N2 Plasma 처리한 Hafnium-Zirconium-Oxide 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 정전 용량값을 가지는 High-k 물질의 증착방법에 대한 연구가 활발히 연구되고 있다. High-k 물질들 중에서 HfO₂와 ZrO₂는 dielectric constant값이 크고 band gap이 크다. 또한 실리콘 기판과의 접촉에서 열적으로 안정하며 실리콘과의 lattice 차이가 적다. HF용액으로 etching이 가능하며 polysilicon과의 접촉성이 우수한 것 또한 장점이라 할 수 있다. 하지만 HfO₂ 와 ZrO₂ 는 실리콘 기판 위에 증착 시 interlayer의 형성을 수반하게 되고, 후속 열처리 시 oxide와 Si 계면에서의 화학적 반응에 의해 thin SiOx interlayer 또는 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 hafnium-zirconium-oxide 박막을 제조하고 N₂ remote plasma를 이용한 RPN (Remote Plasma Nitridation) 후처리한 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, HfCl₄, ZrCl₄ 와 H₂O를 각각 메탈 소스와 반응가스들로 사용하였고, 밸브의 개폐를 컴퓨터로 자동 제어하여 분리공급하고, 각 공급 사이에 purge 공정을 삽입했다. Hafnium-zirconium-oxide 게이트 산화막을 ALD 방법으로 300℃에서 증착한 뒤, 화학적, 물리적 특성을 분석하기 위해 X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS), High Resolution Transmission Electron Microscopy (HRTEM)를 이용하였다. 전기적 특성의 분석을 위해 capacitance-voltage (C-V)와 Current-voltage (I-V)가 측정되었다. 또한 N2 remote plasma의 진단을 위해서 optical emission spectroscopy (OES)와 Langmuir probe를 이용하였다. 본 실험에서는 일반 화학 기상 증착법(CVD)보다 낮은 300℃에서 hafnium-zironium-oxide 게이트 산화막을 성공적으로 증착 하였으며, XRD, XPS 분석결과 HfO₂, ZrO₂ 이 일정한 비율로 증착되었음을 확인하였다. HRTEM, C-V, I-V 분석 결과 RPN 처리 시에는 후속 열처리 후에도 박막의 결정화 정도가 감소하고 높은 정전 용량을 갖는 것으로 나타났으며, 누설 전류값 또한 감소하였다.; Characteristics of hafnium-zirconium-oxide film with and without remote plasma nitridation, have been investigated. The films were deposited by atomic layer deposition (ALD) method. After deposition, the remote plasma nitridation was performed. Nitrogen atoms were successfully incorporated into the hafnium-zirconium-oxide films. As-deposited hafnium-zirconium-oxide film showed partially crystallized structure. Remote plasma treatment of the hafnium-zirconium-oxide film can effectively suppress the crystallization of the film during rapid thermal annealing (RTA). The annealed hafnium-zirconium-oxide film treated by the remote plasma nitridation showed lower equivalent oxide thickness and lower leakage current density than non-nitrided sample with the same physical thickness. The equivalent oxide thickness (EOT) of the mixed oxide films with and without nitridation were approximately 1.8 and 2.0 nm, respectively, and the leakage current densities of the films were 5.5×10^(-8) and 9.2×10^(-6) A/㎠, respectively.