산소 열처리를 통한 고유전율 HfO2-ZrO2 nanolaminate MOS 캐패시터 제조 및 특성 분석 연구
Effects of Oxygen PDA on High-k Dielectric Properties of HfO2-ZrO2 Nanolaminate Layer in MOS Capacitor
- 주제(키워드) 고유전율 , 유전막 , HfO2 , ZrO2 , PDA
- 주제(DDC) 621.042
- 발행기관 아주대학교 일반대학원
- 지도교수 서형탁
- 발행년도 2025
- 학위수여년월 2025. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 에너지시스템학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000034650
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
Complementary metal-oxide-semiconductor field-effect transistor(CMOSFET)가 scaling down 됨에 따라 SiO2 를 대체하기 위해 high-k 소재가 45nm 노드 공정에서부터 처음 도입되었다. 다양한 소재들 중에서도 HfO2 은 큰 유전 상수와 밴드갭, 상대적으로 낮은 누설전류를 가져 주요 고유전율 게이트 유전체로 활용되고 있다. 하지만 HfO2 는 Si 과의 계면 형성으로 이동도 저하, 전하 트랩 및 문턱 전압 불안정성을 유발하고 다른 후보 중에 하나인 ZrO2 도 열적 불안정성과 큰 누설전류를 초래한다는 단점이 존재한다. 더불어 현재 로직 소자는 FinFET, GAA 구조에서 더 나아가 CFET, 3D VLSI 구조로 갈수록 channel 간의 간격이 감소되기 때문에 high-k 산화막의 두께도 점점 얇아지고 있다. 메모리 소자에서는 HBM 6 세대부터 로직 반도체와 결합하는 구조를 띄기 때문에 로직에서의 high-k 특성 확보도 중요하며 2T0C 회로 구현을 위한 3D DRAM 에는 IGZO 와 같은 산화물 채널의 적용이 필요하기 때문에 낮은 열처리 공정이 수행되어야 한다. 이 두 가지 경우를 종합해보면, 앞으로의 high-k 산화막은 낮은 열처리 온도에서 얇은 두께에서도 높은 정전 용량(Capacitance), 낮은 누설전류 특성을 모두 확보해야 한다. 앞에서 언급한 HfO2, ZrO2 의 단점을 극복하고 장점만을 이용하기 위해서 nanolaminate 구조를 설계하였다. HfO2 는 낮은 누설전류 특성, ZrO2 는 낮은 결정화 온도 및 상대적으로 높은 정전 용량을 가지는데, nanolaminate 구조를 통해 이 장점들을 동시에 구현하고자 하였다. 그러나 이러한 HZO system 에서는 산소 공공에 의한 강유전성 특성이 발현된다. 유전막에서 산소 공공은 이동도 저하 및 페르미 레벨 피닝을 유발하기 때문에 HZO system 을 high-k 의 적용을 위해선 산소 공공과 더불어 강유전성도 모두 억제되어야 한다. 이러한 억제 방법 중, 산소 PDA 는 하나의 해결 방법이 될 수 있다. 또한, HfO2 와 ZrO2 는 Monoclinic, Tetragonal, Cubic, Orthorhombic 의 4 개의 결정구조로 존재할 수 있다. 4 가지의 결정구조 중에서 Tetragonal 상은 더 높은 유전 상수를 가지기 때문에 high-k 적용을 위해선 Tetragonal 상을 발현하는 것이 중요하다. 다만, 나노 스케일 도메인일 경우 HfO2 는 m-phase(Monoclinic), ZrO2 는 t- phase(Tetragonal)이 안정상이라고 알려져 있다. 따라서 높은 정전 용량을 가지기 위해서는 HfO2 의 tetragonal 상전이가 중요하다. 따라서, 이 연구에서는 낮은 열처리 온도에서도 낮은 누설전류 및 t-phase 상전이를 통한 높은 정전 용량 확보를 위해 HfO2-ZrO2 nanolaminate 박막에 산소 PDA 공정을 적용하여 그 관계와 영향을 분석하고 high-k 로의 적용 가능성을 제시하였다. HfO2-ZrO2 10nm, 5nm nanolaminate 박막의 산소 PDA 영향을 분석하기 위해 산소 유량을 조절해가며 특성을 조사하였다. PDA 는 10nm 는 450°C 2 분, 5nm 는 550°C 1 동안 수행되었으며 산소 유량은 동일하게 30~50sccm 까지 증가시켰다. 두 경우 모두 산소 유량이 증가할수록 정전 용량이 증가하였고, 50sccm 유량 조건에서 두께별로 각각 25.1, 16.4 의 유전 상수를 나타냈다. XPS, TEM, AFM 분석을 통해 O-rich 한 분위기 일수록 10nm 두께의 경우 C-O bonding 증가의 따른 HfO2 의 grain size 의 감소 로 Tetragonal 상이 형성됨을 입증하였고, 5nm 두께의 경우 Hf 와 Zr 의 sub-oxide 비율 차이가 정전 용량 증가의 이유임을 입증하였다. 또한 10nm 샘플들의 누설 전류 밀도 차이를 SE, KPFM 분석으로 모식화 한 band alignment 를 통해 누설전류 거동을 해석하였다. 이러한 결과들은 산소 PDA 를 통한 HfO2-ZrO2 nanolaminate 구조의 차세대 유전막으로의 적용 가능성을 명시한다.
more목차
제 1 장. 서 론 1
1. 차세대 High k 소재 연구의 필요성 1
2. 이론적 배경 3
가. High-k 소재의 등장 3
나. High-k 유전막의 조건 4
다. HfO2 (Hafnium Oxide), ZrO2 (Zirconium Oxide) 5
라. PEALD (Plasma Enhanced Atomic Layer Deposition) 6
마. PDA (Post Deposition Annealing) 7
바. 전도 메커니즘 (Conduction mechanism) 8
3. 분석 방법 11
가. SE (Spectroscopic Ellipsometry) 11
나. KPFM (Kelvin Probe Force Microscopy) 12
다. XRD (X-ray Diffraction) 13
라. XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy) 14
마. TEM (Transmission Electron Microscopy) 15
바. AFM (Atomic Force Microscopy) 16
제 2 장. 10nm HfO2-ZrO2 nanolaminate 구조 MOS 캐패시터의 산소 PDA 영향 분석 18
1. 서론 18
2. 실험 방법 19
3. 실험 결과 및 고찰 20
가. 전기적 특성 분석 20
(1) C-V curve 20
(2) I-V curve 23
(3) HfO2, ZrO2와의 비교 28
나. 화학적 조성 분석 30
다. 결정화도 분석 34
라. 표면 거칠기 및 결정립 크기 분석 36
4. 결론 37
제 3 장. 5nm HfO2-ZrO2 nanolaminate 구조 MOS 캐패시터의 산소 PDA 영향 분석 38
1. 서론 38
2. 실험 방법 38
3. 실험 결과 및 고찰 39
가. 전기적 특성 분석 39
나. 화학적 조성 분석 40
다. 결정화도 분석 41
라. 표면 거칠기 분석 43
4. 결론 44
제 4 장. 결론 45
제 5 장. Supporting Figure 47
참고문헌 49
