[논문 리뷰] Atomic layer deposition of HfO2 on graphene from HfCl4 and H20

Harry Alles, Jaan Aarik외 9명|arXiv (Cornell University)|2010. 05. 10.

Semiconductor materials and devices인용 수 15

한 줄 요약

이 연구는 180 °C에서 HfCl4 및 H2O 전구체를 사용하여 수정되지 않은 그래핀에 원자층 증착(atomic layer deposition, ALD)을 통해 HfO2를 증착하고, 이중 온도 프로세스(170 °C 이후 300 °C)를 적용함으로써 균일하고 단세립상 구조의 HfO2 필름을 얻는다. 이는 표면 거칠기(1.7–2.5 nm)가 낮고, 그래핀의 전자적 성질에 미치는 영향이 최소화되어, 11 nm 두께의 HfO2 필름에서 디라크 점에서 전자 이동도가 10% 미만으로 감소함을 보여준다.

ABSTRACT

Atomic layer deposition of ultrathin HfO2 on unmodified graphene from HfCl4 and H2O was investigated. Surface RMS roughness down to 0.5 nm was obtained for amorphous, 30 nm thick hafnia film grown at 180 degrees C. HfO2 was deposited also in a two-step temperature process where the initial growth of about 1 nm at 170 degrees C was continued up to 10-30 nm at 300 degrees C. This process yielded uniform, monoclinic HfO2 films with RMS roughness of 1.7 nm for 10-12 nm thick films and 2.5 nm for 30 nm thick films. Raman spectroscopy studies revealed that the deposition process caused compressive biaxial strain in graphene whereas no extra defects were generated. An 11 nm thick HfO2 film deposited onto bilayer graphene reduced the electron mobility by less than 10% at the Dirac point and by 30-40% far away from it.

연구 동기 및 목표

• 전자적 응용을 위한 수정되지 않은 그래핀에 고품질 HfO2 유전체 필름을 신뢰성 있게 증착하는 방법을 개발하기 위해.
• 고k 유전체 증착 과정에서 그래핀의 전자 구조에 미치는 손상을 최소화하기 위해.
• 두께와 표면 거칠기가 제어된 균일하고 결정성 있는 HfO2 필름을 얻기 위해.
• HfO2 캡핑이 그래핀의 전자 이동도 및 결함 농도에 미치는 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• HfCl4 및 H2O를 전구체로 사용하여 순차적이고 자가 제한적인 방식으로 원자층 증착(atomic layer deposition, ALD)을 수행하였다.
• 아모르프스 HfO2 필름은 180 °C에서 증착되었고, 이중 단계 프로세스는 170 °C에서 1 nm의 핵형성 과정을 거친 후 300 °C에서 10–30 nm 두께로 성장시켰다.
• 표면 거칠기는 원자력 현미경(atomic force microscopy, AFM)을 통해 측정되었으며, 다양한 필름 두께에 대해 루트 평균 제곱(RMS) 값이 보고되었다.
• Raman 분광법을 사용하여 HfO2 증착 후 그래핀의 변형 및 결함 생성 여부를 평가하였다.
• 이중층 그래핀의 전자 이동도를 HfO2 캡핑 전후로 측정하여 전자적 열화 정도를 평가하였다.
• X선 회절 및 AFM을 통해 HfO2 필름의 단세립상 상과 표면 형태를 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 HfCl4 및 H2O를 사용한 ALD로 수정되지 않은 그래핀에 결함을 유발하지 않고 효과적으로 HfO2를 증착할 수 있는가?
• RQ2 HfO2 증착 온도가 필름의 결정성과 표면 거칠기에는 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 HfO2 캡핑이 디라크 점 근처에서 그래핀의 전자 이동도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 ALD 공정이 그래핀 격자에 변형 또는 추가 결함을 유도하는 정도는 어느 정도인가?
• RQ5 이중 단계 ALD 공정을 통해 더 균일하고 결정성이 높은 HfO2 필름을 얻을 수 있는가?

주요 결과

• 180 °C에서 증착한 30 nm 두께의 아모르프스 HfO2 필름은 표면 RMS 거칠기가 0.5 nm이었다.
• 이중 단계 ALD 공정은 균일하고 단세립상의 HfO2 필름을 형성하였으며, 10–12 nm 두께 필름의 RMS 거칠기는 1.7 nm, 30 nm 두께 필름은 2.5 nm였다.
• Raman 분광법을 통해 그래핀에 압축성 이방성 응력이 존재하는 것으로 확인되었지만, 증착 과정에서 추가 결함은 유도되지 않았다.
• 이중층 그래핀에 11 nm 두께의 HfO2 필름을 캡핑한 결과, 디라크 점에서 전자 이동도는 10% 미만으로 감소하였고, 그 외 영역에서는 30–40% 감소하였다.
• 이중 단계 공정은 단일 온도 증착 대비 더 높은 구조적 균일성을 가진 결정성 HfO2를 형성하는 데 기여하였다.
• 결과적으로, 향후 2차원 전자 및 옵토전자닉 장치에 고k HfO2를 통합하는 것이 가능함을 입증하였다.