KR102484092B1 - Gate structure having high dielectric constant and band gap, and method for manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고 유전율 및 밴드갭을 가지는 게이트 구조체 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 서로 다른 high-k 유전체의 혼입 방법 및 비율을 조절함으로써, 높은 유전율을 가지면서도 트랩 감소 및 밴드갭 확대로 낮은 누설 전류 밀도를 가지는 게이트 구조체 및 이의 제조방법을 제공할 수 있다.The present invention relates to a gate structure having a high permittivity and a band gap and a method for manufacturing the same, and by controlling the incorporation method and ratio of different high-k dielectrics, a gate structure having a high permittivity and a low leakage current due to trap reduction and band gap expansion It is possible to provide a gate structure having a density and a manufacturing method thereof.

Description

고 유전율 및 밴드갭을 가지는 게이트 구조체 및 이의 제조방법{Gate structure having high dielectric constant and band gap, and method for manufacturing the same}Gate structure having high dielectric constant and band gap, and method for manufacturing the same}

본 발명은 고 유전율 및 밴드갭을 가지는 게이트 구조체 및 이의 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a gate structure having a high dielectric constant and a band gap and a method for manufacturing the same.

금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor, MOSFET)에서 사용되는 게이트 산화막(Gate Oxide)은 전자의 이동을 차단하는 역할을 하는데, 절연 효과를 높이기 위해서는 절연층의 두께를 두껍게 할 필요가 있다. The gate oxide used in the metal-oxide-semiconductor field-effect transistor (MOSFET) serves to block the movement of electrons. Needs to be.

다만, 게이트 산화막의 층 두께를 두껍게하는 경우, 게이트에서 기판으로의 전압에 대한 전달능력이 떨어진다. 따라서, 최종적으로 얻고자 하는 산화막 아래의 채널이 원하는 적절한 시간 내에 형성되지 않는다. However, when the layer thickness of the gate oxide layer is increased, the transmission capability of the voltage from the gate to the substrate deteriorates. Therefore, the channel under the oxide film to be finally obtained is not formed within a desired time.

기술의 발전 및 수요에 의해 게이트 산화막의 두께 감소가 필요하며 게이트 산화막의 두께를 줄이더라도 장치의 기본적인 기능이나 성능은 유지해야 하기 때문에 산화막의 절연성을 높이기 위해서 게이트 산화막의 재질을 유전율이 높은 것으로 해야할 필요가 있다.It is necessary to reduce the thickness of the gate oxide film due to technological development and demand, and even if the thickness of the gate oxide film is reduced, the basic function or performance of the device must be maintained. Therefore, it is necessary to make the material of the gate oxide film with a high dielectric constant in order to increase the insulating property of the oxide film. there is

그런데, 기존에 사용되는 실리콘 산화막(SiO2) 및 실리콘산 질화막(SiON)의 경우 게이트 스택(gate stack)의 다운스케일링에 의하여 이미 그 적용 한계에 도달하였다. However, in the case of conventionally used silicon oxide (SiO 2 ) and silicon nitride (SiON), the application limit has already been reached due to downscaling of the gate stack.

이를 대체하기 위하여 III-V 채널 재료와 함께 high-k 산화물을 조합하는 기술이 최근 연구되어 있으나, III-V 채널 재료를 기반으로한 MOS 커패시터의 실제 구현을 위해서는 III-V 채널 재료의 표면의 공공(vacancies) 결함 및 불완전한 이량체화(dimerization)로 인한 불포화 결합에 따른 전기적 활성 트랩을 형성하는 문제가 해결되어야 하고, high-k 산화물의 경우, 적절한 밴드갭을 가지면서도 고 유전율을 가지는 소재의 개발이 미흡한 실정이다.In order to replace this, a technique of combining a high-k oxide with a III-V channel material has been recently studied, but in order to actually implement a MOS capacitor based on the III-V channel material, the surface of the III-V channel material needs to be vacant. (vacancies) The problem of forming electrically active traps due to unsaturated bonds due to defects and incomplete dimerization must be solved, and in the case of high-k oxides, the development of materials with high permittivity while having an appropriate band gap is required. situation is insufficient.

따라서, 수요에 적합한 두께가 얇으면서도 높은 작동 속도, 우수한 신뢰성, 응축된 장치 밀도 및 낮은 전력 소비를 제공할 수 있는 게이트 구조체의 개발이 필요하다.Therefore, there is a need to develop a gate structure capable of providing high operating speed, excellent reliability, condensed device density, and low power consumption while having a thin thickness suitable for the demand.

대한민국 공개특허공보 제10-2006-0090828호Republic of Korea Patent Publication No. 10-2006-0090828

본 발명은 높은 유전율을 가지면서도 트랩 감소 및 밴드갭 확대로 낮은 누설 전류 밀도를 가지는 게이트 구조체 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a gate structure having a high permittivity and a low leakage current density due to trap reduction and band gap expansion, and a manufacturing method thereof.

본 발명은 III-V족 화합물 기반의 채널층; 및 채널층 상에 형성된 게이트 산화막을 포함하고, 상기 게이트 산화막은 제1 금속 산화물이 제2 금속 산화물의 내부에 혼입된 구조이며, 상기 제1 금속 산화물의 금속 원자 반지름이 상기 제2 금속 산화물의 금속 원자 반지름보다 작은 게이트 구조체를 제공한다.The present invention relates to a channel layer based on a group III-V compound; and a gate oxide film formed on the channel layer, wherein the gate oxide film has a structure in which a first metal oxide is incorporated into a second metal oxide, and a metal atom radius of the first metal oxide is a metal of the second metal oxide. We provide a gate structure smaller than the atomic radius.

일 실시예로서, 상기 제1 금속 산화물 및 상기 제2 금속 산화물의 금속은 Al, Zr, Hf, Ti, Mg, La, Ca, Y, Ta 및 Sr로 이루어진 군에서 선택된 하나이며, 상기 제1 금속 산화물의 금속과 제2 금속 산화물의 금속은 다른 종류일 수 있다.In one embodiment, the metal of the first metal oxide and the second metal oxide is one selected from the group consisting of Al, Zr, Hf, Ti, Mg, La, Ca, Y, Ta, and Sr, and the first metal The metal of the oxide and the metal of the second metal oxide may be of different types.

일 실시예로서, 상기 게이트 산화막의 두께가 3 내지 10nm일 수 있다.As an example, the gate oxide layer may have a thickness of 3 nm to 10 nm.

일 실시예로서, 기 게이트 산화막은, 유전 상수가 7 내지 10이고, 밴드갭이 5 내지 8eV일 수 있다.As an example, the gate oxide layer may have a dielectric constant of 7 to 10 and a band gap of 5 to 8 eV.

일 실시예로서, 상기 III-V족 화합물은 InP, InAs, InSb, AlGaAs 또는 InGaAs일 수 있다.As an example, the group III-V compound may be InP, InAs, InSb, AlGaAs or InGaAs.

일 실시예로서, 상기 InGaAs는 InxGa1-xAs(x>0.5)일 수 있다.As an example, the InGaAs may be In x Ga 1-x As (x>0.5).

일 실시예로서, 상기 게이트 산화막에 대한 상기 제1 금속 산화물의 함량은 5 내지 70중량%일 수 있다. As an example, the content of the first metal oxide relative to the gate oxide layer may be 5 to 70% by weight.

또한, 본 발명은 III-V족 화합물 기반의 채널층상에 제1 금속 전구체, 제2 금속 전구체 및 산화제를 이용하여 원자층 증착(ALD)으로 제1 금속 산화물 및 제2 금속 산화물을 포함하는 게이트 산화막을 형성하는 단계를 포함하되, 상기 원자층 증착 시 제1 금속 산화물 및 제2 금속 산화물은 교대로 반복하여 증착되고, 상기 제1 금속 전구체 및 제2 금속 전구체 중 금속의 원자 반지름이 작은 금속 산화물을 먼저 증착하는 게이트 구조체의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention is a gate oxide film including a first metal oxide and a second metal oxide by atomic layer deposition (ALD) using a first metal precursor, a second metal precursor, and an oxidizer on a channel layer based on a group III-V compound. Including the step of forming, wherein the first metal oxide and the second metal oxide are alternately and repeatedly deposited during the atomic layer deposition, and the metal oxide having a small atomic radius of the metal among the first metal precursor and the second metal precursor First, a method of manufacturing a gate structure to be deposited is provided.

일 실시예로서, 상기 원자층 증착 시 제1 금속 산화물의 사이클 수를 x, 제2 금속 산화물의 사이클 수를 y 및 총 사이클 수를 n이라 할때, x:y는 1:9 내지 7:3이고, n은 20 이하일 수 있다.As an example, when the number of cycles of the first metal oxide is x, the number of cycles of the second metal oxide is y, and the total number of cycles is n during the atomic layer deposition, x:y is 1:9 to 7:3 And, n may be 20 or less.

일 실시예로서, 상기 제1 금속 전구체는 트리메틸알루미늄 (trimethylaluminum)이고, 상기 제2 금속 전구체는 테트라키스 (에틸메틸아미노) 하프늄 (Tetrakis (ethylmethylamido) hafnium)일 수 있다.As an example, the first metal precursor may be trimethylaluminum, and the second metal precursor may be tetrakis (ethylmethylamido) hafnium.

일 실시예로서, 상기 III-V족 화합물은 InP, InAs, InSb, AlGaAs 또는 InGaAs일 수 있다.As an example, the group III-V compound may be InP, InAs, InSb, AlGaAs or InGaAs.

일 실시예로서, 상기 InGaAs는 InxGa1-xAs(x>0.5)일 수 있다.As an example, the InGaAs may be In x Ga 1-x As (x>0.5).

본 발명은 서로 다른 high-k 유전체의 혼입 방법 및 비율을 조절함으로써, 높은 유전율을 가지면서도 트랩 감소 및 밴드갭 확대로 낮은 누설 전류 밀도를 가지는 게이트 구조체 및 이의 제조방법을 제공할 수 있다.The present invention can provide a gate structure having a high permittivity and a low leakage current density due to trap reduction and band gap expansion, and a manufacturing method thereof, by controlling the incorporation method and ratio of different high-k dielectrics.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 게이트 산화막 제조 공정의 개략도(a) 및 게이트 구조체의 구조를 나타낸 개략도(b)이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1(a), 실시예 2(b), 실시예 3(c) 및 실시예 4(d)의 10kHz 내지 1MHz의 주파수 범위를 적용한 주파수 의존적인 정전 용량 전압(frequency-dependent capacitance voltage, C-V)을 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1 내지 4에서 추출된 유효 유전 상수(keffective) 및 밴드 평탄화 전압(VFB)을 나타낸 그래프(a), CV 히스테리시스를 나타낸 그래프(b) 및 핀홀이 없는 막의 형성 과정을 나타내는 개략도(c)이다.
도 4(a) 내지 도4(c)는 본 발명의 실시예 1 내지 4의 Hf-4f, Al-2p 및 O-1s XPS 스펙트럼, 도 4(d) 내지 도 4(f)는 본 발명의 실시예 1 내지 4의 As-3d, Ga-3d 및 In-3d 스펙트럼 및 도 4(g)는 350℃에서 RTA 처리된 XRD 스펙트럼이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1 내지 4의 HfAlO/In0.53Ga0.47As의 스펙트럼에서 In0.53Ga0.47As의 VB 스펙트럼을 뺀 HfAlO 필름의 밸런스 밴드 오프셋(valance band offset, ΔEv) 추출을 나타낸 그래프(a), 1keV에서 REELS 스펙트럼의 대역 간 여기의 시작점을 정의하여 추출된 에너지갭(Eg)을 나타낸 그래프(b), 밴드 정렬 값(c) 및 실시예 1 내지 4의 개략적인 밴드 다이어그램을 나타낸 그래프(d)이다.
도 6(a)는 본 발명에서 사용된 경계 트랩 모델의 전기적 표현을 나타낸 개략도이며, 도 6(b) 및 도 6(c)는 정전용량 및 컨덕턴스에 대한 측정 데이터와 수치 데이터 사이의 1 -V에서의 피팅 곡선을 나타낸 그래프이고, 도 6(d)는 추출된 경계 트랩 밀도(Nbt)와 주파수 분산 및 계면 트랩 밀도(Dit)를 비교한 그래프이다.
도 7(a)는 E5250A 저 누설 스위치 메인 프레임(low-leakage switch mainframe)의 C-V 및 I-V 측정을 위한 측정 절차의 흐름도를 나타내고, 도 7(b)는 스트레스가 가해진 디바이스의 정규화된 C-V 곡선과 100kHz에서 새로운 케이스를 나타낸 그래프이며, 도 7(c)는 실시예 1 내지 4에 대한 1.5V에서 2000초의 CVS 후 문턱 전압 이동 (ΔVTH)을 나타낸 그래프이다.
도 8(a)는 본 발명에 적용된 양의 바이어스 전압에서 측정된 전류-전압 특성과 HfAlO 샘플의 계산된 항복 전기장과 밴드 평탄화 전압에서의 누설 전류 밀도를 나타낸 그래프이고, 도 8(b)는 본 발명의 실시예 1 내지 4의 항복 전압 및 누설 전류를 나타낸 그래프이다.
1 is a schematic diagram (a) of a gate oxide manufacturing process and a schematic diagram (b) showing the structure of a gate structure according to an embodiment of the present invention.
2 is a frequency dependent capacitance voltage (frequency) to which a frequency range of 10 kHz to 1 MHz is applied in Examples 1 (a), 2 (b), 3 (c) and 4 (d) of the present invention. It is a graph showing -dependent capacitance voltage (CV).
3 is a graph showing the effective dielectric constant (keffective) and band flattening voltage (V FB ) extracted from Examples 1 to 4 of the present invention (a), a graph showing CV hysteresis (b) and a process of forming a pinhole-free film It is a schematic diagram (c) showing.
4(a) to 4(c) are Hf-4f, Al-2p and O-1s XPS spectra of Examples 1 to 4 of the present invention, and FIGS. 4(d) to 4(f) are of the present invention. As-3d, Ga-3d and In-3d spectra of Examples 1 to 4 and FIG. 4(g) are XRD spectra after RTA treatment at 350°C.
Figure 5 is a graph showing the extraction of the valance band offset (ΔE v ) of the HfAlO film obtained by subtracting the VB spectrum of In0.53Ga0.47As from the spectrum of HfAlO/In0.53Ga0.47As of Examples 1 to 4 of the present invention. (a), a graph showing the energy gap (E g ) extracted by defining the starting point of inter-band excitation of the REELS spectrum at 1 keV (b), band alignment values (c) and schematic band diagrams of Examples 1 to 4 It is the graph (d) shown.
Figure 6 (a) is a schematic diagram showing the electrical expression of the boundary trap model used in the present invention, Figure 6 (b) and Figure 6 (c) is a 1 -V between measured data and numerical data for capacitance and conductance It is a graph showing the fitting curve in , and FIG. 6 (d) is a graph comparing the extracted boundary trap density (N bt ) with frequency dispersion and interface trap density (D it ).
Figure 7 (a) shows the flow chart of the measurement procedure for measuring CV and IV of an E5250A low-leakage switch mainframe, and Figure 7 (b) shows the normalized CV curve of the stressed device and the 100 kHz 7(c) is a graph showing the threshold voltage shift (ΔV TH ) after 2000 seconds of CVS at 1.5V for Examples 1 to 4.
8(a) is a graph showing the current-voltage characteristics measured at the positive bias voltage applied to the present invention, the calculated breakdown electric field of the HfAlO sample, and the leakage current density at the band flattening voltage, and FIG. It is a graph showing breakdown voltage and leakage current of Examples 1 to 4 of the invention.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다.Since the present invention can make various changes and have various embodiments, specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the detailed description.

그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and should be understood to include all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.

본 발명에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.In the present invention, the term "comprises" or "has" is intended to designate that there is a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, but one or more other features It should be understood that the presence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof is not precluded.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있다.Therefore, since the configurations shown in the embodiments described in this specification are only one of the most preferred embodiments of the present invention and do not represent all of the technical ideas of the present invention, various equivalents that can replace them at the time of this application and variations may exist.

본 발명은 III-V족 화합물 기반의 채널층; 및 채널층 상에 형성된 게이트 산화막을 포함하고, 상기 게이트 산화막은 제1 금속 산화물이 제2 금속 산화물의 내부에 혼입된 구조이며, 상기 제1 금속 산화물의 금속 원자 반지름이 상기 제2 금속 산화물의 금속 원자 반지름보다 작은 게이트 구조체를 제공한다.The present invention relates to a channel layer based on a group III-V compound; and a gate oxide film formed on the channel layer, wherein the gate oxide film has a structure in which a first metal oxide is incorporated into a second metal oxide, and a metal atom radius of the first metal oxide is a metal of the second metal oxide. We provide a gate structure smaller than the atomic radius.

상기 채널층에서 III-V족 화합물은 InP, InAs, InSb, AlGaAs 또는 InGaAs일 수 있다. 상기와 같은 III-V족 화합물은 기존에 사용되는 Si에 비하여 유효 질량이 낮아 높은 전자 이동도 및 주입 속도를 가질 수 있다. 상기와 같은 높은 이동성으로 인해 평균 캐리어 속도(carrier velocity)를 증가시킴으로써, 높은 작동 구동 전류(operative drive current) 및 높은 스위칭 속도를 가질 수 있다. In the channel layer, the group III-V compound may be InP, InAs, InSb, AlGaAs, or InGaAs. The group III-V compound as described above may have a high electron mobility and injection rate due to a lower effective mass than conventionally used Si. By increasing the average carrier velocity due to the high mobility as described above, it is possible to have a high operative drive current and a high switching speed.

예를 들어, 상기 III-V족 화합물은 InGaAs일 수 있으며, 구체적으로 InxGa1-xAs(x>0.5)일 수 있다. 특히, x가 53인 In0.53Ga0.47As는 Si보다 8배 더 높은 전자 이동도를 가질 수 있다. For example, the group III-V compound may be InGaAs, specifically In x Ga 1-x As (x>0.5). In particular, In 0.53 Ga 0.47 As where x is 53 may have an electron mobility 8 times higher than that of Si.

상기 InGaAs를 사용한 채널층은 게이트 산화막에 큰 밴드 오프셋을 제공하고 질량이 낮은 감마 밸리와 질량이 높은 L- 및 X- 밸리 사이의 높은 수준의 분리를 제공할 수 있다.The channel layer using InGaAs can provide a large band offset to the gate oxide film and provide a high level of separation between the low-mass gamma valley and the high-mass L- and X-valleys.

상기 게이트 산화막에서 제1 금속 산화물 및 상기 제2 금속 산화물의 금속은 Al, Zr, Hf, Ti, Mg, La, Ca, Y, Ta 및 Sr로 이루어진 군에서 선택된 하나일 수 있으며, 예를 들어, 제1 금속 산화물의 금속은 Al이고 제1 금속 산화물은 Al2O3일 수 있으며, 상기 제2 금속 산화물의 금속은 Hf이고, 제2 금속 산화물은 HfO2일 수 있다.In the gate oxide film, the metal of the first metal oxide and the second metal oxide may be one selected from the group consisting of Al, Zr, Hf, Ti, Mg, La, Ca, Y, Ta, and Sr. For example, The metal of the first metal oxide may be Al, the first metal oxide may be Al 2 O 3 , the metal of the second metal oxide may be Hf, and the second metal oxide may be HfO 2 .

또한, 상기 제1 금속 산화물의 금속과 제2 금속 산화물의 금속은 다른 종류인 것이 바람직하고, 상기 제1 금속 산화물의 금속과 제2 금속 산화물의 금속을 다른 종류로 함으로써, 각각의 금속이 가지는 유전율 및 밴드갭 특성을 상호 보완할 수 있다.In addition, the metal of the first metal oxide and the metal of the second metal oxide are preferably of different types, and the metal of the first metal oxide and the metal of the second metal oxide are of different types, so that the permittivity of each metal is different. And bandgap characteristics may be mutually supplemented.

상기 제1 금속 산화물은 제2 금속 산화물의 내부에 혼입된 구조를 가지며, 이때, 상기 제1 금속 산화물의 금속 원자 반지름이 상기 제2 금속 산화물의 금속 원자 반지름보다 작은 것이 바람직하다.The first metal oxide has a structure incorporated into the second metal oxide, and at this time, it is preferable that the metal atom radius of the first metal oxide is smaller than the metal atom radius of the second metal oxide.

구체적으로, 상기 제1 금속 산화물이 제2 금속 산화물의 내부에 혼입된 구조는 상기 채널층 상에 제1 금속 산화물 및 제2 금속 산화물을 교대로 반복하여 원자층 증착을 수행함으로써 달성할 수 있다. 이때, 금속 반지름이 작은 제1 금속 산화물을 먼저 채널층 상에 증착함으로써, 이어지는 제2 금속 산화물의 증착 후 제1 금속 산화물의 작은 크기로 인하여 제1 금속 산화물이 제2 금속 산화물의 내부로 혼입될 수 있다.Specifically, the structure in which the first metal oxide is mixed into the second metal oxide may be achieved by performing atomic layer deposition by alternately repeating the first metal oxide and the second metal oxide on the channel layer. At this time, by first depositing a first metal oxide having a small metal radius on the channel layer, the first metal oxide may be incorporated into the second metal oxide due to the small size of the first metal oxide after the subsequent deposition of the second metal oxide. can

이때, 상기 원자층 증착은 제1 금속 산화물의 사이클 수를 x, 제2 금속 산화물의 사이클 수를 y 및 총 사이클 수를 n이라 할때, x:y는 1:9 내지 7:3이고, n은 20 이하로 수행할 수 있다.At this time, in the atomic layer deposition, when the number of cycles of the first metal oxide is x, the number of cycles of the second metal oxide is y, and the total number of cycles is n, x: y is 1: 9 to 7: 3, and n can be performed below 20.

상기 방법으로 원자층 증착을 수행하는 경우 전체 게이트 산화막에 대한 상기 제1 금속 산화물의 함량은 5 내지 70중량%일 수 있으며, 예를 들어, 10 내지 50중량%, 20 내지 50 중량%, 30 내지 50중량%또는 40 내지 50중량%일 수 있다.When atomic layer deposition is performed by the above method, the content of the first metal oxide with respect to the entire gate oxide layer may be 5 to 70% by weight, for example, 10 to 50% by weight, 20 to 50% by weight, or 30 to 50% by weight. 50% by weight or 40 to 50% by weight.

또한, 상기 금속의 원자 반지름은 Al이 125pm, Zr이 155pm, Hf이 155pm, Ti이 140pm, La이 195pm일 수 있다.In addition, the atomic radius of the metal may be 125 pm for Al, 155 pm for Zr, 155 pm for Hf, 140 pm for Ti, and 195 pm for La.

상기와 같이 제1 금속 산화물이 제2 금속 산화물에 혼입되는 경우, 계면(interface) 트랩 및 경계(border) 트랩의 영향을 최소화할 수 있다.As described above, when the first metal oxide is incorporated into the second metal oxide, the influence of interface traps and border traps may be minimized.

상기 계면 트랩은 불충분한 페르미 레벨 응답, 채널의 전하 캐리어 제어 약화, 구동 전류 저하를 유발하고, 상기 경계 트랩은 채널에서 충분한 캐리어 형성을 방지하고 포논 산란(phonon scattering)을 증가시키며 문턱 전압(threshold voltage)의 불안정성 및 전달 컨덕턴스(transconductance) 저하 및 히스테리시스를 생성하여 장치의 성능을 감소시킨다. The interfacial trap causes an insufficient Fermi level response, weakens the charge carrier control of the channel, and lowers the driving current, and the boundary trap prevents the formation of sufficient carriers in the channel, increases phonon scattering, and reduces the threshold voltage. ) instability and transconductance degradation and hysteresis, reducing the performance of the device.

또한, 상기 제1 금속 산화물 및 제2 금속 산화물의 혼입으로 게이트 산화막의 유전율, 밴드갭 및 이들의 특성을 조절할 수 있다.In addition, the dielectric constant, band gap, and characteristics thereof of the gate oxide layer may be controlled by incorporation of the first metal oxide and the second metal oxide.

구체적으로, 제1 금속 산화물이 Al2O3인 경우, 비교적 큰 밴드갭(~8.8eV), 계면 경계 자가 세척 효과(self-cleaning effect), 높은 열 안정성 및 적은 활성 전기적 결함을 갖지만, Al2O3는 유전 상수(k = 6 ~ 9)가 만족스럽지 못하다.Specifically, when the first metal oxide is Al 2 O 3 , it has a relatively large band gap (~8.8 eV), interface boundary self-cleaning effect, high thermal stability, and few active electrical defects, but Al 2 O 3 has an unsatisfactory dielectric constant (k = 6 to 9).

한편, 제2 금속 산화물이 HfO2인 경우, HfO2는 높은 유전 상수(k = 20 ~ 25)를 가지고, 적당한 밴드 갭 (5.7 eV)의 장점을 가지고 있지만 열 및 계면 안정성이 낮고 히스테리시스가 크며 누설이 높은 경향이 있으며, 전기적 트랩이 활성화된다는 단점을 가진다. On the other hand, when the second metal oxide is HfO 2 , HfO 2 has a high dielectric constant (k = 20 to 25) and a moderate band gap (5.7 eV), but has low thermal and interfacial stability, large hysteresis, and leakage. tends to be high, and has the disadvantage that electrical traps are activated.

본 발명에 따른 게이트 산화막 및 게이트 구조체의 경우 상기 제1 금속 산화물 및 제2 금속 산화물을 혼입 및 이들의 비율을 조절함으로써 게이트 산화막 및 게이트 구조체의 유전율, 밴드갭 및 이들의 상기와 같은 특성을 적절하게 조절할 수 있다.In the case of the gate oxide film and gate structure according to the present invention, the permittivity, band gap, and characteristics of the gate oxide film and the gate structure are properly adjusted by incorporating the first metal oxide and the second metal oxide and adjusting the ratio thereof. can be adjusted

구체적으로, 본 발명에 따른 게이트 산화막은, 유전 상수가 7 내지 10이고, 밴드갭이 5 내지 8eV일 수 있다. Specifically, the gate oxide film according to the present invention may have a dielectric constant of 7 to 10 and a band gap of 5 to 8 eV.

예를 들어, 본 발명에 따른 게이트 산화막의 유전 상수는 8 내지 10 또는 9 내지 10일 수 있으며, 본 발명에 따른 게이트 산화막의 밴드갭은 5 내지 7eV 또는 6 내지 7eV일 수 있다.For example, the dielectric constant of the gate oxide film according to the present invention may be 8 to 10 or 9 to 10, and the band gap of the gate oxide film according to the present invention may be 5 to 7 eV or 6 to 7 eV.

즉, 본 발명은 상기 유전 상수 값 및 밴드갭을 동시에 달성할 수 있다.That is, the present invention can simultaneously achieve the above dielectric constant value and band gap.

또한, 상기 게이트 산화막의 두께는 3 내지 10nm일 수 있으며, 예를 들어, 상기 게이트 산화막의 두께는 4 내지 8nm 또는 4.5 내지 6nm일 수 있다. 상기와 같은 두께를 가지는 경우, 계면 및 경계 트랩을 최소화할 수 있으며, 유전율을 높일 수 있다.Also, the thickness of the gate oxide layer may be 3 to 10 nm, and for example, the thickness of the gate oxide layer may be 4 to 8 nm or 4.5 to 6 nm. In the case of having the thickness as described above, it is possible to minimize interfaces and boundary traps and increase permittivity.

또한, 본 발명은 III-V족 화합물 기반의 채널층상에 제1 금속 전구체, 제2 금속 전구체 및 산화제를 이용하여 원자층 증착(ALD)으로 제1 금속 산화물 및 제2 금속 산화물을 포함하는 게이트 산화막을 형성하는 단계를 포함하되, 상기 원자층 증착 시 제1 금속 산화물 및 제2 금속 산화물은 교대로 반복하여 증착되고, 상기 제1 금속 전구체 및 제2 금속 전구체 중 금속의 원자 반지름이 작은 금속 산화물을 먼저 증착하는 게이트 구조체의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention is a gate oxide film including a first metal oxide and a second metal oxide by atomic layer deposition (ALD) using a first metal precursor, a second metal precursor, and an oxidizer on a channel layer based on a group III-V compound. Including the step of forming, wherein the first metal oxide and the second metal oxide are alternately and repeatedly deposited during the atomic layer deposition, and the metal oxide having a small atomic radius of the metal among the first metal precursor and the second metal precursor First, a method of manufacturing a gate structure to be deposited is provided.

제1 금속 전구체 및 제2 금속 전구체 중 금속의 원자 반지름이 작은 금속 산화물을 먼저 증착함으로써, 크기가 작은 금속 산화물이 크기가 큰 금속 산화물의 내부로 혼입이 될 수 있다. Among the first metal precursor and the second metal precursor, by first depositing a metal oxide having a small atomic radius, the small metal oxide may be incorporated into the large metal oxide.

이때, 상기 원자층 증착은 제1 금속 산화물의 사이클 수를 x, 제2 금속 산화물의 사이클 수를 y 및 총 사이클 수를 n이라 할때, x:y는 1:9 내지 7:3이고, n은 20 이하로 수행할 수 있다.At this time, in the atomic layer deposition, when the number of cycles of the first metal oxide is x, the number of cycles of the second metal oxide is y, and the total number of cycles is n, x: y is 1: 9 to 7: 3, and n can be performed below 20.

예를 들어, 상기 x:y는 1:5 내지 6:4, 1:4 내지 6:4, 1:3 내지 6:4일 수 있으며, 상기 n은 15 이하, 12 이하, 11 이하, 9 이하 또는 8 이하일 수 있다.For example, x:y may be 1:5 to 6:4, 1:4 to 6:4, or 1:3 to 6:4, and n may be 15 or less, 12 or less, 11 or less, or 9 or less. or 8 or less.

이때, 상기 제1 금속 전구체는 트리메틸알루미늄 (trimethylaluminum)이고, 상기 제2 금속 전구체는 테트라키스 (에틸메틸아미노) 하프늄 (Tetrakis (ethylmethylamido) hafnium)일 수 있다.In this case, the first metal precursor may be trimethylaluminum, and the second metal precursor may be tetrakis (ethylmethylamido) hafnium.

상기 채널층에서 III-V족 화합물은 InP, InAs, InSb, AlGaAs 또는 InGaAs일 수 있다. 상기와 같은 III-V족 화합물은 기존에 사용되는 Si에 비하여 유효 질량이 낮아 높은 전자 이동도 및 주입 속도를 가질 수 있다. 상기와 같은 높은 이동성으로 인해 평균 캐리어 속도(carrier velocity)를 증가시킴으로써, 높은 작동 구동 전류(operative drive current) 및 높은 스위칭 속도를 가질 수 있다. In the channel layer, the group III-V compound may be InP, InAs, InSb, AlGaAs, or InGaAs. The group III-V compound as described above may have a high electron mobility and injection rate due to a lower effective mass than conventionally used Si. By increasing the average carrier velocity due to the high mobility as described above, it is possible to have a high operative drive current and a high switching speed.

예를 들어, 상기 III-V족 화합물은 InGaAs일 수 있으며, 구체적으로 InxGa1-xAs(x>0.5)일 수 있다. 특히, x가 53인 In0.53Ga0.47As는 Si보다 8배 더 높은 전자 이동도를 가질 수 있다. For example, the group III-V compound may be InGaAs, specifically In x Ga 1-x As (x>0.5). In particular, In 0.53 Ga 0.47 As where x is 53 may have an electron mobility 8 times higher than that of Si.

상기 원자층 증착은 200 내지 300℃에서 수행될 수 있으며, 예를 들어, 220 내지 280℃ 또는 240 내지 260℃에서 수행될 수 있다.The atomic layer deposition may be performed at 200 to 300 °C, for example, 220 to 280 °C or 240 to 260 °C.

실시예Example

5.7x1018cm-3 (Si-도핑)의 도핑 농도를 갖는 InP 기재 상에 In0.53Ga0.47As을 에피택시얼 성장(epitaxially grown)시킨 후 상기 In0.53Ga0.47As 기판 상에 250℃의 온도 조건에서 ALD 방법으로 HfAlO 필름을 증착하였다. After epitaxially growing In0.53Ga0.47As on an InP substrate having a doping concentration of 5.7x10 18 cm -3 (Si-doping), a temperature condition of 250°C on the In 0.53 Ga 0.47 As substrate A HfAlO film was deposited by the ALD method.

트리메틸알루미늄(trimethylaluminum, TMA)을 Al2O3의 금속 전구체로 사용하고 테트라키스(에틸메틸아미노)하프늄 (Tetrakis(ethylmethylamido)hafnium(IV), TEMAH)을 HfO2의 전구체로 사용하였다. Trimethylaluminum (TMA) was used as a metal precursor for Al 2 O 3 and tetrakis(ethylmethylamido)hafnium(IV), TEMAH) was used as a precursor for HfO2.

H2O를 산화제로 사용하였으며, N2는 퍼지 가스 및 캐리어 흐름으로 사용하였다. ALD 증착 전에 기판을 아세톤(acetone)과 이소프로필알코올(isopropyl alcohol)로 5분 동안 세척 한 다음 1:10 비율의 염산(HCl)과 탈이온수(DI) 용액을 실온에서 30 초 동안 세척하여 산화물 및 표면 오염을 제거하였다. 산 세정 후, 기판을 탈이온수에 2 분 동안 헹구고 질소(N2) 환경에서 건조하여 워터 마스크 형성을 방지 한 다음 ALD 챔버로 옮겼다.H2O was used as an oxidizing agent and N2 was used as a purge gas and carrier flow. Prior to ALD deposition, the substrate was cleaned with acetone and isopropyl alcohol for 5 minutes, followed by a 1:10 ratio hydrochloric acid (HCl) and deionized water (DI) solution for 30 seconds at room temperature to remove oxides and Surface contamination was removed. After acid cleaning, the substrates were rinsed in deionized water for 2 min and dried in a nitrogen (N2) environment to prevent water mask formation, and then transferred to the ALD chamber.

슈퍼사이클 개념을 사용하여 실시예 1 내지 4의 HfAlO 필름을 제조하였다. 이때, 슈퍼사이클은 Al2O3로 시작하였으며, (xAl2O3 + yHfO2)n의 공식을 유지하였다. 여기서, x는 Al2O3의 사이클 수, y는 HfO2의 사이클 수 및 n은 총 슈퍼사이클 수이다.The HfAlO films of Examples 1-4 were prepared using the supercycle concept. At this time, the supercycle started with Al 2 O 3 , and the formula of (xAl 2 O 3 + yHfO 2 )n was maintained. where x is the number of cycles of Al 2 O 3 , y is the number of cycles of HfO 2 and n is the total number of supercycles.

슈퍼사이클에서 Al2O3와 HfO2의 비율은 필름에서 Al2O3 비율이 10 내지 50 %가 되도록 하였다. 슈퍼 사이클 수는 Al2O3와 HfO2의 주기 당 성장(growth per cycle, GPC)를 고려하여 총 필름의 두께가 5 nm정도가 되도록 설계하였다. The ratio of Al 2 O 3 to HfO 2 in the supercycle was such that the ratio of Al 2 O 3 in the film was 10 to 50%. The number of super cycles was designed so that the total film thickness was about 5 nm in consideration of the growth per cycle (GPC) of Al 2 O 3 and HfO 2 .

필름 증착의 전체적인 개략도를 도 1(a)에 나타내었다. 비교를 위하여, 단일 Al2O3 (50주기)를 비교예 1, 단일 HfO2 (50주기)를 비교예 2 및 Al2O3/HfO2의 이중층 구조(6/50주기)를 비교예 3으로 제조하였으며, 이들의 두께는 실시예와 동일하게 하였다. The overall schematic diagram of film deposition is shown in FIG. 1(a). For comparison, a single Al 2 O 3 (50 cycles) was used in Comparative Example 1, a single HfO 2 (50 cycles) was used in Comparative Example 2, and a double layer structure of Al 2 O 3 /HfO 2 (6/50 cycles) was used in Comparative Example 3. was prepared, and their thickness was the same as in the Example.

증착된 필름의 두께는 70°입사각에서 타원계(ellipsometer)로 정량화하였다. 슈퍼사이클 설계 및 두께를 정리하여 하기 표 1에 나타내었다.The thickness of the deposited film was quantified with an ellipsometer at an angle of incidence of 70°. The supercycle design and thickness are summarized in Table 1 below.

구분 (x,y)Classification (x,y) Al2O3 (x)Al 2 O 3 (x) HfO2 (y)HfO 2 (y) 슈퍼사이클 수(n)number of supercycles (n) 두께[nm]thickness [nm] 실시예 1 [3,3]Example 1 [3,3] 33 33 99 5.95±0.055.95±0.05 실시예 2 [2,6]Example 2 [2,6] 22 66 77 5.69±0.055.69±0.05 실시예 3 [1,4]Example 3 [1,4] 1One 44 1010 5.36±0.055.36±0.05 실시예 4 [1,9]Example 4 [1,9] 1One 99 55 5.11±0.055.11±0.05 비교예 1[1, 0]Comparative Example 1 [1, 0] 1One 00 5050 5.51±0.055.51±0.05 비교예 2[0, 1]Comparative Example 2 [0, 1] 00 1One 5050 4.95±0.054.95±0.05 비교예 3Comparative Example 3 -- -- 6/506/50 5.58±0.055.58±0.05

도 1(b)를 참조하면, 전기적 분석을 위하여 MOSCAP(Metal Oxide Semiconductor Capacitor)형성이 가능하도록 5nm의 ALD TiN 금속층을 유전체 위에 증착하였다. 이후, 리프트 오프(lift-off) 공정을 통한 전자 빔 증발을 이용하여 Ti/Au (200/2000

Figure 112020134958916-pat00001
)의 금속층을 전면 전극에 증착하였다. 또한, 동일한 금속층을 후면 접촉을 위해 증착하였다. SF6/Ar (30/10 sccm) 가스 기반 반응성 이온 에칭(reactive-ion etching, RIE)을 사용하여 TiN 층을 에칭하였다.Referring to FIG. 1(b), a 5 nm ALD TiN metal layer was deposited on the dielectric to form a MOSCAP (Metal Oxide Semiconductor Capacitor) for electrical analysis. Then, Ti/Au (200/2000
Figure 112020134958916-pat00001
) was deposited on the front electrode. Also, the same metal layer was deposited for the back contact. The TiN layer was etched using SF6/Ar (30/10 sccm) gas-based reactive-ion etching (RIE).

제조된 장치는 산화물/반도체 게이트 스택에서 금속 증착으로 인한 결함을 줄이기 위하여 N2 환경에서 350℃ 및 90 초 동안 급속 열처리(rapid thermal annealing, RTA)를 이용한 후속 열처리(post-metal annealing, PMA)를 수행하였다. 상기 열처리는 필름의 치밀화 및 high-k/In0.53Ga0.47As 계면 및 산화물 자체의 전기적 활성 결함을 패시베이션하는데 유용하고, 이로 인해 낮은 계면 트랩 밀도(Dit) 및 경계 트랩 밀도 (Nbt)를 달성할 수 있었다. The fabricated device was subjected to post-metal annealing (PMA) using rapid thermal annealing (RTA) at 350 °C for 90 seconds in an N 2 environment to reduce defects due to metal deposition in the oxide/semiconductor gate stack. performed. The heat treatment is useful for densification of the film and passivation of the high-k/In 0.53 Ga 0.47 As interface and electrically active defects in the oxide itself, thereby achieving low interfacial trap density (D it ) and boundary trap density (N bt ). Could.

정전용량-전압 및 전류-전압 응답은 어두운 환경의 실온에서 Keithley 4200A-SCS 매개 변수 분석기로 측정하였다. 또한, X-선 광전자 분광법(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS) 및 반사 전자에너지 손실분광(reflected electron energy loss spectrum, REELS)을 미세 구조 특성 분석 및 HfAlO 필름의 밴드갭 측정을 위해 수행하였다. Capacitance-voltage and current-voltage responses were measured with a Keithley 4200A-SCS parameter analyzer at room temperature in a dark environment. In addition, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and reflected electron energy loss spectrum (REELS) were performed to characterize the microstructure and measure the band gap of the HfAlO film.

실험예Experimental example

Al2O3는 HfO2보다 GPC(growth per cycle)가 높기 때문에 슈퍼사이클에서 Al2O3 사이클 수의 증가에 따라 막 두께가 증가하였다. 그 결과 실시예 1의 두께가 가장 높았고 실시예 4의 두께가 가장 낮았다. 또한, 슈퍼 사이클은 Al2O3 및 HfO2 사이클의 반복으로 구성되어 있기 때문에 5nm의 정밀한 두께를 맞추는 것보다는 부분 증착을 피하는 것에 우선순위를 두어 전체 사이클을 완료하였다. 비교예 1, 비교예 2 및 비교예 3의 두께는 각각 5.51 nm, 4.95 nm 및 5.58 nm였다. Since Al 2 O 3 has a higher growth per cycle (GPC) than HfO 2 , the film thickness increased as the number of Al 2 O 3 cycles increased in the supercycle. As a result, Example 1 had the highest thickness and Example 4 had the lowest thickness. In addition, since the super cycle consists of repeating cycles of Al 2 O 3 and HfO 2 , the entire cycle was completed with priority given to avoiding partial deposition rather than matching a precise thickness of 5 nm. The thicknesses of Comparative Example 1, Comparative Example 2, and Comparative Example 3 were 5.51 nm, 4.95 nm, and 5.58 nm, respectively.

도 2는 -1 내지 + 1V의 게이트 전압에서 10kHz 내지 1MHz의 주파수 범위를 적용한 실시예 1 내지 4의 HfAlO 필름의 주파수 의존적인 정전 용량 전압(frequency-dependent capacitance voltage, C-V)을 나타낸다.2 shows the frequency-dependent capacitance voltage (C-V) of the HfAlO films of Examples 1 to 4 in which a frequency range of 10 kHz to 1 MHz was applied at a gate voltage of -1 to + 1 V.

도 2를 참조하면, 필름의 Hf 함량이 증가함에 따라 실시예 1에서 실시예 4의 축적 분산(accumulation dispersion)은 증가하였다. 이러한 경향은 경계 트랩 응답이 Hf가 풍부한 필름에서 현저하게 높다는 것을 의미한다. 또한, 공핍 영역(depletion region)의 분산은 Al 원자의 농도가 높을수록 감소하며, 이는 Al의 혼입이 높을수록 효과적인 결함 패시베이션을 얻을 수 있음을 시사한다. Referring to FIG. 2 , the accumulation dispersion of Example 1 to Example 4 increased as the Hf content of the film increased. This trend implies that the boundary trap response is significantly higher in Hf-rich films. In addition, the dispersion of the depletion region decreases as the concentration of Al atoms increases, suggesting that effective defect passivation can be obtained as the incorporation of Al increases.

축적 정전용량(accumulation capacitance)은 실시예 4와 같이 Hf 농도가 클수록 증가하고, 밴드 평탄화 전압(VFB)은 Al2O3 비율이 증가함에 따라 양의 이동(positive shift)을 나타내었다.As in Example 4, the accumulation capacitance increased as the Hf concentration increased, and the band flattening voltage (V FB ) exhibited a positive shift as the Al 2 O 3 ratio increased.

도 3(a)는 실시예 1 내지 4에서 추출된 유효 유전 상수(keffective) 및 밴드 평탄화 전압(VFB)을 나타낸다. 유전 상수는 하기 식 1을 이용하여 축적 영역에서 측정된 C-V 데이터로부터 계산되었다.3(a) shows the effective dielectric constant (keffective) and band flattening voltage (VFB) extracted in Examples 1 to 4. The dielectric constant was calculated from the C-V data measured in the accumulation region using Equation 1 below.

[식 1][Equation 1]

Figure 112020134958916-pat00002
Figure 112020134958916-pat00002

여기서, Cmax는 10kHz에서 최대 축적 정전 용량이고, tox는 측정된 두께이며, ε0는 자유 공간의 유전율이다. HfO2가 더 높은 k 값을 가지기 때문에 Hf가 증가함에 따라 유효 유전 상수(keffective)가 증가하는 것이 관찰되었다. 구체적으로, 실시예 4는 9.83의 가장 높은 유효 유전 상수를 나타내었으며, 실시예 1 내지 3은 각각 7.62, 8.6 및 8.76의 유효 유전 상수를 나타내었다. where C max is the maximum stored capacitance at 10 kHz, t ox is the measured thickness, and ε 0 is the permittivity of free space. Since HfO 2 has a higher k value, it was observed that the effective dielectric constant (k effective ) increases as Hf increases. Specifically, Example 4 exhibited the highest effective dielectric constant of 9.83, and Examples 1 to 3 exhibited effective dielectric constants of 7.62, 8.6, and 8.76, respectively.

유효 유전 상수(keffective)를 기반으로 계산된 EOT는 실시예 1 내지 실시예 4에서 각각 3.05nm, 2.58nm, 2.39nm 및 2.03nm을 나타내었다. 밴드 평탄화 전압(VFB)은 트랩의 영향을 가장 적게 받는 최고 높은 주파수에서 정규화된 C-V 데이터의 2차 도함수를 계산하여 변곡점 방법(inflection point method )에 의하여 추출하였다.The EOT calculated based on the effective dielectric constant (k effective ) was 3.05 nm, 2.58 nm, 2.39 nm, and 2.03 nm in Examples 1 to 4, respectively. The band flattening voltage (V FB ) was extracted by the inflection point method by calculating the second derivative of the normalized CV data at the highest frequency that is least affected by traps.

도 3(a)는 VFB가 Al 혼입에 따라 더 양의 방향으로 이동함을 보여준다. 이는 Al의 혼입이 어닐링 후 음으로 하전된 쌍극자를 생성하여 산소 결핍을 만드는데 도움이 되기 때문이다.Fig. 3(a) shows that V FB shifts in a more positive direction with Al incorporation. This is because the incorporation of Al helps create oxygen deficiency by generating negatively charged dipoles after annealing.

변곡점 방법에 의한 밴드 평탄화 전압은 실시예 1 및 2가 거의 동일한 레벨을 나타내었으며, 각각 296.2mV 및 289mV이었다. 실시예 3 및 실시예 4의 밴드 평탄화 전압도 각각 172.7mV 및 171mV로 유사하였다. 이때, 모든 밴드 평탄화 전압 값은 ± 0.1mV의 오차 범위로 추출되었다.The band flattening voltage by the inflection point method was 296.2 mV and 289 mV, respectively, with Examples 1 and 2 exhibiting almost the same level. The band flattening voltages of Example 3 and Example 4 were also similar, 172.7 mV and 171 mV, respectively. At this time, all band flattening voltage values were extracted with an error range of ± 0.1 mV.

HfAlO 필름에 대한 CV 히스테리시스를 비교하여 도 3(b)에 나타내었다. 히스테리시스 측정을 위하여 CV 스위프는 반전(inversion)에서 축적(accumulation)으로 이동하기 시작하고 트랩 응답을 피하기 위하여 1MHz의 주파수에서 0.02V의 전압 단계로 -1V에서 + 1V까지 적용된 전압에서 지연없이 반전으로 다시 반전되었다. A comparison of the CV hysteresis for the HfAlO film is shown in Fig. 3(b). For the hysteresis measurement, the CV sweep begins to move from inversion to accumulation and back to inversion without delay at the applied voltage from -1V to +1V in voltage steps of 0.02V at a frequency of 1MHz to avoid a trap response. Inverted.

도 3(b)에 나타낸 바와 같이, Al2O3를 HfO2 필름에 더 많이 혼입한 실시예 1의 히스테리시스가 40mV로 가장 낮고, 70mV인 실시예 4의 히스테리시스가 가장 높았다. 그러나 모든 실시예들은 90mV인 비교예 2(단일 HfO2)보다 낮은 히스테리시스를 나타내었다. As shown in FIG. 3(b), the hysteresis of Example 1 in which more Al 2 O 3 was incorporated into the HfO 2 film was the lowest at 40 mV, and the hysteresis of Example 4 at 70 mV was the highest. However, all examples showed lower hysteresis than Comparative Example 2 (single HfO 2 ), which was 90 mV.

히스테리시스는 주로 벌크 유전체뿐만 아니라 계면의 트랩으로 인해 발생하기 때문에 이러한 히스테리시스의 감소는 TEMAH [0.76

Figure 112020134958916-pat00003
]에 비하여 TMA의 높은 반응성과 낮은 미세 분자 반경 [0.39
Figure 112020134958916-pat00004
]으로 설명할 수 있다.Since the hysteresis is mainly caused by trapping in the bulk dielectric as well as at the interface, this reduction in hysteresis is due to TEMAH [0.76
Figure 112020134958916-pat00003
], the higher reactivity of TMA and the lower fine molecular radius [0.39
Figure 112020134958916-pat00004
] can be explained.

즉, 상기와 같은 요인으로 ALD 증착시 TMA 원자가 HfO2 필름에 쉽게 침투할 수 있도록 하여 핀홀이 없는 컴팩트한 Al2O3 도핑 HfO2 필름을 제공할 수 있다. That is, due to the above factors, TMA atoms can easily penetrate the HfO2 film during ALD deposition, thereby providing a compact Al 2 O 3 doped HfO 2 film without pinholes.

도 3(c)는 TMA 원자에 의한 핀홀이 없는 막의 형성 과정을 나타낸다. 또한, Al 도핑된 HfO2 필름은 비교예 2와 같은 HfO2보다 우수한 반도체/유전체 계면을 패시배이션할 수 있다. 3(c) shows the formation process of a pinhole-free film by TMA atoms. In addition, the Al-doped HfO 2 film can passivate a better semiconductor/dielectric interface than HfO 2 like Comparative Example 2.

증착된 필름의 결합 구조와 필름 화학 양론을 이해하기 위하여 1486 eV의 광자 에너지를 가진 단색 Al Kα 소스를 사용하여 XPS 분석을 수행하였다.XPS analysis was performed using a monochromatic Al Kα source with a photon energy of 1486 eV to understand the bonding structure and film stoichiometry of the deposited film.

도 4(a), (b) 및 (c)에 HfAlO 필름에 대한 Hf-4f, Al-2p 및 O-1s 코어 레벨 스펙트럼을 나타내었다. 도 4(d), (e) 및 (f)는 계면을 특성화하기 위한 As-3d, Ga-3d 및 In-3d 스펙트럼을 나타내었다. 4(a), (b) and (c) show Hf-4f, Al-2p and O-1s core level spectra for HfAlO films. 4(d), (e) and (f) show As-3d, Ga-3d and In-3d spectra for characterizing the interface.

도 4(a)에서 실시예 1의 경우 Hf-4f 스펙트럼이 Hf-O 결합에 해당하는 4f7/2(17.48eV) 및 4f5/2(18.98eV)의 두 개의 개별 피크로 디컨볼루트(deconvolute)되는 것이 관찰되었다. Hf-4f 피크가 순수한 샘플에 비해 더 높은 결합 에너지로 이동하는 것은 Hf-Al-O 결합 형성에 기인하며, 이는 Hf (1.3), Al (1.6) 및 O (3.44)간의 폴링(Pauling) 전기 음성도 차이로 인해 Al-O 결합에 대한 전자 밀도 기여를 증가시킨다. In the case of Example 1 in FIG. 4(a), the Hf-4f spectrum is deconvoluted into two individual peaks of 4f 7/2 (17.48eV) and 4f 5/2 (18.98eV) corresponding to the Hf-O bond ( deconvolute was observed. The shift of the Hf-4f peak to higher binding energies compared to the pure sample is due to the Hf-Al-O bond formation, which is due to the Pauling electronegativity between Hf (1.3), Al (1.6) and O (3.44). Due to the degree difference, it increases the electron density contribution to the Al-O bond.

도 4(b)의 실시예 1에 대한 Al-2p 스펙트럼은 Hf-Al-O(74.45eV) 및 Al-O(74.9eV) 결합에 해당하는 두 개의 피크에서 디컨볼루트되었다. 도 4(c)의 실시예 1 에 대한 O-1s 스펙트럼은 530.84 eV 및 532.18 eV에서 두 개의 피크로 디컨볼루트되었다. 더 낮은 피크는 Hf-Al-O의 형성을 나타내며, 더 높은 에너지 피크는 표면에 흡착된 탄화수소 때문이다. The Al-2p spectrum for Example 1 in FIG. 4(b) was deconvoluted at two peaks corresponding to Hf-Al-O (74.45 eV) and Al-O (74.9 eV) bonds. The O-1s spectrum for Example 1 in FIG. 4(c) was deconvoluted into two peaks at 530.84 eV and 532.18 eV. The lower peak represents the formation of Hf-Al-O, and the higher energy peak is due to hydrocarbons adsorbed on the surface.

증착 주기 설계에 따른 Al2O3의 낮은 함량으로 인해 결합 에너지의 음의 이동은 있지만 실시예 2 내지 4에 대해서도 유사한 결과가 발견되었다.Similar results were found for Examples 2 to 4 although there was a negative shift in the binding energy due to the low content of Al 2 O 3 depending on the deposition cycle design.

또한, 도 4(d), (e) 및 (f)를 참조하면, As가 도입된 In0.53Ga0.47As필름의 산화물 (AsOx, GaOx 및 InOx)은 리간드 교환 때문에 증착된 HfAlO 필름에서 감소되었으며, 이러한 감소(reduction)는 Al2O3가 풍부한 필름에서 더 우세하였다. 다만, 도 4(e)에서 트랩을 생성하는 Ga 산화물이 항상 필름에 존재한다는 것이 관찰되었으며, 이는 높은 계면 트랩 밀도의 원인 중 하나 일 수 있다.In addition, referring to FIG. 4(d), (e) and (f), the oxides (AsO x , GaO x and InO x ) of the In 0.53 Ga 0.47 As film introduced with As are in the deposited HfAlO film due to ligand exchange. decreased, and this reduction was more dominant in the Al 2 O 3 -rich film. However, it was observed in FIG. 4(e) that Ga oxide, which creates traps, is always present in the film, which may be one of the causes of the high interfacial trap density.

350℃의 PMA 온도에서 증착된 필름의 결정성을 분석하기 위해 X-선 회절(X-Ray diffraction, XRD) 분석을 수행한 후 스펙트럼을 도 4(g)에 나타내었다. 도 4(g)를 참조하면, HfO2 (002) 외에는 다른 피크가 감지되지 않았으며 이는 필름이 비정질 구조를 유지하고 있음을 의미한다. After performing X-ray diffraction (XRD) analysis to analyze the crystallinity of the film deposited at a PMA temperature of 350 ° C., the spectrum is shown in FIG. 4 (g). Referring to FIG. 4(g), no other peak was detected except for HfO 2 (002), which means that the film maintains an amorphous structure.

도 5는 전도대 오프셋(conduction band offset, ΔEc), 밸런스 밴드 오프셋(valance band offset, ΔEv) 및 에너지갭(Eg)을 포함한 에너지 밴드 매개 변수와 실시예 1 내지 4의 개략적인 밴드 다이어그램을 나타낸다. 산화물과 반도체 사이의 이러한 에너지 밴드 정렬은 XPS 분석에서 얻은 밸런스 밴드(VB) 스펙트럼과 반사 전자에너지 손실분광(REELS)에서 얻은 에너지 손실 스펙트럼의 조합으로 계산할 수 있다.5 shows energy band parameters including conduction band offset (ΔE c ), valance band offset (ΔE v ) and energy gap (E g ) and schematic band diagrams of Examples 1 to 4; indicate This energy band alignment between oxide and semiconductor can be calculated from a combination of the balance band (VB) spectrum obtained from XPS analysis and the energy loss spectrum obtained from reflected electron energy loss spectroscopy (REELS).

도 5(a)는 실시예 1 내지 4의 HfAlO/In0.53Ga0.47As의 스펙트럼에서 In0.53Ga0.47As의 VB 스펙트럼을 뺀 HfAlO 필름의 ΔEv 추출을 나타낸다. 추출된 ΔEv 값은 실시예 1 내지 4에 대해 각각 3.25eV 이하, 3.15eV 이하, 2.87eV 이하 및 2.72eV 이하이며 오차 범위는 ± 0.1eV이다.Figure 5 (a) shows the ΔE v extraction of the HfAlO film obtained by subtracting the VB spectrum of In 0.53 Ga 0.47 As from the spectrum of HfAlO / In 0.53 Ga 0.47 As of Examples 1 to 4. The extracted ΔE v values were 3.25 eV or less, 3.15 eV or less, 2.87 eV or less, and 2.72 eV or less for Examples 1 to 4, respectively, and the error range was ± 0.1 eV.

1keV에서 REELS 스펙트럼의 대역 간 여기의 시작점을 정의하여 추출된 Eg를 도 5(b)에 나타내었다. 추출된 밴드갭 값은 실시예 1 내지 4에 대해 각각 6.39eV 이하, 6.26eV 이하, 5.92eV 이하 및 5.73eV 이하였다. E g extracted by defining the starting point of inter-band excitation of the REELS spectrum at 1 keV is shown in FIG. 5(b). The extracted band gap values were 6.39 eV or less, 6.26 eV or less, 5.92 eV or less, and 5.73 eV or less for Examples 1 to 4, respectively.

유효 전자 장벽 높이(effective electron barrier height, ΔEc)는 하기 식 2에 따라 계산된 산화물 밴드갭(Eg)에서 계산된 밸런스 밴드 오프셋(valance band offset, ΔEv) 및 In0.53Ga0.47As(0.75 eV)의 밴드갭을 빼서 계산하였다. The effective electron barrier height (ΔEc) is the valance band offset (ΔEv) calculated from the oxide band gap (E g ) calculated according to Equation 2 below and In 0.53 Ga 0.47 As (0.75 eV) It was calculated by subtracting the band gap of

[식 2][Equation 2]

Figure 112020134958916-pat00005
Figure 112020134958916-pat00005

계산된 ΔEc 값도 Eg 및 ΔEv와 동일한 추세를 나타내었다. 모든 경우에 대한 밴드 정렬 값은 도 5(c)에 나타내었으며, 여기서 ΔEc, ΔEv 및 Eg의 전이는 실시예 1에서 실시예 4로 갈수록 낮은 값을 나타내었다. 이는 HfO2 막에 더 많은 Al이 혼입 될수록 산화막과 반도체 사이에 더 높은 밴드 정렬을 제공할 뿐만 아니라 Al의 양에 대한 선형 의존성이 있음을 보여준다. 추출된 모든 값을 사용한 실시예 1 내지 4의 개략적인 밴드 다이어그램을 도 5(d)에 나타내었다. The calculated ΔE c value also showed the same trend as E g and ΔE v . The band alignment values for all cases are shown in FIG. 5(c), where the transitions of ΔEc, ΔEv, and Eg show lower values from Example 1 to Example 4. This shows that as more Al is incorporated into the HfO 2 film, it not only provides a higher band alignment between the oxide film and the semiconductor, but also has a linear dependence on the amount of Al. A schematic band diagram of Examples 1 to 4 using all extracted values is shown in FIG. 5(d).

축적 분산의 특성화에 대한 모델 중 분산 경계 트랩 모델은 경계 트랩 밀도를 특정 전압에서 누적 주파수의 분산을 분석하는 특징을 가진다. 여기서, 총 산화물은 얇은 두께의 여러 층으로 분류되며 각 단일 층은 Nbt에 비례하는 어드미턴스(admittance)와 병렬로 연관된 총 산화물 커패시턴스에 대한 기여도를 나타낸다. 상기 병렬 조합은 반도체 커패시턴스와 직렬(in series)로 연결된다.Among the models for the characterization of the accumulated dispersion, the distributed boundary trap model has a feature of analyzing the dispersion of the accumulated frequency at a specific voltage for the boundary trap density. Here, the total oxide is divided into several layers of thin thickness, and each single layer shows a contribution to the total oxide capacitance associated in parallel with an admittance proportional to N bt . The parallel combination is connected in series with the semiconductor capacitance.

상기 어드미턴스는 트랩 커패시턴스와 컨덕턴스로 구성되며, 반도체에서 유전체 내부에 위치한 경계 트랩으로의 전자 터널링에 대한 전하 저장 및 에너지 손실에 기인한다. 그 후 이 모델에서 유도된 계산된 커패시턴스와 측정된 값 사이에 적합한 조건을 적용하여 Nbt를 추출하였다.The admittance consists of trap capacitance and conductance, and is due to charge storage and energy loss for electron tunneling from the semiconductor to the boundary trap located inside the dielectric. After that, N bt was extracted by applying a suitable condition between the calculated capacitance derived from this model and the measured value.

도 6(a)는 경계 트랩 모델의 전기적 표현을 나타내고, 전체 모델은 하기 식 3의 미분 방정식에 따라 설명된다.Fig. 6(a) shows the electrical expression of the boundary trap model, and the entire model is described according to the differential equation of Equation 3 below.

[식 3][Equation 3]

Figure 112020134958916-pat00006
Figure 112020134958916-pat00006

경계 조건 Y = jωCs에서 Y는 총 어드미턴스로서 유전체와 반도체의 계면으로부터 거리 x에서 트랩 정전용량과 컨덕턴스의 조합이고, ω = 2πf는 ac 주파수, Cs는 반도체의 정전용량이다. εr은 상대 유전율, τ는 전자 포획에 대한 평균 시간, Nbt는 모든 에너지 수준에서 경계 트랩 밀도이다.At the boundary condition Y = jωCs, Y is the total admittance, which is the combination of trap capacitance and conductance at a distance x from the dielectric-semiconductor interface, ω = 2πf is the ac frequency, and Cs is the capacitance of the semiconductor. εr is the relative permittivity, τ is the average time for electron trapping, and Nbt is the boundary trap density at all energy levels.

경계 트랩 밀도는 측정된 커패시턴스와 상기 식 2에서 추출된 데이터를 사용하여 컨덕턴스 데이터 사이의 최적의 조건을 만들어 추출되었다. 반도체 정전용량, Cs는 경계 트랩의 추출 전압에서 1차원 Poisson-Schrodinger 솔버 시뮬레이션 도구 (Nextnano)에 의해 추출되었다. 산화물과 반도체 사이의 유효 장벽 높이는 전자 친 화성 규칙에 의해 계산되었으며 유효 전자 질량은 Al2O3, HfO2 및 HfAlO 필름에 대해 각각 0.23m0, 0.22m0 및 0.18m0이었고, m0은 전자 나머지(rest) 질량이다. The boundary trap density was extracted by creating an optimal condition between the measured capacitance and the conductance data using the data extracted from Equation 2 above. The semiconductor capacitance, Cs, was extracted by a one-dimensional Poisson-Schrodinger solver simulation tool (Nextnano) from the extracted voltage of the boundary trap. The effective barrier height between the oxide and the semiconductor was calculated by the electron affinity rule and the effective electron mass was 0.23 m 0 , 0.22 m 0 and 0.18 m 0 for the Al 2 O 3 , HfO 2 and HfAlO films, respectively, where m 0 is the electron is the rest mass.

도 6(b) 및 (c)는 정전용량 및 컨덕턴스에 대한 측정 데이터와 수치 데이터 사이의 1-V에서의 피팅 곡선을 나타낸다. 다만, 피팅 곡선에서 실험 데이터와 방정식 사이에 작은 편차가 있으며, 이는 경계 트랩의 밀도가 높기 때문일 수 있다.6(b) and (c) show fitting curves at 1-V between measured data and numerical data for capacitance and conductance. However, there is a small deviation between the experimental data and equations in the fitting curve, which may be due to the high density of boundary traps.

추출된 경계 트랩 밀도(Nbt)와 주파수 분산 및 계면 트랩 밀도(Dit)를 비교하여 도 6(d)에 나타내었다. 이때, 비교를 위하여 비교예 1 내지 3의 해당 값을 함께 나타내었다. 도 6(d)를 참조하면, 비교예 1은 4.67×1019cm-3 eV-1의 가장 낮은 Nbt를 갖는 반면 비교예 2는 가장 높은 Nbt (3.25×1020cm-3 eV-1)를 나타내었다.The extracted boundary trap density (N bt ), frequency dispersion, and interface trap density (D it ) were compared and shown in FIG. 6(d). At this time, for comparison, the corresponding values of Comparative Examples 1 to 3 are shown together. Referring to FIG. 6(d), Comparative Example 1 has the lowest Nbt of 4.67×10 19 cm -3 eV -1 , whereas Comparative Example 2 has the highest Nbt (3.25×10 20 cm -3 eV -1 ) showed

이는 HfAlO 필름에서 Hf의 양이 많을수록 트랩이 더 광범위 해지는 것으로, Al이 혼입된 HfO2필름은 이러한 트랩을 줄일 수 있다. HfAlO 필름에 대해 추출된 Nbt 값은 실시예 1 내지 4에서 각각 4.82×1019cm-3eV-1, 5.32×1019cm-3eV-1, 5.81×1019cm-3eV-1 및 1.4×1020cm-3eV-1이었고, 비교예 3의 경우 1.28×1020cm-3eV-1이었다.This means that the larger the amount of Hf in the HfAlO film, the wider the trap, and the HfO 2 film incorporating Al can reduce these traps. The Nbt values extracted for the HfAlO films were 4.82×10 19 cm -3 eV -1 , 5.32×10 19 cm -3 eV -1 , 5.81×10 19 cm -3 eV -1 and 1.4 in Examples 1 to 4, respectively. ×10 20 cm -3 eV -1 , and in the case of Comparative Example 3, it was 1.28 × 10 20 cm -3 eV -1 .

Al 혼입에 의한 트랩 감소는 전술한 바와 같이 Al2O3 침투에 의한 연속적이고 컴팩트한 필름의 생성이 가능하기 때문이다. As described above, the trap reduction by Al incorporation is because continuous and compact films can be produced by Al 2 O 3 infiltration.

축적(accumulation) 주파수 분산이 경계 트랩 밀도와 관련이 있음이 입증되었으므로 하기 식 4에 따라 1V에서 주파수 분산의 계산에서도 동일한 동작이 관찰되었다. Since it has been demonstrated that the accumulation frequency dispersion is related to the boundary trap density, the same behavior is observed in the calculation of the frequency dispersion at 1 V according to Equation 4 below.

[식 4][Equation 4]

Figure 112020134958916-pat00007
Figure 112020134958916-pat00007

여기서, Chigh 및 Clow는 ωhigh (1MHz) 및 ωlow (10kHz)에서의 해당 커패시턴스 값이다. 또한 직렬 저항 보정을 고려하여 병렬 컨덕턴스를 측정하여 컨덕턴스 방법에 따라 계면 결함 상태 (Dit)를 계산하였다. 등가 병렬 컨덕턴스 Gp는 하기 식 5에 의해 계산하였다.Here, C high and C low are the corresponding capacitance values at ω high (1 MHz) and ω low (10 kHz). In addition, the parallel conductance was measured considering the series resistance correction, and the interfacial defect state (D it ) was calculated according to the conductance method. Equivalent parallel conductance G p was calculated by Equation 5 below.

[식 5][Equation 5]

Figure 112020134958916-pat00008
Figure 112020134958916-pat00008

여기서 ω는 각 주파수 (2πf), Cox는 게이트 산화물 정전용량, Gm은 측정된 컨덕턴스, Cm은 측정된 정전용량이다. 계면 트랩 밀도(Dit)는 정규화된 병렬 컨덕턴스 피크 (Gpmax)로부터 계산되었다.where ω is the angular frequency (2πf), C ox is the gate oxide capacitance, G m is the measured conductance, and C m is the measured capacitance. The interfacial trap density (D it ) was calculated from the normalized parallel conductance peak (G pmax ).

[식 6][Equation 6]

Figure 112020134958916-pat00009
Figure 112020134958916-pat00009

여기서, A는 전극 면적이며, 도 6(d)를 참조하면, Dit 값은 HfAlO 필름에서 Hf 함량이 증가함에 따라 증가하며, 비교예 1의 계면 트랩 밀도는 1.66×1011cm-2eV-1로 가장 낮고 비교예 2는 3.38×1012cm-2eV-1로 가장 높았다.Here, A is the electrode area, and referring to FIG. 6(d), the D it value increases as the Hf content in the HfAlO film increases, and the interfacial trap density of Comparative Example 1 is 1.66×10 11 cm -2 eV - 1 was the lowest and Comparative Example 2 was the highest at 3.38×10 12 cm -2 eV -1 .

이러한 Dit의 감소는 Al2O3의 원격 선택적 산소 소거 현상에 기인할 수 있다. Al2O3의 ALD 증착시 나노라미네이트 필름에서 표면 하이드록실기 제거 후 TMA 전구체가 과량으로 존재하며 HfO2를 통해 외부로 확산되거나 증착 표면에서 원격으로 생성되는 추가 종을 감소시킨다. This decrease in Dit can be attributed to the remote selective oxygen scavenging phenomenon of Al 2 O 3 . During ALD deposition of Al 2 O 3 , after removal of surface hydroxyl groups from nanolaminate films, TMA precursors are present in excess and reduce additional species that diffuse outward through HfO 2 or are generated remotely from the deposition surface.

증착된 필름의 신뢰성을 확인하기 위해 B1500A 반도체 장치 매개 변수 분석기를 사용하여 실시예 1 내지 4에 대하여 CVS(constant-voltage-stress) 측정을 수행하였다. Constant-voltage-stress (CVS) measurements were performed on Examples 1 to 4 using a B1500A semiconductor device parameter analyzer to confirm the reliability of the deposited films.

측정 절차와 스트레스 시간에 따른 문턱 전압 이동을 도 7에 나타내었다. CVS 측정시 특정 시간 간격 후에 스트레스가 중단되어 C-V 측정에서 문턱 전압 이동(shift)(ΔVTH) 계산을 통해 장치 성능 저하를 추적할 수 있다.The threshold voltage shift according to the measurement procedure and the stress time is shown in FIG. 7 . In the CVS measurement, the stress is stopped after a certain time interval, allowing the degradation of the device to be tracked through the calculation of the threshold voltage shift (ΔVTH) in the C-V measurement.

도 7(a)는 E5250A 저 누설 스위치 메인 프레임(low-leakage switch mainframe)의 C-V 및 I-V 측정을 위한 측정 절차의 흐름도를 나타낸다.7(a) shows a flow chart of a measurement procedure for measuring C-V and I-V of an E5250A low-leakage switch mainframe.

스트레스가 가해진 디바이스의 정규화된 C-V 곡선과 100kHz에서 새로운 케이스가 도 7(b)에 그려져 있으며, 스트레스 디바이스와 새로운 디바이스의 C-V 곡선에서 문턱 전압 이동 (ΔVTH)을 계산하였다. The normalized CV curves of the stressed device and the new case at 100 kHz are plotted in Fig. 7(b), and the threshold voltage shift (ΔV TH ) was calculated from the CV curves of the stressed device and the new device.

모든 경우에서 양의 이동이 관찰되었으며, 이는 산화물 및/또는 산화물/반도체 계면에서 증가된 음 전하 트래핑을 나타낸다. A positive shift was observed in all cases, indicating increased negative charge trapping at the oxide and/or oxide/semiconductor interface.

실시예 1 내지 4에 대한 1.5V에서 2000 초의 CVS 후 문턱 전압 이동(ΔVTH)을 도 7(c)에 나타내었다. 여기서, ΔVTH는 새로운 장치와 스트레스를 받는 장치의 문턱 전압 차이이다.The threshold voltage shift (ΔV TH ) after 2000 seconds of CVS at 1.5V for Examples 1 to 4 is shown in FIG. 7(c). where ΔV TH is the difference between the threshold voltage of the new device and the stressed device.

순방향의 바이어스 스트레스에서 문턱 전압의 양의 이동은 반도체에서 산화물로의 전자 포획 및 양 전하의 패시베이션을 나타낸다.A positive shift in the threshold voltage at forward bias stress indicates electron capture from the semiconductor to the oxide and passivation of positive charges.

도 7(c)를 참조하면, 실시예 1은 86.2mV의 가장 낮은 이동을 갖는 반면 실시예 4는 가장 높은 (282.5eV) 이동을 가진다. 따라서, 이 스트레스 유발 전하 트래핑은 Hf 함량과 선형성을 유지하며, Hf의 증가로 더 많은 양의 전하가 트래핑된다. Referring to Fig. 7(c), Example 1 has the lowest shift of 86.2 mV while Example 4 has the highest (282.5 eV) shift. Thus, this stress-induced charge trapping maintains linearity with the Hf content, and a larger amount of charge is trapped with increasing Hf.

적용된 양의 바이어스 전압에서 측정된 전류-전압 특성과 HfAlO 샘플의 계산된 항복 전기장과 밴드 평탄화 전압에서의 누설 전류 밀도를 도 8에 나타내었다. The measured current-voltage characteristics at the applied positive bias voltage and the calculated breakdown electric field of the HfAlO sample and the leakage current density at the band flattening voltage are shown in FIG. 8 .

도 8(a)를 참조하면, 증착된 필름에서 Al 함량이 많을수록 누설 전류가 감소하고 항복 전압(breakdown voltage)이 증가함을 나타낸다. 항복 필드(field)는 측정된 두께로 항복 전압을 나누어 계산하였으며, 도 8b를 참조하면, 실시예 1은 가장 높은 항복 필드(5.71 MV/cm)와 가장 낮은 누설 전류(1.14×10-7 A/cm2))를 나타내었으며, 실시예 4는 가장 낮은 항복 전압(4.73 MV/cm)과 가장 높은 누설 전류(1.19×10-4 A/cm2)를 나타내었다.Referring to FIG. 8(a) , as the Al content in the deposited film increases, the leakage current decreases and the breakdown voltage increases. The breakdown field was calculated by dividing the breakdown voltage by the measured thickness. Referring to FIG. 8B, Example 1 had the highest breakdown field (5.71 MV/cm) and the lowest leakage current (1.14×10 -7 A/cm). cm 2 )), and Example 4 showed the lowest breakdown voltage (4.73 MV/cm) and the highest leakage current (1.19×10 -4 A/cm 2 ).

Al 혼입 증가에 따른 항복 필드의 증가와 누설 전류의 감소는 Al 혼입이 클수록 밴드 갭이 증가 할뿐만 아니라 각각 산화물과 계면에서의 결함 증가 및 이에 의존하는 패시베이션 효과 때문일 수 있다.The increase in breakdown field and decrease in leakage current with increasing Al incorporation can be attributed to the increase in band gap as the Al incorporation increases, as well as the increase in defects at the oxide and interface, respectively, and the passivation effect dependent on it.

Hf 지배적인 HfAlO 필름은 HfO2의 높은 비유전율로 인해 높은 유전 상수를 보이는 반면, 더 큰 Al 혼입은 쌍극자 형성으로 인해 더 많은 양의 밴드 평탄화 전압을 유도하였다. The Hf-dominant HfAlO film exhibited a high dielectric constant due to the high relative permittivity of HfO 2 , whereas larger Al incorporation induced more positive band flattening voltage due to dipole formation.

본 발명에 따른 게이트 산화막은 전기 밴드 매개 변수의 추출을 통해 HfO2 필름에 Al을 혼입하는 경우 밴드 갭과 전도 및 밸런스 밴드 에지가 증가함을 알 수 있었다.In the gate oxide film according to the present invention, it was found that the band gap and the conduction and balance band edges increased when Al was incorporated into the HfO 2 film through extraction of electric band parameters.

Al 융합은 또한 화학적 활동과 침투에 의해 HfO2 내부의 트랩을 최소화할 수 있으며, 이는 낮은 히스테리시스 및 축적 분산뿐만 아니라 낮은 경계 트랩 밀도를 제공하였다. Al fusion can also minimize traps inside HfO 2 by chemical activity and penetration, which provided low hysteresis and accumulation dispersion as well as low boundary trap density.

Claims (12)

III-V족 화합물 기반의 채널층; 및
채널층 상에 형성된 게이트 산화막을 포함하고,
상기 게이트 산화막은 제1 금속 산화물이 제2 금속 산화물의 내부에 혼입된 구조이며,
상기 제1 금속 산화물의 금속 원자 반지름이 상기 제2 금속 산화물의 금속 원자 반지름보다 작고,
제1 금속 산화물 및 제2 금속 산화물은 교대로 반복하여 증착되며,
상기 게이트 산화막에 대한 상기 제1 금속 산화물의 함량은 5 내지 70중량%이고,
제1 금속 산화물과 제2 금속 산화물의 원자층 증착은 제1 금속 산화물의 사이클 수를 x, 제2 금속 산화물의 사이클 수를 y 및 총 사이클 수를 n이라 할때, x:y는 1:9 내지 7:3이고, n은 20 이하로 수행되며,
게이트 산화막의 두께는 3 내지 10 nm이고,
게이트 산화막의 유전 상수가 7 내지 10이며, 밴드갭이 5 내지 8eV인 게이트 구조체.
a channel layer based on a group III-V compound; and
A gate oxide film formed on the channel layer;
The gate oxide film has a structure in which a first metal oxide is incorporated into a second metal oxide,
The metal atomic radius of the first metal oxide is smaller than the metal atomic radius of the second metal oxide;
The first metal oxide and the second metal oxide are alternately and repeatedly deposited,
The content of the first metal oxide relative to the gate oxide layer is 5 to 70% by weight,
The atomic layer deposition of the first metal oxide and the second metal oxide is such that x:y is 1:9 when the number of cycles of the first metal oxide is x, the number of cycles of the second metal oxide is y, and the total number of cycles is n. to 7:3, with n being less than or equal to 20;
The thickness of the gate oxide film is 3 to 10 nm,
A gate structure having a dielectric constant of 7 to 10 and a band gap of 5 to 8 eV.
제1항에 있어서,
상기 제1 금속 산화물 및 상기 제2 금속 산화물의 금속은 Al, Zr, Hf, Ti, Mg, La, Ca, Y, Ta 및 Sr로 이루어진 군에서 선택된 하나이며,
상기 제1 금속 산화물의 금속과 제2 금속 산화물의 금속은 다른 종류인 게이트 구조체.
According to claim 1,
The metal of the first metal oxide and the second metal oxide is one selected from the group consisting of Al, Zr, Hf, Ti, Mg, La, Ca, Y, Ta and Sr,
The metal of the first metal oxide and the metal of the second metal oxide are different types of gate structure.
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 III-V족 화합물은 InP, InAs, InSb, AlGaAs 또는 InGaAs인 게이트 구조체.
According to claim 1,
The III-V compound is InP, InAs, InSb, AlGaAs or InGaAs gate structure.
제5항에 있어서,
상기 InGaAs는 InxGa1-xAs(x>0.5)인 게이트 구조체.
According to claim 5,
The InGaAs gate structure of In x Ga 1-x As (x>0.5).
삭제delete III-V족 화합물 기반의 채널층상에 제1 금속 전구체, 제2 금속 전구체 및 산화제를 이용하여 원자층 증착(ALD)으로 제1 금속 산화물 및 제2 금속 산화물을 포함하는 게이트 산화막을 형성하는 단계를 포함하되,
상기 원자층 증착 시 제1 금속 산화물 및 제2 금속 산화물은 교대로 반복하여 증착되고,
제1 금속 산화물의 금속 원자 반지름이 상기 제2 금속 산화물의 금속 원자 반지름보다 작고,
금속 반지름이 작은 제1 금속 산화물을 먼저 채널층 상에 증착함으로써, 이어지는 제2 금속 산화물의 증착 후 제1 금속 산화물의 작은 크기로 인하여 제1 금속 산화물이 제2 금속 산화물의 내부로 혼입될 수 있으며,
상기 게이트 산화막에 대한 상기 제1 금속 산화물의 함량은 5 내지 70중량%인 제1항의 게이트 구조체의 제조방법.
Forming a gate oxide film including a first metal oxide and a second metal oxide by atomic layer deposition (ALD) using a first metal precursor, a second metal precursor, and an oxidizer on a channel layer based on a group III-V compound include,
During the atomic layer deposition, the first metal oxide and the second metal oxide are alternately and repeatedly deposited,
The metal atomic radius of the first metal oxide is smaller than the metal atomic radius of the second metal oxide;
By first depositing a first metal oxide having a small metal radius on the channel layer, the first metal oxide may be incorporated into the second metal oxide due to the small size of the first metal oxide after subsequent deposition of the second metal oxide, ,
The method of manufacturing the gate structure of claim 1, wherein the content of the first metal oxide relative to the gate oxide layer is 5 to 70% by weight.
삭제delete 제8항에 있어서,
상기 제1 금속 전구체는 트리메틸알루미늄 (trimethylaluminum)이고,
상기 제2 금속 전구체는 테트라키스 (에틸메틸아미노) 하프늄 (Tetrakis (ethylmethylamido) hafnium)인 게이트 구조체의 제조방법.
According to claim 8,
The first metal precursor is trimethylaluminum,
The method of manufacturing a gate structure in which the second metal precursor is tetrakis (ethylmethylamido) hafnium.
제8항에 있어서,
상기 III-V족 화합물은 InP, InAs, InSb, AlGaAs 또는 InGaAs인 게이트 구조체의 제조방법.

According to claim 8,
The III-V compound is a method of manufacturing a gate structure of InP, InAs, InSb, AlGaAs or InGaAs.

제11항에 있어서,
상기 InGaAs는 InxGa1-xAs(x>0.5)인 게이트 구조체의 제조방법.

According to claim 11,
The InGaAs is In x Ga 1-x As (x> 0.5) method of manufacturing a gate structure.

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