DC 마그네트론 스퍼터로 증착한 Reoxidized HfO_(2) 박막의 열처리에 따른 물리적 특성 및 전기적 특성 연구 = (A) study of the microstructure and electrical properties of the reoxidized HfO_(2) thin film on Si(100) deposited by DC magnetron sputtering system

국문 초록 (Abstract)

DC 마그네트론 스퍼터링 방법으로 Si(100) 기판에 증착한 Hf 박막를 ∼50nm, ∼15nm, ∼10nm 두께로 증착하고 다양한 열처리 방법을 통해 Hf박막의 산화과정을 Si(100)기판과의 계면 및 박막의 미세구조 변화와 전기적 특성을 관찰하였다. Hf(∼50nm)/Si시스템과 Hf(∼15nm)/Si시스템에서 600℃이상에서의 열처리시 박막 표면의 Hf 산화반응과 더불어 Si기판에서는 Hf실리사이드 반응이 동시에 일어남을 관찰하였다. 또한, 800℃에서의 열처리 시간을 30분으로 진행하였을 때, 초기에 생성된 Hf실리사이드가 박막표면에서 확산되어 들어온 산소와 반응하여 HfO_(2)와 SiO_(2)가 형성되는 분해반응이 일어나며, 이때 생성된 Si가 산소와 반응하여 Si기판과의 계면에서 불균일하게 SiO_(2) 계면층이 형성됨을 관찰할 수 있었다.
Hf(∼10nm)/Si시스템를 Vertical Furnace에서 열처리시 RMS Roughness가 크게 증가하지 않아 균일한 reoxidized HfO_(2) 박막을 얻을 수 있었다 HRTEM과 XPS분석을 통해 Hf박막을 증착 후 대기에 노출되었을 때 자연산화가 되며, 열처리를 통해 산소가 확산되어 들어와 Si기판과 반응하여 SiO_(2)계면층이 성장하여 N_(2)분위기, 800℃로 5분간 열처리한 시편의 경우 20Å 인것을 관찰하였다. CET는 51.5A˚이며 유전상수는 ∼15.5로 계산되었으며, 전하밀도는 4.07×10^(+12) #/㎠, -1V에서의 누설전류는 0.018A/㎠ 나타냈다. N_(2)분위기, 600℃에서 열처리 시간에따른 시편과 O_(2)분위기에서 열처리한 시편의 경우에도 위와 유사한 결과를 얻었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

We investigated the change of the microstructure which depended on the thickness of Hf films deposited by DC magnetron sputtering on Si substrate for gate dielectric application. Also, we estimated the electrical property. The Hf films that were reoxidized by the RTA (rapid thermal annealing) were analyzed by AFM, XRD, XPS, AES and HR-TEM. For ∼50nm thick as-deposited Hf film, the HfO_(2) layer at the surface was observed about 5nm by HR-TEM. The HfO_(2) layer increased to be 15nm at 600℃ in N_(2) ambient. Especially, the HfO_(2) grains were shown not only at the surface of the Hf film but also at the silicide(Hf_(5)Si_(4)) grain boundaries. These grains of silicides on the Si substrate were not observed at this sample that annealed at 800℃ for 30min in N_(2) ambient, due to decompositing into HfO_(2) and Si. And then the Si reacted with the oxygen that diffused from surface and accumulated on the interface of Si-substrate.
We observed small grains of the HfO_(2) film due to the local crystallization of the ∼10nm as-deposited Hf films by HR-TEM. The thickness of the interfacial layer between hafnium oxide and Si substrate was about 8Å. After annealing by Furnace for increasing anneal time and temperature in N_(2) or O_(2) ambient, the thickness of interfacial layer was increased to that of as-deposited film.

목차 (Table of Contents)

• 차례 = i
• List of Figures = ⅲ
• List of Tables = ⅶ
• 국문 요약 = ⅷ
• 제1장 서론 = 1
• 제2장 이론적 배경 = 4
• 2.1. 반도체 소자의 고집적도화 및 게이트 산화막의 한계 = 4
• 2.2. 고유전상수를 갖는 절연체 물질 = 5
• 2.3. HfO_(2) 박막의 특성 = 9
• 제3장 실험 방법 = 15
• 3.1. 시편 제작 = 15
• 3.1.1. 시편 준비 = 15
• 3.1.2. Hf 박막의 증착 = 16
• 3.1.3. Hf 박막의 열처리 = 16
• 3.1.4. Pt 전극의 증착 = 17
• 3.2. 분석 방법 = 17
• 3.2.1. AFM (Atomic force Microscope) = 17
• 3.2.2. XRD (X-ray Diffractometry) = 18
• 3.2.3. XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy) = 18
• 3.2.4. AES (Auger Electron Spectroscopy) = 18
• 3.2.5. TEM (Transmission Electron Microscope) = 19
• 3.2.6. 전기적 특성 평가 = 19
• 제4장 결과 및 고찰 = 26
• 4.1. Hf(∼50nm)/Si시스템의 열처리조건에 따른 결정성 및 미세구조 관찰 = 26
• 4.1.1. Hf(∼50nm)/Si 박막의 화학 조성의 관찰 = 26
• 4.1.2. 열처리조건에 따른 결정성 관찰 = 26
• 4.1.3. 열처리 조건에 따른 결정성 관찰 = 31
• 4.2. Hf(∼15nm)/Si시스템에서 열처리조건에 따른 화학조성 및 미세구조 변화 관찰 = 37
• 4.2.1. 열처리 조건에 따른 화학 조성의 변화 관찰 = 37
• 4.2.2. 열처리 조건에 따른 미세구조 및 결정성 관찰 = 43
• 4.3. Hf(∼10nm)/Si시스템에서 열처리조건에 따른 결합 및 미세구조 관찰 = 49
• 4.3.1. 열처리조건에 따른 표면 거칠기 변화 관찰 = 49
• 4.3.2. 열처리조건에 따른 미세구조 변화의 관찰 = 55
• 4.3.3. 열처리조건에 따른 화학결합 변화의 관찰 = 64
• 4.4. 열처리조건에따른 전기적 특성 변화 관찰 = 68
• 4.4.1. 열처리조건에 따른 캐패시턴스-전압 특성 평가 = 68
• 4.4.2. 열처리조건에 따른 전류-전압 특성 평가 = 76
• 제5장 결론 = 80
• Reference = 83
• Abstract = 85