Si BEOL 공정에서 모놀리식 집적 가능한 ZrO2 기반 Ge MOS Capacitor - 권현채 (The Graduate School, Ajou University, 2023)
게르마늄(Ge) 박막과 Monolayer 이황화 몰리브덴(MoS2)은 얇은 두께와 높은 이동도 특성이 있으며, 두 물질의 결합은 반데르발스(Van der Waals) 상호작용을 형성하여 전체적인 이동도를 증가시킬 수 있다. 이러한 특징으로 인해 실리콘 미세화 공정의 한계를 극복하고 더 높은 성능과 작은 크기의 전자 소자를 개발하는 데 유망한 재료로 주목받고 있다. 또한, High-k 유전체 ZrO2는 반도체 소자에서 사용되는 게이트 산화막 재료로 다양한 이점과 기대효과를 제공한다. 이는 높은 유전율, 얇은 산화막 형성, 인접한 소자와의 절연 특성 향상, 그리고 높은 열 안정성 등이 포함된다. 본 논문에서는 비정질 SiO2 표면 위에 고이동도 Ge을 성장하기 위해 2D 물질인 MoS2를 시드로 사용하였으며, High-k 유전체 ZrO2를 사용하여 MOSCAP(Metal-Oxide-Semiconductor Capacitor)을 구현하였다. 이를 통해 새로운 소자 구조의 개발을 시도하여 미래 산업 발전의 가능성을 탐구하였다. 2차원 시드 물질인 MoS2 위에 UHV-CVD(Ultra-High Vacuum Chemical Vapor Deposition) 장비를 사용하여 저온에서 게르마늄 박막을 성장하였다. 이후 표면 거칠기를 개선하기 위해 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 공정을 진행하고 p-Ge 접촉층을 형성하였다. 산화막 층으로 사용될 High-k 유전체 ZrO2는 ALD(Atomic Layer Deposition) 장비를 사용하여 증착하였다. 계면 특성 개선을 위해 ZrO2를 증착하는 공정 사이에 OPO(Ozone Post Oxidation) 처리를 통해 GeOx를 형성하였으며, 증착 후 RTA(Rapid Thermal Annealing) 장비를 사용하여 N2 분위기에서 500도로 4분 열처리를 진행하였다. 마지막으로 Top Metal을 증착하고, p-Ge 접촉층을 열어주기 위해 ZrO2를 식각하여 Viahole을 형성함으로써 MOSCAP 소자를 완성하였다. 완성된 소자는 TEM(Transmission Electron Microscope) 이미지와 EDS(Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy) 측정 결과를 통해 각 층의 구조와 원소 조성을 확인하였다. 본 소자의 전기적 특성을 분석한 결과, 고주파 영역에서 “Series Resistance Effect”로 인한 주파수 분산 현상이 관찰되었고, 저주파 영역에서는 MOSCAP이 정상 동작하고, 유전 상수(k) 값이 12.9이며, 계면 트랩 밀도 (Dit) 값은 7.27*10^11eV^-1*cm^-2으로 확인되었다. 또한, 순방향 바이어스(2V)에서 의 누설전류 밀도 값은 10^-4A/cm^2 이하로 나타났다. 본 연구에서 비록 “Series Resistance Effect”로 인한 주파수 분산 현상으로 고주파 특성은 확인하기 어려웠지만, 아직은 시도되지 않은 “High-k 유전체 ZrO2를 기반으로 한 Ge/MoS2 다층구조의 MOSCAP” 소자를 제작하고 저주파 특성을 확인함으로써, 최근 한계에 다다른 실리콘 미세화 공정을 대체할 수 있는 새로운 구조 및 공정을 개발한 점에서 의의가 있다.
학위논문(석사)--아주대학교 일반대학원 :전자공학과,2023. 8
Keywords: Germanium; High-k; MOSCAP; MoS2; ZrO2