산소유량 변화에 의한 산소 과포화된 HfOx 박막의 고온 열처리에 따른 Nanomechanics 특성 연구

HfOx (Hafnium oxide)는 ~25의 고유전상수, 5.25 eV의 비교적 높은 Band-gap을 갖는 물질로 MOSFET (metal-oxide semiconductor field-effect-transistor) 구조의 Oxide 박막을 대체 가능한 물질로 연구가 지속되고 있다. 현재까지 진행된 대다수의 연구는 증착 조건에 따른 박막의 결정학적 및 전기적 특성에 대한 주제로 진행되었고 다양한 연구 결과가 보고된바 있다. 하지만 기존의 연구 기법은 박막의 nanomechanics 특성에 대한 연구가 부족하여 이를 보완하기 위한 연구가 절실하다. 따라서 본 연구에서는 HfOx 박막 내 포함된 산소가 고온 열처리 과정에서 빠져나감으로 인한 박막의 nanomechanics 특성을 확인하고자 하였다. 시료는 rf magnetron sputter를 이용하여Si (silicon) 기판위에 Hafnium target으로 산소유량(5, 10, 15 sccm)을 달리하여 증착하였고, 이후 furnace에서 $400^{\circ}C$에서 $1,000^{\circ}C$까지 질소분위기에서 20분간 열처리를 실시하였다. 실험결과 시료의 전기적 특성을 I-V 곡선을 측정하여 확인하였고, 증착 시 산소 유량이 5 sccm에서 15 sccm으로 증가함에 따라서 누설전류 특성은 급격히 향상되었고, 열처리 온도가 증가함에 따라 감소하는 특성을 나타내었다. 또한 시료의 nanomechanics 특성을 확인하기 위하여 nano-indenter를 이용하여 시료의 표면강도(surface hardness)와 탄성계수(elastic modulus)를 확인하였다. 측정결과 5 sccm 시료의 표면강도와 탄성계수는 상온에서 열처리 온도가 증가함에 따라 각각 7.75 GPa에서 9.19 GPa로, 그리고 133.83 GPa에서 126.64 GPa로 10, 15 sccm의 박막의 비하여 상대적으로 균일한 특성을 나타내었다. 이는 증착 시 박막 내 과포화된 산소가 열처리 과정에서 빠져나감으로 인한 것이며, 또한 과포화된 정도에 따라 더 적은 열처리 에너지에 의하여 박막을 빠져나감으로 인한 것으로 판단된다. 또한 열처리 과정에서 산소가 빠져나가는 상대적인 flux의 영향으로 인하여 박막의 mechanical한 균일도의 변화가 나타났다.