초록
반도체 소자가 미세화 됨에 따라 게이트 유전막으로 사용되는 SiO2의 박막화가 요구되나, boron penetration에 의한 Vt shift, 게이트 누설전류, 다결정 실리콘 게이트의 depletion effect 그리고 quantum mechanical effect 때문에 ~20 급에서 한계를 나타내고 있다. 이에 0.1$\mu\textrm{m}$이상의 design rule을 갖는 logic이나 memory 소자에서 요구되어지는 ~10 급 게이트 산화막은 SiO2(K=3.9)를 대신하여 고유전율을 갖는 재료의 채택이 필수 불가결하게 되었다. 고유전 박막 재료를 사용하면, 두께를 두껍게 해도 동일한 inversion 특성이 유지되고 carrier tunneling 이 덜하여 등가 산화막의 두께를 줄일 수 있다. 이러한 고유전박막 재료중 가장 활발히 연구되고 있는 재료는 Ta2O5, Al2O3, STO 그리고 BST 등이 있으나 Ta2O5, STO, BST 등은 실리콘 기판과 직접 반응을 한다는 문제를 가지고 있으며, Al2O3는 유전율이 낮의 재료가 최근 주목받고 있다. 본 실험에서는 ZrO2, HfO2 또는 그 silicates 등의 재료가 최근 주목 받고 있다. 본 실험에서는 ZrO2 박막의 증착조건에 따른 물리적, 전기적 특성 변화에 대하여 연구하였다. RCA 방식으로 세정한 P-type (100) 실리콘 기판위에 reactive DC sputtering 방법으로 압력 5mtorr, power 100~400W, 기판온도는 100-50$0^{\circ}C$로 변화시켜 ZrO2 박막을 증착한 후 산소와 아르곤 분위기에서 400-80$0^{\circ}C$, 10-120min으로 열처리하였다. 증착직후의 시편들과 열처리한 ZrO2 박막의 미세구조와 전기적 특성 변화를 관찰하였다. 우선 굴절율(RI)를 이용해 ZrO2 박막의 밀도를 예측하여 power와 기판온도에 따라 이론값 2.0-2.2 에 근접한 구조를 얻은 후 XRD, XPS, AFM, 그리고 TEM을 사용하여 ZrO2 박막의 chemical bonding, surface roughness 그리고 interfacial layer의 특성을 관찰하였다. 그리고 C-V, I-V measurement를 이용해 capacitance, 유전율, 누설전류 등의 전기적 특성을 관찰해 최적 조건을 설정하였다.
