산소소스 변화를 통한 원자층 증착법 HfO2의 물리적 및 전기적 특성 비교분석에 관한 연구

Abstract

Moore's law에 의해 CMOS 소자의 집적도가 증가함에 따라 기존의 SiO2 유전체 구조의 stack은 여러 가지 물리적 한계점에 도달하여, SiO2를 고유전체로 대체하려는 연구가 활발히 진행 중이다. 그 주된 이유는, 얇은 (<2nm) 열 산화막의 경우 direct tunneling current에 의해 높은 누설전류를 나타내고 두께가 얇아질수록 기하급수적으로 증가하기 때문이다. 때문에 SiO2를 대체하기 위한 고유전체는 낮은 누설전류를 갖는 것이 무엇보다 중요하다. 현재 가장 활발히 연구되고 있는 고유전 물질은 유전상수 > 20, bandgap > 5eV, barrier height > 1.5eV 등의 특성을 가지고 있는 HfO2이다. 일반적으로 HfO2의 경우 산소 source로 H2O를 사용하는데 이 때 HfO2 박막 내의 여분의 H+에 의해 막의 전기적 특성이 저하되고 또한 Si 기판과의 불안정한 계면특성으로 인해 계면층을 형성하는데 이것 역시 전기적 특성 저하의 원인이 된다. 따라서 본 연구에서는 산소 source 변화 및 계면층 변화에 따른 HfO2의 전기적 특성 특히 누설전류 특성을 비교 분석하였다. Hf 전구체로서 TEMAH(Tetrakisethylemethylamino hafnium)와 산화제로 H2O 및 D2O를 사용하여 HfO2 박막을 Si 기판위에 증착하였는데 증착온도 350℃에서 약 0.9Å/cycle의 증착률을 나타내었고 4inch wafer 내에서 3% 이하의 균일한 두께 분포를 보였다. XRD 분석결과 D2O와 H2O를 사용한 HfO2 모두 결정질 일 때 monoclinic 결정상을 나타냈고 900℃에서 두 시편의 반치폭을 구한 결과 H2O-HfO2시편은 0.7을 D2O-HfO2시편은 1.3을 나타내어 H2O-HfO2가 더 높은 결정성을 나타냄을 알았다. TOF-SIMS(Time Of Flight Secondary Ion Mass Spectroscopy)를 이용하여 D2O를 사용한 HfO2 박막 내에서 deuterium이 휘발하지 않고 안정적으로 존재함을 확인하였고 H2O를 사용한 HfO2의 경우 hydrogen 농도가 D2O을 사용한 HfO2에 비해 높음을 알 수 있었다. 전기적 특성 측정결과, C-V curve에서 SiO2 계면층을 갖는 HfO2의 경우 두 가지 산소 source를 사용한 HfO2 박막 모두 EOT와 Vfb는 비슷한 양상을 나타냈으며 cycle 증가에 따른 hysteresis의 증가량은 D2O를 사용한 HfO2의 경우가 덜 한 것으로 나타났다. 또한 두 시편의 flatband voltage로부터 1V에서의 누설전류 값을 비교해보면 모든 증착 cycle에서 H2O-HfO2 시편이 D2O-HfO2 시편에 대해 약 3배정도 높은 누설전류를 나타낸 것을 알 수 있었다. 즉, 전반적으로 H2O-HfO2 박막보다 D2O-HfO2의 박막이 더 우수한 누설전류 특성을 나타내었다. SiON 계면층을 갖는 HfO2 박막의 전기적 특성 분석 결과는 SiO2 계면층을 갖는 HfO2와 거의 비슷한 결과를 나타내었다. 즉 SiON 계면층을 갖는 HfO2 역시 D2O를 사용한 HfO2 박막이 H2O를 사용한 HfO2에 비해 더 좋은 누설전류 특성을 나타냄을 확인하였다. 누설전류특성을 고찰하기 위해 50Å의 HfO2을 증착하여 500℃, 산소분위기에서 열처리를 한 후 온도에 따른 J-V curve를 측정하였고 D2O 시편의 경우 약 0.7Vg, H2O 시편의 경우 약 0.6Vg에서 각각 온도에 의존하는 누설전류 기구인 Poole-Frenkle(PF) emission이 발생함을 알았다. HfO2의 conduction band 아래에 위치하여 PF을 발생시키는 trap site의 위치는 D2O를 사용한 HfO2 박막의 경우 0.8eV, H2O를 사용한 HfO2 박막은 0.9eV임을 알았다.; For the past three decades transistor performance and density doubled every three years, a trend characterized as Moore's law. Scaling down of the SiO2 gate oxide is reaching its critical limit. At a thickness of less than 1.5nm, large currents flow through the gate oxide because of direct tunneling. In order to overcome this problem, higher dielectric constant materials that allow a thicker insulating layer for the same equivalent oxide thickness as silicon dioxide are being pursued. Some of the leading candidates include HfO2, ZrO2 and Al2O3. Among these, HfO2 is an excellent candidate due to its high dielectric constant, good thermal stability, and wide band gap and band offset. Also, HfO2 is very resistive to impurity diffusion and intermixing at the interface because of its high density. But HfO2 film using H2O as oxidant can also degrade the film electrical properties because of residual OH-and H+ ions broken from H2O in the film. The electrical and reliability characteristics of the dielectric are sensitive to the concentration of hydrogen-related species in the oxide bulk and interface. But SiD bonds as a results of using D2O as oxidant are more difficult to break than SiH bonds because of the heavy mass of deuterium. In this paper, HfO2 thin films were deposited from the hafnium precursor Hf[N(CH3)(C2H5)]4 and D2O or H2O as oxidant in order to investigate electrical properties, in particular for understanding in more detail leakage current characteristics. Capacitance-voltage (C-V) measurements show electrical properties of HfO2 using D2O or H2O as oxidant including flatband voltage of -0.02 and -0.03V and hysteresis of 35 and 46mV, respectively. Leakage current density-voltage (J-V) of HfO2 films using D2O or H2O as oxidant, which have similar EOTs, at 1V from flatband voltage is 1.4ⅹ10-5 and 2.82 ⅹ10-5 A/cm2, respectively. Finally, in order to investigate in more detail leakage current characteristics, leakage current was measured at temperatures ranging from 25℃ to 125℃ with an interval of 20℃. we know that D2O-HfO2 and H2O-HfO2 show the leakage current mechanism of the Poole-Frenkle (PF) emission. But it was found that the different leakage characteristics between the two HfO2 films originated from the different trap depth from conduction band edges. The PF emission of D2O-HfO2 films was started at about Vg=0.7V. Therefore trap depth is about 0.8eV below the conduction band of D2O-HfO2. Also the PF emission of H2O-HfO2 films was started at about Vg=0.6V. Therefore trap depth is about 0.9eV below the conduction band of H2O-HfO2.