Si BEOL 공정에서 모놀리식 집적 가능한 ZrO2 기반 Ge MOS Capacitor
ZrO2-based Ge MOS Capacitor that can be monolithically integrated in the Si BEOL process
초록/요약
게르마늄(Ge) 박막과 Monolayer 이황화 몰리브덴(MoS2)은 얇은 두께와 높은 이동도 특성이 있으며, 두 물질의 결합은 반데르발스(Van der Waals) 상호작용을 형성하여 전체적인 이동도를 증가시킬 수 있다. 이러한 특징으로 인해 실리콘 미세화 공정의 한계를 극복하고 더 높은 성능과 작은 크기의 전자 소자를 개발하는 데 유망한 재료로 주목받고 있다. 또한, High-k 유전체 ZrO2는 반도체 소자에서 사용되는 게이트 산화막 재료로 다양한 이점과 기대효과를 제공한다. 이는 높은 유전율, 얇은 산화막 형성, 인접한 소자와의 절연 특성 향상, 그리고 높은 열 안정성 등이 포함된다. 본 논문에서는 비정질 SiO2 표면 위에 고이동도 Ge을 성장하기 위해 2D 물질인 MoS2를 시드로 사용하였으며, High-k 유전체 ZrO2를 사용하여 MOSCAP(Metal-Oxide-Semiconductor Capacitor)을 구현하였다. 이를 통해 새로운 소자 구조의 개발을 시도하여 미래 산업 발전의 가능성을 탐구하였다. 2차원 시드 물질인 MoS2 위에 UHV-CVD(Ultra-High Vacuum Chemical Vapor Deposition) 장비를 사용하여 저온에서 게르마늄 박막을 성장하였다. 이후 표면 거칠기를 개선하기 위해 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 공정을 진행하고 p-Ge 접촉층을 형성하였다. 산화막 층으로 사용될 High-k 유전체 ZrO2는 ALD(Atomic Layer Deposition) 장비를 사용하여 증착하였다. 계면 특성 개선을 위해 ZrO2를 증착하는 공정 사이에 OPO(Ozone Post Oxidation) 처리를 통해 GeOx를 형성하였으며, 증착 후 RTA(Rapid Thermal Annealing) 장비를 사용하여 N2 분위기에서 500도로 4분 열처리를 진행하였다. 마지막으로 Top Metal을 증착하고, p-Ge 접촉층을 열어주기 위해 ZrO2를 식각하여 Viahole을 형성함으로써 MOSCAP 소자를 완성하였다. 완성된 소자는 TEM(Transmission Electron Microscope) 이미지와 EDS(Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy) 측정 결과를 통해 각 층의 구조와 원소 조성을 확인하였다. 본 소자의 전기적 특성을 분석한 결과, 고주파 영역에서 “Series Resistance Effect”로 인한 주파수 분산 현상이 관찰되었고, 저주파 영역에서는 MOSCAP이 정상 동작하고, 유전 상수(k) 값이 12.9이며, 계면 트랩 밀도 (Dit) 값은 7.27*10^11eV^-1*cm^-2으로 확인되었다. 또한, 순방향 바이어스(2V)에서 의 누설전류 밀도 값은 10^-4A/cm^2 이하로 나타났다. 본 연구에서 비록 “Series Resistance Effect”로 인한 주파수 분산 현상으로 고주파 특성은 확인하기 어려웠지만, 아직은 시도되지 않은 “High-k 유전체 ZrO2를 기반으로 한 Ge/MoS2 다층구조의 MOSCAP” 소자를 제작하고 저주파 특성을 확인함으로써, 최근 한계에 다다른 실리콘 미세화 공정을 대체할 수 있는 새로운 구조 및 공정을 개발한 점에서 의의가 있다.
more초록/요약
In this paper, we fabricated a Ge/MoS2 multilayer MOSCAP(Metal-Oxide-Semiconductor Capacitor) device based on ZrO2 as a high-k dielectric. Through this, we attempted to overcome the limitations of silicon microfabrication processes and develop a new device structure for electronic components with higher performance and smaller size. To fabricate the device, a germanium thin film was grown on the 2D(two-dimensional) seed material, MoS2, using UHV-CVD(Ultra-High Vacuum Chemical Vapor Deposition) at low temperatures. CMP(Chemical Mechanical Polishing) process was performed to improve the surface roughness of the germanium. ZrO2 as the high-k dielectric for the oxide layer was deposited using Atomic Layer Deposition (ALD) equipment. ZrO2 deposition was carried out as ZrO2(10cycles)/Ozone Post Oxidation(20cycles)/ZrO2(45cycles), followed by Rapid Thermal Annealing (RTA) treatment in an N2 atmosphere at 500°C for 4 minutes. Through Electrical characterization results, although the characteristics were not fully confirmed at high frequencies due to the frequency dispersion caused by the series resistance effect, excellent performance was observed at low frequencies. This study presents a new paradigm for integration technology beyond the existing limits of silicon-based microfabrication processes, aiming to achieve a more compact and efficient device structure. It is expected to serve as a key foundational technology that can be applied to next-generation technologies requiring high performance and low power consumption.
more목차
제 1장 서론 1
제 1.1절 연구 배경 1
제 1.2절 연구 목적과 중요성 2
제 2장 이론적 배경 7
제 2.1절 게르마늄(Ge) 박막 7
제 2.2절 2차원 소재 MoS2 10
제 2.3절 High-k 유전체 13
제 3장 실험 및 분석 17
제 3.1절 소자 제작 17
제 3.2절 결과 분석 22
제 4장 결론 36
참고문헌 39
