고유전율 박막은 결정 결함 및 산소 공공 형성에 기인하는 신뢰성 문제가 발생하기 쉽다. 하지만, 기존 공정은 낮은 열 처리 온도 제한과 함께 원자층 증착으로 만들어진 고유전율 박막의 결...

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Seoul : Sungkyunkwan University, 2026
Thesis(Ph.D.) -- Sungkyunkwan university , Department of Electrical and Computer Engineering , 2026. 2
2026
영어
서울
차세대 메모리를 위한 고유전율 유전체의 누설 전류 감소 및 신뢰성 향상
x, 154 p. : col. ill., charts ; 30 cm
Adviser: Byoungdeog Choi
Includes bibliographical reference(p. 148-152)
I804:11040-000000191158
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고유전율 박막은 결정 결함 및 산소 공공 형성에 기인하는 신뢰성 문제가 발생하기 쉽다. 하지만, 기존 공정은 낮은 열 처리 온도 제한과 함께 원자층 증착으로 만들어진 고유전율 박막의 결함으로 인한 성능 저하라는 중요한 문제에 직면해 있다. 본 연구에서는 자외선 오존 저온 열 처리와 산소 분위기 열 처리를 결합한 새로운 공정, 라디칼 유도 산소 확산 및 비정질 유지 (RODA) 공정을 제안한다. RODA 공정은 자외선 오존 저온 열 처리 공정을 통해 고활성 산소 라디칼을 생성하고, 이를 하프늄 옥사이드 표면에 흡착시켜 산소 공공과 결합하여 결함을 치유하는 효과를 활용한다. 특히 RODA 공정은 단순히 결함을 완화하는 것 뿐만 아니라, 산소 분위기의 열 처리 공정 단계에서 산소 간질 원자를 박막 안으로 적극적으로 확산시켜 구조적 이완을 유도하고 안정적인 비정질 구조를 유지하여 박막의 전체적인 안정성을 향상시킨다. 가속 수명 시험 결과, RODA 공정을 통해 산화막 무결성이 크게 향상됨을 실험적으로 입증하였다. 엑스선 회절 분석은 넓게 분포한 비정질 산란 강도의 미세한 증가를 보여주며, 비정질 상과 단거리 질서가 유지되고 있음을 나타낸다. 엑스선 광전자 분광법 및 정전용량-전압 간 이력 현상 분석을 통해 RODA 공정이 과산화 결합 및 격자 산소와 관련된 다양한 결함 수준을 생성함을 확인했다. 이러한 정밀한 결함 화학 제어를 통해 박막 신뢰성이 크게 향상된다. 본 혁신적인 방법은 단순한 표면 처리를 넘어 박막 내부까지 제어하며, 원자층 증착으로 만들어진 고유전율 박막의 성능을 최대한 끌어낼 수 있는 새로운 결함 관리 방식을 제시한다. 이 연구 결과는 열 처리 온도 제한을 극복하고, 집적 회로의 소형화 추세를 지속할 수 있도록 RODA 공정의 가능성을 보여준다.
다국어 초록 (Multilingual Abstract)
High-k films often suffer from reliability issues stemming from crystalline defects and oxygen vacancy formation. However, conventional processes face a critical challenge: limited thermal budgets and defect-related degradation of atomic layer deposit...
High-k films often suffer from reliability issues stemming from crystalline defects and oxygen vacancy formation. However, conventional processes face a critical challenge: limited thermal budgets and defect-related degradation of atomic layer deposited (ALD) high-k films. This work introduces the Radical induced Oxygen Diffusion and Amorphous retention (RODA) process—a unique combination of UV-O3 Low-Temperature Annealing (LTA) followed by Oxygen atmosphere thermal annealing (PDA). RODA leverages the synergistic effect of generating highly active oxygen radicals through UV-O3 LTA, which are initially adsorbed onto the HfO2 surface and bond with oxygen vacancies, initiating defect healing. Importantly, RODA doesn't simply mitigate defects; the O2 PDA step actively drives Oi into the bulk, inducing structural relaxation and maintaining a remarkably stable, amorphous structure, enhancing the film’s overall stability. Experimental results demonstrate significant enhancements in oxide integrity under accelerated testing. GI-XRD confirms a slight increase in broad halo intensity, indicating the persistence of an amorphous phase and short-range order. XPS and C-V measurements reveal that RODA facilitates the diffusion of oxygen interstitials into the bulk, effectively passivating oxygen vacancies associated with lattice oxygen and thereby reducing trap density, leading to enhanced oxide reliability. This novel approach provides a paradigm shift in defect engineering, extending beyond surface treatments to achieve deep-bulk control and unlock the full potential of ALD-deposited high-k materials. These findings highlight RODA’s potential to overcome thermal budget limitations and enable continued scaling of integrated circuits.
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