원자층증착법에 의한 $HfO_2$ 게이트절연막의 성장과 플라즈마처리에 의한 질화에 관한 연구

Abstract

반도체 소자크기의 스케일링(scaling)은 실리콘 IC(integrated circuit) 기술의 크다란 진보를 가져왔다. MOSFET(metal oxide semiconductor field effect transistor) 소자의 게이트 선폭(gate length)이 매년 지수적으로 감소함에 따라 짧은 채널 효과(short channel effect)를 극복하고 소자의 구동능력을 향상시키기 위해서는 더욱 얇은 게이트절연막이 요구되고 있다. 그러나, 0.1 μm 급 이하의 CMOS 소자에 있어서 $SiO_2$를 기준으로 환산한 게이트절연막의 두께인 EOT (equivalent oxide thickness)가 1.5 nm 이하인 산화막이 요구되는데, $SiO_2$는 이러한 두께 범위에서 터널링에 의한 큰 게이트 누설전류의 문제점을 안고 있다. 이를 해결하기 위한 한가지 방법은 게이트절연막의 물리적인 두께를 증가시키면서도 동일한 게이트 정전용량을 확보하기 위하여 비유전율이 높은 재료를 사용하는 것이다. 여러 가지 고유전율(high-k) 물질들 중에서 $HfO_2$는 높은 유전상수, 큰 에너지 밴드갭(band gap), 실리콘과의 우수한 열적인 안정성 등의 이유로 가장 유력한 차세대 고유전율 게이트절연막으로 평가되고 있다. 그러나, $HfO_2$ 게이트절연막이 IC 제품에 적용되기 위해서는 계면층의 형성, 고온공정에서의 결정화, 문턱전압의 이동, 이동도 저하 등의 문제점들이 선결되어야만 한다. 한편, $HfO_2$ 유전막 내에 질소(N)를 도입할 경우 박막의 결정화 온도를 높이고, 계면층의 성장을 억제하여 소자의 특성을 향상시키는 것으로 알려져 있다. 그러나, 질소 도입 후 형성된 Hf-N 결합이 post deposition annealing (PDA) 공정 동안 안정적이지 못하며, 특히 저온 공정으로 형성된 $HfO_xN_y$ 박막의 경우 $600 ^\circ C$ 이상의 PDA 공정 후 박막 내 질소의 함량이 크게 감소하는 것으로 보고되고 있다. 본 연구에서는 MOSFET 소자에의 적용을 위하여 $HfO_2$ 박막에 대한 원자층증착(atomic layer deposition, ALD) 공정을 확립하고, 성장된 박막에 $N_2$, $NH_3$ 또는 $N_2/NH_3$ gas의 원거리 플라즈마(remote plasma) 처리를 진행하여 $HfO_2$ 박막에 질소를 도입하고자 하였다. 먼저, TEMAHf($Hf[N(C_2H_5)(CH_3)]_4$)와 $O_3$ 소스를 이용하여 ALD 공정으로 $HfO_2$ 게이트절연막을 성장시키고 박막의 특성 및 열적 안정성을 평가하였다. ALD 공정에 있어서 증착온도와 산화제인 $O_3$의 농도가 $HfO_2$ 박막의 증착속도 및 균일도에 가장 중요한 역할을 하였으며, 성장된 박막에 대한 RBS(Rutherford back scattering spectroscopy) 및 TEM (transmission electron microscopy) 분석 결과 박막 내 산소가 과잉으로 포함되어 있고, 15 nm 두께의 $HfO_2$ 박막 성장 시 1 nm 이하의 계면층이 형성됨을 확인하였다. 또한 XPS(X-ray photoelectron spectroscopy) 분석으로부터 $HfO_2$ 박막의 bonding 상태를 확인하였으며 계면층은 Hf-silicate($HfSi_xO_y$)의 성분을 가짐을 확인하였다. ALD 공정으로 성장된 $HfO_2$ 박막의 열적 안정성을 평가하기 위하여 $600 ^\circ C$, $700 ^\circ C$ 및 $800 ^\circ C$에서 60 초간 $N_2$ 분위기에서 PDA 공정을 진행한 결과, PDA 온도가 증가할수록 $HfO_2$ 박막이 $HfSi_xO_y$로 변화되었으며, 실리콘과 $HfO_2$ 사이의 계면층은 $HfSi_xO_y$의 조성에서 $SiO_2$ 조성으로 변화하였다. $700 ^\circ C$ 이상의 PDA의 경우 상당히 두꺼운 $SiO_2$ 계면층이 형성된 반면 $600 ^\circ C$, 60 초의 PDA 공정 후 계면층의