfO_2$ thin film with increasing the annealing temperature up to $800^{\circ}C$ had changed compressive stress. This could be due to the nanocrystal of the $HfO_2$ thin film. In particular, the $HfO_2$ thin film after annealing at $400^{\circ}C$ had lower tensile stress, such as 5.35 GPa for the oxygen gas flow of 4 sccm and 5.54 GPa for the oxygen gas flow of 8 sccm. While the $HfO_2$ thin film after annealing at $800^{\circ}C$ had increased the stress value, such as 9.09 GPa for the oxygen gas flow of 4 sccm and 8.17 GPa for the oxygen gas flow of 8 sccm. From these results, the temperature dependence of stress state of $HfO_2$ thin films were understood.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
이때 stress-free 상태에 비교하여 박막의 stress 상태에 따라 tip이 물질 내로 압입하는데 차이를 나타나게 된다. 이러한 곡선 기울기의 차이를 통해 박막이 compressive stress나 tensile stress가 존재 하는지를 규명하는 것이다. Fig.
가설 설정
thin films for (a) hardness value and (b) Weibull modulus.
제안 방법
RF magnetron sputter를 이용해 산소유량(4, 8 sccm) 을 달리하여 HfO2 박막을 증착하였다. Current density 측정결과, 산소를 8 sccm 흘려준 시료는 열처리 온도가 증가할수록 더 우수한 break down voltage 특성을 나타냈다.
Triboindenter) 을 통해 박막의 stress를 측정하였다. 또한 Weibull statistical distribution으로 정량화하여 물질의 stress 상태를 규명하였다. 이러한 극표면에서의 특성은 계면에 직접적으로 영향을 주기 때문에 안정적인 구조형성을 위해 필수적이고, 이는 향후 계속되는 scaling-down을 위해서 반드시 필요한 기초데이터가 될 것이다 [5-6].
실험으로 얻은 측정값의 신뢰도 있는 박막의 특성값을 계산해 내기 위해 Weibull distribution으로 박막의 stress value를 측정하였고 Weibull modulus를 계산해 균일도를 검증하였다 [5-7]. 또한, 이를 통해 박막의 stress 상태를 as-deposited 시료와 비교하여 변화를 확인하였다.
모든 시료에 대하여 nano-indenter를 이용해 박막의 stress를 측정하였다. 실험에 사용된 tip은 Berkovich tip을 사용하였고, 각 시료당 25회의 indenting을 실시하여 Load-depth graph를 얻었다.
99%)으로 마스크를 이용하여 200 nm의 dot을 증착하였다. 유전체의 current density를 측정하기 위해 하부전극으로 glass위에 인듐을 ohmic contact 하여 샘플을 제조하였다.
이로부터 산소유량이 8 sccm을 흘려 증착한 박막에 대하여 열처리를 실시하는 경우에 산화막이 더 조밀하며, HfO2 박막 증착시에 들어간 산소가 Hf과 잘 결합하여 박막의 조성비가 좋아진다고 추정할 수 있어서 이로부터 열처리 시에 HfO2 유전박막의 절연특성이 증가한 것으로 사료된다. 이러한 HfO2 유전박막에 대한 nano-mechanics 특성을 조사하기 위해 nanoindentation을 수행하였다.
동시에 nano-mechanical 특성은 nano-size 단위인 박막들의 적층구조로 진행되는 공정에서 미시적인 영역의 작용을 고려하는데 반드시 중요한 요소이다 [3,4]. 이에 본 연구에서는 rf magnetron sputter를 이용하여 박막을 증착하였다. 이후에 furnace에서 온도를 달리하여 열처리를 진행하였다.
이후에 furnace에서 온도를 달리하여 열처리를 진행하였다. 이후 Keithley 2400을 이용하여 current density를 측정 하였고, nanoindentation (Hysitron Inc. Triboindenter) 을 통해 박막의 stress를 측정하였다. 또한 Weibull statistical distribution으로 정량화하여 물질의 stress 상태를 규명하였다.
이에 본 연구에서는 rf magnetron sputter를 이용하여 박막을 증착하였다. 이후에 furnace에서 온도를 달리하여 열처리를 진행하였다. 이후 Keithley 2400을 이용하여 current density를 측정 하였고, nanoindentation (Hysitron Inc.
증착조건은 Ar 기체를 20 sccm 흘려준 상태에서 3 mTorr의 진공도를 유지하며 100 W의 rf power를 인가하였다. 증착된 시료는 furnace에서 400, 600, 800℃로 20분간 질소분위기에서 열처리를 진행하였다. 그런 후에 Al (aluminum) target (99.
대상 데이터
시료는 rf magnetron sputter를 이용하여 Si기판위에 Hf target (99.99%)으로 산소유량의 변화(4, 8 sccm)를 주어 박막형태로 100 nm 두께의 HfO2를 증착하였다. 증착조건은 Ar 기체를 20 sccm 흘려준 상태에서 3 mTorr의 진공도를 유지하며 100 W의 rf power를 인가하였다.
데이터처리
모든 시료에 대하여 nano-indenter를 이용해 박막의 stress를 측정하였다. 실험에 사용된 tip은 Berkovich tip을 사용하였고, 각 시료당 25회의 indenting을 실시하여 Load-depth graph를 얻었다. 실험으로 얻은 측정값의 신뢰도 있는 박막의 특성값을 계산해 내기 위해 Weibull distribution으로 박막의 stress value를 측정하였고 Weibull modulus를 계산해 균일도를 검증하였다 [5-7].
실험에 사용된 tip은 Berkovich tip을 사용하였고, 각 시료당 25회의 indenting을 실시하여 Load-depth graph를 얻었다. 실험으로 얻은 측정값의 신뢰도 있는 박막의 특성값을 계산해 내기 위해 Weibull distribution으로 박막의 stress value를 측정하였고 Weibull modulus를 계산해 균일도를 검증하였다 [5-7]. 또한, 이를 통해 박막의 stress 상태를 as-deposited 시료와 비교하여 변화를 확인하였다.
이로부터 박막내에 compressive stress 값이 클수록 누설전류값이 작아져서 절연특성이 좋아지는 것을 알 수 있다. 이러한 결과들에 대한 박막의 신뢰도를 조사하기 위하여 위 실험 이후에 nano-indenter로 25회 압입실험을 진행하였으며, Weibull distribution으로 신뢰할 수 있는 특성값을 계산하였다. Fig.
성능/효과
1(b)에서는 Fig. 1(a)의 특성과는 달리 열처리 온도가 증가할수록 break down voltage 특성이 좋아지고 있으며, 800℃의 열처리 경우, 가장 좋은, 7 V까지 절연특성이 좋다는 것을 알 수 있다. 이로부터 산소유량이 8 sccm을 흘려 증착한 박막에 대하여 열처리를 실시하는 경우에 산화막이 더 조밀하며, HfO2 박막 증착시에 들어간 산소가 Hf과 잘 결합하여 박막의 조성비가 좋아진다고 추정할 수 있어서 이로부터 열처리 시에 HfO2 유전박막의 절연특성이 증가한 것으로 사료된다.
이 결과들을 좀 더 확대하여 비교하면 loading 구간에서의 기울기 차이가 명확한 것을 알 수 있다. As-deposited 시료를 기준으로하여 비교해보면, 400℃ 시료들은 tensile stress 상태로 600℃, 800℃ 시료들은 약간의 compressive stress 상태로 되는 것을 알 수 있으며, 같은 load force의 경우 as-deposited state에서보다 400℃에서 표면에서 더 깊이 압입되어 들어가게 되는 것을 알 수 있고, 이로부터 tensile stress를 갖게 되는 것을 확인할 수 있다. 그 이후의 열처리 온도에서는 기판과 거의 같은 깊이로 압입되는 것을 알 수 있다.
박막을 증착하였다. Current density 측정결과, 산소를 8 sccm 흘려준 시료는 열처리 온도가 증가할수록 더 우수한 break down voltage 특성을 나타냈다. 이는 산소유량이 8 sccm을 흘려 증착한 박막의 산화막이 더 조밀하며, 산소와 Hf가 잘 결합하여 박막의 조성비가 좋아져 열처리 시에 HfO2 유전박막의 절연특성이 증가한 것으로 사료된다.
Nano-indenter 측정결과, 400℃ 열처리한 시료는 as-deposited 시료보다 tensile stress 상태로 변화되었고 경도는 크게 감소하였다. 반면에, 600℃, 800℃ 열처리한 시료는 compressive stress 상태로 변화되었고 경도는 증가한 것을 확인 하였다.
반면에, 600℃, 800℃ 열처리한 시료는 compressive stress 상태로 변화되었고 경도는 증가한 것을 확인 하였다. 또한, 산소유량이 8 sccm의 경우 600℃ 이상의 고온에서는 더 큰 compressive stress 값을 가지며, Weibull modulus 균일도도 더 높은 것을 알 수 있었다. 이러한 결과들로부터 공정에서 적용되는 interlayer 간의 상호작용을 규명할 수 있으며, 박막 전체의 nanomechanics 분석을 통해 소자의 성능을 예측할 수 있게 됨으로서 소자의 효율을 높이는데 도움을 줄 수 있을 것으로 기대된다.
비정질 상태의 박막에 부분적인 nano-crystal이 박막내에 porous한 부분을 생성하게 된다면 이로 인해 압입시 박막의 경도가 약해지게 될 것이다. 본 연구의 nanoindentation 결과 그러한 특성이 뚜렷하게 나타남을 확인하였다. Weibull distribution으로 정량화하여 계산한 값을 Fig.
산소유량 8 sccm의 시료가 400℃를 제외한 전체 HfO2 유전 박막 시료에서 박막의 균일도가 높다. 특히 고온으로 열처리 온도가 증가할수록 산소유량이 4 sccm에서보다 8 sccm 에서 HfO2 유전박막의 균일도가 확연하게 좋아지는 것을볼 수 있는데, 이는 열적으로 더 안정적인 상태라는 것을 확인할 수 있었다.
후속연구
또한, 산소유량이 8 sccm의 경우 600℃ 이상의 고온에서는 더 큰 compressive stress 값을 가지며, Weibull modulus 균일도도 더 높은 것을 알 수 있었다. 이러한 결과들로부터 공정에서 적용되는 interlayer 간의 상호작용을 규명할 수 있으며, 박막 전체의 nanomechanics 분석을 통해 소자의 성능을 예측할 수 있게 됨으로서 소자의 효율을 높이는데 도움을 줄 수 있을 것으로 기대된다.
또한 Weibull statistical distribution으로 정량화하여 물질의 stress 상태를 규명하였다. 이러한 극표면에서의 특성은 계면에 직접적으로 영향을 주기 때문에 안정적인 구조형성을 위해 필수적이고, 이는 향후 계속되는 scaling-down을 위해서 반드시 필요한 기초데이터가 될 것이다 [5-6].
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
Hf을 기반으로 한 high-K 물질는 어떤 조건을 만족해야 하는가?
따라서 이러한 금속산화물 증착 한계는 물리적으로 얇으면서도 높은 유전상수를 갖는 대안 물질을 찾고자하는 집중적인 기본연구를 유발 하였다 [1]. 이런 Hf을 기반으로 한 high-K 물질은 양자역학적으로 터널링을 억제하기 위해 요구되는 EOT(equivalent oxide thickness) 를 만족해야 하고, 실리콘과의 band offset이 1 eV 이상인 절연체여야 한다. 또한 실리콘과 양호한 전기적 계면을 형성해야 하고 열적으로 안정된 재료여야 한다 [2]. 동시에 nano-mechanical 특성은 nano-size 단위인 박막들의 적층구조로 진행되는 공정에서 미시적인 영역의 작용을 고려하는데 반드시 중요한 요소이다 [3,4].
열처리시 HfO2 유전박막의 절연특성이 증가한 이유는?
Current density 측정결과, 산소를 8 sccm 흘려준 시료는 열처리 온도가 증가할수록 더 우수한 break down voltage 특성을 나타냈다. 이는 산소유량이 8 sccm을 흘려 증착한 박막의 산화막이 더 조밀하며, 산소와 Hf가 잘 결합하여 박막의 조성비가 좋아져 열처리 시에 HfO2 유전박막의 절연특성이 증가한 것으로 사료된다.
Hf (Hafnium)을 기반으로한 게이트 유전체의 연구가 여러분야에서 다양하게 진행된 이유는?
현재 Hf (Hafnium)을 기반으로한 게이트 유전체의 연구는 여러 분야에서 다양하게 진행되어져 왔다. 이는 기존의 $SiO_2$보다 유전상수 값이 크고, 또한 계속되는 scaling-down 공정에서도 양자역학적인 터널링을 차단하는 특성이 뛰어나기 때문이다. MOSFET 구조에서 유전체 박막의 두께 감소로 인한 전기적 특성 저하를 보완하기 위해서 high-K 재료가 대두되었고 현재 주를 이루고 있다.
S. V. Ushakov, A. Navrotsky, Y. Yang, S. Stemmer, K. Kukli, M. Ritala, M. A. Leskel, P. Fejes, A. Demkov, C. Wang, B. -Y. Nguyen, D. Triyoso, and P. Tobin, Phys. Stat. Sol. (b), 241, 2268 (2004).
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.