MOSFET 적용을 위한 ALD-Hafnium Silicate의 증착 및 전기적 특성평가

Abstract

MOSFET의 소자크기가 감소함에 따라 SiO₂ 유전박막을 대체할 많은 고유전체 물질이 제안되었다. 고유전체 물질들 중에서도, Hf-silicate는 열적안정성, 낮은 누설전류, 큰 bandgap 그리고 높은 이동도의 우수한 특성을 보인다. 본 연구에서는 차세대 MOSFET 소자에 적용 가능한 고유전체 물질로서의 Hf-silicate에 대한 연구를 실시하였다. Hf precursor로서 TEMAH (Tetrakisethylmethylamino hafnium)를, Si precursor로서 tris-EMASiH(tris-ethylmethylamino silane)를 각각 선정하여 ALD (Atomic Layer Deposition) 방법을 이용하여 증착하였다. ALD Si precursor로서 개발된 물질의 종류가 다양하지 않고 일반적으로 SiO₂ 박막의 증착률이 매우 낮다. 그 중 tris-EMASiH는 아직까지 증착 시도 되지 않은 Si precursor로서 높은 증기압으로 공정의 용이할 것으로 생각되며 TEMAH와 같은 ligand를 가짐으로서 박막의 안정적인 증착이 가능할 것으로 기대된다. 증착 시 산화제로는 H₂O 및 D₂O를 사용하였다. 우선 HfO₂ 박막을 Si 기판 위에 증착하였는데 증착온도 250℃~400℃에서 ALD Window를 나타내었으며 산화제에 따른 차이는 별로 보이지 않았다. 전기적 특성에서는 HfO₂의 경우 RTA를 이용하여 N₂분위기에서 500~800℃까지 열처리를 거쳤을 때, C-V 측정 결과 interfacial layer가 꾸준히 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 I-V 측정 결과, 누설전류는 열처리 온도 증가에 따른 유전막의 결정화로 증가하다 800℃에서 다시 감소하는 경향을 보였다. Hf-silicate의 경우 조성과 후속 열처리 온도를 변화시키면서 결과를 관찰하였다. Si의 함량이 증가함에 따라 capacitance는 감소하는 경향을 보여 EOT가 증가하는 것을 발견하였고, I-V 결과에서는 누설전류가 증가하고 breakdown voltage가 감소하는 경향을 보였다. 이후 RTA를 이용하여 N₂분위기에서 600~800℃까지 열처리를 거쳤을 때, 조성변화에 따른 시편들이 모두 capacitance 값이 줄어드는 경향을 보이고 flat band voltage는 열처리 전 시편에 비해 열처리 후 음(-)의 방향으로 shift하는 경향을 보였다. 누설전류 특성을 살펴보면 모든 조성의 시편들이 열처리 온도가 증가함에 따라 누설전류가 감소하고 breakdown 현상이 관찰영역 내에 보이지 않는 것을 관찰하였다. Si의 함량이 최대인 sample에서 가장 낮은 누설전류와 열처리에 의한 최소 누설전류 감소폭이 관찰된 것을 고려하면 Si의 함량이 증가할수록 열처리에 대한 안정성이 증가하는 것으로 보인다. 또한 breakdown 현상이 800℃ 열처리한 시편에서 일어나지 않았으므로 800℃까지는 열처리에 의한 Hf-silicate의 열화가 일어나지 않은 것으로 생각된다. 조성변화에 따른 AFM 표면분석 결과에 따르면 Si의 함량이 증가할수록 roughness가 증가하는 경향을 볼 수 있었고 AES와 XPS로 조성을 분석해본 결과, Si precursor의 cycle을 증가시킴에 따라 Si의 함량이 많아지는 것을 확인하였다.; High-k gate dielectrics were proposed to substitute silicon dioxide in the need for scaling down of MOSFET below 45 nm. Among various high-k dielectric candidates, hafnium silicate (HfSiO) has shown promising characteristics like thermal stability, lower leakage current, and larger bandgap. In this study, the characteristics of hafnium silicates with various compositions were investigated as compared to hafnium oxide film. Hafnium silicate film was grown by atomic layer deposition (ALD) technique using the Hf[N(CH₃)(C₂H_(5))]₄ and SiH[N(CH₃)(C₂H_(5))]₃ as Hf and Si precursors, respectively. There are a few papers Hf-silicate film because of the lack of Si precursors. Among Si precursors, SiH[N(CH₃)(C₂H_(5))]₃ was not reported to be used as a precursor for growing thin filim by ALD technique up to this date. The principal advantage of SiH[N(CH₃)(C₂H_(5))]₃ is higher vapor pressure at low temperature compared to other amine precursors. H₂O and D₂O were used as oxidants. The crystallization of HfO₂ was investigated over 400℃ and HfO₂ deposited on Si substrate has ALD window in the temperature range of 250℃~400℃. Interfacial layers between HfO₂ and the substrate were increased by RTA at the range from 500 to 800℃. Leakage current was increased up to 700℃ and then decreased at 800℃. The composition of the Hf-silicate films was controlled by changing the deposition cycle ratio of Hf and Si precursors. The total number of cycles was controled to make total thickness of 60Å for all samples. Capacitance was decreased by increasing the number of Si deposition cycles of Hf-silicate film. In parallel, the leakage current decreased and breakdown voltage increased by changing the injection ratio of Hf and Si precursors from 5:1 to 1:1, then the opposite relationship was observed for samples 1:3 and 1:5. As RTA temperature increased from 600℃ to 800℃, accumulation capacitance and leakage current decreased. But the decrement of leakage current increased with the Si deposition cycle ratio. After RTA, flatband voltage was shifted toward negative and breakdown was not observed in the voltage range of 0V~-5V. Surface roughness measured by AFM increased by increasing the number of Si deposition cycles. AES shows the existence of Si in Hf-silicate film. Also from XPS analysis, Hf-Si bonding is confirmed by Hf peak in the range from 15eV to 17eV and the O 1s spectrum shows Si-O bonding. These features were more significantly noticed by increasing the number of Si deposition cycles which suggest that Si content in Hf-silicate film increased by controlling the Hf-Si deposition ratio.