• Proceedings of the Korean Society Of Semiconductor Equipment Technology
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• 2003.12a
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• pp.45-49
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• 2003

본 논문에서는 gate 산화막을 위한 Hf oxide 박막을 $Hf(dmae)_4$ (dmae=dimethylaminoethoxide) 전구체로 Direct Liquid Injection Metal Organic Chemical Vapor Deposition (DLI-MOCVD)방법을 이용하여 p-type Si(100) 기판 위에 증착하였다. 이 전구체를 이용하여 $150^{\circ}C$의 낮은 증착 온도에서도 낮은 carbon 농도와 roughness를 가지는 양질의 박막을 증착할 수 있었다. 증착된 박막은 비정질 구조를 나타내었지만 annealing 온도를 증가시킴에 따라서 결정성(monoclinic phase)을 나타내었다. $500{\AA}$으로 증착한 박막을 C-V 와 I-V curve를 통하여 전기적 특성을 평가하였다. 열처리 온도가 증가함에 따라 유효유전상수(k)는 증가하지만 열처리 온도가 $900^{\circ}C$ 이상이 되면 계면층의 형성에 의해 유효유전상수는 감소하게 되고 이에 따라 누설 전류도 감소하게 된다. 산소분위기 $800^{\circ}C$에서 annealing한 $HfO_2$ 박막의 유전상수는 20.1이고, 누설 전류 밀도는 SV에서 $2.2\times10^{-6}A/\textrm{cm}^2$ 로 좋은 전기적 특성을 가진다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2012.08a
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• pp.291-292
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• 2012

MOSFET 구조에서 metal oxide에 기반을 둔 게이트 유전체의 연구는 실리콘(Si)을 기반으로 한 반도체 발명이래로 가장 인상적인 발전을 이뤄 왔다. 이는 metal oxide의 높은 유전상수 특성이 $SiO_2$보다 우수하고, 유전체 박막의 두께 감소로 인한 전기적 특성 저하를 보완하기 때문이다. 특히 지난 10년 동안, Hafnium에 기반을 둔 $HfO_2$는 차세대 반도체용 유전 물질로 전기적 구조적 특성에 대한 연구가 활발히 진행되어왔다. 그러나 현재까지 $HfO_2$에 대한 nano-mechanical 특성 연구는 미미하여 이에 대한 연구가 필요하다. 이에 본 연구에서는 Hf 및 $HfO_2$ 박막의 증착 및 열처리 조건을 다르게 하여 실험을 진행하였다. 시료는 rf magnetron sputter를 이용하여 Si 기판위에 Hafnium target으로 산소유량(4, 6 sccm)을 달리하여 증착하였고, 이후 furnace에서 400에서 $800^{\circ}C$까지 질소분위기에서 20분간 열처리를 실시하였다. 실험결과 산소 유량을 6 sccm으로 증착한 시료의 current density 성능이 모든 열처리 과정에서 증가하였다. Nano-indenter로 측정하고 Weibull distribution으로 정량적 계산을 한 경도 (Hardness)는 as-deposited 시료를 기준으로 $400^{\circ}C$에서는 감소했으나 온도가 높아질수록 증가하였다. 특히, $400^{\circ}C$ 열처리한 시료에서 산소농도에(4 sccm : 5.35 GPa, 6 sccm : 6.15 GPa)따른 두 시료간의 변화가 가장 두드러졌다. 반면에, 탄성계수 (Elastic modulus)는 산소농도 6 sccm을 넣고 증착된 시료들이 4 sccm을 넣고 증착한 시료보다 모두 높은 값을 나타냈다. 또한, $800^{\circ}C$ 열처리한 시료에서 산소농도에(4 sccm : 128.88 GPa, 6 sccm : 149.39 GPa)따라 표면의 탄성에 큰 차이가 있음을 확인하였다. 이는 증착된 $HfO_2$ 시료들이 비정질 상태에서 $HfO_2$로 결정화되는 과정에서 산소가 증가할수록 박막의 defect이 감소되기 때문으로 사료된다.

• Journal of the Korean Magnetics Society
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• v.20 no.6
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• pp.228-233
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• 2010

The microwave permeability was measured in order to analyze the thickness dependence of loss properties in CoFeHfO thin films with varying thickness of t = 57~1368 nm. A single resonance peak (P1) at 2.95 GHz was appeared in the samples with thickness less than 405 nm, while second resonance peak (P2) at 547MHz was additionally appeared in the samples with thickness greater than 405 nm. The P2 was originated by the angle distribution of the easy axis, which was confirmed from the measured results of the change of imaginary permeability with applied magnetic field in the sample of 1368 nm thickness and low field torque curves. If the second peaks can be reduced by minimizing the angle distribution of the easy axis, the CoFeHfO thin films with thickness greater than 400 nm can be used for the compact microwave devices operated at up to 2 GHz ranges.

• Journal of the Microelectronics and Packaging Society
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• v.11 no.2 s.31
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• pp.29-35
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• 2004

Hafnium-oxide gate dielectric films deposited by a metal organic chemical vapor deposition technique on a $N_2-plasma$ treated SiNx and a hydrogen-terminated Si substrate have been investigated. In the case of $HfO_2$ film deposited on a hydrogen-terminated Si substrate, suppressed crystallization with effective carbon impurity reduction was obtained at $450^{\circ}C$. X-ray photoelectron spectroscopy indicated that the interface layer was Hf-silicate rather than phase separated Hf-silicide and silicon oxide structure. Capacitance-voltage measurements show equivalent oxide thickness of about 2.6nm for a 5.0 nm $HfO_2/Si$ single layer capacitor and of about 2.7 nm for a 5.7 nm $HfO_2/SiNx/Si$ stack capacitor. TEM shows that the interface of the stack capacitor is stable up to $900^{\circ}C$ for 30 sec.

• Proceedings of the Korean Society Of Semiconductor Equipment Technology
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• 2003.12a
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• pp.42-44
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• 2003

최근 logic 소자의 gate oxide로 기존의 $SiO_2$, SiON보다 고유전, 작은 누설전류를 가지는 물질의 개발이 중요한 이슈가 되고 있다. 본 실험실에서는 Si 기판위에 $HfO_2$ 를 바로 증착하는 경우, 기판의 Si 이박막내로 확산하여 유전율이 저하되는 문제점을 인식하고, 기판과 $HfO_2$ 사이에 $AlO_x$를 방지막으로 사용하였다. 이 때, $AlO_x$의 Al precursor 는 TMA 로 고정하고, 산화제로는 $H_2O, O_2$-plasma, O_3$ 를 각각 사용하였다. 모든 $AlO_x/HfO_y$ 박막에서 매우 우수한 누설전류특성을 얻을 수 있었는데, 특히 $O_3$ 를 산화제로 사용한 $AlO_x$ 방지막의 경우 가장 우수한 특성을 보였다. 또한 질소 분위기에서 $800^{\circ}C$ 10 분간 열처리한 후, 방지막을 사용한 모든 경우에서 보다 향상된 열적 안정성을 관찰할 수 있었다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2015.08a
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• pp.175.2-175.2
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• 2015

이 연구는 nano-indenter를 중심으로 박막의 nano-electrotribology 분석 연구로 Hafnium Nitride (HfN) 박막의 열처리 시 열적안정성에 대한 연구를 진행하였다. HfN 박막은 Copper (Cu)와 Silicon (Si)의 계면 확산방지막으로 사용될 수 있는 박막으로 현재 많은 연구소에서 다양한 연구가 진행되고 있다. HfN 박막은 Si (100)기판 위에 rf magnetron sputter로 증착되었다. 증착 시 Ar, $N_2$ 가스유량을 총 40 sccm 사용하였고 증착 후 HfN 박막을 질소분위기 furnace에서 500, $700^{\circ}C$로 각각 30분 동안 열처리 하였다. 열처리 전 후의 시료를 nano-indenter를 이용하여 nano-electrotribology 분석을 실시하였다. Nano-indenter 측정결과 열처리 전 HfN 박막 시료의 표면강도는 39.68 GPa였고 500oC 열처리 후 31.31 GPa로 감소하였다. 그러나 $700^{\circ}C$ 열처리 시 표면강도가 37.89 GPa로 다시 증가하였다. 탄성계수 측정결과도 이와 같은 경향을 나타내었는데, $500^{\circ}C$ 열처리 전 후 탄성계수가 258.99 GPa에서 201.88 GPa로 감소하였고 $700^{\circ}C$ 열처리 시 247.55 GPa로 다시 증가하였다. 이는 $500^{\circ}C$ 열처리하였을 때 박막 내에 흡착되었던 $N_2$ 가스가 빠져나가며 tensile stress가 발생하여 박막의 표면강도 감소를 유발했고 $700^{\circ}C$ 열처리 시 다시 박막 표면이 안정화되었기 때문으로 생각된다. 이를 통해 열처리 온도 변화에 의한 질소효과가 나타나 HfN 박막 표면의 물성이 달라지는 것을 확인하였다.

• Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
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• 2003.07a
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• pp.275-277
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• 2003

최근 logic 소자의 gate oxide로 기존의 $SiO_2$, SiON보다 고유전, 작은 누설전류를 가지는 물질의 개발이 중요한 이슈가 되고 있다. 본 실험실에서는 Si 기판위에 $HfO_2$를 바로 증착하는 경우, 기판의 Si이 박막내로 확산하여 유전율이 저하되는 문제점을 인식하고, 기판과 $HfO_2$ 사이에 $AlO_x$를 방지막으로 사용하였다. 이 때, $AlO_x$의 Al precursor는 TMA로 고정하고, 산화제로는 $H_2O$, $O_2$-plasma, $O_3$를 각각 사용하였다. 모든 $AlO_x/\;HfO_y$ 박막에서 매우 우수한 누설전류특성을 얻을 수 있었는데, 특히 $O_3$를 산화제로 사용한 $AlO_x$방지막의 경우 가장 우수한 특성을 보였다. 또한 질소 분위기에서 $800^{\circ}C$ 10분간 열처리한 후, 방지막을 사용한 모든 경우에서 보다 향상된 열적 안정성을 관찰할 수 있었다.

• Journal of the Korean Vacuum Society
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• v.21 no.5
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• pp.273-278
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• 2012

Over the last decade, the hafnium-based gate dielectric materials have been studied for many application fields. Because these materials had excellent behaviors for suppressing the quantum-mechanical tunneling through the thinner dielectric layer with higher dielectric constant (high-K) than $SiO_2$ gate oxides. Although high-K materials compensated the deterioration of electrical properties for decreasing the thickness of dielectric layer in MOSFET structure, their nano-mechanical properties of $HfO_2$ thin film features were hardly known. Thus, we examined nano-mechanical properties of the Hafnium oxide ($HfO_2$) thin film in order to optimize the gate dielectric layer. The $HfO_2$ thin films were deposited by rf magnetron sputter using hafnium (99.99%) target according to various oxygen gas flows. After deposition, the $HfO_2$ thin films were annealed after annealing at $400^{\circ}C$, $600^{\circ}C$ and $800^{\circ}C$ for 20 min in nitrogen ambient. From the results, the current density of $HfO_2$ thin film for 8 sccm oxygen gas flow became better performance with increasing annealing temperature. The nano-indenter and Weibull distribution were measured by a quantitative calculation of the thin film stress. The $HfO_2$ thin film after annealing at $400^{\circ}C$ had tensile stress. However, the $HfO_2$ thin film with increasing the annealing temperature up to $800^{\circ}C$ had changed compressive stress. This could be due to the nanocrystal of the $HfO_2$ thin film. In particular, the $HfO_2$ thin film after annealing at $400^{\circ}C$ had lower tensile stress, such as 5.35 GPa for the oxygen gas flow of 4 sccm and 5.54 GPa for the oxygen gas flow of 8 sccm. While the $HfO_2$ thin film after annealing at $800^{\circ}C$ had increased the stress value, such as 9.09 GPa for the oxygen gas flow of 4 sccm and 8.17 GPa for the oxygen gas flow of 8 sccm. From these results, the temperature dependence of stress state of $HfO_2$ thin films were understood.

• Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
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• 2004.07a
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• pp.74-77
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• 2004

[ $HfO_2$ ] dielectric layers were grown on the p-type Si(100) substrate by metalorganic molecular beam epitaxy(MOMBE). Hafnium $t-butoxide[Hf(O{\cdot}t-C_4H_9)_4]$ was used as a Hf precursor and Argon gas was used as a carrier gas. The thickness of the layers was measured by scanning electron microscopy (SEM) and high-resolution transmission electron measurement(HR-TEM). The properties of the $HfO_2$ layers were evaluated by X-ray diffraction(XRD), high frequency capacitance-voltage measurement(HF C-V), current-voltage measurement(I-V), and atomic force measurement(AFM). HF C-V measurements have shown that $HfO_2$ layer grown by MOMBE has a high dielectric constant(k=19-21). The properties of $HfO_2$ films are affected by various process variables such as substrate temperature, bubbler temperature, Ar, and $O_2$ gas flows. In this paper, we examined the relationship between the $O_2/Ar$ gas ratio and the electrical properties of $HfO_2$.

• Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
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• 2007.06a
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• pp.158-159
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• 2007

반도체 소자의 공정에 있어서 device scaling으로 인한 게이트 산화막 대체 유전체 (high-k)의 공정 개발 확보 방안 필요하다. 본 논문에서는 $Cl_2$/Ar 유도 결합 플라즈마를 이용하여 $HfO_2$ 박막을 식각하였다. $Cl_2$(80 %)/Ar(20 %)의 가스비, 600 W의 RF 전력, -150 V의 직류 바이어스 전압, 20 sccm의 총 가스유랑, 15 mTorr의 압력에서 15.4 nm/min의 최대 식각률을 얻을 수 있었다. 식각 된 $HfO_2$ 박막 표면을 XPS 분석한 결과 Hf와 O는 Cl 라디칼과 반응을 하여 높은 휘발성을 보이지만 Hf-O의 안정된 결합으로 인하여 이온에 의한 스퍼터링 효과에 의해서 식각된다.