DC 마그네트론 스퍼터로 증착한 Al_(2)O_(3)/HfO_(2) 층형박막과 HfO_(2)-Al_(2)O_(3) 혼합박막의 물리적, 전기적 특성연구 = Physcial & electrical properties of Al_(2)O_(3)/HfO_(2) laminate and HfO_(2)-Al_(2)O_(3) thin films by DC magnetron sputtering

국문 초록 (Abstract)

HfO_(2)는 높은 유전상수와 Si기판 위에서 안정하게 생성되는 특성을 가지며, Al_(2)O_(3)는 결정화 온도가 높고, 산소확산계수가 낮으며, 높은 밴드갭의 특성을 가진다. 이러한 상호보완적인 HfO_(2)와 Al_(2)O_(3)의 특성을 이용하여 이를 소자의 게이트 유전막으로 적용하기 위해, 반응성 스퍼터링 방법으로 Al_(2)O_(3)/HfO_(2) 층형구조와 Al_(2)O_(3)-HfO_(2) 혼합구조의 박막을 증착하고, 이후 열처리 공정에 따른 물리적, 전기적 특성을 관찰하였다.
Al_(2)O_(3)/HfO_(2) 층형구조 박막에서 열처리 온도에 따른 두 층의 구조변화는 거의 미미한 것으로 관찰되었으며, 증착 직후 상태에서는 비정질이 유지되다가 900℃의 온도로 열처리시 하부 HfO_(2)층의 부분결정화를 확인하였다. HfO_(2)-Al_(2)O_(3) 혼합구조 박막에서는 전체 HfO_(2)-Al_(2)O_(3) 박막내 Al_(2)O_(3)의 조성은 타겟파워로 조절하였으며, HfO_(2)-Al_(2)O_(3) 박막 내 Al_(2)O_(3)의 농도가 증가함에 따라 결정화 온도가 점차로 증가하는 것을 확인하였다. 그러므로, HfO_(2) 박막 내 Al_(2)O_(3)가 분포하게 되면 Al_(2)O_(3)의 농도증가에 따른 HfO_(2)-Al_(2)O_(3) 박막의 향상된 결정화 온도를 관찰할 수 있다.
Al_(2)O_(3)/HfO_(2) 이중박막구조의 열처리에 따른 미세구조변화를 관찰한 결과, 열처리에 의한 Al_(2)O_(3)층과 HfO_(2)층의 계면을 통한 두 물질의 상호확산을 확인하였으나, 전체적인 이중 Al_(2)O_(3)/HfO_(2) 박막구조는 그대로 유지되었다. 그리고, 본 실험의 방법으로 증착한 Al_(2)O_(3) 박막은 산소확산장벽의 역할을 거의 하지 못하는 것으로 판단된다. HfO_(2)-Al_(2)O_(3) 혼합박막구조에서 전체 박막내의 HfO_(2)와 Al_(2)O_(3)는 어떠한 새로운 화합물을 형성하지 않고, 각각의 물질이 따로 mixture의 형태로 존재함을 확인하였다. 그리고, HfO_(2)-Al_(2)O_(3) 박막 내에 포함되어 있는 Al_(2)O_(3)가 산소확산 장벽 향상의 역할을 거의 하지 못하는 것으로 관찰되었다.
HfO_(2)-Al_(2)O_(3) 혼합박막구조의 캐패시턴스-전압과 전류-전압을 측정한 결과, 약 ∼18의 k값을 산출하였으며, 열처리 온도가 상승함에 따라 중간계면층의 두께 증가에 기인하는 향상된 누설전류 값을 관찰하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Recently, high-k materials are under consideration as replacements for SiO_(2). Among some metal oxides, HfO_(2) is an attractive candidate due to their high dielectric constant and thermal stablity in contact with silicon. And Al_(2)O_(3) is an another attractive candidate because Al_(2)O_(3) can remain amorphous at temperature higher than 900℃. In this study, we investigated the thermal stability of the HfO_(2) based films with Al_(2)O_(3).
HfO_(2)/Al_(2)O_(3) laminate and HfO_(2)-Al_(2)O_(3) thin films were grown on p-type Si(100) by DC magnetron sputtering, and composition of the HfO_(2)-Al_(2)O_(3) thin films was controlled by target power.
After the annealing, HfO_(2)/Al_(2)O_(3) laminate structure was maintained, and Al_(2)O_(3) layer was not useful for blocking oxygen diffusion due to interfacial layer growth. Crystallization temperature of the HfO_(2)-Al_(2)O_(3) thin film which has 16% Al_(2)O_(3) was delayed up to 900℃, and as concentration of the Al_(2)O_(3) in Al_(2)O_(3)-HfO_(2) thin films increases, thermal stability improved. As an annealing temperature increases, HR-TEM analyses of the all the Al_(2)O_(3)-HfO_(2) films show the increased interfacial layer thickness. Therefore, our results show the addition of Al_(2)O_(3) is not useful for blocking oxygen diffusion through the HfO_(2)-Al_(2)O_(3) thin film.
From the C-V and I-V measurements, calculated dielectric constant of the HfO_(2)-Al_(2)O_(3) thin films was ∼18, and as an annealing temperature increases, the leakage current of the films was improved.

목차 (Table of Contents)

• 차례 = I
• 그림 차례 = IV
• 표 차례 = VII
• 국문요약 = VIII
• 제1장 서론 = 1
• 제2장 이론적 배경 = 4
• 2.1 MOSFET의 역사 = 4
• 2.2 MOSFET의 Scaling = 5
• 2.3 SiO_(2)의 문제점과 고유전상수 물질의 필요성 = 7
• 2.4 게이트 유전막으로써 고유전상수 물질의 요구 조건 = 8
• 2.4.1 고유전상수와 높은 장벽 높이 = 9
• 2.4.2 Si기판과의 안정성 = 10
• 2.4.3 Poly-Si 전극과의 안정성 = 10
• 2.5 HfO_(2), Al_(2)O_(3) 박막의 특성 = 11
• 2.5.1 HfO_(2)의 물성 = 11
• 2.5.2 Al_(2)O_(3)의 물성 = 12
• 제3장 실험 방법 = 24
• 3.1 시편제작 = 24
• 3.1.1 시편 준비 = 24
• 3.1.2 DC magnetron sputtering을 이용한 박막의 증착 = 25
• 3.1.3 박막의 열처리 = 26
• 3.1.4 Pt 전극의 증착 = 26
• 3.2 박막의 분석 방법 = 27
• 3.2.1 XRD (X-ray diffraction) = 27
• 3.2.2 RBS (Rutherford Backscattering Spectroscopy) = 28
• 3.2.3 AES (Auger Electron Spectroscopy) = 28
• 3.2.4 XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy) = 28
• 3.2.5 TEM(Transmission Electron Microscopy) = 29
• 3.2.6 전기적 특성 평가 = 29
• 제4장 결과 및 고찰 = 36
• 4.1 다층구조 Al_(2)O_(3)/HfO_(2)와 혼합 HfO_(2)-Al_(2)O_(3) 박막의 열처리에 따른 결정화 관찰 = 36
• 4.1.1 HfO_(2)와 Al_(2)O_(3)의 증착속도 확인 = 36
• 4.1.2 HfO_(2), Al_(2)O_(3) 단일박막의 열처리 온도에 따른 결정성 관찰 = 36
• 4.1.3 다층구조 Al_(2)O_(3)/HfO_(2)의 열처리 온도에 따른 결정성 관찰 = 37
• 4.1.4 HfO_(2)-Al_(2)O_(3) 혼합박막의 열처리 온도에 따른 결정성 관찰 = 39
• 4.2 이중구조 Al_(2)O_(3)/HfO_(2)와 혼합 HfO_(2)-Al_(2)O_(3) 박막의 열처리에 따른 물리적 특성 관찰 = 53
• 4.2.1 단일 HfO_(2) 박막의 열처리 온도에 따른 미세구조 및 결합상태 관찰 = 53
• 4.2.2 이중구조 Al_(2)O_(3) / HfO_(2) 박막의 열처리에 따른 미세구조 및 결합상태 관찰 = 54
• 4.2.3 혼합 HfO_(2)-Al_(2)O_(3) 박막의 열처리에 따른 미세구조 및 결합상태 관찰 = 56
• 4.3 HfO_(2)-Al_(2)O_(3) 혼합박막의 전기적 특성 관찰 = 66
• 4.3.1 열처리 온도에 따른 캐패시턴스-전압 특성 평가 = 66
• 4.3.2 열처리 온도에 따른 전류-전압 특성 평가 = 70
• 제5장 결론 = 72
• 참고 문헌 = 74
• ABSTRACT = 78