극초박막 하프늄 옥사이드 도핑 박막 형성을 위한 수평적 도핑 원자층 증착 공정의 성장 기반 전기적 특성 개선 연구
- 주제(키워드) Atomic Layer Deposition , Multi Component Film , Growth Characteristics , Crystal Suppression , Leakage Current Density
- 발행기관 아주대학교 일반대학원
- 지도교수 오일권
- 발행년도 2026
- 학위수여년월 2026. 8
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 지능형반도체공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000036412
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
In this thesis, the characteristics of a horizontal doping atomic layer deposition （ALD） process were investigated for the formation of ultrathin dysprosium （Dy）-doped hafnium oxide （HfO2） thin films. As device scaling accelerates to improve semiconductor performance, HfO2-based high-k dielectrics have attracted significant attention to replace conventional silicon oxide （SiO2）. However, single HfO2 films suffer from a sharp increase in leakage current due to the formation of grain boundaries during subsequent high-temperature processes, caused by their low crystallization activation energy. To address this issue, doping methods using conventional supercycle ALD processes have been widely studied. In this work, we introduce a horizontal doping ALD process that induces lateral atomic mixing at the monolayer scale to evaluate its effect on Dy doped HfO2 films. In particular, density functional theory （DFT） calculations and Monte Carlo （MC） simulations were performed to elucidate the sequence-dependent cross-adsorption mechanisms on the initial surface. Furthermore, the crystallization behavior of the films and the electrical characteristics of the devices were analyzed as a function of post-deposition annealing temperatures. Consequently, this study demonstrates the impact of horizontal doping on enhancing the thermal stability and insulation reliability of ultrathin HfO2, offering a promising pathway for the performance advancement of next-generation semiconductor devices.
more초록/요약
본 논문에서는 극초박막 하프늄 옥사이드 （HfO2） 도핑 박막 형성을 위해 수평적 도핑 원자층 증착 공정의 적용에 따른 특성을 분석했다. 반도체의 성능 향상을 위해 소자 미세화가 가속화되는 가운데, 기존 실리콘 옥사이드 （SiO2）를 대체할 수 있는 고유전율 （High-k） 기반의 HfO2 박막은 우수한 유전 특성으로 각광받고 있다. 그러나 단일 HfO2 박막은 낮은 결정화 활성화 에너지로 인해 고온의 후속 공정에서 결정립계가 형성되어 누설 전류가 급격히 증가하는 문제점이 있다. 이러한 특성을 개선하기 위한 목적으로 복합 사이클 적층 방식인 수직적 도핑 원자층 증착 공정을 응용한 도핑 연구가 진행되어왔다. 본 연구에서는 원자층 레벨에서 수평적인 원자 혼합을 유도하는 수평적 도핑 원자층 증착 공정을 도입하여 디스프로슘 （Dy）이 도핑된 HfO2 박막의 효과를 분석한다. 특히, 밀도범함수이론 （DFT）과 몬테카를로 （MC） 시뮬레이션을 통해 초기 표면에서의 시퀀스 의존적 교차 흡착 메커니즘을 규명하고, 후속 열처리 온도에 따른 박막의 결정화 거동 및 소자의 전기적 특성을 분석한다. 따라서, 극초박막 HfO2의 열적 상안정성 및 절연 신뢰성 개선에 미치는 영향을 밝혀 차세대 반도체 소자의 성능 개선에 기여할 수 있는 연구를 제시하고자 한다. 주제어: Atomic Layer Deposition, Multi Component Film, Growth Characteristics, Crystal Suppression, Leakage Current Density
more목차
제 1장. 연구 배경 1
1.1 반도체 소자 미세화에 따른 고유전율 물질의 필요성 1
1.2 고유전율 전이금속인 하프늄 옥사이드의 한계점 4
1.3 전이금속 내 희토류 도핑을 통한 전기적 특성 개선 6
1.4 원자층 증착 공정과 수평적 도핑 원자층 증착 공정의 필요성 9
제 2장. 수평적 도핑 원자층 증착 공정의 성장 특성 13
2.1 서론 13
2.2 실험 방법 14
2.2.1 극초박막 증착 공정 및 박막 특성 분석 14
2.2.2 밀도범함수이론 및 몬테카를로 시뮬레이션 조건 17
2.3 결과 및 논의 21
2.3.1 수평적 도핑 원자층 증착 공정의 시퀀스별 포화 성장 거동 21
2.3.2 수평적 원자층 증착 공정의 시퀀스 의존적 도핑 농도 변화 23
2.3.3 밀도범함수이론을 통한 전구체별 표면 화학 흡착 반응 메커니즘 규명 25
2.3.4 몬테카를로 시뮬레이션을 이용한 유효 표면 피복률 및 공간적 성분 분포 해석 32
2.4 결론 39
제 3장. 수평적 도핑 원자층 증착 박막의 구조 및 전기적 특성 40
3.1 서론 40
3.2 실험 방법 41
3.3 결과 및 논의 42
3.3.1 수평적 도핑 박막의 후속 열처리 온도별 결정화 거동 및 구조적 상안정성 고찰 42
3.3.2 MOS 커패시터의 누설 전류 특성 47
3.3.3 대면적 양산성 평가를 위한 6 인치 웨이퍼 수준의 두께 균일도 검증 55
3.4 결론 58
제 4장. 요약 60
참고 문헌 62
연구 실적 65
Abstract in English 67
