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Title Page
ABSTRACT
Contents
1. Introduction 11
1.1. Background 11
1.2. Need for high-k materials 13
1.3. Characteristics of ZrO₂ 17
2. Theories 19
2.1. Plasma 19
2.2. Definition of Etching 24
2.3. Plasma Etching 26
2.4. Process variables of plasma etching 30
(1) Gas Flow Rate 30
(2) Temperature 30
(3) Pressure 30
(4) Source Power 31
(5) Excitation Frequency 31
3. Experimental 32
3.1. Analysis Methods 32
1. X-ray Photoelectron Spectroscopy 32
2. Optical Emission Spectrometry 34
3. Atomic Force Microscopy 35
3.2. ETCHING EXPERIMENT 38
4. Result and Discussion 40
4.1. Etch characteristics for various process parameters 40
4.2. OES analysis of the etched ZrO₂ thin films 45
4.3. Etched surface analysis using XPS 47
4.4. Roughness analysis of etched surface using AFM 53
5. Conclusion 55
REFERENCE 57
국문초록 60
Table 1. Potential High-k materials 15
Table 2. Mechanical properties for zirconia 19
Fig. 1.1. The structure of MOSFET 13
Fig. 1.2. The subthreshold current 16
Fig. 1.3. The performance of high-k + metal gates transistor 16
Fig. 2.1. Excitation and Relaxation 24
Fig. 2.2. Isotropic VS. Anisotropic Etching 25
Fig. 2.3. Process of Plasma etching 28
Fig. 2.4. Various etching mechanisms 29
Fig. 2.5. Pressure VS. Ion energy 31
Fig. 3.1. Principle of XPS 33
Fig. 3.2. The basic principle of OES 35
Fig. 3.3. The principle of AFM 36
Fig. 3.4. Schematic of the inductively coupled plasma system 39
Fig. 4.1. Etch rates and etch selectivity as a function of Cl₂ gas-flow rate 41
Fig. 4.2. Etch rates and etch selectivity as a function of CF₄ (additive gas) gas-flow... 42
Fig. 4.3. Etch rates and etch selectivity as a function of RF power 43
Fig. 4.4. Etch rates and etch selectivity as a function of DC bias power 44
Fig. 4.5. Etch rates and etch selectivity as a function of Process pressure 45
Fig. 4.6. OES intensities of the etched ZrO₂ thin films as a function of the CF₄ gas-... 46
Fig. 4.7. XPS narrow-scan spectra of Zr 3d 49
Fig. 4.8. XPS narrow-scan spectra of O 1s 52
Fig. 4.9. AFM pictures (rms roughness: Å) of the etched ZrO₂ thin films 54
초록보기 더보기
기술이 발전함에 따라서 MOSFET (metal oxide silicon field effect transistor)의 크기가 계속 축소되고 있으며, 이러한 소형화는 결국 게이트 전류 누설, 파워 소비, 열 발산 그리고 낮은 신뢰성 등의 문제점들을 발생시켰다. 그 결과, 게이트 절연체로 SiO₂를 사용하는 것이 눈에 띄게 줄어들고 있다. Al₂O₃, ZrO₂, HfO₂, HfAl₂O₃ 같은 게이트 절연체는 SiO₂ 보다 더 높은 유전율 (3.9 이상)을 가지고 있고 더 두꺼운 장점을 가지고 있어서 SiO₂ 게이트 절연체를 대체하여 오늘날 광범위하게 연구되고 있다. 이러한 하이케이 물질 중에서 ZrO₂(산화 지르코늄)은 산화에 큰 저항성, 높은 굴절률, 높은 열 안정성, 넓은 밴드갭(5-7eV) 그리고 높은 유전율(k＝20-30)을 가지고 있기 때문에 절연체로서 자주 사용되고 있다. 절연 물질을 식각할 때, 습식 식각 공정은 자주 사용되지 않는다. 왜냐하면 습식 식각은 금속 규산염을 식각하기 힘들고 미세 패턴을 형성하기 매우 어렵기 때문이다. 따라서 반도체 장비가 높은 수준으로 집적화될수록 식각 가스를 사용하는 ICP 시스템이 상당한 관심을 끌고 있다. 비록 ZrO₂에 대한 연구가 최근에 많이 진행되고 있지만 대부분은 단순하게 박막의 식각율에만 의존하고 있다. 따라서 물리적인 특성뿐만 아니라 화학적인 특성을 규명하는 것이 이 논문의 목적이다. 이 실험은 게이트 절연체 식각 뎁스의 정확한 조절을 위해서 고주파 유도 결합 플라즈마 장치로 식각되었다. 또한, ZrO₂박막의 식각 특성을 조사하기 위해 가스 혼합 비율, RF파워, DC 바이어스 파워 그리고 공정 압력과 같은 변수를 반복적으로 변화시켰고, XPS를 사용하여 식각된 표면의 화학반응을 분석하였다. 또한 OES로 플라즈마 속 라디칼의 양이 변화하는 것을 살펴보았고 AFM으로 식각된 표면의 거칠기를 조사하였다.
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