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HfO2-TiO2 laminates Thin Film 기반 MOS 커패시터의 전기적 특성 향상 연구

The study of Enhancement of Electrical Properties of HfO2-TiO2 Laminates Thin Film Based MOS Capacitors

  • 박지영 (박지영, 아주대학교 일반대학원)

초록/요약

최근 수십년간 트렌지스터의 집적도가 높아지며, 소자의 크기 감소를 위한 노력들이 이어졌고, storage node의 크기의 확장과 얇아진 절연막으로 인한 누설전류의 한계가 발생했다. 이에 대한 해결책으로 더 많은 전하를 축적할 수 있는 새로운 소재의 도입을 시도하였고, 높은 유전율을 가지는 high-k 물질이 주목받고 있다. 기존 절연막 소재인 SiO2가 HfO2, ZrO2 같은 high-k 소재로 대체되며 20 이상의 유전율을 가져 ~3의 유전 율을 가지는 SiO2보다 약 5배 이상의 전하를 축적할 수 있게 되었다. 최근에는 이러한 high-k 절연막의 scale down이 이루어지고 있어 더 높은 유전율을 가지는 물질에 대한 연구를 진행하고 있으며 rutile 구조에서 90이상의 유전율을 가지는 고유전율 유전체인 TIO2, SrTiO3과 같은 물질들에 대한 연구가 진행되고 있다. TiO2는 높은 유전율을 가지지만 3.0eV의 작은 band gap을 가지고 있어 leakage current 밀도가 높아질 수 있다. 또한 높은 유전율을 가지는 결정상인 rutile 상을 형성 하려는 노력에 어려움이 있다. 낮은 증착 온도를 가지는 ALD(Atomic layer deposition) 에서 형성되는 TiO2상은 40의 상대적으로 낮은 유전상수를 가지는 anatase 상이 열역 학적으로 안정하여 rutile 상을 형성하기 위해 추가 공정이 필요하다. Rutile 상을 형성 하기 위한 온도는 750℃ 이상으로 실제 공정에서는 허용 불가능하다. 본 연구에서는 TiO2 박막의 유전 특성의 최적화를 위해 HfO2를 사용하여 HfO2-TiO2 laminates 구조를 제시, 낮은 열처리 온도를 유도하고 leakage current를 보완하고자 하 였다. 첫째로, PEALD를 이용한 HfO2-TiO2 박막의 증착 조건에 따른 전기적 특성을 비교하 기 위해 P-type Si 기판 위에 10nm의 HfO2-TiO2 박막을 5층 구조로 증착 한 후 상부 전극을 E-beam evaporation을 이용하여 Cr/Pt를 증착하여 MOS structure를 제작하였다. 이후 박막의 전기적 특성, 구조적 분석등을 비교 분석하여 HfO2-TiO2 박막의 유전 특성 발현 근거를 제공하였다. 둘째로, HfO2-TiO2 박막의 유전특성의 최적화를 위해 열처리 조건의 최적화를 진행하 였다. 차세대 유전막의 활용을 위해 두께를 10nm, 7nm, 5nm로 증착하여 각 박막에 최 적화된 열처리 조건을 확보하였다. 열처리 공정에서 온도, 시간, 기체의 종류와 유량을 변수로서 설정할 수 있었고, 동일하게 상, 하부전극으로 Cr/Pt를 사용하며 MOS structure를 제작하였다. C-V curve를 통해 capacitance density, I-V curve를 통해 current density를 측정하여 각각의 조건에서 전기적 특성을 확인하였다. 마지막으로, HfO2-TiO2 박막을 구조적, 화학적인 분석을 통해 유전특성이 발현되는 원 인에 대하여 분석하였다. XRD, TEM-EDS를 통해서 구조적 분석을, XPS, SE를 이용하여 화 학적 분석을 진행하였다. 이를 통해, HfO2-TiO2 박막의 유전 특성의 발현과 적은 누설 전류의 근거를 제시할 수 있었다. 따라서 본 연구는 새로운 high-k 소재인 HfO2-TiO2 laminate 구조에서 높은 유전 특 성을 확인하였으며 추후 high-k 소재로의 활용이 가능함을 확인하였다. 더 나아가 10nm 이하의 scale down을 진행하여 차세대 반도체 소자의 gate oxide로서의 가능성을 보여준다.

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목차

제 1 장. 서 론 1
1. 차세대 DRAM을 위한 새로운 유전 물질의 필요성 1
2. 이론적 배경 4
가. High-k materials 4
나. MOS Capacitor 5
다. TiO2 (Titanium Oxide), HfO2 (Hafnium Oxide) 6
라. Plasma Enhanced Atomic Layer Deposition (PEALD) . 7
마. Grazing Incidence X-Ray Diffraction (GI-XRD) 9
바. X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) 10
사. Transmission Electron Microscopy (TEM) 12
아. Atomic Force Microscopy (AFM) 13
자. Spectroscopy Ellipsometry (SE) 14
제 2 장. PEALD 기반 HfO2-TiO2 박막의 증착 조건에 따른 특성 분석 15
1. 서론 15
2. 실험 방법 15
가. PEALD 15
나. RTP & E-beam Evaporator 16
다. Measurement Method 17
3. 실험 결과 및 고찰 18
가. 전기적 특성 분석 18
나. 구조적 분석 20
다. 화학적 분석 23
4. 결론 27
제 3 장. 두께별 HfO2-TiO2 Thin Film 의 Dielectric 특성 최적화 28
1. 서론 28
2. 실험 방법 28
가. PEALD 28
나. RTA 29
다. E-beam evaporator 29
3. 실험 결과 및 고찰 30
가. 10nm 박막의 열처리 조건에 따른 전기적 특성 비교 30
나. 7nm 박막의 열처리 조건에 따른 전기적 특성 비교 34
다. 5nm 박막의 열처리 조건에 따른 전기적 특성 비교 37
4. 결론 39
제 4 장. HfO2-TiO2 Dielectric 박막의 구조적, 화학적 분석 42
1. 서론 42
2. 실험 방법 43
가. XRD 43
나. TEM-EDS 43
다. XPS 43
3. 실험 결과 및 고찰 44
가. 구조적 분석 44
나. 화학적 분석 48
다. Band structure 53
4. 결론 55
제 5 장. 결론 58
제 6 장. Supporting Figure 62
참고문헌 67

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