Hf thin films were deposited on bottom metal using a RF magnetron sputtering method followed by oxidation and annealing in O$_2$ and N$_2$ ambient, respectively. Various top metal electrodes (i.e., Al, Au, and Cu) were deposited by evaporation, and their roles on physical and e...
Hf thin films were deposited on bottom metal using a RF magnetron sputtering method followed by oxidation and annealing in O$_2$ and N$_2$ ambient, respectively. Various top metal electrodes (i.e., Al, Au, and Cu) were deposited by evaporation, and their roles on physical and electrical properties were investigated. Using the XRD, SEM and AFM techniques, we confirmed that the grain size of HfO$_2$ thin films enlarges as a function of oxidation temperature, increasing dielectric constant. However, other electrical properties (e.g., tan) deteriorateas a consequence. The dielectric constant and tan of HfO$_2$ thin films oxidized at 500 $^{\circ}C$ were 17-25 and 3${\times}$10-3 - 2x10-2, respectively, in the frequency range of 1 Hz to 1 MHz. The leakage current density was less than 1${\times}$10-8A/cm2 up to 0.7 MV/cm. In addition, electrical properties of HfO$_2$ thin films (e.g., the dielectric constant, leakage current and tan $\delta$) depend on top metal electrode. We showed that Al top metal electrode results in the best result.
Hf thin films were deposited on bottom metal using a RF magnetron sputtering method followed by oxidation and annealing in O$_2$ and N$_2$ ambient, respectively. Various top metal electrodes (i.e., Al, Au, and Cu) were deposited by evaporation, and their roles on physical and electrical properties were investigated. Using the XRD, SEM and AFM techniques, we confirmed that the grain size of HfO$_2$ thin films enlarges as a function of oxidation temperature, increasing dielectric constant. However, other electrical properties (e.g., tan) deteriorateas a consequence. The dielectric constant and tan of HfO$_2$ thin films oxidized at 500 $^{\circ}C$ were 17-25 and 3${\times}$10-3 - 2x10-2, respectively, in the frequency range of 1 Hz to 1 MHz. The leakage current density was less than 1${\times}$10-8A/cm2 up to 0.7 MV/cm. In addition, electrical properties of HfO$_2$ thin films (e.g., the dielectric constant, leakage current and tan $\delta$) depend on top metal electrode. We showed that Al top metal electrode results in the best result.
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문제 정의
또한 상부전극의 경우 전극재료와 절연충에 대한 물리적인 현상이 전기적인 특성에 영향을 미치므로 상부전극의 종류에 따른 일함수 차와 HfO2 박막과 상부전극 계면의 접착 그리고 Ohmic 접촉 정도에 따라 누설전류가 상이하게 나타남은 물론이고 정전용량도 계면의 물리적 변화에 의존하고 있다 [51. 본 논문에서는 HfO2 박막과 상부전극 재료의 비대칭에 의한 전기적 특성과 물리적 성질을 규명하고자 하였다.
제안 방법
증착된 기판의 세정을 위해 트리클로에틸렌, 아세톤, 메탄올 순으로 각각 5분간 초음파 세척을 하 고 탈이온수로 씻어낸후, 질소로 건조시켰다. Hf 을 。2 분위기에서 400, 500, 600 P온도의 전기로에서 각각 120분간의 산화(oxidation)공정과 500 t N2 60분간의 열처리(annealing)공정을 수행 하 였다. 각각 다른 전극구조의 MIM 커패시터를 제 작하기 위해 상부전극으로 알루미늄(A1), 금(Au), 구리(Cu)를 열증발장치 (thermal evaporator)를 이용하여 MIM구조의 시편을 완성하였다.
Hf 박막을 Pt/Ti/SiOa/Si기판 위에 RF-magne- tron sputtering 방법으로 상온에서 증착한후 온도 400, 500, 60膻 I 에서 산화하여 950 A의 HfO2 박막을 성장시켰다. 상부전극으로 Al, Au, Cu를 열증착법으로 증착하여 시편의 특성변화를 검토하였 다.
HfO2 박막의 결정성과 배향성을 알아보기 위해 XRD분석을 하였다. 그림 1은 Pt/Ti/SiO2/Si 기판 위에 증착한 HfCh 박막의 산화온도에 따른 XRD 분석 결과이다.
P-type Si 기판에 절연충으로 SiCh충을 3000 A 을 형성한후 Pt(2000A)/Ti(300A)/를 증착한 기판 위에 RF-magnetron sputtering 방법을 이용하여 Hf(800 A)을 증착하였으며, 조건은 표 1에 나타내 었다.
각각 다른 전극구조의 MIM 커패시터를 제 작하기 위해 상부전극으로 알루미늄(A1), 금(Au), 구리(Cu)를 열증발장치 (thermal evaporator)를 이용하여 MIM구조의 시편을 완성하였다. 각각 다른 온도에서 산화된 HfO2 박막의 표면 미세구조를 분석하기위해 AFM(Atomic Force Microscope) < 이용하여 살펴보았고, XRD (X-ray Diffraction) 분석을 통해 결정의 형성 유무와 구조에 대하여 분석하였다. 전기적인 특성분석은 HP4194A 와 HP4140B를 사용하여 전압-전류(I-V)특성 및 유전상수(&), 유전손실(tan6) 륵성을 분석하였다.
Hf 을 。2 분위기에서 400, 500, 600 P온도의 전기로에서 각각 120분간의 산화(oxidation)공정과 500 t N2 60분간의 열처리(annealing)공정을 수행 하 였다. 각각 다른 전극구조의 MIM 커패시터를 제 작하기 위해 상부전극으로 알루미늄(A1), 금(Au), 구리(Cu)를 열증발장치 (thermal evaporator)를 이용하여 MIM구조의 시편을 완성하였다. 각각 다른 온도에서 산화된 HfO2 박막의 표면 미세구조를 분석하기위해 AFM(Atomic Force Microscope) < 이용하여 살펴보았고, XRD (X-ray Diffraction) 분석을 통해 결정의 형성 유무와 구조에 대하여 분석하였다.
MIM (Metal-Insulator-Metal) 커패시터에 사용되는 절연막의 유전상수가 증가함에 따라 단위 면적당 정전용량올 크게할 수 있어 커패시터 면적 축소가 가능하다. 이러한 고유전물질로 최근 연구되어진 SiO2, Ta2O5, Si3N4 보다 유전상 수가 높고, 열처리에 따른 구조 안정성이 우수한 HfO2 절연막을 이용하여 MMIC 및 DRAM 소자 제작에 웅용 가능한 MIM 커패시터의 특성을 연구하였다. Hf6는 다른 금속계열의 산화막보다 높은 밴드 갭 (~5.
각각 다른 온도에서 산화된 HfO2 박막의 표면 미세구조를 분석하기위해 AFM(Atomic Force Microscope) < 이용하여 살펴보았고, XRD (X-ray Diffraction) 분석을 통해 결정의 형성 유무와 구조에 대하여 분석하였다. 전기적인 특성분석은 HP4194A 와 HP4140B를 사용하여 전압-전류(I-V)특성 및 유전상수(&), 유전손실(tan6) 륵성을 분석하였다.
증착된 기판의 세정을 위해 트리클로에틸렌, 아세톤, 메탄올 순으로 각각 5분간 초음파 세척을 하 고 탈이온수로 씻어낸후, 질소로 건조시켰다. Hf 을 。2 분위기에서 400, 500, 600 P온도의 전기로에서 각각 120분간의 산화(oxidation)공정과 500 t N2 60분간의 열처리(annealing)공정을 수행 하 였다.
500 P에서 산화시킨 HfO2 박막의 상부전극으로 A1 을 증착한 경우의 유전상수 값은 약 24를 나타내었고, Au 전극의 경우에는 주파수 증가에 따른 유전손실이 6xl()T 이하로 우수한 유전박막 특성을 나타내었다. HfO2 박막의 산화온도가 증가할수록 박막의 결정성이 향상되었고, 상부전극 재료의 종류에 따라 유전상수와 유전손실의 확실한 차이가 발생 했다.
박막의 주파수-유전상수 특성곡선이다. HfO2 박막의 산화온도 500 笆에서 후 열처리를 하지 않고도 상부전극재료의 종류에 따 라 유전상수의 차이가 뚜렷이 구분됨으로 상부전 극과 HfO2박막 계면에 생성되는 유전상수가 낮은 계면층 발생에 따라 유전특성의 변화에 지대한 영향을 미치고 있음을 알 수 있다. 상부전극을 A1 으 로 증착한 경우의 유전상수 값이 Au, Cu보다 현저히 높은 수치를 보여주고 있다.
박막의 상부전극으로 A1 을 증착한 경우의 유전상수 값은 약 24를 나타내었고, Au 전극의 경우에는 주파수 증가에 따른 유전손실이 6xl()T 이하로 우수한 유전박막 특성을 나타내었다. HfO2 박막의 산화온도가 증가할수록 박막의 결정성이 향상되었고, 상부전극 재료의 종류에 따라 유전상수와 유전손실의 확실한 차이가 발생 했다.
후속연구
상부전극을 A1 으 로 증착한 경우의 유전상수 값이 Au, Cu보다 현저히 높은 수치를 보여주고 있다. 이 경우에는 A1 과 HfG박막의 반응에 따른 저유전성의 계면층이 발 생하는 것으로 알려져 있으므로 유전율이 감소해야하나, 상반된 실험결과를 나타냄으로 이에 대한 보다 자세한 연구가 선행되어야 할 것으로 본다.
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