Analysis of electrical characteristics and application in doped hafnium oxide thin films

국문 초록 (Abstract)

반도체 기술은 반도체 집적회로의 성능이 24개월 마다 2배씩 증가한다는 무어의 법칙에 따라 발전되어왔다. 하지만 소형화 고집적화가 진행되면서 물리적인 한계에 도달했고 이에 누설전류, 문턱전압의 변화 등의 문제를 가지게 된다. 이를 해결하기위해 새로운 물질, 새로운 구조의 소자들이 연구되고 있으며 HfO2 박막은 이러한 문제를 해결하기 위한 물질로서 연구가 되고있다.
HfO2 박막은 고유전율을 가지는 물질로 기존의 Si/SiO2 게이트 구조를 대체할 수 있는 물질이다. 고유전율 게이트 유전체를 사용하면 산화막의 두께를 두껍게하면서도 EOT를 유지할 수 있어 게이트 누설전류를 줄일 수 있다. HfO2 박막은 기존의 MOSFET공정과의 호환성, 높은 밴드갭(~5.8eV), 그리고 고유전율(~30)의 장점을 가지고 있어 새로운 게이트 물질로서 많은 관심을 받고 있다.
HfO2 물질은 도핑을 통해 유전체에서 강유전체로 변할 수 있다. 이 결과는 2011년에 독일의 NaMLab에서 Si을 도핑한 HfO2이 강유전성을 가지는 것을 처음 확인되었다. 기존에 연구되던 PZT와 BTO등의 Perovskite 구조를 갖는 강유전체는 두께가 ~100nm 정도로 두꺼울 때 강유전성이 나타나는데 반해, HfO2를 기반으로 하는 커패시터에서는 10nm 이하일 때에도 강유전성을 보인다. 따라서 강유전성을 이용한 차세대 반도체소자에 적합한 물질로 주목받고 있다.
이 논문에서는 Atomic Layer Deposition(ALD)를 이용하여 Al과 Zr이 각각 도핑된 HfO2 박막을 제작하여 전기적 특성을 분석하고 각 물질의 특성에 따른 어플리케이션을 만들어 특성을 확인한다. Al이 도핑된 HfO2는 RRAM의 전도층으로 사용되었고, Rapid Thermal Annealing(RTA) 온도에 따른 소자의 특성을 분석하였다. 그 결과 850°C 30초에서 ~450회의 지구성과 ~103의 on/off 전류 비율을 갖는 것을 확인했다. Zr이 도핑된 HfO2에서는 강유전특성을 구현하고 공정의 연속성 유무에 따른 차이를 비교했다. 또한, Fully-Depleted Silicon On Insulator(FDSOI)와 2N7000에 각각 직렬로 연결하여 소비전력을 줄이는 구조의 소자를 제작하여 전류를 제어했고 동작전류를 ~10-8으로 줄여 저전력 소자로의 발전 가능성을 확인했다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Semiconductor technology has been developed in accordance with Moore's law that the performance of semiconductor integrated circuits doubles every 24 months. However, as the miniaturization and highly compacted, the physical limit has been reached, resulting in problems such as leakage current and changes in threshold voltage. To solve this problem, new materials, new structure elements are being studied, and HfO2 thin film is being studied as a material to solve this problem.
HfO2 thin film witch is a material with high-k can replace the existing Si/SiO2 gate structure. The use of high-k gate dielectric can reduce gate leakage current by maintaining EOT while thickening oxide film. The HfO2 thin film has the advantages of compatibility with existing MOSFET process, high band gap(~5.8eV), and high dielectric constant(~30), so it is receiving much attention as a new gate material.
The HfO2 material can be changed from dielectric to ferroelectric through doping process. The results were first confirmed in 2011 that HfO2, which doped Si in NaMLab, Germany, had ferroelectrics. While the previously studied perovskite structure of PZT and BTO is thick enough to be ~100 nm, the capacitor based on HfO2 shows ferroelectricity even when it is less than 10 nm. Therefore, it is attracting attention as a material suitable for next-generation devices using ferroelectric materials
In this paper, using Atomic Layer Deposition(ALD), Al or Zr doped HfO2 thin film, analyze electrical properties, and make an application according to the characteristics of each material to verify the properties. HfO2 in which Al was doped was used as a conductive layer of RRAM, and the characteristics of the device according to the Rapid Thermal Annealing(RTA) temperature were analyzed. The results confirmed that at 850°C 30 seconds to have ~450 endurance and ~103 on/off current ratio. The ferroelectric properties were obtained in Zr doped HfO2 and the differences between the presence and absence of continuity of the process were compared. In addition, ferroelectric HZO capacitor were connected in series to Full-Depleted Silicon On Insulator (FDSOI) and 2N7000 ,respectively, to reduce power consumption, controlling current and reducing the operational current to ~10-8 to confirm the potential for development into low-power devices.

목차 (Table of Contents)

• 1. Introduction 6
• 2. Background 8
• 2.1. Ferroelectrics 8
• 2.2. Hafnium-oxide(HfO2) 10
• 2.3. Conducting mechanism of dielectric materials 13
• A. Ohmic Conduction 14
• B. Schottky Emission 15
• C. Poole-Frenkel (P-F) Emission 16
• D. Direct and Fowler-Nordheim(F-N) Tunneling 17
• 3. MIM Capacitor Using HAO Layer 18
• 3.1. Fabrication and measurement 18
• 3.2. Resistive Random Access Memory(RRAM) 21
• A. Switching mechanism of RRAM 21
• B. Result and discussion 23
• 4. MFM Capacitor Using HZO Layer 29
• 4.1. Fabrication and measurement 30
• 4.2. Electrical properties 31
• 4.3. MFM connected with FDSOI in series materials 35
• 5. Conclusion 38
• References 39
• Korean Abstract 42