[논문 리뷰] An Investigation into the $HfO_2/Si$ Interface: Materials Science Challenges and their Effects on MOSFET Device Performance

Aditya Muralidharan|arXiv (Cornell University)|2022. 06. 20.

Semiconductor materials and devices인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 MOSFET의 HfO₂/Si 인터페이스에서 발생하는 계면 SiO₂ 계층 형성의 열역학적 및 동역학적 메커니즘을 조사하며, 입자 경계를 따라 확산되는 산소와 SiO 종류가 주요 원인임을 규명한다. 제안된 바에 따르면 제어된 질소 분위기에서의 소성 처리와 최적화된 ALD 공정을 통해 계층 형성을 억제함으로써 EOT와 누설 전류를 감소시키면서도 높은 이동도와 임계전압 안정성을 유지할 수 있다.

ABSTRACT

Since the 1960's when Gordon Moore proposed that the transistor density in our electronic devices should double every two years while the cost is halved, the semiconductor industry has taken this statement to heart. Over the last few decades, no other industry has seen growth even comparably close to that experienced by the semiconductors industry. This has all been made possible by the unbroken string of ingenious breakthroughs by brilliant minds that have been working tirelessly to shrink down transistors. The latest of which is the use of high-k dielectrics and a return to metal gates combined with 3D-transistor architectures. This has been the enabling technology for the transition from the 90 nm node to the 45 nm node, allowing us to shrink our transistors further without losing additional gate control. The fundamental reason for using a high-k gate dielectric compared to SiO2 is that shrinking our gate oxide further, which is already at a few angstroms, is no longer a feasible option to gain additional gate control. High-k dielectric overcome this by exploiting the fundamental physics of capacitors and the materials science of dielectrics to provide a viable option to increase gate control without the need for successively thinner gate oxides. Hafnium Oxide is the most studied and popular of such materials. Its high dielectric constant ~16-25 and interface stability with silicon at operating temperatures make it an ideal candidate for use in current CMOS technology. Despite its deceivingly simple appearance, the processes involved in the fabrication of such high-k HfO2/Si interfaces are full of process subtleties and nuances. In this term paper we hope to explore the physics and materials science of these high-k HfO2/Si interfaces, discussing the challenges and ways to overcome them when it comes to its actual fabrication, and how this ultimately affects our device performance.

연구 동기 및 목표

• 고온 처리 중 HfO₂/Si 인터페이스에서 SiO₂ 계층 형성의 열역학적 및 동역학적 원인을 이해하기 위해.
• 고키 MOSFET에서 EOT 및 장치 성능 저하를 유발하는 계면층 성장의 근본 원인을 규명하기 위해.
• 소성 분위기, 산소 유량 및 증착 방법(PEALD 대비 열적 ALD)과 같은 공정 매개변수를 평가하여 계층 형성을 완화하기 위해.
• HfO₂ 기반 MOSFET에서 계층 두께와 결함 농도를 게이트 누설 전류 및 임계전압 이동과 연관지어 분석하기 위해.
• 45nm 이하 노드를 초월한 CMOS 스케일링을 지속하기 위한 HfO₂/Si 인터페이스 최적화를 위한 재료 과학적 프레임워크 제공하기 위해.

제안 방법

• HfO₂/Si 시스템의 안정성을 평가하기 위해 구리스 자유 에너지(ΔG₀ = 227.9 kJ/mol)를 사용한 열역학적 분석을 수행하여 계층 형성의 주요 원인이 열역학적 구동력이 아님을 배제하였다.
• ~1700 K까지의 상도를 분석하여 인터페이스 안정성을 평가하였으며, 안정성 자체만으로는 계층 성장 원인을 설명할 수 없음을 확인하였다.
• 특히 다결정 HfO₂에서 입자 경계를 따라 확산되는 산소의 경로를 조사하였으며, 산소 양이온 결함이 이온 이동을 촉진함을 규명하였다.
• 산화 분위기 조건에서 인터페이스에서 SiO 종의 확산이 계층 형성에 기여하는 요소임을 평가하였다.
• 플라즈마 증착 ALD(PEALD)와 열적 ALD로 증착한 HfO₂ 필름의 누설 전류 및 스위칭 특성을 비교하였으며, 비정질 구조가 결함 통로를 최소화하여 낮은 누설 전류를 유도함을 연결지어 분석하였다.
• 증착 중 질소 분위기에서의 소성 처리 및 산소 유량 지속 시간이 계층 두께와 결함 패assing에 미치는 영향을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고온 처리 중 HfO₂/Si 인터페이스에서 SiO₂ 계층 형성의 주요 열역학적 및 동역학적 원인은 무엇인가?
• RQ2 입자 경계를 따라 확산되는 산소와 SiO 종의 이동성이 다결정 HfO₂에서 계층 성장에 어떻게 기여하는가?
• RQ3 질소 분위기에서의 소성 처리 또는 증착 중 제어된 산소 유량이 계층 두께와 누설 전류를 얼마나 감소시킬 수 있는가?
• RQ4 HfO₂의 결정 구조(비정질 대 다결정)가 게이트 누설 전류와 결함 농도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 계층 형성(증가하는 EOT)과 그에 따른 실리콘 이동도 향상 및 임계전압 안정성 향상 간의 상충 관계는 어떠한가?

주요 결과

• 다결정 HfO₂에서 입자 경계를 따라 확산되는 산소가 양이온 결함에 의해 촉진되며, 이는 계층 형성의 주요 메커니즘이며, 열역학적 불안정성은 아님을 규명하였다.
• 산화 분위기에서의 소성 처리 조건에서는 산소 확산이 향상되어 계층 두께가 증가하며, 이는 직접적으로 EOT 증가와 누설 전류 증가로 이어진다.
• 질소 분위기에서의 소성 처리가 계층 형성과 누설 전류를 뚜렷이 감소시켰으며, 이는 HfO₂ 및 계층의 부분적인 질화화로 산소 이동성 억제가 이루어졌기 때문으로 추정된다.
• PEALD로 증착한 HfO₂ 필름은 열적 ALD 필름보다 열역학적으로 열악한 조건에서도 열악한 누설 특성을 보였으며, 이는 비정질 구조가 결함 통로를 최소화하기 때문임을 규명하였다.
• 증착 중 제어된 산소 유량은 입자 경계에서의 산소 양이온 결함을 제거함으로써 전자 이동 경로를 차단하여 누설 전류를 감소시켰다.
• 소성 사이클은 주로 결함 제거 및 트랩 패assing을 통해 게이트 누설 전류를 수 개의 주기로 감소시켰으며, 질소 분위기에서의 소성이 특히 유망한 결과를 보였다.