전구체 분할 주입 공정을 이용한 HfO₂/Al₂O₃ 게이트 스택의 인터페이스 다이폴 제어 및 신뢰성 향상 연구
Control of Interface Dipoles and Reliability Enhancement in HfO₂/Al₂O₃ Gate Stacks Using a Discrete Feeding Method
- 주제(키워드) HfO2 , Al2O3 , dipole-last , discrete feeding method , flat-band voltage , interface trap
- 주제(DDC) 621.042
- 발행기관 아주대학교 일반대학원
- 지도교수 서형탁
- 발행년도 2026
- 학위수여년월 2026. 8
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 에너지시스템학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000036184
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
본 연구에서는 차세대 Gate-All-Around（GAA） FET 에서 요구되는 multi-Vt 구현을 위해 HfO2/Al2O3 gate stack 기반 interface dipole engineering 과 Discrete Feeding Method（DFM）의 적용 가능성을 분석하였다. 기존 work-function metal 기반 Vth 조절 방식은 소자 미세화와 nanosheet 간격 감소에 따라 gate fill 문제와 공정 복잡성의 한계를 가지므로, 본 연구에서는 gate stack 의 물리적 두께 증가 없이 flat-band voltage（VFB）를 조절할 수 있는 계면 다이폴 형성 기술에 주목하였다. 먼저 Al2O3 dipole-first 구조를 이용하여 Al2O3 interfacial layer 의 VFB modulation 효과를 확인하였다. Al2O3 cycle 이 증가함에 따라 C-V curve 는 positive voltage 방향으로 이동하였으며, 5, 10, 20 cycle 조건에서 각각 172 mV, 560 mV, 640 mV 의 VFB shift 가 확인되었다. 이는 Al2O3 가 계면에서 positive VFB shift 를 유도하는 dipole layer 로 작용함을 보여준다. 또한 XPS 분석을 통해 Al2O3 삽입 시 Hf-silicate 및 interfacial silicate 성분이 감소하는 경향을 확인하였으며, Al2O3 가 계면 반응 억제에도 기여함을 확인하였다. 이후 Al2O3 및 HfO2 박막에 DFM 을 적용하여 물질별 공정 효과를 비교하였다. Al2O3 에서는 DFM 자체에 의한 전기적 개선 효과가 뚜렷하지 않았으며, 오히려 purge time 확보가 bias stress 안정성에 더 중요한 변수로 나타났다. 반면 HfO2 에서는 DFM 적용 후 capacitance 증가, leakage current 감소, current spike 감소 및 NGBS 안정성 향상이 관찰되었다. 이는 bulky 한 Hf precursor 의 흡착 불균일성이 DFM 에 의해 완화되면서 박막 coverage 와 local bonding uniformity 가 개선되었기 때문으로 해석된다. 최종적으로 DFM-processed HfO2 를 dipole-last HfO2/Al2O3 gate stack 에 적용한 결과, conventional HfO2/Al2O3 stack 에 비해 capacitance 가 증가하고 VFB 가 positive direction 으로 더 크게 이동하였으며, leakage current 는 1 order 이상 감소하였다. 또한 frequency dispersion, C-V hump, Dit, NGBS-induced VFB shift 및 pulse C-V hysteresis 가 모두 감소하여, DFM 이 trap-related response 와 Al-related interfacial dipole response 의 안정성을 동시에 향상시킴을 확인하였다. ARXPS, SE 및 KPFM 분석 결과에서도 silicate fraction, oxygen-vacancy-related component 및 defect-related absorption 감소가 확인되었으며, VBM 변화는 positive VFB shift 가 interfacial dipole 에 의해 유도되었음을 뒷받침하였다. 결과적으로 본 연구는 Al2O3 기반 interface dipole layer 가 VFB modulation 에 효과적이며, HfO2 에 적용된 DFM 이 dipole-last gate stack 의 계면 결함, leakage current 및 VFB instability 를 완화할 수 있음을 보여준다. 따라서 DFM-processed HfO2 는 HfO2/Al2O3 기반 multi-Vt gate stack 구현을 위한 유효한 계면 안정화 공정으로 활용될 수 있다.
more목차
제 1 장 서론 1
1. 연구 배경 및 필요성 1
가. 다이폴 엔지니어링의 필요성 1
나. 다이폴 형성 원리 3
다. 다이폴 구조에서 DFM 의 필요성과 원리 6
2. 분석 방법 8
가. C-V 분석 및 VFB 추출 8
나. Bias stress 를 이용한 VFB 안정성 분석 9
다. Pulse C-V 분석 9
라. Conductance method 를 이용한 Dit 분석 11
마. XPS 및 ARXPS 분석 12
바. SE 및 KPFM 분석 13
제 2 장 Al2O3 Dipole-First 공정을 이용한 Vfb 조절 및 계면 최적화 15
1. 서론 15
2. 실험 방법 16
가. Al2O3 두께 변화에 따른 MOS capacitor 구조 설계 16
나. MOS capacitor 제작 공정 16
다. 전기적 및 화학적 분석 방법 18
3. 실험 결과 및 고찰 19
가. Al2O3 두께에 따른 C-V 특성 및 Vfb 변화 19
나. Hf 4f 및 Al 2p XPS 분석 22
다. Si 2p 분석을 통한 interfacial silicate 형성 억제 24
4. 결론 26
제 3 장 Discrete Feeding Method 를 이용한 Al2O3 및 HfO2 박막 특성 개선 연구 27
1. 서론 27
2. 실험 방법 29
가. Conventional feeding 및 DFM sequence 설계 29
나. Al2O3 DFM 공정 조건 31
다. HfO2 DFM 공정 조건 31
라. 전기적 특성 및 신뢰성 평가 방법 31
3. 실험 결과 및 고찰 32
가. Al2O3 DFM 적용에 따른 PGBS 특성 변화 32
나. Al2O3 purge time 증가에 따른 bias stress 안정성 변화 34
다. HfO2 DFM 적용에 따른 C-V 및 I-V 특성 변화 36
라. HfO2 DFM 적용에 따른 breakdown 및 I-t 특성 변화 38
마. HfO2 DFM 적용에 따른 NGBS 안정성 향상 39
바. 전구체 입체장애에 따른 DFM 효과 차이 해석 40
4. 결론 42
제 4 장 DFM 처리된 HfO2 를 이용한 Dipole-Last 구조의 신뢰성 향상 45
1. 서론 45
2. 실험 방법 46
가. Dipole-last MOS capacitor 구조 설계 46
나. MOS capacitor 제작 공정 47
다. 전기적 특성 및 계면 분석 방법 48
3. 실험 결과 및 고찰 49
가. DFM-HfO2/Al2O3 구조의 C-V 및 I-V 특성 49
나. Frequency dispersion 및 C-V hump 감소 50
다. NGBS 조건에서의 VFB 안정성 평가 52
라. Pulse C-V 를 이용한 interfacial dipole response 분석 53
마. Conductance method 를 이용한 Dit 분석 55
바. Si 2p ARXPS 를 통한 interfacial silicate 형성 억제 분석 56
사. Hf 4f 및 O 1s ARXPS 를 통한 결합 상태 변화 분석 58
아. VBM, SE 및 KPFM 분석을 통한 band alignment 해석 60
자. SE 분석을 통한 defect-related absorption 변화 61
4. 결론 62
제 5 장 결론 64
참고문헌 69
