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문제 정의
- 본 논문의 목적은 게이트 절연막으로 사용할 산화막 연구이며, 이에 TEOS/Qj 를 이용하여 APCVD법을 통한 SiO2 박막 연구와 수소화 처리를 통해 절연막의 전기적 특성을 향상 시키고자 FGA에 대해 연구하였다.
제안 방법
- APCVD법을 이용하여。2 gas의 주입량 변화를주면서 TEOS SiO2막을 성장시켜 급속 열처리와 A1 전극을 증착하여 MIS (metal - insulator- semi conductor)구조를 제작하고 HF C-V(capacitance voltage) 측정을 수행하였다. 더불어 계면 및 박막의 특성 개선을 위한 FGA처리를 한 후, 다시 HF C-V 를 측정, 비교함으로써 박막 내 존재하는 전하들에 의한 플랫밴드 이동과 hysteresis 정도 및 interface trap density(Dit)의 밴드 갭 내의 분포변화를 확인할 수 있었다.
- TEOS source를 이용한 산화막 증착 실험을 통해 온도와 O2 gas 주입량에 따른 증착속도 및 굴절율변화를 각각 살펴보았다. 그림 2는 온도 변화에 따른 SiO2 박막의 증착 두께 및 굴절률 변화의 그래프이다.
- 5eV)는 Si이 산소 원자와 tetrahedral구조를 이루는 상태이고 Si°(99eV) 는 Si이 다른 Si과 결합한 상태이다[8]. TEOS source만 주입하여 증착한 산화막이나 산소를 50 1pm 주입하여 증착한 산화막 모두 동일하게 Si°는거의 관찰이 되지 않고 S严만 관찰이 되었다. 이는 TEOS source를 이용한 APCVD 방식의 산화막 증착에서는 Si 이 산소원자와 반응하여 충분한 tetr산ledral구조를 이루며, Si이 다른 Si과 결합이 현저히 줄어든다는 것을 알 수 있다.
- TEOS/O2를 사용하여 증착된 박막에 있어 산소의 주입에 의해 TEOS source의 분해 및 반응을활성화시킴으로써 산화막의 증착 속도를 증가시켰다. 또한, 충분한 산소가 공급됨으로써 박막의 다공성이 감소하고 Si이 산소원자와 충분히 반응하여 tetrahedral구조를 이루어 박막의 조성이 stoichiometry에 부합되게 증착됨을 알 수 있었다.
- 이 중 산소는 chamber내에서 산화를 활성화시키기 위해 사용하였으며, 질소는 버블러에들어있는 TEOS를 chamber로 유입 시키는 운반기체와 초기 chamber purging 및 대기압 조절을위한 가스로 사용되었다. 즉, 초기 chamber Ml N? gas 분위기를 통한 대기압 형성과 반응 원료인 TEOS를 chambers 도입하기 위해 N2 운반 기체가 버블러를 통과 하도록 하였다. Chamber로 유입되는 TEOS의 양은 N2 운반 기체의 유량을 flow meter를 통해 5~7 1pm가 되도록 조절하였으며.
- 상부전극은 dot 형태로 SiO-2 성장시킨 후 하부전극과 동일한 방법으로 성장되었다. 또한, hydrogenation처리의 방법으로 forming gas annealing을 통한 박막 내로의 H 확산과 이를 통한 박막의 passivation효과를 얻어 SiCh막의 개선과 SiOkSi 계면의 특성 변화를 유도하였다. FGA 처리는 400 ℃ 에서 Forming gas (H2: 10 %, N2: 80 %)를 주입하면서 10분 동안 진행되었다.
- 본 연구에서는 반도체 및 디스플레이 분야에서 field oxide, 보호막, 층간 절연막, 그리고 게이트 절연막 등으로 응용되고 있는 산화막(SiO2)[5]을유해한 물질인 SiH4 대신 유기 사일렌 반응물질인 TEOS(Tetraethylorthosilicate) 를 이용하여 AP CVD 법으로 성장시키고, Si를 사용하는 소자에 있어 Si의 결함이나 불순물을 passivation을 시키는 역할로 인해 대단한 기술적 중요성을 가지는 수소화 처리 [6, 기를 FGA(Form ing Gas Annealing)법을 통해 연구를 하였다.
- 산화막 증착에 사용된 기판은 10-20 Q-cm의비저항을 가진 p-type Si(100)을 사용 하였으며, 본 실험에서는 chamber에 시편을 넣기 전에 수정된 RCA법을 통해 사전 세정을 수행 하였다[8L 기본적으로 증착 온도 650 ℃에서 15분간 증착으로산화막을 형성하였고 Oz량에 따른 화학적, 물리적, 전기적 특성을 평가 하였다. 증착된 박막의 전기적특성을 평가하기 위해 MIS capacitor를 제작하였으며, 후면 A1 전극을 열 기상증착법으로 증착하였고, Ohmic contact 을 위해 급속열처리 (Rapid Thermal Annealing) 법으로 550 ℃ 에서 15 분간 열처리를 하였다.
- 특성을 평가 하였다. 증착된 박막의 전기적특성을 평가하기 위해 MIS capacitor를 제작하였으며, 후면 A1 전극을 열 기상증착법으로 증착하였고, Ohmic contact 을 위해 급속열처리 (Rapid Thermal Annealing) 법으로 550 ℃ 에서 15 분간 열처리를 하였다. 상부전극은 dot 형태로 SiO-2 성장시킨 후 하부전극과 동일한 방법으로 성장되었다.
대상 데이터
- 반응 원료인 TEOS(99.999 %)는 버블러에 담겨져서 항상 70~75 ℃사이를 유지하도록 하였다. 실험에 사용된 기체는 고순도 02 gas와 고순도 N2 gas이다.
- 본 연구는 한국과학기술재단의 지역협력연구센터(RRC)인 성균관대학교. 정보통신용 신기능성 소재 및 공정 연구센터의 지원(과제번호 : R1 2-2 002-057-020 03-0) 으로 이루어진 것으로이에 감사드립니다.
- 999 %)는 버블러에 담겨져서 항상 70~75 ℃사이를 유지하도록 하였다. 실험에 사용된 기체는 고순도 02 gas와 고순도 N2 gas이다. 이 중 산소는 chamber내에서 산화를 활성화시키기 위해 사용하였으며, 질소는 버블러에들어있는 TEOS를 chamber로 유입 시키는 운반기체와 초기 chamber purging 및 대기압 조절을위한 가스로 사용되었다.
- 실험에 사용된 기체는 고순도 02 gas와 고순도 N2 gas이다. 이 중 산소는 chamber내에서 산화를 활성화시키기 위해 사용하였으며, 질소는 버블러에들어있는 TEOS를 chamber로 유입 시키는 운반기체와 초기 chamber purging 및 대기압 조절을위한 가스로 사용되었다. 즉, 초기 chamber Ml N? gas 분위기를 통한 대기압 형성과 반응 원료인 TEOS를 chambers 도입하기 위해 N2 운반 기체가 버블러를 통과 하도록 하였다.
이론/모형
- 본 연구에서는 산화막 증착을 위해 APCVD법을사용하였으며, 그림 1에서 보듯이 반응장치는 반응원료의 공급 부분과 반응이 일어나서 증착이 이루어지는 chamber로 크게 두 부분으로 나눌 수 있다.
성능/효과
- 나타내었다.。2 gas 주입량에 따른 증착률 변화는 산소 주입 이 증가할수록 증착속도는 증가하다가, 02 gas 100 1pm를기준으로 감소하는 경향을 보여주었다. 이는 TEOS source의 산소도 산화막 증착에 활용될 뿐만 아니라추가로 주입된 O? gas가 TEOS source의 산소보다산화막 증착에 더 우세적 역할을 한다고 판단되어진다.
- FGA처리 전 MIS구조의 C-V 곡선에서의 플랫밴드 전압(VQ 값은 약 -4.5 V 정도의 값들을 가지는 결과를 보여 주었으며, 각 조건에서 이상적인곡선에 비해 절연막의 트랩과 이온의 존재로 인한기울기 왜곡이 생겼으며, 드리프드형 hysteresis현상을 나타내었다. 02 gas를 주입하지 않은 박막에비해 (A gas를 주입한 박막의 기울기 왜곡이 심한걸로 보아。2 gas 주입으로 chamber 내 활발한반응으로 박막 증착시 많은 전하들이 박막내 존재하게 되고 이로 인한 영향으로 판단되다.
- 그리고 전체적인 hysteresis의 기울기가 증가하는 경향을 모두 보였고, C-V 곡선을 이용하여 terman 법으로 구한 SiOz 박막의 midgap에서의트랩밀도 (DQ 값의 변화와 고정 전하 (Qf) 값을표 2에서 보인 것과 같이 박막 성장 시 주입된 산소량과 수소화 처리인 FGA 전·후 하여 값의 변화가 보였다. 산소량에 따른 증착된 막의 결과를살펴보면, 전반적으로 산소량이 증가된 경우 midgap 내에서의 트랩 전하들이 일정 부분 감소하였다.
- 더불어 02 gas 주입량에 따른 굴절률 변화를 살펴보면, 산소 주입량 증가에 따라 굴절률이 증가함을보여주었다. Si-rich한 박막과 고밀도의 박막의 경우에는 높은 굴절률을 갖고 반면에 다공성이 크고 박막 내에 스트레스가 존재하면 낮은 굴절률을 갖는것으로 보고 되고 있는 바[10], chamber내에서 주입된 。2 gas로 인하여 산화 반응이 활성화 되어 Si-rich한 박막이라기 보다는 박막의 다공성이 감소한 고밀도 박막이 형성됨으로써 산화막의 굴절률이증가하였을 것으로 판단된다.
- 측정을 수행하였다. 더불어 계면 및 박막의 특성 개선을 위한 FGA처리를 한 후, 다시 HF C-V 를 측정, 비교함으로써 박막 내 존재하는 전하들에 의한 플랫밴드 이동과 hysteresis 정도 및 interface trap density(Dit)의 밴드 갭 내의 분포변화를 확인할 수 있었다.
- 이는 TEOS source를 이용한 APCVD 방식의 산화막 증착에서는 Si 이 산소원자와 반응하여 충분한 tetr산ledral구조를 이루며, Si이 다른 Si과 결합이 현저히 줄어든다는 것을 알 수 있다. 더불어 충분한 열에너지가 공급된 APCVD 법을 통한 산화막 증착은 Si과 산소의 결합이 원활하고 안정적으로 박막 성장이 이루어짐을 판단 할 수 있다.
- 산소량에 따른 증착된 막의 결과를살펴보면, 전반적으로 산소량이 증가된 경우 midgap 내에서의 트랩 전하들이 일정 부분 감소하였다. 또한 FGA 처리에 따른 박막의 경우 처리전의 박막에 비해 약간의 트랩밀도의 감소를 가져와 FGA 처리를 통해 H의 박막내 확산으로 계면과 박막내의 트랩들이 감소됨을 알 수 있었다.
- 수 있었다. 또한 산화막의 플랫밴드 전압(Vm) 을 positive 방향으로 약 1~3V 정도 변화를 주어막의 전기적 특성의 개선을 보였다.
- 또한, 충분한 산소가 공급됨으로써 박막의 다공성이 감소하고 Si이 산소원자와 충분히 반응하여 tetrahedral구조를 이루어 박막의 조성이 stoichiometry에 부합되게 증착됨을 알 수 있었다. 더불어 APCVD법을 통한 SiO2 박막은 전기적 특성을 저하시키는 Si-H 피크와 Si-OH 피크가 나타나지 않았다.
- 본 실험의 결과로부터 게이트 절연막으로서 양호한 산화막을 얻기 위하여 상압에서 TEOS source 사용의 가능성을 확인하였으며, 게이트 절연막의 특성 개선을 위한 forming gas annealing 이 막의 전기적 특성을 개선할 수 있는 수소화 처리의 좋은 방안임을 확인하였다.
- 수소화 처리 인 forming gas annealinge 산화막내로의 日의 확산을 활성화 시켜 SiOa/Si 계면이나 표면의 dangling bond를 passivation함으로써계면 고정전하 및 misgap 에서의 트랩밀도의 양을낮출 수 있었다. 또한 산화막의 플랫밴드 전압(Vm) 을 positive 방향으로 약 1~3V 정도 변화를 주어막의 전기적 특성의 개선을 보였다.
- 46回를 보여주었다. 이는 TEOS source의 분해와 02 gas 와 반응에는 일정 온도, 즉 일정 이상의 에너지가 공급 되어야 한다는 것을 확인하였다. 기판 온도 600 ℃의 열에너지는 TEOS source의 Si, O, H 가 분해하기에 충분하지 않으며, 그 이상의 열에너지가 필요한 것으로 판단된다.
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