원자층 증착 HfO2 기반 금속-절연체-금속 커패시터의 Al 점진적 도핑을 통한 유전율 향상 = Enhanced Dielectric Constant by Al Gradient Doping on Atomic-Layer-Deposited HfO2 Based Metal–Insulator–Metal Capacitor

국문 초록 (Abstract)

산업 전반에서 점점 더 큰 데이터 용량과 빠른 처리 속도가 요구됨에 따라, 금속-절연체-금속 (MIM) 커패시터의 정전용량 향상이 매우 중요해지고 있다. 본 연구에서는 HfO2 기반 MIM 커패시터의 유전율에 미치는 알루미늄 (Al) 점진적 도핑의 영향을 조사하였다. 균일 도핑과 비교할 때, 점진적 도핑은 HfO2 를 높은 유전율을 갖는 정방정계 상으로 더 효과적으로 전이시켜 더 높은 정전용량을 유도하였다. 또한 고유전 성능을 최적화하기 위해 열처리 온도, 캡핑 층, 원자층 증착(ALD) 조건 등의 요소들도 함께 연구되었다. 커패시터는 400 ℃, 500 ℃, 600 ℃의 열처리 조건하에서 점진적 도핑 및 균일 도핑 방식으로 각각 제작 및 테스트되었다. 점진적 도핑은 누설 전류를 한 자릿수(order) 감소시키는데 성공하였다. 균일 도핑된 커패시터는 약 44.7의 유전율과 0.96 nm의 등가 산화막 두께를 나타낸 반면, 점진적 도핑은 약 60.7의 유전율과 0.71 nm의 등가 산화막 두께를 달성하였으며, 이는 현재까지 보고된 HfO2 - 30 의 최고 유전율에 해당하며, 유전율은 35.8% 향상되고 등가 산화막 두께는 0.25 nm 감소한 수치이다. 이러한 결과는 점진적 도핑이 고정전용량 응용을 위한 MIM 커패시터 성능을 향상시키는데 큰 잠재력이 있음을 시사한다.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 2. 이론적 배경 3
• 2.1. HfO2 특성 및 응용 분야 3
• 2.2. HfO2 합성 기술 4
• 3. 실험 방법 6
• 3.1. HfAlO MIM 캐패시터 소자 제작 6
• 3.2. HfAlO 박막의 물성 분석 8
• 3.3. HfAlO기반 캐패시터 소자의 전기적 특성 분석 방법 8
• 4. 실험 결과 9
• 4.1. Al 도핑 농도에 따른 전기적 특성 9
• 4.2. 균일한 Al 도핑 HfO2와 점진적 Al도핑 HfO2의 레시피 제작 12
• 4.3. 균일한 Al 도핑 HfO2와 점진적 Al 도핑 HfO2 물성 평가 14
• 4.4. 균일한 Al 도핑 HfO2와 점진적 Al 도핑 HfO2 전기적 특성 평가 20
• 5. 결론 26
• 6. 참고문헌 47
• 국 문 초 록 30