고 이동도 기판에서의 원자층 증착법을 이용한 HfO2 고유전막의 전기적 특성 연구

Abstract

기존의 CMOS 공정의 기조를 적용하면서 트랜지스터의 속도를 획기적으로 증대시킬 수 있는 방법으로 제시된 것으로 특히, 최근에는 Si 또는 strained Si 채널보다 전자 및 홀 이동도가 비교적 큰 고이동도 채널을 도입하는 연구가 활발하게 진행되고 있으며 그러한 기판 재료의 후보로는 Ge, GaAs 등의 Ⅲ-Ⅴ족 화합물반도체, 그래핀 등이 거론되고 있다. 구체적으로 PMOS용 채널로는 Ge, NMOS용으로는 GaAs 기판을 사용하는 연구가 주목받고 있다. 하지만 이러한 고이동도 채널 기판은 native oxide의 생성과 제어 및 기판과 유전박막의 계면에서의 instability 특성으로 인해 집적화에 많은 문제가 발생 하고 있다. 본 연구에서는 전하이동도가 큰 기판인 Ge, GaAs와 high-k HfO2 유전체, 금속 전극을 이용한 MOS capacitor에서의 전기적 특성 평가 및 미세구조 특성을 비교 평가하고자 한다. 고유전체 물질로는 HfO2를 선정한 후 ALD(Atomic Layer Deposition)장비를 이용하였으며 Hf precursor로서 TEMAHf(Tetrakisethylmethylamino hafnium)과 반응 Oxidant로서 H2O 및 O3를 사용하였다.[19-21] HfO2 박막을 Ge와 GaAs 기판 위에 증착하여 박막의 물성, 전기적 특성을 평가하였으며, 증착온도 350℃에서 Si기판 기준으로 약 0.87Å/cycle의 증착률을 나타내었고 4 inch wafer 내에서 3% 이하의 두께 균일도를 보였다. 본 실험에서는 HfO2 high-κ dielectric 박막을 ALD로 증착하여 Ge, GaAs/high-κ dielectric 계면의 정합성과 Metal electrode에 따른 계면분석에 대한 연구를 진행하였으며, MISCAP 소자를 제작하여 전기적 특성을 분석하였다. GeOx가 H2O에 녹는다는 성질을 이용하여, in-situ passivation & deposition 공정방법을 도입하였다. Ge MOS device를 만드는 공정 과정 중 ALD 장비를 이용하여 HfO2 유전막을 증착할 때 이 물질의 Oxidant로 사용되는 H2O를 저압 상태에서 H2O vapor상태로 Ge 웨이퍼에 공급하여 GeOx를 에칭하여 불안정한 GeOx의 두께를 감소시킴으로써 전기적 특성을 향상시키고, HfO2가 빨리 증착되는 효과를 얻었다. 결과적으로 GeOx의 표면이 친수성이 되면서 HfO2의 incubation cycle이 감소하여 H2O vapor 처리 시간이 120초 까지 HfO2의 증착 두께는 급격하게 증가하며, 표면이 친수성으로 충분히 바뀐 후에는 incubation 시간 없이도 HfO2의 증착이 바로 일어나므로, HfO2 증착 두께가 일정해진 것을 확인했다. p-type Ge(100)기판을 diluted-HF/DI cyclic cleaning을 사용하여 native oxide를 안정적으로 제거한 후 HfO2/Ge MOS capacitor에서 HfO2의 Oxidant 를 H2O 및 O3 를 사용하여 전기적 특성을 분석하였다. Ru/HfO2 85cycle/p-type Ge stack에서 C-V, I-V curve를 이용하여 전기적 특성을 평가한 결과, O3를 Oxidant로 사용했을때 E.O.T 19Å와 ε=17, 1.08×1013(#/cm2) 의 결과를 얻었으며, H2O를 사용했을때 보다(ALD-H2O, E.O.T=21Å, ε=15, 1.29×1021(#/cm3)) 전기적 특성이 좋아진 것을 확인할 수 있었다. 이후 E.O.T변화에 따라 flatband voltage, leakage current density, breakdown voltage를 분석하였으며, O3를 Oxidant로 사용하여 Ge 기판 위에 증착한 HfO2박막이 작은 E.O.T에서 확인한 결과 Si 기판 위에서 H2O를 Oxidant로 사용하여 증착한 HfO2박막보다도 leakage current density나 breakdown voltage가 우수한 것으로 나타났다. GaAs의 native oxide인 GaxAsyOz를 효과적으로 제거하여 그 두께를 줄이기 위한 cleaning 방법을 찾고자했으며, 이를 위해서 Buffered Oxide Etchant(BOE) cleaning, 1%의 HF dip cleaning, diluted HF & DI의 cyclic cleaning에 대한 효과를 비교했다.[44] 이는 기판 관련한 물질 성분인 Ga, As, GaxAsyO의 화학안정성 즉, 에칭 속도가 chemical마다 다르기 때문에 에칭 속도가 일정한 chemical을 찾기 위한 실험이며, 전기적으로 우수한 cleaning과 동시에 passivation 역할을 하는 방법을 찾기 위한 목적이다. 결과를 바탕으로 GaAs 기판이 HF에 장시간 노출되면 비균일하게 에칭이 되고, 짧은 시간 노출되면 계면 산화막을 감소시키는 에칭의 효과가 약하기 때문에, 단시간 에칭을 수회 반복하는 것이 더 효과적인 것을 알 수 있다. 즉, Native GaxAsyOz의 cleaning 방법으로 알려져 있는 BOE와 거의 동일한 효과를 낼 수 있는 Diluted HF/DI cyclic cleaning이 HF dip cleaning보다 효과적이다. 후술하는 전기적 특성의 평가에서도, Diluted HF/DI cyclic cleaning이 다른 cleaning 방법보다 효과적인 것을 확인할 수 있었다. Metal electrode에 따라 Ge/GaAs 기판과 HfO2유전체 사이의 IL(interfacial layer)의 두께가 변하는 것을 확인하기 위해서 Ge기판은 cyclic cleaning을, GaAs 기판은 BOE용액을 이용하여 native oxide를 제거 하였으며, ALD를 이용하여 HfO2 40cycle을 증착한 후에, DC sputter를 이용하여 Ru, Pt, Pt/Ti, Mo를 증착하여 FGA 처리 후 전극 물질에 따라 interfacial layer가 어떻게 영향을 받는지에 대하여 TEM image를 통해 확인 하였다. 또한 Ru, Mo전극을 이용하여 Ge MOS device를 제작하여 C-V, I-V curve를 통해 전극 물질에 따른 전기적 특성을 평가해 보았다.