고 이동도 기판을 이용한 MOS 소자의 전기적 특성 연구

Abstract

기존의 CMOS 제조 공정에 그대로 적용 할 수 있으며 트랜지스터의 속도를 획기적으로 증대시킬 수 있는 방법으로 제시된 것으로 Si 또는 strained Si 채널보다 전자 및 홀 이동도가 비교적 큰 고이동도 채널을 도입하는 연구가 활발하게 진행되고 있다. 그러한 기판 재료의 후보로는 Ge, Ⅲ-Ⅴ족, 그래핀 등이 거론되고 있으며, 이러한 고이동도 채널 기판은 native oxide의 생성과 제어 및 기판과 유전박막의 사이 계면의 unstability 특성으로 인해 집적화에 많은 문제가 발생 하고 있다. 본 연구에서는 전하이동도가 큰 Ge를 채널로 사용하는 Ge 및 Ge on Si(GOS) 기판을 이용하여 계면 특성을 향상시킬 방법에 대해 연구했으며, 궁극적인 목표는 GOS 기판에 적용이 가능한 passivation 공정 개발에 목적이 있다. Passivation 방법으로 Ge 기판위 GeO2 layer를 성장하는 방법과 기판표면을 S기로 passivation하는 방법(Sulfur passivation)을 선정하였다. 각각의 방법을 Ge 기판에 적용하여 제작한 MOS capacitor의 전기적 특성을 비교했으며 GOS 기판에도 적용해보았다. 유전체 물질로는 HfO2를 선정한 후 ALD(Atomic Layer Deposition) 방법으로 증착하였으며 Hf precursor로서 TEMAHf(Tetrakisethylmethylamino hafnium)과 반응 Oxidant로서 H2O를 사용하였다. 증착온도 350℃에서 Si기판 기준으로 약 0.89Å/cycle의 증착률을 나타내었고 4 inch wafer 내에서 2% 이하의 두께 균일도를 보였다. 그 후에 MOS 소자를 제작하여 high-κ dielectric/Ge, GOS 계면의 처리 방법에 따른 전기적 특성을 분석하였다. p-type Ge(100)을 이용하여 diluted-HF / D.I water를 이용한 cyclic cleaning법으로 native oxide를 제거한 후 1) 즉시 제작한 소자와 2) 대기 중에 2일간 노출하여 GeO2를 성장한 후 제작한 소자의 전기적 특성을 통하여 계면특성을 평가했다. 그리고 (NH4)2S 용액을 이용한 sulfur passivation 처리 유무에 따른 계면특성을 확인 했으며, 열안정성에 대한 평가를 위해 유전체를 증착 후 Tube furnace를 이용하여 N2 gas 분위기에서 30분간 600℃에서 Post Deposition Annealing(PDA)에 따라 각각의 소자를 비교했다. Metal electrode인 Ru을 스퍼터로 증착하고 lift-off방법으로 전극패턴을 형성한 후 소자의 계면의 dangling bond를 줄여주는 목적으로 Forming Gas(N2 95%+H2 5%) 분위기에서 30분간 400℃에서 Annealing(FGA) 처리하였다. Ge 기판 위 GeO2 layer의 유무에 따른 C-V측정값을 CVC 프로그램으로 modeling한 값과 비교하여 분석을 하였으며 각각 Cmax값으로 normalized 하여 계면을 분석하였다. Interface trap density(Dit) 측정법은 Conductance method를 사용하여 계산했다. 측정 결과 대기 중에 2일간 노출하여 GeO2를 성장한 소자는 3.99×1012 cm-2eV-1, 세정 후 바로 제작한 소자의 경우 5.12×1012 cm-2eV-1 으로 측정되었다. Sulfur passivation 처리에 따라 XPS를 이용하여 분석하였으며 S2p peak에서 passivation 처리한 샘플의 경우 sulfide(160~164eV)가 검출 되었다. 이것은 Ge 기판 표면에 GeSx가 형성된 것을 알 수 있다. C-V측정값을 CVC model값과 fitting했으며, normalized한 C-V의 slope 기울기, Dit 추출을 통해 계면 특성이 향상되었음을 확인하였다. Sulfur passivation 처리에 따른 PDA 전과 후에 대한 C-V 및 I-V curve를 분석한 결과 sulfur passivation 처리로 Ge 계면의 열화가 줄어드는 것을 확인할 수 있었다. GeO2 layer를 성장한 소자의 경우 계면 특성을 향상시키지만 EOT가 증가한다는 단점이 있다. 하지만 sulfur passivation 방법은 EOT의 증가 없이 계면특성과 열안정성을 향상시킨다는 장점을 갖고 있으므로 GOS 기판에 sulfur passivation 처리 유무 따른 특성을 비교해 보았다. GOS기판 sulfur passivation 처리에 따른 C-V curve에서 sulfur passivation 처리를 하지 않은 소자는 Cdep의 kink가 생기는 것을 확인하였으며, GOS 기판과 비슷한 도핑 농도를 갖는 Ge 기판과 비교 해보았을 때 Cdep의 kink가 나타났다. 하지만 이는 sulfur passivation 제거할 수 있었으며, 주파수별로 측정한 결과 frequency dispersion 또한 줄어들었다.