• Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea SD
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• v.44 no.5
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• pp.8-14
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• 2007

In this paper, $HfO_2$/Hf stacked film has been applied as the gate dielectric in MOS devices. The $HfO_2$ thin film was deposited on p-type (100) silicon wafers by atomic layer deposition (ALD) using TEMAHf and $O_3$ as precursors. Prior to the deposition of the $HfO_2$ film, a thin Hf metal layer was deposited as an intermediate layer. Round-type MOS capacitors have been fabricated on Si substrates with 2000${\AA}$-thick Al or Pt top electrode. The prepared film showed the stoichiometric components. At the $HfO_2$/Si interface, 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. It seems that the intermediate Hf metal layer has a benefit for the enhancement of electric characteristics of gate dielectric in $HfO_2$/Si structure.

• Journal of the Institute of Electronics and Information Engineers
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• v.50 no.2
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• pp.98-103
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• 2013

In this work, we investigated the enhanced performance of IZO-based TFTs with $HfSiO_x$ gate insulators. Four types of $HfSiO_x$ gate insulators using different diposition powers were deposited by co-sputtering $HfO_2$ and Si target. To simplify the processing sequences, all of the layers composing of TFTs were deposited by rf-magnetron sputtering method using patterned shadow-masks without any intentional heating of substrate and subsequent thermal annealing. The four different $HfSiO_x$ structural properties were investigated x-ray diffraction(XRD), atomic force microscopy(AFM) and also analyzed the electrical characteristics. There were some noticeable differences depending on the composition of the $HfO_2$ and Si combination. The TFT based on $HfSiO_x$ gate insulator with $HfO_2$(100W)-Si(100W) showed the best results with a field effect mobility of 2.0[$cm^2/V{\cdot}s$], a threshold voltage of -0.5[V], an on/off ratio of 5.89E+05 and RMS of 0.26[nm]. This show that the composition of the $HfO_2$ and Si is an important factor in an $HfSiO_x$ insulator. In addition, the effective bonding of $HfO_2$ and Si reduced the defects in the insulator bulk and also improved the interface quality between the channel and the gate insulator.

• 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.

• 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.

• Proceedings of the Korean Institute of Surface Engineering Conference
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• 2017.05a
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• pp.138-138
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• 2017

차세대 CMOS 소자의 지속적인 고직접화를 위해서는 높은 gate capacitance와 낮은 gate leakage current를 확보를 위한, 적절한 metal gate electrode와 high-k dielectric 물질의 개발이 필수적으로 요구된다. 특히, gate dielectric으로 적용하기 위한 다양한 high-k dielectric 물질 후보군 중에서, 높은 dielectric constant와, 낮은 leakage current, 그리고 Si과의 우수한 열적 안정성을 가지는 Zr silicates 또는 Hf silicates(ZrSiO4와 HfSiO4) 물질이 높은 관심을 받고 있으며, 이를 원자층 증착법을 통해 구현하기 위한 노력들이 있어왔다. 그러나, 현재까지 보고된 원자층 증착법을 이용한 Zr silicates 및 Hf silicates 공정의 경우, 개별적인 Zr(또는 Hf)과 Si precursor를 이용하여 ZrO2(또는 HfO2)과 SiO2를 반복적으로 증착하는 방식으로 Zr silicates 또는 Hf silicates를 형성하고 있어, 전체 공정이 매우 복잡해지는 문제점 뿐 아니라, gate dielectric 내에서 Zr과 Si의 국부적인 조성 불균일성을 야기하여, 제작된 소자의 신뢰성을 떨어뜨리는 문제점을 나타내왔다. 따라서, 본 연구에서는 이러한 문제점을 개선하기 위하여, 하나의 precursor에 Zr (또는 Hf)과 Si 원소를 동시에 가지고 있는 DNS-Zr과 DNS-Hf bimetallic precursor를 이용하여 새로운 ZrSiO4와 HfSiO4 ALD 공정을 개발하고, 그 특성을 살펴보고자 하였다. H2O와 O3을 reactant로 사용한 원자층 증착법 공정을 통하여, Zr:Si 또는 Hf:Si의 화학양론적 비율이 항상 일정한 ZrSiO4와 HfSiO4 박막을 형성할 수 있었으며, 이들의 전기적 특성 평가를 진행하였으며, dielectric constant 및 leakage current 측면에서 우수한 특성을 나타냄을 확인할 수 있었다. 이러한 결과를 바탕으로, bimetallic 전구체를 이용한 ALD 공정은 차세대 고성능 논리회로의 게이트 유전물질에 응용이 가능할 것으로 판단된다.

• Journal of the Korean Vacuum Society
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• v.18 no.1
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• pp.9-14
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• 2009

We calculated tetragonal-$HfO_2$/Si superstructures using density functional theory. When a and b-axes of cubic-$HfO_2$ were increased to be matched with those of Si for epitaxy contact, c-axis was decreased by 2%. Eight models of interface layers were produced by choosing different terminating layers of tetragonal-$HfO_2$ and Si substrate at the interface. It was found that tetragonal-$HfO_2$ $(004)_{1/4}$/Si $(004)_{3/4}$ superstructure was the most favorable and tetragonal-$HfO_2$ (004)$_{1/4}$/Si (002) superstructure was the most unfavorable. In tetragonal-$HfO_2$ $(004)_{1/4}$/Si (002) superstructure, there were two oxygen vacancies in tetragonal-$HfO_2$ as two oxygen atoms were moved to Si substrate located at the interface.

• Journal of the Microelectronics and Packaging Society
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• v.15 no.4
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• pp.25-29
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• 2008

Reliability and performance in metal gate/high-k device with multiple gate dielectrics were investigated. MOSFETs with a thin $HfSiO_x$ layer on a thermal Si02 dielectric as gate dielectrics exhibit excellent mobility and low interface trap density. However, the distribution of threshold voltages of $HfSiO_x/SiO_2$ stack devices were wider than those of $SiO_2$ and $HfSiO_x$ single layer devices due to the penetration of Hf and/or intermixing of $HfSiO_x$ with underlying $SiO_2$. The results of TZDB and SILC characteristics suggested that a certain portion of $HfSiO_x$ layer reacted with the underlying thick $SiO_2$ layer, which in turn affected the reliability characteristics.

• 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.

• Korean Journal of Materials Research
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• v.8 no.9
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• pp.791-796
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• 1998

self-aligned silicide(salicide)제조시 CoSi2의 에피텍셜 성장을 돕기 위하여 Co와 Si 사이에 내열금속층을 넣은 Co/내열금속/Si의 실리사이드화가 관심을 끌고 있다. Hf 역시 Ti와 마찬가지로 이러한 용도로 사용될 수 있다. 한편, Co/Hf 이중층 salicide 트랜지스터가 성공적으로 만들어지기 위해서는 spacer oxide 위에 증착된 Co/Hf 이중층이 열적으로 안정해야 한다. 이러한 배경에서 본 연구에서는 SiO2기판 위에 증착한 Co 단일층과 Co/Hf 이중층을 급속열처리할 때 Co와 SiO2간의 계면과 Co/Hf와 SiO2간의 계면에서의 상호반응에 대하여 조사하였다. Co 단일층과 Co/Hf 이중층은 각각 $500^{\circ}C$와 $550^{\circ}C$에서 열처리한 후 면저항이 급격하게 증가하기 시작하였는데, 이것은 Co층이 SiO2와의 계면에너지를 줄이기 위하여 응집되기 때문이다. 이 때 Co/Hf의 경우 열처리후 Hf에 의하여 SiO2 기판이 일부 분해됨으로써 Hf 산화물이 형성되었으나, 전도성이 있는 HfSix 등의 화합물은 발견되지 않았다.

• Journal of the Korean Magnetics Society
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• v.13 no.1
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• pp.6-14
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• 2003

The purpose of this study is to investigate the effect of chemical reaction with a bonding glass on physical and magnetic properties of Fe-Hf-N/SiO$_2$ and Fe-Hf-N/Cr/SiO$_2$ thin films. When the Fe-Hf-N/SiO$_2$ films were reacted with the bonding glass, the soft magnetic properties of them were extremely degraded. At $600^{\circ}C$, the saturation magnetization of the reacted film decreased to 1 kG, and its coercivity increased to 27 Oe, and its effective permeability decreased to 70. It was found that the degradation of soft magnetic properties of the Fe-Hf-N/SiO$_2$ films reacted with the bonding glass were attributed to the oxidation of the Fe-Hf-N layers to HfO$_2$ and Fe$_3$O$_4$. The soft magnetic properties of the Fe-Hf-N/Cr/SiO$_2$ films reacted with the bonding glass were degraded less than those of Fe-Hf-N/SiO$_2$ films. At $600^{\circ}C$, the saturation magnetization of the reacted film decreased to 13.5 kG, and its coercivity increased to 4 Oe, and its effective permeability decreased to 700. It was found that the Cr layer suppressed the oxidation of the Fe-Hf-N layers during the chemical reaction between the Fe-Hf-N layer and bonding glass.