[논문]Si와 GaAs기판 위에 AIN 박막의 전기적 특성

박정철; 추순남; 권정렬; 이헌용

doi:10.4313/jkem.2008.21.1.005

Si와 GaAs기판 위에 AIN 박막의 전기적 특성
Properties Electric of AIN Thin Film on the Si and GaAs Substrate 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.21 no.1, 2008년, pp.5 - 11

박정철 (경원대학교 IT대학 전자공학) , 추순남 (경원대학교 공과대학 전기공학) , 권정렬 (명지대학교 공과대학 전기공학과) , 이헌용 (명지대학교 공과대학 전기공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

To study the effects of $H_2$ gas on AIN insulation thin film, we prepared AIN thin film on Si and GaAs substrate by means of reactive sputtering method using $H_2$ gas as an additives, With treatment conditions of $H_2$ gas AIN thin film shows variable electrical properties such as its crystallization and hysterisis affected to electrical property, As a results, AIN thin film fabricated on Si substrate post-treated with $H_2$ gas for 20 minutes shows much better an insulation property than that of pre-treated, And AIN film treated with $H_2$ gas comparing to non-treated AIN film shows a flat band voltage decreasment. But In GaAs substrate $H_2$ gas does not effect on the flat band voltage.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 실험에서는 반응성 스퍼터링법으로 A1 N 박막을 제조할 때 수소가스의 첨가시기를 변화시켜 가면서 Si기판과 GaAs기판을 이용하여 A1 N 박막의 전기적 특성 변화를 살펴봄으로 GaAs MIS 반도체소자의 응용가능성을 살펴보았다.
본 연구에서는 반응성 스퍼터링법으로 Si 및 GaAs 기판위에 A1N박막을 제작하여 전기적 특성을 연구한 것으로서 A1N 박막의 절연 박막으로의 응용 가능성에 대해서 다음과 같은 결론을 내릴 수 있었다.
특히 GaAs 나 Si 반도체의 MIS (Metal Insulator Semiconductor)소자에 있어서 절연막으로 응용이 기대되고 있는더〕, MIS 소자에서 가장 중요한 문제 중의 하나인 안정적인 C-V특성을 보이는 절연막 재료를 개발하는 것이다. A1N박막은 높은 저항률 (1013~1016 Q ・cin)과 커다란 절연파괴강도를 가지며, 또한 열팽창계수가 Si이나 GaAs기판과 거의 유사하고 높은 열전도도를 가지기 때문에 단위시간 당의 방열 처리가 문제 시 되는 MIS 반도체 소자의 절연재료로 응용이 기대되고 있다.

제안 방법

이때 수소첨가효과를 알아보기 위해 아르곤/질소 가스의 총 유량을 고정시킨 후부가 적으로 5 %의 수소가스를 첨가해 주었는데, 박막의 증착 전시간(60분)동안 수소가스의 미첨가 및 첨가, 초기 20분간 수소첨가, 후기 20분간 수소첨가를 하는 것을 변수로 선정했다. 박막을 증착하기 전에 타겟 위의 불순물을 제거하기 위하여 아르곤 분위기에서 3분 및 아르곤/질소 분위기에서 20분간 공정 전 스퍼터링을 행하였으며, 표 1에 AIN박막의 스퍼터링 조건을 보여준다.
타겟은 고 순도 알루미늄을 사용하였고 고 순도 아르곤과 질소가스를 각각 4 seem씩 1:1의 유량비로 혼합하여 AIN 박막을 증착하였다. 이때 수소첨가효과를 알아보기 위해 아르곤/질소 가스의 총 유량을 고정시킨 후부가 적으로 5 %의 수소가스를 첨가해 주었는데, 박막의 증착 전시간(60분)동안 수소가스의 미첨가 및 첨가, 초기 20분간 수소첨가, 후기 20분간 수소첨가를 하는 것을 변수로 선정했다. 박막을 증착하기 전에 타겟 위의 불순물을 제거하기 위하여 아르곤 분위기에서 3분 및 아르곤/질소 분위기에서 20분간 공정 전 스퍼터링을 행하였으며, 표 1에 AIN박막의 스퍼터링 조건을 보여준다.
전기적 특성 조사를 위해 I -V 특성은 HP 4145B pico-amperemeter를 이용하여 음의 전압을 인가하면서 측정하였고, C-V 특성은 HP 4192A LF impedance analyzer를 이용하여 1 MHz에서 측정하였다.

대상 데이터

6 Q . cm인 n-type(100) Si 기판, 0.78 3 ffi - cm, n-type(100) GaAs를 사용하였고, Si 기판세척은 불순물을 제거하기 위하여 아세톤 속에서 10분 동안 초음파세척을 한 후, 산화막 제거를 위하여 buffered HF 용액을 사용하였고, 마지막으로 D.I water로 세척을 하였다. GaAs 기판은 아세톤과 에틸알콜에서 각각 10분간 초음파세척한 후 산화막을 제거하기위해 HCl 용액에 1분간 처리하였다.
반응성 RF 마그네트론 스퍼 터 링법을 이용하여 Si 기판과 GaAs 기판위에 AIN박막을 제조하였다. 시편제작을 위한 기판은 저항율이 0.
0x10® Torr 에서 실험을 시작하였다. 타겟은 고 순도 알루미늄을 사용하였고 고 순도 아르곤과 질소가스를 각각 4 seem씩 1:1의 유량비로 혼합하여 AIN 박막을 증착하였다. 이때 수소첨가효과를 알아보기 위해 아르곤/질소 가스의 총 유량을 고정시킨 후부가 적으로 5 %의 수소가스를 첨가해 주었는데, 박막의 증착 전시간(60분)동안 수소가스의 미첨가 및 첨가, 초기 20분간 수소첨가, 후기 20분간 수소첨가를 하는 것을 변수로 선정했다.

성능/효과

1. Si 기판을 사용한 시료에서 I-V 특성분석에 의하면 초기 20분간 수소첨가를 행한 A1N 박막 이후기 20분간 수소 첨가를 행한 박막보다 훨씬 우수한 절연특성을 나타내었다. 이것은 수소첨가 효과가 A1N/Si 계면에서 A1/A1N 계면보다 절연 특성을 향상 시킬 수 있다는 것을 보여준다.
2. C-V 특성분석에서는 수소첨가를 하지 않은 박막은 상당한 플랫밴드전압을 보여주었는데 수소첨가에 따라 플랫밴드전압은 크게 감소되었으나 초기 20분간 수소첨가를 시킨 경우는 히스테리시스를 거의 보이지 않았는데 반하여 후기 20분간 수소첨가를 시킨 경우는 오히려 더 큰 히스테리시스를 보여주었다.
3. GaAs 기판을 사용한 시료에서 I V 특성 분석으로는 수소첨가와 첨가하지 않은 경우 거의 비슷한 특성을 보였다. Si 기판을 사용한 시료보다 GaAs기판을 사용한 시료가 다소 높은 값이 측정되 었다.
4. C-V특성에서 초기에 수소 5 %를 첨가한 경우가 수소를 첨가하지 않은 경우와 후기에 수소 5 %를 첨가한 경우보다 더 강한 반전현상을 나타내고 있고 곡선의 기울기가 매우 가파른 것이 관찰되었다.
수소가스를 첨가하지 않은 경우(a), 전시간 동안 수소가스 농도를 5 % 첨가한 경우(b), 초기 20분간 수소가스를 첨가한 경우(c), 그리고 후기 20분간 수소가스를 첨가한 경우(d)의 A1N 박막의 표면형상의 변화를 보인 것이다. 4개의 시편은 균일하게 박막이 증착 되었으며 평균 거칠기(Rrms)는 수소 가스를 첨가하지 않은 경우와 초기 20분간 수소 가스를 첨가한 경우에는 거의 변화가 없으나, 후기 20분간 첨가한 경우에는 수소가스를 첨가 안한 경우와 초기에 첨가한 경우에 비해 약간 증가하였으며, 전시간 동안 수소 가스를 첨가한 경우에 가장 큰 값을 보였다. 후기 20 분간 수소 가스를 첨가한 경우에 표면 형상에서 보이는 높은 봉우리모양은 일반적인 박막 재료에서 관찰되는 작은 언덕 (hillock)으로 보인다.
하지만 수소가 함유된 A1N 박막은 수증기에 취약해서 A1(OH)3로 변하게 되고 그 결과 수포 (blistering)가 발생된다고 보고하였다[10-13]. 이들의 결과를 종합해 보면 수소첨가에 따라 A1 N 박막은 표면이 평탄해 지고 응력이 감소하는 등 특성이 크게 변함을 알 수 있다. 그러나 A1N박막의 제조 시 수소를 첨가해 줌에 따라 박막의 전기적 특성에도 큰 영향을 줄 것으로 예상되는데 이에 대한 연구는 거의 이루어져 있지 않다.

후속연구

A1N박막을 증착 시 수소가스첨가시기와 수소가스 농도를 위의 조건으로 하면 향상된 전기적 특성을 얻어 GaAs MIS 소자용 절연박막으로 우수한 것으로 기대된다.
이러한 현상은 수소가스를 초기에 첨가한 경우가 AlN/GaAs계면에서 불순물로 작용하는 산소 농도를 감소시킨 결과로 표면상태 밀도가 낮아졌음을 의미한다. 따라서 A 1N 박막을 증착 시 수소가스첨가시기와 수소가스농도를 최적화 하면 보다 향상된 전기적 특성을 얻을 수 있을 것으로 사료된다.

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홍성의, 한기평, 백문철, 조경익, 윤순길, 'PAMBE를 이용하여 성장된 AlN 박막의 미 세구조에 미치는 Al/N 비율영향', 전기전자재료학회논문지, 14권, 12호, p. 972, 2001

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H. C. Lee and J. Y. Lee, Thin Solid Films, Vol. 271, p. 50, 1995

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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