원거리 플라즈마 원자층 증착법을 이용한 Nitrided Hf Silicate 박막의 Nitrogen 분포의 특성 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 정전용량값을 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, a_(si)=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, 결정화 온도가 낮으므로 후속 열처리 시 oxide와 실리콘 계면에서 화학적 반응에 의해 SiO_(x) interlayer 또는 silicate가 형성된다. 이렇게 형성된 interlayer는 전체적인 gate dielectric film의 dielectric constant 값을 저하시킨다. 반면 Hf-silicate는 결정화 온도가 높아 고온에서도 amorphous 상을 유지하며, 실리콘 기판과의 interface stability가 높다. 이 연구의 목적은 Remote Plasma Enhanced ALD법으로 Hf-silicate 박막을 증착하고, 증착 중 N₂ plasm를 한 것과 증착 후 N₂ plasma 처리를 한 HfSi_(x)O_(y)N_(z) 박막의 화학적, 물리적, 전기적 특성을 조사하고 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 실험에서 사용된 실리콘 기판은 저항이 6-12Ωcm인 p-type Si(100) 기판이다. 이것을 piranha 세정과 HF 세정을 하여 유기물과 자연산화막을 제거하였으며, TEMAH와 tri-DMASiH 를 각각 Hf 소스와 Si 소스로 사용하였고, O2 plasma와 N₂ plasma를 반응가스들로 사용하였다. 밸브의 개폐를 컴퓨터로 자동제어하여 분리공급하고, 각 공급 사이에 purge 공정을 삽입했다. HfSi_(x)O_(y)N_(z) 게이트 산화막을 Remote PEALD 방법으로 300℃에서 증착한 뒤, X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS), C-V, I-V 분석을 하고, 전기적 특성에 따른 전도 mechanism에 대한 분석을 하였다.; As the complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) device scaling reaches submicron era, various kind of Hf-based dielectrics have been extensively studied for replacing conventional silicon oxide (SiO_(x)) or silicon oxynitride (SiO_(x)N_(y)) due to their reasonable permittivity, relatively larger band gap and good thermodynamic stability. However, such materials could not exhibit their inherent characteristics in the devices for interfacial reaction with Si surface and structural change due to following thermal integration process. Thus, among the many candidates of high-k dielectrics, nitrided Hf silicate (HfSi_(x)O_(y)N_(z)) emerges as one of the most promising materials, recently, because of its practically advantageous features such as reduced leakage current density, increased dielectric constant, prevented boron penetration and amorphous structure at an elevated temperature. In recent study, atomic layer deposition (ALD) is being widely studied for deposition technique for high-k dielectrics. However, several problems of conventional ALD such as high particle generation and corrosion of gas delivery lines wereintroduced. To solve these problems, remote plasma atomic layer deposition (RPALD) method was used for fabricating HfSi_(x)O_(y)N_(z) films in this work. In this study, two kinds of gate dielectric films were prepared to compare the effect of nitrogen profile in the films. To fabricate HfSi_(x)O_(y)N_(z)thin film with uniformly incorporated N atoms, alternate deposition method of HfO_(x) and SiN_(x)was used. And, remote plasma nitridation on HfSi_(x)O_(y) forms HfSi_(x)O_(y)N_(z) thin film having the asymmetric distribution of N atoms. Angle resolved X-ray photoelectron spectroscopy (ARXPS) was HfO_(x) to confirm the nitrogen profile of each films. And, Auger electron spectroscopy (AES), were also carried out to define structural and chemical properties. Finally, to characterize electrical properties, capacitance-voltage (C-V) and current-voltage (I-V) was accomplished using metal-oxide-semiconductor (MOS) capacitors with platinum (Pt) electrodes.