Hf metal layer 위에 Remote Plasma ALD 로 증착한 HfO₂ 박막의 특성에 관한 연구

Abstract

반도체 소자가 점차 고집적화 되어감에 따라 트랜지스터를 구성하고 있는 SiO₂ 기반의 게이트 산화막(Gate Oxide) 두께가 점점 감소하고 있으며, 게이트 산화막 두께의 한계에 도달하여 직접 터널링에 의한 누설전류가 소자의 성능을 저하의 원인이 되었다. 따라서 차세대 반도체 소자의 게이트 산화막으로 유전율이 높은 금속 산화막을 통해 이러한 문제점을 극복할 방안을 연구하게 되었고 같은 두께에서도 높은 정전용량 값을 가지는 High-k 물질의 증착방법에 대한 연구가 활발히 연구되고 있다. High-k 물질들 중에서 HfO₂는 dielectric constant 값이 크고(~30) band gap이 크다 (~5.68eV). 또한 실리콘 기판과의 접촉에서 열적으로 안정하며 실리콘과의 lattice 차이가 적다(a=5.11Å, asi=5.43Å). HF 용액으로 etching이 가능하며 polysilicon과의 접촉성이 우수한 것 또한 장점이라 할 수 있다. 하지만, HfO₂는 실리콘 기판 위에 증착 시 interlayer의 형성을 수반하게 되고, 후속 열처리 시 oxide와 Si 계면에서의 화학적 반응에 의해 thin SiOx interlayer 또는 Hf-silicate가 형성된다. 이렇게 형성된 interlayer는 전체적인 gate dielectric film의 dielectric constant 값을 저하시키므로 이에 대한 해결책이 요구된다. 이 연구의 목적은 이러한 High-k 물질의 문제점을 극복하고 더 향상된 전기적, 화학적 특성을 얻기 위한 것이다. 이를 위해 Hf metal 층을 우선 증착한 후, RPALD (Remote Plasma Atomic Layer Deposition)법으로 증착한 HfO₂ 게이트 산화막의 화학적, 물리적, 전기적 특성을 조사하여 차세대 게이트 산화막으로의 적용 가능성을 확인하는 것이다. 증착 방법으로는 일반적인 PVD나 CVD 방법에 비해 박막 특성이 우수한 ALD (Atomic Layer Deposition) 방법을 사용했으며 반응의 활성화를 위해 반응 가스 공급시 Remote plasma를 사용하였다. ALD 증착방법의 특징으로는 공정온도가 낮으며 극박막의 증착이 가능하며 두께조절이 용이하다. 또한 우수한 계단도포성과 대면적에 걸친 우수한 박막 도포성의 장점이 있다. 본 실험에는 저항이 6-9 Ω · cm인 p-type Si(100) 기판이 사용되었다. 이것을 piranha 세정과 HF 세정을 하여 유기물과 자연 산화막을 제거하였으며, UHV E-beam Evaporator를 이용하여 상온에서 Hf metal을 두께별로 증착하였다. 우선 증착된 Hf metal layer 위에 HfO₂의 증착은 tetrakis diethylaminohafnium(TDEAH)와 O₂ plasma를 각각 Hf 소스와 반응가스들로 사용하였고, 밸브의 개폐를 컴퓨터로 자동 제어하여 분리공급하고, 각 공급 사이에 purge 공정을 삽입했다. HfO₂ 게이트 산화막을 RPALD 방법으로 250℃에서 증착한 뒤, 화학적, 물리적 특성을 분석하기 위해 Auger Electron Spectroscopy (AES), Angle-resolved X-ray Photoelectron Spectroscopy (ARXPS), High Resolution Transmission Electron Microscopy (HRTEM)를 이용하였다. 전기적 특성의 분석을 위해 UHV E-beam Evaporator를 이용하여 Pt를 electrode로 100nm 증착 후 forming gas [97% N2 + 3% H2] 분위기를 형성하여 진공도 2 Torr를 유지하며 450℃에서 30분간 Post metallization Annealing 처리를 한 뒤 Keithley 590 analyzer, HP4155A를 각각 이용해 capacitance-voltage (C-V)와 Current-voltage (I-V)를 측정하였다. Hf metal 이 우선 증착된 박막은 Hf metal 층 없이 증착한 HfO₂ 박막과 비교해 interlayer 성장을 효과적으로 억제시켰다. Hf metal 층의 두께가 얇은 박막이 비정질을 유지하는 것에 비해 Hf metal 층의 두께가 두꺼운 박막은 일부 결정화하였다. Hf metal 층이 우선 증착된 HfO₂ 박막은 결정화 온도가 감소하였고 EOT (Equivalent Oxide Thickness) 또한 감소하였다. VFB (Flat Band Voltage)는 우선 증착한 Hf metal 층의 두께가 증가함에 따라 음의 방향으로 이동하였고 유효 Fixed Oxide Charge 밀도도 낮은 defect 밀도를 가진 Hf silicate interlayer의 감소로 증가하였다. 800℃ 열처리 후, VFB 는 이상적인 VFB 에 가까운 방향으로 이동했고 유효 Fixed Oxide Charge 밀도 역시 감소했다. Hf metal 선증착 기술은 누설 전류값과 유효 Fixed Oxide Charge 밀도 등 전기적 특성은 저하했지만, interlayer 성장을 억제함으로써 EOT 감소에 효과적인 것으로 나타났다. 현재 ALD 및 plasma ALD이용한 High-k dielectric 증착에 관한 연구가 활발히 진행되고 있는 바, 이와 같은 remote plasma ALD를 이용한 High-k 박막 및 MOSFET에서 나타나는 우수한 특성은 향후 깊이 있는 연구할 가치가 있음을 입증하고 있다.; We investigate the physical and electrical properties of HfO₂ films grown by the remote plasma atomic layer deposition technique on a pre-deposited Hf metal layer. The Hf metal pre-deposited film effectively retards the growth of the interfacial layer while the HfO₂ film without Hf metal layer shows growth of the interfacial layer. The as-deposited HfO₂ layers on thick Hf metal layers are crystallized while those on thinHf metal layers remain amorphous. The pre-deposited Hf metal layer decreases the equivalent oxide thickness while it increases the crystallization temperature. The flat band voltage (VFB) shifts in the negative direction with increasing pre-deposited Hf metal film thickness. The effective fixed oxide charge density corresponding to the VFB of HfO₂ films also increases due to the reduction of the Hf silicate interfacial layer which has a low defect charge. After annealing at 800 °C, the flat band voltage of the HfO₂ films shifts toward the ideal VFB and the effective fixed oxide charge decreases. The Hf pre-deposition technique was found to be effective in reducing the EOT by suppressing interfacial layer growth while electrical properties such as the leakage current density and effective fixed oxide charge density were degraded.