ALD-HfO₂ 를 적용한 MOSFET 제작 및 HfO₂의 전처리에 따른 박막의 특성평가

Abstract

반도체의 고집적화에 따른 누설전류의 증가로 인해 기존의 SiO₂구조의 stack은 더 이상 사용이 불가능하리라고 예상됨에 따라 기존의 SiO₂ 게이트 산화물을 고유전 재료로 대체하고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 고유전 물질 중에 대표적인 물질인 HfO₂는 실리콘 기판과 HfO₂ 사이에 계면층이 형성됨에 따라 낮은 정전 용량을 갖게 된다. 이로 인하여 높은 capacitance equivalent thickness (CET) 값을 갖게 된다. 또한 누설전류가 다소 높고 채널의 이동도가 낮다는 단점을 가지고 있다. 이러한 단점을 개선하는 방법 중 하나로 HfO₂박막을 증착하기 전, 실리콘 계면에 전처리를 하여 박막의 전기적 특성을 향상 시키는 방법이 있다. 본 실험에서는 HfO₂ 증착 시 나타나는 계면층 증가현상과 계면준위 의 발생을 억제시키기 위한 여러 가지 전처리 방법을 통해 시편을 제작 하였고 또한 전처리를 하지 않은 표준 시편을 제작하여 전처리 종류 및 유무에 따른 HfO₂의 전기적 특성을 비교 분석 하였다. 본 연구는 이를 위해HfO₂ 박막을atomic layer deposition (ALD) 방법으로 증착하였으며, Tetrakisethylmethylamino-hafnium (TEMAH) 소스가스를 이용하였고 이 때, 산화제는 H₂O를 이용하였다. 최적의 ALD-HfO₂ 박막 증착을 위하여 dielectric improve annealing (DIA) 및 RTA실시하였으며, 이로 인한 박막의 계면 특성을 향상 시켰다. C-V와 I-V의 결과를 통하여 박막의 전기적 특성을 평가한 결과, EOT 측면에서는 SiON이, hysteresis 측면에서는 KCN이 가장 좋게 나타났다. 전압 증가에 따른 누설전류 변화의 양상이 H₂O₂와 SiO₂의 경우가 유사 하게 나타났고, SiON과 KCN의 경우가 유사하게 나타났다. 그리고, 낮은 전압 영역에서는 SiON과 KCN의 경우가 H₂O₂와 SiO₂보다 낮게 나타났지만, 높은 전압 영역에서는 반대로 나타났다. 그리고, 1 V @ Vg-VFB 값을 비교하였을 때, KCN의 경우가 2.6 X 10^(-5) A/cm2으로 가장 우수하게 나타났다. 아울러 고유전 물질인 HfO₂ 박막과 금속전극인 Mo 게이트를 적용하여 트랜지스터를 제작 하였는데, 박막의 전기적 특성을 분석한 결과 게이트 전압이 2V일 때, 문턱 전압이 0.8V이었고, 전계효과 이동도는 30cm2/ Vs를 나타내었다.; As the gate oxide thickness aggressively scales down, the increasing gate leakage current presents a major concern for deep submicron MOS technologies. High - k dielectric films have been studied as replacement as for the SiO₂ in the feature CMOS devices. Hafnium oxide is suited to the most compatible high-k material with conventional complementary metal oxide semiconductor (CMOS) process technology. However, it is well known that the interfacial layer of HfO₂/Si seriously affects the electrical properties of HfO₂ such as EOT and interfacial charges. In order to solve this matter, We investigated the effect pretreatment of substrate on the electrical properties of dielectric films.(KCN, H₂O₂, SiON) HfO₂ thin films were deposited from the hafnium precursor TEMAH (Hf[N(CH₃)(C₂H_(5))]4) using atomic layer deposition(ALD) and H₂O source. HfO₂ films through dielectric improve annealing (DIA) and rapid thermal annealing (RTA) process were evaluated. Current density-voltage(J-V)and capacitance-voltage(C-V) measurements were carried out. In terms of EOT the SiON treated HfO₂ thinner than that of H₂O₂, KCN and SiO₂. However, the Hysteresis of KCN the lowest while that of SiON, H₂O₂ and SiO₂. And the leakage current density was the lowest in KCN treated HfO₂. (2.6 X 10^(-5) A/cm2 at 1V). Moreover for a metal gate electrode application, Mo were applied to HfO₂ films to get MOSFET. Field effect mobility and on/off ratio of HfO₂ transistor on Si are 30cm2/Vs and 1 103, respectively.