KR100866305B1 - High-k metal oxide thin films, method for forming thereof and devices comprising the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 결정상 및 결정학적 방향성에 따라 유전율이 변하는 고유전율 금속산화막과 고유전율을 갖는 결정상 및 우선 배향성을 안정화시키기 위하여 주기적으로 소량 반복 첨가되는 금속산화막을 포함하는 고유전율 금속산화막 및 그의 제조방법 및 이를 포함하는 반도체 소자 또는 전지전자 시스템 소자에 관한 것으로, 본 발명에 의한 금속산화막은 낮은 등가 산화막 두께와 낮은 누설전류와 같은 우수한 전기적 특성을 지니고 있어 반도체 소자 또는 전기전자 시스템 소자로 유용하게 사용될 수 있다.The present invention provides a high dielectric constant metal oxide film including a high dielectric constant metal oxide film whose dielectric constant changes according to the crystal phase and crystallographic orientation, a crystal phase having a high dielectric constant, and a metal oxide film which is periodically repeatedly added in small amounts to stabilize the orientation, and a method of manufacturing the same; The present invention relates to a semiconductor device or a battery electronic system device including the same, and the metal oxide film according to the present invention has excellent electrical characteristics such as low equivalent oxide film thickness and low leakage current, and thus may be usefully used as a semiconductor device or an electric and electronic system device. .
고유전율 산화막, 결정상 변태, 우선 배향성, 하프늄-알루미늄 산화막, 원자층 증착법 High dielectric constant oxide film, crystal phase transformation, preferential orientation, hafnium-aluminum oxide film, atomic layer deposition method
Description
도 1은 종래기술에 의한 원자층 증착법을 이용하여 증착된 하프늄 산화막의 열처리 후 단사정을 나타내는 X-선 회절 분석을 나타내는 그래프, 1 is a graph showing an X-ray diffraction analysis showing monoclinic crystallization after heat treatment of a hafnium oxide film deposited using a conventional atomic layer deposition method;
도 2는 본 발명에 의한 고유전율 금속 산화막의 형성과 고유전율을 갖는 결정상 및 우선 배향성을 안정화시키는 방법의 공정흐름도, 2 is a process flow chart of a method for stabilizing the crystal phase and preferred orientation having a high dielectric constant and formation of a high dielectric constant metal oxide film according to the present invention;
도 3은 본 발명의 실시예 1에 의해 제조된 하프늄-알루미늄 산화막을 질소 분위기에서 700도 60초 동안 열처리한 후의 X선 회절 그래프,3 is an X-ray diffraction graph of a hafnium-aluminum oxide film prepared according to Example 1 of the present invention after heat treatment at 700 ° C. for 60 seconds in a nitrogen atmosphere.
도 4는 본 발명의 실시예 1에 의해 제조된 하프늄-알루미늄 산화막의 열처리 전후의 유전율 변화를 나타내는 그래프이다.4 is a graph showing changes in dielectric constant before and after heat treatment of a hafnium-aluminum oxide film prepared according to Example 1 of the present invention.
도 5는 본 발명의 실시예 1에 의해 제조된 하프늄-알루미늄 산화막의 열처리 전후의 누설전류 변화를 나타내는 그래프이다.5 is a graph showing changes in leakage current before and after heat treatment of the hafnium-aluminum oxide film prepared according to Example 1 of the present invention.
본 발명은 고유전율 금속산화막, 그의 제조방법 및 이를 포함하는 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 결정상 및 결정학적 방향성에 따라 유전율이 변하는 고유전율 금속산화막과 고유전율을 갖는 결정상 및 우선 배향성을 안정화시키기 위하여 주기적으로 소량 반복 첨가되는 금속산화막을 포함하는 고유전율 금속산화막 및 그의 제조방법 및 이를 포함하는 반도체 소자 또는 전지전자 시스템 소자에 관한 것이다. The present invention relates to a high dielectric constant metal oxide film, a method for manufacturing the same, and a device including the same, and more particularly, to stabilize a high dielectric constant metal oxide film whose dielectric constant changes according to crystal phase and crystallographic orientation, a crystal phase having high dielectric constant, and preferential orientation. The present invention relates to a high dielectric constant metal oxide film including a metal oxide film periodically and repeatedly added in a small amount, a method for manufacturing the same, and a semiconductor device or a battery electronic system device including the same.
현재 반도체 산업에서는 많은 종류의 산화막들이 사용되고 있다. 그 중에서 실리콘 산화막(SiO2)은 산화 분위기에서 실리콘 기판 위에서 직접 성장시킬 수 있어 여러 반도체 소자에서 가장 많이 사용되고 있다. 특히 이렇게 성장시킨 실리콘 산화막은 무정형 구조를 가져 결정립 경계를 통한 누설 전류 통로를 제공하지 않기 때문에 트랜지스터의 게이트 산화막, 휘발성 메모리 소자의 캐패시터 산화막, 비휘발성 메모리 소자의 터널 및 조절 산화막으로 널리 사용되고 있다. Currently, many kinds of oxide films are used in the semiconductor industry. Among them, a silicon oxide film (SiO 2 ) can be grown directly on a silicon substrate in an oxidizing atmosphere, and thus is most frequently used in various semiconductor devices. In particular, since the silicon oxide film thus grown has an amorphous structure and does not provide a leakage current path through the grain boundary, it is widely used as a gate oxide film of a transistor, a capacitor oxide film of a volatile memory device, a tunnel of a nonvolatile memory device, and a control oxide film.
그러나, 반도체 소자의 집적도가 점점 높아짐에 따라 실리콘 산화막의 두께도 점점 감소하여 2nm 이하의 두께가 예상된다. 하지만 2nm 보다 얇은 실리콘 산화막은 전자들의 터널링에 의한 높은 누설 전류 때문에 반도체 소자에 더 이상 적용될 수 없는 물리적 한계에 직면했다. However, as the degree of integration of semiconductor elements increases, the thickness of the silicon oxide film gradually decreases, and a thickness of 2 nm or less is expected. However, silicon oxide thinner than 2nm faces physical limitations that can no longer be applied to semiconductor devices due to the high leakage current caused by the tunneling of electrons.
따라서, 상기 실리콘 산화막을 대체하기 위한 고유전율을 갖는 금속 산화막에 대한 연구가 집중적으로 진행되고 있다. 본 발명에서 고유전율을 갖는 금속 산화막(이하, “고유전율 금속 산화막”이라 함)은 실리콘 산화막이 갖는 3.9의 유전 율보다 높은 약 10 이상의 유전율을 갖는 금속 산화막을 의미한다. 최근에 유력한 고유전율 금속 산화막으로서는 알루미늄 산화막(Al2O3), 하프늄 산화막(HfO2), 지르코늄 산화막(ZrO2), 티타늄 산화막(TiO2), 탄탈륨 산화막(Ta2O5) 등이 있다. Therefore, the research on the metal oxide film having a high dielectric constant to replace the silicon oxide film has been intensively conducted. In the present invention, a metal oxide film having a high dielectric constant (hereinafter, referred to as a “high dielectric constant metal oxide film”) means a metal oxide film having a dielectric constant of about 10 or more that is higher than the dielectric constant of 3.9 of the silicon oxide film. Recently, high-k dielectric metal oxide films include aluminum oxide film (Al 2 O 3 ), hafnium oxide (HfO 2 ), zirconium oxide (ZrO 2 ), titanium oxide (TiO 2 ), and tantalum oxide (Ta 2 O 5 ).
상기 고유전율 금속 산화막들의 유전율은 결정상의 종류 및 결정학적 방향성에 따라 영향을 받는다. 예를 들어, 티타늄 산화막은 저온에서 안정한 아나타제(anatase)상을 가질 경우에는 50이하의 유전율를 갖는 데 반하여 고온상인 루타일(rutile)상을 가질 경우 최고 180까지 유전율이 증가한다(Japanese Journal of Appled Physics, 40, pp 3147 (2001)). The dielectric constant of the high dielectric constant metal oxide films is affected by the type and crystallographic orientation of the crystal phase. For example, a titanium oxide film has a dielectric constant of 50 or less when having a stable anatase phase at low temperature, and a dielectric constant increases up to 180 when having a rutile phase which is a high temperature phase (Japanese Journal of Appled Physics , 40, pp 3147 (2001).
탄탈륨 산화막은 다른 결정학정 방향성에 비해 a축 방향에서 가장 높은 유전율을 나타낸다(Journal of Appled Physics, 86, pp 871 (1999)). 또한 하프늄 또는 지르코늄 산화막에서도 결정상에 따라 유전율이 크게 변하게 되는 현상이 보고되었다. Tantalum oxide films have the highest permittivity in the a-axis direction compared to other crystallographic orientations (Journal of Appled Physics, 86, pp 871 (1999)). In addition, a phenomenon in which the dielectric constant of hafnium or zirconium oxide is greatly changed depending on the crystal phase has been reported.
특히, 하프늄 산화막의 경우 그 결정상들이 단사정(monoclinic), 정방정(tetragonal), 입방정(cubic) 일 때 각각 18, 70, 29의 유전율을 갖게 된다는 이론적인 계산 결과가 보고되었다. (Physical Review B, 65, pp 075105, (2002)) 그러나 높은 유전율을 갖는 정방정과 입방정은 각각 1720℃와 2600℃라는 매우 높은 온도에서 열역학적으로 얻어질 수 있으며 그 이하의 온도에는 가장 낮은 유전율을 갖는 단사정이 안정하다.In particular, theoretical calculation results have been reported that hafnium oxide films have dielectric constants of 18, 70, and 29 when the crystal phases are monoclinic, tetragonal, and cubic, respectively. (Physical Review B, 65, pp 075105, (2002)) However, tetragonal and cubic crystals with high permittivity can be obtained thermodynamically at very high temperatures of 1720 and 2600 ° C, and have the lowest permittivity at temperatures below that. Monoclinic is stable.
도 1은 종래기술에 따른 원자층 증착법에 의해 증착된 하프늄 산화막의 열처 리 후 단사정을 나타내는 X-선 회절 분석을 나타내는 그래프로서, 도 1에 도시된 바와 같이, 1720℃ 이하의 저온에서는 고유전율을 갖는 하프늄 산화막의 정방정 또는 입방정상을 얻는 것이 어려우며, 이에 대한 실험적인 연구 결과는 거의 전무한 실정이다. 1 is a graph showing an X-ray diffraction analysis showing monoclinic crystal after thermal treatment of a hafnium oxide film deposited by an atomic layer deposition method according to the prior art, as shown in FIG. It is difficult to obtain a tetragonal or cubic phase of a hafnium oxide film having hafnium oxide, and there are almost no experimental results.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로,The present invention is to solve the problems of the prior art as described above,
본 발명의 하나의 목적은 결정상에 따라 유전율이 변하는 고유전율 금속 산화막에 상기 금속 산화막을 구성하고 있는 금속 원소보다 작은 원자가를 갖는 소량의 금속 원소를 주기적으로 반복 첨가하여 유전율을 향상시킨 고유전율 금속산화막을 제공하는 것이다.One object of the present invention is a high dielectric constant metal oxide film having a high dielectric constant improved by periodically repeatedly adding a small amount of a metal element having a valence smaller than that of the metal element constituting the metal oxide film to a high dielectric constant metal oxide film whose dielectric constant changes according to a crystal phase. To provide.
본 발명의 다른 목적은 결정상에 따라 유전율이 변하는 고유전율 금속산화막에 상기 금속산화막을 구성하고 있는 금속 원소보다 작은 원자가를 갖는 소량의 금속 원소를 주기적으로 반복 첨가함에 의하여 높은 유전율을 갖는 결정상을 안정화시킴과 동시에 같은 결정상 내에서 우선 배향성을 조절하여 매우 높은 유전율을 갖는 고유전율 금속산화막의 제조방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to stabilize a crystalline phase having a high dielectric constant by periodically adding a small amount of a metal element having a valence smaller than that of the metal constituting the metal oxide film to a high dielectric constant metal oxide film whose dielectric constant varies depending on the crystal phase. At the same time to provide a method of manufacturing a high dielectric constant metal oxide film having a very high dielectric constant by first adjusting the orientation in the same crystal phase.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 고유전율 금속산화막을 포함하는 소자를 제공하는 것이다.Still another object of the present invention is to provide a device including the high dielectric constant metal oxide film.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하나의 양상은, 결정상 및 결정학적 방향성에 따라 유전율이 변하는 고유전율 금속산화막과 고유전율을 갖는 결정상 및 우선 배향성을 안정화시키기 위하여 주기적으로 전체 금속산화막 중량대비 1~10%로 반복 첨가되는 금속산화막을 포함하는 고유전율 금속산화막에 관한 것이다.One aspect of the present invention for achieving the above object is a high dielectric constant metal oxide film whose dielectric constant changes according to the crystal phase and crystallographic orientation and the crystal phase having a high dielectric constant and preferential orientation to stabilize the first metal
[화학식 1][Formula 1]
(AxOy)m-(BwOz)n (A x O y ) m- (B w O z ) n
상기 식에서, A는 결정상 및 결정학적 방향성에 따라 유전율이 변하는 고유전율 금속산화막을 이루는 1종 이상의 금속원소, Wherein A is at least one metal element constituting a high dielectric constant metal oxide film whose dielectric constant varies depending on the crystal phase and crystallographic orientation,
B는 고유전율을 갖는 결정상 및 우선 배향성을 안정화시키기 위하여 주기적으로 전체 금속산화막 중량대비 1~10%로 반복 첨가되는 금속산화막을 이루는 1종 이상의 금속원소, B is one or more metal elements constituting a metal oxide film which is repeatedly added in a 1-10% to the total weight of the metal oxide film periodically to stabilize the crystal phase having a high dielectric constant and preferential orientation,
O는 산소를 의미하고,O means oxygen,
x, y, w 및 z는 각각 독립적으로 상기 A 및 B의 금속 원소의 종류에 따라 결정되며, x, y, w and z are each independently determined according to the type of metal element of A and B,
m 및 n은 각각 결정상 및 결정학적 방향성에 따라 유전율이 변하는 고유전율 금속산화막(AxOy)과 고유전율을 갖는 결정상 및 우선 배향성을 안정화시키기 위하여 주기적으로 전체 금속산화막 중량대비 1~10%로 반복 첨가되는 금속산화막(BwOz)의 혼합비를 나타내며, m+n=100 mol%이다.m and n are 1 to 10% of the total weight of the metal oxide film periodically to stabilize the high dielectric constant metal oxide film (A x O y ) whose dielectric constant varies according to the crystal phase and crystallographic orientation, and the crystal phase having high dielectric constant and preferred orientation. The mixing ratio of the metal oxide film (B w O z ) added repeatedly is m + n = 100 mol%.
상기에서 “결정상 및 결정학적 방향성에 따라 유전율이 변하는 고유전율 금속 산화막"이라 함은 금속원소와 산소로 이루어진 금속 산화막 가운데, 실리콘 산 화막보다 높은 유전율을 가짐과 동시에 고유의 결정상 또는 결정학적 방향성에 따라서 유전율이 변하는 금속산화막을 통칭한다. The term “high dielectric constant metal oxide film whose dielectric constant changes according to crystal phase and crystallographic orientation” is a metal oxide film composed of metal element and oxygen, which has a higher dielectric constant than silicon oxide film and is in accordance with its own crystallographic or crystallographic orientation. The metal oxide film whose dielectric constant changes is called collectively.
또한, 상기한 “고유전율을 갖는 결정상 및 우선 배향성을 안정화시키기 위하여 주기적으로 소량 반복 첨가되는 금속 산화막”이라 함은 금속원소와 산소로 이루어진 금속 산화막 가운데, 결정상 및 결정학적 방향성에 따라 유전율이 변하는 고유전율 금속산화막을 구성하는 금속원소보다 작은 원자가를 가지면서, 상기한 고유전율 금속 산화막의 결정상 가운데 높은 유전율을 가진 결정상 또는 우선 배향성을 안정화 시킬 수 있는 금속산화막을 통칭한다. In addition, the "metal oxide film having a high dielectric constant and a metal oxide film which is periodically added in small amounts periodically to stabilize the orientation thereof" refers to an intrinsic dielectric constant that varies depending on the crystal phase and crystallographic orientation among metal oxide films composed of metal elements and oxygen. The metal oxide film which has a valence smaller than the metal element constituting the tremor metal oxide film and which can stabilize the crystal phase having a high dielectric constant or preferential orientation among the crystal phases of the high dielectric constant metal oxide film is referred to collectively.
상기 결정상 및 결정학적 방향성에 따라 유전율이 변하는 고유전율 금속산화막은 하프늄 산화막(HfO2), 지르코늄 산화막(ZrO2), 티타늄 산화막(TiO2) 및 탄탈륨 산화막(Ta2O5)으로 구성되는 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 물질을 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다.The high dielectric constant metal oxide film whose dielectric constant changes according to the crystal phase and crystallographic orientation is in the group consisting of hafnium oxide (HfO 2 ), zirconium oxide (ZrO 2 ), titanium oxide (TiO 2 ) and tantalum oxide (Ta 2 O 5 ). It includes, but is not limited to, one or two or more materials selected.
상기 고유전율을 갖는 결정상 및 우선 배향성을 안정화시키기 위하여 주기적으로 소량 반복 첨가되는 금속산화막은 산소 공공을 유발하기 위하여 2가 또는 3가의 원자가를 갖는 하나 이상의 물질을 포함하는데, 상기 2가 또는 3가의 원자가를 갖는 물질은 Al2O3, Y2O3, La2O3, Fe2O3, Ga2O3, Er2O3, Sc2O3, Pr2O3, Nd2O3, Ce2O3, CaO, MgO 및 SrO로 구성되는 군에서 선택될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The metal oxide film periodically added in small amounts to stabilize the high dielectric constant and preferential orientation includes one or more materials having a divalent or trivalent valence to induce oxygen vacancies. The materials having Al 2 O 3 , Y 2 O 3 , La 2 O 3 , Fe 2 O 3 , Ga 2 O 3 , Er 2 O 3 , Sc 2 O 3 , Pr 2 O 3 , Nd 2 O 3 , Ce It may be selected from the group consisting of 2 O 3 , CaO, MgO and SrO, but is not limited thereto.
상기 화학식 1로 표시되는 금속산화막은 20 ~ 2000Å, 바람직하게는 50 ~ 1500 Å의 두께를 갖으며, 결정상 및 결정학적 방향성에 따라 10 ~ 180, 바람직하 게는 15 ~ 100의 유전율을 갖는 특징이 있다.The metal oxide film represented by Chemical Formula 1 has a thickness of 20 to 2000 kPa, preferably 50 to 1500 kPa, and has a dielectric constant of 10 to 180, preferably 15 to 100, depending on the crystal phase and crystallographic orientation. have.
상기 화학식 1로 표시되는 금속산화막에 포함되는 주기적으로 소량 반복 첨가되는 금속산화막의 함량은 전체 금속산화막 중량 대비 10% 이하, 바람직하게는1 ~ 5%를 함유하는 것이 바람직한데, 상기 금속산화막의 함량이 10%를 초과하면 결정상 및 결정학적 방향성에 따라 유전율이 변하는 고유전율 금속 산화막(AxOy)의 특성 구현에 영향을 주지 못하고, 소량 반복 첨가되는 금속 산화막(BwOz)의 특성이 함께 또는 주로 나타날 수 있는 문제점이 발생할 수 있다.The content of the metal oxide film that is periodically added in small amounts repeatedly included in the metal oxide film represented by Formula 1 is preferably 10% or less, preferably 1 to 5% of the total metal oxide film weight. when it is more than 10% does not affect the crystal phase, and crystallographic implementation characteristics of the directional high-k metal oxide layer (a x O y) dielectric constant varies according to, the characteristics of small repeated addition of the metal oxide (B w O z) is Problems may arise that may or may not appear together.
상기 화학식 1로 표시되는 금속산화막의 구조는 결정상 및 결정학적 방향성에 따라 유전율이 변하는 고유전율 금속 산화막이 기지를 이루고, 상기 기지에 고 유전율을 갖는 결정상 및 우선 배향성을 안정화시키기 위하여 주기적으로 소량 반복 첨가되는 금속산화막이 입자의 형태로 삽입되어 있거나; The structure of the metal oxide film represented by Chemical Formula 1 is formed by a high dielectric constant metal oxide film whose dielectric constant changes according to a crystal phase and crystallographic orientation, and a small amount is repeatedly added periodically to stabilize the crystal phase having a high dielectric constant and preferential orientation. The metal oxide film is inserted in the form of particles;
결정상 및 결정학적 방향성에 따라 유전율이 변하는 고유전율 금속 산화막과 고유전율을 갖는 결정상 및 우선 배향성을 안정화시키기 위하여 주기적으로 소량 반복 첨가되는 금속 산화막이 서로 구분되지 않는 형태로 완전히 혼합되어 있거나; The high dielectric constant metal oxide film whose dielectric constant changes in accordance with the crystal phase and crystallographic orientation and the crystal phase having high dielectric constant and the metal oxide film which are periodically added in small amounts in order to stabilize preferential orientation are completely mixed in an indistinguishable form from each other;
또는 결정상 및 결정학적 방향성에 따라 유전율이 변하는 고유전율 금속 산화막과 고유전율을 갖는 결정상 및 우선 배향성을 안정화시키기 위하여 주기적으로 소량 반복 첨가되는 금속 산화막이 5 ~ 60 Å의 두께로 반복되어 있는 적층구조인 것이 바람직하다.Or a lamination structure in which a high dielectric constant metal oxide film whose dielectric constant changes according to the crystal phase and crystallographic orientation, and a metal oxide film periodically and repeatedly added in small amounts in order to stabilize the preferred orientation are repeated in a thickness of 5 to 60 Å. It is preferable.
본 발명에 의한 고유전율 금속 산화막은 아래와 같은 장점을 갖는다. The high dielectric constant metal oxide film according to the present invention has the following advantages.
첫째, 결정상 및 결정학적 방향성에 따라 유전율이 변하는 고유전율 금속산화막을 단독으로 고유전율 금속 산화막으로 사용하는 경우 상대적으로 고유전율을 갖는 결정상 또는 결정학적 방향성은 고온에서만 안정화되기 때문에, 반도체 소자에 적용되는 온도 범위에서는 얻을 수 없어 단독으로 적용하기에는 단기 대안에 불과하게 된다. First, when a high dielectric constant metal oxide film whose dielectric constant changes according to the crystal phase and crystallographic orientation alone is used as a high dielectric constant metal oxide film, a relatively high dielectric constant crystal phase or crystallographic orientation is stabilized only at a high temperature. It cannot be obtained in the temperature range, making it a short-term alternative for single application.
둘째, 상기 “결정상 및 결정학적 방향성에 따라 유전율이 변하는 고유전율 속 산화막” 및 “고유전율을 갖는 결정상 및 우선 배향성을 안정화시키기 위하여 주기적으로 소량 반복 첨가되는 금속산화막”들의 혼합 비율 및 혼합 구조에 따라 고유전율 금속 산화막의 유전 특성을 “반도체 소자 및 전기전자 시스템 소자”의 요구에 따라 다양하게 설계할 수 있다는 장점이 있다. Second, according to the mixing ratio and the mixing structure of the “high dielectric constant oxide film whose dielectric constant varies according to the crystalline phase and crystallographic orientation” and the “crystalline phase having a high dielectric constant and a metal oxide film which is periodically repeatedly added in small amounts to stabilize preferred orientation” Dielectric properties of the high-k metal oxide film can be variously designed according to the requirements of "semiconductor devices and electrical and electronic system devices."
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 양상은, (a) 고유전율을 갖는 결정상 및 우선 배향성을 안정화시키기 위하여 주기적으로 전체 금속산화막 중량대비 1~10%로 반복 첨가되는 금속산화막을 이루는 1종 이상의 금속 전구체를 주입하여 기판에 흡착시키고, 산화시키는 단계를 포함하는 고유전율을 갖는 결정상 및 우선 배향성을 안정화시키기 위하여 주기적으로 전체 금속산화막 중량대비 1~10%로 반복 첨가되는 금속산화막을 형성하는 단계; (b) 결정상 및 결정학적 방향성에 따라 유전율이 변하는 고유전율 금속산화막을 이루는 1종 이상의 금속 전구체를 주입하여 기판에 흡착시키고, 산화시키는 단계를 포함하는 결정상 및 결정학적 방향성에 따라 유전율이 변하는 고유전율 금속산화막을 형성하는 단계; 및 (c) 상기 (a)단계에서 형성된 금속산화막과 상기 (b)단계에서 형성된 금속 산화막을 진공증착법에 의해 증착하는 단계를 포함하는 하기 화학식 1로 표시되는 고유전율 금속산화막의 제조방법에 관한 것이다.Another aspect of the present invention for achieving the above object is (a) one kind of metal oxide film which is repeatedly added to 1-10% of the total metal oxide film weight periodically to stabilize the crystal phase having high dielectric constant and preferred orientation. Forming a metal oxide film that is repeatedly added to 1 to 10% by weight of the total metal oxide film in order to stabilize the crystal phase and preferential orientation having a high dielectric constant including the step of injecting the above metal precursor to adsorb on the substrate, and oxidized ; (b) A dielectric constant varies according to the crystal phase and crystallographic orientation, comprising injecting and oxidizing at least one metal precursor constituting a high-k dielectric metal oxide film, the dielectric constant of which varies depending on the crystal phase and crystallographic orientation, to the substrate. Forming a metal oxide film; And (c) depositing the metal oxide film formed in step (a) and the metal oxide film formed in step (b) by vacuum deposition. .
[화학식 1][Formula 1]
(AxOy)m-(BwOz)n (A x O y ) m- (B w O z ) n
상기 식에서, A는 결정상 및 결정학적 방향성에 따라 유전율이 변하는 고유전율 금속 산화막을 이루는 1종 이상의 금속원소로서, 하프늄(Hf), 지르코늄(Zr), 티타늄(Ti) 및 탄탈륨(Ta)으로 구성되는 군에서 선택되고, In the above formula, A is one or more metal elements forming a high dielectric constant metal oxide film whose dielectric constant varies according to the crystal phase and crystallographic orientation, and is composed of hafnium (Hf), zirconium (Zr), titanium (Ti), and tantalum (Ta). Selected from the military,
B는 고유전율을 갖는 결정상 및 우선 배향성을 안정화시키기 위하여 주기적으로 전체 금속산화막 중량대비 1~10%로 반복 첨가되는 금속 산화막을 이루는 1종 이상의 금속원소로서, Al, Y, La, Fe, Ga, Er, Sc, Pr, Nd, Ce, Ca, Mg 및 Sr로 구성되는 군에서 선택되며,B is one or more metal elements forming a metal oxide film which is repeatedly added at 1 to 10% by weight of the total metal oxide film periodically to stabilize the crystal phase having a high dielectric constant and preferential orientation, Al, Y, La, Fe, Ga, Selected from the group consisting of Er, Sc, Pr, Nd, Ce, Ca, Mg, and Sr,
O는 산소를 의미하고,O means oxygen,
x, y, w 및 z는 각각 독립적으로 상기 A 및 B의 금속원소의 종류에 따라 결정되며, x, y, w and z are each independently determined according to the type of the metal element of A and B,
m 및 n은 각각 결정상 및 결정학적 방향성에 따라 유전율이 변하는 고유전율 금속산화막(AxOy)과 고유전율을 갖는 결정상 및 우선 배향성을 안정화시키기 위하여 주기적으로 전체 금속산화막 중량대비 1~10%로 반복 첨가되는 금속산화막(BwOz)의 혼합비를 나타내며, m+n=100 mol%이다.m and n are 1 to 10% of the total weight of the metal oxide film periodically to stabilize the high dielectric constant metal oxide film (A x O y ) whose dielectric constant varies according to the crystal phase and crystallographic orientation, and the crystal phase having high dielectric constant and preferred orientation. The mixing ratio of the metal oxide film (B w O z ) added repeatedly is m + n = 100 mol%.
상기 (a)단계 또는 (b)단계의 금속 전구체는 상기 금속원소를 포함하는 무기 화합물로서, 예컨대 상기 (a)단계의 금속 전구체가 TMA(Tri methyl aluminum ; Al(CH3)3), 상기 (b)단계의 금속 전구체로 TEMAHf(Tetrakis ethyl methyl amino hafnium ; Hf[N(CH3)(C2H5)]4)을 예로 들 수 있다. The metal precursor of step (a) or (b) is an inorganic compound containing the metal element, for example, the metal precursor of step (a) is TMA (Tri methyl aluminum; Al (CH 3 ) 3 ), ( Examples of the metal precursor of step b) are TEMAHf (Tetrakis ethyl methyl amino hafnium; Hf [N (CH 3 ) (C 2 H 5 )] 4 ).
상기 (a)단계 또는 (b)단계의 기판으로는 Si, SiO2, TiN, Pt, Ru, RuO2, Ru/RuO2, Ir, IrO2 및 Ir/IrO2로 구성되는 군에서 선택되는 무기물 기판 또는 플라스틱 기판이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다. The substrate of step (a) or (b) may be Si, SiO 2 , TiN, Pt, Ru, RuO 2 , Ru / RuO 2 , Ir, IrO 2 And an inorganic substrate or a plastic substrate selected from the group consisting of Ir / IrO 2 , but is not limited thereto.
상기 (c)단계의 진공증착법은 스퍼터링(Sputtering)법 및 전자빔 기상증착법(e-beam evaporation)법 등을 포함하는 물리적 기상증착(PVD: Physical Vapor Deposition)법과, 원자층 증착법(ALD: Atomic Layer Deposition) 및 플라즈마 원자층 증착법(PEALD: Plasma Enhanced Atomic Layer Deposition) 등을 포함하는 화학적 기상증착(CVD: Chemical Vapor Deposition)법 등이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The vacuum deposition method of step (c) includes physical vapor deposition (PVD) and atomic layer deposition (ALD), including sputtering and e-beam evaporation. Chemical Vapor Deposition (CVD), including, but not limited to, a Plasma Enhanced Atomic Layer Deposition (PEALD) and the like.
상기 진공증착법에서 사용되는 산화제는 산소를 포함할 수 있는데, 산소 플라즈마를 그 예로 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The oxidant used in the vacuum deposition method may include oxygen, but may be an oxygen plasma, for example, but is not limited thereto.
본 발명에 의한 고유전율 금속산화물의 제조방법은 상기 (c)단계 후에 열처리하여 결정상의 막을 수득하는 단계를 포함할 수 있는데, N2, Ar 및 He 으로 구성되는 군에서 선택되는 중성 분위기 또는 O2, H2O, NO 및 N2O로 구성되는 군에서 선택되는 산화 분위기의 열처리 분위기와 400 ~ 3,000℃, 바람직하게는 600 ~ 1000℃의 열처리 온도 조건에서 1초 이상, 바람직하게는 5초 ~ 1시간 동안 열처리한다.Method for producing a high dielectric constant metal oxide according to the present invention may include the step of obtaining a crystalline phase film by heat treatment after the step (c), a neutral atmosphere or O 2 selected from the group consisting of N 2 , Ar and He , At least one second, preferably at least five seconds at a heat treatment atmosphere of an oxidizing atmosphere selected from the group consisting of H 2 O, NO and N 2 O and at a heat treatment temperature of 400 to 3,000 ° C., preferably 600 to 1000 ° C. Heat treatment for 1 hour.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 양상은, 상기 고유전율 금속산화막을 포함하는 소자에 관한 것이다.Another aspect of the present invention for achieving the above object relates to a device comprising the high-k metal oxide film.
상기 소자로는 트랜지스터의 게이트 산화막, 휘발성 메모리의 캐패시터 산화막, 비휘발성 메모리의 터널 또는 조절 산화막을 포함하는 반도체 소자 또는 전기전자 시스템 소자 등을 예로 들 수 있다.Examples of the device include a semiconductor device or an electrical and electronic system device including a gate oxide film of a transistor, a capacitor oxide film of a volatile memory, a tunnel or a control oxide film of a nonvolatile memory.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예로서, 상기 언급된 금속 산화막 가운데 "결정상 및 결정학적 방향성에 따라 유전율이 변하는 고유전율 금속 산화막(AxOy)"이 HfO2, "고유전율을 갖는 결정상 및 우선 배향성을 안정화시키기 위하여 주기적으로 소량 반복 첨가되는 금속 산화막(BwOz)"이 Al2O3인 것으로부터 하프늄-알루미늄 산화막 (HAO)에서 고유전율을 갖는 결정상 및 우선 배향성을 형성하는 경우를 예로 들어 본 발명을 보다 상세히 설명한다. Hereinafter, as a preferred embodiment of the present invention, among the above-mentioned metal oxide films, "high dielectric constant metal oxide film (A x O y ) whose dielectric constant changes according to crystal phase and crystallographic orientation" is HfO 2 , "crystal phase having high dielectric constant and priority. In the case where the metal oxide film B w O z ″ periodically added in small amounts to stabilize the orientation is formed from Al 2 O 3 , a crystal phase having a high dielectric constant in the hafnium-aluminum oxide film (HAO) and preferential orientation are formed. The present invention will be described in more detail.
본 발명은 이하에서 서술되는 실시예에 한정되는 것이 아니라, 상술된 바와 같이,“결정상 및 결정학적 방향성에 따라 유전율이 변하는 고유전율 금속 산화막(AxOy)"들과 "고유전율을 갖는 결정상 및 우선 배향성을 안정화시키기 위하여 주기적으로 전체 금속산화막 중량대비 1~10%로 반복 첨가되는 금속 산화막(BwOz)"들의 혼합으로 이루어진 다양한 조합이 가능하다. The present invention is not limited to the embodiments described below, but as described above, "high dielectric constant metal oxide films (A x O y ) whose dielectric constant changes depending on the crystal phase and crystallographic orientation" and "crystal phases having a high dielectric constant And a combination of metal oxide films (B w O z ) ″ periodically added to 1-10% of the total metal oxide weight in order to stabilize the orientation.
또한, 상술한 바와 같이 바람직한 실시예를 형성하기 위하여 PVD 또는 CVD와 같은 통상적인 다양한 박막 형성 방법들이 모두 가능하나, 이하에서는 비한정적인 예로서 플라즈마 원자층 증착 방법을 이용하는 경우에 대하여 설명한다. In addition, although various conventional thin film formation methods such as PVD or CVD are possible to form the preferred embodiment as described above, the following description will be given of the case of using the plasma atomic layer deposition method as a non-limiting example.
하프늄 산화막은 저온상인 단사정을 가질 경우 16-18의 유전율을 갖는데 반하여 고온상인 정방정 또는 입방정을 가질 경우 각각 70 또는 29의 유전율을 갖게 된다. 그러나 하프늄 산화막의 경우 1720℃ 이하의 온도에서는 단사정이, 1720℃와 2600℃ 온도 사이에서는 정방정이, 2600℃ 이상의 온도에서는 입방정이 열역학적으로 안정한 상이다. The hafnium oxide film has a dielectric constant of 16-18 when having a monoclinic in the low temperature phase, while having a tetragonal or cubic crystal in the high temperature phase has a dielectric constant of 70 or 29, respectively. However, in the case of hafnium oxide films, monoclinic crystals are thermodynamically stable at temperatures of 1720 ° C or lower, tetragonal crystals at temperatures between 1720 ° C and 2600 ° C, and cubic crystals at temperatures higher than 2600 ° C.
따라서, 고온 안정상을 낮은 온도에서도 안정화 시키는 방법이 필요하다. 파우더를 혼합하여 형성하는 벌크 세라믹 분야에서는 원자가가 작은 금속원소를 포함하고 있는 금속산화막을 소량 첨가시켜 산소 공공을 형성함으로써 고온 안정상을 저온에서 안정화시키는 방법이 보고되었다(Journal of Materials Science, 27, pp 5397 (1992)). Therefore, there is a need for a method of stabilizing a high temperature stable phase even at low temperatures. In the field of bulk ceramics formed by mixing powders, a method of stabilizing high temperature stable phase at low temperature by adding a small amount of a metal oxide film containing a small valence metal element to form oxygen vacancies has been reported (Journal of Materials Science, 27, pp 5397 (1992).
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고유전율 금속 산화막의 형성과 고유전율을 갖는 결정상 및 우선 배향성을 안정화시키는 방법의 흐름도이다. 2 is a flowchart of a method of forming a high dielectric constant metal oxide film and a crystal phase having a high dielectric constant and preferential orientation according to a preferred embodiment of the present invention.
먼저, 고유전율 금속 산화막이 형성되기 전까지의 공정이 완료된 기판을 챔버내에 장입한다(201). 챔버에 기판이 장입되면 플라즈마 원자층 증착방법을 이용하여 하프늄-알루미늄 산화막을 원하는 두께까지 증착한다(202). 증착이 완료되면 기판은 반출한다(203). 하프늄-알루미늄 산화막의 결정상을 얻기 위하여 하프늄-알루미늄 산화막의 결정화 온도 이상에서 열처리를 한다(204).First, a substrate in which the process until the high dielectric constant metal oxide film is formed is loaded into the chamber (201). When the substrate is loaded into the chamber, a hafnium-aluminum oxide film is deposited to a desired thickness using a plasma atomic layer deposition method (202). When the deposition is completed, the substrate is taken out (203). In order to obtain a crystalline phase of the hafnium-aluminum oxide film, heat treatment is performed at or above the crystallization temperature of the hafnium-aluminum oxide film (204).
플라즈마 원자층 증착법을 이용하여 하프늄-알루미늄 고유전율 금속 산화막을 형성하기 위한 방법은, (a) 알루미늄 전구체를 주입시켜 기판에 화학 흡착시키는 단계와 (b) 퍼지가스를 주입하는 단계와 (c) 산소 플라즈마를 주입하여 흡착된 알루미늄 전구체의 리간드를 산화시킴으로써 알루미늄 산화막을 형성하는 단계와 (d) 퍼지가스를 주입하는 단계, 그리고 (e) 하프늄 전구체를 주입하여 흡착시키는 단계와 (f) 퍼지가스를 주입하는 단계와 (g) 산소 플라즈마를 주입하여 흡착된 하프늄 전구체의 리간드를 산화시킴으로써 하프늄 산화막을 형성하는 단계와 (h) 퍼지가스를 주입하는 단계로 이루어진 하나의 슈퍼 사이클을 거치면서 일정한 두께의 하프늄-알루미늄 산화막이 형성된다. 원자층 증착법에서는 이 사이클을 반복하게 되면 박막의 두께가 사이클 수에 비례적으로 증가하기 때문에 사이클의 반복을 통하여 원하는 두께의 박막을 기판 상에 형성할 수 있다.The method for forming a hafnium-aluminum high dielectric constant metal oxide film using a plasma atomic layer deposition method includes the steps of (a) injecting an aluminum precursor to chemisorbed onto a substrate, (b) injecting a purge gas, and (c) oxygen Injecting plasma to oxidize the ligand of the adsorbed aluminum precursor to form an aluminum oxide film, (d) injecting a purge gas, (e) injecting and adsorbing a hafnium precursor, and (f) injecting a purge gas. A hafnium oxide having a constant thickness through a super cycle consisting of the steps of (g) injecting an oxygen plasma to oxidize a ligand of the adsorbed hafnium precursor to form a hafnium oxide film, and (h) injecting a purge gas. An aluminum oxide film is formed. In the atomic layer deposition method, when the cycle is repeated, the thickness of the thin film increases in proportion to the number of cycles. Thus, a thin film having a desired thickness can be formed on the substrate through repeated cycles.
하프늄-알루미늄 산화막에서 각 하프늄과 알루미늄 산화막의 혼합 비율을 조절하기 위하여, 원하는 횟수만큼 상기(a)단계~(d)단계 (알루미늄 산화막의 한 단위 사이클) 및 (e)단계~(h)단계 (하프늄 산화막의 한 단위 사이클)를 반복하여 각각 하나의 서브 사이클을 구성할 수도 있다. 이러한 구성 방법은 다음과 같은 기호로 나타낼 수 있다.In order to adjust the mixing ratio of each hafnium and aluminum oxide film in the hafnium-aluminum oxide film, the steps (a) to (d) (one unit cycle of the aluminum oxide film) and (e) to (h) steps (a) as many times as desired. One unit cycle of the hafnium oxide film may be repeated to form one subcycle each. This configuration method can be represented by the following symbols.
(a, b) = (알루미늄 산화막의 단위 사이클 수, 하프늄 산화막의 단위 사이클 수)(a, b) = (unit cycle number of aluminum oxide film, unit cycle number of hafnium oxide film)
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명하나, 하기의 실시예에서 제공되는 특정 공정 방법, 특정 공정 변수(온도, 압력, 가스 유량, 플라즈마 파워) 및 특정 치수는 최적의 결과를 얻기 위한 예로서만 제공되는 것이며, 본 발명이 이에 한정되지 않는다. 아울러 본 발명에 제공되는 특정 고유전율 금속 산화막 및 성 분 표시는 예시로서만 제공되는 것으로서, 이 또한 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, the present invention will be described in detail by way of examples, but specific process methods, specific process parameters (temperature, pressure, gas flow rate, plasma power) and specific dimensions provided in the following examples are given as examples for obtaining an optimal result. Only provided, the present invention is not limited thereto. In addition, the specific high dielectric constant metal oxide film and the component display provided in the present invention are provided as examples only, and the present invention is not limited thereto.
실시예 1 : 하프늄-알루미늄 금속산화막의 제조(1) Example 1 Preparation of Hafnium-Aluminum Metal Oxide (1)
하프늄-알루미늄 산화막은 금속 원소를 포함하는 다양한 형태의 무기 화합물인 금속 전구체를 조합하여 형성할 수 있는데, 본 실시예에서는 하프늄 전구체로서는 TEMAHf(Tetrakis ethyl methyl amino hafnium, Hf[N(CH3)(C2H5)]4)가, 알루미늄 전구체로서는 TMA(Tri methyl aluminum, Al(CH3)3)가 사용되었으며, 산화제로서는 산소 플라즈마를 사용하였다.The hafnium-aluminum oxide film may be formed by combining metal precursors of various types of inorganic compounds including metal elements. In this embodiment, hafnium precursors include TEMAHf (Tetrakis ethyl methyl amino hafnium, Hf [N (CH 3 ) (C)). 2 H 5 )] 4 ) was used as TMA (Tri methyl aluminum, Al (CH 3 ) 3 ) as the aluminum precursor, and oxygen plasma was used as the oxidant.
하기 표 1과 같은 조합으로 플라즈마 원자층 증착법을 이용하여 250℃의 공정 온도에서 하프늄-알루미늄 고유전율 금속 산화막을 형성하기 위한 방법은, (a) 1초 동안 알루미늄 전구체인 TMA를 주입시켜 기판에 화학 흡착시키는 단계와, (b) 5초 동안 아르곤(Ar) 퍼지가스를 주입하는 단계와, (c) 1초 동안 산소 플라즈마를 주입하여 흡착된 알루미늄 전구체인 TMA의 리간드를 산화시킴으로써 알루미늄 산화막을 형성하는 단계와, (d) 5초 동안 퍼지가스를 주입하는 단계들로 이루어지는 알루미늄 산화막의 단위 사이클, 및 (e) 2초 동안 하프늄 전구체인 TEMAHf를 주입하여 흡착시키는 단계와, (f) 5초 동안 퍼지가스를 주입하는 단계와, (g) 1초 동안 산소 플라즈마를 주입하여 흡착된 하프늄 전구체인 TEMAHf의 리간드를 산화시킴으로써 하프늄 산화막을 형성하는 단계와, (h) 5초 동안 퍼지가스를 주입하는 단계들 로 이루어진 하프늄 산화막의 단위 사이클을 기본으로 하여 하프늄-알루미늄 금속산화막을 제조하였다.Method for forming a hafnium-aluminum high dielectric constant metal oxide film using a plasma atomic layer deposition method in a combination as shown in Table 1 below at a process temperature of 250 ℃, (a) by injecting a TMA, an aluminum precursor for 1 second to the chemical Adsorbing, (b) injecting argon (Ar) purge gas for 5 seconds, and (c) injecting oxygen plasma for 1 second to form an aluminum oxide film by oxidizing a ligand of TMA, an adsorbed aluminum precursor. A unit cycle of an aluminum oxide film comprising (d) injecting purge gas for 5 seconds, and (e) injecting and adsorbing a hafnium precursor, TEMAHf, for 2 seconds, and (f) purging for 5 seconds. Injecting a gas, (g) injecting an oxygen plasma for 1 second to oxidize a ligand of TEMAHf, a hafnium precursor adsorbed, thereby forming a hafnium oxide film; , (h) A hafnium-aluminum metal oxide film was prepared based on the unit cycle of the hafnium oxide film formed by injecting purge gas for 5 seconds.
하기 표 1은 알루미늄 산화막의 단위 사이클수가 1이고, 하프늄 산화막의 단위 사이클수가 9에서 30까지 변화하는 하프늄-알루미늄 산화막을 형성하기 위한 여러 가지 구성 방법을 보여준다. Table 1 shows various construction methods for forming a hafnium-aluminum oxide film in which the unit cycle number of the aluminum oxide film is 1 and the unit cycle number of the hafnium oxide film is changed from 9 to 30.
<표 1>TABLE 1
실시예 2 : 하프늄-알루미늄 금속산화막의 제조(2) Example 2 Preparation of Hafnium-Aluminum Metal Oxide
하프늄-알루미늄 산화막은 금속 원소를 포함하는 다양한 형태의 무기 화합물인 금속 전구체를 조합하여 형성할 수 있는데, 본 실시예에서는 하프늄 전구체로서는 TEMAHf(Tetrakis ethyl methyl amino hafnium, Hf[N(CH3)(C2H5)]4)가, 알루미늄 전구체로서는 TMA(Tri methyl aluminum, Al(CH3)3)가 사용되었으며, 산화제로서는 물(H2O)또는 오존(O3)을 사용하였다.The hafnium-aluminum oxide film may be formed by combining metal precursors of various types of inorganic compounds including metal elements. In this embodiment, hafnium precursors include TEMAHf (Tetrakis ethyl methyl amino hafnium, Hf [N (CH 3 ) (C)). 2 H 5 )] 4 ) was used as TMA (Tri methyl aluminum, Al (CH 3 ) 3 ) as the aluminum precursor, water (H 2 O) or ozone (O 3 ) was used as the oxidizing agent.
원자층 증착법을 이용하여 250도의 공정 온도에서 하프늄-알루미늄 고유전율 금속 산화막을 형성하기 위한 방법은, (a) 1초 동안 알루미늄 전구체인 TMA를 주입시켜 기판에 화학 흡착시키는 단계와, (b) 5초 동안 아르곤(Ar) 퍼지가스를 주입하는 단계와, (c) 1초 동안 물(H2O)또는 오존(O3)을 주입하여 흡착된 알루미늄 전구체 인 TMA의 리간드를 산화시킴으로써 알루미늄 산화막을 형성하는 단계와, (d) 5초 동안 퍼지가스를 주입하는 단계들로 이루어지는 알루미늄 산화막의 단위 사이클, 및 (e) 2초 동안 하프늄 전구체인 TEMAHf를 주입하여 흡착시키는 단계와, (f) 5초 동안 퍼지가스를 주입하는 단계와, (g) 1초 동안 물(H2O)또는 오존(O3)을 주입하여 흡착된 하프늄 전구체인 TEMAHf의 리간드를 산화시킴으로써 하프늄 산화막을 형성하는 단계와, (h) 5초 동안 퍼지가스를 주입하는 단계들로 이루어진 하프늄 산화막의 단위 사이클을 기본으로 하여 하프늄-알루미늄 금속산화막을 제조하였다.The method for forming a hafnium-aluminum high dielectric constant metal oxide film at a process temperature of 250 degrees by using an atomic layer deposition method includes the steps of (a) injecting TMA, an aluminum precursor for 1 second, to chemically adsorb onto a substrate, and (b) 5 Injecting argon (Ar) purge gas for seconds, and (c) injecting water (H 2 O) or ozone (O 3 ) for 1 second to oxidize the ligand of the adsorbed aluminum precursor, TMA, to form an aluminum oxide film. (D) a unit cycle of an aluminum oxide film comprising (d) injecting purge gas for 5 seconds, and (e) injecting and adsorbing TEMAHf, a hafnium precursor, for 2 seconds, and (f) for 5 seconds. Injecting a purge gas, (g) injecting water (H 2 O) or ozone (O 3 ) for one second to form a hafnium oxide film by oxidizing a ligand of the adsorbed hafnium precursor, TEMAHf, and (h ) Fuzzy for 5 seconds By the unit cycle of the hafnium oxide film formed in the steps of injecting a base hafnium was prepared an aluminum metal oxide film.
실시예 3 : 하프늄-알루미늄 금속산화막을 포함하는 반도체 소자의 제조Example 3 Fabrication of Semiconductor Device Containing Hafnium-Aluminum Metal Oxide
통상의 방법에 의하여, 실리콘 기판 위에 상기 실시예 1에서 제조한 하프늄-알루미늄 금속산화막을 형성하고, 그 위에 게이트로서 형성된 폴리 실리콘을 포함하여 하프늄-알루미늄 금속산화막을 포함하는 트랜지스터의 게이트 산화막을 제조하였다.By a conventional method, a hafnium-aluminum metal oxide film prepared in Example 1 was formed on a silicon substrate, and a gate oxide film of a transistor including a hafnium-aluminum metal oxide film was prepared including polysilicon formed as a gate thereon. .
실험예 1 : 하프늄-알루미늄 금속산화막의 X-선 회절 분석Experimental Example 1: X-ray diffraction analysis of hafnium-aluminum metal oxide film
X-선 회절분석기(XRD)을 이용하여 실시예 1에 의해 제조한 하프늄-알루미늄 금속산화막을 질소 분위기에서 700℃에서 60초 동안 열처리한 후의 유전율을 분석한 결과를 도 3에 나타내었다. 3 shows the results of analyzing the dielectric constant after heat treatment of the hafnium-aluminum metal oxide film prepared in Example 1 using an X-ray diffractometer (XRD) at 700 ° C. for 60 seconds in a nitrogen atmosphere.
도 3을 참조하면, 샘플 A부터 D는 하프늄 산화막의 열처리 후 단사정을 나타 내는 X-선 회절분석 결과인 도 1에서 예시한 X선 회절분석과는 다르게 고온상인 정방정상이 나타나는 것을 알 수 있다. Referring to FIG. 3, it can be seen that samples A to D exhibit a high temperature tetragonal phase unlike the X-ray diffraction analysis illustrated in FIG. 1, which is a result of X-ray diffraction analysis showing monoclinic crystal after heat treatment of hafnium oxide film. .
이러한 고온상의 안정화뿐만 아니라, 도 3에서 한 가지 더 주목할 점은 같은 정방정상 내에서 우선 배향성의 방향이 변한다는 점이다. 샘플 A의 경우 (111)방향의 우선 배향성을 나타내는데 반하여, 샘플 B부터는 (002) 방향의 우선 배향성을 나타내기 시작하였다. 그러나 샘플 D의 경우 정방정상 뿐만 아니라, 단사정상도 함께 나타나기 시작하였다. In addition to stabilization of this high temperature phase, one more notable point in FIG. 3 is that the orientation of orientation is first changed within the same tetragonal phase. In the case of sample A, the preferred orientation of the (111) direction was shown, whereas from sample B, the preferred orientation of the (002) direction was started. However, in case of sample D, not only tetragonal phase but also monoclinic phase began to appear.
실험예 2 : 하프늄-알루미늄 금속산화막의 유전율 변화 측정Experimental Example 2 Measurement of Dielectric Constant Change of Hafnium-Aluminum Metal Oxide
정전용량 측정기(capacitance-voltage(CV) analyzer(Keithley590))를 이용하여 실시예 1에 의해 제조한 하프늄-알루미늄 금속산화막의 열처리전과 질소 분위기에서 700℃에서 60초 동안 열처리한 후의 유전율을 측정한 결과를 도 4에 나타내었다. The dielectric constant was measured by using a capacitance-voltage (CV) analyzer (Keithley590) before the heat treatment of the hafnium-aluminum metal oxide film prepared in Example 1 and after heat treatment at 700 ° C. for 60 seconds in a nitrogen atmosphere. Is shown in FIG. 4.
도 4를 참조하면, (111)방향의 우선 배향성을 갖는 정방정상을 나타낸 샘플 A의 경우 28.5의 유전율을 나타내었는데, 이 값은 단사정상을 갖는 하프늄 산화막의 유전율인 21보다 증가한 값이다. Referring to FIG. 4, the sample A showing the tetragonal phase with preferred orientation in the (111) direction showed a dielectric constant of 28.5, which is an increase in the dielectric constant of 21 of the hafnium oxide film having a monoclinic phase.
또한, (002)방향의 우선 배향성을 갖는 정방정상을 나타내는 샘플 B와 C의 경우 유전율은 47까지 증가하였으며, 이 값은 단사정상을 갖는 하프늄 산화막의 유전율보다 2배 이상 큰 값이다. 그러나 정방정상 뿐만 아니라, 단사정상도 함께 나타나는 샘플 D부터는 유전율이 다시 감소하였다. In the case of samples B and C showing tetragonal phases having preferred orientation in the (002) direction, the dielectric constants increased to 47, which is more than twice the dielectric constant of the monoclinic hafnium oxide film. However, the dielectric constant decreased again from Sample D, which showed not only a tetragonal but also a monoclinic.
실험예 3 : 하프늄-알루미늄 금속산화막의 누설전류 변화 측정Experimental Example 3 Measurement of Leakage Current Change of Hafnium-Aluminum Metal Oxide
누설전류 측정기(semiconductor parameter analyzer (HP4145B)) )을 이용하여 실시예 1에 의해 제조한 하프늄-알루미늄 금속산화막의 열처리전과 질소 분위기에서 700℃에서 60초 동안 열처리한 후의 누설전류를 측정한 결과를 도 5에 나타내었다. Figure 1 shows the results of measuring the leakage current before heat treatment of the hafnium-aluminum metal oxide film prepared in Example 1 and after heat treatment at 700 ° C. for 60 seconds in a nitrogen atmosphere using a leak current analyzer (HP4145B). 5 is shown.
도 5를 참조하면, 열처리 전의 하프늄-알루미늄 산화막의 경우 비정질상을 나타내어 열처리후에 결정상을 나타내는 하프늄-알루미늄 산화막 보다 낮은 누설 전류 값을 나타내었다. 또한 하프늄-알루미늄 산화막의 경우, 열처리 후에도 단일 하프늄 산화막보다 낮은 누설전류 값을 나타내었다. Referring to FIG. 5, the hafnium-aluminum oxide film before the heat treatment showed an amorphous phase and exhibited a lower leakage current value than the hafnium-aluminum oxide film showing the crystalline phase after the heat treatment. In addition, the hafnium-aluminum oxide film showed a lower leakage current value than the single hafnium oxide film even after the heat treatment.
상기로부터 본 발명에 의한 고유전율 금속산화막은 반도체 소자 및 전기전자 시스템 소자에 적합한 결정학적 및 전기적 특성을 가지고 있음을 알 수 있다. It can be seen from the above that the high dielectric constant metal oxide film according to the present invention has crystallographic and electrical properties suitable for semiconductor devices and electrical and electronic system devices.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 결정상에 따라 유전율이 변하는 고유전율 금속산화막에 상기 금속산화막을 구성하고 있는 금속 원소보다 작은 원자가를 갖는 소량의 금속 원소를 주기적으로 반복 첨가할 경우 고유전율을 갖는 결정상을 안정화 시킬 수 있으며, 주기적으로 소량 반복 첨가하는 금속 원소의 상대적인 양의 조절을 통해 같은 결정상 내에서 우선 배향성을 변화시켜 더 높은 유전율을 얻을 수 있는 효과가 있다. As described above, according to the present invention, when a small amount of metal elements having a valence smaller than those of the metal elements constituting the metal oxide film are periodically added to the high dielectric constant metal oxide film whose dielectric constant changes according to the crystal phase, The crystal phase can be stabilized, and by controlling the relative amount of the metal element to be periodically added in small amounts, there is an effect that a higher permittivity can be obtained by first changing the orientation in the same crystal phase.
이와 함께 본 발명에 의한 방법으로 제조한 고유전율 금속 산화막을 포함하는 반도체 소자의 경우 낮은 등가 산화막 두께와 낮은 누설전류와 같은 우수한 전기적 특성을 지니는 잇점이 있다.In addition, the semiconductor device including the high dielectric constant metal oxide film manufactured by the method according to the present invention has an advantage of having excellent electrical characteristics such as low equivalent oxide film thickness and low leakage current.
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