[논문 리뷰] Properties and characterization of ALD grown dielectric oxides for MIS structures

Sylwia Gierałtowska, D. Sztenkiel외 8명|arXiv (Cornell University)|2011. 07. 27.

Semiconductor materials and devices인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 금속-절연체-반도체(MIS) 구조에서 원자층증착(AlD)을 이용한 Al2O3 및 HfO2 절연 산화물의 특성을 조사하며, 40–100 nm 두께의 비정질성이고 초평탄한 층이 고품질 절연 장벽을 가능하게 함을 보여준다. 최고의 장치는 77 K에서 약 3 MV/cm의 전계를 견디며 누설 전류가 1 nA 이하를 유지하며, 희석된 투자성 반도체의 마이크로자기성질을 효과적으로 조절할 수 있다.

ABSTRACT

We report on an extensive structural and electrical characterization of under-gate dielectric oxide insulators Al2O3 and HfO2 grown by Atomic Layer Deposition (ALD). We elaborate the ALD growth window for these oxides, finding that the 40-100 nm thick layers of both oxides exhibit fine surface flatness and required amorphous structure. These layers constitute a base for further metallic gate evaporation to complete the Metal-Insulator-Semiconductor structure. Our best devices survive energizing up to ~3 MV/cm at 77 K with the leakage current staying below the state-of-the-art level of 1 nA. At these conditions the displaced charge corresponds to a change of the sheet carrier density of 3 imes 1013 cm-2, what promises an effective modulation of the micromagnetic properties in diluted ferromagnetic semiconductors.

연구 동기 및 목표

• MIS 구조에서 Al2O3 및 HfO2 절연체를 위한 최적의 ALD 성장 윈도우를 확립하기 위해.
• 금속 게이트 통합에 적합한 고품질의 비정질성이고 초평탄한 절연체 층을 확보하기 위해.
• 저온에서 고전계 하에서의 전기적 내구성을 평가하여 스핀트로닉스 장치 응용을 위한 잠재적 활용 가능성을 점검하기 위해.
• 절연체 제어를 통한 희석된 투자성 반도체에서의 효과적인 실수 밀도 조절 가능성을 평가하기 위해.

제안 방법

• 40–100 nm 두께의 Al2O3 및 HfO2 산화물 층을 원자층증착(AlD)을 이용해 성장시켰다.
• 구조적 특성 분석을 통해 성장된 산화물의 비정질성과 표면 평탄도를 확인하였다.
• 전기적 특성 분석은 77 K에서 고전계 스트레스 테스트를 실시하여 파손 강도와 누설 전류를 평가하기 위해 수행되었다.
• 고전계 하에서의 시트 실수 밀도 변화를 측정하여 조절 능력을 평가하였다.
• 장치는 산화물 증착 후 증착된 금속 게이트를 포함한 금속-절연체-반도체(MIS) 구조로 제작되었다.
• 신뢰성 및 성능 한계를 결정하기 위해 파손 및 누설 전류를 모니터링하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MIS 구조에서 고품질 Al2O3 및 HfO2 절연체를 확보하기 위한 최적의 ALD 성장 윈도우는 무엇인가?
• RQ2 40–100 nm 범위의 두께에서 ALD로 성장된 Al2O3 및 HfO2의 구조적 및 전기적 특성은 어떻게 변화하는가?
• RQ3 77 K에서 고전계에 노출되었을 때 이들 절연체는 유의미한 누설 또는 파손 없이 어느 정도까지 견딜 수 있는가?
• RQ4 고전계 적용이 시트 실수 밀도에 측정 가능한 변화를 유도할 수 있는가? 이는 희석된 투자성 반도체에서 실수 조절 가능성을 시사하는가?
• RQ5 이들 절연체는 누설 전류가 1 nA 이하를 유지하면서 견딜 수 있는 최대 전기장 강도는 얼마인가?

주요 결과

• 40–100 nm 두께 범위의 ALD로 성장된 Al2O3 및 HfO2 산화물 층은 뛰어난 표면 평탄도와 안정적인 비정질 구조를 나타낸다.
• 최고의 장치는 77 K에서 누설 전류가 1 nA 이하일 때까지 약 3 MV/cm의 전계를 견딘다.
• 전계에 의해 시트 실수 밀도에 3 × 10^13 cm⁻²의 변화가 관찰되어 효과적인 조절 능력이 있음을 시사한다.
• 비정질성은 전체 두께 범위에서 유지되어 균일한 절연체 거동을 지원한다.
• 이들 절연체 층은 후속 금속 게이트 증착과 호환되어 완전한 MIS 구조 제작이 가능하다.
• 초저온에서의 전기적 내구성은 고급 스핀트로닉스 및 양자 장치 응용에 잠재적인 활용 가능성을 뒷받침한다.