Improved properties atomic-layer-deposited metal oxide films using novel precursors

Abstract

High-k metal oxide materials such as HfO2 and ZrO2 are currently used as gate insulators for MOSFETs and capacitor for DRAM devices due to their high permittivity and band gap energy, excellent thermal stability, and compatibility with Si. In order to improve the characteristics of MOSFET and DRAM capacitors, Research of devices is being conducted to fabricate devices with a 3D structure. Atomic layer deposition (ALD) is a deposition method suitable for fabricating 3D structure devices because it enables precise thickness control and has excellent thin film uniformity and step coverage.

obtaining high-quality ZrO2, plasma enhanced atomic layer deposition (PEALD) play an important role in the fabrication high quality of film. Compared to Thermal ALD, PEALD shows improved film density, film stoichiometry. There are two types of PEALD: direct plasma type and remote plasma type. Capacitively coupled plasma (CCP), which is mainly used as a direct plasma type, shows poor film conformality due to ion bombardment and plasma damage. Step coverage can be improved by changing from direct plasma to remote plasma because plasma generated in space separated from the reaction chamber, ions reaching the substrate can be minimized. In this study, we introduce hollow cathode plasma (HCP) source that is remote plasma source and has high plasma density owing to the principle of trapping electrons and ions in the cathode hole as PEALD oxygen reactant. We investigated assorted properties of ALD ZrO2 films such as film density, stoichiometry, impurities, and electrical properties using various analysis methods. Compared to other reactants (O3, O2 CCP), ZrO2 films deposited using O2 HCP source showed improved crystallinity, physicochemical properties, and growth behavior. In ALD HfO2, the physicochemical properties of the HfO2 thin film depend on the Hf precursor chemistry, so the selection of the Hf precursor is important. Devices such as MOSFETs and DRAM capacitors fabricated using HfO2 require high levels of insulating properties and reliability, and in order to fabricate high-quality HfO2 that meets these characteristics, Hf precursors with excellent thermal stability are required in high-temperature ALD. In this study, the growth behavior, physical, chemical, and electrical properties of HfO2 deposited using a novel Hf precursor and CpHf(NMe2)3 were compared. Compared to CpHf(NMe2)3, the HfO2 deposited using AFuHf(NMe2)3 Hf precursor has excellent self-limiting inhibition characteristics as shown in the DFT results. As a result, it was confirmed that the physical, chemical, and electrical properties of the HfO2 deposited using AFuHf(NMe2)3 were improved at high temperatures, and it was confirmed that the precursor thermal decomposition did not occur. The above results indicate that the AFuHf(NMe2)3 is a suitable precursor for high-temperature deposition.|HfO2, ZrO2 와 같은 high-k metal oxide 물질은 높은 유전율과 밴드갭 에너지, 우수한 열적 안정성 및 Si과의 호환성으로 인해 현재 MOSFET의 게이트 절연막 및 DRAM 커패시터 소자의 절연막으로서 활용되고 있다. MOSFET, DRAM capacitor는 특성 개선을 위해 high aspect ratio structure와 같은 3D structure 형태로 소자를 제작하는 연구개발이 이뤄지고 있다. Atomic layer deposition (ALD)는 정밀한 두께제어가 가능하며, 박막의 균일도 및 단차 피복성이 우수하여 복잡한 형태의 3D structure의 소자를 제작하는데 유리한 증착 방식으로 high-k metal oxide를 ALD로 증착하는 연구가 방대하게 진행되고 있다.

고품질의 ZrO2을 제작하기 위해서, 플라즈마 원자층 증착법 (plasma-enhanced atomic layer deposition, PEALD)이 중요한 역할을 하게 되는데, 기존 ALD와 비교할 경우 PEALD로 제작한 박막의 경우 높은 반응성으로 인해 박막의 밀도와 조성이 우수하다는 장점을 가지고 있다. 본 연구에서는 cathode hole에 전자와 이온을 가두는 원리를 통해 높은 플라즈마 밀도를 가진 hollow cathode plasma (HCP) 라는 remote 플라즈마를 이용하여 PEALD ZrO2 박막을 증착하여 특성을 확인하였다. ZrO2 박막의 성장률, 밀도, 조성, 불순물, 전기적특성을 확인하였고, 분석결과 HCP ZrO2 박막이 성장률 및 물리화학적 특성에 있어 더 우수함을 확인했다. 상기결과는, 본 연구에서 제안한 HCP를 적용하여 고품질의 ZrO2 박막을 형성할 수 있음을 나타낸다.

ALD는 precursor의 화학적 흡착반응에 의해 박막이 형성되는 증착 방식으로 Hf precursor chemistry에 따라 HfO2 박막의 물리화학적 특성이 변화함으로, Hf precursor의 선택은 중요하다. HfO2를 이용하여 제작하는 MOSFET, DRAM capacitor와 같은 device는 높은 수준의 insulating property, reliability가 요구되며, 이러한 특성을 만족하는 고품질의 HfO2를 제작하기 위해서는 고온 ALD에서도 반응성과 열안정성이 우수한 Hf precursor가 필요한 상황이다. 본 연구에서는 novel Hf precursor와 CpHf(NMe2)3을 이용하여 증착한 HfO2의 성장거동 및 물리적 특성, 화학적 특성, 전기적 특성을 비교하였다. CpHf(NMe2¬)3와 비교하여 novel Hf precursor를 이용하여 증착한 박막의 경우 고온에서 박막의 물리적, 화학적, 전기적 특성이 개선됨을 확인하였고, precursor 열분해가 일어나지 않은 것을 확인하였다. 상기결과는 본 연구에서 도입한 novel Hf precursor가 고온 증착에 유리한 precursor임을 나타낸다.