• Transactions on Electrical and Electronic Materials
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• v.15 no.3
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• pp.164-169
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• 2014

We investigated the etching characteristics of $HfAlO_3$ thin films in $O_2/Cl_2/Ar$ and $O_2/BCl_3/Ar$ gas, using a high-density plasma (HDP) system. The etch rates of the $HfAlO_3$ thin film obtained were 30.1 nm/min and 36 nm/min in the $O_2/Cl_2/Ar$ (3:4:16 sccm) and $O_2/BCl_3/Ar$ (3:4:16 sccm) gas mixtures, respectively. At the same time, the etch rate was measured as a function of the etching parameter, namely as the process pressure. The chemical states on the surface of the etched $HfAlO_3$ thin films were investigated by X-ray photoelectron spectroscopy. Auger electron spectroscopy was used for elemental analysis on the surface of the etched $HfAlO_3$ thin films. These surface analyses confirm that the surface of the etched $HfAlO_3$ thin film is formed with nonvolatile by-product. Also, Cl-O can protect the sidewall due to additional $O_2$.

• Journal of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers
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• v.29 no.3
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• pp.135-140
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• 2016

In this study, we developed the solution-processed PMMA-$HfO_x$ hybrid ReRAM devices to overcome the respective drawbacks of organic and inorganic materials. The performances of PMMA-$HfO_x$ hybrid ReRAM were compared to those of PMMA- and $HfO_x$-based ReRAMs. Bipolar resistive switching behavior was observed from these ReRAMs. The PMMA-$HfO_x$ hybrid ReRAMs showed a larger operation voltage margin and memory window than PMMA-based and $HfO_x$-based ReRAMs. The reliability and electrical instability of ReRAMs were remarkably improved by blending the $HfO_x$ into PMMA. An Ohmic conduction path was commonly generated in the LRS (low resistance state). In HRS (high resistance state), the PMMA-based ReRAM showed SCLC (space charge limited conduction). the PMMA-$HfO_x$ hybrid ReRAM and $HfO_x$-based ReRAM revealed the Pool-Frenkel conduction. As a result of flexibility test, serious defects were generated in $HfO_x$ film deposited on PI (polyimide) substrate. On the other hand, the PMMA and PMMA-$HfO_x$ films showed an excellent flexibility without defect generation.

• Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
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• 2008.06a
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• pp.127-128
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• 2008

The electrical characteristics of VARIOT (variable oxide thickness) with various $HfO_2$ thicknesses on thin $SiO_2$ or $Al_2O_3$ layer were investigated. Especially, the charge trapping characteristics of $HfO_2$ layer were intensively studied. The thin $HfO_2$ layer has small charge trapping characteristics while the thick $HfO_2$ layer has large memory window. Therefore, the $HfO_2$ layer is superior material and can be applied to charge storage as well as tunneling barrier of the non-volatile memory applications.

• Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea SD
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• v.48 no.6
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• pp.1-6
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• 2011

A transparent oxide thin film transistors (Transparent Oxide-TFT) have been fabricated by RF magnetron sputtering at room temperature using amorphous indium zinc oxide (a-IZO) as both of active channel and source/drain, gate electrodes and co-sputtered $HfO_2-Al_2O_3$ (HfAIO) as gate dielectric. In spite of its high dielectric constant > 20), $HfO_2$ has some drawbacks including high leakage current and rough surface morphologies originated from small energy band gap (5.31eV) and microcrystalline structure. In this work, the incorporation of $Al_2O_3$ into $HfO_2$ was obtained by co-sputtering of $HfO_2$ and $Al_2O_3$ without any intentional substrate heating and its structural and electrical properties were investigated by x-ray diffraction (XRD), atomic force microscopy (AFM) and spectroscopic ellipsometer (SE) analyses. The XRD studies confirmed that the microcrystalline structures of $HfO_2$ were transformed to amorphous structures of HfAIO. By AFM analysis, HfAIO films (0.490nm) were considerably smoother than $HfO_2$ films (2.979nm) due to their amorphous structure. The energy band gap ($E_g$) deduced by spectroscopic ellipsometer was increased from 5.17eV ($HfO_2$) to 5.42eV (HfAIO). The electrical performances of TFTs which are made of well-controlled active/electrode IZO materials and co-sputtered HfAIO dielectric material, exhibited a field effect mobility of more than $10cm^2/V{\cdot}s$, a threshold voltage of ~2 V, an $I_{on/off}$ ratio of > $10^5$, and a max on-current of > 2 mA.

• Proceedings of the Korea Crystallographic Association Conference
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• 2002.11a
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• pp.45-47
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• 2002

반도체 소자의 고집적화 및 고속화가 요구됨에 따라 MOSFET 구조의 게이트 절연막으로 사용되고 있는 SiO₂ 박막의 두께를 감소시키려는 노력이 이루어지고 있다. 0.1㎛ 이하의 소자를 위해서는 15Å 이하의 두께를 갖는 SiO₂가 요구된다. 하지만 두께감소는 절연체의 두께와 지수적인 관계가 있는 누설전류를 증가시킨다[1-3]. 따라서 같은 게이트 개패시턴스를 유지하면서 누설전류를 감소시키기 위해서는 높은 유전상수를 갖는 두꺼운 박막이 요구되는 것이다. 그러므로 약 25정도의 높은 유전상수를 갖고 5.2～7.8 eV 정도의 비교적 높은 bandgap을 갖으며, 실리콘과 열역학적으로 안정한 물질로 알려진 HfO2[4-5]가 최근 큰 관심을 끌고 있다. 본 연구에서는 HfO₂ 박막을 실제 소자에 적용하기 위하여 전극 및 열처리에 따른 HfO₂ 박막의 미세구조 및 전기적 특성에 관한 연구를 수행하였다. 이를 위해, HfO₂ 박막을 reactive DC magnetron sputtering 방법으로 증착하고, XRD, TEM, XPS를 사용하여 ZrO₂ 박막의 미세구조를 관찰하였으며, MOS 캐패시터 구조의 C-V 및 I-V 특성을 측정하여 HfO₂ 박막의 전기적 특성을 관찰하였다. HfO₂ 타겟을 스퍼터링하면 Ar 스퍼터링에 의해 에너지를 가진 산소가 기판에 스퍼터링되어 Si 기판과 반응하기 때문에 HfO₂ 박막 형성과 더불어 Si 기판이 산화된다[6]. 그래서 HfO₂같은 금속 산화물 타겟 대신에 순수 금속인 Hf 타겟을 사용하고 반응성 기체로 O₂를 유입시켜 타겟이나 시편위에서 high-k 산화물을 만들면 SiO/sub X/ 계면층을 제어할 수 있다. 이때 저유전율을 갖는 계면층은 증착과 열처리 과정에서 형성되고 특히 500℃ 이상에서 high-k/Si를 열처리하면 계면 SiO₂층은 증가하는 데, 이것은 산소가 HfO₂의 high-k 박막층을 뚫고 확산하여 Si 기판을 급속히 산화시키기 때문이다. 본 방법은 증착에 앞서 Si 표면을 희석된 HF를 이용해 자연 산화막과 오염원을 제거한 후 Hf 금속층과 HfO₂ 박막을 직류 스퍼터링으로 증착하였다. 우선 Hf 긍속층이 Ar 가스 만의 분위기에서 증착되고 난 후 공기중에 노출되지 않고 연속으로 Ar/O₂ 가스 혼합 분위기에서 반응 스퍼터링 방법으로 HfO₂를 형성하였다. 일반적으로 Si 기판의 표면 위에 자연적으로 생기는 비정질 자연 산화막의 두께는 10～15Å이다. 그러나 Hf을 증착한 후 단면 TEM으로 HfO₂/Si 계면을 관찰하면 자연 산화막이 Hf 환원으로 제거되기 때문에 비정질 SiO₂ 층은 관찰되지 않았다. 본 실험에서는 HfO2의 두께를 고정하고 Hf층의 두께를 변수로 한 게이트 stack의 물리적 특성을 살펴보았다. 선증착되는 Hf 금속층을 0, 10, 25Å의 두께 (TEM 기준으로 한 실제 물리적 두께) 로 증착시키고 미세구조를 관찰하였다. Fig. 1(a)에서 볼 수 있듯이 Hf 금속층의 두께가 0Å일때 13Å의 HfO₂를 반응성 스퍼터링 방법으로 증착하면 HfO₂와 Si 기판 사이에는 25Å의 계면층이 생기며, 이것은 Ar/O₂의 혼합 분위기에서의 스퍼터링으로 인한 Si-rich 산화막 또는 SiO₂ 박막일 것이다. Hf 금속층의 두께를 증가시키면 계면층의 성장은 억제되는데 25Å의 Hf 금속을 증착시키면 HfO₂ 계면층은 10Å미만으로 관찰된다. 그러므로 Hf 금속층이 충분히 얇으면 플라즈마내 산소 라디칼, 이온, 그리고 분자가 HfO₂ 층을 뚫고 Si 기판으로 확산되어 SiO₂의 계면층을 성장시키고 Hf 금속층이 두꺼우면 SiO/sub X/ 계면층을 환원시키면서 Si 기판으로의 산소의 확산은 막기 때문에 계면층의 성장은 억제된다. 따라서 HfO₂/Hf(Variable)/Si 계에서 HfO₂ 박막이 Si 기판위에 직접 증착되면, 순수 HfO₂ 박막의 두께보다 높은 CET값을 보이고 Hf 금속층의 두께를 증가시키면 CET는 급격하게 감소한다. 그러므로 HfO₂/Hf 박막의 유효 유전율은 단순 반응성 스퍼터링에 의해 형성된 HfO₂ 박막의 유전율보다 크다. Fig. 2에서 볼 수 있듯이 Hf 금속층이 너무 얇으면 계면층의 두께가 두꺼워 지고 Hf 금속층이 두꺼우면 HfO₂층의 물리적 두께가 두꺼워지므로 CET나 EOT 곡선은 U자 형태를 그린다. Fig. 3에서 Hf 10초 (THf=25Å) 에서 정전 용량이 최대가 되고 CET가 20Å 이상일 때는 high-k 두께를 제어해야 하지만 20Å 미만의 두께를 유지하려면 계면층의 두께를 제어해야 한다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2016.02a
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• pp.299-299
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• 2016

SiC는 넓은 에너지갭 (Eg=~3.4 eV)을 갖는 반도체로써, 고전압, 고온에서 동작이 가능하여 기존의 Si기반의 파워디바이스를 대체하기 위한 물질로 많은 연구가 이루어지고 있다. 파워 디바이스의 성능 향상을 위해서는 기판과 절연체 사이의 계면에 생성되는 계면 결함을 감소시켜야 한다. 따라서 본 연구에서는 SiC 기판에 high-k 물질인 HfO2를 증착하여 HfO2/SiC 계면에 유도된 결함을 분석하고 이를 감소시킬 수 있는 방법에 대한 연구를 수행하였다. HfO2 박막은 atomic-layer-deposition (ALD) 방법을 이용하여 SiC 기판 위에 $200^{\circ}C$에서 증착하였다. HfO2 박막 증착 후 NH3 분위기에서 rapid thermal annealing 방법을 이용하여 $600^{\circ}C$에서 1분 동안 열처리 진행하였다. Current-voltage (I-V) 측정을 통해 열처리 전 HfO2/SiC의 절연파괴 전압이 약 8.3 V 임을 확인하였다. NH3 열처리 후 HfO2/SiC의 절연파괴 전압이 10 V로 증가하였으며 누설 전류가 크게 감소하는 것을 확인하였다. 또한 capacitance-voltage (C-V) 측정을 통해 열처리 후 flat band voltage가 negative 방향에서 positive 방향으로 이동함을 확인하였고, 이를 통해 NH3 열처리 방법이 HfO2/SiC 계면에 존재하는 결함을 감소시킬 수 있음을 확인하였다. 전자 구조상의 conduction band edge에 존재하는 결함 준위를 분석하기 위해 x-ray absorption spectroscopy (XAS) 분석을 실시하였고, 열처리 전 HfO2/SiC 계면에 많은 결함 준위가 존재함을 확인하였으며, x-ray photoelectron spectroscopy (XPS) 분석을 통해 이 결함 준위가 oxygen deficiency state과 관련됨을 알 수 있었다. NH3 열처리 후 결과와 비교해보면, oxygen deficiency state가 감소함을 확인하였으며 이로 인해 conduction band edge에 존재하는 결함 준위가 감소함을 알 수 있었다. 따라서, NH3 열처리 방법을 이용하여 HfO2/SiC 계면에 존재하는 결함을 감소시킬 수 있으며, HfO2/SiC의 물리적, 전기적 특성을 향상시킬 수 있다는 결과를 도출하였다.

• Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
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• 2009.06a
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• pp.129-130
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• 2009

The P/E characteristics of $HfO_2$ CTF memory capacitor with $SiO_2/HfO_2/Al_2O_3$(OHA) engineered tunnel barrier were investigated. After a growth of thermal oxide with a thickness of 2 nm, 1 nm $HfO_2$ and 3 $Al_2O_3$ layers were deposited by atomic layer deposition (ALD) system. The band offset was calculated by analysis of conduction mechanisms through Fowler-Nordheim (FN) plot and Direct Tunneling (DT) plot. Moreover the PIE characteristics of $HfO_2$ CTF memory capacitor with OHA tunnel barrier was presented.

• Journal of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers
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• v.22 no.2
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• pp.101-106
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• 2009

In this paper, Thin films of $HfO_2$/Hf were deposited on p-type wafer by Atomic Layer Deposition (ALD). We studied the electrical and material characteristics of $HfO_2$/Hf/Si MOS capacitor depending on thickness of Hf metal layer. $HfO_2$ films were deposited using TEMAH and $O_3$ at $350^{\circ}C$. Samples were then annealed using furnace heating to $500^{\circ}C$. Round-type MOS capacitors have been fabricated on Si substrates with $2000\;{\AA}$-thick Pt top electrodes. The composition rate of the dielectric material was analyzed using TEM (Transmission Electron Microscopy), XRD (X-ray Diffraction) and XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy). Also the capacitance-voltage (C-V), conductance-voltage (G-V), and current-voltage (I-V) characteristics were measured. We calculated the density of oxide trap charges and interface trap charges in our MOS device. At the interface between $HfO_2$ and Si, both Hf-Si and Hf-Si-O bonds were observed, instead of Si-O bond. The sandwiched Hf metal layer suppressed the growing of $SiO_x$ layer so that $HfSi_xO_y$ layer was achieved. And finally, the generation of both oxide trap charge and interface trap charge in $HfO_2$ film was reduced effectively by using Hf metal layer.

• Journal of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers
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• v.23 no.12
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• pp.924-928
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• 2010

In this study, $HfAlO_3$ thin films using gate insulator of MOSFET were etched in inductively coupled plasma. The etch characteristics of the $HfAlO_3$ thin films has been investigated by varying $O_2/BCl_3$/Ar gas mixing ratio, a RF power, a DC bias voltage and a process pressure. As the $O_2$ concentration increases further, $HfAlO_3$ was redeposited. As increasing RF power and DC bias voltage, etch rates of the $HfAlO_3$ thin films increased. Whereas, as decreasing of the process pressure, etch rates of the $HfAlO_3$ thin films increased. The chemical reaction on the surface of the etched the $HfAlO_3$ thin films was investigated with X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). These peaks moved a binding energy. This chemical shift indicates that there are chemical reactions between the $HfAlO_3$ thin films and radicals and the resulting etch by-products remain on the surface.

• Transactions on Electrical and Electronic Materials
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• v.4 no.3
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• pp.34-37
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• 2003

[ $HfO_2$ ] and $HfO_xN_y$ films were deposited by plasma-enhanced chemical vapor deposition using $Hf[OC(CH_3)_3]_4$ as the precursor in the absence of $O_2$. The crystallization temperature of the $HfO_xN_y$ films is higher than that of the $HfO_2$ film. Nitrogen incorporation in $HfO_xN_y$ was confirmed by auger electron spectroscopy analysis. After post deposition annealing (PDA) at 800$\Box$, the EOT increased from 1.34 to 1.6 nm in the $HfO_2$ thin films, whereas the increase of EOT was suppressed to less than 0.02 nm in the $HfO_xN_y$. The leakage current density decreased from 0.18 to 0.012 $A/cm^2$ with increasing PDA temperature in the $HfO_2$ films. But the leakage current density of $HfO_xN_y$ does not vary with increasing PDA temperature because an amorphous $HfO_xN_y$ films suppresses the diffusion of oxygen through the gate dielectric.