고온 열처리 과정에서 산소 Outgasing 효과에 의한 HfOx 박막의 Nanomechanics 특성 연구 Nano-Mechanical Studies of HfOx Thin Film for Oxygen Outgasing Effect during the Annealing Process원문보기
MOSFET 구조의 차세대 Oxide 박막으로 주목받고 있는 $HfO_X$박막을 rf magnetron sputter를 이용하여 Si(100) 기판 위에 증착하였다. 증착시 산소의 유량을 5, 10, 15 sccm으로 변화를 주며 증착하였고 이후 furnace에서 400부터 $800^{\circ}C$까지 질소분위기로 열처리 하였다. 실험결과 $HfO_X$ 박막의 전기적 특성은 산소유량 증가에 따라 누설전류 특성이 향상되었으나, 열처리 온도가 증가함에 따라서는 감소하였다. 특히, 이 논문에서는 Nano-indenter와 AFM으로 $HfO_X$ 박막의 nanomechanics 특성을 측정하였다. 측정 결과에 의하면 열처리 온도가 증가함에 따라 최대 압입력을 기준으로 최대 압입 깊이가 24.9 nm에서 38.8 nm로 증가하였으며 특히 $800^{\circ}C$ 열처리된 박막에서 압입 깊이가 급격하게 증가하였다. 이러한 압입 깊이의 급격한 증가는 박막내 응력 완화에 의한 스트레스 변화로 예상되며, 그 원인으로 증착시 박막내 포함된 산소가 열처리 조건에 의해 빠져나감에 의한 것으로 판단된다.
MOSFET 구조의 차세대 Oxide 박막으로 주목받고 있는 $HfO_X$박막을 rf magnetron sputter를 이용하여 Si(100) 기판 위에 증착하였다. 증착시 산소의 유량을 5, 10, 15 sccm으로 변화를 주며 증착하였고 이후 furnace에서 400부터 $800^{\circ}C$까지 질소분위기로 열처리 하였다. 실험결과 $HfO_X$ 박막의 전기적 특성은 산소유량 증가에 따라 누설전류 특성이 향상되었으나, 열처리 온도가 증가함에 따라서는 감소하였다. 특히, 이 논문에서는 Nano-indenter와 AFM으로 $HfO_X$ 박막의 nanomechanics 특성을 측정하였다. 측정 결과에 의하면 열처리 온도가 증가함에 따라 최대 압입력을 기준으로 최대 압입 깊이가 24.9 nm에서 38.8 nm로 증가하였으며 특히 $800^{\circ}C$ 열처리된 박막에서 압입 깊이가 급격하게 증가하였다. 이러한 압입 깊이의 급격한 증가는 박막내 응력 완화에 의한 스트레스 변화로 예상되며, 그 원인으로 증착시 박막내 포함된 산소가 열처리 조건에 의해 빠져나감에 의한 것으로 판단된다.
The $HfO_X$ thin film was deposited what it has been paid attention to the next generation oxide thin layer of MOSFET (metal-Oxide semiconductor field-effect-transistor) by rf magnetron sputter on Si (100) substrate. The $HfO_X$ thin film was deposited using a various oxygen ga...
The $HfO_X$ thin film was deposited what it has been paid attention to the next generation oxide thin layer of MOSFET (metal-Oxide semiconductor field-effect-transistor) by rf magnetron sputter on Si (100) substrate. The $HfO_X$ thin film was deposited using a various oxygen gas flows (5, 10, 15 sccm). After deposition, $HfO_X$ thin films were annealed from 400 to $800^{\circ}C$ for 20 min in nitrogen ambient. The electrical characteristics of the $HfO_X$ thin film was improved by leakage current properties, depending on the increase of oxygen gas flow and annealing temperature. In particular, the properties of nano-mechanics of $HfO_X$ thin films were measured by AFM and Nano-indenter. From the results, the maximum indentation depth at the basis of maximum indentation force was increased from 24.9 to 38.8 nm according to increase the annealing temperature. Especially, the indentation depth was increased rapidly at $800^{\circ}C$. The rapid increasement of indentation depth was expected to be due to the change of residual stress in the $HfO_X$ thin film, and this result was caused by relative flux of oxygen outgasing during the annealing process.
The $HfO_X$ thin film was deposited what it has been paid attention to the next generation oxide thin layer of MOSFET (metal-Oxide semiconductor field-effect-transistor) by rf magnetron sputter on Si (100) substrate. The $HfO_X$ thin film was deposited using a various oxygen gas flows (5, 10, 15 sccm). After deposition, $HfO_X$ thin films were annealed from 400 to $800^{\circ}C$ for 20 min in nitrogen ambient. The electrical characteristics of the $HfO_X$ thin film was improved by leakage current properties, depending on the increase of oxygen gas flow and annealing temperature. In particular, the properties of nano-mechanics of $HfO_X$ thin films were measured by AFM and Nano-indenter. From the results, the maximum indentation depth at the basis of maximum indentation force was increased from 24.9 to 38.8 nm according to increase the annealing temperature. Especially, the indentation depth was increased rapidly at $800^{\circ}C$. The rapid increasement of indentation depth was expected to be due to the change of residual stress in the $HfO_X$ thin film, and this result was caused by relative flux of oxygen outgasing during the annealing process.
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가설 설정
Figure 1. Current density graphs of (a) as-deposited HfOx thin films according to various oxygen gas flow and (b) O2 gas flow at 10 sccm according to annealing temperature.
제안 방법
rf magnetron sputter를 이용하여 HfOx 박막을 산소유량을 변화시키며 증착하고 이후 열처리를 통하여 박막의 전기적 특성 및 기계적 특성변화를 관찰하였다.
또한 박막의 nanomechanics 특성은 완성된 소자의 신뢰도 문제와 수명 등에도 큰 영향을 미친다. 따라서 본 연구에서는 rf magnetron sputter 장비를 이용하여 HfOx의 박막을 증착하고 furnace에서 온도를 달리하며 열처리 한 후 Keithley 2400으로 전류밀도(current density)를 측정하고 Hysitron사의 Triboindent와 Atomic Force Microscopy (AFM)으로 박막의 nanomechanics 특성을 분석하였다. 이러한 박막의 표면특성 연구는 계면에 미치는 직접적인 영향 때문에 안정적인 구조형성과 박막의 scalingdown을 위한 기초 데이터가 될 것이다 [8,9].
모든 HfOx박막에 대하여 nano-indenter를 이용해 박막의 hardness를 측정하였고 tip은 Berkovich tip을 사용하였다. 또한 AFM으로 표면 이미지 및 RMS Roughness를 측정하였다.
모든 HfOx박막에 대하여 nano-indenter를 이용해 박막의 hardness를 측정하였고 tip은 Berkovich tip을 사용하였다. 또한 AFM으로 표면 이미지 및 RMS Roughness를 측정하였다.
Ryu의 연구에 따르면 박막을 열처리할 때 outgasing 현상이 일어나고 이로 인한 박막 내에 공공(vacancy)이 발생한다고 한다 [13]. 열처리 과정에서 발생되는 박막내 존재하는 산소 outgasing에 의한 HfOx의 표면의 기계적 특성을 분석하기 위해서 nano-indenter를 이용하였고 nano-indenter를 통하여 박막 표면에서부터 약 25 nm 깊이의 물성을 분석하였다.
증착시 압력은 Ar 기체 유량을 균일하게 유지하며 산소 유량을 변화 시켜 가면서 3 mTorr로 유지하였고 rf power는 80 W를 인가하였다. 증착된 HfOx박막을 furnace에서 질소분위기로 400, 600, 800, 1,000oC로 각각 20분 동안 열처리하였다. 열처리가 끝난 HfOx박막은 전류밀도를 측정하기 위해 박막표면에 Al (aluminum) target (순도: 99.
대상 데이터
HfOx박막은 rf magnetron sputter를 이용하여 Si기판 위에 Hf target (99.99%)으로 산소유량의 변화(5, 10, 15 sccm)를 주며 100 nm 두께로 증착되었다. 증착시 압력은 Ar 기체 유량을 균일하게 유지하며 산소 유량을 변화 시켜 가면서 3 mTorr로 유지하였고 rf power는 80 W를 인가하였다.
증착된 HfOx박막을 furnace에서 질소분위기로 400, 600, 800, 1,000oC로 각각 20분 동안 열처리하였다. 열처리가 끝난 HfOx박막은 전류밀도를 측정하기 위해 박막표면에 Al (aluminum) target (순도: 99.99%)으로 200 nm 두께의 전극을 증착하였고 하부전극으로는 인듐을 ohmic contact하여 사용하였다.
성능/효과
3의 p-h graph를 기반으로 나타내었다. As-deposited 상태에서 8.27 GPa로 시작하여 열처리 온도가 400oC와 600oC로 증가함에 따라 surface hardness값이 7.86과 8.79 GPa로 상대적으로 안정된 상태를 나타내었으나 800oC로 열처리된 시료에서는 5.3 GPa로 급격한 surface hardness의 변화가 나타났다. 이는 열처리온도가 600oC까지 증가됨에 따라 박막내 산소와 결합된 결정성 성장에 필요한 에너지를 공급하였지만, 800oC의 고온 열처리 조건에서는 박막내 포함된 산소를 박막 외부로 빠져나가기에 충분한 에너지를 공급하였고 이로 인하여 산소의 outgasing 현상이 상대적으로 크게 작용하였기 때문으로 예상된다.
3은 10 sccm의 산소 유량에서 증착된 박막의 열처리 온도 변화에 대한 p-h graph 이다. 열처리 온도가 as-deposited에서 800oC로 증가함에 따라서 최대 압입력을 기준으로 최대 압입 깊이가 24.9 nm에서 38.8 nm로 증가하였으며 특히 800oC 열처리된 박막에서 압입 깊이가 급격하게 증가하였다. 이러한 압입 깊이의 급격한 증가는 박막내 응력 변화에 따른 스트레스 변화에 의한 것으로 예상되며, 그 원인은 증착시 박막 내 포함된 산소가 열처리 조건에 의해 빠져나감으로 나타나는 현상인 것으로 판단된다.
rf magnetron sputter를 이용하여 HfOx 박막을 산소유량을 변화시키며 증착하고 이후 열처리를 통하여 박막의 전기적 특성 및 기계적 특성변화를 관찰하였다. 증착시 산소유량과 이후 열처리 온도에 따라 I-V 특성과 nanomechanics의 변화가 나타났다. 이는 증착시 산소 유량에 따라 박막 형성과정에서 박막내 포함된 산소가 열처리 온도에 따라 결정형성과 outgasing의 원인이 되었고, 산소의 outgasing은 박막내 응력 감소의 원인이 되었으며 이는 hardness에 큰 변화를 야기하였다.
1(a)는 산소 유량을 5, 10, 15 sccm을 주입하며 증착한 HfOx박막의 열처리전 시료의 I-V특성을 나타낸 그래프이다. 증착시 주입된 산소의 유량이 증가 할수록 박막의 임계전계의 크기가 0.4 MV/cm에서 1.5 MV/cm으로 증가하여 절연특성이 좋아지는 것을 알 수 있다. 이는 박막 증착시 산소 유량을 증가시켜 증착된 박막이 상대적으로 박막내에 더 많은 양의 산소가 포함되어 증착되었을 것으로 예상되며, 그로 인해 유전특성이 상대적으로 좋아진 것으로 추정된다.
후속연구
따라서 본 연구에서는 rf magnetron sputter 장비를 이용하여 HfOx의 박막을 증착하고 furnace에서 온도를 달리하며 열처리 한 후 Keithley 2400으로 전류밀도(current density)를 측정하고 Hysitron사의 Triboindent와 Atomic Force Microscopy (AFM)으로 박막의 nanomechanics 특성을 분석하였다. 이러한 박막의 표면특성 연구는 계면에 미치는 직접적인 영향 때문에 안정적인 구조형성과 박막의 scalingdown을 위한 기초 데이터가 될 것이다 [8,9].
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
반도체 산업에서 무엇에 큰 노력을 기울이는가?
현재 반도체 산업은 계속되는 scaling-down 공정으로 인하여 소자의 소형화 및 고집적화를 위해 많은 노력을 기울이고 있다. 특히 MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)의 미세화에 따라 게이트 유전체 박막의 두께도 얇아져야할 필요성이 대두되었다.
MOSFET의 미세화에 따라 무엇이 필요하게 되었는가?
현재 반도체 산업은 계속되는 scaling-down 공정으로 인하여 소자의 소형화 및 고집적화를 위해 많은 노력을 기울이고 있다. 특히 MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)의 미세화에 따라 게이트 유전체 박막의 두께도 얇아져야할 필요성이 대두되었다. 기존에 사용되던 SiO2 박막은 ∼1.
800도 열처리를 했을 때 HfOx 박막에서 압입 깊이가 급격하게 증가하는 것은 무엇으로 인한 것으로 예상되는가?
8 nm로 증가하였으며 특히 $800^{\circ}C$ 열처리된 박막에서 압입 깊이가 급격하게 증가하였다. 이러한 압입 깊이의 급격한 증가는 박막내 응력 완화에 의한 스트레스 변화로 예상되며, 그 원인으로 증착시 박막내 포함된 산소가 열처리 조건에 의해 빠져나감에 의한 것으로 판단된다.
J. Y. Kim, S. I. Kim, K. Y. Lee, K. E. Kwon, M. S. Kim, S. H. Eom, H. J. Jung, Y. S. Jo, S. H. Park, and C. W. Lee, J. Korean Vac. Soc. 21, 273 (2012).
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