원자층 증착법에 의한 PtRu 바이메탈 합금 박막의 산소 열처리에 따른 전기적 특성에 관한 연구 = Effect of O2 Annealing on the Electrical Properties of Atomic Layer Deposited PtRu Bimetallic Alloy Thin Films

국문 초록 (Abstract)

CMOS 소자의 고집적화로 인하여 pMOS 소자에서 사용하기 위한 게이트 전극 재료에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. pMOS 소자의 게이트 전극은 높은 일함수를 요구하기 때문에 일함수가 높은 귀금속 계열을 기반으로 하는 바이메탈 합금 (bimetallic alloy) 박막에 대한 연구가 최근 주목 받고 있다. 본 연구에서는 바이메탈 합금 박막을 위한 물질 후보군으로 귀금속 중 상대적으로 일함수가 높은 백금 (Pt)과 상대적으로 일함수가 낮은 루테늄 (Ru)을 활용한 PtRu 바이메탈 합금 박막을 선택하였다. PtRu 바이메탈 합금 박막 형성을 위한 증착 방식으로는 원자층 단위로 두께 조절이 가능하면서 복잡한 구조체에서 균일한 증착이 가능하고, 슈퍼사이클 (super-cycle)을 활용하여 조성 제어가 가능한 원자층 증착법 (atomic layer deposition, ALD)을 선택하였다. 증착한 PtRu 바이메탈 합금 박막에 대한 구조적, 전기적 특성을 조사하였고, 또한, 후속 고온 열처리 공정에서 산소 분위기에 노출되는 환경을 대비하여, 증착한 PtRu 바이메탈 합금 박막을 산소 분위기에서 열처리하였을 경우, PtRu 바이메탈 합금 박막에 미치는 영향을 확인하였다. 먼저, ALD 슈퍼사이클 구성 변화에 따라, PtRu 바이메탈 합금 박막의 조성을 자유롭게 조절할 수 있음을 확인하였으며, 넓은 조성 범위에서 Pt와 Ru의 고용체를 형성할 수 있음을 확인하였다. 또한, 증착된 PtRu 바이메탈 합금 박막은 낮은 비저항 (최대 36.20 μΩ·cm)과 적절한 일함수 범위 (4.97~5.39 eV)를 가짐을 확인하였다.
다음으로, 산소 열처리 공정을 PtRu 바이메탈 합금에 적용한 경우, Pt의 조성비가 높은 바이메탈 합금 박막에서는 구조적인 변화가 거의 발생되지 않은 반면, Ru의 함량이 증가할수록 Ru 산화물 형성으로 인한 구조 변화가 발생함을 확인하였다. 산소 열처리 공정에 따른 PtRu 바이메탈 합금 박막에서 Ru의 선택적 산화가 발생하였음에도, 상대적으로 낮은 비저항을 가지는 RuO2가 형성됨에 따라 약 20~40 μΩ·cm의 낮은 비저항을 유지할 수 있었으며, Ru에 비해 상대적으로 높은 일함수를 가지는 RuO2 형성으로 인해 PtRu 바이메탈 합금 박막에 비해 다소 높은 5.21~5.38 eV의 일함수 값을 나타내었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

For the realization of advanced CMOS devices, a proper gate electrode material for nMOS and pMOS needs to be investigated. In this study, PtRu bimetallic alloy (BA) system using Pt and Ru was investigated to realized a highly stable gate electrode material for pMOS. Since a high work function value is required for pMOS devices, Pt and Ru was selected as a element for a BA because both Pt and Ru has high work function values and low electrical resistivities and they can form wide range solid solution phases. Considering current 3D CMOS device architectures, atomic layer deposition (ALD) was selected to prepare PtRu BA thin films. To prepare PtRu BA thin films, DDAP and Carish precursors were used to prepare Pt and Ru element by ALD. And then, the compositions of PtRu Ba thin BA thin films were controlled by a sub-cycle ratio in a supercycle. It was confirmed that Pt and Ru can form a wide solid solution phase by XRD analysis. Next, the effect of O2 heat treatment on the structural and electrical properties of PtRu BA thin films were systemically investigated. After O2 heat treatment at 600 ℃, it was found that the behavior of structural change was different depending on the film composition. A significant microstructural change was not observed for the Pt-rich PtRu BA thin films after O2 heat treatment. For the Ru-rich PtRu BA thin films, however, the PtRu bimetallic alloy converted to the RuO2-Pt bilayer-like structure due to the formation of preferential Ru oxidation. The compositional change and microstructural change of the PtRu BA thin films affected the electrical resistivity as well as work function. As-deposited PtRu BA thin films exhibited proper work function range (4.97~5.39 eV) and low resistivity. After O2 heat treatment, the oxidized PtRu BA thin films still exhibited low electrical resistivity (20~40 μΩ·cm) and a proper work function (5.21 ~ 5.38 eV) due to the formation of RuO2.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 2. 이론적 배경 5
• 2-1. Metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET)의 개요 5
• 2-2. MOSFET에 사용되는 금속 게이트 전극 7
• 2-2-1. nMOS향 금속 게이트 전극 7
• 2-2-2. pMOS향 금속 게이트 전극 8
• 2-3. Atomic layer deposition (ALD)의 기본 원리 10
• 2-3-1. ALD 10
• 2-3-2. ALD의 특징 16
• 2-4. 측정 장비 원리 19
• 2-4-1. X-ray diffraction (XRD) 19
• 2-4-2. Field emission scanning electron microscopy (FE-SEM) 22
• 2-4-3. Transmission electron microscopy (TEM) & energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) 24
• 2-4-4. Auger electron spectroscopy (AES) 26
• 2-4-5. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) 28
• 2-4-6. Four-point probe (FPP) 30
• 2-4-7. Kelvin probe force microscopy (KPFM) 32
• 3. 실험 절차 34
• 3-1. Pt thin film의 증착 조건 34
• 3-2. Ru thin film의 증착 조건 37
• 3-3. ALD를 이용한 PtRu bimetallic alloy thin films의 합성 40
• 3-4. PtRu bimetallic alloy thin films의 산소 열처리 공정 42
• 3-5. PtRu bimetallic alloy thin films의 특성평가 43
• 4. 결과 및 토의 44
• 4-1. Pt, Ru 및 PtRu bimetallic alloy thin films 성장 특성 44
• 4-2. PtRu bimetallic alloy thin films의 산소 열처리 조건에 따른 특성 46
• 4-3. Oxidized PtRu bimetallic alloy thin films의 구조적 특성 51
• 4-4. Oxidized PtRu bimetallic alloy thin films의 화학적 특성 55
• 4-5. Oxidized PtRu bimetallic alloy thin films의 전기적 특성 59
• 4-6. Oxidized PtRu bimetallic alloy thin films의 전기적 특성 63
• 5. 결론 68
• 6. 참고문헌 69
• Abstract 77